涡轮增压器泄气噪声的优化_肖芝.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n涡轮增压器泄气噪声的优化肖 芝,刘智湘,凌 旭(湖南化工职业技术学院,湖南 株洲 4 1 2 0 0 0)摘 要:针对某汽油发动机上出现的涡轮增压器泄气噪声,本文基于赫姆霍兹消声器原理,以多孔多腔消声器对泄气噪声进行优化的设计方案。设计过程中,运用声学有限元方法,对所设计的消声器进行声学性能仿真分析,计算出传递损失,并通过整车试验对多孔多腔消声器设计方案进行对比验证,试验结果表明该设计方案对泄气噪声可取得明显减弱效果,满足整车NVH性能要求,为涡轮增压器泄气噪声的治理提供理论与实践参考。关键词:泄气噪声;消声器;声学有限元;传递损失 中图分类号:T K 4 1 3.5 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 1 9-0 3O p t i m i z a t i o no fT u r b o c h a r g e rP r e s s u r eR e l i e fN o i s eX i a oZ h i,L i uZ h i-x i a n g,L i n gX u(H u n a nC h e m i c a lV o c a t i o n a lT e c h n o l o g yC o l l e g e,Z h u z h o u4 1 2 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do nt h ep r i n c i p l eo fH e l m h o l t zm u f f l e r,am u l t i-c a v i t ya n dm u l t i-h o l em u f f l e r i sd e s i g n e dt oo p t i m i z e t h e t u r b o c h a r g e rp r e s s u r e r e l i e fn o i s e.I nt h ed e s i g np r o c e s s,t h ea c o u s t i c f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i su s e dt os i m u l a t e a n da n a l y z e t h e a c o u s t i cp e r f o r m a n c eo f t h ed e s i g n e dm u f f l e r,a n d t h e t r a n s m i s s i o n l o s s i s c a l c u l a t e d,t h et e s t r e s u l t s s h o wt h a t t h em u l t i-c a v i t ya n dm u l t i-h o l em u f f l e r c a ns i g n i f i c a n t l y r e d u c e t h ep r e s s u r e r e l i e f n o i s ea n dg e t t h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fv e h i c l eNVH,w h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l r e f e r e n c ef o rt h e t r e a t m e n to f t u r b o c h a r g e rp r e s s u r er e l i e fn o i s e.K e yw o r d s:D e f l a t e dn o i s e;M u f f l e r;A c o u s t i c f i n i t ee l e m e n tm e t h o d;T r a n s m i s s i o nl o s s项目基金:湖南省教育厅科学研究项目(名称:涡轮增压器消声器的设计与优化,编号:2 0 C 0 6 8 1)作者简介:肖芝(1 9 8 7),男,湖南衡阳,汉族,工程师,硕士,研究方向:机械振动与噪声。1 引言近年来,中国汽车工业发展迅速,并逐步走向成熟,人们对汽车噪声的要求也越来越高,已成为汽车厂家与顾客最为关注的指标之一。随着排放、油耗法规的日益严格,废气涡轮增压技术已然成为国内外乘用车的主流,但因其转速高,隔音难,是发动机零部件中显著噪声源之一1,对涡轮增压器的噪声预防与治理也成为各涡轮增压器厂家的重要研究内容,其中涡轮增压器的泄气噪声较普遍、易识别,难解决。朴红花等通过对某汽油发动机增压器泄气噪声进行研究,提出对增压器进气管路进行优化的解决方案,根据泄气噪声的主要频率,设计四个多孔消声器布置在增压器进气管路中,并以实验方式验证了解决方案的有效性2。郑超等通过在整车道路试验测得某涡轮增压汽油车急加速松油门工况下的宽频泄气声源的声压频谱,结合有限元法设计了两个消声器,分别安装在增压器前后管路上,最后通过试验数据对比,表明所设计的消声器在目标频段具有理想的消声性能,泄气噪声得到了有效的控制3。本文主要介绍利用消声器治理泄气噪声的优化流程及方法,基于赫姆霍兹消声器原理,进行消声器设计,利用声学有限元仿真分析,计算出传递损失,并通过整车试验数据对比,验证其消声效果。2 涡轮增压器泄气噪声产生机理在增压器工作时,高压气体会通过进气管路进入发动机气缸内,当松油门时,节气门关闭,高压气体会回流到增压器压气机压后端,为保证涡轮增压器叶轮不受高压冲击,泄压阀瞬时打开,以泄出高压气体,降低压气机端的压力。在泄气的过程中,高速气流与周围相对静止的介质急剧混合,从而形成强烈脉动的湍流,引起噪声,主观感受为急促的“扑哧”声4。根据泄气压力、泄压阀的结构及安装尺寸的不同,所产生的泄气噪声的频率与声强也会不同。该噪声主要通过进气管路进行辐射,消声器降噪是治理该噪声的有效手段。3 泄气噪声的优化图1为泄气噪声的优化流程图,在数据分析时,应考虑各个工况的泄气噪声特征,以确定精确的降噪目标。在进行消声器的传递损失计算时,理论计算适用于较简单的消声器结构,对于复杂的消声器结构需通过声学有限元进行仿真分析。对于试验验证阶段的优化结果的评价方法,主观评价为主,加以试验对比数据支撑。图1 优化流程图91DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.08.0202 0 2 3年第8期3.1 整车路试某款3.0排量V 6双涡轮增压汽油发动机的S UV中大车型,在正常道路驾驶过程中,车内主副驾驶室能主观感受到车辆在加速急松油门后有较为明显“扑哧”声,其持续时间短暂,影响车内声品质与乘员的舒适度。结合噪声出现的驾驶实际工况及特点、整车各零部件的工作特性,可初步经验推断该噪声为涡轮增压器电控泄压阀的泄气噪声。为验证经验推断,通过整车试验获取该噪声的频谱,分析其频谱特性来进一步确定。试验路段选择较为宽敞的车流量少的沥青路段进行,试验车配置手自一体变速箱,数据采集工况选择手动模式下各档位加速后快松油门。试验设备为便携式H e a dl a b多通道数据采集前端及其配套双耳头戴式麦克风、传声器,测点为主驾驶双耳及发动进机舱近场两处。3.2 试验数据分析图2为发动机舱近场声压频谱,横坐标为时间,纵坐标为频率,颜色区分声压级。在试验数据采集的第1 6秒附近出现声压幅值较高的宽频带,频谱范围为6 0 0 H z3 5 0 0 H z,如图中框内所示,复播音频“扑哧”声也正出现在该时段,根据发动机高阶转频可得出1 6秒附近正是发动机减速时间点,即松油门时间点,根据该噪声的频率特征可进一步确定为增压器的泄气噪声。图2 发动机舱近场声压频谱图3为驾驶室内双耳声压频谱,从频谱图中可以看出驾驶室也出现如发动机舱内一样的声压幅值较高的宽频带,其中右耳噪声频段范围为1 5 0 0 H z 3 8 0 0 H z,左耳噪声频段范围为2 8 0 0 H z 3 8 0 0 H z,如图3中框内所示。该两频段的噪声声压幅值相比背景噪声声压幅值相差6-1 0 d B左 右,通 过 滤 波 处 理,过 滤 掉1 5 0 0 H z1 9 0 0 H z,2 8 0 0 H z 3 8 0 0 H z两频段时,“扑哧”声基本消失,得出该两频段为泄气噪声的主要贡献频段范围。图3 驾驶室内双耳声压频谱涡轮增压器泄气噪声属于较为典型的气动噪声,一般可通过优化电控泄压阀的流道尺寸与阀座结构来进行消除,但本次试验车已对泄压阀进行优化,未能达到理想效果,故设计合理的消声器不失为一有效途径。3.3 消声器的设计与理论计算通过上述对泄气噪声的频谱分析,噪声主要集中在1 5 0 0 H z 1 9 0 0 H z,2 8 0 0 H z 3 8 0 0 H z两宽频段,针对该频谱类型与发动机机舱空间,可采用多腔针孔型消声器进行消声治理。该消声器设计基于赫姆霍兹谐振器的消声原理:当声源发出的声波经过消声室后,会产生于消声器消声频率相同的反射波,该反射波就会与声源发出的入射波的相位互为1 8 0,利用消声干涉原理,该频率的入射波既被消除,达到消声效果。多腔针孔消声器可视为多个单腔穿孔结构相串联,扩大消声的频率范围,达到宽频消声的效果。图4为单腔针孔消声器示意图。图4 单腔针孔消声器结构示意图根据赫姆霍兹谐振器的消声原理,消声器的消声中心频率f公式:f=c2ScV Lc(1)式(1)中其中V是共振腔体的体积,Sc是颈部的横截面积,Lc是颈部的有效长度(等于颈部的物理长度加上末端长度),c是声速。消声器的消声效果常以消声器的传递损失来体现。传递损失表明声音经过消声元件后声音能量的衰减,既入射声功率级与透射声功率级的差值:T L=1 0 l o g1 0wiwt=L wi-L wt(2)式(2)中T L为传递损失,wi为入射声功率,wt为透射声功率,Lwi为入射声功率,Lwt为透射声功率级。根据牛顿动力学方程与能量守恒方程,可得单腔针孔消声器的传递损失计算公式:T L=1 0 l o g1 01+ScV/Lc2Smffr-frf2(3)式(3)中Sm为主管道截面积,fr为噪声频率。以1 7 0 0 H z及3 3 0 0 H z为噪声中心频率,针孔孔径为2 mm,调整两个单腔针孔消声器各结构参数,得出理论计算结果如图5、图6所示。在1 5 0 0 H z 1 9 0 0 H z,2 8 0 0 H z 3 8 0 0 H z两宽频段内传递损失平均达到1 0 d B以上。图5 消声器(中心频率1 7 0 0 H z)传递损失02内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n图6 消声器(中心频率3 3 0 0 H z)传递损失3.4 有限元数值分析图7 消声器有限元网格模型多腔针孔消声器看作由多个单腔针孔消声元件串联组合而成,要得到多腔针孔消声器的传递损失,可利用有限元数值分析的方法计算。有限元网格类型为四面体网格,其网格边长设为1 m m,有限元模型如图7。由于该消声器拟安装在进气管路,进气气流马赫数不大,对其声学特性的影响并不大,因此计算无流条件下消声器的传递损失,介质选用理想气体。传递损失声学边界条件的物理类型选择管道声模态,声源入口端面设定单位声功率边界条件,声源出口端面设为无反射边界,其它壁面设为刚性壁面。通过网格模型及数学模型的设置,基于V i r t u a l.L a b软件可计算出多腔针孔消声器的传递损失曲线图,如图8所示。对比有限元数值分析的结果与本文3.3中理论解析计算的传递损失曲线图,两种计算方法下的相同频率范围的传递损失数值结果较为一致。图8 多腔针孔消声器传递损失3.5 试验验证根据消声器的理论设计要求,选用铝合金材料加工制作多腔针孔消声器样件,各连接处焊接处理。将样件安装在整车路试原状态车空滤后段的两个进气管路中,如图9所示,安装时保证消声器与管路连接的密封性。图9 多腔针孔消声器的安装试验过程选择与整车路试3.1中相同的测试环境、测试工况与数据采集点,并将消声器安装前后的数据进行分析对比。图1 0为安装消声器的后发动机舱声压频谱,可看出安装消声器后,整车在加速急松油门时,即1 2.5 S时,机舱近场噪声6 0 0 H z-3 5 0 0 H z频带范围内,泄气噪声成分明显降低。图1 1为驾驶室内泄气噪声的声压频谱,安装消声器后松油门后,驾驶室内泄气噪声得到明显改善,1 5 0 0 H z-3 8 0 0 H z频带内的泄气噪声成分明显衰减,通过音频滤波反复试听,图1 1右耳中1 2.5秒3 0 0 0 H z处存在非常微弱的泄气噪声,非专业人士难以辨别。主观评价:安装多腔多孔消声器后,驾驶室内泄气噪声几乎不可闻,治理效果明显。图1 0 消声器安装后发动机舱近场声压频谱图1 1 消声器安装后驾驶室双耳内声压频谱4 总结(1)涡轮增压器泄气噪声的优化过程中,确定优化目标是前提。根据前期整车NVH工程师发现疑似泄气噪声的主观评价,通过整车道路试验采集发动机舱的近场与驾驶室的双耳声压频谱,结合声压频谱、噪声特征及噪声发生工况,确定前期主观经验评价的噪声类型为涡轮增压器电子泄压阀的泄气噪声,对噪声频率信号以带阻滤波试听方式,得出噪声优化目目标。(2)涡轮增压器泄气噪声的优化过程中,消声元件的设计是关键。根据噪声声压频谱特征,基于赫姆霍兹谐振器的消声原理设计了多腔针孔消声器,并通过理论解析与有限元法计算出传递损失,数据表明多腔针孔消声器具有宽频消声特征。(3)涡轮增压器泄气噪声的优化过程中,试验对比验证是必 要 手 段。安 装 消 声 器 后,通 过 对 比 实 验,频 段1 5 0 0 H z 1 9 0 0 H z与2 8 0 0 H z3 8 0 0 H z的噪声成分明显降低,主观感受明显改善,泄气噪声几乎不可闻,实现泄气噪声的有效控制。(4)多腔多孔消声器是涡轮增压器泄气噪声优化的有效消声元件,为优化涡轮增压器噪声提供了理论依据与试验参考。参考文献:1 庞剑,谌刚,何华.汽车噪声与振动M.北京:华南理工大学出版社,2 0 0 6.2 朴红花,陈友祥,王三星.某汽油发动机增压器泄气噪声研究及优化J.汽车实用技术,2 0 1 7(1 2):7-8.D O I:1 0.1 6 6 3 8/j.c n k i.1 6 7 1-7 9 8 8.2 0 1 7.1 2.0 0 3.3 郑超,高东东,陈玮,范习民,吕勤.某增压汽油机R C V泄气声优化J.内燃机,2 0 1 8(0 3):5 4-5 7.4 张广西,刘学哲,史玉梅,代子阳.某增压发动机进气系统噪声问题研究J.内燃机与配件,2 0 2 3(0 3):2 5-2 7.12