陳友祥，歐陽彩云，王金立，劉芯娟，李凱

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

基于WAVE的某增壓汽油發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲分析及優(yōu)化

陳友祥，歐陽彩云，王金立，劉芯娟，李凱

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

文章基于WAVE軟件建立某增壓發(fā)動機(jī)工作過程及進(jìn)氣系統(tǒng)仿真模型，后對該發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行一維噪聲分析，并在此基礎(chǔ)上通過增加相應(yīng)的消聲裝置對該進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，從而在進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)初期就對潛在的進(jìn)氣噪聲問題進(jìn)行管控。

WAVE；進(jìn)氣系統(tǒng)；噪聲

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.006

CLC NO.:U464.9 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-14-03

引言

當(dāng)前 NVH（噪聲、振動與舒適性）性能已經(jīng)成為評價(jià)汽車品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲作為汽車的一個(gè)重要噪聲源日益引起重視，通過降低進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲對提升汽車舒適性和顧客的駕駛體驗(yàn)起到越發(fā)重要的作用。本文通過使用WAVE仿真分析軟件，對某增壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行一維噪聲分析，從而在進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)初期就對潛在的噪聲問題進(jìn)行管控，使該進(jìn)氣系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)。

1、WAVE軟件簡介及工作原理

WAVE軟件是里卡多公司開發(fā)的用于發(fā)動機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真的計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算軟件。

WAVE基于管內(nèi)或有限容積的一維流動理論的有限差分計(jì)算進(jìn)行流體動力學(xué)和熱力學(xué)的時(shí)域求解。通過該軟件可以建立復(fù)雜的進(jìn)排氣系統(tǒng)管路的一維氣體動力學(xué)模型，并通過將流體零部件連接到氣缸等裝置上，用以預(yù)測進(jìn)排氣系統(tǒng)的噪聲。

WAVE提供了一套完整的以基于時(shí)間坐標(biāo)的流體動力學(xué)和一維熱力學(xué)模型的公式和算法。其以版面的形式建立復(fù)雜的可壓縮的網(wǎng)格，同時(shí)利用WAVE中的機(jī)械元件庫進(jìn)行建模。該機(jī)械元件庫包括發(fā)動機(jī)的氣缸、活塞、渦輪增壓器等加上管狀網(wǎng)絡(luò)組成了規(guī)律流動。

WAVE工作包括三個(gè)階段：前處理、求解和后處理。完成模塊搭建和參數(shù)設(shè)定后，便可以對所建立的模型進(jìn)行調(diào)試計(jì)算，然后參數(shù)調(diào)試后便可以使用。

2、 發(fā)動機(jī)及進(jìn)氣系統(tǒng)模型建立

2.1 發(fā)動機(jī)模型建立

將實(shí)際的復(fù)雜的發(fā)動機(jī)及進(jìn)氣系統(tǒng)分解為若干個(gè)容易處理的子系統(tǒng)，并運(yùn)用WAVE軟件中提供的模塊建立相應(yīng)的物理模型。包括布置發(fā)動機(jī)氣缸、渦輪增壓器、進(jìn)氣管路，同時(shí)設(shè)定管路尺寸和初始狀態(tài)（壓力、溫度等），需保證進(jìn)氣管路WAVE模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸的近似準(zhǔn)確。結(jié)構(gòu)模型如圖1。

圖1 發(fā)動機(jī)WAVE模型

2.2 進(jìn)氣管路WAVE模型建立

2.2.1 管路內(nèi)流體流動模型

假定在管路內(nèi)的氣體流動是一維的，對于每一流動參數(shù)均可理解為在相應(yīng)管面上的平均值，管內(nèi)流動參數(shù)隨時(shí)間t劇烈變化。進(jìn)氣管路以交錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的形式離散為一系列微小體積，遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒。

2.2.2 管路壓力損失模型

在WAVE中，進(jìn)氣管路可以使用DUCTS和JUNCTIONS組成管網(wǎng)表示，根據(jù)不同的管路設(shè)定相應(yīng)的壓力損失系數(shù)。

2.2.3 管路離散長度

為了分析進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲，一般進(jìn)氣管路離散長度取缸徑的0.15-0.2倍，進(jìn)氣管路的WAVE模型見圖2。

圖2 進(jìn)氣系統(tǒng)WAVE模型

2.3 模型參數(shù)設(shè)定

2.3.1 發(fā)動機(jī)氣缸參數(shù)設(shè)定

包括缸徑、沖程、連桿長度、活塞偏心距、點(diǎn)火順序及相關(guān)燃燒特性、熱傳遞等方面的參數(shù)。以上相關(guān)參數(shù)根據(jù)該發(fā)動機(jī)實(shí)際的結(jié)構(gòu)參數(shù)同時(shí)選取WAVE中提供的類似模型。

2.3.2 狀態(tài)參數(shù)設(shè)定

狀態(tài)參數(shù)包括進(jìn)氣狀態(tài)、排氣狀態(tài)及噴油量等。以上參數(shù)根據(jù)該發(fā)動機(jī)在試驗(yàn)臺架中測得的數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)值添加。

2.4 功能控件添加

為了方便數(shù)據(jù)處理及實(shí)時(shí)控制，需要添加WAVE軟件中的PLOT、SENSOR、ACTUATOR等控件，其中ACTUATOR用于處理SENSOR反饋的數(shù)據(jù)，并按要求進(jìn)行仿真。

在本模型中添加了ACTUATOR有1.摩擦平均有效壓力2.噴油時(shí)刻3.空燃比4.噴油時(shí)間5.50%燃燒點(diǎn)的位置6.燃燒持續(xù)時(shí)間（10%-90%）7.渦輪轉(zhuǎn)速8.廢氣旁通閥工作區(qū)域9.進(jìn)氣門相位10.排氣門相位，見圖3。

圖3 功能控件設(shè)置

3、進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲仿真及優(yōu)化

在以上建立的發(fā)動機(jī)及進(jìn)氣系統(tǒng)WAVE仿真模型基礎(chǔ)上，運(yùn)行軟件按指定步長和發(fā)動機(jī)運(yùn)行循環(huán)（見圖4）進(jìn)行模擬計(jì)算，得到進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣口噪聲聲壓級曲線（見圖5）和進(jìn)氣口噪聲Colourmap圖（見圖6）。

圖4 發(fā)動機(jī)工作循環(huán)

圖5 進(jìn)氣口噪聲聲壓級曲線

圖6 進(jìn)氣口噪聲Colourmap圖

由WAVE仿真結(jié)果可以看出，該發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)存在中心峰值頻率為266HZ、375HZ和690HZ的噪聲。

為了降低上述中心頻率段的噪聲，分別在進(jìn)氣管路中增加相應(yīng)頻率的消聲器。為了降低266HZ中心峰值頻率噪聲，同時(shí)考慮管路空間布置，在進(jìn)氣管路中增加對應(yīng)頻率的赫爾姆茲消聲器，具體參數(shù)見表1。

表1

通過增加上述赫爾姆茲消聲器后，進(jìn)氣口處聲壓級曲線和Colourmap見圖7和圖8,266HZ中心峰值噪聲得到大幅度降低。

圖7 進(jìn)氣口噪聲聲壓級曲線

圖8 進(jìn)氣口噪聲Colourmap圖

為了降低375HZ中心峰值頻率噪聲，在進(jìn)氣口中增加對應(yīng)頻率的赫爾姆茲消聲器，具體參數(shù)見表2。

表2

通過增加上述赫爾姆茲消聲器后，進(jìn)氣口處聲壓級曲線和Colourmap見圖9和圖10, 375HZ中心峰值噪聲得到大幅度降低，整體進(jìn)氣口噪聲得到進(jìn)一步降低。

圖9 進(jìn)氣口噪聲聲壓級曲線

為了降低690HZ中心峰值頻率噪聲，在進(jìn)氣管中增加1/4波長管，具體參數(shù)見表3。

表3

圖10 進(jìn)氣口噪聲Colourmap圖

通過增加1/4波長管后，進(jìn)氣口處聲壓級曲線和Colourmap見圖11和圖12，690HZ中心峰值噪聲得到大幅度降低，整體進(jìn)氣口噪聲處于較優(yōu)水平。

圖11 進(jìn)氣口噪聲聲壓級曲線

圖12 進(jìn)氣口噪聲Colourmap圖

4、結(jié)論

本文通過運(yùn)用WAVE仿真分析軟件，在某增壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)初期設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行一維噪聲分析，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的消聲元件。在進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)階段就對潛在的噪聲問題進(jìn)行管控，避免后期進(jìn)氣系統(tǒng)完全確定后由于進(jìn)氣噪聲問題，對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模變更，造成成本浪費(fèi)和開發(fā)周期的延長。

[1] 龐劍,諶剛,何華等.汽車噪聲與振動,北京理工出版社.2006.

[2] 賈維新.發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲和進(jìn)氣噪聲的數(shù)字化仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.博士學(xué)位論文.

[3] 陳岳昌.發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲優(yōu)化.2007年CDAJ－China 中國用戶論文集.

Acoustic Analysis And Optimization Of A Turbocharger Gasoline Engine Intake System Based On WAVE

Chen Youxiang, Ouyang Caiyun, Wang Jinli, Liu Xinjuan, Li Kai
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd.,Technology center, Anhui Hefei 230601）

It was based on WAVE to establish the engine working and intake system simulation model in the paper. According to the model, intake system acoustic 1D analysis was carried out and optimized by adding resonators, which to manage and control the potential intake noise problem in the initial design phase.

WAVE; Intake System; Acoustic Noise

U464.9

A

1671-7988(2016)01-14-03

陳友祥，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。