關(guān)鍵詞：旅居車；燃油；駐車加熱器；噪聲優(yōu)化

0 前言

旅居車［1-2］簡稱房車，是一種裝備有睡具（可由桌椅轉(zhuǎn)換而來）及其他必要生活設(shè)施、用于旅行宿營的汽車。在行車狀態(tài)下，房車的取暖主要由底盤車自帶的暖風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。而在駐車扎營時(shí)，房車長時(shí)間處于靜置狀態(tài)，如果繼續(xù)使用原車的暖風(fēng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于長時(shí)間怠速狀態(tài)，一方面發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)振動(dòng)噪聲較大，另一方面燃油耗更高。因此，房車上會(huì)配備獨(dú)立的駐車加熱系統(tǒng)，為房車在駐車狀態(tài)下供暖。

目前，國內(nèi)房車產(chǎn)品多選用5 kW 燃油駐車加熱系統(tǒng)，但其存在取暖性能不足的弊端。為了解決5 kW 燃油駐車加熱系統(tǒng)取暖不足的問題，部分房車廠會(huì)采用9 kW 燃油駐車加熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)可有效改善取暖性能，但由于其功率更高，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲；因此，絕大多數(shù)房車廠只能在取暖性能和噪聲性能之間進(jìn)行艱難抉擇。國內(nèi)外在駐車加熱系統(tǒng)噪聲控制方面開展的研究極少，可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)比較有限。因此，本文以房車9 kW燃油駐車加熱系統(tǒng)為例，綜合運(yùn)用噪聲測試技術(shù)、消聲理論等，對9 kW 燃油駐車加熱系統(tǒng)進(jìn)行降噪研究。

1 燃油駐車加熱系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

按照燃料來源分類，駐車加熱器分為燃油駐車加熱器和燃?xì)怦v車加熱器2 種。燃油駐車加熱器具有能耗低、熱效率高、結(jié)構(gòu)可靠等優(yōu)勢。因此，國內(nèi)房車絕大多數(shù)采用燃油駐車加熱器。

1. 1 系統(tǒng)構(gòu)成

房車燃油駐車加熱系統(tǒng)主要由燃油駐車加熱器、燃油泵、循環(huán)水泵、進(jìn)氣消聲器、排氣消聲器等組成，如圖1 所示。

1. 2 工作原理

房車燃油駐車加熱系統(tǒng)的工作原理圖如圖2所示。當(dāng)控制器接收到車內(nèi)開關(guān)信號(hào)，燃油泵從汽車油箱泵油，油泵通過輸油管將油箱里的柴油泵入燃油駐車加熱器內(nèi)部燃燒室，實(shí)現(xiàn)燃油供給。新鮮的空氣從進(jìn)氣消聲器進(jìn)入到燃油駐車加熱器內(nèi)部，為燃料燃燒供給新鮮空氣；電熱塞通電加熱后溫度最高可達(dá)到300 ℃ ，當(dāng)電熱塞溫度達(dá)到柴油燃點(diǎn)時(shí)，電熱塞將霧化的柴油點(diǎn)燃，柴油開始燃燒，燃燒生成的廢氣經(jīng)排氣管通過排氣消聲器向外排出，形成氣路循環(huán)。循環(huán)水泵將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水箱的低溫冷卻液泵入燃油駐車加熱器內(nèi)部，柴油燃燒產(chǎn)生的熱量加熱冷卻液，高溫的冷卻液流經(jīng)水熱、暖風(fēng)機(jī)，流回發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水箱，實(shí)現(xiàn)冷卻液的水路循環(huán)。暖風(fēng)機(jī)吸入冷空氣，經(jīng)過暖風(fēng)機(jī)內(nèi)部換熱裝置，吹出熱空氣，從而實(shí)現(xiàn)對車輛的供暖。

2 燃油駐車加熱系統(tǒng)噪聲測試與分析

采用Simcenter Acoustic Testing 聲學(xué)試驗(yàn)與分析軟硬件系統(tǒng)，對9 kW 燃油駐車加熱系統(tǒng)噪聲進(jìn)行測試，系統(tǒng)測試誤差小于0.5 dB。

2. 1 噪聲測試

根據(jù)房車使用場景，測量燃油駐車加熱系統(tǒng)工作時(shí)，卡座區(qū)域噪聲表現(xiàn)。噪聲測量點(diǎn)布置如圖3所示，測量點(diǎn)A 垂直方向距座椅表面（0.70±0.05） m，水平方向在2 個(gè)座椅的中心面上［3］。

噪聲試驗(yàn)條件見表1，要求環(huán)境溫度在-5 ℃左右，環(huán)境噪聲不得超過40 dB。使暖風(fēng)機(jī)處于內(nèi)循環(huán)模式，將暖風(fēng)機(jī)檔位調(diào)到最低檔（即1 檔），在該工況下對9 kW 燃油駐車加熱系統(tǒng)工作時(shí)進(jìn)行噪聲測量。單次測量時(shí)間不得少于10 s。

實(shí)際測量結(jié)果顯示9 kW 燃油駐車加熱系統(tǒng)測量點(diǎn)A 的噪聲為56.5 dB，而房車內(nèi)部噪聲控制要求卡座區(qū)域噪聲≤55 dB［4］。由此可知，9 kW 燃油駐車加熱器噪聲超出噪聲要求1.5 dB，該噪聲會(huì)引起客戶潛在噪聲抱怨，因此需要對該噪聲進(jìn)行優(yōu)化。

2. 2 聲源識(shí)別

為了解決燃油駐車加熱系統(tǒng)噪聲大的問題，主要從聲源特性分析、聲源識(shí)別、優(yōu)化方案及試驗(yàn)驗(yàn)證等方面展開研究。

9 kW 燃油駐車加熱系統(tǒng)工作時(shí)，測量點(diǎn)A 噪聲為56.5 dB，對應(yīng)的噪聲云圖如圖4 所示，主要抱怨頻率如圖中方框所示，噪聲主要能量為170～250 Hz 聲能量。

由燃油駐車加熱系統(tǒng)工作原理可知，當(dāng)燃油駐車加熱系統(tǒng)工作時(shí)，主要的聲源有進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲、循環(huán)水泵噪聲、燃油泵噪聲。在各個(gè)聲源近場附近布置傳感器，測量其近場噪聲，如圖5 所示。

各聲源近場噪聲測量結(jié)果見表2。由表2 可以看出：排氣噪聲聲壓級為75.0 dB，是燃油駐車加熱器的主要噪聲源，其中170～250 Hz 頻帶聲壓級達(dá)72.4 dB。，是產(chǎn)生抱怨的主要頻帶。

排氣噪聲測量點(diǎn)C 的噪聲云圖如圖6 所示，框選區(qū)域聲能量與圖4 中車內(nèi)測量點(diǎn)A 的主要聲能量較吻合，由此可知，車內(nèi)測量點(diǎn)A 在170～250 Hz頻帶內(nèi)主要聲能量來源為燃油駐車加熱系統(tǒng)的排氣噪聲。

2. 3 駐車加熱系統(tǒng)排氣消聲器結(jié)構(gòu)

結(jié)合燃油駐車加熱器的主要噪聲源識(shí)別，確定抱怨噪聲為噪聲主要能量為170～250 Hz 的聲能量，主要為燃油駐車加熱器燃燒后向外排氣產(chǎn)生的排氣噪聲。結(jié)合聲源的噪聲頻率特性，針對該噪聲能量較高的寬頻噪聲制定降噪方案。經(jīng)燃油駐車加熱器燃燒后產(chǎn)生的廢氣從排氣口前端經(jīng)排氣消聲器，從排氣口后端排到大氣中，排氣噪聲的傳遞路徑與氣流方向一致。燃油駐車加熱器的排氣消聲器結(jié)構(gòu)如圖7 所示，其中：S0 為排氣管截面積，單位mm²；消聲器內(nèi)部可近似為3 個(gè)串聯(lián)的消聲腔，按氣流方向分別命名為1 號(hào)消聲腔、2 號(hào)消聲腔和3 號(hào)消聲腔，S₁、S₂、S₃ 分別為1 號(hào)消聲腔、2 號(hào)消聲腔、3 號(hào)消聲腔的截面面積，單位mm²；b 為消聲器總長，單位mm。

通常將消聲器擴(kuò)張室與原管道截面積之比稱為擴(kuò)張比，3 個(gè)腔的擴(kuò)張比分別為m₁、m₂、m₃，計(jì)算如式（1）～式（3）所示。原始方案中無吸聲材料，具體關(guān)鍵參數(shù)見表3。

3 噪聲優(yōu)化方案及效果

根據(jù)消聲理論，結(jié)合圖7 和表3 中的關(guān)鍵參數(shù)，從以下4 個(gè)方面制定優(yōu)化方案：① 優(yōu)化加熱器排氣消聲器擴(kuò)張比；② 優(yōu)化加熱器排氣消聲器容積；③ 同時(shí)優(yōu)化消聲器擴(kuò)張比和消聲器容積；④ 加熱器排氣消聲器腔體填充吸聲材料。

3. 1 優(yōu)化加熱器排氣消聲器擴(kuò)張比

由消聲理論可知，增大消聲室的擴(kuò)張比可有效提升消聲器的消聲能力。根據(jù)該理論制定方案1?？紤]到設(shè)計(jì)成本和更改周期等因素，在不改變3 個(gè)消聲腔的截面積的前提下，優(yōu)化排氣管截面積，將S0 從333.0 mm² 減小到254.3 mm²。由式（1）～ 式（3）可知，m₁、m₂、m₃ 分別從3.5、3.2、4.0增大到4.6、4.2、5.2。優(yōu)化方案1 的優(yōu)化效果見表4。由表4 可以看出：測量點(diǎn)C 噪聲從75.0 dB降低到71.1 dB，噪聲有效降低3.9 dB；測量點(diǎn)A噪聲從56.5 dB 降低到54.4 dB，噪聲有效降低2.1 dB，優(yōu)化后測量點(diǎn)A 噪聲可以滿足卡座區(qū)域噪聲要求（≤55 dB）。

3. 2 優(yōu)化加熱器排氣消聲器容積

由消聲理論可知，增大消聲室容積可以有效調(diào)整消聲頻率進(jìn)而降低噪聲。根據(jù)該理論制定方案2。在不改變排氣管截面積和3 個(gè)消聲腔的截面積的前提下，優(yōu)化消聲器總長度，將b 從129 mm 增大到250 mm，消聲器容積從0.466 L 增大到0.903 L。優(yōu)化方案2 的優(yōu)化效果見表5，由表5 可以看出：測量點(diǎn)C 噪聲從75.0 dB 降低到68.0 dB，噪聲有效降低7.0 dB；測量點(diǎn)A 噪聲從56.5 dB 降低到52.6 dB，噪聲有效降低3.9 dB，優(yōu)化后測量點(diǎn)A 噪聲可以滿足卡座區(qū)域噪聲要求（≤55 dB）。

3. 3 擴(kuò)張比和消聲器容積組合優(yōu)化

為達(dá)到更優(yōu)的降噪效果，優(yōu)化方案3 在不改變3 個(gè)消聲腔截面積的前提下，同時(shí)優(yōu)化消聲器擴(kuò)張比和容積。將S0從333.0 mm²減小到254.3 mm²，將b 從129 mm 增大到250 mm，則m₁、m₂、m₃ 分別從3.5、3.2、4.0 增大到4.6、4.2、5.2，消聲器總?cè)莘e從0.466 L 增大到0.903 L。優(yōu)化方案3 的優(yōu)化效果見表6。由表6 可以看出：測量點(diǎn)C 噪聲從75.0 dB 降低到64.8 dB，噪聲有效降低10.2 dB；測量點(diǎn)A 噪聲從56.5 dB 降低到51.0 dB，噪聲有效降低5.5 dB，優(yōu)化后測量點(diǎn)A 噪聲可以滿足卡座區(qū)域噪聲要求（≤55 dB）。

3. 4 消聲器腔體填充吸聲材料

由吸聲理論可知，在聲波傳播區(qū)域填充吸聲材料，可以在一定程度上降低輻射噪聲。根據(jù)該理論制定優(yōu)化方案4，在3 個(gè)消聲腔體內(nèi)填充吸聲材料。優(yōu)化方案4 的優(yōu)化效果見表7。由表7 可以看出：測量點(diǎn)C 噪聲從75.0 dB 降低到73.0 dB，噪聲降低2.0 dB；測量點(diǎn)A 噪聲從56.5 dB 降低到56.0 dB，噪聲降低0.5 dB，降噪效果不顯著。優(yōu)化后測量點(diǎn)A噪聲可以滿足卡座區(qū)域噪聲要求（≤55 dB）。

4 結(jié)語

針對9 kW 燃油駐車加熱器開展降噪研究，提出了4 種噪聲優(yōu)化方案，其中方案3 的降噪效果最優(yōu)，即在不改變3 個(gè)消聲腔截面積的前提下，同時(shí)優(yōu)化消聲器擴(kuò)張比和容積。方案1、方案2 和方案3均能有效降低測量點(diǎn)A 噪聲，降噪后的噪聲滿足噪聲控制要求（≤55 dB）。

通過組合優(yōu)化燃油駐車加熱器排氣消聲器的擴(kuò)張比和容積，測量點(diǎn)C 的噪聲降低了10.2 dB，測量點(diǎn)A 的噪聲降低了5.5 dB，可以實(shí)現(xiàn)取暖性能和噪聲性能的平衡。

該研究為房車燃油駐車加熱系統(tǒng)的噪聲控制提供了一系列降噪方法。該研究的內(nèi)容和方法可以打破目前房車燃油駐車加熱器在取暖性能和噪聲性能只能二者擇其一的尷尬處境。優(yōu)化9 kW 燃油駐車加熱器后，可以在取暖性能和噪聲性能兩者之間得到最優(yōu)解。