車用汽油發(fā)動機(jī)減振降噪改進(jìn)開發(fā)

2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

汪建忠黃海波王建昕來源:LMS
關(guān)鍵字:CAE LMS 汽油機(jī) 減振降噪數(shù)值仿真試驗驗證

我國政府在推出車輛強(qiáng)制排放限值之后,又對乘用汽車噪聲、油耗等指標(biāo)提出了強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。文章分析了當(dāng)前國內(nèi)和國際噪聲法規(guī)及研究現(xiàn)狀,并以四缸多點噴射發(fā)動機(jī)為研究實例。運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)值仿真軟件GT-POWER進(jìn)行改進(jìn)方案設(shè)計,并運(yùn)用比利時LMS測試系統(tǒng)對關(guān)鍵零部件、發(fā)動機(jī)總稱進(jìn)行了試驗驗證及改進(jìn),同時配合整車進(jìn)排氣系統(tǒng)改進(jìn),降低了發(fā)動機(jī)和整車噪聲,取得了較好綜合降噪效果。

我國政府繼對車輛排放強(qiáng)制限值之后,又對汽車噪聲、油耗等指標(biāo)提出了強(qiáng)制性限值標(biāo)準(zhǔn)。GB1495-2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》,規(guī)定在2005年1月1日起,對新認(rèn)證車型將實施第二階段噪聲限值,M1類乘用車須達(dá)74dB(A)。新頒布的GB19578-2004《乘用車燃料消耗量限值》,規(guī)定各型車輛也應(yīng)分階段達(dá)到Ⅰ、Ⅱ階段油耗限值。這對當(dāng)前國產(chǎn)的M1類第二類車(下稱:輕型車),存在挑戰(zhàn),須進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。
歐、美等汽車大國已遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在我國前面。歐洲經(jīng)濟(jì)委員會,加大了對各類車輛噪聲排放的限制,在過去20年,乘用車降低了8分貝,卡車降低了11分貝。這些發(fā)達(dá)國家測試手段、評估流程先進(jìn),在設(shè)計上,已經(jīng)使用虛擬設(shè)計軟件進(jìn)行噪聲、振動預(yù)測和改進(jìn),同時通過對聲音品質(zhì)研究,開發(fā)出不同聲音品質(zhì)車型,一適應(yīng)不同國家和地區(qū)需求。在歐洲,柴油機(jī)的噪聲振動已經(jīng)控制在可以配裝到乘用車的水平,且柴油機(jī)配裝比例已超過40%。
我國在80年代就認(rèn)識到配裝發(fā)動機(jī)噪聲水平是決定整車噪聲水平的關(guān)鍵因素。但由于種種原因,其噪聲水平和低噪聲技術(shù)能力與先進(jìn)國家的差距越來越大。究其原因有:(1)執(zhí)行車輛和發(fā)動機(jī)的噪聲法規(guī)力度不夠,噪聲控制的行政管理制度比國外寬,降噪的研究工作的動力性不夠;(2)創(chuàng)造性的關(guān)鍵技術(shù)研究不夠,僅滿足于跟蹤和達(dá)標(biāo)的治理;(3)研究隊伍和研究條件薄弱,在振動、噪聲方面的研究機(jī)構(gòu)缺乏相應(yīng)的資金、項目支持。由此,造成了我國輕型汽車、發(fā)動機(jī)及相關(guān)零部件在噪聲、振動、嘯叫或振動舒適性(下稱:NVH)研究手段落后、成果轉(zhuǎn)化率低的局面。
本文針對國內(nèi)外目前在減振降噪方面的現(xiàn)狀和差距,借鑒歐美汽車發(fā)達(dá)國家的降噪設(shè)計和試驗方法、技術(shù)措施和數(shù)值仿真分析技術(shù),結(jié)合企業(yè)實際,探索建立了提高減振降噪水平的發(fā)動機(jī)產(chǎn)品改進(jìn)開發(fā)技術(shù)路線。
1 車用發(fā)動機(jī)噪聲分類及評價指標(biāo)
發(fā)動機(jī)噪聲可以按噪聲輻射的方式分為兩類:直接向大氣輻射的空氣動力噪聲和通過發(fā)動機(jī)表面向大氣輻射的表面輻射噪聲。進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲、風(fēng)扇噪聲屬于空氣動力噪聲。發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒爆發(fā)壓力產(chǎn)生的燃燒噪聲和內(nèi)部零件在運(yùn)動機(jī)械力作用下產(chǎn)生的機(jī)械噪聲,是通過發(fā)動機(jī)的外表面的振動向大氣輻射傳播的,叫做發(fā)動機(jī)表面輻射噪聲。
表1列出了歐洲整車通過噪聲限值及發(fā)動機(jī)1米噪聲控制指標(biāo)。對乘用車而言,發(fā)動機(jī)在標(biāo)定條件下,其1米噪聲一般控制在94~96dB(A),不超過96 dB(A)。若整車未采取額外的屏蔽措施,則發(fā)動機(jī)1米噪聲還應(yīng)控制在94~95 dB(A)或以下。

表1 當(dāng)前歐洲整車通過噪聲限值及發(fā)動機(jī)噪聲推薦控制指標(biāo)

國內(nèi)發(fā)動機(jī)1米噪聲水平與國外同類機(jī)型存在一定差異。以2L~3L發(fā)動機(jī)為例:汽油機(jī)一般在95~97dB(A);柴油機(jī)一般在98~103 dB(A)。單純降低發(fā)動機(jī)1米噪聲并不難,難點在于在降噪的同時,還必須降低油耗、排放,而改進(jìn)油耗、排放的一些措施,如提高壓縮比可以提高熱效率,降低油耗,但燃燒噪聲會增加。隨著國Ⅱ、國Ⅲ排放及Ⅰ、Ⅱ階段油耗限值的相繼實施,發(fā)動機(jī)降噪設(shè)計必須在動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放等指標(biāo)之間進(jìn)行綜合平衡和折中。
2 某汽油機(jī)原機(jī)噪聲測試分析結(jié)果
通過采用1米噪聲測量、燃燒噪聲測量、近場聲強(qiáng)測量、階次跟蹤測量、振動測量等多種方法對某4缸多點噴射汽油機(jī)進(jìn)行全面測試,發(fā)動機(jī)原機(jī)1米噪聲94.8dB(A),搭載為原整車的加速通過噪聲76.7dB(A)。發(fā)動機(jī)主要噪聲源在:發(fā)動機(jī)前端,底部及汽缸體裙部等。對應(yīng)的發(fā)動機(jī)主要部位為前端輪系(輔件)、排氣、油底殼等。
控制表面噪聲一般有三個途徑:(1)噪聲源的控制和優(yōu)化,如優(yōu)化燃燒激勵、活塞拍擊等;(2)通過改變結(jié)構(gòu),改變發(fā)動機(jī)零件的剛度和阻尼,增加噪聲和振動在向發(fā)動機(jī)表面?zhèn)鞑ミ^程中的衰減;(3)采取屏蔽措施,發(fā)動機(jī)表面噪聲阻隔在屏蔽空間內(nèi)。本課題主要從發(fā)動機(jī)激勵、結(jié)構(gòu)傳遞進(jìn)行降噪開發(fā)。發(fā)動機(jī)前端主要布置有助力轉(zhuǎn)向泵、空調(diào)壓縮機(jī)、風(fēng)扇等附件,因其改進(jìn)可納入整車改進(jìn)內(nèi)容。
3 汽油機(jī)改進(jìn)開發(fā)數(shù)值仿真
3.1 改進(jìn)約束邊界、目標(biāo)及主要改進(jìn)方向
燃燒噪聲優(yōu)化必須兼顧油耗指標(biāo),根據(jù)對原發(fā)動機(jī)測試水平、結(jié)合當(dāng)前零部件制造現(xiàn)狀,對發(fā)動機(jī)噪聲優(yōu)化、改進(jìn)提出如下邊界條件:即燃燒室結(jié)構(gòu)形式不做大的改進(jìn);最高爆發(fā)壓力在60bar以內(nèi);氣門機(jī)構(gòu)不做大的調(diào)整。
3.2 油耗約束下的燃燒噪聲優(yōu)化改進(jìn)
根據(jù)以上約束條件,為同時滿足油耗指標(biāo)和燃燒噪聲條件,優(yōu)化改進(jìn)以進(jìn)氣道長度、壓縮比、進(jìn)氣開啟相位、排氣關(guān)閉相位為可變因素,以比油耗、最高爆發(fā)壓力為約束條件,并參考活塞力、軸承力等參量的變化,針對滿足功率、扭矩、燃燒噪聲指標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。數(shù)值仿真過程采用各可變因素逐一代入經(jīng)標(biāo)定的整機(jī)熱力學(xué)模型,遍歷計算出各可變因素的參數(shù)改變對比油耗、最高爆發(fā)壓力、活塞力-速度-加速度、連桿軸承力、主軸承力等評價指標(biāo)的影響趨勢,篩選出各可變因素的優(yōu)化參數(shù)值。
3.2.1 整機(jī)熱力學(xué)模型
采用美國GT-POWER發(fā)動機(jī)熱力學(xué)CAE分析軟件,建立該被評估發(fā)動機(jī)整機(jī)熱力學(xué)模型如圖1所示。整機(jī)熱力學(xué)模型建立后,對該模型進(jìn)行參數(shù)輸入和調(diào)整,模型中涉及配裝整車的進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù),如空氣濾清器、排氣消聲器及其管路,參照某研究車型實際參數(shù)設(shè)置,然后根據(jù)原機(jī)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行模型標(biāo)定?？紤]到模擬與試驗本身存在一定的差異以及全工況標(biāo)定工作量太大,因此對該模型僅按原機(jī)外特性的扭矩、功率和比油耗試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)定。
標(biāo)定結(jié)果表明,在外特性上,模型仿真計算值與實測值的均方相對誤差不大于3%,達(dá)到工程設(shè)計允許的精度要求。可以用于對樣機(jī)改進(jìn)設(shè)計的數(shù)值仿真試驗評價和優(yōu)化分析。為在評價前述可變因素對整機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性能影響的同時,考察各因素對進(jìn)排氣噪聲影響,在模型的進(jìn)氣口和排氣口模塊插入了麥克風(fēng)模塊,將進(jìn)氣口和排氣口作為點聲源,兩麥克風(fēng)與點聲源距500mm,并成45°夾角。

圖1 被評估發(fā)動機(jī)整機(jī)熱力學(xué)模型

3.2.2 數(shù)值仿真計算結(jié)果
數(shù)值仿真過程采用各可變因素逐一代入經(jīng)標(biāo)定的整機(jī)熱力學(xué)模型,遍歷計算出各可變因素的參數(shù)改變對比油耗、最高爆發(fā)壓力、活塞力-速度-加速度、連桿軸承力、主軸承力等評價指標(biāo)的影響趨勢,然后分析比較篩選出各可變因素的優(yōu)化參數(shù)值。數(shù)值仿真計算結(jié)果匯總列于表2中。

表2 各可變因素對評價指標(biāo)的影響的數(shù)值仿真結(jié)果

1)進(jìn)氣總管長度的單因素影響對比分析
在原機(jī)標(biāo)定模型的基礎(chǔ)上,調(diào)整進(jìn)氣總管的長度(管徑不做調(diào)整),從20mm到60mm,均分為10段,建立系列計算模型。經(jīng)計算得到不同進(jìn)氣管長與比油耗的關(guān)系,從迭代結(jié)果看,當(dāng)管長為40mm時,比油耗(BSFC)最低。確定管長為40mm,對應(yīng)計算出的缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力等指標(biāo)列于表中。
2)壓縮比的單因素影響對比分析
根據(jù)經(jīng)驗判定,原設(shè)計壓縮比略偏低,為提高燃燒速度和發(fā)動機(jī)熱效率,需適當(dāng)提高壓縮比,但根據(jù)當(dāng)前汽油機(jī)設(shè)計情況,一般壓縮比均10以下,故此處對壓縮比的設(shè)計驗證選取9、9.5、10三種情況。選取原則是:最高爆發(fā)壓力不超過上限值,對應(yīng)油耗改善明顯。從表2數(shù)據(jù)看,隨著壓縮比增加,比油耗降低。這一結(jié)論在不同的轉(zhuǎn)速下也成立。但是不同轉(zhuǎn)速工況下第一缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力仿真數(shù)據(jù)表明,在不同的轉(zhuǎn)速下,隨壓縮比增加,最高爆發(fā)壓力增加。當(dāng)壓縮比10=ε時,最高爆發(fā)壓力已超過由約束條件[60bar],考慮到制造公差造成的壓縮比變動,故壓縮比調(diào)整為看5.9=ε即能降低油耗,又滿足噪聲控制約束條件。
3)排氣關(guān)閉相位(EVC)的單因素影響對比分析
排氣關(guān)閉相位的調(diào)整是基于原型機(jī)的參數(shù)為基準(zhǔn),+5°CA表示在原基礎(chǔ)上向前調(diào)5°CA;0°CA表示在原基礎(chǔ)上不作調(diào)整,-5°CA表示在原基礎(chǔ)上回調(diào)5oCA。排氣關(guān)閉相位的數(shù)值仿真范圍是在原機(jī)參數(shù)基礎(chǔ)上,調(diào)整排氣關(guān)閉相位,從-10°CA到+10°CA,仿真出5條不同轉(zhuǎn)速下的比油耗曲線,就單因素對油耗的影響看,不再調(diào)整排氣正時為最佳。其對應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)仿真計算結(jié)果,也滿足相應(yīng)約束條件要求。
4)進(jìn)氣開啟相位(IVO)的單因素影響對比分析
進(jìn)氣開啟相位的調(diào)整是同樣是基于原型機(jī)的參數(shù)為基準(zhǔn),+5°CA表示在原基礎(chǔ)上向前調(diào)5°CA;0°CA表示在原基礎(chǔ)上不作調(diào)整,-5°CA表示在原基礎(chǔ)上回調(diào)5oCA。進(jìn)氣開啟相位的數(shù)值仿真范圍是在原機(jī)參數(shù)基礎(chǔ)上,調(diào)整進(jìn)氣開啟相位,從-20°CA到+20°CA,每隔5oCA仿真出1條不同轉(zhuǎn)速下的比油耗曲線,就單因素對油耗的影響看,在3200rpm前,+5°CA曲軸轉(zhuǎn)角,比油耗最佳;在3200rpm后,滯后5度曲軸轉(zhuǎn)角,比油耗最佳。為此再進(jìn)一步在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下仿真計算了進(jìn)氣開啟相位對功率的影響,如表2中所示,若采用+5°CA方案,功率可以適當(dāng)提升,3200RPM轉(zhuǎn)速以上的各點比油耗也相對較低。但對中低轉(zhuǎn)速工況不如-5°CA方案優(yōu)。故需與其他因素綜合考慮來確定最終方案。將+5°CA和-5°CA方案均代入模型。
兩個方案對應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)仿真計算結(jié)果,都滿足相應(yīng)約束條件要求,但+5°CA對應(yīng)的活塞力和軸承力更低,這對降低發(fā)動機(jī)噪聲有利。
3.3 四因素的綜合評定
    根據(jù)上述分析,綜合評定,分析認(rèn)為:
    1)進(jìn)氣總管長度取40mm對油耗相對最優(yōu),且滿足噪聲約束條件;
    2)壓縮比ε取9.5對油耗改善效果消耗,且滿足噪聲約束條件;
    3)排氣正時EVC在基礎(chǔ)上-5°CA,滿足油耗較優(yōu);
    4)進(jìn)氣正時IVO在原基礎(chǔ)上增大5°CA,滿足油耗較優(yōu);
3.4 關(guān)鍵評價點油耗
按歐洲評價方法,關(guān)鍵評價點油耗主要是指在1bar/1500rpm;2bar/2000rpm;3bar/3000rpm 三工況點的比油耗。在CAE模型中加入PID控制器,仿真計算的優(yōu)化效果見表3

表3 優(yōu)化前后三關(guān)鍵點油耗仿真計算結(jié)果 (g/kW.h)

3.5 改進(jìn)發(fā)動機(jī)后的排氣降噪聲效果
對優(yōu)化方案前后的排氣口噪聲進(jìn)行數(shù)值仿真計算,結(jié)果如表4所示:

表4 優(yōu)化前后排氣口噪聲對比表 dB(A)

4 發(fā)動機(jī)重要零部件改進(jìn)開發(fā)
對燃燒激勵得到優(yōu)化控制后,另一方面需從發(fā)動機(jī)重要零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。根據(jù)經(jīng)驗和借鑒專家意見,先后對發(fā)動機(jī)汽缸體、缸蓋罩、油底殼、前端蓋、排氣隔熱罩等件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。圖2為汽缸體改進(jìn)前后對比圖,對汽缸體裙部通過采用加筋等方法,提高結(jié)構(gòu)剛度,增加其對振動噪聲率減系數(shù),降低該部位的振動和噪聲。

圖2 改進(jìn)前后缸體表面結(jié)構(gòu)實物對比圖

5 試驗設(shè)計及試驗驗證
5.1 試驗設(shè)計
試驗分兩種狀態(tài)和階段進(jìn)行驗證。一是,發(fā)動機(jī)在試驗臺架上的驗證;二是,發(fā)動機(jī)搭載整車進(jìn)行通過噪聲驗證。在臺架上進(jìn)行測試的主要目在于測量改進(jìn)后發(fā)動機(jī)1米噪聲值,與改進(jìn)前進(jìn)行數(shù)值對比,以評估改進(jìn)效果。
發(fā)動機(jī)及改進(jìn)系統(tǒng)搭載整車試驗驗證的主要目的在于驗證改進(jìn)后的動力總成及排氣系統(tǒng)對整車通過噪聲的改善效果和貢獻(xiàn)量。試驗環(huán)境選擇機(jī)場附近的水泥平直路面或與GB1495-2002準(zhǔn)標(biāo)相近似的準(zhǔn)測試路面。
5.2 試驗測試儀器
試驗采用比利時LMS公司的TEST.LAB測試系統(tǒng),包括:旋轉(zhuǎn)機(jī)械及譜采集測試系統(tǒng)、1M聲壓級測量主要儀器。測控系統(tǒng)采用AVL發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)測控臺。
5.3 改進(jìn)零部件試驗驗證
基于以上測試環(huán)境及測試手段,對改進(jìn)發(fā)動機(jī)零部件進(jìn)行,如缸體、缸蓋罩等進(jìn)行不同組合驗證。根據(jù)成本和其效果,找出較好性價比的應(yīng)用方案。
5.4 整車加速通過噪聲驗證
配合整車的其他改進(jìn)措施后,按GB1495-2002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整車加速通過測試。在平直水泥路面上測試結(jié)果,改進(jìn)前:76.7 dB(A),改進(jìn)后:74.2 dB(A),降低2.5 dB(A) 。改進(jìn)后,在國家法定檢測機(jī)構(gòu)測試結(jié)果:73.8 dB(A),達(dá)到國家法規(guī)限值。
6 結(jié)論
(1)雖然我國已將噪聲限值法規(guī)與歐洲等汽車發(fā)達(dá)國家的差距減小到很小程度,但整體減振降噪能力,包括人才儲備、試驗環(huán)境、系統(tǒng)方案和經(jīng)驗,與歐洲等汽車發(fā)達(dá)國家相比卻有更大差距。
(2)應(yīng)用先進(jìn)的發(fā)動機(jī)CAE仿真分析軟件,提出了系統(tǒng)解決噪聲、油耗改進(jìn)和優(yōu)化方案,為節(jié)約成本,縮短改進(jìn)時間起到了重要作用。
(3)自主改進(jìn)的試驗結(jié)果看,發(fā)動機(jī)1米噪聲降低了1.3dBA。同時配合整車改進(jìn)措施,整車加速通過噪聲降低了2.5分貝,并使整車加速通過噪聲達(dá)到了GB1495-2002第二階段限制要求。這表明國產(chǎn)輕型汽車經(jīng)過改進(jìn)優(yōu)化仍具有一定的市場優(yōu)勢。

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