涡轮增压柴油机进气消声器设计与试验验证

2022-07-13韩康健季振林马晓燕

内燃机学报 2022年4期

韩康健，季振林，马晓燕

(哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨 150001)

进气噪声是涡轮增压柴油机最主要的噪声源，其中压气机产生的高频旋转噪声和涡流噪声对整机噪声的贡献最大[1-2]．柴油机进气系统中需要安装空气过滤器，空气过滤器在过滤空气的同时，也能起到一定的降噪效果[3]．随着噪声控制法规的日益严格，为进一步降低柴油机噪声，需要在进气系统中安装性能优良的进气消声器．

工程中通常使用插入损失来评价消声器的实际消声效果．插入损失与噪声源、消声器、管道、管口和周围环境有关[4]．插入损失测量较为简单，但对于仿真计算，由于声源和管口辐射的复杂性，使计算难度增加．为实现准确预测插入损失，国内外学者做了大量的工作．Hua等[5]使用阻抗矩阵法和叠加法研究了多进口消声器的插入损失，前者可与边界元法结合使用，后者在数学形式上更为简单，不需再对矩阵进行组装或求解．Liu等[6]为了计算汽车进气系统插入损失，提出了一种时-频域混合方法，首先建立插入损失与声源阻抗、负载阻抗和进气系统减噪量的关系，然后通过传统频域方法计算出声源阻抗，通过三维瞬态计算流体动力学(CFD)方法得到负载阻抗和减噪量，代入关系式求得进气系统的插入损失．该方法计算值与试验值吻合良好，但由于时域方法计算成本较高，给工程应用带来了一定限制．对于大管径消声器，Herrin等[7]结合有限元方法和传播互易关系，提出了一种计算高于平面波截止频率时消声器传递损失的方法，该方法在统计意义上将声学能量应用到有限元方法中，因而可通过商业软件来实现．以上研究均采用“声源阻抗+消声器四极参数+管口辐射阻抗”的计算策略，但对于大中型柴油机，进气消声器通常采用周向进气形式，无法获得进气口的辐射阻抗，导致常规方法不再适用．

基于此，笔者提出了采用有限元方法结合自动匹配层(AML)技术模拟消声器内部声场和进气口的辐射噪声，从而实现进气消声器插入损失的数值计算．笔者针对某涡轮增压柴油机进气噪声控制问题，开展空气过滤消声器设计，计算并分析空气过滤消声器的插入损失和阻力损失，通过配机性能试验分析空气过滤消声器的实际降噪效果．

1 噪声测试与频谱分析

研究对象为一款6缸、四冲程、涡轮增压柴油机，具体技术参数见表1．

表1 发动机主要技术参数Tab.1 Engine specifications

为获取柴油机进气噪声频谱特性，笔者测量了标定工况下未安装消声装置时进气口向外辐射的噪声．主要试验仪器包括：WA-1536-W-031型声阵列、4957型声压传感器、3660C型PULSE数据采集仪、4231型声级计校准仪、安装有PULSE的计算机和其他辅助仪器．试验数据采样频率设置为25.6kHz，频率分辨率为5Hz．图1为柴油机噪声测量示意．测量时声阵列距离管口200mm，与管中轴线呈45°(图1a)．为了评价机体辐射噪声对进气管辐射噪声的影响，在柴油机机体旁增加了两个测点，传声器分布在柴油机两侧，与管道轴线呈45°，距离柴油机约为500mm(图1b)．

图1 柴油机噪声测量示意Fig.1 Schematic of measurement of diesel engine noise

图2为噪声测试结果，背景噪声A计权总声压级为67.8dB，比机体旁两个测点的声压级低10.0dB以上，因而不需对噪声测量值进行修正．柴油机进气噪声A计权总声级为124.6dB，整机测点1和2处的噪声A计权总声压级分别为113.1dB和109.3dB．整机测点处的噪声主要由柴油机机体辐射噪声和传播到此处的进气噪声组成，其总声级小于进气口辐射噪声10.0dB以上，机体辐射噪声对柴油机进气口辐射噪声的影响可忽略不计．由于笔者研究的柴油机中，进气噪声频谱中基频和谐频成分较强，峰值频率噪声A计权声压级高达105.8dB，主要由压气机产生的高频旋转噪声和涡流噪声叠加形成，因而是进气噪声控制需要关注的重点．

2 空气过滤消声器结构设计与性能计算

为有效控制柴油机进气产生的中、高频噪声，并保证过滤空气的功能，笔者根据进气噪声频谱设计了两种组合式空气过滤消声器方案，并使用有限元法和有限体积法分别计算其声学性能和阻力特性．

2.1 设计方案

图3为组合式空气过滤消声器结构示意．为提高中、高频消声效果，在原空气过滤消声器(内部吸声材料为毛毡)外侧增加一个稳流箱，在箱体内部填充吸声效果更优的吸声材料-硅酸铝岩棉，形成组合式空气过滤消声器A(图3a)．为有效降低压气机宽频噪声，在压气机进气侧增加一个阻性消声器(消声器内填充毛毡)，与空气过滤消声器串联，形成组合式空气过滤消声器B(图3b)．

图3 组合式空气过滤消声器结构示意Fig.3 Schematic of combined air filtering silencer

2.2 吸声材料声学特性测量

空气过滤消声器中使用毛毡作为吸声材料来吸收中、高频噪声，以实现宽频消声效果．图4为吸声毛毡样品．为计算消声器声学性能，需获得毛毡的声学参数，即复声速和复密度[8]．笔者采用两负载法[4]测量得到吸声毛毡的复波数和复阻抗比，进而推导得出复声速和复密度．

图4 吸声毛毡样品Fig.4 Samples of sound-absorbing wool sheet

测量过程在B&K-4206T阻抗管系统上完成，如图5所示．主要包括4206T型阻抗管套件、2716C型功率放大器、3560C型多通道数据采集仪、4个4187型传声器与配套的2670型前置放大器、4231型声级计校准仪、安装有PULSE的计算机及其他仪器．

图5 测量系统示意Fig.5 Schematic of experimental system

由于测量结果受较多因素影响，为减少测量误差，测量过程中采用粗管和细管结合的方法以得到整个频段内的复波数和复阻抗．频率为1600Hz以下时使用粗管，频率为1600～6400Hz时使用细管；测试样品安装时需保证分布均匀、表面平整，且与阻抗管壁紧密贴合；样品厚度太薄会导致填充不均匀，太厚会使下游声能量较低而使测量结果不稳定．笔者综合考虑样品填充均匀性和阻抗管长度，样品厚度选为12mm．为尽可能降低安装差异造成的误差，分别进行5次安装和测量，取5次测量结果的平均值．

根据传递矩阵法，一个声学单元的声压和质点振速存在的关系为

式中：pm和pn分别为声学单元中位置m和n的声压；vm和vn为位置m和n的质点振速；Amn、Bmn、Cmn和Dmn为四极参数．

对等截面直管，有

式中：k0为波数；l为位置m和n之间的距离；z0为介质的特征声阻抗；j为虚数单位．

图6为两负载法试验示意．试验测量部分可认为由1～2、2～3和3～4共3个声学单元组成，而声学单元2～3又由直管单元2～5、6～3和吸声材料单元5～6组成．通过传递矩阵法可得到吸声材料单元的四极参数表达式为

图6 两负载法测量原理示意Fig.6 Schematic of measuring principle of two-load method

吸声材料单元的等效四极参数可以表示为

结合式(3)和式(4)可求得吸声材料的复波数和复阻抗分别为

式中：d为吸声材料厚度，由于四级参数有4个变量，需进行阻抗管末端负载分别为完全开口(Za)和刚性闭口(Zb)时两次测量．

通过测量得到4个测点的声压，结合平面波理论及式(1)可得吸声材料的传递矩阵，求得复波数和复阻抗，分别除以空气的波数和阻抗得到复波数比和复阻抗比．图7为吸声毛毡的复波数比和复阻抗比，可知拟合值与试验值吻合良好．

图7 吸声毛毡的复波数比和复阻抗比Fig.7 Complex characteristic wave number and complex characteristic impedance of sound-absorbing wool sheet

根据测量结果拟合出关于频率f的复波数比和复阻抗比表达式为

2.3 声学性能计算

组合式空气过滤消声器的插入损失定义为安装消声器前、后，由进气口向外辐射的声功率级之差．除消声器本身特性外，插入损失还受声源和管口辐射特性影响[4]．

由于柴油机进气声源阻抗较小，在插入损失计算时可将柴油机进气噪声源近似为恒压声源[9]，即声源阻抗为0．

使用声学有限元法计算空气过滤消声器插入损失时，为模拟进气口的声辐射，需建立外部辐射声学域，笔者使用AML将无限大声学域截断为有限域．AML是在计算域边界引入耗散媒质，人为引入阻尼参数，声波进入匹配层后呈指数形式衰减．计算时根据声波的频率和入射角度产生符合条件的匹配层，并定义相应的吸声系数，实现无反射边界的模拟[10]．笔者使用AML边界条件建立考虑进气口辐射阻抗的插入损失计算模型，如图8所示．以恒压声源为入口边界条件，声学域最外层设置AML属性，通过声学有限元软件进行计算可得直管模型和消声器模型AML面上的声功率级，二者之差即为消声器的插入损失．

图8 消声器插入损失计算模型示意Fig.8 Schematic of computational model of silencer insertion loss

按照插入损失计算模型，首先建立声学域，然后划分有限元网格，两种组合式消声器的声学有限元网格如图9所示．

图9 组合式空气过滤消声器有限元网格Fig.9 FEM mesh of combined air filtering silencer

将满足条件的声学有限元网格导入商业软件LMS Virtual.Lab中，分别定义空气、吸声材料的属性，其中笔者所使用的硅酸铝岩棉[1]的复波数比和复阻抗比表达式见式(9)和式(10)，然后建立穿孔板传递导纳关系[11]，入口设置为20Pa的恒压声源边界条件，辐射域最外层设置AML属性，通过计算可得空气过滤消声器的插入损失．

为验证笔者采用有限元法结合AML计算消声器插入损失的准确性，首先计算了简单膨胀腔消声器的插入损失，简单膨胀腔消声器中的进/出口管道直径为50mm，膨胀腔直径为100mm，腔体长度为150mm．图10为笔者计算值与文献[4]计算值对比．可知除两个波谷附近的频率外，两者吻合良好．

图10 简单膨胀腔的插入损失Fig.10 Insertion loss of the simple expansion chamber silencer

图11为空气过滤消声器插入损失计算结果．可知3种消声器的插入损失有相似的特性，第一个较为明显的共振频率出现在1100Hz，是由空气过滤消声器中整流腔的侧支共振产生．插入损失在高频时出现明显差异，是由稳流吸声腔和阻性消声器引起的．图12为进气管道和3种消声器的声功率谱，可得原空气过滤消声器和组合式空气过滤消声器A、B的插入损失分别为16.7、23.8和25.1dB．

图11 消声器的插入损失Fig.11 Insertion loss of silencers

图12 辐射声功率Fig.12 Radiated sound power

2.4 阻力损失计算

使用三维CFD方法计算进气空气过滤消声器内部流场．由于吸声材料内部黏性阻力和惯性阻力较大，计算时忽略空气在吸声材料中的流动，将其视为固体域．湍流模型使用Realizable κ-ε模型，入口设置质量流量边界条件，出口设置压力出口边界条件，壁面设置为绝热无滑移边界条件[12]．

通过流场计算得到原空气过滤消声器的阻力损失为5.27kPa，A、B两种组合式空气过滤消声器的阻力损失分别为5.32kPa和6.03kPa．对于笔者研究的柴油机，要求进气消声器的阻力损失不大于8.00kPa，可知组合结构的阻力损失虽有所增加，但仍满足限值要求．图13为速度流线．气流通过吸声片之间的通道从不同方向汇集到空气过滤消声器内，并由导流管进入进气管道，产生较为明显的旋涡结构．气流通过消声器导流管时，前、后有较大的速度梯度，是造成阻力损失的主要原因，因而可以通过调节导流管的喉部直径来控制进气消声器的阻力损失．