李 銳,劉淑玉,張玉巧
(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州545007)
進氣系統(tǒng)是汽車發(fā)動機空氣管理系統(tǒng)的重要組成部分,進氣系統(tǒng)設(shè)計的好壞直接影響發(fā)動機的動力性及經(jīng)濟性。完整的進氣系統(tǒng)由發(fā)動機進氣歧管系統(tǒng)和空氣過濾系統(tǒng)兩部分組成,兩者在功能上相輔相成且聯(lián)系緊密,但是在整車模塊設(shè)計劃分上卻又相互獨立的,所以基于整車集成的角度而言,通常將空氣過濾系統(tǒng)稱為進氣系統(tǒng),本文中提到的進氣系統(tǒng)指的是節(jié)流閥體之前部分,主要包括進氣管、空氣濾清器、干凈空氣管及1/4波長管、諧振腔等消音元件。常用進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 常用進氣系統(tǒng)
進氣系統(tǒng)性能的評價指標(biāo)主要包括消聲性能和氣動性能兩個方面。消聲性能采用傳遞損失、消聲量、插入損失進行評價;氣動性能采用壓力損失進行評價[1]。進氣系統(tǒng)中常用的消聲元件有擴張消聲器、赫姆霍茲諧振腔、1/4波長管等。本文結(jié)合進氣消聲元件消聲作用和消聲原理,針對某款商用車存在的進氣系統(tǒng)噪聲問題提出合理的進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進方案,并通過整車噪聲測試驗證了方案成效。
進氣門周期性開/閉引起進氣管道內(nèi)空氣壓力波動,進而產(chǎn)生進氣噪聲。進氣噪聲主要成分為進氣脈動噪聲、渦流噪聲、空氣柱共振噪聲[2]。
進氣脈沖噪聲是由于進氣門開啟時,空氣密度與壓力呈周期性變化所產(chǎn)生的周期性的噪聲。它是進氣噪聲的主要構(gòu)成部分,主要頻率集中在200 Hz以下的低頻范圍,見圖2.
圖2 脈沖噪聲
渦流噪聲是由于高速氣流流經(jīng)障礙物時,氣流受阻在下游區(qū)域產(chǎn)生渦流,壓力脈動大,從而輻射出噪聲,渦流噪聲主要是中高頻噪聲。
空氣柱共振噪聲是由于進氣閥門關(guān)閉,進氣管道形成一端開口的腔體結(jié)構(gòu),當(dāng)振動頻率與反射頻率相同,相位相同時,從而產(chǎn)生的共振噪聲。
擴張消聲器由一個擴張腔和兩端連接管組成,空氣濾清器就是典型的擴張型消聲器。主要是利用界面突變引起聲波反射來消聲的;也可在腔體內(nèi)增加插入管,使入射聲波和界面反射的聲波相位相反從而達到消聲目的,消聲性能取決于擴張腔的擴張比和長度。如圖3所示。
圖3 擴張消聲器
赫姆霍茲諧振腔是在主管道上增加一個一定容積的共振腔,如圖4所示。主要是通過共振腔與主管道交界處聲阻抗發(fā)生變化,聲波通過時,經(jīng)過諧振腔空氣振動抵消部分聲能量。影響諧振腔消聲帶寬的主要參數(shù)是諧振器的容積,頻率越低需要的消聲容積越大。
圖4 赫姆霍茲諧振腔
1/4波長管是在主管道上增加一個一定長度的管道,如圖5所示。主要是通過聲波反射回到主管,抵消由于相位相反頻率相同的噪聲。1/4波長管的消聲量取決于與主管道連接的截面積,為了使波長管有足夠的消聲帶寬,波長管直徑必須大于主管道直徑的1/2.
圖5 1/4波長管
本案例微車發(fā)動機為中置發(fā)動機,放置在駕駛員座椅下方,根據(jù)總布置要求,進氣系統(tǒng)放置在副駛員座椅正下方,進氣口布置在大梁外側(cè)。該進氣系統(tǒng)由三部分組成:臟側(cè)進氣管、空氣濾清器總成、干凈空氣管,初步設(shè)計的方案見圖6.設(shè)計初期進氣系統(tǒng)不附帶消聲元件,主要通過空濾容積消聲。
圖6 進氣系統(tǒng)
首先完成方案樣件制作后,整車進入消聲室,對發(fā)動機進行包裹見圖7,在進氣口100 mm,偏置45°的位置放置一個麥克風(fēng),對進氣系統(tǒng)進氣口噪聲進行測量,得到進氣口聲壓水平如圖8所示。
圖7 進氣口噪聲測量
圖8 初始狀態(tài)進氣口噪聲
根據(jù)測量結(jié)果顯示,進氣口總體噪聲在1 750 r/min到4 000 r/min時超過目標(biāo)曲線,階次噪聲在2300 r/min時2階噪聲和3 750 r/min時6階噪聲超過目標(biāo)值,對應(yīng)的頻率分別為76.7 Hz和375 Hz,針對測試結(jié)果,需要對貢獻較大頻率的噪聲進行消除。
在空濾內(nèi)部增加插入管能降低進氣口總體噪聲,且一定的長度能夠消除對應(yīng)頻率噪聲,成本低同時不會額外增加進氣系統(tǒng)的容積。針對總體和375 Hz的噪聲采用插入管作為消聲元件,插入管長度與消聲頻率關(guān)系式:
式中:c為空氣聲速;L為插入管長度;f為消聲頻率。
為了消除375 Hz這一頻率的噪聲,依據(jù)式(1)需要在空濾內(nèi)部增加227 mm插入管。根據(jù)目前空濾結(jié)構(gòu),在空濾下殼體入口內(nèi)部增加插入管,通過卡扣的方式固定在殼體底部,設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖9.
圖9 下殼體增加內(nèi)插管
增加赫姆霍茲諧振腔對中低頻具有很明顯的消聲效果,且相對于1/4波長管有較寬的消聲頻帶,針對該進氣系統(tǒng)的低頻噪聲,采用赫姆霍茲諧振腔作為消聲元件。見圖10.
圖10 諧振腔示意圖
赫姆霍茲諧振腔的共振頻率關(guān)系式為
式中:S0為孔頸截面積,V 為密閉空腔容積,為孔頸有效長度,=l0+△l,這里l0為小孔頸長;△l為修正項,對于直徑為d的圓孔,△l=0.8d.
為了消除76.7 Hz這一噪聲頻率,依據(jù)式(2)設(shè)計在進氣系統(tǒng)上增加一個容積1.5 L,孔頸直徑為18 mm,孔頸長度為78 mm的赫姆霍茲諧振腔。根據(jù)空氣濾清器的結(jié)構(gòu),將赫姆霍茲諧振腔集成在空濾上蓋出口端上,諧振腔通過焊接形成密閉的腔體,內(nèi)部增一段內(nèi)插管將空濾出口和干凈管連接起來,整體機構(gòu)緊湊,不需單獨為諧振腔增加安裝點,其設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖11.
圖11 空濾出氣管增加諧振腔
完成增加消聲元件的進氣系統(tǒng)樣件制作,再次在消聲室對新方案進氣系統(tǒng)進行進氣口噪聲測試,測量方法與初步方案的保持一致,并根據(jù)測試結(jié)構(gòu),對消聲元件結(jié)構(gòu)進行微調(diào),最終測試結(jié)果見圖12.
圖12 更改后進氣口噪聲
在進氣口增加內(nèi)插管,進氣口總體噪聲在發(fā)動機整個轉(zhuǎn)速范圍都有8 dB左右的降低,并且很好的消除了3 750 r/min時6階的噪聲。
在空濾出氣管上增加76.7 Hz的赫姆霍茲諧振腔,消除了進氣口低速2階的峰值。
比較現(xiàn)在的進氣口噪聲與目標(biāo)噪聲,可以看到總體噪聲及階次噪聲已滿足目標(biāo)線的要求。經(jīng)過消聲結(jié)構(gòu)改進,并根據(jù)周圍的物理邊界將消聲結(jié)構(gòu)進行了集成設(shè)計,最終的方案如圖13.
圖13 最終進氣系統(tǒng)
本文以消聲元件消聲作用和消聲原理為基礎(chǔ),探索進氣系統(tǒng)噪聲控制的方法,通過一款微型商用車進氣系統(tǒng)調(diào)音的案例,根據(jù)消聲室中進氣口噪聲測量結(jié)果,結(jié)合進氣消聲元件消聲作用和消聲原理,提出合理的進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進方案,為進氣系統(tǒng)設(shè)計指明方向。并對進氣系統(tǒng)噪聲控制方法進行展望,希望本文能對大家以后工作能起到借鑒的作用。
參考文獻:
[1]張曉東.發(fā)動機進氣系統(tǒng)消聲器的氣動—聲學(xué)性能研究[D].上海:上海交通大學(xué),2007:2-4.
[2]龐 劍,諶 剛,何 華.汽車噪聲與振動—理論與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006:182.