廉巨龍，雷一騰，周維

(1.華晨汽車工程研究院，遼寧沈陽 110141;2.伊犁師范學院，新疆伊寧 835000)

0 引言

進氣系統(tǒng)的主要功用是過濾空氣中的雜質(zhì)，保證發(fā)動機吸入清潔的空氣。但是隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，客戶對汽車聲品質(zhì)的要求越來越高，進氣口噪聲是發(fā)動機噪聲傳播的主要途徑之一，影響乘車的舒適[1]。因此，進氣系統(tǒng)的消聲性能成為了設計進氣系統(tǒng)時必須考慮的一個重要的問題。

往復式發(fā)動機的進氣系統(tǒng)噪聲信號通常與發(fā)動機發(fā)火頻率的階次有關。對于自然吸氣發(fā)動機，進氣口噪聲是由節(jié)氣門周期性地開閉產(chǎn)生的壓力波動引起的，主要包括3種成分：進氣門開啟時活塞做變速運動引起的進氣脈動噪聲，進氣門關閉時引起進氣管道中產(chǎn)生空氣柱共振噪聲，氣流流經(jīng)進氣門環(huán)隙時產(chǎn)生的渦流噪聲。

在很多情況下，自然吸氣發(fā)動機的進氣口噪聲是由低頻噪聲引起的，精確的抗性消聲器設計可以有效地抑制低頻噪聲產(chǎn)生。LIU等[2]使用試驗和仿真相結(jié)合的方法研究了進氣系統(tǒng)噪聲優(yōu)化設計的系統(tǒng)方法。吳超群等[3]應用計算流體力學模型邊界條件、采用三維聲學有限元法進行結(jié)構(gòu)改進設計，提高進氣系統(tǒng)的聲學性能。進氣系統(tǒng)另一個重要的性能指標是進氣系統(tǒng)的壓降，在消聲容積一定的情況下，縮小管徑可以有效降低進氣系統(tǒng)噪聲。為了平衡進氣系統(tǒng)氣動性能與聲學性能，作者基于數(shù)字化分析技術，采用Star CCM+軟件對流場進行分析，通過HyperMesh軟件對進氣系統(tǒng)進行網(wǎng)格劃分，采用Virtual.lab軟件建立聲學有限元模型對進氣系統(tǒng)的聲學性能進行預測以提高進氣系統(tǒng)對總聲壓級的衰減。

1 進氣系統(tǒng)氣動性能與聲學性能評價指標

1.1 空濾濾芯的影響及氣動性能目標

設計進氣系統(tǒng)時，先考慮氣動性能還是先考慮聲學性能一直是研發(fā)人員爭論的課題。作者針對一套全新開發(fā)的進氣系統(tǒng)，首先考慮氣動性能，盡量設計較小的管徑，在滿足進氣系統(tǒng)壓降目標的前提下進行聲學性能的優(yōu)化。

進氣系統(tǒng)的氣動性能評價指標是進氣阻力要求。進氣系統(tǒng)管路的設計流場分布應均勻，避免引起流動分離的速度突變；濾芯表面流速分布均勻，這樣可以提高濾芯的使用壽命。

進氣系統(tǒng)中的濾芯除了能過濾空氣中的雜質(zhì)外，本身是一種多孔介質(zhì)，對流場及聲場的性能均有影響[4]。多孔介質(zhì)中黏性阻力因子和慣性阻力因子對進氣系統(tǒng)空氣動力性能影響較大。對于一款自然吸氣發(fā)動機，主要考慮中低頻所引起的噪聲，濾芯在聲學方面主要影響1 000 Hz以上的高頻噪聲，對1 000 Hz以下的噪聲影響較小，因此濾芯多孔介質(zhì)的因素主要在氣動性能仿真中考慮，在聲學性能仿真中暫不考慮。

1.2 聲學性能評價指標

進氣系統(tǒng)中單個消聲元件通常是降低某個頻率或某個頻率段的噪聲，單個消聲結(jié)構(gòu)精準化的設計對改善整個進氣系統(tǒng)的消聲性能格外重要。當某個或一些消聲元件連接到進氣系統(tǒng)后，對整個進氣系統(tǒng)的消聲性能進行評價非常重要。

對進氣系統(tǒng)的消聲性能評價主要有3個指標：傳遞損失、插入損失、消聲量。傳遞損失是對單個消聲元件的消聲效果進行評價；而插入損失是對整個消聲系統(tǒng)的評價；考慮到發(fā)動機聲源的影響，對于消聲量是考慮進氣系統(tǒng)或排氣系統(tǒng)的聲學出口噪聲特性的影響，對于自然吸氣發(fā)動機，消聲量的評價尤為重要。

消聲量是指系統(tǒng)中任意兩點聲壓級的差值，用NR來表示。圖1為消聲量的測量系統(tǒng)，系統(tǒng)中的傳聲器點的聲壓級分別為Lp1、Lp2，那么消聲量

NR=Lp1-Lp2=20log(p1/p2)

(1)

圖1 消聲量測量系統(tǒng)圖

2 進氣系統(tǒng)氣動性能與聲學性能數(shù)字化仿真

2.1 空氣動力學性能的數(shù)字化仿真

建立幾何模型，利用HyperMesh軟件對進氣系統(tǒng)進行有限元前處理，提取進氣系統(tǒng)內(nèi)表面的模型，對其進行網(wǎng)格劃分，在Star CCM+中進行面網(wǎng)格表面重構(gòu)，生成多面體網(wǎng)格。為了模擬進氣系統(tǒng)入口、出口處大氣環(huán)境對節(jié)氣門體的影響，在入口及出口處添加一段延長區(qū)域；濾芯按多孔介質(zhì)處理，設置濾芯特性因子；建立的網(wǎng)格模型中有469 416個實體單元，共有1 464 810個節(jié)點。

對進氣系統(tǒng)流場進行模擬時，模型的邊界條件為：進氣口設置質(zhì)量流入口，出氣口設置壓力出口。

2.2 聲學性能的數(shù)字化仿真

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展與數(shù)字化仿真技術的應用，已不再是依靠單個消聲元件解決進氣系統(tǒng)進氣噪聲問題，而是采用多種類消聲元件集成化程度較高的消聲模塊對進氣系統(tǒng)進行消聲，因此系統(tǒng)聲學性能的數(shù)字化仿真極為重要[5]。利用Virtual.lab軟件建立進氣系統(tǒng)主體內(nèi)聲場的聲學有限元模型，圖2為進氣系統(tǒng)的聲學有限元模型，其中單元總數(shù)為176 176個，聲學節(jié)點為982 048個。

圖2 進氣系統(tǒng)主體的聲學有限元模型

建模時，在聲學入口處施加單位質(zhì)點振動速度邊界條件，模擬白噪聲激勵，頻率范圍20～1 000 Hz。在聲學出口處施加輻射阻抗的邊界條件，進氣系統(tǒng)聲學出口處可以看作是活塞式聲源，其輻射特性遵循活塞式聲源輻射特性規(guī)律。

通過對進氣系統(tǒng)主體在無濾芯的情況下進行消聲量的計算，來評估整個系統(tǒng)的消聲能力，可以得到圖3所示的進氣系統(tǒng)主體消聲量曲線?？梢钥闯觯合到y(tǒng)插入空濾后，低頻范圍的消聲量得到明顯提升。

圖3 進氣系統(tǒng)主體消聲量曲線

3 進氣系統(tǒng)聲學性能優(yōu)化

在系統(tǒng)優(yōu)化前首先應固化進氣系統(tǒng)的管道直徑，對進氣系統(tǒng)主體流場進行綜合評估后再進行聲學性能的優(yōu)化。通過數(shù)字化仿真分析技術對進氣系統(tǒng)主體進行進氣阻力預測，仿真結(jié)果為2.231 kPa，滿足進氣系統(tǒng)阻力不大于3 kPa的目標要求，并為聲學設計留有余量。基于此，對系統(tǒng)進行聲學結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化。

3.1 試制樣車整車發(fā)動機原始噪聲測試

如圖4所示，通過在NVH(Noise Vibration Harshness)半消聲試驗室中采用整車發(fā)動機艙覆蓋包裹法，用與進氣系統(tǒng)等長度的直管代替進氣系統(tǒng)進行發(fā)動機原始噪聲測試。3G WOT(Wide Open Throttle)工況，測點距離進氣口100 mm，45°方向，測試發(fā)動機原始噪聲。從圖5可以看出：全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)全階次噪聲超出目標線大于20 dB，各階次噪聲均超出目標線。

圖4 進氣系統(tǒng)基態(tài)測試圖

圖5 進氣系統(tǒng)基態(tài)測試曲線圖

3.2 聲學結(jié)構(gòu)設計

隨著汽車的設計走進輕量化的時代，進氣系統(tǒng)的輕量化已不再依靠增加零散的消聲器來解決進氣噪聲問題，采用消聲器的集成化理念，將設計的赫姆霍茲諧振腔及波長管集成在空濾本體上。

針對發(fā)動機的原始噪聲及進氣系統(tǒng)主體的消聲量曲線，進行旁支消聲器集成化的結(jié)構(gòu)設計。對不同轉(zhuǎn)速下、各階次對應的峰值頻率進行消聲結(jié)構(gòu)設計。該空濾共集成了5個赫姆霍茲諧振腔、2個1/4波長管結(jié)構(gòu)，空濾內(nèi)集成1個內(nèi)插管。消聲器的模型見圖6。

通過Virtual.lab中的Acoustic模塊進行有限元分析，得到進氣系統(tǒng)的消聲量曲線，如圖7所示。可以看出：全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)消聲量得到大幅度的提升，達到了消聲量20 dB以上的要求。

將設計方案通過快速成型方法加工成手工樣件后進行調(diào)音測試，如圖8所示。

圖6 空濾的集成化設計方案圖

圖7 進氣系統(tǒng)的消聲量曲線

圖8 空濾集成消聲器結(jié)構(gòu)的手工樣件

4 結(jié)果與討論

對優(yōu)化前后模型進行分析，優(yōu)化后的模型及流線圖見圖9，流線圖中流線分布均勻，局部位置產(chǎn)生流動分離的現(xiàn)象，臟空氣側(cè)管道內(nèi)流速較大是由整車空間布置限制所致，設計成方形截面。

圖9 優(yōu)化方案流場分析模型及流線圖

用空氣濾清器性能測試臺測量進氣系統(tǒng)在最大流量330 kg/h進氣量下的進氣阻力。進氣系統(tǒng)進氣阻力仿真分析與臺架對比試驗結(jié)果見表1，可以看出：進氣系統(tǒng)的進氣阻力滿足進氣系統(tǒng)的目標要求。仿真結(jié)果與臺架測試的相對誤差在允許的范圍內(nèi)。

表1 臺架試驗和模擬值對比

在消聲室中測得的噪聲曲線見圖10，全階次噪聲在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)消聲量降低超過20 dB，全階次噪聲滿足目標要求。

圖10 全階次噪聲曲線

各階次噪聲曲線見圖11，優(yōu)化后的進氣系統(tǒng)各階次噪聲與基態(tài)相比，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)消聲性能均有不同程度的提升，滿足噪聲目標要求。

圖11 各階次噪聲曲線

優(yōu)化后將系統(tǒng)搭載整車進行主觀評價，滿足整車提出的目標要求，駕駛室內(nèi)噪聲得到明顯改善。

5 結(jié)束語

(1)通過數(shù)字化分析技術可以對進氣系統(tǒng)的氣動性能和聲學性能進行有效的預測。精細化、集成化的消聲元件的結(jié)構(gòu)設計對整車輕量化具有一定貢獻。

(2)優(yōu)化后系統(tǒng)的氣動性能和聲學性能均達到了預期的目標要求，優(yōu)化后的進氣系統(tǒng)總消聲降低超過20 dB，噪聲性能得到較大程度提升。

參考文獻:

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