基于相位推导对尾端进气歧管的研究

2019-01-03王若平余云飞

汽车工程学报 2018年6期

王若平，余云飞，洪森

（江苏大学汽车与交通工程学院，江苏，镇江 212013）

多缸发动机进气歧管内气体流动是非常复杂的三维非等熵不稳定流动，各支管之间的相互干扰对发动机的进气性能与声品质具有重要影响。对此，国内外学者做了大量的研究。2000年， KRAFT提出了通过试验与测试的方法来降低进气歧管的气动噪声[1]。2007年，吴尚平详细研究了塑料进气歧管振动噪声的数值仿真方法，降低了歧管开发周期与成本[2]。2012年，黄泽好等对某发动机进气歧管进行了研究，充分考虑了进气阻力，通过优化，使进气歧管的进气均匀性得到提高[3]。2013年，李鑫等对进气歧管的管长与直径对发动机性能的影响进行了探讨，为进气歧管的开发提供了理论支持[4]。本文在理论推导进气歧管各支管相位对进气歧管声压阶次组成的影响的基础上，以某工程试验车为研究对象，根据理论优化发动机进气歧管，优化结果表明：通过调节各支管之间的相位角，能很好地改善进气系统噪声的阶次组成，达到改善进气系统声品质的效果。

1 进气歧管相位角对歧管声压阶次组成的研

1.1 发动机进气歧管气体相位与压力组成

如图1所示，发动机进气歧管是连接发动机气缸与进气管道系统的部件，当气体在歧管中运行时，第n个气缸传来气体到进气歧管入口处与1号气缸气体之间的相位差角由两部分组成。第1部分是各个气缸之间的点火间隔差角；第2部分是各个支管与入口处的距离不同引起的相位角。

式中：Δθn为第n个气缸与第1个气缸的相位差角；Δθ为各气缸与第1个气缸之间的点火相位差角；为各支管与第1个支管距离差的相位差角；ln为第n个支管到入口的距离；l1为第1个支管到入口的距离；φ为发动机一个工作循环转过的角度；N为发动机气缸数；ω为发动机曲轴的角速度；c为声音的传播速度；n为第n个发动机气缸。

以第1个支管为参考，第n个气缸声音传递到进气歧管入口声压的绝对转角为：

式中：θn为第n个气缸到歧管入口处声波的绝对转角；θ为第1个气缸的初始相位角。

在第n个支管中任何一点的压力由入射波声压与反射波声压组成。以支管与气缸交界处作为起点，管道内任意一点的压力可以表示为：

在进气总管内，压力为各气缸传到歧管的压力之和，假设每个气缸的入射波与反射波声压幅值相等，且不考虑气体在歧管中的紊流效应，总管处的声压可用以下公式表示：

1.2 发动机进气歧管相位角控制

尾端进气歧管是进气歧管的进气口位于歧管谐振腔的尾端，而中心进气歧管是进气歧管的进气口位于歧管谐振腔的中心。尾端连接进气歧管相比于中心进气歧管，由于对称性较差，导致气流噪声较大。对四冲程发动机尾端连接分管的进气歧管进行研究，提出以相邻支管相互调节的方案，以1号歧管为基准，调节2号歧管，使它们到歧管入口处的距离相等；以3号歧管为基准，调节4号歧管，使它们到歧管入口处的距离相等。以此来改变各个支管的相位角，达到改善进气歧管总管处的声压阶次组成的效果，改善进气系统的声品质。推导如下：

四冲程发动机一个工作循环的周期为4π，则四缸冲程发动机相邻两个气缸点火相位差为

则：

式中：θ1、θ2、θ3、θ4分别代表4根支管中的相位；θα为第1号支管的初始相位角；θβ为第3号支管的初始相位角；l1为第1号支管到歧管总管处的距离；l2为第3号支管到歧管总管处的距离。

（3）当m=1, 2, 3,…,n时，为其它整阶次声压波：

由上述公式推导，调节进气歧管相邻支管，进气歧管总管处的声压幅值呈现如下分布规律：进气总管处发动机点火阶次与其谐波阶次声压级将会得到增强，而半阶次与其它整阶次声压级将会被抑制。根据阶次与舒适性的对应关系，发动机点火阶次与谐波阶次声波将会使声音更加浑厚，舒适性更佳；半阶次声波会使声音更具有阶跃感。本文提出的调节方案将会使进气系统噪声的听觉舒适性更佳。

2 试验数据采集与建立发动机进气系统仿真模型

2.1 试验车进气噪声信号采集

为验证理论推导的准确性，以某工程试验车为研究对象，在整车半消音室采集试验车3挡WOT工况下的进气噪声，进气噪声信号采集麦克风布置在离进气口10 cm处，试验如图2所示。

图2 试验车进气噪声采集

2.2 搭建发动机进气系统仿真模型

如图3和图4所示，在GEM-3D中建立试验车进气歧管模型并与用GT-POWER建立的发动机模型进行耦合仿真。建模过程中，在进气口添加麦克风模块，用来采集进气口噪声，并与试验值进行对标，验证仿真模型的准确性。同时在进气歧管各个支管处添加麦克风模块，用来监测四处的相位，验证管道调节对相位角的影响。仿真结果如图5所示。

图3 试验车发动机进气歧管模型

图4 发动机进气系统模型

图5 发动机进气噪声试验值与仿真结果对比

将试验采集的进气噪声信号与仿真结果进行对比，仿真结果与实际进气噪声存在一定的误差，这主要是因为试验车在进行3挡WOT试验时，进气系统中的各个部件将会产生振动，这对进气噪声会有一定的影响，而在搭建试验车仿真模型时并未把振动考虑进去，因而造成误差。实际进气噪声趋势与仿真结果有很好的一致性，误差值也在2 dB左右，在接受的范围之内，因此，该仿真模型能很好地模拟试验车进气噪声。

3 发动机进气歧管的优化

试验车进气歧管采用尾端连接分管，各分管等间距分布，每两个歧管的间距为40 mm。考虑到进气歧管长度对进气性能的影响，不等长支管将在一定程度上降低进气系统的充气效率[5-7]。对进气歧管的调节方案为：以1号歧管为基础，调节2号歧管，沿x向增加20 mm；以3号歧管为基础，调节4号歧管，沿x向增加20 mm。通过相邻歧管之间的长度调节，保证1号和2号歧管到进气歧管入口处的距离相等，3号与4号歧管到进气歧管入口的距离相等，使相邻歧管间的相位差为π。优化后的进气歧管如图6所示。