应用GT-Power优化发动机进排气系统噪声

1应用GT-Power优化发动机进排气系统噪声詹樟松陈小东张小燕（长安汽车工程研究院，重庆400023）[摘要]由于新开发车型发动机舱布置和提高整车NVH品质的需要，对一款批量生产的发动机的进排气系统进行了重新设计和校核，应用GT-Power软件对发动机的进排气噪声和整车通过噪声进行了优化。通过计算分析，在设计新发动机进气系统时，采用了增大空滤器容积、减小空滤器进管截面积等优化措施,并且针对新进气系统在63Hz@2000rpm和125Hz@3500rpm的噪声峰值，分别设计了容积为3.72L和0.93L的谐振腔加以消除；排气系统保持原设计不变。优化后的发动机进排气系统在保持原发动机性能不变的前提下，既满足了新开发车发动机舱布置的需要，又取得了较好的发动机进排气噪声和整车通过噪声水平。关键词：发动机，进排气系统，噪声，优化，GT-PowerOptimizingNoiseofEngineIntakeandExhaustSystemUseGT-PowerZhanZhangsong，ChenXiaodong，ZhangXiaoyanChanganAutomotiveEngineeringInstitute,Chongqing400023[Abstract]ForengineroompackageneedandNVHqualityimprovementofonenewdevelopingvehicle,theintakeandexhaustsystemofonemass-productiveenginewereredesignedandverified.Thenoiseofengine'sintakeandexhaustsystemandvehicle'spass-bywerecalculatedandanalyzedusingGT-Power.Theintakeorificenoisecanbereducedthroughenlargingtheaircleaner'svolumeandreducingtheinletpipecross-sectionofaircleaner.Thepeakvalueof63Hznoiseat2000rpmenginespeedcanbeeliminatedbyone3.72literresonatorinstalledontheinletpipeofaircleaner,andthepeakvalueof125Hznoiseat3500rpmenginespeedcanberemovedbytheother0.93literresonatorinstalledontheoutletpipeofaircleaner.Theoriginalexhaustsystemofengineisdecidedtokeepthroughanalyzingthecalculationresult.Finally,thenewdesignedintakeandexhaustsystemofenginenotonlysatisfiedtheneedofengineroompackage,butalsoimprovedtheNVHqualityofvehiclelargely,aswellasengine'sperformancewasnotchanged.Keywords:Engine，Intakeandexhaustsystem，Noise，Optimization，GT-Power1前言发动机进排气系统噪声属于空气动力噪声，是由于气体扰动以及气体与其它物体的相互作用而产生的，在发动机总噪声中占有重要分量。对于小型高速机和大型增压机来说，进气噪声有时比发动机本体噪声（燃烧噪声、机械噪声）高出多达5dB(A)，成为仅次于排气噪声的主要噪声源。排气噪声是发动机最主要的噪声源，往往比发动机本体噪声高出10～15dB(A)[1]。发动机噪声不仅降低产品的性能，而且危害人们的生活环境，为了满足汽车乘坐舒适性和日益严格的噪声法规的要求，对发动机进排气系统噪声进行研究和控制非常有必要。本文就是针对一款新开发车型发动机舱布置和提高整车NVH品质的需要，对所装配的发动机进行了1DCFD研究，在保证发动机在发动机舱中安装和发动机性能保持不变的前提下，对进排气噪声和整车通过噪声进行了优化。2发动机进排气噪声产生机理发动机进气噪声是由进气阀周期性开闭而产生的压力波动所形成的。当进气阀开启时，活塞由上止点下行吸气，邻近活塞的气体分子以同样的速度运动，这样在进气管内就会产生压力脉冲，形成脉冲噪声；同时进气过程中的高速气流流过进气阀流通截面时，会形成涡流噪声，其主要频率成分在1000～2000Hz范围内[1]；另外，如果进气管中空气柱的固有频率与周期性进气噪声的主要频率一致时，会产生空气柱共鸣，使得进气管中的噪声更加突出。当进气阀关闭时，也会引起发动机进2图1GT-Power整机分析模型A/Csub-systemmodelFrontmufflersub-systemmodelRearmufflersub-systemmodel气管道中空气压力和速度的波动，这种波动由气门处以压缩波和稀疏波的形式沿管道向远方传播，并在管道开口端和关闭的气阀之间产生多次反射，产生波动噪声。当发动机的排气阀开启时，废气以很高的速度经排气管冲入大气，产生强烈的排气噪声。排气噪声一般含有以下成分[2]：（1）排气压力脉动噪声；（2）气流流过气阀、气阀座等处产生的涡流噪声；（3）由于边界层气流扰动产生的噪声；（4）排气出口喷流噪声；（5）冲击噪声；（6）HELMHOLTZ共振噪声。排气噪声的基频是发动机的发火频率，具体的计算公式可参考文献[3]。3发动机进排气噪声仿真模型的建立3.1发动机GT-Power模型研究的发动机为四缸汽油机，具体的参数见表一。应用GT-Power软件建立了整机分析模型，其主要由进气系统、排气系统、气缸等组成。进排气系统的空滤器和前、后消声器等针对NVH分析进行了非常详细的子系统建模，在整机分析模型中进行了封装，整机模型如图1所示。表一发动机参数发动机布置形式水冷直列四缸、气道顺序喷射压缩比9.5缸径（mm）×冲程（mm）74×75.5标定功率63kW@6000rpm排量（L）1.298最大扭矩110Nm@3500~4500rpmGT-POWER采用一维交错网格，将汽油机进排气系统分成若干控制体积，应用有限体积法进行数值计算，标量在网格中心计算，如压力、温度等；矢量在网格的交界面计算，如速度、质量流量等。一维CFD数学模型的基本控制方程为[4]：连续性方程：bounddmmflxdt=∑（1）能量方程：()()()ggaswallbounddmedVpmflxHhATTdtdt=+∗−−∑（2）动量方程：22()[()4(1/2)]/2fpbounddmflxudxAdpAmflxuCCuAdxdtDρρ=+∗−−∑（3）上式中mflx是通过边界的质量流量；m、V、p分别为体积块内的质量、体积和压力；A为流通面积；e、H分别为内能和总焓；gh为传热系数；v、u分别为体积单元的中心速度、边界速度；fC为表面摩擦系数；D为当量直径；pC为压力损失系数。燃烧模型采用韦伯函数[5]：)1()1(+−+Δ=maymceymddxααα（4）式中QdQdx/=；cyαααΔ−=/)(0；Q为总的燃料放热量；α为曲轴转角；0α为燃烧起始角；m为形状因子。3.2空滤器和消声器子模型GT-suite中有一个GT-Muffler模块专门用于复杂几何部件建模，然后根据计算需要，选择合适的离散长度把计算部件离散成大量的小块体积。零部件CAD模型导入到GT-Muffler中，应用GT-Muffler提供的直管、弯管、同心管、打孔管、消声织物、挡板等组件在外壳内部建立起和实物3一致的模型（如图2和图4所示），完成过后转换成*.DAT文件，就可以在发动机整机分析模型中对这些部件分析子模型进行调用。图2空滤器CAD模型图3空滤器GT-Power分析子模型图4后消声器CAD模型图5后消声器GT-POWER分析子模型3.3麦克风模型在GT-Power模型中的进排气口加入麦克风模型，通过传感器收集信号传递给麦克风。本文在进气口处的麦克风位于距离发动机进气口500mm处与进气口夹角450且指向进气口，排气口处的麦克风处于距离发动机排气口500mm处与排气口夹角450且指向排气口。由于发动机进排气过程的周期性导致在发动机进气口和排气口形成一个做周期性变化的气流流场，即发动机进气口和排气口分别成为一个点声源。假定附近没有反射面，就会形成球对称的声场。经过时间t，该声场中离进出口距离为r处的声压瞬时值在GT-POWER中通过以下方程计算，这只是对基频噪声进行模拟[2][4]：⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛−∗∗∗∗=artudtdrcspπρ（5）式中ρ为自由场介质的密度；s为孔口的横截面面积；c为常数，球型辐射取4，半球型辐射取2；r为麦克风到孔口的距离；u为孔口处的流体瞬时速度；a为自由场中的声速。3.4模型标定进行噪声优化分析之前必须应用试验数据对仿真模型进行标定。488.599.51010.51101000200030004000500060007000EngineSpeed,rpmIMEP,barTestSimulation图10IMEP标定（1）进气系统空气流量标定，包括空滤器流量以及气门流量系数、气门升程、气门间隙、节气门体的标定。对于节气门体的标定，由于只对气门全开(WOT)状态进行模拟计算，因此只对气门全开状况的流量进行标定，在节气门开度为900时，设置节气门双向流量系数均为0.71，则流量达到75g/s，与实验值吻合，节气门流量与节气门开度的关系见图6。进气系统标定完后的空气流量如图7所示，容积效率如图8所示。103050709011013015017019021023025027001000200030004000500060007000EngineSpeed,rpmFlow,Kg/HSimulationTest图6节气门流量与节气门开度的关系图7进气系统空气流量（2）排气系统标定，主要对三元催化器前的排气背压进行了标定，参见图9。0.750.800.850.900.951.0001000200030004000500060007000EngineSpeed,rpmVolumetricEfficiencySimulationTest11.051.11.151.21.251.31.351.41.451.51000200030004000500060007000EngineSpeed,rpmBackpressure,barTestSimulation图8进气系统容积效率图9三元催化器前排气背压（3）燃烧模型标定，主要是对IMEP进行标定（见图10），使进气、压缩、做功、排气各冲程的试验数据与模拟值吻合到一定程度。预测的进气系统空气流量、容积效率、排气背压、IMEP和实验值的误差都在5%范围以内，标定后的模型有足够的精度，可用于后续的进排气噪声预测和优化。4模拟计算结果及分析根据目前国际市场上的同类车型发动机的进排气噪声、车内噪声和通过噪声的水平设定了新开发车型的发动机排气系统噪声的开发目标，通过噪声则必须满足国家法规要求。在优化噪声的过程中，对发动机性能的影响控制在±2%之内。4.1进气噪声分析空滤器是发动机一种有效的进气消声器，空滤器所占的体积可作为膨胀性消声器的膨胀腔，空50.750.770.790.810.830.850.870.890.910.930.950.9701000200030004000500060007000EngineSpeed,rpmVolumeEfficiency原进气系统新进气系统图15装配原进气系统和新进气系统的发动机容积效率比较滤器的滤芯是阻性消声器良好的吸声材料[6]。装配不同的空滤器对发动机的性能和进气噪声都会产生不同的影响，因此一旦