轻型商用车发动机进气噪声分析及优化

魏涛，肖鹏，赵之升，王毅，曾小春

(江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330052)

0 前言

车内噪声是评价汽车驾乘舒适性的重要性能指标[1-2]。进气系统管口噪声(以下简称“进气噪声”)作为汽车动力系统的重要噪声源，带来的噪声-振动-声振粗糙度(NVH)问题越来越多样化，在车辆开发过程中备受关注[3-6]。尤其是进气系统安装在驾驶室背面，进气口距离副驾驶位置较近，进气噪声极易传递到车内。因此，有必要在开发阶段对进气噪声进行控制，提升用户的驾乘舒适性。

目前，进气噪声的优化途径主要有增加消声器、加长进气管路及使用降噪材料等，其中消声器有主动式消声器、半主动式消声器和被动式消声器。被动式消声器在进气噪声优化过程中被广泛应用[7],如扩张腔、赫姆霍兹消声器、1/4波长管等。

本文使用GT-POWER软件对一款轻卡增压发动机进气系统进行管道声学分析，预测进气噪声水平，评估并识别进气系统NVH风险，必要时对其进行优化设计，使进气噪声满足进气系统NVH目标要求。

1 进气噪声目标设定

依据竞品车型及基础车型的进气噪声水平，制定该轻卡增压发动机的进气噪声目标，正对进气口10 cm位置的总进气噪声目标如表1所示。

表1 总进气噪声设计要求

2 进气噪声分析模型

进气系统的开发需要根据整车布置边界进行初步方案设计(以下简称“原方案”)，同时需要考虑增加降噪元件的可行性，预留足够的空间。一般情况下，需要预留能布置1.5 L消声器的位置。图1为该方案的进气系统结构，主要包括进气管、波纹连接管、空气滤清器、进气干净管、中冷器等。

图1 原方案进气系统结构示意图

进气噪声主要为中低频噪声，由于GT-POWER软件在1 000 Hz以下的声学计算误差较小，所以采用该软件来计算进气系统的中低频噪声。

将进气系统结构按实际的尺寸和特性参数离散为分析所需的一维分析单元，结合发动机热力学模型，建立进气噪声分析模型，包括进排气的大气边界、进气系统管路、涡轮增压器、水冷中冷器及发动机性能相关的零部件等。模型边界温度和压力参照试验数据输入，热力学分析的性能数据需要与发动机台架试验数据进行对标，以提升计算模型的准确度，确保计算分析能够与真实的进气噪声水平相吻合。

3 计算分析

计算完成后提取总进气噪声声压级及各阶次噪声声压级，结果如图2所示。由图2可以看出：总进气噪声声压级在转速为1 500 r/min和2 500 r/min时出现噪声峰值，在2 750 r/min之前超过了初始定义的噪声目标值，其中4阶噪声在转速2 250～3 500 r/min时影响较大，且与总噪声声压级曲线比较接近，存在4阶噪声轰鸣风险。通过计算，4阶噪声在转速2 250～3 500 r/min时对应的频率为150～233 Hz。

图2 进气噪声分析结果

图3为进气噪声的频谱图。由图3可以看出：进气噪声在200 Hz和700 Hz附近存在共振带，其中200 Hz附近的共振能量较大，对各转速的进气噪声有影响，该共振带也是导致在转速2 250～3 500 r/min时4阶噪声较大的主要原因。因此，需要对进气系统进行优化，降低200 Hz附近的频率共振对整体噪声的影响。

4 优化方案

对进气系统进行传递损失分析，原方案进气系统传递损失曲线如图4所示。由图4可以看出：在170 Hz附近传递损失曲线存在波谷，与200 Hz附近共振带分析结果吻合。针对170 Hz附近传递损失低的问题，为了提升进气系统在该频率段的传递损失，降低该频率段对整体噪声的影响，计划增加1个赫姆霍玆消声器(以下简称“方案1”)。方案1进气系统传递损失曲线如图5所示。

图4 原方案进气系统传递损失

将新设计赫姆霍玆消声器加入分析模型进行优化方案分析验证，并对比方案1与原方案的进气噪声，结果如图6所示。由图6可以看出：方案1对总进气噪声声压级有明显优化效果，降低了转速1 000～3 250 r/min时的整体噪声，尤其是转速2 500 r/min时总进气噪声声压级降低了近10 dB，使总进气噪声声压级满足NVH设计要求。

图6 方案1与原方案的进气噪声分析对比

由图6可以看出：4阶噪声在转速3 250 r/min时仍然存在峰值，且与总噪声声压级接近。这说明增加170 Hz的谐振腔无法降低4阶噪声轰鸣风险，因此需要另外增加1个中心频率为233 Hz的谐振腔，以降低3 250 r/min的4阶噪声峰值(以下简称“方案2”)。方案2进气系统传递损失曲线如图7所示。

图7 方案2进气系统传递损失

对比方案2、方案1与原方案的进气噪声，结果如图8所示。由图8可以看出：方案2的4阶噪声在转速3 250 r/min时的噪声峰值有所降低，与该转速的总进气噪声声压级相差约5 dB，优化效果明显，降低了进气轰鸣风险；方案2对总进气噪声声压级也有明显的优化效果，与原方案相比，在转速3 250 r/min之前总进气噪声声压级下降了近10 dB，完全符合进气系统的NVH设计要求。

图8 3种方案的进气噪声分析对比

5 结论

针对进气噪声控制问题，在项目开发前期对进气噪声进行分析，提前识别进气噪声风险，对轻卡增压发动机进气噪声超标问题提出了优化方案，改善了进气噪声水平，得到以下结论：

(1)对轻型商用车发动机进气系统进行了管口噪声分析，计算获得了初步设计方案的进气噪声水平，对分析结果进行评估发现，总噪声声压级超标且具有4阶噪声轰鸣的风险。

(2)针对进气噪声超标问题，提出了增加赫姆霍玆消声器的优化改进方案，通过计算分析显示，改进方案优化效果显著，有效降低总进气噪声及4阶噪声轰鸣风险，使其满足进气系统NVH设计要求，达到项目开发预期。