某汽油发动机进气系统噪声分析及优化

高东东，陈玮，范习民

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某汽油发动机进气系统噪声分析及优化

高东东，陈玮，范习民

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

为了解某汽油发动机进气系统噪声水平，文章采用 GT-ISE软件建立了该发动机工作过程和进气系统的仿真模型，并按照实验数据验证热力学和声学计算结果的准确性。然后基于验证后的模型对进气系统进行优化设计，使总噪声和阶次噪声均满足目标线的要求。

进气系统；GT-ISE；总噪声；阶次噪声

CLC NO.: U464.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-12-03

前言

当前NVH(噪声、振动与舒适性)性能已经成为评价汽车品质的一个重要指标。在汽车的噪声组成中，进气系统噪声作为一个重要噪声源日益引起重视，通过降低进气系统的噪声对提升乘坐舒适性和顾客满意度起到非常重要的作用[1,2]。

汽车进气系统由管道和消声元件组成，声音沿着管道的轴向传播，轴向尺寸远远大于其他两个方向的尺寸，因此通常可以用一维声学来分析进排气管中声的传播特性。GT-ISE建立的一维模型较为简单，可以用于“进气—发动机—排气”系统性能的初步分析，具有较高的精确度。

本文对一款自然吸气汽油发动机进行一维噪声分析和实验验证，利用CAE分析的手段优化进气系统，使进气口的噪声满足目标要求。

1 计算模型

由于 GT-ISE软件计算噪声是基于平面波理论进行的，对于进排气脉冲噪声 (由于发动机转速的限制，一般低于1000Hz)计算有相当高的精度。本文研究对象是某1.6L排量的自然吸气四缸汽油发动机，进气口噪声以气体脉动噪声为主，适合采用GT-ISE软件搭建一维模型来计算。

图1 计算模型

首先根据发动机及进气系统的实际几何尺寸和特性参数搭建GT-ISE计算模型，如图1所示。本模型包括大气边界、进气系统管路、节气门、进气歧管、进气道、进气门、缸体、排气门、排气道、排气歧管、排气系统、排气边界等。边界温度和压力保持与实验环境温度和压力相同。

2 计算模型标定

2.1 热力学结果实验验证

为了验证计算模型的正确性，必须采用实验数据对其进行标定。即通过实验数据修正 GT-ISE模型参数，使计算结果逼近试验测量结果。本文依据性能台架的实验数据进行模型标定，如图2～4所示，可以看出计算的流量、扭矩、功率与性能台架数据吻合较好，但与 NVH台架的试验测试值在一些转速有较大的误差。调查发现，是因为 NVH台架上的测试样机状态较旧，并且排气背压不能有效进行控制导致性能的差异。

图2 进气流量

图3 扭矩

图4 功率

2.2 进气口噪声实验验证

半消声室进气口噪声实验布置情况如图5所示，进气系统按照整车进行布置，麦克风距离进气口100mm，45°方向和90°方向各布置一个。

图5 进气口噪声实验布置图

GT计算模型的麦克风按照实验标准进行布置，距离进气口100mm，45°方向。通过计算，进气口各阶次噪声及总噪声计算结果与实验测试结果对比如下：

图6 2阶噪声对比

图7 4阶噪声对比

图8 6阶噪声对比

图9 8阶噪声对比

图10 总噪声对比

各阶次计算噪声曲线与测试曲线趋势上基本吻合，幅值误差较大的区域主要集中在低转速和高转速区域，误差来源主要有如下四个方面：

（1）NVH台架的发动机性能差异，从扭矩图可以看出，NVH台架的扭矩在低转速和高转速区域相比计算值差异较大，造成较大的噪声误差；

（2）实际进气系统管路长度与数模有差异，特别是搭接处的橡胶软管，重合长度较多，实际长度比数模偏小较多，造成峰值频率偏移；

（3）测试噪声包含机械噪声、排气噪声等，而计算噪声没有考虑这些因素的影响；

（4）计算转速间隔为 400rpm，远大于测试转速间隔，可能导致分析结果丢失部分细节特征。

总体来说，进气系统管口噪声计算值与测试值在趋势上基本吻合，模型能够满足管口气动噪声的计算和优化要求。

3 进气口噪声分析

提取进气口的阶次追踪曲线和计算频谱如图 11～12所示。不难看出如下两点：

（1）计算结果表明总噪声超标，2、4、6、8阶次噪声超标更为明显；

（2）2阶在 2000-4800rpm内超标，频率范围在 67Hz-160Hz之间；4阶在 4000rpm附近严重超标，对应频率为267Hz；6阶在3600rpm、4000rpm附近严重超标，对应频率360Hz、400Hz；8阶在2800rpm附近超标明显，对应频率为373Hz。

图11 进气口噪声计算结果

图12 进气口噪声计算频谱

4 进气口噪声优化

4.1 进气系统优化方案说明

根据前述分析结论，需要结合空间边界，按照阶次噪声超标情况，针对性的设计消声元件，以降低阶次噪声和总噪声。优化方案说明如下：

（1）进气系统上布置5个消声元件，包括4个Helmholtz谐振腔与1个波长管，其具体参数和消声频率如表1所示，布置位置如图13所示。

（2）将进气口至空滤壳体之间的所有脏管直径缩小6mm。

表1 消声器具体参数

图13 消声器布置位置

4.2 优化后结果分析

优化后分析结果如图 14所示。可以看出，加上上述 5个消声元件后，总噪声、阶次噪声均满足了目标线的要求，且总噪声尚有一定裕度。将图15与图12进行对比，也可以直观看出优化效果。

鉴于此优化方案消声效果显著，建议可以制作上述消声元件的快速样件，进行NVH实验室内的消声效果验证。

图14 进气口A计权噪声结果

图15 进气口噪声计算频谱图

5 结论

本文应用 GT-ISE软件对某自然吸气汽油发动机进行了一维噪声分析，得出如下三点结论：

（1）进气口噪声计算曲线与实验曲线吻合较好，仿真模型基本能够反映实际发动机的进气口脉动噪声情况。

（2）计算结果表明总噪声超标，2、4、6、8阶次噪声超标更为明显，测试结果也得出了相同的结论。

（3）根据噪声超标情况提出了有效的优化方案，使进气口的总噪声、阶次噪声均满足了目标线的要求，且总噪声尚有一定裕度。

[1] 陈友祥,欧阳彩云,王金立.基于 WAVE的某增压汽油发动机进气系统噪声分析及优化.汽车实用技术,2016(1)：14～16.

[2] 高东东,范习民,郑超.某整车进气系统噪声分析及优化.内燃机.2017(2)：8-10.

[3] 石来华,冯仁华.基于 GT-POWER模型的发动机进气系统优化.客车技术与研究,2010,32(3)：18-21.

[4] 庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与振动.北京：北京理工大学出版社,2006.

[5] 马大猷.噪声与振动控制工程手册.北京：机械工业出版社,2002.

Acoustic Analysis and Optimization of A Gasoline Engine Intake System

Gao Dongdong, Chen Wei, Fan Ximin
( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In order to know the noise of a gasoline engine intake system, the engine working and intake system simulation model was built by GT-ISE in this paper, and the thermodynamic and acoustic simulation results were verified accurate by experiment data. Then the design of intake system was optimized based on calibrated model, it made both total noise and order noise meet the requirement of target lines.

intake systems; GT-ISE; total noise; order noise

U464.9 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)20-12-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.004

高东东，(1984-)，硕士研究生，研究方向：发动机NVH性能分析及优化。