進(jìn)氣系統(tǒng)中泄氣噪聲的解決方案探討

羅宏錦 張帆 王宏進(jìn)

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣系統(tǒng);壓后泄壓閥;氣動(dòng)噪聲;CFD

0 引言

渦輪增壓車型的進(jìn)氣系統(tǒng)中，已經(jīng)普遍使用電子泄壓閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓比。泄壓閥通常安裝在渦輪增壓器之后，與壓后主管路連接。松開加速踏板后，渦輪由于慣性作用會(huì)繼續(xù)工作一段時(shí)間，此時(shí)泄壓閥迅速開啟，起到旁通的作用;旁通的高壓氣體會(huì)返回到進(jìn)氣系統(tǒng)的壓前管路內(nèi)。由于電子泄壓閥的泄壓時(shí)間非常短，氣流瞬時(shí)的速度較高，流速可以達(dá)到200 m/s 以上，此時(shí)噴射流會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)氣流噪聲。駕駛員在車內(nèi)時(shí)常會(huì)聽到這種泄氣聲，影響駕駛感受。

噴射流噪聲的特點(diǎn)是能量強(qiáng)，頻帶寬。目前主流設(shè)計(jì)通常都是在進(jìn)氣干凈管處增加多個(gè)消聲單元的方式進(jìn)行消聲[1]。泄氣噪聲的頻率范圍受到管路和發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定的影響，噪聲范圍和特點(diǎn)都各不相同，對整車的干凈管設(shè)計(jì)來說具有很多不確定性。

本文針對泄壓閥的噪聲特點(diǎn)，改變傳統(tǒng)在泄壓閥泄氣后管路的干凈管上設(shè)計(jì)消聲器方式，選擇直接在泄壓閥底座上設(shè)計(jì)了消聲單元。

1 模型設(shè)置

以一款1.5T 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的管路為例，在加速工況時(shí)，最大增壓壓力為230 kPa，峰值溫度在180℃，在進(jìn)氣系統(tǒng)中布置如圖1 所示。加速后松開加速踏板時(shí)，泄壓閥在80 ms 內(nèi)打開泄壓，如圖2 所示。

以此車型為例，對泄壓閥打開5 mm 時(shí)的流場進(jìn)行仿真（目前市場上電子泄壓閥為標(biāo)準(zhǔn)件，開度通常在5 mm 左右）?？紤]到計(jì)算效率，采用k-epsilon 穩(wěn)態(tài)模型，分別采用寬帶噪聲源模型Curle 和Proudman 模型，邊界條件如圖3 所示。案例中泄壓閥放置在管路的冷端，增壓氣體經(jīng)過中冷器后，壓力和溫度降低，在CFD 計(jì)算中，設(shè)置泄壓閥入口為100 kPa（相對壓力）和80℃進(jìn)氣溫度作為邊界條件，出口采用壓力出口，介質(zhì)氣體采用理想氣體。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 流速結(jié)果

從流速的分布結(jié)果上看，泄壓時(shí)噴射流的最高速度時(shí)達(dá)到304 m/s，在閥門出口處（圖4）。

2.2 聲強(qiáng)的分析結(jié)果

聲強(qiáng)在出口A 處約為95.0 dB，在泄氣閥座內(nèi)B 附近約為158.0 dB，在泄壓閥出口C 處約為127.0 dB（圖5）。由表1 可以看出，在B 點(diǎn)處流速最高，呈噴射流特性，以四極子的形式傳播，能量高且呈寬頻特性[2]。

2.3 增加阻性和抗性消音器的仿真結(jié)果

根據(jù)以上結(jié)果，以消除噴射流噪聲為目的，通過在閥座內(nèi)增加導(dǎo)流結(jié)構(gòu)（抗性消音器[3]）加大高速氣流的摩擦，以及出口處增加阻性消音器[4] 來消耗氣體的能量，以減少聲強(qiáng)。導(dǎo)流結(jié)構(gòu)將氣流引導(dǎo)至各個(gè)分散的腔內(nèi)，產(chǎn)生漩渦使空氣進(jìn)行摩擦;同時(shí)在出口處，這只阻性消聲器降低出口流速（圖6）。

通過仿真對比，該消聲方案比原方案分別在A、B、C 點(diǎn)處的聲強(qiáng)分別降低14.5 dB，20.0 dB 和25.0 dB，噪聲明顯改善（表2）。其中，在閥座內(nèi)聲強(qiáng)大于100.0 dB 的區(qū)域明顯減少（圖7）。

3 測試案例

根據(jù)仿真設(shè)計(jì)的方案，進(jìn)行樣件制作并在實(shí)車上進(jìn)行測試[5]，對比結(jié)果如圖8 所示。BASE 為進(jìn)氣系統(tǒng)管路上沒有任高頻消聲器時(shí)的colormap 圖，從頻譜上可知，在1 000 ～ 6 000 Hz 有明顯的寬頻噪聲。按照傳統(tǒng)方式，在進(jìn)氣管路干凈管布置消聲器的情況下，在頻段4 000 ～ 6 000 Hz 有明顯改善。在使用集成式方案后，1 500 ～ 6 000 Hz 均有進(jìn)一步改善，在測試主觀評價(jià)過程中，幾乎沒有任何泄氣噪聲。

4 結(jié)束語

本文以一款1.5T 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)為研究對象，通過仿真模擬對聲強(qiáng)的方案進(jìn)行快速優(yōu)化，提出在泄壓閥座上集成消音器的方式。最終結(jié)果如下。

（1）泄壓閥氣流噪聲主要由于高速的氣流噴射產(chǎn)生，速度高，及四極子的形式傳播[6]。

（2）在泄壓閥座上增加抗性結(jié)構(gòu)，能夠降低泄壓閥底座內(nèi)的聲強(qiáng)6 ～ 7 dB。

（3）通過在出口處增加阻性消聲器，對整體出口處的消聲能夠達(dá)到10 ～ 15 dB。

（4）通過阻性和抗性消聲器結(jié)合的消聲方式，在渦輪增壓車上，在1 500 ～ 6 000 Hz，對整車的降噪品質(zhì)有明顯提升，且從設(shè)計(jì)的布置角度上，布置更加緊湊。