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發(fā)動(dòng)機(jī)排氣聲品質(zhì)特征控制研究

2021-12-17 20:53:35·  來源：汽車NVH云講堂  
　
摘要：排氣噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)及整車的主要噪聲源，其聲音品質(zhì)對(duì)整車NVH性能有重要影響。研究成果認(rèn)為階次噪聲是影響排氣聲品質(zhì)特點(diǎn)的重要因素。本文根據(jù)管道聲學(xué)理論
摘要：排氣噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)及整車的主要噪聲源，其聲音品質(zhì)對(duì)整車NVH性能有重要影響。研究成果認(rèn)為階次噪聲是影響排氣聲品質(zhì)特點(diǎn)的重要因素。本文根據(jù)管道聲學(xué)理論，以某4缸發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)排氣歧管，調(diào)教排氣主、半階噪聲，使其更富有運(yùn)動(dòng)動(dòng)感品質(zhì)。
關(guān)鍵詞: 排氣噪聲，聲品質(zhì)，排氣歧管
1 前言
通常認(rèn)為，控制發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲就是控制其聲壓級(jí)的大小，多年來，汽車工程師一直致力于設(shè)計(jì)具有良好性能的排氣消音器，并取得了良好的效果。但人們對(duì)汽車的噪聲提出了更高的要求，不僅要求汽車“安靜”，噪聲量級(jí)要小，還要求“和諧”，即關(guān)注它給人帶來的特有的聽覺感受，也就是要考慮聲音的頻率成分。聲音品質(zhì)的調(diào)節(jié)主要靠進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而其中排氣系統(tǒng)噪聲的影響更為明顯，改善其聲音品質(zhì)對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整車的NVH特性具有重要的影響。
福特公司對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)做了大量研究工作，認(rèn)為聲品質(zhì)設(shè)計(jì)主要考慮響度、發(fā)火階次、線性度以及高頻噪聲，其中發(fā)火階次對(duì)于舒適性車輛應(yīng)該處于主導(dǎo)地位，而半階階次增加有利于提高車輛運(yùn)動(dòng)感。Johnson 和 Dedene 描述了排氣噪聲組成和聲品質(zhì)的客觀尺度，認(rèn)為，購(gòu)買跑車的客戶喜歡平順有動(dòng)力感的聲音，購(gòu)買高級(jí)轎車的客戶喜歡平順安靜的聲音[1,2]。Ohsasa and Kadomatsu 采用評(píng)審團(tuán)評(píng)價(jià)的方法，得到排氣噪聲所包含的半階次噪聲的水平越高，排氣噪聲的動(dòng)力感越強(qiáng)的結(jié)論[3]。龐建博士通過對(duì)一款六缸 V 型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真分析表明，通過修改 Y 型連接管的結(jié)構(gòu)，可以改變排氣半階噪聲的組成結(jié)構(gòu)[4]。
以上研究成果表明，主、半階噪聲是影響排氣聲品質(zhì)差異的重要因素。在排氣噪聲聲壓級(jí)相差不大情況下，半階噪聲越大則排氣噪聲更為動(dòng)感有力；反之半階越小則更為柔和安靜。
本文以一款 4 缸 1.5 升自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，在原機(jī)基礎(chǔ)上對(duì)排氣噪聲進(jìn)行調(diào)教，使其噪聲更富有運(yùn)動(dòng)動(dòng)感品質(zhì)，根據(jù)前文理論，這就需要噪聲組成中含有較高聲壓水平的半階噪聲。為了能最終調(diào)制出含有較高聲壓水平半階次的排氣噪聲，需要在原始聲源中提高半階次噪聲的聲壓水平，也就是提高發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管匯集口出的半階次聲壓水平。
2 排氣噪聲調(diào)制原理
在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道中傳播的聲波，可以認(rèn)為一平面波的形式傳播[5]。聲波在管道中傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)管道頂端的時(shí)候，一部分會(huì)透過管道繼續(xù)傳播，而另一部分聲波則被反射回去，形成反射波，如圖 1 所示：

管道中任何一點(diǎn)的聲壓是入射聲壓和反射聲壓的合成?？梢杂霉奖硎荆?/span>

式中，k 和ω分別為聲波的波數(shù)和圓頻率，PA和PB分別為入射聲波和反射聲波的幅值。對(duì)于四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖 2 所示的排氣歧管，假設(shè)歧管的長(zhǎng)度不一樣，各缸排氣歧管的長(zhǎng)度分別為 l1，l2，l3，l4。各個(gè)聲波在每個(gè)歧管中傳遞到達(dá)總管的時(shí)間也不一樣。聲波在第 i 個(gè)歧管中傳播的時(shí)間為：

式中 t，li 為第 i 個(gè)歧管的長(zhǎng)度，c 為聲速。

把這段時(shí)間轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)過的角度，可以表示為：

式中，
為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的角速度；n 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。對(duì)于均勻運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)火均勻，每個(gè)汽缸之間運(yùn)轉(zhuǎn)的間隔相等。那么，相臨發(fā)火汽缸的曲軸角度差為：

式中，N 為氣缸數(shù)，Φ為發(fā)動(dòng)機(jī)工作一個(gè)循環(huán)曲軸轉(zhuǎn)過的角度，對(duì) 4 缸發(fā)動(dòng)機(jī)，Φ=4π。
假設(shè)以一缸為參考，其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為零。那么，發(fā)火順序?yàn)?j 的第 i 號(hào)氣缸對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為：（j-1）?θ。發(fā)火順序?yàn)?j 的第 i 號(hào)氣缸聲音傳遞到排氣總管口的絕對(duì)轉(zhuǎn)角為：

式中，θ為一缸對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。在排氣總管口，聲壓為各缸傳遞到此的聲壓力之和，可以表示為

上述公式對(duì)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)展開為

式中，m 為發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)火階次。 當(dāng) m=1、3、5 等非發(fā)火階次及其諧階次和半階之外的整數(shù)階時(shí)，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)各缸工作均勻，認(rèn)為PAi=PA，PBi=PB，式子可以表示為：

當(dāng) m=2、4、6 等發(fā)火階次及其諧階次時(shí)，式子可以表示為

當(dāng) m=0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5 等代表半階值時(shí)，式子可以表示為：

因此對(duì)于四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，上述推導(dǎo)可以得到以下結(jié)論：1)對(duì)于半階噪聲，在同一工況下只受間隔發(fā)火缸這兩缸的歧管長(zhǎng)度影響。即受 1、4 號(hào)歧管長(zhǎng)度相互變化關(guān)系和 2、3 號(hào)歧管長(zhǎng)度相互變化關(guān)系的影響。特別的，如果采用l1=l2=l3=l4的等長(zhǎng)歧管結(jié)構(gòu)，半階噪聲理論上消除為零；如果采用l1=l4≠l2=l3 的對(duì)稱等長(zhǎng)結(jié)構(gòu)形式，半階噪聲理論上也消除為零。
2)對(duì)于除主階及諧階外的整階噪聲，在同一工況下，只受相鄰發(fā)火兩缸歧管長(zhǎng)度相互關(guān)系影響。特別的，如果采用l1=l2=l3=l4的等長(zhǎng)歧管結(jié)構(gòu)，整階噪聲理論上消除為零。
3)對(duì)于主階及其諧階噪聲，等于四個(gè)缸的噪聲疊加和，不能消除。3 排氣歧管仿真模型搭建與驗(yàn)證 圖 3 為研究對(duì)象的原機(jī)排氣歧管三維，其排氣歧管設(shè)計(jì)參數(shù)如表 1，其四根排氣歧管長(zhǎng)度相等，為等長(zhǎng)方案排氣歧管。

使用所獲得的控制參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及測(cè)試數(shù)據(jù)，使用仿真軟件 GT-Power 建立發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與聲學(xué)仿真模型，校準(zhǔn)模型。

圖 4 列出了原機(jī)的實(shí)驗(yàn)扭矩與仿真扭矩，通過比較，兩種最大偏差不超過 4N.m，偏差低于 5%；圖 5、6 分別列出了主階及半階中占比大的 4.5、5.5、6.5 階實(shí)驗(yàn)及仿真噪聲，實(shí)驗(yàn)與仿真最大偏差不超過 5dB。由此，可以保證仿真模型的精度，建立的仿真模型具有較高的可信度。
4 排氣歧管優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的布置空間，做預(yù)設(shè)計(jì)。由于空間的限制，排氣歧管長(zhǎng)度，最大為 260mm，最小為170mm。由于半階噪聲受間隔發(fā)火兩缸對(duì)應(yīng)的歧管長(zhǎng)度相互變化關(guān)系的影響。據(jù)此設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化方案。首先，將 1、4 號(hào)歧管的長(zhǎng)度設(shè)置為定值，改變 2、3 號(hào)歧管的長(zhǎng)度差，仿真方案如表2.

圖 7、8、9 列出了四個(gè)方案及原機(jī)的主要半階噪聲仿真結(jié)果，由仿真可以看到，采用不等長(zhǎng)方案后，能大幅度提高半階噪聲，并且，隨著歧管長(zhǎng)度差的增大，半階噪聲有增大的趨勢(shì)。


由前面的仿真可知，方案四是上面四個(gè)方案中，最能提高半階噪聲的方案。據(jù)此，固定 2、3 號(hào)歧管的管長(zhǎng)不變，改變 1、4 號(hào)歧管管的管長(zhǎng)差，仿真方案如表3.

圖 10、11、12 列出了四個(gè)新方案與上一輪仿真最優(yōu)方案及原機(jī)的主要半階噪聲仿真結(jié)果，由仿真可以看到，隨著歧管長(zhǎng)度差值的增加，半階噪聲增加，也就是，歧管越不等長(zhǎng)，半階噪聲越大。



但由于空間布置的限制，無法設(shè)計(jì)出最優(yōu)的歧管方案。因此根據(jù)歧管越不等長(zhǎng)，半階噪聲越的仿真結(jié)論，盡量使歧管長(zhǎng)度不等。最后設(shè)計(jì)出圖 13 所示的不等長(zhǎng)歧管方案，表 4 給出了最終設(shè)計(jì)的不等長(zhǎng)方案各歧管長(zhǎng)度。


圖 14、15、16 對(duì)比了最終使用方案與上一輪五個(gè)方案及原機(jī)方案的 4.5、5.5、6.5 階噪聲。由仿真可知，最終采用的不等長(zhǎng)方案，雖然不是最優(yōu)的，但也具有較好效果。

由圖 17 可知，半階噪聲有較大的提高，聲壓級(jí)接近主階噪聲，說明最終優(yōu)化設(shè)計(jì)方案有較理想效果。

5 排氣歧管聲學(xué)及性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
圖 18 為不等長(zhǎng)優(yōu)化方案的排氣歧管，將它替換原機(jī)等長(zhǎng)排氣歧管，進(jìn)行性能和噪聲測(cè)試。經(jīng)驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)功率扭矩基本不變，最大變化不超過 0.2%，說明優(yōu)化方案改動(dòng)不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。

圖 19、20 給出了原機(jī)方案與優(yōu)化方案的主、階噪聲實(shí)驗(yàn)對(duì)比。優(yōu)化方案的半階噪聲與主階噪聲更相近，滿足有動(dòng)力感的要求。

由圖 21、22 可知，相比原機(jī)，不等長(zhǎng)優(yōu)化方案的主階噪聲變化很小，但半階噪聲明顯提高。

此可以認(rèn)為，歧管結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)主階噪聲影響較小，但會(huì)影響改變半階噪聲大小，從而改變排氣噪聲的品質(zhì)特點(diǎn)。
6 結(jié)論
通過以上仿真研究與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：1)適當(dāng)改變排氣歧管管長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能，以及發(fā)火階次及其諧階次噪聲的聲壓水平，影響不大。2)與傳統(tǒng)的等長(zhǎng)排氣歧管方案相比，增加歧管管長(zhǎng)差的不等長(zhǎng)方案能提高半階噪聲的聲壓水平，從而提高了排氣噪聲的動(dòng)力感；3)理論分析顯示，完全等長(zhǎng)的排氣歧管方案不應(yīng)該存在非主整階和半階噪聲，對(duì)稱等長(zhǎng)排氣歧管方案不應(yīng)該存在半階噪聲，但是，在實(shí)際的系統(tǒng)中，由于有流體噪聲等因素的影響，整階和半階噪聲還是存在的[6]。
作者：崔國(guó)旭1，邱森21
作者單位：中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，2吉林大學(xué)
來源：2017汽車NVH控制技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集
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