黃波， 陶麗芳

(奇瑞汽車股份有限公司， 安徽 蕪湖 241009)

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發(fā)動(dòng)機(jī)油軌脈動(dòng)噪聲的仿真與試驗(yàn)研究

黃波， 陶麗芳

(奇瑞汽車股份有限公司， 安徽 蕪湖 241009)

針對(duì)某乘用車開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的怠速低頻噪聲進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)噪聲源為汽油機(jī)噴油器反復(fù)開(kāi)啟產(chǎn)生的燃油壓力脈動(dòng)。應(yīng)用商業(yè)流體軟件對(duì)噴油器關(guān)閉瞬間燃油在油軌內(nèi)的傳播過(guò)程進(jìn)行三維仿真，得到油軌內(nèi)的油壓變化規(guī)律。并在原機(jī)模型的基礎(chǔ)上分析了油軌尺寸和橫截面積的變化對(duì)油壓的影響。分析表明：油軌橫截面面積加大對(duì)油壓脈動(dòng)有一定的降低作用；相同橫截面積條件下，長(zhǎng)寬比越大，抑制油壓脈動(dòng)的效果越好。優(yōu)化方案的噪聲測(cè)試結(jié)果表明，方軌比圓軌的噪聲小，但圓軌帶內(nèi)置緩沖器，效果最佳，可降低車內(nèi)噪聲3.2 dB。

燃油壓力脈動(dòng)； 仿真； 緩沖器； 噪聲

發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)噪聲是汽車的主要噪聲源[1-3]，各大汽車制造商投入較大人力物力去減振降噪。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，噪聲分析的理論和經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)比較成熟，相應(yīng)地車內(nèi)振動(dòng)與噪聲也大幅降低。隨著主要振動(dòng)噪聲源得到控制，整車背景噪聲不斷降低，原來(lái)不被關(guān)注的噪聲源凸顯出來(lái)，燃油系統(tǒng)噪聲已經(jīng)成為整車的噪聲源之一[4-6]，尤其在整車怠速工況，燃油振動(dòng)噪聲已成為影響乘用車噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度(NVH)指標(biāo)的重要因素之一。

國(guó)外學(xué)者通過(guò)仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的正向開(kāi)發(fā)的方式來(lái)優(yōu)化汽車燃油壓力脈動(dòng)噪聲，從而有效地解決了燃油壓力脈動(dòng)噪聲問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變?nèi)加凸苈返牟牧?、?nèi)徑、壁厚[7-8]，在油軌外側(cè)油管接頭上集成彈簧式燃油壓力脈動(dòng)緩沖器[9]，在管路上增加隔離管夾[10]等方式可以抑制燃油壓力脈動(dòng)，優(yōu)化燃油壓力脈動(dòng)噪聲。而國(guó)內(nèi)對(duì)燃油壓力脈動(dòng)噪聲的研究仍然處于起步階段，相關(guān)文獻(xiàn)資料較少。但在液壓脈動(dòng)[11-12]、管道水錘效應(yīng)分析[13-15]、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣系統(tǒng)噪聲優(yōu)化[16-17]等方面有一些文獻(xiàn)資料，對(duì)燃油壓力脈動(dòng)噪聲的研究有一定參考價(jià)值。

1 燃油壓力脈動(dòng)噪聲理論

燃油在噴油器關(guān)閉瞬間流動(dòng)受阻，由于慣性作用，燃油在受阻端的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，也就是壓力能，壓力能在管道內(nèi)開(kāi)始傳播，形成了壓力沖擊波。壓力波傳播過(guò)程中，勢(shì)能又轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，在燃油與燃油管路的管壁摩擦與變形作用下，動(dòng)能逐漸衰減，直至為0。但噴油器周期性的開(kāi)關(guān)一直連續(xù)進(jìn)行，舊的勢(shì)能沒(méi)衰減完又產(chǎn)生了新的勢(shì)能，如此反復(fù)，便在燃油系統(tǒng)內(nèi)形成了周期性的壓力脈動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生燃油壓力脈動(dòng)噪聲。其數(shù)學(xué)模型[18]為

(1)

式中：Δp為液體壓力；u為燃油流動(dòng)流速；ρ為燃油密度；Kf為燃油體積模量；Kw為油軌壁面體積模量。由于流體的體積模量變化較小，減小壁面的體積模量是抑制燃油壓力脈動(dòng)的主要方向。

燃油系統(tǒng)中的油軌和油管內(nèi)出現(xiàn)連續(xù)周期性的壓力脈動(dòng)，由該壓力脈動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生的噪聲通過(guò)空氣和結(jié)構(gòu)兩條途徑傳遞至駕駛室，影響車內(nèi)聲學(xué)環(huán)境。油軌、油管都屬于薄壁零部件，壁面容易被油壓脈動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生空氣輻射噪聲。由于壁面的振動(dòng)頻率較高，因此空氣輻射噪聲通常為高頻噪聲。壓力脈動(dòng)載荷通過(guò)油管設(shè)置在車身的安裝點(diǎn)(管夾、管夾支架與車身連接點(diǎn))激勵(lì)車身鈑金振動(dòng)，由車身鈑金振動(dòng)激勵(lì)所產(chǎn)生的噪聲輻射直接傳遞至駕駛室，該噪聲即結(jié)構(gòu)傳遞噪聲。對(duì)于車內(nèi)的燃油脈動(dòng)噪聲，由于整車的密封性對(duì)高頻的隔聲效果較好，因此結(jié)構(gòu)傳遞路徑是車內(nèi)中低頻燃油脈動(dòng)噪聲的重要傳遞路徑。

{P(s)}=[H(s)]{F(s)}。

(2)

式(2)為結(jié)構(gòu)噪聲傳遞函數(shù)的表達(dá)式[19]，式中：P(s)為車內(nèi)噪聲；H(s)為結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)；F(s)為導(dǎo)致車內(nèi)噪聲的激勵(lì)力。

當(dāng)管路內(nèi)壓力傳播振蕩的頻率與噴油器工作的頻率一致時(shí)，就產(chǎn)生了壓力脈動(dòng)諧振。根據(jù)傳遞函數(shù)的定義，燃油脈動(dòng)產(chǎn)生的激勵(lì)力在經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)傳遞路徑后可能會(huì)進(jìn)一步放大，從而產(chǎn)生突出的燃油脈動(dòng)噪聲。本研究把燃油壓力脈動(dòng)作為激勵(lì)源，默認(rèn)傳遞路徑不變，即把傳遞函數(shù)考慮為常數(shù)，僅研究激勵(lì)力對(duì)車內(nèi)噪聲的影響。

2 燃油壓力脈動(dòng)噪聲仿真分析

2.1 計(jì)算模型

圖1示出某SUV車的燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意。該燃油系統(tǒng)為油箱外部半回油形式，壓力調(diào)節(jié)器集成在油泵內(nèi)部，使得泵后壓力穩(wěn)定在400 kPa(相對(duì)壓力，以下壓力均為相對(duì)壓力)左右。此壓力調(diào)節(jié)器對(duì)噴油器關(guān)閉產(chǎn)生的壓力波不能起到抑制作用，因此在怠速750 r/min時(shí)，壓力脈動(dòng)噪聲凸顯出來(lái)。應(yīng)用商業(yè)流體軟件Ansys-Fluent對(duì)噴油器關(guān)閉后油壓在油軌內(nèi)的傳播進(jìn)行三維流動(dòng)仿真分析，三維流動(dòng)計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

為了縮短計(jì)算時(shí)間，相對(duì)于燃油系統(tǒng)模型，三維流體分析模型被適當(dāng)簡(jiǎn)化。該SUV匹配的是4缸汽油機(jī)，油軌有4個(gè)噴油器，計(jì)算時(shí)假定每個(gè)噴油器開(kāi)關(guān)導(dǎo)致油軌內(nèi)的壓力傳播都是類似的。因此計(jì)算模型只考慮了離入口最近的噴油器，省略了其他3個(gè)噴油器，噴油器后端的噴嘴簡(jiǎn)化為4個(gè)直徑為0.3 mm的孔。

2.2 油軌體積模量有限元計(jì)算

對(duì)于圓軌，壁面的體積模量[20]等于材料的彈性模量E乘以壁面的厚度δ除以圓軌的內(nèi)徑d，即

(3)

對(duì)于非圓軌的薄壁結(jié)構(gòu)，其壁面體積模量需要通過(guò)有限元計(jì)算得到[21]。假設(shè)非圓軌道在內(nèi)側(cè)作用p0的壓強(qiáng)下體積為V0，若壓強(qiáng)增加dp，體積變化dV，則有：

(4)

為了驗(yàn)證式(4)的準(zhǔn)確性，分別用有限元方法與理論方法計(jì)算圓軌的體積模量。圖3示出有限元計(jì)算的網(wǎng)格模型。由于油軌是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，有限元計(jì)算截取了一半模型，網(wǎng)格為六面體，體網(wǎng)格為6 620。對(duì)稱面給定對(duì)稱約束，連接管道端面約束了各自的軸向，內(nèi)腔載荷為均勻壓力，大小為100 MPa。網(wǎng)格劃分在Hypermesh中完成，加載與計(jì)算在Abaqus中完成，變形后的網(wǎng)格以節(jié)點(diǎn)形式導(dǎo)入Hypermesh生成變形后的內(nèi)腔容積。

通過(guò)有限元計(jì)算得到的壁面體積模量為1.56×1010Pa，通過(guò)理論計(jì)算得到的壁面體積模量為1.58×1010Pa，二者一致性較好，偏差為1.27%。因此用有限元方法計(jì)算非規(guī)則結(jié)構(gòu)的體積模量是可行的。

2.3 圓軌油壓傳播計(jì)算

出現(xiàn)脈動(dòng)噪聲問(wèn)題的油軌原方案為直徑13 mm的圓軌，首先分析該圓軌在噴油器關(guān)閉瞬間的壓力傳播規(guī)律。為了了解壓力在油軌內(nèi)的傳播過(guò)程，瞬態(tài)計(jì)算時(shí)監(jiān)測(cè)了7個(gè)不同位置的壓力。圖4示出這些測(cè)點(diǎn)的位置示意。P7為連接油管于油軌上的鋼管上的測(cè)點(diǎn)，P1～P4為油軌上的測(cè)點(diǎn)，P5，P6為噴油器上的測(cè)點(diǎn)。

圖5示出各測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間變化的壓力脈動(dòng)曲線。噴油器突然關(guān)閉，動(dòng)能轉(zhuǎn)換成勢(shì)能并以壓力波的形式向上傳播，經(jīng)過(guò)P6、P5傳到P1，再傳到P7，壓力脈動(dòng)幅值依次減小。即P6，P5，P1，P7測(cè)點(diǎn)的波峰壓力值依次減小，波谷壓力值依次增大。壓力波到達(dá)P1后，經(jīng)P2，P3最后到達(dá)P4，第一個(gè)波峰從P1到P4稍有延遲，壓力波到達(dá)P4后碰到油軌的端部壁面，壓力波又反向傳播。

隨著時(shí)間的加長(zhǎng)，脈動(dòng)逐漸衰減，幅值減小，到2×10-2s時(shí)壓力基本穩(wěn)定在4×105Pa。本研究只模擬了1個(gè)噴油器的關(guān)閉，真實(shí)的結(jié)構(gòu)是4個(gè)噴油器依次開(kāi)關(guān)，第1個(gè)噴油器關(guān)閉導(dǎo)致的壓力脈動(dòng)衰減后，第2個(gè)噴油器又打開(kāi)關(guān)閉導(dǎo)致了新的壓力脈動(dòng)，噴油器按照發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸工作順序1—3—4—2輪流工作，類似的壓力脈動(dòng)也始終產(chǎn)生、衰減、疊加，最終形成了油軌整體的壓力脈動(dòng)。

2.4 油軌參數(shù)變化對(duì)油壓的影響

在圓軌基礎(chǔ)上改變油軌橫截面，保持橫截面積不變，將橫截面由圓形改為長(zhǎng)寬比為1的正方形與長(zhǎng)寬比為2.29的長(zhǎng)方形，研究截面形狀對(duì)壓力脈動(dòng)的影響，同時(shí)還考慮了壁面變形對(duì)正方形與長(zhǎng)方形橫截面油軌的脈動(dòng)影響。方案1為圓軌(原始狀態(tài))，方案2為正方形油軌，方案3為長(zhǎng)方形油軌，方案4是在方案1圓軌中間嵌入1 mm厚的長(zhǎng)條薄鋼片，以研究圓軌內(nèi)部的截面變化對(duì)壓力脈動(dòng)的影響。長(zhǎng)條薄片的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

表1列出方案1至方案3的壁面體積模量。方案2的體積模量是方案1的33.4%，方案3油軌橫截面積與方案2相同，長(zhǎng)寬比加大，體積模量是方案1的3.13%。方案3的壁面體積模量下降非常明顯。

表1 方案1至方案3體積模量計(jì)算結(jié)果

表2列出了各方案相對(duì)于平穩(wěn)壓力4×105Pa的最大脈動(dòng)峰值。可見(jiàn)，方案1至方案3壓力脈動(dòng)峰值也依次減小。在相同時(shí)間內(nèi)，對(duì)于尺寸相同的油軌，矩形軌的壓力波總能量低于方軌，方軌低于圓軌，因此油軌內(nèi)脈動(dòng)形成的噪聲源聲壓級(jí)也是矩形軌低于方軌，方軌低于圓軌。由于扁軌布置到整車上牽涉更改過(guò)大，故在后期試驗(yàn)驗(yàn)證分析時(shí)不采用。

表2 方案1至方案3最大壓力脈動(dòng)對(duì)比

對(duì)于嵌入薄鋼片的圓軌方案4，計(jì)算中直接將薄鋼片與圓軌全部連接，沒(méi)有考慮壁面變形的影響，這樣增加了剛度，抑制了圓軌的變形。但工程應(yīng)用中薄鋼片其實(shí)與圓軌沒(méi)有剛性連接，而是自由地放在圓軌內(nèi)，噴油器關(guān)閉后在薄鋼片上下形成壓力差，導(dǎo)致鋼片變形，從而消耗了能量，減小了壓力脈動(dòng)。計(jì)算中沒(méi)法考慮油軌內(nèi)自由狀態(tài)下的薄鋼片的變形情況，需要后期通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證分析。

3 燃油壓力脈動(dòng)噪聲試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)燃油壓力脈動(dòng)噪聲的評(píng)價(jià)，可以分為主觀評(píng)價(jià)、客觀測(cè)量?？陀^測(cè)量包括噪聲測(cè)量試驗(yàn)、燃油壓力脈動(dòng)值測(cè)試試驗(yàn)以及燃油壓力脈動(dòng)引起振動(dòng)的衰減測(cè)試試驗(yàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，越來(lái)越多地采取主客觀相結(jié)合的方法對(duì)燃油壓力脈動(dòng)噪聲進(jìn)行評(píng)價(jià)。

根據(jù)仿真結(jié)果，結(jié)合布置與工藝，選取了方案2的方軌、方案4帶內(nèi)置緩沖器的油軌對(duì)車內(nèi)駕駛員位置的噪聲進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)試工況均為整車完全熱機(jī)的怠速工況。試驗(yàn)結(jié)果表明，方軌、油軌帶內(nèi)置緩沖器方案相對(duì)于原方案，車內(nèi)駕駛員位置的噪聲分別降低了2.4 dB和3.2 dB，與仿真中這些方案對(duì)燃油壓力脈動(dòng)的降低貢獻(xiàn)度趨勢(shì)一致。結(jié)合產(chǎn)品的更改周期及費(fèi)用，實(shí)際應(yīng)用最終選用了方軌的方案。

4 結(jié)論

a) 開(kāi)發(fā)了燃油壓力脈動(dòng)的仿真分析模型，研究了燃油壓力脈動(dòng)的影響因素，解析了燃油壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理，為燃油壓力脈動(dòng)噪聲的降噪優(yōu)化方案提供了理論依據(jù)；

b) 利用有限元法計(jì)算得到油軌的體積模量，將其作為參數(shù)輸入給三維流體模型分析油軌的壓力脈動(dòng)，考慮壁面變形對(duì)油軌脈動(dòng)的影響；油軌內(nèi)燃油脈動(dòng)的三維仿真與試驗(yàn)實(shí)測(cè)的趨勢(shì)吻合；

c) 仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試優(yōu)化燃油壓力脈動(dòng)噪聲的方法可推廣到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)其他系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)問(wèn)題，如進(jìn)氣系統(tǒng)中節(jié)氣門突然關(guān)閉導(dǎo)致的壓力脈動(dòng)、缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)油軌內(nèi)的壓力脈動(dòng)等。

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[編輯： 袁曉燕]

Simulation and Experimental Investigation of Pulsation Noise for Engine Fuel Rail

HUANG Bo, TAO Lifang

(Chery Automobile Co., Ltd., Wuhu 241009, China)

The low frequency noise at idle speed for a passenger car was researched and it was found that the noise source was the fuel pulsation produced by the repeated opening of gasoline injector. Commercial fluid software was applied to simulate the pressure pulsation in fuel rail at the closing moment of gasoline injector and the fuel pressure variation law was acquired. Based on the original model, the effects of fuel rail size and cross section on fuel pressure were researched. The results show that increased cross section of fuel rail can suppress the fuel pressure pulsation to a certain extent. The fuel rail with a large length/width ratio has better effect at the same cross section. In addition, the square rail has less noise than the circular rail. However, the circular rail with inner damper has better effect and could decrease vehicle noise by 3.2 dB.

fuel pressure pulsation; simulation; damper; noise

2015-01-21；

2015-08-11

黃波(1980—)，男，工程師，主要從事燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)；huangbo@mychery.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.017

TK427

B

1001-2222(2015)04-0085-04