发动机进气系统声学性能优化设计技术研究

岳贵平卢炳武刘英杰刘杨

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

发动机进气系统声学性能优化设计技术研究

岳贵平卢炳武刘英杰刘杨

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

利用GT-Power软件对发动机进气系统概念设计方案进行声学预测，并结合整车噪声试验对其进行声学评估；以管道声学理论为指导，搭建赫姆霍兹消声器和1/4波长管的参数化设计模型，利用GT-Power软件分别完成声学性能直接优化设计和基于灵敏度的声学性能优化设计，确定赫姆霍兹消声器和1/4波长管的结构敏感参数，为发动机进气系统声学性能优化提供了定量依据。整车噪声试验结果表明，优化后该发动机进气噪声下降明显。

1 前言

发动机进气系统噪声是车辆最主要的噪声源之一，对车内噪声影响显著。目前，在发动机进气系统声学性能设计领域，国内大多数汽车厂家还处于经验设计阶段，周期长，成本高。本文基于GT-Power软件，充分发挥计算机模拟仿真技术的优势，对发动机进气系统声学性能进行优化设计；以赫姆霍兹消声器和1/4波长管的声学理论为基础，分别进行发动机进气系统声学性能直接优化设计和基于灵敏度的发动机进气系统声学性能优化设计。

2 进气系统噪声产生机理

发动机进气系统噪声是由进气阀周期性开闭而产生的压力波动所形成的。当进气阀开启时，活塞由上止点下行吸气，邻近活塞的气体分子以同样的速度运动，以致在进气系统内产生压力脉冲，从而形成脉冲噪声；同时进气过程中的高速气流流过进气阀流通截面时，会形成涡流噪声；另外，如果进气系统中空气柱的固有频率与周期性进气噪声的主要频率一致时，会产生空气柱共鸣，使得进气管中的噪声更加突出。当进气阀关闭时，也会引起发动机进气管道中空气压力和速度的波动，该波动由气门处以压缩波和稀疏波的形式沿管道向远方传播[1]。

3 进气系统声学性能评估

发动机进气系统噪声复杂，管口噪声是其主要部分，管口噪声与发动机性能和进气系统声学设计密切相关[2～4]。

3.1 进气系统声学性能模拟

3.1.1 建立发动机GT-Power模型

GT-Power软件是以一维的流体计算为基础，采用有限容积法对热流体进行模拟仿真的软件。该软件系统提供一个与其它GT-Suite系列产品（GTFuel、GT-Cool、GT-Drive等）共用的前处理建模环境GT-ISE，建立发动机模型时只需将相应的模板拷贝到GT-Suite中形成对象，并给对象的属性赋值，再将该对象连接起来进行有机集成，形成一个与实际发动机输入与输出相关的发动机仿真程序。除了对热流体进行计算外，它还能充分考虑发动机曲轴、连杆、飞轮及整车等机械部件对发动机性能的影响。该发动机的技术规格如表1所列。

表1 汽油机的技术规格

3.1.2 建立进气系统声学模型

根据滤清器的过滤性能和声学性能，考虑整车预留空间，设计滤清器的结构如图1所示。利用GEM3D软件，搭建包括滤清器在内的进气系统声学模型，如图2所示。用该进气系统声学模型代替发动机GT-Power模型中的进气系统简易模型，从而组装成为能够进行进气系统管口噪声模拟分析的声学模型。

3.1.3 声学计算边界条件

参照汽油机台架试验工况，确定进气系统声学计算的边界条件如下：

a.声学边界：半消声环境。

b.外部环境：温度为25°C；大气压为97.4kPa。

c.场点位置：与进气系统管口处于同一水平面，距地面的高度为1 000 mm，距管口的距离为100 mm，与进气系统管道的轴向成45°角。

3.1.4 计算结果及分析

利用GT-Power软件，完成发动机进气系统管口噪声的模拟仿真。图3为发动机进气系统管口噪声与目标噪声的比较图，可以看出，在1200～6000 r/min转速范围内，进气系统的管口噪声基本都在目标线以下，因此该发动机进气系统设计方案切实可行。

3.2 整车车内噪声试验

3.2.1 噪声试验工况及方法

试制该发动机进气系统样品，并将该样品安装在整车上。整车车内噪声试验在整车半消声室内进行，车辆置于底盘测功机上，变速器置于3挡，发动机稳定在最低转速后，突然油门全开，全负荷加速行驶直至发动机转速升高至6 000 r/min。记录各个通道噪声信号和发动机转速信号，然后对所测量的信号进行对应转速的总声压级分析。试验分析仪器为Head Acoustics公司的测量分析系统和B&K公司的麦克风。麦克风布置在驾驶员左耳位置。

3.2.2 试验结果及分析

整车车内噪声如图4所示。通过整车噪声试验发现，在1 600 r/min的转速工况时车内噪声没有达到目标样车水平，该噪声主要来源于进气系统的阶次噪声，与图3所示结果一致，该工况下进气系统管口噪声的4阶成分占主导。同时发现在6 000 r/min的转速工况时车内噪声也需要改善，并且该工况下令人烦躁的噪声主要来源于进气系统的阶次噪声，分析图3可知，发动机转速在6000r/min附近进气系统管口噪声阶次成分出现峰值，此处2阶成分占主导。

4 发动机进气系统优化设计

4.1 赫姆霍兹消声器优化设计

4.1.1 赫姆霍兹消声器参数化设计

赫姆霍兹消声器是一种历史悠久的消声器，属于旁支消声器，通常它是由一个消声容器和一根短管道组成，短管道与进气系统的主管道连接，如图5所示。赫姆霍兹消声器的传递损失TL为：

式中，Sc为连接管的截面积；Sm为主管道的横截面积；V为消声容器的容积；lc为连接管的长度；fr为共振频率；f为频率。

根据阶次噪声频率和发动机转速的关系，图3的1 600 r/min 4阶峰值噪声对应的频率为106.7Hz。如果赫姆霍兹消声器的共振频率fr能接近4阶峰值噪声对应的频率，就能很好地消除4阶峰值噪声。根据式（1）可知，赫姆霍兹消声器的几何变量有4个，即V、Sc、Sm、lc。为了保证发动机的进气量，主管道的横截面积Sm为确定值；消声容器假设为球型，则容积其中D为球型容器的直径；连接短管的横截面假设为圆形，其面积其中d为圆形截面的直径。

4.1.2 赫姆霍兹消声器DOE分析

修改图2所示的进气系统声学模型，针对106.7Hz的进气系统峰值噪声，在连接滤清器和发动机的主管道上增加一个赫姆霍兹消声器，并把球型消声容器的直径D、连接短管的直径d和连接短管的长度lc作为设计变量，得赫姆霍兹消声器的3因素5水平试验设计见表2。

表2 赫姆霍兹消声器3因素5水平试验设计mm

利用GT-Power软件，经过125次计算求解，得到进气系统管口噪声4阶成分对应赫姆霍兹消声器3因素的噪声值，经过3次多项式拟合，可获得4阶噪声LPA-4的响应面表达式为：

4.1.3 赫姆霍兹消声器优化设计

根据试验设计结果，取设计变量为XT=[x1，x2，x3] =[d，D，lc]，建立目标函数为进气系统管口噪声4阶成分噪声值最小：

建立约束条件：

应用如式（2）所示的4阶噪声响应面近似模型进行单目标优化。赫姆霍兹消声器的优化结果为d= 15 mm，D=119.2 mm，lc=49.84 mm，其中D=119.2 mm所对应的消声容器的容积V=886 803.5 mm3。

4.2 1/4波长管优化设计

4.2.11 /4波长管参数化设计

1/4波长管是一个安装在主管道上的封闭管，为了便于安装，1/4波长管采用折叠式结构，如图6所示。

式中，SS为1/4波长管横截面的面积；L为1/4波长管的长度；λ为声波波长。

根据整车车内噪声主观评价结果，图3的6 000 r/min 2阶峰值噪声对应的频率为200 Hz，为此确定在连接赫姆霍兹消声器和发动机的主管道上增加一个1/4波长管。根据式（5）可知，影响1/4波长管传递损失的设计参数有3个，分别为Sm、SS和L。为了保证发动机的进气量，进气系统主管道横截面的面积Sm为确定值；1/4波长管横截面的面积SS=1/4πd22，其中d2为1/4波长管的直径。

1/4波长管的传递损失TL′为：

4.2.21 /4波长管DOE分析

修改进气系统声学模型，在连接赫姆霍兹消声器和发动机主管道上增加一个1/4波长管。针对转速为6 000 r/min的工况，把1/4波长管的直径d2和长度L作为设计变量，进行进气系统管口噪声模拟仿真，1/4波长管的2因素6水平试验设计见表3。

表3 1/4波长管2因素6水平试验设计mm

利用GT-Power软件经过36次计算求解，得到进气系统管口噪声2阶成分对应1/4波长管2因素的噪声值，结果如图7所示。对计算结果进行3次多项式拟合，可获得2阶噪声值LPA-2的响应面表达式如下：

4.2.3 1/4波长管优化设计

1/4波长管灵敏度是发动机进气系统2阶噪声值LPA-2相对于设计变量的比值，可以表示为：

式中，设计变量矩阵XT=[d2，L];C为修正常数。

将式（6）代入式（7）可得1/4波长管灵敏度，其结果为三维曲面，如图8所示。

由图8可知，1/4波长管灵敏度为0时，1/4波长管的长度L≈433.3 mm，而直径d2可取允许范围内的任何值，即长度L为声学性能的敏感变量；当噪声灵敏度为负值时，2阶噪声值随长度L的减小而增大，当噪声灵敏度为正值时，2阶噪声值随长度L的增大而增大，即噪声灵敏度为0时对应的2阶噪声值最小。当1/4波长管的长度L=433.3 mm，其中心频率约等于198 Hz，与转速为6000 r/min工况的2阶噪声对应频率很接近，此时1/4波长管的消声量最大。

虽然1/4波长管的直径d2不影响噪声灵敏度，但影响2阶噪声值，如图7所示，2阶噪声值随其直径的增大而减小，即在允许范围内直径越大越好，本节中直径d2的最大允许值为18 mm。

4.3 优化后整车车内噪声试验

试制赫姆霍兹消声器和1/4波长管，并集成安装在整车的进气系统中，再次进行整车噪声试验，结果如图9所示。由图9可知，在转速为1 600 r/min工况下优化方案的进气系统管口噪声下降明显，达到目标样车水平；虽然在转速为6 000 r/min的工况下优化方案的进气系统管口噪声下降不明显，但令人烦躁的感觉也不明显了；在转速为3 200 r/min工况下优化方案的进气系统管口噪声也下降明显，此现象是由该处的阶次频率与赫姆霍兹消声器和1/4波长管中心频率接近而造成的。

5 结束语

利用GT-Power软件对发动机进气系统概念设计方案进行声学预测，并结合整车噪声试验对其进行声学评估；以管道声学理论为指导，搭建赫姆霍兹消声器和1/4波长管的参数化设计模型，利用GTPower软件分别完成发动机进气系统声学性能直接优化设计和基于灵敏度的发动机进气系统声学性能优化设计，确定赫姆霍兹消声器和1/4波长管的结构敏感参数，为发动机进气系统声学性能优化提供定量依据，并最终通过整车噪声试验的检验。

1庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动.北京:北京理工大学出版社，2006，150～262.

2贾维新，郝志勇.空滤器声学性能预测及低频噪声控制的研究.内燃机工程，2006（5），67～70.

3Stephen Massey，Paul S.Modelly Exhaust Systems Using One-Dimensional Methods.SAE 2002-01-0005.

4Benzhu Liu，Masahiro Maeno.A Study of a Dual Mode Muffler.SAE 2003-01-1647.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2013年4月1日。

The Research on Optimization Design Technology on Acoustic Performance of Engine Intake Systems

Yue Guiping，Lu Bingwu，Liu Yingjie，Liu Yang
（China FAW Co.，Ltd R&D Center）

We use GT-Power software to make acoustic forecast of conceptual design scheme of engine intake system and make acoustic evaluation through vehicle noise test.Based on conduit acoustic theory，we construct the parameterized design model of Helmholtz muffler and 1/4 wave tube，and complete optimization design of acoustic performance of engine intake system and acoustic optimization design based on sensitivity with GT-Power software，and define some sensitive structural parameters of Helmholtz muffler and 1/4 wave tube，which provide foundation for quantification of intake system acoustic optimization.The results of vehicle noise test indicate that the optimized engine induction noise reduces dramatically.

Engine，Intake system，Acoustic performance，Optimization design

发动机进气系统声学性能优化设计

U464.134+.4

：A文献标识码：1000-3703（2014）02-0001-04