某增压发动机的进气系统声学性能研究

袁磊，韩震，业德明，乔曌，严飞



某增压发动机的进气系统声学性能研究

袁磊，韩震，业德明，乔曌，严飞

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

发动机进气系统噪声是汽车的主要噪声源之一，进气系统不仅需要为发动机提供很好的空气动力学性能，还需要有良好的消声能力。文章以某增压发动机车型的进气系统为研究对象，以传递损失为指标，运用声学软件Virtual. lab分析其0到4000Hz频率段的声学特性，并在此基础上添加若干个消声元件来提高进气系统全频率段的消声能力。

进气系统；消声器；传递损失

前言

随着中国汽车工业的快速发展，人们对乘员舒适性的的关注度日益增加，而车辆噪声是影响消费者驾驶体验的重要因素，也是各整车厂关注的焦点。在众多种类的汽车噪声中，发动机进气系统噪声离驾驶舱最近，对车内噪声的贡献很大。因此，在设计进气系统时，不仅要考虑其结构刚度及管内流场特性，还要对其声学性能进行评估。

进气系统噪声是指发动机气门有规律的开启关闭导致空气在进气管道中形成压力脉动而产生的噪声，并从进气口处传出。同时，如果进气系统刚度不足，管壁处还会产生很大的辐射噪声[1]。发动机根据进气形式的不同分为自然吸气发动机和增压发动机，这两种不同的进气形式产生的进气噪声频率范围也有所不同。自然吸气发动机的进气噪声频率主要分布在0~1000Hz之间，而增压发动机由于其压气机叶轮高转速运转，使得进气噪声频率分布更为广泛，约在0~5000Hz之间。除此之外，增压器泄气阀开启时产生的高频啸叫声也是困扰设计人员的难题。

整套进气系统由进气管道和消声元件构成，其中消声元件主要包括空气滤清器腔体，四分之一波长管，赫姆霍兹谐振腔和穿孔管消声器等。可以通过仿真手段对进气系统的声学性能进行初步分析，并根据需要对消声能力较弱的频率段添加相应的消声元件来提高整套系统的消声能力。

1 管道声学及消声器原理

1.1 管道声学评价方法

评价进气系统声学性能的方法主要有：传递损失、插入损失、声压级差和声压级[2]。其中，传递损失是评价消声元件消声效果最简单有效的方法，它反应的是消声器本体的声学特性，因此通常用传递损失来初步评估系统的声学性能，测量方法如图1所示。

图1 传递损失测量方法

传递损失表明声音经过消声原件后声音能量的衰减，即入射声功率级和透射声功率级的差值，数值越大，消声效果越好。

1.2 扩张消声器

进气系统中，空气滤清器腔体相当于一个扩张消声器，可以消除宽频带噪声，结构特征如图2所示。

图2 扩张消声器

扩张消声器的传递损失计算公式为：

其中，=2/S1为管道与扩张腔的扩张比。

从公式2-2可知，增加扩张消声器的截面积S2和长度L，或者减小管道截面积S1都可以增加其传递损失，但减小管道截面积会造成管道内气流速度变快，导致进气系统压降增大，从而减少发动机的进气量。

1.3 赫姆霍兹消声器

赫姆霍兹消声器是旁支消声器的一种，主要用于消除进气噪声中频率为0到800Hz的噪声，广泛应用于发动机进排气系统中，它由一个消声腔和一段连接消声腔跟进气管的短管组成，如图3所示。

图3 赫姆霍兹消声器

赫姆霍兹消声器的传递损失计算公式为：

消声频率计算公式为：

从公式2-3和2-4可知，赫姆霍兹消声器消声频率和传递损失与消声腔容积、连接管长度、连接管和进气管的截面积有关；与消声腔的形状和管道的形状无关。

1.4 四分之一波长管

四分之一波长管也是旁支消声器的一种，主要用于消去进气噪声中的高频成分，结构如图4所示。

图4 四分之一波长管

四分之一波长管传递损失计算公式：

调节频率为：

从公式2-5和2-6可知，如果四分之一波长管和主管道的截面积比值越大，传递损失的幅值越大，但截面积之比不影响其共振频率，共振频率仅取决于四分之一波长管的长度。

1.5 穿孔管消声器

穿孔管消声器广泛用于排气系统，用于消除1000到3000Hz的中高频噪声，其结构如图5。随着涡轮增压发动机的普及，进气系统噪声的最高频率也由自然吸气发动机的1000Hz提高到5000Hz，甚至更高。因此，穿孔管消声器也开始运用于进气系统设计[3]。

图5 穿孔管消声器

穿孔管消声器是一种宽频消声器，它的消声频率与孔径、孔数、管壁厚度和消声腔容积有关，消声原理和赫姆霍兹消声器类似，峰值频率计算公式为：

式中，n为孔数，S为单个孔面积，V为消声腔容积，h为管壁厚度。

一般在进行涡轮增压发动机进气系统设计时，需要布置若干个穿孔管消声器，来满足全频带的消声要求，如图6所示。

图6 多功能消声器

2 进气系统声学性能分析

2.1 模型描述

现以某涡轮增压发动机车型的进气系统为研究对象，对其进行声学仿真分析，并在此基础上设计消声元件来提高其声学性能。提取该进气系统流体域模型，如图7。

图7 进气系统流体域模型

该模型由1个空气滤清器腔体和2段进气管道组成，而对于涡轮增压发动机来说，单一消声元件的消声效果非常有限。接下来将对该模型0到4000Hz频率范围内的传递损失进行预估，以此来评价其声学性能。

2.2 声学性能预测

将流体域模型导入ICEM软件进行网格划分，如图8，再将网格导入专业声学软件Virtual. Lab进行计算[4]。

图8 进气系统网格

在计算前检测所有网格最大计算频率为5600Hz，满足4000Hz的计算要求，如图9所示。

图9 最大计算频率检测

计算采用管道声模态模型，出口采用AML边界，传递损失计算结果如图10所示。

图10 传递损失计算结果

可见，该进气系统传递损失最大值30.5dB出现在900Hz频率处（图11），2700Hz之前平均传递损失约为12dB左右，1100Hz处传递损失接近0（图12）；2700Hz之后平均传递损失只有5dB左右。因此，可判定该进气系统声学性能并不理想。

图11 900HZ声压级分布云图

图12 1100Hz声压级分布云图

2.3 消声元件选择

根据以上分析结果，可以按照频率段来给进气系统设计相应的消声元件。在0到800Hz频率区间设置2个赫姆霍兹消声器；在800Hz到1500Hz频率区间设置1个四分之一波长管；在1500Hz到3000Hz频率区间设置一个多功能宽频消声器；3000Hz到4000Hz频率区间设置4个高频四分之一波长管，如图13所示。

图13 消声元件布置图

其中，多功能宽频消声器由3个扩张腔，2个穿孔管消声器和若干插入管组成，内部结构如图14，传递损失计算结果如图15。

图14 多功能宽频消声器内部结构

图15 传递损失计算结果

可见，多功能宽频消声器在1500Hz到3000Hz频率段能起到很好的消声效果，传递损失最大值64.7dB出现在1850Hz处，如图16所示。

图16 1850Hz声压级分布云图

2.4 结果对比优化

把带消声元件的进气系统模型导入ICEM软件进行网格划分，再将网格导入Virtual. Lab软件进行计算，将计算结果与不带消声元件模型计算结果进行对比，如图17所示。

图17 传递损失对比

从图可知，安装消声器后，整套进气系统传递损失大幅提高，声学性能得到明显改善。赫姆霍兹消声器分别贡献了400Hz（图18）和650Hz（图19）处的两个峰值；四分之一波长管提升了进气系统在1900Hz附近传递损失（图20）；多功能消声器在2000Hz到3000Hz间的作用非常大。但3000Hz之后，传递损失提升并不明显，初步判断是4个高频四分之一波长管没有起到作用，接着对这4个高频四分之一波长管的长度进行微调，传递损失计算结果如图21。

从图21可以看出，微调高频四分之一波长管对3500Hz之前的传递损失没有太大影响，在3550Hz和3650Hz处新增2个峰值，同时，3700Hz和3800Hz的峰值消失。因此可判定高频四分之一波长在3500Hz到4000Hz频率段能产生效果，传递损失幅值和消声带宽较小，也可以通过增加四分之一波长管截面积来提高传递损失幅值，但进气损失会增加。

图18 400Hz声压级分布

图19 650Hz声压级分布

图20 1900Hz声压级

图21 计算结果对比

3 小结

本文以某增压发动机进气系统为研究对象，通过Virtual. Lab软件分析得出，原进气系统声学性能不理想。之后根据消声元件的声学特性，为原进气系统设计相应的消声元件，结果表明，增加消声元件后，进气系统的消声能力得到大幅提高。运用Virtual. lab软件，可以快速的得出进气系统的声学性能，大大减少设计周期和试验成本。

[1] 庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与振动:理论与应用[M].北京:北京理工大学出版社, 2013,200-201.

[2] 石岩,张剑平,刘鹏. 汽车进气系统噪声仿真分析及优化[J].噪声与振动控制,2014,(3).

[3] 祝何林,刘正士.穿孔管消声器的数值分析[J].噪声与振动控制, 2008, (3):116-118.

[4] 毕嵘.汽车进排气消声器性能的数值仿真研究[D].合肥工业大学, 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，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.054