發(fā)動(dòng)機(jī)排氣階次噪聲控制研究

崔國(guó)旭邱 森

（1-中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司汽車工程研究院 天津 300300 2-吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院）

引言

通常認(rèn)為，控制發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲就是控制其聲壓級(jí)的大小。多年來(lái)，汽車工程師們一直致力于設(shè)計(jì)具有良好性能的排氣消聲器，并取得了很好的效果。但人們對(duì)汽車的噪聲提出了更高的要求，不僅要求汽車“安靜”，噪聲量級(jí)小，還要求“和諧”，即關(guān)注它給人帶來(lái)特有的聽(tīng)覺(jué)感受，也就是考慮聲音的頻率成分。聲品質(zhì)的調(diào)制主要靠進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中，排氣系統(tǒng)噪聲的影響更為明顯，改善其聲品質(zhì)對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整車的NVH特性具有重要的影響。

福特公司對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)做了大量研究工作，認(rèn)為聲品質(zhì)設(shè)計(jì)主要考慮響度、發(fā)火階次、線性度以及高頻噪聲等，其中，發(fā)火階次對(duì)于車輛的舒適性處于主導(dǎo)影響地位，而半階階次增加，有利于提高車輛動(dòng)力感。Johnson等人[1]和Dedene等人[2]描述了排氣噪聲組成和聲品質(zhì)的客觀尺度。他們認(rèn)為，購(gòu)買跑車的客戶喜歡平順有動(dòng)力感的聲音，購(gòu)買高級(jí)轎車的客戶喜歡平順安靜的聲音。Ohsasa等人采用評(píng)審團(tuán)評(píng)價(jià)的方法，得出排氣噪聲所包含的半階次噪聲的水平越高，排氣噪聲的動(dòng)力感越強(qiáng)的結(jié)論[3]。Pang Jian等人通過(guò)對(duì)一款6缸V型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真分析表明，通過(guò)修改Y型連接管的結(jié)構(gòu)，可改變排氣半階次噪聲的組成結(jié)構(gòu)[4]。

以上研究成果表明，主階次、半階次噪聲是影響排氣聲品質(zhì)差異的重要因素。在排氣噪聲聲壓級(jí)相差不大的情況下，半階次噪聲越大，排氣噪聲更富有動(dòng)力感；反之，半階次越小，則更為柔和安靜。

本文以一款1.5 L自然吸氣4缸發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，在原機(jī)基礎(chǔ)上對(duì)排氣噪聲進(jìn)行調(diào)制，使其噪聲更富有動(dòng)力感品質(zhì)。

根據(jù)上述理論，需要噪聲組成中含有較高聲壓水平的半階噪聲。為了能最終調(diào)制出含有較高聲壓水平的半階次排氣噪聲，需要在原始聲源中提高半階次噪聲的聲壓水平，也就是提高發(fā)動(dòng)機(jī)排氣總管口處的半階次聲壓水平。

1 排氣噪聲調(diào)制原理

在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道中傳播的聲波，可認(rèn)為是以平面波的形式傳播[5]。聲波在管道中傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)管道頂端時(shí)，一部分透過(guò)管道繼續(xù)傳播，另一部分被反射回去，形成反射波，如圖1所示。

圖1 管道中的聲波

管道中任何一點(diǎn)的聲壓是入射聲波聲壓和反射聲波聲壓的合成。可用公式表示：

式中：k 為聲波的波數(shù)，m-1；ω1為聲波的圓頻率，rad/s；pA和pB分別為入射聲波和反射聲波的聲壓幅值，Pa。

發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 排氣歧管結(jié)構(gòu)

假設(shè)排氣歧管的長(zhǎng)度不一樣，各缸排氣歧管的長(zhǎng)度分別為 l1，l2，l3，l4。聲波在每個(gè)歧管中傳遞時(shí)，到達(dá)排氣總管的時(shí)間不一樣。聲波在第i個(gè)歧管中傳播的時(shí)間為：

式中：t為聲波傳播時(shí)間，s；li為第i個(gè)歧管的長(zhǎng)度，m；c為聲速，m/s。

把聲波在第i個(gè)歧管中傳播的時(shí)間轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角，可表示為：

式中：ω為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的角速度，rad/s。ω的計(jì)算公式為：

式中：n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

對(duì)于均勻運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)火均勻，每個(gè)氣缸之間運(yùn)轉(zhuǎn)的間隔相等。相鄰發(fā)火氣缸的曲軸轉(zhuǎn)角差為：

式中：N為氣缸數(shù)；Ф為發(fā)動(dòng)機(jī)工作一個(gè)循環(huán)的曲軸轉(zhuǎn)角，°CA。

對(duì)于4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，Φ =4π，N=4，則 Δθ= π。

假設(shè)以第1缸為參考?xì)飧祝敲?，發(fā)火順序?yàn)閖的第i號(hào)氣缸相對(duì)于參考?xì)飧椎那S轉(zhuǎn)角為：（j-1）Δθ。

發(fā)火順序?yàn)閖的第i號(hào)氣缸聲音傳遞到排氣總管口的絕對(duì)轉(zhuǎn)角為：

式中：θ為第1缸對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，°CA。

在排氣總管口，聲壓為各缸傳遞到此的聲壓之和，可表示為：

對(duì)于4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，公式（7）可展開(kāi)為：

式中：m為發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)火階次。

當(dāng)m=1、3、5等非發(fā)火階次及其諧階次和半階次之外的整數(shù)階次時(shí)，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)各缸工作均勻，認(rèn)為 PAi=PA，PBi=PB，公式（8）可表示為：

當(dāng)m=2、4、6等發(fā)火階次及其諧階次時(shí)，公式（8）可表示為：

當(dāng) m=0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5 等半階次時(shí)，公式（8）可表示為：

因此，對(duì)于4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)上述推導(dǎo)，可得到以下結(jié)論：

1）對(duì)于半階次噪聲，在同一工況下，只受間隔發(fā)火2缸的歧管長(zhǎng)度影響。即受第1號(hào)、第4號(hào)歧管長(zhǎng)度相互變化關(guān)系和第2號(hào)、第3號(hào)歧管長(zhǎng)度相互變化關(guān)系的影響。特別地，如果采用l1=l2=l3=l4的等長(zhǎng)歧管結(jié)構(gòu)，半階次噪聲理論上可消除為零；如果采用l1=l4≠l2=l3的對(duì)稱等長(zhǎng)結(jié)構(gòu)形式，半階次噪聲理論上也可消除為零。

2）對(duì)于除主階次及諧階次外的整階次噪聲，在同一工況下，只受相鄰發(fā)火2缸歧管長(zhǎng)度相互關(guān)系影響。特別地，如果采用l1=l2=l3=l4的等長(zhǎng)歧管結(jié)構(gòu)，整階次噪聲理論上可消除為零。

3）主階次及其諧階次噪聲等于4個(gè)缸的噪聲疊加之和，不能消除。

雖然，從上述推導(dǎo)得出，采用等長(zhǎng)排氣歧管結(jié)構(gòu)的半階次噪聲和主階次及諧階次外的整階次噪聲能完全消除為零，但在實(shí)際的排氣系統(tǒng)中，由于流體噪聲等因素的影響，半階次和整階次噪聲仍然存在[6]。

2 排氣歧管仿真模型搭建與驗(yàn)證

圖3為原機(jī)排氣歧管三維模型，排氣歧管的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。4根排氣歧管長(zhǎng)度相等，為等長(zhǎng)方案排氣歧管。

圖3 原機(jī)排氣歧管三維模型

表1 原機(jī)排氣歧管參數(shù)mm

根據(jù)所獲得的控制參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及測(cè)試數(shù)據(jù)，使用仿真軟件GT-Power建立發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與聲學(xué)仿真模型并進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4為原機(jī)的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)矩與仿真轉(zhuǎn)矩對(duì)比。通過(guò)比較，2種轉(zhuǎn)矩最大偏差不超過(guò)4 N·m，偏差低于5%，仿真模型精度較高，可用于后面的研究工作。

圖4 原機(jī)轉(zhuǎn)矩仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

3 排氣歧管優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的布置空間做預(yù)設(shè)計(jì)。由于空間限制，排氣歧管長(zhǎng)度最大為260 mm，最小為170 mm。由于半階次噪聲受間隔發(fā)火2缸對(duì)應(yīng)的歧管長(zhǎng)度相互變化關(guān)系影響，設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化方案時(shí)，首先將第1號(hào)與第4號(hào)歧管的長(zhǎng)度設(shè)置為定值，改變第2號(hào)與第3號(hào)歧管的長(zhǎng)度差。仿真方案如表2所示。

表2 排氣歧管仿真方案（改變第2號(hào)與第3號(hào)歧管的長(zhǎng)度差）mm

圖5、圖6、圖7分別為4個(gè)方案（方案 1～方案4）及原機(jī)的4.5階、5.5階、6.5階等主要半階噪聲仿真結(jié)果。

由圖5、圖6、圖7的仿真結(jié)果可以看到，采用不等長(zhǎng)方案后，會(huì)大幅度提高半階次噪聲。并且，隨著歧管長(zhǎng)度差的增大，半階次噪聲有增大的趨勢(shì)。

圖5 4個(gè)方案及原機(jī)4.5階噪聲仿真對(duì)比

圖6 4個(gè)方案及原機(jī)5.5階噪聲仿真對(duì)比

圖7 4個(gè)方案及原機(jī)6.5階噪聲仿真對(duì)比

由上述仿真可知，方案4是4個(gè)方案中最能提高半階次噪聲的方案。據(jù)此，固定第2號(hào)與第3號(hào)歧管的長(zhǎng)度不變，改變第1號(hào)與第4號(hào)歧管的長(zhǎng)度差，仿真方案如表3所示。

表3 排氣歧管仿真方案（改變第1號(hào)與第4號(hào)歧管的長(zhǎng)度差）mm

圖8、圖9、圖10分別為4個(gè)新方案（方案5～方案8）與上一輪仿真最優(yōu)方案（方案4）及原機(jī)的4.5階、5.5階、6.5階等主要半階噪聲仿真結(jié)果。

圖8 5個(gè)方案及原機(jī)4.5階噪聲仿真對(duì)比

圖9 5個(gè)方案及原機(jī)5.5階噪聲仿真對(duì)比

圖10 5個(gè)方案及原機(jī)6.5階噪聲仿真對(duì)比

由圖8、圖9、圖10的仿真結(jié)果可以看到，隨著歧管長(zhǎng)度差值的增加，半階次噪聲增加，也就是說(shuō)，歧管越不等長(zhǎng)，半階次噪聲越大。

但由于空間布置的限制，無(wú)法設(shè)計(jì)出最優(yōu)的歧管方案。因此，根據(jù)歧管越不等長(zhǎng)，半階次噪聲越大的仿真結(jié)論，盡量使歧管長(zhǎng)度不等。最后設(shè)計(jì)出如圖11所示的不等長(zhǎng)歧管方案。表4為最終設(shè)計(jì)的不等長(zhǎng)方案各歧管長(zhǎng)度。

圖12、圖13、圖14分別為最終使用方案與上一輪5個(gè)方案及原機(jī)方案的4.5階、5.5階、6.5階等主要半階次噪聲仿真結(jié)果。

由圖12、圖13、圖14的仿真結(jié)果可知，最終采用的不等長(zhǎng)方案，雖然不是最優(yōu)的，但具有較好的效果。

圖11 不等長(zhǎng)方案排氣歧管三維模型

表4 最終設(shè)計(jì)方案mm

圖12 最終使用方案與5個(gè)方案及原機(jī)4.5階噪聲仿真對(duì)比

圖13 最終使用方案與5個(gè)方案及原機(jī)5.5階噪聲仿真對(duì)比

圖14 最終使用方案與5個(gè)方案及原機(jī)6.5階噪聲仿真對(duì)比

圖15 為最終使用方案的主階次及半階次噪聲仿真結(jié)果。

圖15 最終使用方案主階次及半階次噪聲仿真

由圖15可知，半階次噪聲有較大的提高，聲壓級(jí)接近主階次噪聲，說(shuō)明最終使用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案具有較理想的效果。

4 排氣歧管聲學(xué)及性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖16為不等長(zhǎng)優(yōu)化方案的排氣歧管。將它替換原機(jī)等長(zhǎng)排氣歧管，進(jìn)行性能和噪聲測(cè)試。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩變化不大，最大變化不超過(guò)0.2%，說(shuō)明優(yōu)化方案不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。

圖16 不等長(zhǎng)優(yōu)化方案排氣歧管

圖17 為原機(jī)的主階次與半階次噪聲實(shí)驗(yàn)對(duì)比，圖18為優(yōu)化方案的主階次與半階次噪聲實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

圖17 原機(jī)主階次與半階次噪聲測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖18 不等長(zhǎng)優(yōu)化方案主階次與半階次噪聲測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從圖17、圖18可以看出，優(yōu)化方案的半階次噪聲與主階次噪聲更相近，滿足具有動(dòng)力感的要求。

圖19為原機(jī)與優(yōu)化方案的主階次噪聲測(cè)試結(jié)果，圖20為原機(jī)與優(yōu)化方案的半階次噪聲測(cè)試結(jié)果。

圖19 原機(jī)與優(yōu)化方案主階次噪聲測(cè)試結(jié)果

圖20 原機(jī)與優(yōu)化方案半階次噪聲測(cè)試結(jié)果

由圖19、圖20可知，相比原機(jī)，不等長(zhǎng)優(yōu)化方案的主階次噪聲變化很小，但半階次噪聲明顯提高。因此可以認(rèn)為，排氣歧管結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)主階次噪聲影響較小，但會(huì)改變半階次噪聲的大小，從而改變排氣噪聲的品質(zhì)特點(diǎn)。

5 結(jié)論

通過(guò)以上仿真研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

1）適當(dāng)改變排氣歧管管長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、發(fā)火階次及其諧階次噪聲的聲壓水平影響不大。

2）與傳統(tǒng)的等長(zhǎng)排氣歧管方案相比，增加歧管管長(zhǎng)差的不等長(zhǎng)方案，能提高半階次噪聲的聲壓水平，從而提高了排氣噪聲的動(dòng)力感。

3）理論分析顯示，完全等長(zhǎng)的排氣歧管方案不應(yīng)該存在非主整階次和半階次噪聲，對(duì)稱等長(zhǎng)排氣歧管方案不應(yīng)該存在半階次噪聲。但是，在實(shí)際的排氣系統(tǒng)中，由于流體噪聲等因素的影響，存在整階次和半階次噪聲。