發(fā)動(dòng)機(jī)影響下的消聲器聲學(xué)性能分析

殷 健，時(shí) 巖，李守成，徐世龍，陳雷雷

（南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094）

0 引言

加裝排氣消聲器是消除發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲的主要手段［1］，不同發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲頻譜不同，排氣氣流的溫度、速度也不同［2］，而這些都是影響發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲控制的重要因素，因此在消聲器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中，均不能脫離其所匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)。

目前國(guó)內(nèi)普遍采用三維數(shù)值方法對(duì)消聲器的傳遞損失進(jìn)行預(yù)測(cè)［3，4］，來(lái)分析消聲器的聲學(xué)性能。該方法與基于一維平面波理論的方法相比在模擬準(zhǔn)確度上已經(jīng)提高很多，并能夠準(zhǔn)確地反映消聲器自身的傳遞損失。但該方法僅僅對(duì)消聲器進(jìn)行了研究，卻脫離了與消聲器匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)。實(shí)際情況中，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)對(duì)消聲器的消聲特性造成不小的影響，最終造成預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際情況有偏差。所以在研究消聲器消聲性能時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)的影響因素考慮進(jìn)去能夠大大提高預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文對(duì)正在開發(fā)的某款車型搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)以及排氣消聲器分別進(jìn)行研究。對(duì)搭載的2．0VVT汽油發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行模擬，將不同轉(zhuǎn)速下排出的廢氣達(dá)到消聲器入口處的溫度和速度作為影響因素，分析其對(duì)消聲器性能造成的影響，最終準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)消聲器搭載發(fā)動(dòng)機(jī)后的聲學(xué)性能。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立

根據(jù)廠方提供的發(fā)動(dòng)機(jī)基本數(shù)據(jù)，應(yīng)用AVL BOOST軟件建立2．0VVT發(fā)動(dòng)機(jī)模型。模型建立過(guò)程中所需要的幾何參數(shù)、性能參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，可分別通過(guò)幾何測(cè)量、具體的試驗(yàn)以及經(jīng)驗(yàn)公式得到。

圖1為2．0VVT發(fā)動(dòng)機(jī)一維燃燒模型，模型主要由系統(tǒng)邊界SB1、空氣濾清器CL1、諧振腔PL1、噴油器I1～I(xiàn)4、氣缸C1～C4、三元催化轉(zhuǎn)換器CAT1、消聲器PL2和PL3、管道1～28、系統(tǒng)邊界SB2組成。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)一維燃燒模型

2 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真結(jié)果

通過(guò)2．0VVT發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型，分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷下在最大扭矩點(diǎn)和最高轉(zhuǎn)速點(diǎn)的工況（對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為4 500r／min和6 000r／min）進(jìn)行分析，然后讀取消聲器入口處測(cè)量點(diǎn)的溫度和流速數(shù)據(jù)。

圖2和圖3分別為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4 500r／min時(shí)，消聲器入口測(cè)量點(diǎn)處流體溫度和速度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況，其平均溫度為912．9K，平均速度為95．2m／s。

圖2 4 500r／min時(shí)測(cè)量點(diǎn)氣體溫度曲線

圖3 4 500r／min時(shí)測(cè)量點(diǎn)氣體速度曲線

圖4和圖5分別為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000r／min時(shí)，消聲器入口測(cè)量點(diǎn)處流體溫度和速度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況，其平均溫度為902K，平均速度為126．5m／s。

圖4 6 000r／min時(shí)測(cè)量點(diǎn)氣體溫度曲線

圖5 6 000r／min時(shí)測(cè)量點(diǎn)氣體速度曲線

3 排氣消聲器的聲學(xué)模型建立

首先建立排氣消聲器的三維幾何模型，圖6和圖7分別為前消聲器和后消聲器的三維幾何模型。前消聲器為帶穿孔管的抗性消聲器，中間主管道上開孔，前消聲器是擴(kuò)張式消聲器和共振式消聲器的組合。后消聲器是一個(gè)由5個(gè)腔組成的雙排氣口消聲器，其包含的5根管分別為1根進(jìn)氣緩沖管、2根中間緩沖管以及2根排氣管。

在幾何模型基礎(chǔ)上建立消聲器的聲學(xué)計(jì)算模型。以后消聲器為例，圖8為后消聲器的聲學(xué)計(jì)算模型，模型中除了第二腔使用四面體網(wǎng)格外，其他腔室和管道均用六面體網(wǎng)格。不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)影響時(shí)采用傳遞導(dǎo)納等效穿孔結(jié)構(gòu)［5］?？紤]發(fā)動(dòng)機(jī)影響時(shí)采用直接建模的方式，由于后消聲器整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)內(nèi)部穿孔結(jié)構(gòu)較多，因此考慮到穿孔結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分效果以及控制總網(wǎng)格數(shù)目，在建立空氣模型時(shí)將隔板和管道上圓孔用等體積的長(zhǎng)方體等效，這樣既能夠保證穿孔結(jié)構(gòu)穿孔率不變，又保證了計(jì)算精確度。

圖6 前消聲器幾何模型

圖7 后消聲器幾何模型

圖8 后消聲器的聲學(xué)計(jì)算模型

4 未考慮發(fā)動(dòng)機(jī)影響時(shí)消聲器的聲學(xué)性能分析

建立前、后消聲器整體的聲學(xué)計(jì)算模型，綜合地評(píng)價(jià)前、后消聲器作為一個(gè)系統(tǒng)共同作用下的聲學(xué)性能。將聲學(xué)計(jì)算模型導(dǎo)入Virtual lab，在前消聲器的入口處加載激勵(lì)邊界，后消聲器的左、右排氣口作為出口邊界，計(jì)算得到聲場(chǎng)分布，做出消聲器整體的傳遞損失曲線，如圖9所示。

分析圖9中排氣消聲器整體作用下的傳遞損失，消聲器的聲學(xué)性能在800Hz以上的中高頻段較好，平均接近50dB～60dB；在800Hz以下的低頻段大體在20dB～30dB范圍波動(dòng)。

5 考慮發(fā)動(dòng)機(jī)影響時(shí)消聲器的聲學(xué)性能分析

將發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型計(jì)算得到的消聲器入口處氣體溫度和流速作為影響因素，模擬消聲器在此氣流溫度、流速下的聲學(xué)性能。

對(duì)比圖2、圖4中不同工況下消聲器入口處的溫度曲線可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速4 500r／min，即發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)處的溫度最高，曲軸轉(zhuǎn)過(guò)720°的平均溫度為913K，在后消聲器入口處為803K。通過(guò)在Virtual lab中定義介質(zhì)材料來(lái)模擬溫度的變化，分別定義前消聲器和后消聲器內(nèi)部介質(zhì)的密度和聲速［6］。對(duì)比圖3、圖5可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速6 000r／min，即發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速點(diǎn)處時(shí)，前消聲器入口處氣流速度最大，為126 m／s，此時(shí)后消聲器入口處的氣流速度為103m／s。在前消聲器入口處定義流速126m／s、流勢(shì)0，后消聲器入口處定義流速103m／s、流勢(shì)0，分別計(jì)算得到前消聲器、后消聲器內(nèi)部流速分布，然后將流速分布作為流速條件計(jì)算得到消聲器內(nèi)的聲場(chǎng)分布，取前消聲器入口和后消聲器左、右排氣口的聲壓得到消聲器左、右排氣口的傳遞損失曲線。

圖9 消聲器整體作用左、右排氣口傳遞損失

圖10為綜合考慮2．0VVT發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度和速度情況下此消聲器左、右排氣口的傳遞損失曲線。

對(duì)比圖9中未考慮發(fā)動(dòng)機(jī)影響時(shí)的傳遞損失，考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度和速度之后消聲器實(shí)際消聲效果變差，在800Hz～1 400Hz頻段內(nèi)消聲性能減弱比較明顯，低頻段消音量也有變小。另外考慮發(fā)動(dòng)機(jī)影響后，消聲器的通過(guò)頻率或消聲性能較差的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率發(fā)生了偏移，消聲器的消聲頻帶也變得更寬。

6 結(jié)論

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)排氣消聲器性能的影響因素主要有排氣溫度和排氣氣流流速，其中排氣溫度對(duì)排氣消聲器的聲學(xué)性能影響顯著。

（2）未考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的影響得到的排氣消聲器傳遞損失，在一定程度上也能反映消聲器聲學(xué)性能的好壞，但是消頻帶寬以及通過(guò)頻率點(diǎn)和匹配發(fā)動(dòng)機(jī)后的情況存在明顯區(qū)別，導(dǎo)致仿真結(jié)果存在較大偏差。通過(guò)模擬匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒，將影響因素進(jìn)行考慮，得到的排氣消聲器傳遞損失更貼合實(shí)際情況。

圖10 考慮發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度和速度情況下的左、右排氣口傳遞損失

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