節(jié)氣門(mén)嘯叫分析

段繼萍，李 靈

（哈爾濱東安汽車動(dòng)力股份有限公司，哈爾濱150066）

汽車NVH性能開(kāi)發(fā)技術(shù)是汽車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)之一。通常，大多數(shù)汽車主機(jī)廠對(duì)于怠速、加速、減速和勻速等工況的穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)噪聲控制的研究較多。但汽車的瞬態(tài)NVH性能，如急加/減速的振動(dòng)噪聲、車門(mén)開(kāi)閉聲品質(zhì)、啟動(dòng)/熄火聲品質(zhì)等，其機(jī)理通常都較復(fù)雜，涉及相關(guān)零部件或系統(tǒng)較多，所以常常成為汽車NVH開(kāi)發(fā)中的難點(diǎn)。其中，節(jié)氣門(mén)嘯叫問(wèn)題是汽車瞬態(tài)NVH性能中比較突出和典型的現(xiàn)象。

1 節(jié)氣門(mén)嘯叫產(chǎn)生機(jī)理

1.1 節(jié)氣門(mén)嘯叫產(chǎn)生的發(fā)現(xiàn)

在發(fā)動(dòng)機(jī)搭載整車過(guò)程中，急踩油門(mén)時(shí)，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度大約為20%，駕乘人員可以聽(tīng)到明顯的哨響，也就是嘯叫聲。經(jīng)檢查是在節(jié)氣門(mén)位置發(fā)出的聲音。節(jié)氣門(mén)開(kāi)度繼續(xù)開(kāi)大，嘯叫聲消失。

1.2 節(jié)氣門(mén)嘯叫與進(jìn)氣歧管材料的關(guān)系

為分析節(jié)氣門(mén)體嘯叫產(chǎn)生的角度范圍，參考文獻(xiàn)［1]中設(shè)計(jì)的試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況為1 500r/min無(wú)負(fù)載，在200ms內(nèi)節(jié)氣門(mén)體擋板由10°開(kāi)啟到90°，試驗(yàn)結(jié)果如圖1。

圖1 節(jié)氣門(mén)角度與氣動(dòng)噪聲的關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果顯示，節(jié)氣門(mén)快速開(kāi)啟在20°到60°之間，鋁制和塑料進(jìn)氣歧管均會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲。

為分析不同材料對(duì)氣動(dòng)噪聲隔音性能的差別，參考文獻(xiàn)［1]中又進(jìn)行了如圖2的試驗(yàn)。

圖2 噪聲傳遞損失比較

試驗(yàn)結(jié)果顯示，由于塑料的密度遠(yuǎn)小于鋁，導(dǎo)致塑料進(jìn)氣歧管噪聲傳遞水平高于鋁制進(jìn)氣歧管約6B。

根據(jù)以上試驗(yàn)分析，搭載塑料進(jìn)氣歧管發(fā)動(dòng)機(jī)，在急踩油門(mén)時(shí)嘯叫容易被車內(nèi)駕乘人員感知的原因是塑料密度較低。

1.3 節(jié)氣門(mén)嘯叫與氣體流動(dòng)的關(guān)系

根據(jù)圖1中節(jié)氣門(mén)角度與氣動(dòng)噪聲的關(guān)系，氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生時(shí)節(jié)氣門(mén)體開(kāi)度為20°到60°。在開(kāi)度小于20°時(shí)，雖然歧管內(nèi)真空度較大，流速高湍動(dòng)能大，但氣體密度小，所以沒(méi)有產(chǎn)生噪聲；在開(kāi)度大于60°時(shí)，雖然氣體密度明顯增加，但此時(shí)歧管內(nèi)真空度降低，流速湍動(dòng)能均減小，所以也不會(huì)產(chǎn)生噪聲。參考文獻(xiàn)［1]中，比較了密度與湍動(dòng)能的乘積，即ρk值，與氣動(dòng)噪聲的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 ρk值與氣動(dòng)噪聲的關(guān)系

根據(jù)以上分析，將ρk值作為氣動(dòng)噪聲的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，用于方案的分析比較。

2 進(jìn)氣系統(tǒng)方案模擬對(duì)比

2.1 計(jì)算邊界條件

在進(jìn)行圖1所示的試驗(yàn)中，進(jìn)氣歧管側(cè)壓力如圖4所示。

圖4 進(jìn)氣歧管側(cè)壓力與節(jié)氣門(mén)體開(kāi)度的關(guān)系

根據(jù)圖1和圖4，計(jì)算中節(jié)氣門(mén)體開(kāi)度設(shè)置為35°，壓力為-58kPa。參考文獻(xiàn)［1]中比較了瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)計(jì)算的分析結(jié)果，可以忽略慣性力的影響，所以本文中采用穩(wěn)態(tài)方法。

2.2 進(jìn)氣系統(tǒng)方案模擬對(duì)比

前后兩種方案密度、湍動(dòng)能及ρk值的比較，如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 密度值比較

圖6 湍動(dòng)能比較

圖7 ρk值比較

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在節(jié)氣門(mén)體后端均存在明顯的ρk值較高區(qū)域，由于修改方案增加了轉(zhuǎn)接彎管，所以修改方案的ρk值較高區(qū)域全部集中在彎管處，并且ρk值較高區(qū)域范圍較原方案偏小。

3 采取措施及試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)塑料隔音效果較鋁管差來(lái)解決。由于ρk值較高區(qū)域一部分在穩(wěn)壓腔內(nèi)，可以從進(jìn)氣歧管法蘭處插入鋁制護(hù)套，并將節(jié)氣門(mén)體到穩(wěn)壓腔外部管壁包裹隔音棉。此方案優(yōu)點(diǎn)是不用修改進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)，缺點(diǎn)是增加鋁制護(hù)套后加大了歧管重量。對(duì)于后方案，由于ρk值較高區(qū)域全部集中在彎管中，可以在塑料彎管外包裹隔音棉。此方案優(yōu)點(diǎn)是不增加進(jìn)氣歧管重量，缺點(diǎn)是增加彎管后改變了歧管結(jié)構(gòu)，不利于機(jī)艙布置。

在節(jié)氣門(mén)體流量試驗(yàn)臺(tái)上，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)不同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)不同節(jié)氣門(mén)開(kāi)度時(shí)節(jié)氣門(mén)體喉口處的空氣流量值，校核流量試驗(yàn)臺(tái)，使其能夠真實(shí)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工況。在校準(zhǔn)后的試驗(yàn)臺(tái)上，測(cè)試及模仿節(jié)氣門(mén)體嘯叫工況，使其故障再現(xiàn)，此時(shí)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度大約為20%左右時(shí)。從節(jié)氣門(mén)和氣道形成的縫隙中通過(guò)的高速氣流正吹向怠速通道出氣口。對(duì)節(jié)氣門(mén)體總成怠速旁通道出氣口進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使可能產(chǎn)生口哨結(jié)構(gòu)的氣道外沿從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)氣流反射，從而不會(huì)發(fā)出哨響。經(jīng)流量試驗(yàn)臺(tái)和整車噪聲樣件反復(fù)驗(yàn)證，該方案有效消除特定工況下，節(jié)氣門(mén)某一開(kāi)度時(shí)進(jìn)氣嘯叫聲。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)用塑料進(jìn)氣歧管急踩油門(mén)時(shí)產(chǎn)生嘯叫的原因分析和試驗(yàn)，為減小節(jié)氣門(mén)嘯叫，建議采用以下兩種方法：

可在ρk值較高區(qū)域包裹隔音棉。

對(duì)節(jié)氣門(mén)氣道進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改變氣流方向。

［1]Yoshihiro Nakase，Kenji Kanehara and Kouzi Ohara.Flow Noise Reduction upon Quick Opening the Throttle.SAE 2001，（01）：1429.