扰流网对汽油机轿车节气门啸叫优化的试验分析

吴喜庆 崔振伟 王亚飞 徐猛 李基芳 何伟举 付宇

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

随着中国汽车市场的不断发展，汽车日益普及，人们对汽车NVH性能上的要求也发生了变化，尤其对整车噪声方面越来越重视。节气门啸叫作为比较有代表性的汽车加速噪声，近年来受到了越来越多整车厂和用户的关注。但该噪声发生的机理较为复杂，涉及的零部件和系统较多，所以成为整车NVH开发中的难点之一[1]。文章基于某型汽油机轿车出现的节气门啸叫问题，通过增加扰流网的方式对其进行优化改善，并通过整车节气门啸叫噪声试验和发动机性能试验进行评价验证。

1 节气门啸叫产生的机理

在汽车怠速或低速行驶时，当驾驶员快速踩下油门踏板，ECU将此信号反馈到节气门体上，节气门体通过电机快速打开阀片，此时由于阀片两侧的气压差大，造成气流快速通过节气门体而进入进气歧管。

图1示出节气门啸叫示意图。从图1可以看出，当节气门体阀片快速旋转打开时，从阀片上侧通过的气流斜向下流动，如虚线所示，从阀片下侧通过的气流斜向上向中间流动。当这两股气流发生撞击，造成进气湍流的加大，并生成高频率的压力波动，产生噪声并向外辐射，这就是节气门啸叫产生的机理。

图1 节气门啸叫示意图

文章研究的轿车搭载一款1.5 L的四缸汽油机，该汽油机采用塑料进气歧管。由于塑料密度小，隔声和吸声能力差，其内部产生的节气门啸叫会更加明显而更容易被人感知，而且该车的节气门啸叫发生在发动机噪声之前，人为能够明显分辨出来，其余工况下基本感知不到。这主要是因为节气门啸叫的噪声与气流湍动能和气流密度的乘积成正比[2]。根据节气门角度与啸叫噪声的关系，在发动机低转速时，节气门开度小，气流密度低，因此啸叫不明显；而在发动机转速高时，节气门阀片开度很大，一般在60°以上。由于进气歧管内的真空度降低，气流湍动能很小，所以啸叫也不明显。节气门啸叫属于气流碰撞产生的一种物理现象，无法消除，只能采取相关措施进行改善，使得该噪声远离人耳的声音敏感区域。同时，还要保证发动机性能不能有较大程度的损失。

2 扰流网方案设计与确定

由于该车型进气歧管为量产件，同时综合考虑成本和开发周期等各方面因素，确定采用增加抗性消声器的方式来降低节气门啸叫噪声。即通过改变进气管道的截面积来使得气流声阻抗发生变化，声阻抗的计算公式如下：

式中：Z——声阻抗，Pa·s/m3；

p——声压，Pa；

S——截面积，m2；

u——气流速度，m/s。

从式中可知，当减小进气管道的截面积，气流的声阻抗会增加，从而降低进气噪声。因此，确定了在节气门体与进气歧管之间的密封圈上增加扰流网的结构方案，该扰流网装配后的位置在图1中的上侧。在节气门体阀片旋转打开后，阀片上侧的气流通过扰流网后由于扰流网的阻力使得气流动能降低，并且也能够对气流产生一定的导流作用，使得大部分气流通过扰流网后水平流动，避免了与下侧气流的撞击，因此不易产生过强的湍流，进而减少了由此带来的啸叫噪声。同时，为了尽量降低进气阻力，减少进气系统的功率损失，则只在图1中上侧布置了扰流网。

通过利用STAR-CCM+模拟分析软件对不同网格密度的扰流网方案进行了对比分析，确定了如图2所示的设计方案。

图2 扰流网结构示意图

3 试验验证与评价

为了充分验证该扰流网方案对整车性能的影响程度，分别进行了整车节气门啸叫噪声试验以及发动机性能试验，并与原车状态进行了对比分析。

3.1 整车节气门啸叫噪声试验

为了更好地对节气门啸叫噪声进行数据采集，在整车的发动机节气门体前侧10 cm处和车内驾驶员右耳处分别安装了麦克风，如图3所示。并使用比利时LMS公司的310数据采集系统进行数据采集，采集的数据通过LMS TEST.Lab 12A软件的Signature Advanced模块进行分析处理。

图3 实车节气门啸叫噪声测试图

试验工况：汽车定置急踩油门，路面选用普通柏油路面，为了尽量减少人为因素的干扰，试验过程中驾驶员为同一个人。

表1示出汽车定置工况下声压级和响度对比。从表1中可以看出，增加扰流网后，在节气门附近和驾驶员右耳附近的声压级和响度均有较大程度改善。其中声压级降低了约3 dB（A）以上，响度降低了2 sone和0.2sone，即声音变得更小更弱。同时，清晰度和尖锐度也有一定的改善。这也与现场试验人员主观评价相一致。

表1 汽车定置工况声学参数对比

图4和图5分别示出汽车定置工况下驾驶员右耳和节气门噪声频图对比，由此可知，在1 500～23 000 Hz范围内的噪声幅值均有所下降，这也是声压级和响度降低的主要原因。

图4 驾驶员右耳噪声频谱图对比

图5 节气门噪声频谱图对比

图6和图7分别示出驾驶室和发动机的啸叫噪声频谱ColorMap图。从图6和图7中可以看出，节气门啸叫噪声在时域上要发生在发动机燃烧噪声之前，提前约0.3 s左右。在频域上节气门啸叫覆盖的频率范围要更宽。同时，在噪声频率上，加扰流网后的节气门啸叫噪声频率变得更低。这主要是由于扰流网使得进气管道的横截面积变小，气流的阻抗变大，由此导致气流波动变小，频率降低[3]。另外，增加扰流网后节气门啸叫噪声的强度要低于原车，这在图7中能够更明显的表示出来。

图6 驾驶室啸叫噪声频谱ColorMap图对比

图7 发动机舱啸叫噪声频谱ColorMap图对比

3.2 发动机性能试验

由于在进气歧管进气口增加了扰流网，由此使得气流流通的阻力增加，造成进气系统的能量损失。如果该能量损失过大，那么发动机的功率和扭矩就会大幅度下降[3]。通过计算可知，扰流网遮挡的进气口面积约占了进气口总面积的10%左右。从图8中也可以看到进气阻力在整个发动机转速范围内都有了一定的增加，但增加的幅度很小，平均增加约为0.2 kPa。

图8 某轿车发动机进气阻力对比

图9示出发动机全负荷工况下的功率和扭矩曲线。从图9可以看出，增加扰流网前后发动机的功率基本没变化，扭矩在个别工况点略有下降，但降低幅度也在1%以内。由此可见该扰流网方案能够满足发动机在动力性上的要求。

图9 某轿车发动机功率和扭矩对比

基于以上试验的验证可知，该扰流网方案能够有效降低节气门啸叫噪声，而且对整车性能影响较小。综合考虑整车NVH主客观评价，后续可以在此基础上通过加强整车车身密封性和增加前围板隔声垫等措施，进一步提高整车加速噪声品质[4]。

4 结论

基于某型轿车在汽车定置急踩油门工况中出现的节气门啸叫问题进行了增加扰流网的方案设计。针对此设计方案进行了节气门啸叫的整车评价，通过数据对比分析可知该方案能够有效降低整个噪声频域范围内的幅值，使得节气门啸叫的声压级降低3 dB（A）以上。同时，通过发动机性能试验对比分析得知，发动机在全负荷工况下的动力性损失很小，能够满足整车对动力性的需求。综合考虑整车NVH主客观评价，可以在此基础上通过加强整车车身密封性和增加前围板隔声垫等措施，进一步提高整车加速噪声品质。