基于数字化分析技术的进气系统性能研究

廉巨龙，雷一腾，周维

(1.华晨汽车工程研究院，辽宁沈阳 110141;2.伊犁师范学院，新疆伊宁 835000)

0 引言

进气系统的主要功用是过滤空气中的杂质，保证发动机吸入清洁的空气。但是随着汽车工业的发展，客户对汽车声品质的要求越来越高，进气口噪声是发动机噪声传播的主要途径之一，影响乘车的舒适[1]。因此，进气系统的消声性能成为了设计进气系统时必须考虑的一个重要的问题。

往复式发动机的进气系统噪声信号通常与发动机发火频率的阶次有关。对于自然吸气发动机，进气口噪声是由节气门周期性地开闭产生的压力波动引起的，主要包括3种成分：进气门开启时活塞做变速运动引起的进气脉动噪声，进气门关闭时引起进气管道中产生空气柱共振噪声，气流流经进气门环隙时产生的涡流噪声。

在很多情况下，自然吸气发动机的进气口噪声是由低频噪声引起的，精确的抗性消声器设计可以有效地抑制低频噪声产生。LIU等[2]使用试验和仿真相结合的方法研究了进气系统噪声优化设计的系统方法。吴超群等[3]应用计算流体力学模型边界条件、采用三维声学有限元法进行结构改进设计，提高进气系统的声学性能。进气系统另一个重要的性能指标是进气系统的压降，在消声容积一定的情况下，缩小管径可以有效降低进气系统噪声。为了平衡进气系统气动性能与声学性能，作者基于数字化分析技术，采用Star CCM+软件对流场进行分析，通过HyperMesh软件对进气系统进行网格划分，采用Virtual.lab软件建立声学有限元模型对进气系统的声学性能进行预测以提高进气系统对总声压级的衰减。

1 进气系统气动性能与声学性能评价指标

1.1 空滤滤芯的影响及气动性能目标

设计进气系统时，先考虑气动性能还是先考虑声学性能一直是研发人员争论的课题。作者针对一套全新开发的进气系统，首先考虑气动性能，尽量设计较小的管径，在满足进气系统压降目标的前提下进行声学性能的优化。

进气系统的气动性能评价指标是进气阻力要求。进气系统管路的设计流场分布应均匀，避免引起流动分离的速度突变；滤芯表面流速分布均匀，这样可以提高滤芯的使用寿命。

进气系统中的滤芯除了能过滤空气中的杂质外，本身是一种多孔介质，对流场及声场的性能均有影响[4]。多孔介质中黏性阻力因子和惯性阻力因子对进气系统空气动力性能影响较大。对于一款自然吸气发动机，主要考虑中低频所引起的噪声，滤芯在声学方面主要影响1 000 Hz以上的高频噪声，对1 000 Hz以下的噪声影响较小，因此滤芯多孔介质的因素主要在气动性能仿真中考虑，在声学性能仿真中暂不考虑。

1.2 声学性能评价指标

进气系统中单个消声元件通常是降低某个频率或某个频率段的噪声，单个消声结构精准化的设计对改善整个进气系统的消声性能格外重要。当某个或一些消声元件连接到进气系统后，对整个进气系统的消声性能进行评价非常重要。

对进气系统的消声性能评价主要有3个指标：传递损失、插入损失、消声量。传递损失是对单个消声元件的消声效果进行评价；而插入损失是对整个消声系统的评价；考虑到发动机声源的影响，对于消声量是考虑进气系统或排气系统的声学出口噪声特性的影响，对于自然吸气发动机，消声量的评价尤为重要。

消声量是指系统中任意两点声压级的差值，用NR来表示。图1为消声量的测量系统，系统中的传声器点的声压级分别为Lp1、Lp2，那么消声量

NR=Lp1-Lp2=20log(p1/p2)

(1)

图1 消声量测量系统图

2 进气系统气动性能与声学性能数字化仿真

2.1 空气动力学性能的数字化仿真

建立几何模型，利用HyperMesh软件对进气系统进行有限元前处理，提取进气系统内表面的模型，对其进行网格划分，在Star CCM+中进行面网格表面重构，生成多面体网格。为了模拟进气系统入口、出口处大气环境对节气门体的影响，在入口及出口处添加一段延长区域；滤芯按多孔介质处理，设置滤芯特性因子；建立的网格模型中有469 416个实体单元，共有1 464 810个节点。

对进气系统流场进行模拟时，模型的边界条件为：进气口设置质量流入口，出气口设置压力出口。

2.2 声学性能的数字化仿真

随着汽车工业的发展与数字化仿真技术的应用，已不再是依靠单个消声元件解决进气系统进气噪声问题，而是采用多种类消声元件集成化程度较高的消声模块对进气系统进行消声，因此系统声学性能的数字化仿真极为重要[5]。利用Virtual.lab软件建立进气系统主体内声场的声学有限元模型，图2为进气系统的声学有限元模型，其中单元总数为176 176个，声学节点为982 048个。

图2 进气系统主体的声学有限元模型

建模时，在声学入口处施加单位质点振动速度边界条件，模拟白噪声激励，频率范围20～1 000 Hz。在声学出口处施加辐射阻抗的边界条件，进气系统声学出口处可以看作是活塞式声源，其辐射特性遵循活塞式声源辐射特性规律。

通过对进气系统主体在无滤芯的情况下进行消声量的计算，来评估整个系统的消声能力，可以得到图3所示的进气系统主体消声量曲线。可以看出：系统插入空滤后，低频范围的消声量得到明显提升。

图3 进气系统主体消声量曲线

3 进气系统声学性能优化

在系统优化前首先应固化进气系统的管道直径，对进气系统主体流场进行综合评估后再进行声学性能的优化。通过数字化仿真分析技术对进气系统主体进行进气阻力预测，仿真结果为2.231 kPa，满足进气系统阻力不大于3 kPa的目标要求，并为声学设计留有余量。基于此，对系统进行声学结构设计优化。

3.1 试制样车整车发动机原始噪声测试

如图4所示，通过在NVH(Noise Vibration Harshness)半消声试验室中采用整车发动机舱覆盖包裹法，用与进气系统等长度的直管代替进气系统进行发动机原始噪声测试。3G WOT(Wide Open Throttle)工况，测点距离进气口100 mm，45°方向，测试发动机原始噪声。从图5可以看出：全转速范围内全阶次噪声超出目标线大于20 dB，各阶次噪声均超出目标线。

图4 进气系统基态测试图

图5 进气系统基态测试曲线图

3.2 声学结构设计

随着汽车的设计走进轻量化的时代，进气系统的轻量化已不再依靠增加零散的消声器来解决进气噪声问题，采用消声器的集成化理念，将设计的赫姆霍兹谐振腔及波长管集成在空滤本体上。

针对发动机的原始噪声及进气系统主体的消声量曲线，进行旁支消声器集成化的结构设计。对不同转速下、各阶次对应的峰值频率进行消声结构设计。该空滤共集成了5个赫姆霍兹谐振腔、2个1/4波长管结构，空滤内集成1个内插管。消声器的模型见图6。

通过Virtual.lab中的Acoustic模块进行有限元分析，得到进气系统的消声量曲线，如图7所示。可以看出：全转速范围内消声量得到大幅度的提升，达到了消声量20 dB以上的要求。

将设计方案通过快速成型方法加工成手工样件后进行调音测试，如图8所示。

图6 空滤的集成化设计方案图

图7 进气系统的消声量曲线

图8 空滤集成消声器结构的手工样件

4 结果与讨论

对优化前后模型进行分析，优化后的模型及流线图见图9，流线图中流线分布均匀，局部位置产生流动分离的现象，脏空气侧管道内流速较大是由整车空间布置限制所致，设计成方形截面。

图9 优化方案流场分析模型及流线图

用空气滤清器性能测试台测量进气系统在最大流量330 kg/h进气量下的进气阻力。进气系统进气阻力仿真分析与台架对比试验结果见表1，可以看出：进气系统的进气阻力满足进气系统的目标要求。仿真结果与台架测试的相对误差在允许的范围内。

表1 台架试验和模拟值对比

在消声室中测得的噪声曲线见图10，全阶次噪声在全转速范围内消声量降低超过20 dB，全阶次噪声满足目标要求。

图10 全阶次噪声曲线

各阶次噪声曲线见图11，优化后的进气系统各阶次噪声与基态相比，在全转速范围内消声性能均有不同程度的提升，满足噪声目标要求。

图11 各阶次噪声曲线

优化后将系统搭载整车进行主观评价，满足整车提出的目标要求，驾驶室内噪声得到明显改善。

5 结束语

(1)通过数字化分析技术可以对进气系统的气动性能和声学性能进行有效的预测。精细化、集成化的消声元件的结构设计对整车轻量化具有一定贡献。

(2)优化后系统的气动性能和声学性能均达到了预期的目标要求，优化后的进气系统总消声降低超过20 dB，噪声性能得到较大程度提升。

参考文献:

[1]贾维新.发动机结构噪声和进气噪声的数字化仿真及优化技术研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[2]LIU C,HAO Z Y,CHEN X R.Optimal Design of Acoustic Performance for Automotive Air-cleaner[J].Applied Acoustic，2010，71(5)：431-438.

[3]吴超群，刘凌豪，华伟杰，等.某SUV车型进气系统改进设计[J].汽车技术，2017(4)：50-52.

WU C Q,LIU L H,HUA W J,et al.Modified Design of a SUV Air Intake System[J].Automobile Technology,2017(4)：50-52.

[4]刘联鋆，郝志勇，钱欣怡.空滤器滤芯声学特性的仿真方法[J].浙江大学学报(工学版)，2012,46(10)：1785-1789.

LIU L Y,HAO Z Y,QIAN X Y.Simulation Methods for Acoustical Characteristics of Air-cleaner Filter Element[J].Journal of Zhejiang University(Engineering Science),2012,46(10)：1785-1789.

[5]金岩，郝志勇.针对通过噪声的空滤器声学特性研究与改进[J].浙江大学学报(工学版)，2006,40(8)：1143-1145.

JIN Y,HAO Z Y.Investigation and Improvement of Air-in Filter Acoustic Performance towards Pass-by Noise[J].Journal of Zhejiang University(Engineering Science),2006,40(8)：1143-1145.