重庆理工大学学报(自然科学)

发动机进气消声的研究现状及趋势分析

分类:重点推荐 发布时间:2017-08-24 18:32 访问量:153

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引用格式:杜丹丰,李亮,刘红玉,等.发动机进气消声的研究现状及趋势分析[J].重庆理工大学学报(自然科学),2017(7):20-25.

Citation:format:DU Danfeng, LI Liang, LIU Hongyu, et al.Analysis on the Present Situation and Trend in the Field of the Engine Intake Muffling[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science),2017(7):20-25.


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作者简介:杜丹丰(1972—),男,黑龙江人,博士,副教授,主要从事汽车节能减排方面的研究,E-mail:ddf72@163.com

发动机进气消声的研究现状及趋势分析

杜丹丰,李 亮,刘红玉,于 淼

(东北林业大学 交通工程学院, 哈尔滨 150040)

摘 要:发动机的进气噪声是汽车噪声重要组成部分,国家对汽车噪声的排放标准愈发严格,因此发动机进气消声的研究对汽车行业的发展有着重要的影响。首先介绍了汽车发动机进气系统结构和进气噪声的产生机理,详细地阐述了阻性消声器和抗性消声器对噪声的控制方法和原理及其具体结构,然后综合国内外进气消声器的研究现状对各类型消声器消声特点进行总结。分析结果表明:在保证进气效率的前提下,通过对阻性消声材料的优选和抗性消声器内部结构的优化,使阻性和抗性消声器良好结合为阻抗复合型消声器,可以得到更加优异的消声效果。

关 键 词:发动机;进气噪声;阻性消声器;抗性消声器;阻抗复合型消声器



Analysis on the Present Situation and Trend in the Field of the Engine Intake Muffling

DU Danfeng, LI Liang, LIU Hongyu, YU Miao

(College of Transportation, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Abstract:Engine intake noise is an important part of automobile noise, and the national emission standards for automobile noise are becoming stricter and stricter, therefore, the research of engine intake noise elimination has a significant impact on the development of automobile industry. This paper firstly introduces the structure of the air intake system and the mechanism of the intake noise, and elaborates the control methods and principle of resistive muffler and resistance muffler to noise and their concrete structure. Then based on the research status of the intake muffler at home and abroad,the paper summaries the characteristics of each type of mufflers. After analysis,we can get the conclusion that under the premise of ensuring the intake efficiency, the hybrid muffler, which is the outcome of optimizing the internal structure of the resistance muffler and selecting the resistive sound-absorbing material of the resistance muffler, and can get more excellent silencing effect.

Key words:engine;intake noise;resistive muffler;resistance muffler;hybrid muffler


随着汽车保有量的增加,汽车噪声给人们的工作和生活带来了很大的影响。人类长时间处在比较强烈的噪声下,会导致头晕目眩和心情烦躁,严重的将可能会导致噪声性耳聋和冠心病等心脑血管疾病[1]。为了控制噪声污染,国内外均制定了许多严格的噪声控制标准和法规,这对汽车行业的发展提出了新的挑战[2]

相关试验研究表明[3]:当汽车发动机的排气噪声得到很好地控制时,进气噪声将成为主要的噪声。进气噪声不仅是车外噪声的重要组成部分,而且在汽车低速运行时对车内环境影响也很大[4]。进气噪声若得不到有效控制,将直接影响人们乘坐汽车的舒适性,增加驾驶者的疲劳感。因此,对汽车发动机进气噪声的控制,将对汽车工业的发展有着重要的影响。

1 进气系统结构及噪声控制方法

1.1 进气系统结构

发动机的进气系统主要由进气管总成、空气滤清器总成、增压器、中冷器、进气歧管和进气阀等所构成[5]。图1为涡轮增压发动机进气系统内部结构示意图。

空气流经空气滤清器过滤掉空气中的杂质后,经进气道流进进气歧管,与喷油嘴喷出的汽油混合,形成一定比例的油气混合体,然后通过进气门将油气送入汽缸内点火、做功,从而产生动力。进气噪声的产生是由于进气门频繁地开闭产生压力周期性的起伏变化,以及高速气流流经进气门通道时所产生的。进气噪声属于空气动力性噪声,与发动机转速及进气系统的结构等多种因素有关,但它也会受到动力性、经济性等方面的约束,有时调整和改变设计十分困难[6]。因此,对进气系统噪声的控制方法研究显得非常重要。

1.2 进气系统的噪声控制方法

进气噪声控制方法包括有源控制和无源控制。有源控制是根据一个待消除声波的特性,产生一种方向相反、相位相反但幅值相同的声波,使它们相互抵消,从而达到消声的目的[7]。有源控制的消声方法起源于20世纪初期,但一直没有新的发展,直到20世纪70年代有源消声器才在管道消声应用方面取得了比较大的进步。有源噪声控制系统的优点是对低频噪声消声效果很好,而且非常节约空间[8]。但是,目前有源噪声控制技术尚不成熟,且造价较高,在目前汽车的进气系统方面鲜有应用。

无源控制方法是利用在进气管道上加装的消声器来改变进气管道内的声阻抗,通过消声器对声音的衰减来达到消声的目的。在现阶段进气噪声控制方面,应用较多的是采用无源噪声控制技术,其核心装置就是消声器[9]

在汽车发动机进气消声器的设计中,发动机的充气效率和进气噪声的噪声频率是应当考虑的两大重要因素[10]。充气效率是进气系统设计中考虑的第一要素,直接影响发动机的动力性和经济性。进气噪声的噪声频率(与发动机转速有关)又决定了发动机适用的进气消声器类型。因此,在设计进气消声器时,首先要保证发动机的充气效率在适当的范围内,其次要考虑进气噪声的噪声频域。

2 进气消声器技术及国内外研究现状

进气消声器种类有很多种,根据消声原理和内部结构的不同,消声器大致可分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合型消声器。

2.1 阻性消声器

阻性消声器(图2)是一种吸收型消声器,是声波在传递过程中通过多孔的填充材料时,由于声波和吸声材料之间相互摩擦和振动使声能转化为热能,从而消除噪声。影响吸声材料吸声性能主要因素还有实际工况的温度、湿度材料的厚度和密度、材料之间的孔隙率、吸水能力以及吸声材料的流阻等。阻性消声器的消声频域主要集中在中高频噪声的范围,对低频噪声的消声效果不甚明显[11-12]

国外对阻性消声器的研究起步较早,2003年8月,A Selamet等[13]对阻性消声器的几何形状、纤维材料的填充密度利用一维分析法和边界元分析法进行的声波损失仿真分析,证明阻性消声器的结构形状和材料类型都是影响消声特性的因素。2007年,F.D.Denia等[14]利用二维分析法和有限元分析法,并结合实验来对阻性消声器进出口管长分析对消声效果的影响,证明了适当地延长进出口管的长度对消声效果有利。2014年10月,F.D.Denia等[15]利用点搭配方案模拟在不同进气温度条件下阻性消声器的消声特性。近年来,国内的专家学者对阻性消声器的研究也有一定的进展。2009年,赵骞、顾灿松[16]利用GT-power一维流体动力学软件,研究了阻性消声器的设计参数(:吸声材料填充密度、穿孔率的变化)对发动机性能的影响,结果表明:设计阻性消声器时,只需要考虑材料填充密度。2015年12月,李寅勋等[17]对阻性消声的填充材料的密度在消声效果方面的影响进行了实验研究,结果表明:在不同噪声频域内,不同的填充密度消声效果有一定差异。

2.2 抗性消声器

抗性消声器又称为声学滤波器,是通过改变管道的内部结构使声阻抗产生变化,声波在传导时互相干涉来削弱噪声。根据进气管道内部结构可分为干涉型消声器、共振型消声器和膨胀型消声器等。抗性消声器的特点:对低频噪声的消声效果非常好,且构造简单、空间利用率高、耐腐蚀、使用寿命高,但消声频域较窄,针对性强,对高频噪声的消声效果不理想。

2.2.1 膨胀型消声器

膨胀型消声器(图3)是利用管道截面的突变使部分沿管壁传播的声波反射回去,在声波反射的过程中,会与管道内部向前传播的声波相互干涉,从而削减噪声[18]

虽然膨胀型消声器在消声这一方面有一定的条件限制,但是对于消声器的发展仍有重要的意义。2010年11月,Key Fonseca de Lima等[19]利用有限元分析法对不同膨胀腔的腔体内径和不同腔体长度进行仿真,相应地优化了腔体的内部结构。2014年5月,韩国水原大学的Jin Woo Lee[20]为研究膨胀型消声器的理想消声模型,通过对膨胀腔内部增加隔板的方式来改变膨胀腔的内部结构,用实验和仿真的方法来对比在各噪声频域范围内,添加隔板位置的不同对消声效果的影响。

2.2.2 干涉型消声器

干涉型消声器(图4)是通过增加旁支管道使主管道的声波和经过旁支管道的声波在两管道出口交叉处相遇,形成幅值相同相位相反的两声波,从而达到消除噪声的效果。这种消声器特点是对高频噪声消声效果较好,但是选择性较强,消声频域窄[21]

汽车进气系统中的1/4波长管就是利用这种消声器消声特性来削弱噪声的,2013年,Bin Li等[22]利用1/4波长管的在低频区域良好的声能回收作用,将其转化成电能。2015年7月,上汽通用五菱公司的谢志清等[23]针对特定的噪声频率并利用模拟仿真计算传递损失的办法来得到合适长度波长管,并在实车中得到应用。

2.2.3 共振型消声器

共振型消声器(图5)的结构是在主管道旁设置一个共振器。该装置结构简单,当声波流经共振器时,一部分声能使共振器产生振动,从而将声能转化为动能所耗散,另一部分声波将反射回主管道,与正面传递的声波相遇,发生干涉,削减噪声。这种消声器结构简单,消声效果极好,同样,带来的弊端就是消声频域窄。

国外对共振腔研究的比较深入。A Selamet,Munjal等[24-26]分析并研究了共振腔的理论和设计方法,利用各种仿真和实验对共振腔进行了多次改造,Chanand[25]对共振腔进行了腔体扩大,并研究了腔体和进气管接口位置对减噪的影响。Sugimoto、Horioka[27]通过在平行位置增加一个共振腔和改变共振腔腔体形状的方法来优化共振消声器。另外,很多汽车厂家在汽车上安装了进气谐振腔。美国康明斯发动机在使用共振式进气消声器后,发动机总体噪声下降了4 dB (A)。此外,日本的铃木汽车公司及本田公司也大量使用了共振式消声器。丰田公司在实施车外降噪过程中,一项重要的举措就是采用进气谐振腔。进气谐振腔的设计应用,改善了汽车发动机的进气噪声[28]

2016年1月,高书娜等[29]对Helmholtz共振腔进行了改造(见图6),他们在一级共振腔上又增加了一个共振腔,叫做串并联复合型共振式消声器,这种方法拓宽了进气消声器的消声频率范围。

抗性消声器还包括其他类型的消音器,比如多孔分散型消音器等,但在汽车进气系统中很少应用。

2.3 阻抗复合型消声器

阻抗复合型消声器(图7),就是将阻性和抗性消声器结合在一起。这样可以针对消声器的不同要求进行创造性组合进而对噪声进行一定控制。1973年北京市劳动保护研究所[30]对4种阻抗复合型消声器进行了简要的介绍。阻抗复合消声器一般由阻性和抗性两部分组成。根据工作原理分为:阻性-膨胀腔复合消声器、阻性-共振腔复合消声器、阻性-共振腔-膨胀腔复合消声器和微穿孔板消声器等[31]

空气滤清器本身就是一个阻抗复合型进气消声器,一方面空气滤芯所占的空间,有无数的小孔,可视为无数的膨胀腔;另一方面,空气滤芯的材料(棕丝、植物纤维、滤纸等)可视为阻性消声器的吸声材料。现在大多数的滤芯材料为树脂处理微孔纸,对杂质的过滤效率最高可达99%以上,但在降噪的效果上能力有限[32-33]

国内的专家学者对复合型消声器的研究成果比较多。2012年12月,Min-chie chiu等[34]在研究阻性——共振腔消声器(如图8)的各种影响消声器效果因素时,利用转移矩阵和模拟退火方法对共振腔的腔体位置、数量,阻性消声器进气管的管口直径、管壁穿孔率和穿孔直径,以及阻性消声器吸声材料的长短等影响因子进行了仿真分析,并得到最佳的内部结构尺寸。

2013年11月王海东等[35]申请了一项阻性-共振复合型消声器的专利,利用1/4波长管和共振腔来吸收中高频噪声,用阻性材料来吸收低频噪声,制作简单,安装在小型车上可节约成本。

中国奇瑞汽车程振峰等[36]于2015年7月申请了一项进气消声器的专利,如图9所示。该实用新型的进气消声器,采用膨胀腔和Helmholtz共振腔组合,既保证在较宽的频率范围内存在较大的消声量,同时利用赫姆霍兹消声器的特性对汽车进气系统的低频率范围内进行消声,可以快速准确地评估进气系统噪声对车内噪声贡献量。

        

过对阻性消声器和抗性消声器的消声原理的分析,总结了各类型消声器的消声特性和应用范围,如表1所示,能更加直观地了解每种消声器消声特点及应用。

3 发展趋势

由于汽车进气噪声频率比较复杂,所以阻抗复合型消声器得到了应有的重视和发展。通过对阻性消声器、抗性消声器以及阻抗复合型消声器消声特性的分析和国内外研究现状的总结,可得到现阶段汽车消声器的发展趋势:

1) 在保障汽车发动机充气效率和资源环境允许的前提下,研发具有优良消声特性的新型阻性消声材料以满足日趋严格的噪声排放法规。

2) 在保障汽车安装空间允许的条件下,进一步优化抗性消声器的内部结构。利用有限的安装空间来达到最佳的消声效果。

3) 在保障汽车成本的前提下,优化有源控制噪声的方法,设计和完善有源噪声控制器,使其能够在汽车进气消声方面广泛应用。

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