基于多体动力学仿真技术的多缸发动机噪声预测

黄硕 (东风商用车有限公司发动机厂，湖北十堰 442001)

基于多体动力学仿真技术的多缸发动机噪声预测

黄硕
(东风商用车有限公司发动机厂，湖北十堰 442001)

对一台四冲程直列四缸涡轮增压柴油发动机建模，使用多体耦合和有限元边界元来进行噪声辐射预测。对其进行多体动力学仿真，模拟这台发动机从1 500～4 000 r/min的工作状态，确定动力总成的激励大小，还特别估计出了作用在缸体上的作用力。在发动机动力系统的动态描述中，同时考虑气体压力对燃烧过程的影响和运动部件惯性力的作用。此外还评估了实际发动机的操作性能，曲柄和缸体都被视为自由体。依据ISO3744标准，基于著名的MATV方法，利用模态参与因子的缸体激励，计算出距发动机1m处的发动机噪声辐射大小。通过LMS Virtual.Lab工具，对发动机动力总成的动态及振动噪声表现进行描述。

多缸发动机；噪声；发动机动力总成

0 引言

当设计一台新发动机的时候，汽车工程师会考虑不同的设计目的，也可以看作各种约束。例如高性能、低质量、耐久性、低成本和可以接受的噪声水平等。有时候这些目标有着不同的目的，并且是相互矛盾的。所以往往当一台原型机制造出来后，再想得到一个好的折中方案就很困难了。因此，在设计阶段使用预测方法是很重要的，由于市场压力和竞争，汽车制造商正在努力缩短开发周期[1]。

因为这个原因,数值模拟技术变得越来越重要。一方面，它可以帮助工程师在设计初期开展工作；另一方面,也可以减少制造和测试物理样机的次数。

结构和声学建模方法用于预测噪声、振动、发动机动力学和耐用性等性能。它已成为设计流程中满足车辆舒适性需求和震动噪声法规的关键工具[2-5]。特别是在较低的发动机转速时，在振动的条件下低频率传递的发动机支架，是一个非常重要的激励部件。

文中主要对一台四冲程直列四缸涡轮增压柴油发动机的振动噪声进行研究。该发动机模型用来模拟整个发动机部件的受力和位移。由发动机的几何数据创建动力系统多体模型，根据1D数值模拟多体动力学仿真(MBDS)的燃烧负荷。这样，两个机械力和燃烧的爆发压力将同时在发动机缸体上工作。

这个项目将采用有限元与边界元结合的方法[6]。数值模拟过程中，需要动态和静态结果时，有限元方法是一个标准的工具。而边界元方法，是当需要声波辐射预测结果时才起作用。边界元法是解决间接配方和变分问题的方法，并利用模态声传递向量(MATV)算法[7-8]。通过这种方式，可以根据ISO3744标准计算出距离发动机振动表面1 m外的辐射噪声是否达标。

1 发动机动力系统与动态仿真

目前的工作可以分为两个主要的数值分析。首先,待测试的发动机动力系统多体模型已经使用LMS动力系统动态模拟器(PDS)建立，同时已经用Virtual.Lab Motion软件完成了动态仿真。特别是VL Motion模型经过求解，得到了在发动机的整个工作转速区间内，从1 500～4 000 r/min的载荷预测值。其次，通过使用Virtual.Lab Acoustic工具进行声学仿真，对在每个转速下的声压水平的声音辐射进行评价。下面，将对上述两部分数值分析程序进行详细说明。

被测试的发动机是一台四冲程直列四缸涡轮增压柴油发动机。发动机的主要参数如表1所示。

表1 主要发动机参数

因为内燃机代表一个复杂的系统，包括曲轴、活塞、连杆、缸体、飞轮等部件，所以需要通过多体结构进行建模。为了模拟真实的发动机工作状态，曲轴和缸体都假设为柔性体，而其他组件都假设为刚性体。为了获得一份可以详细描述曲柄连杆机构中接触的所有多体模型(如活塞衬套、轴承等)，需要提供发动机组件的所有信息，包括集合数据和物理特性(如质量和惯性矩)[3]。

发动机动力系统的多体模型(如图1)包括：曲轴、飞轮(绿色部分)，4个活塞(红色部分)和它们的连杆。其中飞轮为一个从曲轴隔开的单独刚体，缸体为4个挂载位置的集中质量(橙色圆点部分)[9]。发动机支架为包含刚度、阻尼等特征的柔性体。

在Virtual.Lab Motion模块中，使用PDS模块创建3D虚拟动力系统模型，用动画将所有的机械部件加在一起组成运动的多体模型，能够更好地理解整个系统的运动形式。此外，通过Virtual.Lab Motion模块在有负载的机械系统中建立柔性体。为了获得更加真实的分析结果，曲轴和缸体均假设为柔性体[5]，在考虑自然模态形状的条件下建立曲轴和缸体的有限元(FE)模型。

图2为曲轴和缸体的有限元模型。曲轴的有限元模型包括5 278个节点和19 461个单元：19 455个四面体单元(CTETRA)，6个单元是位于主轴颈和曲柄销位置的刚体单元(RBE3)。发动机缸体的有限元模型包含23 226个节点和14 497 个单元：13 572个六面体单元(CHEXA)，831个五面体元素(CPENTA)，60个刚体单元(RBE2)，30个梁单元(CBAR)和4个代表4个发动机支架的集中质量单元(CONM2)。刚性单元设置为保持相对位置不变(例如沿着活塞滑动、在主轴承位置和安装位置)。

两个有限元模型的模态分析已用MSC.Nastran 软件分析完成，曲轴和缸体的模态参数已获得，如形状、自然频率和模态向量等。模态参数见表2。

表2 曲轴和缸体的模态分析总结 Hz

图3展示了曲轴在427 Hz时第一次弯曲时的固有模态和缸体在789.9 Hz时第一次扭转时的固有模态。

为了模拟发动机在真实条件下工作时作用在发动机每个组件(如发动机支架燃烧、主轴承负载)上的力，设置为1 500～4 000 r/min的扫描区间，并以250 r/min递增，并在每一个转速下求解。这样做的好处是:整个扫描是在一个单一的解决方案下完成的，大大减少了计算时间。表3显示了速度扫描输入数据。

表3 速度扫描输入数据

将表1中通过一维数值仿真所获得的发动机的数据用来预测在3种工况下(1 500，2 500和3 500 r/min下，满载)气缸对气缸的压力循环。一维数值仿真的细节将在后面详细阐述。

2 一维模型

一维仿真代码[10]用来在研发发动机的第一阶段模拟所研发的发动机性能。一维代码解决了进、排气系统管道中的质量、动量和能量方程，此时气缸内的气体被视为一个零维系统。关于燃烧过程的建模，通过double-Wibe方程来计算放热率。由于发动机配备了高压共轨喷射系统，喷射变得简单。在目前的分析中导杆+主喷射器的设计方案已经确定。在喷射和燃烧过程中，从预先混合到扩散阶段燃烧持续期的调整值已设定。Wibe方程的参数与发动机的工况相关，四缸柴油机放热率的相关数据已通过实验获得[11]。最近，Wibe方程参数与发动机工况的关系通过六缸涡轮增压共轨柴油发动机已经更新，用以参与导杆+喷射器部分的计算[12]。一旦错过点火延迟时间，Wibe方程就会被激活。这个方法虽然简单，但却能够得到一个准确的在排气阀打开时的废气温度估计值，这个可靠的估计值可用在涡轮入口处。这可以令发动机和涡轮增压器间具有良好的匹配预测条件。

发动机的一维仿真模型如图4所示，它包括了全部的主要部件和发动机上的控制装置，如废气再循环系统。涡轮增压组的性能特性图由制造商提供。特别指出，可变嘴涡轮(VNT)是用来控制增压级别的。

图5显示一维模型结果，包括气缸在发动机不同转速下、满载条件下和没有废气再循环的压力周期循环曲线。这些工况实际上是噪声辐射方面最关键的工况。增加发动机转速可以决定更高的增压水平和峰值压力。气缸的最大压力依据进气冲程的实际充气状况而定。气缸最大压力的细小变化可以在最高转速下观察到。峰值压力的位置取决于燃油喷射方案所设计的可变燃烧相位的变化范围。更进一步的研究中，后者可以用来控制压力的提升和降低辐射噪声[13]。所计算的压力周期可以用来计算作用在发动机结构上的激励大小，用以进行之后的声学分析。

图6显示了燃烧力在z轴方向的分量，它主要来自于每个转速下作用于气缸1的气体压力。另外对应于其他发动机转速下的工作点，通过PDS速度扫描工具计算可以得出。随着发动机转速的增加，燃烧过程提前，循环周期减少，峰值变得越来越高。这主要是随着发动机转速的提高，增压水平也跟着提高。

多体动力学仿真后的处理结果，如发动机工作期间的燃烧载荷、发动机支架载荷及所有作用在缸体的力均已获得。

图7展示了发动机转速对于曲轴轴承受到的z轴方向分力的影响。可以看到：在低频率范围内(400 Hz)，影响最大的阶数是二阶和四阶。对于四冲程直列四缸发动机的相关频率,由以下关系可以求出：

(1)

式中：k表示发动机的阶数，n是发动机转速(r/min)。第二阶，对应于1 500 r/min时的频率为50 Hz的图像，与燃烧现象有关；而第四阶在1 500 r/min时达到100 Hz，仅与纯机械现象相关。此外，正如从色图上看到的，曲柄轴承上z轴方向分力最大值发生在第四阶，对应发动机转速为3 750 r/min，频率为250 Hz。

从使用VL Motion进行的动力学仿真后所获得的参数中提取发动机机体模态参与因子，同时对它们在不同工况、不同转速下的影响也进行分析。这部分分析对于理解哪种缸体振型对系统动态性能影响最大非常重要。理解哪种模态最重要仅仅只是基础，通过分析得到更重要的结论从而优化测试系统的性能才是目的所在。

图8中的色条显示了发动机缸体前8阶模态参与因子在3 000 r/min时随频率变化的关系。可以看到：在该转速下，最重要的缸体模态是在200～300 Hz范围内出现的。类似的结论也可以在其他转速的研究中发现。

3 发动机外部噪声的分析与结果

数值分析的目标是预测发动机模型在工作时的噪声辐射情况。这个准确的分析结果可以用作更进一步的特别在设计阶段对整车内部噪声进行预测。

在后文中，将介绍声音分析的内容，并展示和讨论分析结果。同时将用在能够预测发动机噪声辐射的间接边界元法中[14]。

一旦估计了整个发动机动力系统的动态性能，接下来就是参照ISO3744标准评估距离发动机1 m处的噪声辐射。

通常，在进行声学分析时，系统在规定的运行速度时的机械振动被当做边界条件。在这种情况下，需要使用模态参与因子利用Virtual.Lab Acoustic声学分析工具，就不需要计算出每一种发动机转速时的辐射面振动。这种模态技术可以大量缩减数据的运算时间，同时不会影响分析精确度。

为达到这个目的，前面得到的模态参与因子将一同被分析，因此模态声传递向量(MATV)的分析需要提前完成。

在图9中，显示了发动机机体的边界元网格化分、对称面(绿色表示)和虚拟测量面(黄色表示)。缸体的边界元模型由7 144个板单元和7 275个节点组成。设置对称面是为了将发动机的底部辐射也考虑进去。测量面是参照ISO3744标准，用距离发动机1 m处的虚拟半球面表示，那里的麦克风将收集发动机的声功率和声压值。

声学分析在20～5 000 Hz范围内进行(以20 Hz为递增值)，而且对于每一个发动机转速下的声功率和声压频率谱都进行了计算。同时对发动机整个工作转速内的变化也进行了分析。对于每一个发动机转速下的整体噪声水平(单位dB)也进行了计算和比较。

图10展示了在1 500，2 750，4 000 r/min时的噪声谱。它们的曲线图显示了相似的变化趋势，都是在低频区间时有较高的噪声等级，此时燃烧状况对声压谱的影响起主要作用。同时一个跃升点也展现出来(在20～500 Hz频率区间内)。最大值出现在250 Hz处，在该频率缸体一阶模态同时出现，它主要影响发动机的动态性能。

在0～300 Hz范围内，对应所设定的不同发动机转速，气体压力频率和惯性力对噪声影响显著。

在高频范围内(2 000 Hz以上区域)，噪声曲线显示出了一个几乎恒定的低声压水平。在这个频率范围内，对于噪声起主要作用的是来自于惯性力和缸体模态的纯机械作用。另一个非常明显的出现峰值在4 100 Hz时，主要与发动机的模态有关。

图11是一个瀑布图表，它展示了声压曲线随发动机转速和频率的改变。图12显示了当发动机运行在2 750 r/min和250 Hz时，声压在虚拟测量表面的等高线图。它呈现出关于x轴对称分布同时缸体两侧的声压水平一致的特点。特别要指出的是：ISO场点5对应的声压水平约89 dB，在这个频率上，缸体的第一振型是对发动机性能影响最大的。

在图13中显示了ISO场点5处计算得到的包含了整个发动机转速区间的色图。主要的第四阶和第五阶的结果被清晰地标记出来。根据公式(1)得到第五阶的最大值出现在转速3 750 r/min、频率310 Hz处。

4 结论

在发动机的设计过程中，发动机声音辐射预测已经成为一个重要的环节。发动机结构传递噪声的精确模拟将会为发动机开发过程提供有用的信息，同时可以对结构进行优化或者通过改变喷射系统从而改变缸内压力曲线。

作者在一台四冲程直列四缸涡轮增压柴油机模型上，从1 500～4 000 r/min对整个发动机工作转速区间进行振动声预测分析。

已经做了20～5 000 Hz范围内的(以20 Hz为递增值)声学分析，并对发动机每个转速条件下的整体噪声水平进行计算和比较。

在测试转速下，对发动机共振对于声学性能的影响也进行了分析。

和预想的一样，对发动机整体噪声水平随着发动机转速的提高而提高。需特别指出的是：从发动机转速的最低值到最高值，噪声提高超过18 dB。更进一步的研究将从两种可行的方案去关注发动机的优化设计：(1)为了减少发动机的振动和噪声辐射，需要考虑不同的发动机支架结构；(2)需要采取新的燃料供给。

最后，将验证减少汽车内部噪声的效果是否满足乘客舒适性的要求。

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Noise Prediction of a Multi-cylinder Engine Using Multi-Body Dynamic Simulation Technique

HUANG Shuo
(Engine Plant, Dongfeng Commercial Vehicle Co., Ltd., Shiyan Hubei 442001, China)

A model was built for a turbocharged 4-cylinder diesel engine prototype, and a coupled multi-body and finite element analysis-boundary element (FEM-BEM) methodology were used to predict the noise radiated. A multi-body dynamic simulation was done to simulate the engine working condition from 1 500 to 4 000 r/min, in order to determine the excitation force of the powetrain, and the forces acting on the cylinder block was estimated in particular. In dynamics description for the engine powertrain system, both the effects of the gas pressure during the combustion process and the inertia forces of the moving parts were taken into account. Moreover the real engine operating behavior was assessed, with both the crank and the block were considered as flexible bodies. Afterwards, the cylinder block excitations in terms of modal participation factors were used to evaluate the engine radiated noise at a distance of one meter away from the engine, based on the well-know MATV methodology and according to the ISO 3744 standard. The dynamics of the engine powertrain and its vibration-noise behavior were described using LMS Virtual.Lab tools.

Multi-cylinder engine；Noise；Engine powertrain

2013-11-06

黄硕(1989—)，技术员，主要研究方向为发动机整机性能开发。E-mail:30252297@qq.com。