袁磊,韓震,業(yè)德明,喬曌,嚴(yán)飛
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某增壓發(fā)動機的進氣系統(tǒng)聲學(xué)性能研究
袁磊,韓震,業(yè)德明,喬曌,嚴(yán)飛
(安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心,安徽 合肥 230601)
發(fā)動機進氣系統(tǒng)噪聲是汽車的主要噪聲源之一,進氣系統(tǒng)不僅需要為發(fā)動機提供很好的空氣動力學(xué)性能,還需要有良好的消聲能力。文章以某增壓發(fā)動機車型的進氣系統(tǒng)為研究對象,以傳遞損失為指標(biāo),運用聲學(xué)軟件Virtual. lab分析其0到4000Hz頻率段的聲學(xué)特性,并在此基礎(chǔ)上添加若干個消聲元件來提高進氣系統(tǒng)全頻率段的消聲能力。
進氣系統(tǒng);消聲器;傳遞損失
隨著中國汽車工業(yè)的快速發(fā)展,人們對乘員舒適性的的關(guān)注度日益增加,而車輛噪聲是影響消費者駕駛體驗的重要因素,也是各整車廠關(guān)注的焦點。在眾多種類的汽車噪聲中,發(fā)動機進氣系統(tǒng)噪聲離駕駛艙最近,對車內(nèi)噪聲的貢獻很大。因此,在設(shè)計進氣系統(tǒng)時,不僅要考慮其結(jié)構(gòu)剛度及管內(nèi)流場特性,還要對其聲學(xué)性能進行評估。
進氣系統(tǒng)噪聲是指發(fā)動機氣門有規(guī)律的開啟關(guān)閉導(dǎo)致空氣在進氣管道中形成壓力脈動而產(chǎn)生的噪聲,并從進氣口處傳出。同時,如果進氣系統(tǒng)剛度不足,管壁處還會產(chǎn)生很大的輻射噪聲[1]。發(fā)動機根據(jù)進氣形式的不同分為自然吸氣發(fā)動機和增壓發(fā)動機,這兩種不同的進氣形式產(chǎn)生的進氣噪聲頻率范圍也有所不同。自然吸氣發(fā)動機的進氣噪聲頻率主要分布在0~1000Hz之間,而增壓發(fā)動機由于其壓氣機葉輪高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn),使得進氣噪聲頻率分布更為廣泛,約在0~5000Hz之間。除此之外,增壓器泄氣閥開啟時產(chǎn)生的高頻嘯叫聲也是困擾設(shè)計人員的難題。
整套進氣系統(tǒng)由進氣管道和消聲元件構(gòu)成,其中消聲元件主要包括空氣濾清器腔體,四分之一波長管,赫姆霍茲諧振腔和穿孔管消聲器等??梢酝ㄟ^仿真手段對進氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能進行初步分析,并根據(jù)需要對消聲能力較弱的頻率段添加相應(yīng)的消聲元件來提高整套系統(tǒng)的消聲能力。
評價進氣系統(tǒng)聲學(xué)性能的方法主要有:傳遞損失、插入損失、聲壓級差和聲壓級[2]。其中,傳遞損失是評價消聲元件消聲效果最簡單有效的方法,它反應(yīng)的是消聲器本體的聲學(xué)特性,因此通常用傳遞損失來初步評估系統(tǒng)的聲學(xué)性能,測量方法如圖1所示。
圖1 傳遞損失測量方法
傳遞損失表明聲音經(jīng)過消聲原件后聲音能量的衰減,即入射聲功率級和透射聲功率級的差值,數(shù)值越大,消聲效果越好。
進氣系統(tǒng)中,空氣濾清器腔體相當(dāng)于一個擴張消聲器,可以消除寬頻帶噪聲,結(jié)構(gòu)特征如圖2所示。
圖2 擴張消聲器
擴張消聲器的傳遞損失計算公式為:
其中,=2/S1為管道與擴張腔的擴張比。
從公式2-2可知,增加擴張消聲器的截面積S2和長度L,或者減小管道截面積S1都可以增加其傳遞損失,但減小管道截面積會造成管道內(nèi)氣流速度變快,導(dǎo)致進氣系統(tǒng)壓降增大,從而減少發(fā)動機的進氣量。
赫姆霍茲消聲器是旁支消聲器的一種,主要用于消除進氣噪聲中頻率為0到800Hz的噪聲,廣泛應(yīng)用于發(fā)動機進排氣系統(tǒng)中,它由一個消聲腔和一段連接消聲腔跟進氣管的短管組成,如圖3所示。
圖3 赫姆霍茲消聲器
赫姆霍茲消聲器的傳遞損失計算公式為:
消聲頻率計算公式為:
從公式2-3和2-4可知,赫姆霍茲消聲器消聲頻率和傳遞損失與消聲腔容積、連接管長度、連接管和進氣管的截面積有關(guān);與消聲腔的形狀和管道的形狀無關(guān)。
四分之一波長管也是旁支消聲器的一種,主要用于消去進氣噪聲中的高頻成分,結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 四分之一波長管
四分之一波長管傳遞損失計算公式:
調(diào)節(jié)頻率為:
從公式2-5和2-6可知,如果四分之一波長管和主管道的截面積比值越大,傳遞損失的幅值越大,但截面積之比不影響其共振頻率,共振頻率僅取決于四分之一波長管的長度。
穿孔管消聲器廣泛用于排氣系統(tǒng),用于消除1000到3000Hz的中高頻噪聲,其結(jié)構(gòu)如圖5。隨著渦輪增壓發(fā)動機的普及,進氣系統(tǒng)噪聲的最高頻率也由自然吸氣發(fā)動機的1000Hz提高到5000Hz,甚至更高。因此,穿孔管消聲器也開始運用于進氣系統(tǒng)設(shè)計[3]。
圖5 穿孔管消聲器
穿孔管消聲器是一種寬頻消聲器,它的消聲頻率與孔徑、孔數(shù)、管壁厚度和消聲腔容積有關(guān),消聲原理和赫姆霍茲消聲器類似,峰值頻率計算公式為:
式中,n為孔數(shù),S為單個孔面積,V為消聲腔容積,h為管壁厚度。
一般在進行渦輪增壓發(fā)動機進氣系統(tǒng)設(shè)計時,需要布置若干個穿孔管消聲器,來滿足全頻帶的消聲要求,如圖6所示。
圖6 多功能消聲器
現(xiàn)以某渦輪增壓發(fā)動機車型的進氣系統(tǒng)為研究對象,對其進行聲學(xué)仿真分析,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計消聲元件來提高其聲學(xué)性能。提取該進氣系統(tǒng)流體域模型,如圖7。
圖7 進氣系統(tǒng)流體域模型
該模型由1個空氣濾清器腔體和2段進氣管道組成,而對于渦輪增壓發(fā)動機來說,單一消聲元件的消聲效果非常有限。接下來將對該模型0到4000Hz頻率范圍內(nèi)的傳遞損失進行預(yù)估,以此來評價其聲學(xué)性能。
將流體域模型導(dǎo)入ICEM軟件進行網(wǎng)格劃分,如圖8,再將網(wǎng)格導(dǎo)入專業(yè)聲學(xué)軟件Virtual. Lab進行計算[4]。
圖8 進氣系統(tǒng)網(wǎng)格
在計算前檢測所有網(wǎng)格最大計算頻率為5600Hz,滿足4000Hz的計算要求,如圖9所示。
圖9 最大計算頻率檢測
計算采用管道聲模態(tài)模型,出口采用AML邊界,傳遞損失計算結(jié)果如圖10所示。
圖10 傳遞損失計算結(jié)果
可見,該進氣系統(tǒng)傳遞損失最大值30.5dB出現(xiàn)在900Hz頻率處(圖11),2700Hz之前平均傳遞損失約為12dB左右,1100Hz處傳遞損失接近0(圖12);2700Hz之后平均傳遞損失只有5dB左右。因此,可判定該進氣系統(tǒng)聲學(xué)性能并不理想。
圖11 900HZ聲壓級分布云圖
圖12 1100Hz聲壓級分布云圖
根據(jù)以上分析結(jié)果,可以按照頻率段來給進氣系統(tǒng)設(shè)計相應(yīng)的消聲元件。在0到800Hz頻率區(qū)間設(shè)置2個赫姆霍茲消聲器;在800Hz到1500Hz頻率區(qū)間設(shè)置1個四分之一波長管;在1500Hz到3000Hz頻率區(qū)間設(shè)置一個多功能寬頻消聲器;3000Hz到4000Hz頻率區(qū)間設(shè)置4個高頻四分之一波長管,如圖13所示。
圖13 消聲元件布置圖
其中,多功能寬頻消聲器由3個擴張腔,2個穿孔管消聲器和若干插入管組成,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖14,傳遞損失計算結(jié)果如圖15。
圖14 多功能寬頻消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖15 傳遞損失計算結(jié)果
可見,多功能寬頻消聲器在1500Hz到3000Hz頻率段能起到很好的消聲效果,傳遞損失最大值64.7dB出現(xiàn)在1850Hz處,如圖16所示。
圖16 1850Hz聲壓級分布云圖
把帶消聲元件的進氣系統(tǒng)模型導(dǎo)入ICEM軟件進行網(wǎng)格劃分,再將網(wǎng)格導(dǎo)入Virtual. Lab軟件進行計算,將計算結(jié)果與不帶消聲元件模型計算結(jié)果進行對比,如圖17所示。
圖17 傳遞損失對比
從圖可知,安裝消聲器后,整套進氣系統(tǒng)傳遞損失大幅提高,聲學(xué)性能得到明顯改善。赫姆霍茲消聲器分別貢獻了400Hz(圖18)和650Hz(圖19)處的兩個峰值;四分之一波長管提升了進氣系統(tǒng)在1900Hz附近傳遞損失(圖20);多功能消聲器在2000Hz到3000Hz間的作用非常大。但3000Hz之后,傳遞損失提升并不明顯,初步判斷是4個高頻四分之一波長管沒有起到作用,接著對這4個高頻四分之一波長管的長度進行微調(diào),傳遞損失計算結(jié)果如圖21。
從圖21可以看出,微調(diào)高頻四分之一波長管對3500Hz之前的傳遞損失沒有太大影響,在3550Hz和3650Hz處新增2個峰值,同時,3700Hz和3800Hz的峰值消失。因此可判定高頻四分之一波長在3500Hz到4000Hz頻率段能產(chǎn)生效果,傳遞損失幅值和消聲帶寬較小,也可以通過增加四分之一波長管截面積來提高傳遞損失幅值,但進氣損失會增加。
圖18 400Hz聲壓級分布
圖19 650Hz聲壓級分布
圖20 1900Hz聲壓級
圖21 計算結(jié)果對比
本文以某增壓發(fā)動機進氣系統(tǒng)為研究對象,通過Virtual. Lab軟件分析得出,原進氣系統(tǒng)聲學(xué)性能不理想。之后根據(jù)消聲元件的聲學(xué)特性,為原進氣系統(tǒng)設(shè)計相應(yīng)的消聲元件,結(jié)果表明,增加消聲元件后,進氣系統(tǒng)的消聲能力得到大幅提高。運用Virtual. lab軟件,可以快速的得出進氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能,大大減少設(shè)計周期和試驗成本。
[1] 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動:理論與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 2013,200-201.
[2] 石巖,張劍平,劉鵬. 汽車進氣系統(tǒng)噪聲仿真分析及優(yōu)化[J].噪聲與振動控制,2014,(3).
[3] 祝何林,劉正士.穿孔管消聲器的數(shù)值分析[J].噪聲與振動控制, 2008, (3):116-118.
[4] 畢嶸.汽車進排氣消聲器性能的數(shù)值仿真研究[D].合肥工業(yè)大學(xué), 2008.
Research on the acoustic performance of a turbocharged engine intake system
Yuan Lei, Han Zhen, Ye Deming, Qiao Zhao, Yan Fei
( AnHui JiangHuai Automobile group Co., LTD. Technology Centre, Anhui Hefei 230601 )
The intake system noise is one of the main noise source of automobile and the intake system not only need to provide a good aerodynamic performance for engine, but also need to have a good acoustic performance. The acoustic characteristics from 0 to 4000 Hz of a turbocharged engine intake system is analyzed, with evaluation criterion of transmis -sion loss, by using acoustic software Virtual. lab, and to enhance the intake system frequency noise elimination capability by designing several silencer.
Intake system; Silencer; Translation loss
A
1671-7988(2018)18-159-04
U462
A
1671-7988(2018)18-159-04
CLC NO.: U462
袁磊,就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心。
10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.054