汽车发动机进气与排气系统NVH性能研究

一、 进气系统噪声源及降噪措施
随着汽车行业技术水平的不断进步，用户对汽车各项性能要求也越来越高，NVH 性能是汽车重要性能指标之一，而进气系统的 NVH 性能是整车 NVH 性能重要的组成部分，加强对进气系统噪声控制是解决车辆噪声的一种有效途径。

1进气噪声产生机理及结构
空气噪声包括脉动噪声和流体噪声。
1）脉动噪声
脉动噪声是由进气门的周期性开、闭而产生的压力起伏变化所形成的。这部分噪声主要影响进气系统低频噪声特性。另外如果进气管的空气柱的固有频率与周期性脉动噪声的主要频率一致时，会产生空气柱的共鸣声。此外由于进气口和前侧板之间可能形成一个共鸣腔，可能产生额外的共鸣噪声。
2）流体噪声
流体噪声是气流以高速流经进气门流通截面，形成涡流，产生的高频噪声。由于进气门流通截面是不断变化的，故这种噪声具有一定宽度的频率分布，主要频率成分在1000Hz 以上。此外在节气门体处有时也会产生涡流噪声。



进气系统结构辐射噪声，是由于塑料壳体较小的刚度特性造成的，在内部压力波的激励下，壳体产生振动，外表面推动空气产生波动，从而辐射出噪声。



进气系统构成如下：



2进气系统的降噪措施
气体流动噪声和结构噪声处理的方法相对比较单一，而且往往不是进气系统的主要噪声。这里主要探讨低频噪声的降噪措施。
1） 合理设计空气滤清器
一般来说，消音容积越大，消音效果越好，但是也需要综合考虑布置空间、零件重量以及零件成本因素。一般情况下，空气滤清器的容积达到发动机容积的3倍以上，就能达到良好的消音效果。



2）确定空滤器进出管管径和长度
减小空滤器进、出管管径，提高扩张比，利于降低噪声，但会导致进气系统阻力增加，降低发动机的进气量，影响发动机性能。空气滤清器的有效消声频率跟进气管长度有关，增加进气管长度，空气滤清器有效消声频率将移向低频，所以合理设计进、出气管的长度也十分有必要。
3）合理设计消声元件



谐振腔一般是针对低频的，1/4 波长管一般用来消除中高频噪声，多孔管和编织管主要应用于消除频带比较宽的噪声。


二、 进气系统噪声优化设计
进气系统噪声优化设计开发流程，如下图所示：



1进气噪声的目标设定
本文所涉及车型的动力总成基本参数中：
1）动力总成布置形式为前置纵式；
2）发动机排量为2.4 L；
3）发动机为4缸四冲程；
4）气门数为16。
将该竞品车型进行进气系统噪声测试，并将结果汇总对比，从而得到初始的进气噪声目标参数。制定进气口噪声目标线，如下图所示：



进气系统噪声与发动机激励存在直接关系，故在开发中除了整体声压级外还注重其第2，4，6，8阶的能量控制，如下图所示：






2进气系统基础消声元件设计
1)四负载法提取声源特性
根据进气系统构造以及噪声激励机理得到能量传递路径为：



在已知最终响应(进气口)的目标值前提下，只要能够获得激励(声源)的特性，进而即可获得需要设计的消声元件的传递损失特性。
本文使用试验方法对发动机节气门体处声源特性进行提取。该噪声源可以视为单口声源，用直管替代进气系统，其噪声声源示意图，如下图所示：



管子内部x=0处的声压可以表示为：
PL=[ZL/(ZS+ZL)]PS
式中：
PL——声源出口声压，Pa；
ZL——声源所连接负载的声阻抗，kg／(m2·s)；
ZS——声源阻抗，kg／(m2·s)；
PS——声源声压，Pa。
假定发动机在某一特定工况，声源特性是恒定的，不随声负载的不同而改变。4根不同长度的管子作为声源下游的声负载，如下图所示：



根据公式得到4个负载的声学方程及声源声阻和声抗，即可求得声源声压。
四缸发动机进气系统阶次噪声研究中，通常取前4阶次，即2，4，6，8阶噪声作为研究对象。使用上述计算方法，通过分别测试与发动机相连接各管子的管口处声压，从而进行声源特性提取。



2）扩张型消声器(空气滤清器)的设计
将空气滤清器视为一个由主要腔室和两边与之连接的管道组成的扩张型消声部件，其传递损失取决于扩张比和扩张腔室的长度。为了提高传递损失，扩张比越大越好。
有2种办法提高扩张比：
A.减小管道的尺寸；
B.增加滤清器的截面积。
在实践操作中，发现将进入管和输出管插入滤清器中也可以提高空滤的传递损失。

三、 排气系统的声学分析
一般说来，汽车加速行驶车外噪声中除发动机噪声外，排气系统是主要的噪声源。



排气系统噪声按辐射方式可以分为表面辐射噪声和气体动力学噪声，而气体动力学噪声又最为突出。

1消声元件的评价指标
1)传递损失
传递损失的定义为，在消声元件或者隔声元件末端为消声端时，入射声功率级与透射声功率级之差。



下图为传递损失的测量示意图：



2) 插入损失
插入损失定义为，在插入消声元件前后，同一点处的声压级值之差，强调的是消声器的引入前后造成的声压级之差。



下图为插入损失的测量示意图：



3）声压级
在评价一个排气系统的NVH性能，最关心的是出声口处的声压级，如进气口的声压及排气尾管口的声压。
下图为声压级测量示意图：



2几种评价指标的比较
1）传递损失与插入损失的比较
传递损失只取决于消声元件的结构、介质的阻抗率和截面面积，当一个声学元件结构确定后，那么传递损失也就确定了。此外，传递损失与消声元件的位置没有关系。
插入损失则取决于声源的声学特性和出口处的声学特性。同一个消声元件在不同的位置，系统的插入损失是不一样的。
传递损失一般用于评价单个声学元件，而插入损失则是评价一个系统。
插入损失易于测量，而传递损失则需专门的设备。传递损失容易计算，只有知道了声阻抗以及传递矩阵系数，插入损失才能够计算。



2）传递损失与声压级差值的比较
传递损失和声压级差值均可用来评价消声元件的声学特性。传递损失只取决于消声元件的结构、介质的阻抗率和截面面积，与声源和出口处的声学特性无关，而声压级差值虽然与声源的声学特性没有关系，但是与出口处的声学特性息息相关。声压级差值相对于传递损失比较容易测量，因为如果想要测量传递损失，必须在消声器尾管道出口处安装一个全消声装置。

四、 排气系统NVH正向设计
现阶段国内汽车产品开发的最大误区是不重视早期NVH开发，大部分企业还处于被动降噪的阶段。依赖于实物样车的试验测量技术与改进，严重滞后于汽车产品的开发。如何在设计初期就考虑排气系统的NVH性能，使之与发动机及整车的合理匹配，是现代汽车产品开发的大势所趋。

1排气系统的NVH目标制定
排气系统的NVH目标分解见下图：



1）噪声(Noise)目标
A.声压级指标
这是早期的汽车噪声控制主要方法，只强调噪声量值的大小，以目标市场政府部门的法规为最低目标，以高于竞争车声压级为最高目标，实际目标定在二者之间。
B.声音的线性度
把目标噪声设计成随发动机转速而变化的直线，设计时期望实际噪声曲线接近目标直线，使噪声保持良好的线性度，这样声音听起来比较平缓。



2)声品质(Harness)目标
声品质目标的设定应当既能够满足一般意义上的声学舒适特性要求，又能够充分体现车型的档次和品牌特色。
A.声音的阶次组成
排气系统最主要的噪声是与发动机有关的，声音的阶次成分决定了声品质。
不同汽车的阶次大小设计是不一样的。对舒适、安静要求较高的的轿车和豪华车设计中，希望声音基本是由发火阶次以及谐次声音组成，半阶声音越小越好。运动车设计中，要求发火阶次、谐波次及半阶声音都要要强烈，这样排气系统的排气声音会使人们体验到汽车的动感的声音。
B.高频噪声
目标噪声应减少高频噪声的含量。因为相对低频噪声相邻频带的声音幅值相差不大，高频噪声则音量大、有多次碰撞的声音、甚至含有叽叽喳喳的杂声，严重影响语音清晰度。



3)振动(Vibration)目标
排气系统引起的振动与排气系统的整体模态和排气系统传递到车身上的力有很大关系。
A.模态频率
排气系统的模态频率目标应与发动机的激励频率和车身的固有频率分开，排气系统自身的模态频率也不能重合。第一阶垂向弯曲模态和第一阶横向弯曲模态是排气系统中最容易被发动机激励起的模态，同时这两个模态的振动也最容易传递到车身并与车身发生共振。通常关注第一阶扭转模态、第一阶垂向弯曲模态和第一阶横向弯曲模态，模态频率范围在20Hz～45Hz之间。
B.传到车身上的力
传递到车体上的力是排气系统设计的一个重要目标。对于豪华轿车和高级轿车来说，传递到车身的力的目标一般为2N，对一般经济型轿车来说这个力可以放宽到10N。

2排气系统的详细设计
这一阶段要将NVH目标融入到设计中，进行部件选型、结构设计、参数设计，建立排气系统的CAE模型，很多原来需要做试验的工作被CAE仿真计算取代，并对各部件及系统进行优化。



1)排气系统结构设计
A.首先形成必须消声量要求、噪声频谱特性。确定发动机参数，然后由设定的目标噪声和发动机的实际噪声频谱的差值得出所需消声器的插入损失。
B.再根据发动机的排量确定消声器的总容积和排气管的直径，消声容积至少是发动机容积气缸体积的10倍。
C.根据车辆底盘布置的几何空间约束，确定消声器数量、类型和消声器的外形及确定总体尺寸来确定在排气系统中的安装位置。同一消声器所处的安装位置不同，其插入损失是不同的，靠近发动机的消声效果较好，但会受到安装空间的限制。



D.消声器内部结构的设计
可参考各类消声器的结构特点对消声器做出结构选型，如果已有的成型消声器不能满足性能需求，还需要重新设计消声器的结构并试制。
E.排气中间管的设计
中间管应避免长管道，管道太长很容易使管中的声模态与管道的结构模态产生共振。应尽可能设计成一条直线，这样不仅振动模态少，而且流体流动通常，背压小、功率损失小。
F.尾管的设计
尾管的长度可以调节尾管的辐射噪声的频率，尾管的直径也不能太小，否则会引起气流摩擦噪声。
2)排气系统声学性能仿真
A.发动机模型的建立
通过GT-Power建立发动机模型，发动机模型要经过标定才可用于仿真计算。
B.声学性能分析
需要计算得出传递损失、插入损失、压力损失、发动机的功率损失来评价排气系统的消声性能。
3)排气系统三维造型
通过三维造型软件将排气系统中的管道及其它元件如消声器等通过三维模型构建出来。
4)流体性能分析
通过排气系统的三维模型和CFD流体计算软件进行流场分析和再生噪声的预测，也可计算压力损失，以此来考发动机的虑功率损失。



5)悬挂装置设计
A.模态分析
计算得出模态频率和模态节点分布，避免排气系统与车身和发动机等其它相连系统的共振，也是后续悬挂点位置选择的依据。
B.排气管悬置安装位置确定及吊耳设计
可按照吊耳的设计原则设计吊耳。
C.静力学分析。
基于排气系统在发动机端法兰和排气系统的悬挂约束的条件下，其最大位移和最大应力以及悬挂的最大受力都有限制约束，因此需要对其进行排气系统在重力载荷下的静力学分析。
D.频率响应分析。
在此基础上可计算排气系统在发动机激励下传递到车身上的力。



五、结语
汽车振动和噪声的产生并不是相互独立，而是紧密联系的。可以说，噪声源于振动，振动、噪声和舒适性这三者是密切相关的。既要减小振动、降低噪声，又要提高乘坐舒适性、保证产品的安全性、环保性以及使用性能。



要改善汽车的NVH特性，这就需要：
1）对其振动源和噪声源的控制
A.改善产生振动和噪声的零部件的结构，改善其振动特性，避免产生共振；
B.改进旋转元件的平衡；
C.提高零部件的加工精度和装配质量，减小相对运动元件之问的冲击与摩擦；
D.改善气体或液体流动状况，避免形成涡流；
E.改善车身结构，提高刚度；施加与噪声源振幅相当而相位相反的声音等。

2）控制振动和噪声传递的途径
A.对结构的振动和噪声传递特性进行分析并改进，使之对振动和噪声具有明显的衰减作用而不是放大；
B.优化对发动机悬置的设计，降低发动机向车身传递的振动；
C.对悬架系统进行改进，阻断振动的传递；
D.采用适合于平面振动的阻尼材料、适合于旋转轴类的扭振减振器以及针对其它线振动的质量减振器；
E.分析和改进结构，特别是车身的密封状况，提高密封性能；
F.各种吸音材料、隔音材料和隔音结构的研究及应用，提高汽车内部的吸音和隔音性能等。