B15發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計及性能分析

1、學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號： 2 課程論文 題 目：b15發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計及性能分析學(xué)生姓名： 學(xué) 院：能源與動力工程學(xué)院班 級：交通運輸09-3指導(dǎo)教師：高志鷹 副教授 2012年12月28日內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計（論文）任務(wù)書課程名稱： 汽車電子控制技術(shù) 學(xué)院：能源與動力工程學(xué)院 班級：交通運輸學(xué)生姓名： _ 學(xué)號：200 指導(dǎo)教師： 高志鷹 一、題目b15發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計及性能分析二、目的與意義根據(jù)汽車電子控制技術(shù)課程學(xué)習(xí)的知識，系統(tǒng)分析b15發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計及性能同時結(jié)構(gòu)組成及基本的工作原理，掌握汽車電子控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與原理 三、要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、設(shè)計要求、圖紙

2、量、工作量要求等） 根據(jù)參考文獻(xiàn)，系統(tǒng)學(xué)習(xí)并分析b15發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及基本的工作原理；按照內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計說明書（論文）書寫規(guī)范撰寫課程論文。四、工作內(nèi)容、進(jìn)度安排 12月21日12月22日：根據(jù)任務(wù)書要求，查閱、學(xué)習(xí)相關(guān)參考文獻(xiàn)；12月22日12月23日：提交論文提綱；12月23日12月25日：根據(jù)指導(dǎo)教師修改后的論文提綱撰寫論文初稿；12月25日12月26日：根據(jù)指導(dǎo)教師對論文的修改意見修改論文；12月26日12月28日：提交論文，答辯五、主要參考文獻(xiàn)1 胡軍義. 柴油機(jī)廢氣再循環(huán)(egr)電控系統(tǒng)控制策略的研究d合肥工業(yè)大學(xué)，20082 古國棟.柴油發(fā)動機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(e

3、gr)熱交換器仿真模擬與結(jié)構(gòu)設(shè)計d.華中科技大學(xué),2007.審核意見同 意。系（教研室）主任（簽字） 指導(dǎo)教師下達(dá)時間 2009年 12月 18日指導(dǎo)教師簽字：_ 摘要 近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,汽車行業(yè)也發(fā)生了日新月異的變化。目前,對發(fā)動機(jī)的設(shè)計除了要達(dá)到汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)外,還需要滿足其排放及噪聲的要求,因此有必要對發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究。進(jìn)氣系統(tǒng)主要包括進(jìn)氣歧管前的管路和進(jìn)氣歧管兩部分,其中歧管前的管路起降低進(jìn)氣噪聲的作用。如何合理的設(shè)計進(jìn)氣系統(tǒng)的元件,分析其綜合性能,是目前工程項目中研究較多的課題。首先,本文介紹了可變氣門正時與可變進(jìn)氣歧管技術(shù)的原理,在gt-power軟

4、件中建立b15發(fā)動機(jī)模型,并利用試驗數(shù)據(jù)完成模型的標(biāo)定,使其誤差不高于5%,以用于后續(xù)的仿真計算。為了設(shè)計進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲元件,對赫姆霍茲諧振腔、1/4波長管和空氣濾清器的參數(shù)靈敏性進(jìn)行計算分析,總結(jié)參數(shù)變化對消聲性能的影響規(guī)律。詳細(xì)闡述進(jìn)氣消聲元件的設(shè)計流程和方法,提出具體的設(shè)計方案,并針對方案中某轉(zhuǎn)速下個別階次噪聲高于目標(biāo)值的問題,對消聲元件進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣口噪聲明顯改善,壓力損失不高于2.5kpa,符合目標(biāo)值要求,優(yōu)化效果良好。其次,為了分析進(jìn)氣歧管的性能,本文提出3種方法:利用零維或一維模型做簡化處理、利用cfd軟件完成穩(wěn)態(tài)或孤立瞬態(tài)的計算以及利用一維和三維軟件進(jìn)行耦合分析

5、。通過比較3種方法的優(yōu)劣,發(fā)現(xiàn)利用軟件的耦合可以在計算過程中獲得實時的邊界條件,有較高的準(zhǔn)確度。本文重點闡述利用gt-power件和star-ccm+軟件進(jìn)行耦合設(shè)置需要解決的關(guān)鍵問題,并在此基礎(chǔ)上完成模型的計算。 最后,為了更好的評價進(jìn)氣消聲元件的優(yōu)劣,利用gt-power軟件中耦合后的模建立汽車加速行駛車外噪聲仿真模型,計算得到進(jìn)氣系統(tǒng)的最大噪61.8db(a),其對通過噪聲的單獨貢獻(xiàn)率滿足目標(biāo)要求。關(guān)鍵詞:進(jìn)氣系統(tǒng)；消聲元件；加速行駛車外噪聲；仿真與優(yōu)化 abstract with the development of economy, the automobile industry h

6、as been changing with each passing day. at present, the design of engines must meet the criteria of emission and noise level besides the power performance and economy, which makes it very necessary to make an exhaustive study on engine intake and exhaust systems. the intake system is made up mainly

7、by inlet manifold and the pipe before inlet manifold. the pipe before inlet manifold can cut down the induction noise. how to design the intake system components and analyze the combination property is a topical issue of the current engineering projects. firstly, the principles of variable valve tim

8、ing and variable intake manifold are introduced, then the simulation model of b15 engine is established in gt-power, after which the model is calibrated by the test results and the error is less than 5%-this lays preliminary groundwork for the subsequent calculation, the parametric sensitivity of he

9、lmholtz resonator, 1/4 wave tube and air cleaner is calculated, and the influence of parameter changing on acoustic attenuation performance is summarized, based on which the silencer elements of intake system are designed. the design procedure and method of silencer element are explained thoroughly,

10、 and the detailed design scheme is put forward. secondly, three methods are put forward in this thesis to analyze the performance of inlet manifold,and they are simplified simulation built up with zero or one dimensional models, steady or transient calculation by cfd and coupled simulation by one di

11、mensional with three dimensional software. after the comparison of these three methods, it is found that the coupling process can provide more accurate boundary conditions for the calculation. the problems of coupling between gt-power and star-ccm+ are solved, and then the simulation is carried out.

12、 then the velocity field of every branch pipe in different time is analyzed, and the suggestion is that the curvature of the branch pipe should be reduced. lastly, in order to evaluate the performance of the silencer elements, the acceleration running noise model is built up based on the coupling mo

13、del. the result shows that the noise of the intake system is lower than 61.8db(a),which satisfies the demand for contribution rate to the acceleration running noise. key words: intake system; silencer element; couple; acceleration running noise;simulation and optimization 目錄第1章 緒論11.1研究背景11.2研究現(xiàn)狀21.

14、2.1國外的研究概況21.2.2國內(nèi)的研究概況3第2章b15發(fā)動機(jī)進(jìn)氣消聲元件設(shè)計42.1進(jìn)氣系統(tǒng)概述4 2.1.1進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理42.1.2進(jìn)氣噪聲的產(chǎn)生機(jī)理52.2進(jìn)氣消聲元件優(yōu)化6第3章b15發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)性能分析83.1進(jìn)氣歧管流場分析模型的建立83.1.1計算流體力學(xué)基本理論83.1.2進(jìn)氣歧管流場分析方法83.2汽車加速行駛車外噪聲分析93.2.1理論介紹103.2.2模型的建立103.2.3結(jié)果分析11第4章總結(jié)與展望134.1全文總結(jié)134.2展望15參考文獻(xiàn)15 第1章 緒論1.1研究背景近年來,各個國家都對汽車噪聲提出了越來越高的要求,使得對汽車噪聲的研究刻不容緩。

15、要降低汽車噪聲,首先要確定噪聲源。汽車是一個綜合的噪聲源,包含許多不同性質(zhì)的噪聲,如發(fā)動機(jī)噪聲、風(fēng)動噪聲、輪胎噪聲、路面噪聲和共鳴噪聲等。相關(guān)試驗表明,汽車噪聲以發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的噪聲為最大,它屬于結(jié)構(gòu)噪聲,隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的改變體現(xiàn)為不同的形式,主要通過前葉子板、擋火墻、引擎蓋、排氣管產(chǎn)生和傳遞。因此如何降低發(fā)動機(jī)噪聲成為降低汽車噪聲技術(shù)的中心環(huán)節(jié)。燃燒噪聲、空氣動力噪聲和機(jī)械噪聲都屬于發(fā)動機(jī)噪聲,其中空氣動力噪聲又包含進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲和風(fēng)扇噪聲。對試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析表明,在發(fā)動機(jī)的主要噪聲源中,進(jìn)排氣噪聲占了很大的比重。在絕大部分汽車上,發(fā)動機(jī)的排氣噪聲是最主要的噪聲源,它比進(jìn)氣噪聲更加明顯1。為

16、了盡量有效地消除排氣噪聲,在排氣系統(tǒng)中安裝消聲器成為普遍運用的手段,這一技術(shù)目前也相對成熟。而對于小型高速機(jī)和大型增壓機(jī),進(jìn)氣噪聲是僅次于排氣噪聲的主要噪聲源,有時比發(fā)動機(jī)的本體噪聲還要高。隨著國家對汽車噪聲的要求逐步變高,僅僅考慮消除排氣噪聲已經(jīng)不能滿足國家相關(guān)法規(guī)的要求,因此有必要研究如何有效的消除進(jìn)氣噪聲。發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的功用是盡可能多和盡可能均勻地向各氣虹提供可燃混合氣或純凈的空氣。一般進(jìn)氣系統(tǒng)主要包括進(jìn)氣歧管前的管路(如進(jìn)氣總管、空氣濾清器及其他消聲元件等)和進(jìn)氣歧管。在有些化油器式和節(jié)氣門體汽油噴射式發(fā)動機(jī)上,一般會裝有對進(jìn)氣進(jìn)行預(yù)熱的裝置。為了得到增強進(jìn)氣的效果,有些發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣

17、系統(tǒng)還加裝了諧振器對于汽油噴射式發(fā)動機(jī),其進(jìn)氣系統(tǒng)中還安裝有計量空氣的裝置?？諝鉃V清器的重要作用是濾除空氣中的雜質(zhì)和灰塵,為氣社提供潔凈的空氣。另外,由于空氣濾清器結(jié)構(gòu)是一個膨脹的腔體,類似于擴(kuò)張型的消聲器結(jié)構(gòu),還具有降低進(jìn)氣噪聲的作用,所以發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)一般不會單獨安裝專門的進(jìn)氣消聲器。對噪聲的控制可以從兩個方面進(jìn)行研究:一是對噪聲源的控制,二是采取外部降噪措施,如設(shè)計消聲元件等。對進(jìn)氣噪聲的控制主要是通過設(shè)計匹配的進(jìn)氣系統(tǒng)消聲元件來實現(xiàn)的,這是目前最有效、采用最多的方法。受安裝空間限制,進(jìn)氣消聲元件一般與空氣濾清器合為一體2。在某些僅憑空氣濾清器不能滿足降噪要求的發(fā)動機(jī)上,還可以安裝相應(yīng)

18、的赫姆霍茲消聲器或1/4波長管。如何在滿足發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性的前提下,合理地設(shè)計進(jìn)氣消聲元件,是一項非常重要的工作。除了進(jìn)氣歧管前的管路,發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)還包括進(jìn)氣歧管本身。進(jìn)氣歧管對于降低進(jìn)氣噪聲的作用很小,基本可以忽略,但其物理結(jié)構(gòu)仍非常重要。由于發(fā)動機(jī)正常工作所必須的空氣由進(jìn)氣口流經(jīng)進(jìn)氣歧管最后進(jìn)入氣缸,在流體流動的過程中,歧管的結(jié)構(gòu)對于流場的影響會得到明顯的體現(xiàn)。一個好的結(jié)構(gòu)可以最大程度地減小摩擦,消除流動阻力,使流體的流動盡可能的順暢。因此,對歧管內(nèi)流場的分析十分必要。1.2研究現(xiàn)狀1.2.1國外的研究概況 關(guān)于發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的研究在國外起步比較早,在20世紀(jì)60年代之前就有專門針

19、對汽車噪聲的簡單計算和試驗,如hosomi.mikiya等人概括了發(fā)動機(jī)排氣消聲器的發(fā)展歷程而后隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,結(jié)構(gòu)分析被率先用于汽車領(lǐng)域,采用有限元計算部件模態(tài)和響應(yīng)。在70年代采用有限元研究消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu),80年代實現(xiàn)三維有限元分析,完成了對消聲器傳遞損失的簡單計算。這些技術(shù)的實現(xiàn)表明:對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的消聲器,三維有限元的分析方法具有良好的效果。后來,數(shù)值模擬技術(shù)得以廣泛應(yīng)用,發(fā)動機(jī)的仿真技術(shù)也h漸成熟,如bhattacharya.paritosh等人通過數(shù)值模擬軟件完成了兩虹四沖程柴油機(jī)的性能分析及噪聲研究。計算流體動力學(xué)(cfd)技術(shù)在20世紀(jì)70年代的美國誕生,它被廣泛應(yīng)用于各

20、種流體流動與傳熱問題中。四十年來,cfd在瑞流模型、網(wǎng)格技術(shù)、并行計算等方面都取得了飛速的發(fā)展,給工業(yè)界帶來了革命性的變化。在汽車行業(yè)中,cfd和其他計算機(jī)輔助工具一起作為產(chǎn)品開發(fā)工具,大大減少了樣車試驗數(shù)量。1994年,thomas morel和leon a.lapointe提出了 “并行模擬和試驗”的概念,將模擬和試驗互相補充,實現(xiàn)了一體化的解決方法建立數(shù)值模型,并利用試驗收集的基本數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行修正和完善,得到試驗無法獲取的數(shù)據(jù),在計算機(jī)的并行模擬和試驗中完成發(fā)動機(jī)的設(shè)計優(yōu)化與幵發(fā)。而在實際的仿真計算中,為了避免單獨使用三維軟件計算精度不高的弊端,研究者提出了一維與三維軟件稱合的計算流體

21、力學(xué)方法,以此分析消聲器內(nèi)部的流動特性,通過計算結(jié)果預(yù)測發(fā)動機(jī)在實際運行工況下進(jìn)排氣系統(tǒng)內(nèi)部的壓力損失及聲學(xué)性能,從而實現(xiàn)預(yù)先優(yōu)化3。1.2.2國內(nèi)的研究概況 我國對于進(jìn)氣系統(tǒng)的研究起步較晚,在1979年頒布機(jī)動車標(biāo)準(zhǔn)后才幵始實施以試驗研制為重點的研究。隨著中國與世界的聯(lián)系円益密切,汽車工業(yè)也面臨著巨大的挑戰(zhàn),迫切需要自主研發(fā)生產(chǎn)新產(chǎn)品,其中對噪聲的控制成為不可規(guī)避的課題之一。由于我國對于噪聲污染的危害意識不夠,使得目前對汽車降噪技術(shù)的研究與發(fā)達(dá)國家有一定差距,幵發(fā)能力相對較低。而隨著噪聲法規(guī)越來越高的要求,只研究排氣系統(tǒng)消聲器已經(jīng)不能滿足降噪要求,迫切需要幵展對進(jìn)氣系統(tǒng)的研究。最近幾年,國內(nèi)

22、不少汽車開發(fā)商意識到了這個問題,許多專家和學(xué)者也做了不少工作。毛善勇等人通過比較發(fā)動機(jī)在不同工況下的聲壓云圖,說明增壓高速發(fā)動機(jī)內(nèi)進(jìn)氣噪聲對整機(jī)噪聲有顯著影響。范錢旺等人利用matlab編寫程序,模擬赫姆霍茲共振消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)對消聲性能的影響,通過計算發(fā)現(xiàn)共振腔的體積和主管截面積等對共振頻率和消聲量有重要影響岳貴平等人利用gt-power軟件分析進(jìn)氣系統(tǒng)的插入損失,幵發(fā)進(jìn)氣消聲元件中心頻率設(shè)計專家系統(tǒng),將其傳遞損失影響參數(shù)考慮在內(nèi),分別設(shè)計了空氣濾清器、赫姆霍茲諧振腔和1/4波長管,這一系統(tǒng)對進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)元件的設(shè)計具有很高的實用價值金巖、郝志勇通過比較加速行駛車外噪聲的頻譜特性,應(yīng)用試驗和邊界

23、元法研究了空氣濾清器的頻率相應(yīng)特性,在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加赫姆霍茲諧振腔,很好地解決了進(jìn)氣噪聲的問題,達(dá)到了整車降噪的目的。張小燕等通過建立發(fā)動機(jī)模型,優(yōu)化進(jìn)排氣系統(tǒng),對可變進(jìn)氣歧管系統(tǒng)進(jìn)行了完整建模,提高了模型的仿真精度。尹凌等通過分析不同的進(jìn)氣歧管設(shè)計方案,利用一維和三維軟件賴合計算的方法,分析兩種進(jìn)氣歧管對整機(jī)動力性能的影響,同時解決了舉獨使用三維軟件仿真無法實時改變邊界條件,造成結(jié)果精度不高的問題,使模擬計算結(jié)果更加接近試驗數(shù)值這些研究成果對于今后進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化有著非常重要的意義。 第2章b15發(fā)動機(jī)進(jìn)氣消聲元件設(shè)計2.1進(jìn)氣系統(tǒng)概述 發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)是把空氣或混合氣導(dǎo)入氣紅的零

24、部件集合體,其功能是盡可能多和盡可能均勻地為發(fā)動機(jī)供給可燃混合氣或清潔、干燥的空氣。系統(tǒng)中的主要組件空氣濾清器、管路及設(shè)計安裝的合理性直接影響發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。2.1.1進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理 進(jìn)氣系統(tǒng)包括空氣進(jìn)入系統(tǒng)和進(jìn)氣多支管系統(tǒng),其中前者主要指進(jìn)氣歧管和進(jìn)氣總管,后者包括空氣濾清器、進(jìn)氣消聲元件、進(jìn)氣管和柔性連接管等,如圖2-1所示4。1-進(jìn)氣系統(tǒng)，2-進(jìn)氣總管，3-進(jìn)氣控制閥，4-怠速進(jìn)氣通道，5-柔性連接管， 6-干凈空氣閥，7-波長管，8-空氣濾清器，9-空氣過濾閥， 10-赫姆霍茲消聲器，11-進(jìn)氣口 圖2-1進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 空氣經(jīng)空氣濾清器過濾雜質(zhì)后,流過空氣流量計,

25、經(jīng)由進(jìn)氣道進(jìn)入進(jìn)氣歧管,與噴油器噴出的汽油混合后形成適當(dāng)比例的可燃混合氣,由進(jìn)氣門送入氣社內(nèi)點火燃燒,產(chǎn)生動力。由此可見,發(fā)動機(jī)的功率、扭矩等動力性能及有效燃油消耗率等經(jīng)濟(jì)性能與進(jìn)氣系統(tǒng)的優(yōu)劣有直接關(guān)系。要研究發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng),很重要的一個指標(biāo)是其聲學(xué)性能如前所述,發(fā)動機(jī)的噪聲源中,進(jìn)氣系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲占有很大比重。而要降低發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲,還需要平衡發(fā)動機(jī)動力性與聲學(xué)性能的矛盾。進(jìn)氣系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)的氣虹相連,進(jìn)氣閥門處的氣壓與大氣壓形成一個壓差,壓差越高,空氣在進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)時要消耗的能量越多。發(fā)動機(jī)的功率與進(jìn)氣管的截面積有關(guān),截面積越小,空氣流通不順暢,功率損失越大,但進(jìn)氣口的噪聲越低。因此,

26、降低進(jìn)氣口噪聲的同時可能引起發(fā)動機(jī)功率損失的增大,在進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計時就需要平衡這對矛盾。2.1.2進(jìn)氣噪聲的產(chǎn)生機(jī)理 空氣進(jìn)入進(jìn)氣道之后,其壓力和密度會隨著發(fā)動機(jī)進(jìn)氣門周期性的幵閉進(jìn)行波動,從而形成空氣動力噪聲。根據(jù)其產(chǎn)生機(jī)理的不同,可以將其分為四類:禍流噪聲、周期性的壓力脈動噪聲、氣虹內(nèi)赫姆霍茲共振噪聲和進(jìn)氣管內(nèi)氣柱共振噪聲。(1)禍流噪聲 氣流經(jīng)過進(jìn)氣道到達(dá)氣紅時形成很高的速度,由于氣通道內(nèi)的氣門和進(jìn)氣管內(nèi)壁的砂眼、毛刺等障礙物存在,氣流的流動受阻形成禍流,從而產(chǎn)生禍流噪聲。由于禍流脫落的頻率會影響此類噪聲的頻率,障礙物的形狀會影響禍流的排列,所以其頻譜的峰值分布在特定寬度的頻率范圍。但當(dāng)繞

27、流的障礙物是規(guī)則幾何形狀時,潤旋的形成、脫落及排列在流動穩(wěn)定時呈現(xiàn)一定的周期性,此時峰值可以按公式計算: (2-1) 其中，sh-常數(shù)，通常取0.5，v-進(jìn)氣門氣流速度（m/s），d-進(jìn)氣直徑（m）(2)周期性壓力脈動噪聲 新鮮空氣由進(jìn)氣口流入進(jìn)氣管,在發(fā)動機(jī)工作過程中氣門的開閉導(dǎo)致空氣的壓力及速度發(fā)生波動,形成密度的周期性變化,從而產(chǎn)生周期性的壓力脈動噪聲。它構(gòu)成了進(jìn)氣噪聲的主要部分,與進(jìn)氣道的壓力脈動吻合,其主要頻率f受發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響,計算公式為: （2-2） 其中，n-發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm），-沖程數(shù)，i-發(fā)動機(jī)缸數(shù)。(3)赫姆霍茲共振噪聲 在發(fā)動機(jī)工作過程中,氣虹會形成封閉的腔體,赫姆

28、霍茲共振噪聲就由此產(chǎn)生。氣虹內(nèi)氣體的壓力波會激發(fā)這類噪聲的共振,容積、進(jìn)氣管直徑及長度等因素都會影響其共振頻率的大小將共振腔等效成等截面管和具有一定容積的圓球,則第一階固有頻率為: （2-3） 其中,c-空氣中的聲速(m/s)，r-進(jìn)氣管半徑，l-進(jìn)氣管長度，-氣虹容積。(4)進(jìn)氣管內(nèi)的氣柱共振噪聲 進(jìn)氣門關(guān)閉后進(jìn)氣管形成氣柱共振系統(tǒng),管內(nèi)的空氣由于連續(xù)性和可壓縮性,容易形成氣柱的振動,由此產(chǎn)生進(jìn)氣管內(nèi)的氣柱共振噪聲。當(dāng)聲源的激振頻率與氣柱的某一階固有頻率相同時,便發(fā)生與該頻率相對應(yīng)的共振,管道強烈振動并產(chǎn)生福射噪聲。其固有頻率的公式為: （2-4） 其中，c-空氣中的聲速（m/s），i-諧波

29、次數(shù)，l-進(jìn)氣管長度（m）。2.2進(jìn)氣消聲元件優(yōu)化 為了得到更好的消聲效果,對消聲元件模型做以下改進(jìn): (1)適當(dāng)增加空氣濾清器的長度,在gt-power中將出氣口到節(jié)氣門之間的管路利用等截面直管和變截面彎管取代原先的三維等截面管。 (2)由于發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)時進(jìn)氣溫度的變化會引起流速的變化,在建模時將赫姆霍茲諧振腔和1/4波長管的尺寸根據(jù)流速的變化進(jìn)行調(diào)整。優(yōu)化后的進(jìn)氣系統(tǒng)消聲元件與發(fā)動機(jī)稱合,仿真計算結(jié)果見圖2-2和圖2-3。 圖2-2 優(yōu)化后的進(jìn)氣口噪聲 圖2-3優(yōu)化后的進(jìn)氣系統(tǒng)壓力損失 由圖2-2和圖2-3可知,進(jìn)氣口噪聲總聲壓級在目標(biāo)值以下,各階次聲壓級全部低于目標(biāo)值,比優(yōu)化前的進(jìn)氣口噪聲

30、有所降低;進(jìn)氣口到節(jié)氣門的壓力損失為2.5kpa,優(yōu)化后的進(jìn)氣口噪聲和壓力損失全部滿足要求,優(yōu)化效果良好。 第3章b15發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)性能分析3.1進(jìn)氣歧管流場分析模型的建立 在滿足發(fā)動機(jī)性能的前提下,關(guān)于進(jìn)氣系統(tǒng)消聲元件降噪作用的研究,對于進(jìn)氣系統(tǒng)的另一部分進(jìn)氣歧管,因其降噪作用不明顯,故本章只對其內(nèi)部流場進(jìn)行分析,討論進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣過程中的作用。3.1.1計算流體力學(xué)基本理論本章所使用的star-ccm+軟件是由cd-adapco集團(tuán)推出的cfd軟件,它采用最先進(jìn)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值技術(shù),可以導(dǎo)入使用目前主流網(wǎng)格生成軟件所生成的網(wǎng)格,本身也可計算多面體網(wǎng)格5。它與現(xiàn)代普遍使用的軟

31、件工程技術(shù)結(jié)合,擁有比較出色的性能和很高的可靠性,是熱流體分析人員強有力的工具。目前,該軟件成了很多公司進(jìn)行流場等方面分析時的首選計算流體力學(xué)的基本思想是:用有限個離散點上變量值的集合代替速度場、力場等連續(xù)物理量的場,建立關(guān)于這些變量值的方程組,并進(jìn)行求解以獲得近似值。在進(jìn)行流體動力學(xué)的計算時,要遵守三個基本的物理守恒定律,即動量守恒定律、能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律。另外,如果有不同的組分參與,系統(tǒng)還要遵守組分的守恒定律;如果存在湍流,還要附加瑞流的輸運方程。在這些守恒方程中,質(zhì)量守恒方程是所有流動問題都需要滿足的定律,其公式表述為: （3-1）或 （3-2）動量守恒方程用公式表述為:（3-3

32、） 能量守恒方程用公式表示為: （3-4）3.1.2進(jìn)氣歧管流場分析方法 在常見的流場分析計算中,通常采用零維或一維模型對進(jìn)氣歧管進(jìn)行簡化,如gt-power軟件中,將進(jìn)氣歧管的各個支管分別簡化成若干段管路,通過簡單的一維連接建立模型,對其性能進(jìn)行分析。進(jìn)氣歧管的每個支管都具有比較明顯的一維流動特征,用軟件中的一維模塊代替時,穩(wěn)壓腔內(nèi)部的平均壓力是均勻的。這種方法計算得出的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相比,準(zhǔn)確度較低,不能完整體現(xiàn)發(fā)動機(jī)運行時歧管的工作狀況,尤其是對歧管內(nèi)的流場分布,一維軟件難以給出確切的結(jié)論。由于這種方法不考慮內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)的差異,適用于氣流速度低、壓力波動小的場合。為了獲得一維軟件難以實現(xiàn)

33、的進(jìn)氣歧管內(nèi)流速和壓力的分布,現(xiàn)在普遍采用cfd軟件進(jìn)行仿真分析,如前述的star-ccm+軟件。利用三維造型軟件繪制進(jìn)氣歧管模型并進(jìn)行簡化處理,在cfd軟件中抽取流體域,劃分網(wǎng)格。導(dǎo)入網(wǎng)格后,通過添加邊界條件,進(jìn)行其他必要的設(shè)置完成計算。利用cfd軟件可以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的流場計算,這種方法工作量較小,計算時間也相對較短,能夠快速獲取歧管內(nèi)的流動特性。但這種方法不能計算歧管在不同時刻的流場,因此在考慮時間的作用時,可以選取瞬態(tài)計算方法。在使用star-ccm+進(jìn)行瞬態(tài)的計算時,需要先從一維軟件或試驗數(shù)據(jù)中獲取邊界條件,經(jīng)過模型設(shè)置后得到歧管內(nèi)部的瞬態(tài)流動,這與穩(wěn)態(tài)相比更加接近真實的流動。但由于邊界條

34、件是由軟件使用者進(jìn)行手動輸入,無法根據(jù)發(fā)動機(jī)的工作狀況進(jìn)行實時的更新,由此獲得的是孤立的瞬態(tài)結(jié)果。而發(fā)動機(jī)的實際工作過程是瞬態(tài)的,只用cfd軟件進(jìn)行計算不能完全模擬實際流場的狀態(tài)。由于進(jìn)氣歧管與熱力學(xué)系統(tǒng)的其他部分獨立分別求解,兩部分的信息不能進(jìn)行實時交換,與實際的試驗數(shù)據(jù)相比,整個系統(tǒng)的精度并沒有得到很大的提高?？紤]到gt-power軟件可以較為準(zhǔn)確的模擬發(fā)動機(jī)的工作過程,在進(jìn)行進(jìn)氣歧管的流場分析時,有文獻(xiàn)提出了另外一種研究方法稱合計算。首先利用gt-power軟件建立發(fā)動機(jī)模型并標(biāo)定,使其精度達(dá)到要求。將模型中的進(jìn)氣歧管部分用三維模塊取代,在star-ccm+軟件中建立相應(yīng)的接口,獲取發(fā)動

35、機(jī)工作過程的實時條件作為其計算的邊界。這種一維和三維軟件糊合計算的方法可以彌補單獨利用三維軟件進(jìn)行條件設(shè)置無法實時更新的不足,使star-ccm+軟件的邊界在gt-power計算過程中進(jìn)行隨時改變,從而大大提高模型計算的準(zhǔn)確度。本章就是運用鍋合的方法,分析b15發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管的流場。3.2汽車加速行駛車外噪聲分析為了更好的評價消聲元件設(shè)計的優(yōu)劣,通過查閱文獻(xiàn),利用現(xiàn)在普遍采用的方法汽車加速行駛車外噪聲分析法,建立相應(yīng)的模型,對計算結(jié)果進(jìn)行分析,總結(jié)進(jìn)氣噪聲對車外噪聲的貢獻(xiàn)率。3.2.1理論介紹 根據(jù)gb14952002汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法中的規(guī)定,汽車噪聲是根據(jù)汽車加速通過如圖3

36、-1所示的測量區(qū)域時的車外噪聲來進(jìn)行評價的。測量過程中,汽車與聲級計的相對位置時刻都在發(fā)生變化,影響噪聲的測量結(jié)果,而且在加速過程中,發(fā)動機(jī)噪聲特性也會發(fā)生變化。在圖3-1中,o點為測量區(qū)的中心,加速段長度為2x (10m0.05m),aa線為加速始端線,bb線為加速終端線,汽車沿行駛中心線行駛,傳感器布置離地面高1.2m0.02m,距離行駛中心線cc7.5m0.05m處,其參考軸線必須水平并垂直指向行駛中心線cc。要求汽車前端到達(dá)aa線時,節(jié)氣門全幵,并保持不變通過測量區(qū)域。汽車加速行駛時,其車外最大噪聲級不應(yīng)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。 圖3-1測量場地和測量區(qū)及傳聲器的布置 3.2.2模型的建立

37、 通過噪聲的模型使用vehicle”、clutch conn”、tire conn rigid”、acoust microphone等模塊,根據(jù)試驗獲取的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。其中,車輛進(jìn)入?yún)^(qū)域的初始速度的選擇,根據(jù)與發(fā)動機(jī)匹配的車型確定。對麥克風(fēng)位置的設(shè)置,參照汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法中的規(guī)定。根據(jù)以上設(shè)置,建立汽車加速行駛車外噪聲模型,如圖3-2所示。 圖3-2汽車加速行駛車外噪聲模型3.2.3結(jié)果分析 圖3-3為用圖3-2的模型計算所得的汽車加速行駛車外噪聲值,x軸分別對應(yīng)車輛行駛距離(m)和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm)。 圖3-2汽車加速行駛車外噪聲值由試驗經(jīng)驗可知,車輛加速行駛通過測量區(qū)域

38、時,最大噪聲應(yīng)產(chǎn)生在距傳聲器最近的加速段中心位置附近,即距加速行駛始端線10m左右。本文中噪聲最大值出現(xiàn)在車輛行駛距離為9.0m和10.3m處,約為74.3db(a)。因為點聲源輻射的聲壓(p)和距離成反比,更遠(yuǎn)距離r2的聲壓spl2(db(a)可以從已知的近距離rl的聲壓spl1(db(a)計算出: (3-5) 其中，r1-0.5，位于進(jìn)氣口500mm處的麥克風(fēng)裝置；r2=7.5m，為位于7.5m處麥克風(fēng)位置。按公式可得：，可通過這個公式對進(jìn)氣口的噪聲進(jìn)行換算。另外,通過查閱文獻(xiàn)可知,對于目標(biāo)值為75db(a)的通過噪聲,汽車進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲水平限值為63db(a)6。目前,中國噪聲法規(guī)中規(guī)定

39、在2005年1月1日以后生產(chǎn)的mi類汽車的通過噪聲不超過74db(a)。在本發(fā)動機(jī)運行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),在進(jìn)氣口 500m處測量進(jìn)氣口噪聲,最大噪聲值為85.3db(a) (4000rpm, 500mm處),轉(zhuǎn)換到7.5m處的噪聲值為 100.3-23.5=61.8db(a),低于 62db(a)(74-(75-63)。因此,此發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣噪聲對通過噪聲的單獨貢獻(xiàn)滿足通過噪聲的目標(biāo)值要求。 第4章總結(jié)與展望4.1全文總結(jié) 以計算機(jī)為支撐的數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用,可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)流程,節(jié)約成本,目前在各個行業(yè)都有廣泛應(yīng)用。在汽車行業(yè)中,由于國家法規(guī)對汽車噪聲的要求越來越嚴(yán)格,僅通過改善發(fā)動機(jī)的排氣噪聲

40、已經(jīng)不能滿足要求,因此研究進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲刻不容緩。利用數(shù)值模擬技術(shù)研究汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能及設(shè)計幵發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品,對某些結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性的設(shè)計優(yōu)化,是目前進(jìn)排氣系統(tǒng)研究中比較關(guān)注的一個課題。 本文的主要任務(wù)是建立準(zhǔn)確的發(fā)動機(jī)模型,通過分析進(jìn)氣系統(tǒng)消聲元件參數(shù)變化對傳遞損失和中心頻率的影響,總結(jié)參數(shù)靈敏性規(guī)律,對b15發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)消聲元件進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化,并利用一維和三維軟件耦合的方法完成對進(jìn)氣歧管流場的分析,最后建立更加準(zhǔn)確的汽車加速行駛車外噪聲模型,分析進(jìn)氣噪聲對加速行駛車外噪聲的貢獻(xiàn)率,全面的評價進(jìn)氣消聲元件的消聲性能。 總結(jié)全文的工作,主要體現(xiàn)在以下幾個方面: (1)利用gt-power軟件建立發(fā)動機(jī)工作過程仿真模型,對可變氣門時和可變進(jìn)氣歧管的建模進(jìn)行詳細(xì)說明。將計算結(jié)果與發(fā)動機(jī)外特性試驗結(jié)果對照,并標(biāo)定模型,使計算值與試驗值誤差在5%以內(nèi),滿足準(zhǔn)確度要求,為后續(xù)對進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計及分析奠定模型基礎(chǔ)。 (2)利用gt