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进气系统的NVH控制简介

2019-04-14 15:22:00·  来源:易萌森戈CAE工作室  
 
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发动机进气系统噪声是汽车的主要噪声源之一,进气系统不仅需要为发动机提供很好的空气动力学性能,还需要有良好的消声能力,本文就进气系统NVH设计的关键点简单
发动机进气系统噪声是汽车的主要噪声源之一,进气系统不仅需要为发动机提供很好的空气动力学性能,还需要有良好的消声能力,本文就进气系统NVH设计的关键点简单介绍,希望对相关设计人员有所指导。
图1 进气系统示意图
1进气系统简介
进气系统的设计除了优化进气阻力外,还应对进气系统的NVH性能进行优化,进气管路要与发动机进行细致的匹配,防止后期进气系统噪声大或者进气异响。如图1所示,空滤器是进气系统的重要部件,它有一个或几个清洁空气的过滤器部件组成,按照空气滤清器不同作用形式可将其分为三种类型:惯性式空气滤清器、过滤式空气滤清器和油浴式空气滤清器。
    惯性式空气滤清器:工作原理是利用空气气流运动产生的离心力而将杂质抛出。在发动机吸气过程中,空气及固体颗粒一起进入空气滤清器,夹杂着固体小颗粒的空气按照空气滤清器设计的轨道进行运动。由于颗粒的密度比空气大,因此杂质在随空气转动时,受到不同离心力的颗粒会被分离出来,这样可以得到干净的空气。
    过滤式的空气滤清器:主要通过金属制的滤网和滤纸以达到净化空气的功能。当空气及其杂质一起通过滤纸时,由于滤纸上的微孔的存在,空气可以顺利通过滤纸,但是颗粒却不能,并且颗粒被粘在滤芯上,这样达到净化空气的作用。
    油浴式空气滤清器:油浴式空气滤清器是利用急速旋转的气流将机油带起,利用机油的粘性吸附住空气中的杂质,而机油所产生的油液颗粒则会被进口滤芯所吸收,这样空气中的杂质就被有效的去除而达到了滤清的效果。
  在通常情况下,空气滤清器的容积越大越好。 空气滤清器容积大的优点有三个
(1)空气滤清器容积大可以保证滤芯的过滤面积大,容纳灰尘的容量也大;
(2)从声学方面考虑,空气滤清器容积大,传递损失可以调整的范围就相应变宽,传递损失也可能变大,这对于减少进气噪声来说是有利的;
(3)空气滤清器容积大还可以减少进气阻力。
但是从整车的布置来说,由于车仓的容积是一定的,空气滤清器容积越小越有利于布置。所以在设计空气滤清器时,其体积尽量达到各方面最优。空气量不足,直接导致发动机的动力性、经济性和排放指标不理想。要保证发动机有足够的进气充量,就必须从整个进气系统入手,力求找出一种最佳的布置方式,使得发动机工作在平稳、经济和低排放的理想区间。对于汽油机轿车和柴油机轻卡空气滤清器的容积不小于3倍的发动机排量,中型,重型卡车空气滤清器的容积不小于5倍的发动机排量。
图2 一些车型的消声容积和发动机容积
2进气噪声激励源
进气噪声对汽车车内外噪声都有较大的贡献。发动机工作时,进气阀的周期性开闭引起管道内高速气流在进气管道各接口处产生气流分离和漩涡,从而产生压力波动,成为进气系统的主要噪声源。进气系统的噪声源主要包括周期性的压力脉动噪声、管道气柱共振噪声、涡流噪声以及气缸的亥姆霍兹共振噪声。
 (1)周期性压力脉动噪声:周期性压力脉动噪声是由进气门的周期性开启和闭合而产生的压力起伏变化所形成的。当进气门开启时,在进气管中产生一个压力脉冲随着活塞的移动,这个压力波很快受到阻尼;当进气门关闭时,同样产生一个压力脉冲,也是受到阻尼而迅速消失,在一个工作循环中,共有这样两个压力脉冲。在发动机运转过程中这样两个脉冲交替出现,这形成了周期性的噪声。其主要频率成分为:
(2)涡流噪声:气体是存在粘性的,当具有一定速度的气流在经过障碍物后与障碍物背后的气体相互作用,这样就会在下流的气体中形成带有涡流的气流,由于涡流中心的压力相对而言较低,当涡流脱落时,气流中就会产生压力的跳动,压力波通过介质像外传播,这种由于涡流脱落产生的压力脉动造成的噪声称为涡流噪声。当气流流经不规则的障碍物时,涡流的形成,脱落以及排列都不是规则的,涡流噪声的频率成分往往是呈宽频特性;当气流流经几何形状简单的障碍物时,涡流的形成,脱落大都在某一相同的周期内,有比较突出的峰值频率成分,频率可以用下式进行估算:
(3)气柱共振噪声:发动机进气门关闭后,进气管的末端可以看作为是封闭,而进气口是打开的,这样可以等效为“开口-封闭”的等截面管,这样就形成了一个气柱共振系统。当声源的激振频率与气柱的某一阶固有频率很接近时气柱便发生对应于该频率的共振,使管道强烈振动并辐射噪声。进气管气柱的固有频率可由下式计算:
图3 进气系统的NVH测试
图4压力损失试验台
 (3)进气系统的声学性能指标
当前工程上评价进排气消声器性能,通常有以下几个指标:插入损失(IL),消声量(NR),传递损失(TL)。插入损失的定义是用一段和消声器近似长度的管子,在有声源的情况下分别测量消声器声学出口和直管的声学出口的声压级,两者的差值就是插入损失(IL)。这一方法除了与消声器本身的消声效果有关外,还与声源本身的特性有关,因此适合在开发的后期进行比对实验,找到需要消声的频率和幅值然后开发消声器。此方法在开发前期无声源的情况下是不适用的,因此本文主要介绍后两种,即消声量(NR),传递损失(TL)在工程中的应用。
5 NR测量
系统中第1 点、第2 点的声压级分别为L P1 、L P2 ,那么消声量为
    传递损失,又名传输损耗、隔声量。 被描述为入射和透射声功率级的相差。 传递损失没有包括声源和管道终结端的声学特性,它只与自身的结构有关。 在评价单个消音元件的消音效果或者初步评估系统的消音性能时,通常用传递损失。 传递损失是评价消音元件消音效果最简单的一种方法。
图6 传递损失测量图
  图6是传递损失的测量的示意图。在测量时,在尾端装上一个全消音装置,这样就声音全部被吸收。在消音元件的入射端安装两个麦克风来测量入射波的声压和速度,从而计算出入射声功率。在消音元件的后端只安放一个麦克风就可以测量到透射声功率。传递损失计算原理如下:
图7
 (4)消声性能的仿真预测方法
传递损失的计算:目前常用的方法有一维体积法(如GT-power),有限元法,边界元法,耦合法。利用LMS vitrtual lab就可以实现对传递损失的计算。具体操作流程可以参看本公众号文章《基于AML法的消声器传递损失计算》
(4)消声性能的仿真预测方法
传递损失的计算:目前常用的方法有一维体积法(如GT-power),有限元法,边界元法,耦合法。利用LMS vitrtual lab就可以实现对传递损失的计算。具体操作流程可以参看本公众号文章:基于AML法的消声器传递损失计算
图8 GT 分析模型
图9 有限元分析模型
图10有无滤芯NR的趋势对比
在噪声实验中发现空气滤清器中的滤芯对中高频通常600Hz以上噪声具有明显的吸声效果,即具有吸声材料的特,考虑中高频的噪声分析时需要考虑滤芯的声学特性,可以将滤芯定义为吸声材料,多孔材料的吸声性能,主要受材料的流阻、孔隙率、结构因子、密度、声音在材料中传播速度等的影响。 进气系统的消声量建议至少>20dB。
(5)进气系统噪声数字预测:
图11 进气噪声的目标
    在进气系统开发对其出口处的噪声要预先定义,如图11。声学中的单口声源模型可以用于计算具有管路开口的机械在管口产生的空气动力噪声,这类机械例如气泵,风扇,内燃机进排气系统等。对于该类机械,当管口保持不变时,管口处的声学负载可以看作是恒定的或者多个开口之间在声学上是非祸合的,则这些开口的声学特性可以采用单口声源模型来进行研究。管子内的声波假定为平面波,并且具有时不变系统的特性。在屏蔽掉发动机其他噪声源后,进气系统的气动噪声可以视为单口声源模型。单口声源的声学特性,在频域内可以用声源的声压和声阻抗来表述,如下式
图12进气系统声线路图
PS声源声压,ZS为声源阻抗,PL为声源出口声压,ZS为声源所连接负载的声阻抗.四负载法对声源特性的提取。
图13四负载法声源特性测量
为四根不同长度的管子作为声源下游的声负载,根据式,四个负载的声学方程分别为 :
四个方程按下面的方法依次相除可以得到三个比例因子:
Gplm为声源与负载管子在x=0处的声压值,ZL为四个负载的声阻抗值。然而直接测量Gplm通常存在一定的困难,对于发动机进气系统,高速气流会使声压测量产生很大误差。因此通常测量距管口距离为r的参考点处的声压值,再通过负载的声学特性推算出Gplm的值。对于简单负载的声学特性,可以由理论公式得到,复杂结构的负载,需要采用数值仿真的方法计算其声学特性。比例因子可以由参考点测得的声压表示:
Gpm为参考点F的声压值,C、D为直管的四极子参数,Zr为直管管口向外部空间场的辐射阻抗,比例因子和负载阻抗为已知,声源阻抗为待求值。求得声源处的声压和阻抗后就可以对新设计的进气管道进行噪声仿真。
参考文献:
【1】韩松涛.内燃机的振动噪声控制及现代设计方法学研究[D].天津大学,2002,146-147
【2】庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与振动: 理论与应用 [M].北京: 北
京理工大学出版社,2006.