某發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)尾管噪聲優(yōu)化

許亞峰，周維，劉興利，劉兵，王瑞麟

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110104）

某發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)尾管噪聲優(yōu)化

許亞峰，周維，劉興利，劉兵，王瑞麟

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110104）

文章首先確定排氣噪聲的來源，針對特定的問題制定相應(yīng)的優(yōu)化方法，并應(yīng)用GT-power軟件對不同方案進(jìn)行仿真分析，選取最優(yōu)方案并在實車上進(jìn)行驗證，試驗結(jié)果表明優(yōu)化方法解決了噪聲問題。

排氣系統(tǒng)；噪聲；GT-power

CLC NO.: U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-216-03

引言

發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)的主要功能除了能順利的將廢氣排出，還要有很好的降噪作用。排氣系統(tǒng)是汽車最主要的噪聲源之一，不但要滿足顧客對汽車舒適性的要求也要面對日益嚴(yán)苛的國家法規(guī)。所以排氣系統(tǒng)降噪設(shè)計非常重要。本文研究的項目是對某排氣系統(tǒng)噪聲問題原因的調(diào)查，從而制定適當(dāng)?shù)脑O(shè)計方法，最終開發(fā)出滿足要求的排氣系統(tǒng)。

應(yīng)用發(fā)動機(jī)熱力學(xué)計算分析軟件GT-power建立發(fā)動機(jī)熱力學(xué)和聲學(xué)分析模型，計算出不同消聲方案的排氣口噪聲總聲壓值及階次噪聲值。通過不斷的改進(jìn)消聲結(jié)構(gòu)，針對性的消除某些峰值噪聲，直到滿足控制目標(biāo)。

1、排氣噪聲源

1.1 排氣尾管噪聲源

尾口噪聲是一種脈動噪聲。聲音是以平面波在管道中傳播，當(dāng)達(dá)到尾管時，由于聲阻抗不匹配一部分波會透過管道繼續(xù)傳播，而另一部分聲波則被反射回去，形成反射波。

尾口噪聲由兩部分噪聲組成：空氣噪聲和氣流摩擦噪聲。穩(wěn)定的氣流在尾管處發(fā)出空氣噪聲，而不穩(wěn)定的氣流則產(chǎn)生摩擦噪聲。在尾管噪聲中，這兩種噪聲所占成分取決于氣流流量的大小和速度。流量小和速度低時，空氣噪聲占主要成分；而流量大和速度快時，摩擦噪聲占主要成分[1]。

1.2 問題原因分析

該排氣系統(tǒng)為雙尾口設(shè)計，消音器左右出氣結(jié)構(gòu)有少許的差異導(dǎo)致該款發(fā)動機(jī)的尾管噪聲經(jīng)過幾輪優(yōu)化后問題始終發(fā)生在1000-1300rpm與 2700rpm左右的左側(cè)尾口二階噪聲（見圖1）。因為其中2700rpm的峰值噪聲嚴(yán)重影響的了車內(nèi)的聲品質(zhì)，使車內(nèi)存在明顯的共鳴。1000-1300rpm的二階噪聲對應(yīng)的頻率33-43Hz，2700rpm的二階噪聲對應(yīng)的頻率為90Hz.都屬于低頻噪聲問題，具體計算公式參考文獻(xiàn)[2]為此專門針對排氣尾管噪聲做了接大消音器的解耦試驗（見圖2），圖中虛線是排氣口又接了一個大消音器的測試結(jié)果，實線是基態(tài)的的測試結(jié)果，通過曲線對比，屏蔽掉尾口噪聲后全階及各階次明顯降低，從而確定了33-43Hz和90Hz確實是由排氣尾口貢獻(xiàn)的。

圖1 左側(cè)尾口噪聲測試結(jié)果

圖2 解耦試驗測試結(jié)果

其中2700rpm的二階峰值噪聲幅值較為異常，因此制作了一套不帶消音器的排氣系統(tǒng)（見圖3），來了解此噪聲源的產(chǎn)生的根本原因，以確定具體的調(diào)音手段。

圖3噪聲源測試方案

圖4 噪聲源測試結(jié)果

從測試結(jié)果中（圖4）可以清晰的看出2700rpm有明顯的共振帶 ，根據(jù)測試聲音回放確認(rèn)為燃油進(jìn)入排氣管二次燃燒，產(chǎn)生的放炮聲。確定了90Hz的噪聲不單單是二階貢獻(xiàn)的，整個頻帶分布較寬，需要在設(shè)計消音器時更多的拓寬消聲頻帶也是本次優(yōu)化中的難點。為此我們借助GT-power強(qiáng)大的仿真能力，首先建立起發(fā)動機(jī)的數(shù)值模型，經(jīng)過標(biāo)定后該模型能夠精確地模擬發(fā)動機(jī)的實際工作狀態(tài)，然后利用GT-power模塊的聲學(xué)模塊對原排氣系統(tǒng)經(jīng)行初步優(yōu)化，再與發(fā)動機(jī)模型耦合，計算排氣尾管噪聲，判斷能否滿足噪聲及性能要求，最終通過實車驗證及發(fā)動機(jī)背壓測試驗證，達(dá)到了設(shè)計要求。

2、GT-Power模型的建立

2.1 模型的建立

應(yīng)用GT-power建立完整的發(fā)動機(jī)數(shù)值模型（圖5）所示，包括進(jìn)氣系統(tǒng)、氣缸和排氣系統(tǒng)。其中進(jìn)氣系統(tǒng)不涉及性能優(yōu)化，利用GT中的壓損元件通過改變小孔直徑模擬真實的進(jìn)氣阻力，利用GT-power里的GEM3D模塊對排氣系統(tǒng)中消和后消建立詳細(xì)的子模型，并利用臺架實驗數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行標(biāo)定和驗證。

在建模過程中使用了原機(jī)在臺架上進(jìn)行實際測量的空燃比、發(fā)動機(jī)摩擦功；使用PID壓力控制模式，保證進(jìn)氣歧管壓力與實測一致；使用單峰wiebe燃燒模型，利用測量所得的缸內(nèi)壓力曲線計算出wiebe燃燒模型的主要參數(shù)，包括50%燃燒點、10%-90%燃燒持續(xù)期與燃燒品質(zhì)指數(shù)[3]。

圖5 發(fā)動機(jī)GT-Power數(shù)值模型

2.2 模型的標(biāo)定

為了使發(fā)動機(jī)的數(shù)值模型能精確地模擬發(fā)動機(jī)實際工作狀態(tài)，還需要對發(fā)動機(jī)數(shù)值模型利用臺架實驗數(shù)據(jù)經(jīng)行標(biāo)定。標(biāo)定的內(nèi)容包括發(fā)動機(jī)的功率與扭矩、發(fā)動機(jī)損失功率、燃油質(zhì)量、渦輪前后壓力、IMEP、BSFC、進(jìn)氣流量、進(jìn)排氣系統(tǒng)的壓力波動、排氣系統(tǒng)中排氣總溫度、催化器前溫度，必要時標(biāo)定出排氣系統(tǒng)各段的溫度梯度等[3]。

圖6 扭矩的標(biāo)定

圖4 進(jìn)氣流量的標(biāo)定

圖7 功率的標(biāo)定

圖5 催前溫度的標(biāo)定

其余標(biāo)定參數(shù)不再一一列出，GT模型計算結(jié)果與臺架測試結(jié)果誤差控制在5%以內(nèi)，進(jìn)氣流量控制在2%，該GT模型滿足工程設(shè)計要求[4]。

2.3 GT-power的計算

圖6是原排氣系統(tǒng)的計算結(jié)果，GT-power不能模擬排氣尾管的摩擦噪聲，所以通過麥克風(fēng)中的Flownoise修正，修正值設(shè)置為85dB結(jié)果與實測值擬合較好。其中1000-1300rpm超出目標(biāo)線能夠從仿真結(jié)果從體現(xiàn)出來；因?qū)崪y時2700rpm的二階峰值是異常噪聲，所以未能在仿真中體現(xiàn)出來，這部分的噪聲峰值只能依靠實際的調(diào)音經(jīng)驗來完成優(yōu)化。

圖6 原消音器方案計算結(jié)果

圖7 后消方案傳遞損失計算結(jié)果

表1 消音器設(shè)計方案

2.4 優(yōu)化方案設(shè)計

設(shè)計兩套新中消和兩套新后消方案(表1)，在設(shè)計這四個方案過程中，利用GT-power里的聲學(xué)模塊，計算各個方案的傳遞損失；傳遞損失是指消音器入口處的入射聲功率級與出口處的透射聲功率級之差，GT-power的計算模型通過四個傳感器得到消音器上、下游的壓力信號，經(jīng)過自譜和互譜運(yùn)算得到消音器的傳遞損失，計算時需要增加氣體溫度參數(shù)，本文設(shè)置為300℃[5]，圖7是原后消與兩個新后消傳遞損失的計算結(jié)果。對中消也做同樣的計算。其中針對本文的問題難點，中消FM1#的彎管設(shè)計相當(dāng)于提高了擴(kuò)張比有利于中低頻消聲；后消RM2#單獨設(shè)計的一個中心頻率40Hz左右的霍爾姆茲諧振腔，從傳遞損失計算結(jié)果來看，在40Hz附近新方案較原方案傳遞損失有明顯的提高。針對“放炮聲”方案一的中后消連接管管徑縮小來提高整個頻帶的消聲能力。從計算結(jié)果看在200Hz以內(nèi)較原方案傳遞損失有明顯提高，還有如管路的穿孔率、隔板穿孔面積、消音材料的填充密度等不在一一說明。

特別的是排氣系統(tǒng)壓力損失的大小直接影響發(fā)動機(jī)的功率損失的大小，所以消音器聲學(xué)性能設(shè)計時要綜合考慮發(fā)動機(jī)功率損失[6].經(jīng)仿真計算，在額定功率點時，排氣系統(tǒng)靜壓力分別為50kpa、52kpa,滿足開發(fā)需求。

將兩個中消和后消組合成四組方案，分別與發(fā)動機(jī)耦合，計算排氣尾管噪聲，注意離散長度選取合理，本文的離散長度為25mm。圖8是最優(yōu)方案與原方案尾管噪聲計算結(jié)果對比，因二階是主要問題階次，本文只列出二階優(yōu)化前后的對比。從結(jié)果上看FM1#+RM1#、FM2#+RM2#計算結(jié)果均好于原方案，所以制作中、后消四套方案進(jìn)行實車驗證（圖9）。

圖9 整車測試示意圖

圖8 優(yōu)化方案與原方案二階噪聲對比

3、整車半消音室測試

在整車半消音室進(jìn)行尾口噪聲的測試，測試工況3GWOT,最終選取FM1#、RM1#以及管徑縮小為最終方案，從測試結(jié)果可知：Overall滿NVH目標(biāo)，1000-1300rpm、2700rpm的峰值均降低到目標(biāo)線以下，滿足排氣尾管開發(fā)要求。

圖11 左尾口階次測試結(jié)

圖10 左尾口全階測試結(jié)果

4、結(jié)論

應(yīng)用GT-power軟件可以對排氣系統(tǒng)的噪聲經(jīng)行控制研究，能夠快速的經(jīng)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。本文針對排氣系統(tǒng)1000-1300rpm、2700rpm的峰值噪聲進(jìn)行多次優(yōu)化設(shè)計，并優(yōu)化方案經(jīng)行了詳細(xì)的噪聲計算分析，最終解決了此問題。

1）通過解耦試驗來判斷較難消除的噪聲峰值是由排氣系統(tǒng)貢獻(xiàn)的，并且對排氣系統(tǒng)噪聲源進(jìn)行分析，確定的異響的根本原因，制定合適的優(yōu)化方案。

2）GT-power只能計算脈動噪聲，所以在3000rpm以下以脈動噪聲為主的時候可以計算的非常準(zhǔn)確；3000rpm以上摩擦噪聲為主時，只能靠測試結(jié)果來修正這部分噪聲。

3）縮小管徑可以提高較寬頻帶的傳遞損失，在合理的背壓設(shè)計范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)目s小管徑對于消除寬頻帶噪聲有明顯作用。

[1] 龐劍,譫剛,何華.汽車噪聲與振動[M].北京理工大學(xué)出版社,2006.

[2] 吳文江,馮國勝.汽車排氣噪聲控制技術(shù).城市車輛,2000.1.

[3] Gamma Technologies,Inc.GT-Power USERS MANUAL.Gamma Technologies,2006

[4] 侯獻(xiàn)軍,王天田,田翠翠,等.基于GT-POWER的乘用車消音器設(shè)計（J）.北京理工大學(xué)學(xué)報,2010,30（2）:161-165.

[5] 劉晨,季振林,胡志龍.高溫氣流對穿孔消音器聲學(xué)性能的影響[J].汽車工程.2008,20（4）：330-334.

[6] 劉晨,季振林,胡志龍,等.汽車排氣消音器結(jié)構(gòu)形式對壓力損失的影響[J].汽車工程,2008,30,（12）：1113-1116.

Tailpipe noise optimization of engine exhaust system

Xu Yangfeng, Zhou Wei, Liu Xingli, Liu Bing, Wang Ruilin
( Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 110104 )

This article determine the source of exhaust noise. Develop appropriate optimization methods for specific problems. Simulation analysis of different schemes by GT-power software. Select the best solution and verity it in the real vehicle. The experimental results show that the optimization method can solve the noise problem.

exhaust system; noise; GT-power

U463.3

A

1671-7988 (2017)10-216-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.074

許亞峰，助理工程師，排氣系統(tǒng)工程師，就職于華晨汽車工程研究院。