■强虽 团圆 ＤＥＳ，Ｇ『＼『设计 文／陈欢’齐昀、李恒（１同济大学：２上海大创汽车技术有限公司） 进气系统的阻力和声学是一对矛盾，顾此失彼都难以做到性能与成本的最优，是进气系统开发过程中的难点所 在。本文详细阐述了在进气系统开发中，如何进行两者之间的合理平衡。针对不同的开发模式、开发阶段，提出 了如何定义管道直径的方法，给出了流体设计的基本理念。以有效指导进气系统的初期开发工作。 进气系统 道声学研究领域，截面扩张比越大，其消声能力 发动机进气系统主要包含进气引气管（脏 越高，即声学性能更优，可将空滤壳体当量截面 管）、空气滤清器（以下简称“空滤器”）、过滤 积／进气管路截面积视为扩张比．进气管路内径尺 后管路（干净管）、波纹管、消声器结构以及相应 寸越小，扩张比越大，消声能力越高。因此一般 的固定连接小部件等。相较于自然吸气型发动机， 而言，压降（流阻）与管口噪声是进气系统开发 增压发动机的进气系统通常设计有宽频消声器结 过程的一对矛盾存在。如伺选择进气管路尺寸， 构。跨入本世纪前，进气系统的开发主要关注其流 如何平衡压降与声学，是本文探讨的重点，也是 动特性以及空滤器的过滤性能，以实现发动机优化 实际工程开发的关键。 匹配的目的。而目前进气系统开发，涉及多方面、 传递损失为人射声功率级与透射声功率级的差 多物理场的设计与分析 需要权衡的开发性能指标 值，反映消声元件本身的声学特性，常用于评价消 很多，如进气阻力、辐射噪声、结构模态、刚度、 过滤性能、工艺可行’＾生以及生产成本等．．在设计开 声元件或系统的消声性能。图１为扩张腔式消声结 构的截面扩张比对ＴＬ的影响规律，由图可知：截面 发初期（工程样件阶段），主要考虑压降和噪声两 扩张比越高，相应的消声幅值越高，而消声幅值所 大性能。 对应的频率不变，可提供实际设计开发过程的理论 但是在进气系统实际开发过程中，先保证阻力 指导。 特性，还是声学特性 先优化声学水平，还是进气 另一个角度分析：在给定进出气管径的情况 阻力？这个问题相对比较复杂，也是在进气系统开 下，若增加空滤的腔内容积，毋庸置疑进气阻力将 发过程中时刻需要权衡的问题，本文将对其进行详 有所降低，同时进气管口噪声也将有所改善。因此 细阐述。 从这个意义上来说，两者又并非完全矛盾。但进气 系统的开发流程，空滤器数据一般作为首要确定的 进气阻力与声学性能的矛盾 参数，而后才进行进气管路的匹配设计、分析， 众所周知，在给定空滤器容积（及滤芯）的 因此此处仅阐述分析进出气管路尺寸对系统阻力的 前提下 进气管路的内径尺寸越大，进气阻力越 影响。进气系统开发前期，主机厂通常会对压降和 小，进气更顺畅，相应的压降指标越小。而在管 ＮＶＨ设定一个目标限值，提供给供应商用于开发过 届圃脑圄圆函囫 ＤＥＳｌＧＮ｜设计 ； 进气管径 程中的约束。那么对于开发者而言，如何平衡系统 阻力与ＮＶＨＡ，３选择，以此来获取相对最优的进气管 能、进气压降的影响，相对越细的进气管直径能够 进气系统的ＮＶＨ开发策略 进气系统ＮＶＨ的正向开发通常有两种主流的开 路尺寸。图２所示即为进气管路直径分别对声学性 发模式，一种是给定进气系统噪声的限值指标，另 一种则是给定系统的传递损失 肖声量指标，提供给 获得相对越优的消声性能，而势必增大系统进气阻 供应商进，￣ＮＶＨ设计开发。 力，两者之间存在一个平衡点，能够兼顾压降与声 针对噪声限值的开发策略 学两方面的特 眭。经验丰富的开发者正是在寻找满 针对第一种开发模式，即主机厂给定进气系统 足要求的成本、性能、工艺、质量控制等的最优化 噪声限值，供应商基于自身的开发能力，进行消声 的平衡点。 结构的设计，同时考虑各消声腔体、容积等的合理 个系统设计的优劣和成本控制的高低，更 分配与布置。这种开发模式需要进气系统供应商具 大程度上取决于ＣＦＤ和ＮＶＨ工程师的经验。高水 备一定的ＮＶＨ测试、仿真与分析能力。因为主机 平的工程师可以允许进气管设计的更细，从而为 厂提供的整车进气噪声特 眭并非已知，且如伺获得 ＮＶＨ提供更多的设计余量，因此可以少用几个谐 进气管口的噪声水平与频率特性，进而如何设计消 振腔。如果面对的是自然吸气发动机，可以在确 声结构以满足进气口噪声衰减目的，最终实现噪声 定的管径和空滤容积的情况下更好的调节谐振腔 限值要求，这些工作都严格要求供应商具备一定的 Ｒ 崮 的位置和尺寸，从而使得各阶次此起彼伏，有效 ＮＶＨ理论基础与实际工程开发能力。如上所述， Ａ，Ｏｉ［ＰＮ噪声总值和各阶次，带来较好１￣９／，］Ｄ速线性 在开发阶段的前期，主机厂通常给定转速域内进气 度。如果面对的是一台增压发动机，主要处理相 噪声的总值、阶次限值等。主机厂提供噪声限值要 对高频的噪声（８００－５０００ Ｈｚ），主要的工作在 求，供应商开发进气系统与消声结构，这种模式也 于如何合理分配各谐振腔容积，以及定义内部结 适的管径，管长，空滤容积是声学设计的先决条 件。如何确定这些参数呢，下文将进一步阐述具 体的开发策略与方案。 是目前国内进气系统开发的常见模式，供应商需要 构参数，在特定的频率上达到最佳的消声量。合 在不同的开发阶段或ＥＣＵ标定阶段进行相应的噪声 调校。 这种进气系统Ａｇ ＮＶＨ开发模式，就需要供应商 在已有的空间内实现尽可能高的消声能力，同时又 要详细考虑到消声结构的频率分布特性。而提高传 递损失 肖声量的方法之一是缩小进气管直径，而这 也正是对压降影响最直接。在这种情况下，建议先 图３空滤器内部流动局部优化效果 ０ 进气阻力与声学的相互矛 盾，如何平衡两者之间的关 从ＣＦＤ着手，通常流量和压降目标值是已知的，根 据流量可以计算出进气管不同直径下的平均流速， 反之亦然。综合分析进气平均流速的大小，确定工 系，这在全周期开发阶段皆为 关键所在。 程上可接受的最大平均流速，那么进气管内径就可 以轻松计算获得，设计工程师可以依此作为第一版 数据的输入。如果ＣＦＤ分析阻力值超过目标值，此 时不建议贸然增加管径，因为通常可以通过修改管 道走向和截面变化使得进气管内气流的流动更为 顺畅，也会带来空滤本体气流的改善。据作者工程 实践经验：在不修改管径情况下，只优化管道中心 线和截面变化，以及下壳体进口局部区域结构，使 压强从５．６ ｋＰａ降＇ｆＢ￣Ｕ３．８ ｋＰａ以下（见图３）。虽 然优化后的流线ｔｌ￣Ｒ，－Ｊ紊乱，但形成负压所在的“旋 涡”消失，大大促进了进气的顺畅性。ＣＦＤ优化的 目标并非简单的达到客户的要求，而是应该尽量用 最小的管径，从而为接下来的ＮＶＨ优化留下更多余 地。 针对传递损失 肖声量的开发策略 针对第二种开发模式：主机厂明确每个频率段 上进气系统的传递损失 肖声量的数值，提供给供应 商进行针对性地设计与开发。这就要求主机厂已经 大的空滤壳体，这对于成本来说将是巨大的损失。 对该发动机进气噪声特性有相当的数据库或横向对 这便是本文开头所述的如何平衡进气阻力、噪声、 比资料。供应商可以无需进行原状态噪声特性的测 工艺及成本，这是进气系统工程开发过程中需要时 试与分析，仅完成消声腔体的合理分配与设计，最 时分析与考量的，也是优秀工程师的价值所在。 终实现目标频段的目标消声量幅值即可。这种模式 通常适用于对已有系统的升级。对此，建议先进行 总结 进气系统开发是一项复杂的，综合的，也具挑 使了进气系统开发的重要性与关键性。进气阻力与 ＮＶＨ仿真，因为ＮＶＨ仿真可以初步分析空滤器的基 础容积、管径信息，相对合适的空滤容积可以减小 战的工作，尤其是现阶段对ＮＶＨ性能的严苛要求促 谐振腔的个数。如图４中红色线是ＮＲ（消声量）目 标值，仿真计算消声量ＮＲ曲线为蓝色线所示，就说 声学的相互矛盾，如何平衡两者之间的关系，这在 明空滤的容积和管径的参数基本是合理的，后续只 全周期开发阶段皆为关键所在。同时，针对进气系 需要调整谐振腔的频率到个别消声量不足的频率处 统两种不同的开发模式，本文也作了详细的开发策 即可。如果仿真结果是黄色的曲线，为了达到目标 略阐述，分别介绍了不同的开发模式下所需要的开 值有可能需要多个谐振腔，具体数量或许会超出边 发框架，并提出合理的建议与意见。当然，进气系 界允许的容积。在这种情况下则建议减小管径或增 统ＮＶＨ开发并非仅限于此，除此以外还有更多针对 大空滤容积，ＣＦＤ工程师此时应当妥协，因为不可 性ＡｇＮＶＨ开发技术措施与手段，本文仅从开发策略 能为了达到声学指标而加太多的谐振腔或者弄个硕 的角度进行阐述与探讨，暂不作深入研究与延伸。口
