基于数模仿真的发动机排气噪声优化研究

发布时间：2020-07-16 04:18

【摘要】：噪声污染与大气污染、水污染是目前被世界所公认的三大环境公害,严重影响着人们的正常生活,其中汽车噪声已经成为现代都市的首要噪声源。面对日益严格的国家汽车噪声法规和人们日益增长的对汽车噪声控制的需求,发动机排气噪声作为汽车噪声的主要噪声源之一,也越来越受到关注。本文研究工作结合工程项目中遇到的发动机怠速噪声过高、排气消声器功率损失过大的具体工程问题,立足于发动机排气噪声控制,对发动机排气噪声生成机理、控制方法以及数值仿真优化方法进行了深入研究。然后,利用GT-Power发动机仿真分析软件及其前处理工具GEM3D,对发动机整机及排气消声器进行了建模仿真,并通过试验数据进行了模型校准,用于发动机排气噪声的仿真优化。基于已校准的GT-Power仿真数模,通过对原机排气噪声仿真分析,发现原机怠速噪声过高主要是由于排气消声器声学结构设计匹配不合理造成的,进而对影响发动机排气噪声的关键因素进行了深入分析。通过对消声器多个基本消声单元的连接结构以及排气温度、排气管道直径和排气尾管长度对排气噪声的影响分析发现:对于排气消声器可以通过设计多个不同频率的消声单元串联扩宽其消声频带,并通过合理设计消声单元串联之间的间距增大其消声性能;排气温度对排气消声器的消声性能有很大影响,由于排气系统温度梯度比较大,在排气消声器设计中,应充分考虑排气温度梯度的影响;减小排气管道直径,可以减小发动机低转速下的排气噪声,但在高转速高负荷工况会增大流动噪声的产生倾向,同时也会使得功率损失上升;通过增大排气尾管长度,可以显著降低发动机排气噪声,在排气消声器设计完成后,可以通过适当增大排气尾管长度以满足消声目标。基于对排气噪声的关键影响因素的分析,通过合理地设计排气消声器,使得工程问题中发动机怠速排气噪声较原机降低6dB,最大功率损失控制在10%以内,并最终进行了试验验证,满足设计要求。本文通过GT-Power数值仿真的方法指导发动机排气消声器优化设计,取得了很好的实际效果,缩短了开发周期,节约了开发成本,对发动机排气系统噪声控制具有重要的指导意义。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U464.134.4;U467.493
【图文】：

发动机噪声,整车,噪声,振动源

发动机噪声分类是一个综合性的噪声源，汽车包含发动机及其电控系系统以及车内其它电器元件等，在汽车行驶运动过程振动、摩擦等因素而产生噪声，但是它们对汽车整体汽车噪声是汽车各部分产生的噪声相互叠加的结果，胎噪声、风激励噪声，如图 1.2 所示。发动机噪声是轮胎噪声主要是由路面与轮胎的摩擦以及轮胎与空气噪声主要是由汽车高速行驶时车身与周围空气摩擦引源与汽车的行驶速度和噪声的频率范围有关，如图 1.，发动机是汽车的主要噪声源与振动源；在汽车中速其主要噪声与振动源；而在汽车高速行驶时，风激励振动源。在噪声频率组成成分中，低频噪声范围内，声源与振动源，随着噪声频率的增加，轮胎噪声与风加，在中高频时，风激励噪声开始占主导成分[5]。燃烧噪声

示意图,发动机排气系统,示意图

发动机排气噪声生成机理排气噪声生成机理动机排气系统可分为冷端和热端两部分，如图 2.1 所示，主要由排气歧管化器、波纹管、前置消声器、后置消声器和尾管等部件以及其它相关附成，对于增压发动机而言，还包括涡轮增压器或者其他形式的增压系统发动机工作时，缸内混合气在极短时间内燃烧产生高温高压的废气，当开时，缸内高温高压的废气经由排气系统处理引流排入大气，排气系统气净化和降低噪声的作用。由于车用发动机工作时做活塞往复运动，排律的开启和闭合必然引起排气气流在排气管内以脉冲形式流动，导致气剧的压力波动，进而产生排气噪声。发动机排气噪声属于空气动力噪声按照其生成机理可以分为基频噪声、排气系统管道内的气柱共振噪声、和喷注噪声、气流冲击管道产生的冲击噪声、气流与管道之间摩擦产生声以及排气管道振动产生的辐射噪声等。热端冷端

谐振结构,气阀

（2-3）式中，n为谐波的次数（取1，2，3，4…）。图2.2 气阀开启时，Helmholtz谐振结构图2.3 气阀关闭时，气道内腔简化结构发动机可燃混合气在缸内燃烧会产生高温高压的废气，在发动机排气过程中，发动机废气会以高速度冲击排气门，从而产生比较强烈的废气喷注噪声。在发动机排气过程中，当排气阀刚开始打开时，排气门开度比较小，流速较大，此时气体处于超临界状态，会产生剧烈的涡流；当排气冲程活塞上行时，排气阀开度变大，流速减小，但由于流体具有粘性，也会带动周围气流一起旋转形成的一定强度的周期性涡流。涡流带动气门背面的气体一起剧烈流动

【参考文献】