杜丹豐，李 亮，劉紅玉，于 淼

(東北林業(yè)大學(xué) 交通工程學(xué)院， 哈爾濱 150040)

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發(fā)動機(jī)進(jìn)氣消聲的研究現(xiàn)狀及趨勢分析

杜丹豐，李 亮，劉紅玉，于 淼

(東北林業(yè)大學(xué) 交通工程學(xué)院， 哈爾濱 150040)

發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣噪聲是汽車噪聲重要組成部分，國家對汽車噪聲的排放標(biāo)準(zhǔn)愈發(fā)嚴(yán)格，因此發(fā)動機(jī)進(jìn)氣消聲的研究對汽車行業(yè)的發(fā)展有著重要的影響。首先介紹了汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和進(jìn)氣噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，詳細(xì)地闡述了阻性消聲器和抗性消聲器對噪聲的控制方法和原理及其具體結(jié)構(gòu)，然后綜合國內(nèi)外進(jìn)氣消聲器的研究現(xiàn)狀對各類型消聲器消聲特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。分析結(jié)果表明：在保證進(jìn)氣效率的前提下，通過對阻性消聲材料的優(yōu)選和抗性消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使阻性和抗性消聲器良好結(jié)合為阻抗復(fù)合型消聲器，可以得到更加優(yōu)異的消聲效果。

發(fā)動機(jī)；進(jìn)氣噪聲；阻性消聲器；抗性消聲器；阻抗復(fù)合型消聲器

隨著汽車保有量的增加，汽車噪聲給人們的工作和生活帶來了很大的影響。人類長時間處在比較強(qiáng)烈的噪聲下，會導(dǎo)致頭暈?zāi)垦：托那闊┰辏瑖?yán)重的將可能會導(dǎo)致噪聲性耳聾和冠心病等心腦血管疾病[1]。為了控制噪聲污染，國內(nèi)外均制定了許多嚴(yán)格的噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，這對汽車行業(yè)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)[2]。

相關(guān)試驗(yàn)研究表明[3]：當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)的排氣噪聲得到很好地控制時，進(jìn)氣噪聲將成為主要的噪聲。進(jìn)氣噪聲不僅是車外噪聲的重要組成部分，而且在汽車低速運(yùn)行時對車內(nèi)環(huán)境影響也很大[4]。進(jìn)氣噪聲若得不到有效控制，將直接影響人們乘坐汽車的舒適性，增加駕駛者的疲勞感。因此，對汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣噪聲的控制，將對汽車工業(yè)的發(fā)展有著重要的影響。

1 進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及噪聲控制方法

1.1 進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)主要由進(jìn)氣管總成、空氣濾清器總成、增壓器、中冷器、進(jìn)氣歧管和進(jìn)氣閥等所構(gòu)成[5]。圖1為渦輪增壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 渦輪增壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

空氣流經(jīng)空氣濾清器過濾掉空氣中的雜質(zhì)后，經(jīng)進(jìn)氣道流進(jìn)進(jìn)氣歧管，與噴油嘴噴出的汽油混合，形成一定比例的油氣混合體，然后通過進(jìn)氣門將油氣送入汽缸內(nèi)點(diǎn)火、做功，從而產(chǎn)生動力。進(jìn)氣噪聲的產(chǎn)生是由于進(jìn)氣門頻繁地開閉產(chǎn)生壓力周期性的起伏變化，以及高速氣流流經(jīng)進(jìn)氣門通道時所產(chǎn)生的。進(jìn)氣噪聲屬于空氣動力性噪聲，與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等多種因素有關(guān)，但它也會受到動力性、經(jīng)濟(jì)性等方面的約束，有時調(diào)整和改變設(shè)計十分困難[6]。因此，對進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲的控制方法研究顯得非常重要。

1.2 進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲控制方法

進(jìn)氣噪聲控制方法包括有源控制和無源控制。有源控制是根據(jù)一個待消除聲波的特性，產(chǎn)生一種方向相反、相位相反但幅值相同的聲波，使它們相互抵消，從而達(dá)到消聲的目的[7]。有源控制的消聲方法起源于20世紀(jì)初期，但一直沒有新的發(fā)展，直到20世紀(jì)70年代有源消聲器才在管道消聲應(yīng)用方面取得了比較大的進(jìn)步。有源噪聲控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是對低頻噪聲消聲效果很好，而且非常節(jié)約空間[8]。但是，目前有源噪聲控制技術(shù)尚不成熟，且造價較高，在目前汽車的進(jìn)氣系統(tǒng)方面鮮有應(yīng)用。

無源控制方法是利用在進(jìn)氣管道上加裝的消聲器來改變進(jìn)氣管道內(nèi)的聲阻抗，通過消聲器對聲音的衰減來達(dá)到消聲的目的。在現(xiàn)階段進(jìn)氣噪聲控制方面，應(yīng)用較多的是采用無源噪聲控制技術(shù)，其核心裝置就是消聲器[9]。

在汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣消聲器的設(shè)計中，發(fā)動機(jī)的充氣效率和進(jìn)氣噪聲的噪聲頻率是應(yīng)當(dāng)考慮的兩大重要因素[10]。充氣效率是進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計中考慮的第一要素，直接影響發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。進(jìn)氣噪聲的噪聲頻率(與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān))又決定了發(fā)動機(jī)適用的進(jìn)氣消聲器類型。因此，在設(shè)計進(jìn)氣消聲器時，首先要保證發(fā)動機(jī)的充氣效率在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，其次要考慮進(jìn)氣噪聲的噪聲頻域。

2 進(jìn)氣消聲器技術(shù)及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

進(jìn)氣消聲器種類有很多種，根據(jù)消聲原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，消聲器大致可分為阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復(fù)合型消聲器。

2.1 阻性消聲器

阻性消聲器(圖2)是一種吸收型消聲器，是聲波在傳遞過程中通過多孔的填充材料時，由于聲波和吸聲材料之間相互摩擦和振動使聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而消除噪聲。影響吸聲材料吸聲性能主要因素還有實(shí)際工況的溫度、濕度材料的厚度和密度、材料之間的孔隙率、吸水能力以及吸聲材料的流阻等。阻性消聲器的消聲頻域主要集中在中高頻噪聲的范圍，對低頻噪聲的消聲效果不甚明顯[11-12]。

圖2 阻性消聲器結(jié)構(gòu)示意圖

國外對阻性消聲器的研究起步較早，2003年8月，A Selamet等[13]對阻性消聲器的幾何形狀、纖維材料的填充密度利用一維分析法和邊界元分析法進(jìn)行的聲波損失仿真分析，證明阻性消聲器的結(jié)構(gòu)形狀和材料類型都是影響消聲特性的因素。2007年，F(xiàn).D.Denia等[14]利用二維分析法和有限元分析法，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)來對阻性消聲器進(jìn)出口管長分析對消聲效果的影響，證明了適當(dāng)?shù)匮娱L進(jìn)出口管的長度對消聲效果有利。2014年10月，F(xiàn).D.Denia等[15]利用點(diǎn)搭配方案模擬在不同進(jìn)氣溫度條件下阻性消聲器的消聲特性。近年來，國內(nèi)的專家學(xué)者對阻性消聲器的研究也有一定的進(jìn)展。2009年，趙騫、顧燦松[16]利用GT-power一維流體動力學(xué)軟件，研究了阻性消聲器的設(shè)計參數(shù)(:吸聲材料填充密度、穿孔率的變化)對發(fā)動機(jī)性能的影響，結(jié)果表明：設(shè)計阻性消聲器時，只需要考慮材料填充密度。2015年12月，李寅勛等[17]對阻性消聲的填充材料的密度在消聲效果方面的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：在不同噪聲頻域內(nèi)，不同的填充密度消聲效果有一定差異。

2.2 抗性消聲器

抗性消聲器又稱為聲學(xué)濾波器，是通過改變管道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使聲阻抗產(chǎn)生變化，聲波在傳導(dǎo)時互相干涉來削弱噪聲。根據(jù)進(jìn)氣管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為干涉型消聲器、共振型消聲器和膨脹型消聲器等?？剐韵暺鞯奶攸c(diǎn)：對低頻噪聲的消聲效果非常好，且構(gòu)造簡單、空間利用率高、耐腐蝕、使用壽命高，但消聲頻域較窄，針對性強(qiáng)，對高頻噪聲的消聲效果不理想。

呂淑萍：ITT有三大核心價值觀，就是盡職盡責(zé)、互相尊重、正直守法，盡職盡責(zé)這個核心價值觀提到了社會責(zé)任。Xylem加了一條，就是勇于創(chuàng)新。從廣義來講，企業(yè)社會責(zé)任涵蓋四大方面：一是對股東投資人以及客戶的責(zé)任，努力為股東創(chuàng)造最大的利益回報；二是對員工的責(zé)任，為其提供良好的工作環(huán)境，創(chuàng)造良好的公司文化，培養(yǎng)個人能力的增長；三是環(huán)境責(zé)任，企業(yè)在采購、生產(chǎn)等各環(huán)節(jié)都應(yīng)該做到不污染環(huán)境；四是社區(qū)責(zé)任，關(guān)愛社區(qū)，幫助社區(qū)發(fā)展，提高整個社會對水資源的認(rèn)識。Xylem希望承擔(dān)起莊嚴(yán)的企業(yè)社會責(zé)任。

2.2.1 膨脹型消聲器

膨脹型消聲器(圖3)是利用管道截面的突變使部分沿管壁傳播的聲波反射回去，在聲波反射的過程中，會與管道內(nèi)部向前傳播的聲波相互干涉，從而削減噪聲[18]。

圖3 膨脹型消聲器結(jié)構(gòu)示意圖

雖然膨脹型消聲器在消聲這一方面有一定的條件限制，但是對于消聲器的發(fā)展仍有重要的意義。2010年11月，Key Fonseca de Lima等[19]利用有限元分析法對不同膨脹腔的腔體內(nèi)徑和不同腔體長度進(jìn)行仿真，相應(yīng)地優(yōu)化了腔體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。2014年5月，韓國水原大學(xué)的Jin Woo Lee[20]為研究膨脹型消聲器的理想消聲模型，通過對膨脹腔內(nèi)部增加隔板的方式來改變膨脹腔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用實(shí)驗(yàn)和仿真的方法來對比在各噪聲頻域范圍內(nèi)，添加隔板位置的不同對消聲效果的影響。

2.2.2 干涉型消聲器

干涉型消聲器(圖4)是通過增加旁支管道使主管道的聲波和經(jīng)過旁支管道的聲波在兩管道出口交叉處相遇，形成幅值相同相位相反的兩聲波，從而達(dá)到消除噪聲的效果。這種消聲器特點(diǎn)是對高頻噪聲消聲效果較好，但是選擇性較強(qiáng)，消聲頻域窄[21]。

圖4 干涉型消聲器結(jié)構(gòu)示意圖

汽車進(jìn)氣系統(tǒng)中的1/4波長管就是利用這種消聲器消聲特性來削弱噪聲的，2013年，Bin Li等[22]利用1/4波長管的在低頻區(qū)域良好的聲能回收作用，將其轉(zhuǎn)化成電能。2015年7月，上汽通用五菱公司的謝志清等[23]針對特定的噪聲頻率并利用模擬仿真計算傳遞損失的辦法來得到合適長度波長管，并在實(shí)車中得到應(yīng)用。

2.2.3 共振型消聲器

圖5 共振型消聲器結(jié)構(gòu)示意圖

國外對共振腔研究的比較深入。A Selamet,Munjal等[24-26]分析并研究了共振腔的理論和設(shè)計方法,利用各種仿真和實(shí)驗(yàn)對共振腔進(jìn)行了多次改造，Chanand[25]對共振腔進(jìn)行了腔體擴(kuò)大，并研究了腔體和進(jìn)氣管接口位置對減噪的影響。Sugimoto、Horioka[27]通過在平行位置增加一個共振腔和改變共振腔腔體形狀的方法來優(yōu)化共振消聲器。另外，很多汽車廠家在汽車上安裝了進(jìn)氣諧振腔。美國康明斯發(fā)動機(jī)在使用共振式進(jìn)氣消聲器后，發(fā)動機(jī)總體噪聲下降了4 dB (A)。此外，日本的鈴木汽車公司及本田公司也大量使用了共振式消聲器。豐田公司在實(shí)施車外降噪過程中，一項(xiàng)重要的舉措就是采用進(jìn)氣諧振腔。進(jìn)氣諧振腔的設(shè)計應(yīng)用，改善了汽車發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣噪聲[28]。

2016年1月，高書娜等[29]對Helmholtz共振腔進(jìn)行了改造(見圖6)，他們在一級共振腔上又增加了一個共振腔，叫做串并聯(lián)復(fù)合型共振式消聲器，這種方法拓寬了進(jìn)氣消聲器的消聲頻率范圍。

抗性消聲器還包括其他類型的消音器，比如多孔分散型消音器等，但在汽車進(jìn)氣系統(tǒng)中很少應(yīng)用。

圖6 串并聯(lián)復(fù)合型共振式消聲器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 阻抗復(fù)合型消聲器

阻抗復(fù)合型消聲器(圖7)，就是將阻性和抗性消聲器結(jié)合在一起。這樣可以針對消聲器的不同要求進(jìn)行創(chuàng)造性組合進(jìn)而對噪聲進(jìn)行一定控制。1973年北京市勞動保護(hù)研究所[30]對4種阻抗復(fù)合型消聲器進(jìn)行了簡要的介紹。阻抗復(fù)合消聲器一般由阻性和抗性兩部分組成。根據(jù)工作原理分為:阻性-膨脹腔復(fù)合消聲器、阻性-共振腔復(fù)合消聲器、阻性-共振腔-膨脹腔復(fù)合消聲器和微穿孔板消聲器等[31]。

圖7 阻抗復(fù)合型消聲器結(jié)構(gòu)示意圖

空氣濾清器本身就是一個阻抗復(fù)合型進(jìn)氣消聲器，一方面空氣濾芯所占的空間，有無數(shù)的小孔，可視為無數(shù)的膨脹腔；另一方面，空氣濾芯的材料(棕絲、植物纖維、濾紙等)可視為阻性消聲器的吸聲材料?，F(xiàn)在大多數(shù)的濾芯材料為樹脂處理微孔紙，對雜質(zhì)的過濾效率最高可達(dá)99%以上，但在降噪的效果上能力有限[32-33]。

國內(nèi)的專家學(xué)者對復(fù)合型消聲器的研究成果比較多。2012年12月，Min-chie chiu等[34]在研究阻性——共振腔消聲器(如圖8)的各種影響消聲器效果因素時，利用轉(zhuǎn)移矩陣和模擬退火方法對共振腔的腔體位置、數(shù)量，阻性消聲器進(jìn)氣管的管口直徑、管壁穿孔率和穿孔直徑，以及阻性消聲器吸聲材料的長短等影響因子進(jìn)行了仿真分析，并得到最佳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸。

圖8 五種復(fù)合型消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對比

2013年11月王海東等[35]申請了一項(xiàng)阻性-共振復(fù)合型消聲器的專利，利用1/4波長管和共振腔來吸收中高頻噪聲，用阻性材料來吸收低頻噪聲，制作簡單，安裝在小型車上可節(jié)約成本。

中國奇瑞汽車程振峰等[36]于2015年7月申請了一項(xiàng)進(jìn)氣消聲器的專利，如圖9所示。該實(shí)用新型的進(jìn)氣消聲器，采用膨脹腔和Helmholtz共振腔組合，既保證在較寬的頻率范圍內(nèi)存在較大的消聲量，同時利用赫姆霍茲消聲器的特性對汽車進(jìn)氣系統(tǒng)的低頻率范圍內(nèi)進(jìn)行消聲，可以快速準(zhǔn)確地評估進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量。

圖9 膨脹-共振式消聲器結(jié)構(gòu)示意圖

通過對阻性消聲器和抗性消聲器的消聲原理的分析，總結(jié)了各類型消聲器的消聲特性和應(yīng)用范圍，如表1所示，能更加直觀地了解每種消聲器消聲特點(diǎn)及應(yīng)用。

表1 各類型消聲器的多方面數(shù)據(jù)總結(jié)

3 發(fā)展趨勢

由于汽車進(jìn)氣噪聲頻率比較復(fù)雜，所以阻抗復(fù)合型消聲器得到了應(yīng)有的重視和發(fā)展。通過對阻性消聲器、抗性消聲器以及阻抗復(fù)合型消聲器消聲特性的分析和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的總結(jié)，可得到現(xiàn)階段汽車消聲器的發(fā)展趨勢：

1) 在保障汽車發(fā)動機(jī)充氣效率和資源環(huán)境允許的前提下，研發(fā)具有優(yōu)良消聲特性的新型阻性消聲材料以滿足日趨嚴(yán)格的噪聲排放法規(guī)。

2) 在保障汽車安裝空間允許的條件下，進(jìn)一步優(yōu)化抗性消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。利用有限的安裝空間來達(dá)到最佳的消聲效果。

3) 在保障汽車成本的前提下，優(yōu)化有源控制噪聲的方法，設(shè)計和完善有源噪聲控制器，使其能夠在汽車進(jìn)氣消聲方面廣泛應(yīng)用。

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[35]王海東,李宇洲,劉少華.一種汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣消聲器:中國.CN103742319A[P].2014-04-23.[37]程振峰,魏保平.一種進(jìn)氣消聲器：中國.CN204553014U[P].2015-08-12.

(責(zé)任編輯 劉 舸)

Analysis on the Present Situation and Trend in the Field of the Engine Intake Muffling

DU Danfeng, LI Liang, LIU Hongyu, YU Miao

(College of Transportation, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Engine intake noise is an important part of automobile noise, and the national emission standards for automobile noise are becoming stricter and stricter, therefore, the research of engine intake noise elimination has a significant impact on the development of automobile industry. This paper firstly introduces the structure of the air intake system and the mechanism of the intake noise, and elaborates the control methods and principle of resistive muffler and resistance muffler to noise and their concrete structure. Then based on the research status of the intake muffler at home and abroad，the paper summaries the characteristics of each type of mufflers. After analysis，we can get the conclusion that under the premise of ensuring the intake efficiency, the hybrid muffler, which is the outcome of optimizing the internal structure of the resistance muffler and selecting the resistive sound-absorbing material of the resistance muffler, and can get more excellent silencing effect.

engine;intake noise;resistive muffler;resistance muffler;hybrid muffler

2017-03-26

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31470611) ；黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2015055)

杜丹豐(1972—)，男，黑龍江人，博士，副教授，主要從事汽車節(jié)能減排方面的研究，E-mail：ddf72@163.com。

杜丹豐，李亮，劉紅玉，等.發(fā)動機(jī)進(jìn)氣消聲的研究現(xiàn)狀及趨勢分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(7):20-25.

format：DU Danfeng, LI Liang, LIU Hongyu, et al.Analysis on the Present Situation and Trend in the Field of the Engine Intake Muffling[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(7):20-25.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.07.003

U463; TB534.1

A

1674-8425(2017)07-0020-06