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1、学校代码： 10128学 号： 2 课程论文 题 目：B15发动机进气系统设计及性能分析学生姓名： 学 院：能源与动力工程学院班 级：交通运输09-3指导教师：高志鹰 副教授 2012年12月28日内蒙古工业大学课程设计（论文）任务书课程名称： 汽车电子控制技术 学院：能源与动力工程学院 班级：交通运输学生姓名： _ 学号：200 指导教师： 高志鹰 一、题目B15发动机进气系统设计及性能分析二、目的与意义根据汽车电子控制技术课程学习的知识，系统分析B15发动机进气系统设计及性能同时结构组成及基本的工作原理，掌握汽车电子控制系统的基本结构与原理 三、要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸
2、量、工作量要求等） 根据参考文献，系统学习并分析B15发动机进气系统结构组成及基本的工作原理；按照内蒙古工业大学课程设计说明书（论文）书写规范撰写课程论文。四、工作内容、进度安排 12月21日12月22日：根据任务书要求，查阅、学习相关参考文献；12月22日12月23日：提交论文提纲；12月23日12月25日：根据指导教师修改后的论文提纲撰写论文初稿；12月25日12月26日：根据指导教师对论文的修改意见修改论文；12月26日12月28日：提交论文，答辩五、主要参考文献1 胡军义. 柴油机废气再循环(EGR)电控系统控制策略的研究D合肥工业大学，20082 古国栋.柴油发动机废气再循环系统(E
3、GR)热交换器仿真模拟与结构设计D.华中科技大学,2007.审核意见同 意。系（教研室）主任（签字） 指导教师下达时间 2009年 12月 18日指导教师签字：_ 摘要 近年來,随着经济的发展,汽车行业也发生了日新月异的变化。目前,对发动机的设计除了要达到汽车的动力性、经济性指标外,还需要满足其排放及噪声的要求,因此有必要对发动机的进排气系统进行深入的研究。进气系统主要包括进气歧管前的管路和进气歧管两部分,其中歧管前的管路起降低进气噪声的作用。如何合理的设计进气系统的元件,分析其综合性能,是目前工程项目中研究较多的课题。首先,本文介绍了可变气门正时与可变进气歧管技术的原理,在GT-Power软
4、件中建立B15发动机模型,并利用试验数据完成模型的标定,使其误差不高于5%,以用于后续的仿真计算。为了设计进气系统的消声元件,对赫姆霍兹谐振腔、1/4波长管和空气滤清器的参数灵敏性进行计算分析,总结参数变化对消声性能的影响规律。详细阐述进气消声元件的设计流程和方法,提出具体的设计方案,并针对方案中某转速下个别阶次噪声高于目标值的问题,对消声元件进行优化。优化后的进气系统进气口噪声明显改善,压力损失不高于2.5kPa,符合目标值要求,优化效果良好。其次,为了分析进气歧管的性能,本文提出3种方法:利用零维或一维模型做简化处理、利用CFD软件完成稳态或孤立瞬态的计算以及利用一维和三维软件进行耦合分析
5、。通过比较3种方法的优劣,发现利用软件的耦合可以在计算过程中获得实时的边界条件,有较高的准确度。本文重点阐述利用GT-Power件和STAR-CCM+软件进行耦合设置需要解决的关键问题,并在此基础上完成模型的计算。 最后,为了更好的评价进气消声元件的优劣,利用GT-Power软件中耦合后的模建立汽车加速行驶车外噪声仿真模型,计算得到进气系统的最大噪61.8dB(A),其对通过噪声的单独贡献率满足目标要求。关键词:进气系统；消声元件；加速行驶车外噪声；仿真与优化 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 目录第1章 绪论11.1研究背景11.2研究现状21.
14、2.1国外的研究概况21.2.2国内的研究概况3第2章B15发动机进气消声元件设计42.1进气系统概述4 2.1.1进气系统结构及工作原理42.1.2进气噪声的产生机理52.2进气消声元件优化6第3章B15发动机进气系统性能分析83.1进气歧管流场分析模型的建立83.1.1计算流体力学基本理论83.1.2进气歧管流场分析方法83.2汽车加速行驶车外噪声分析93.2.1理论介绍103.2.2模型的建立103.2.3结果分析11第4章总结与展望134.1全文总结134.2展望15参考文献15 第1章 绪论1.1研究背景近年来,各个国家都对汽车噪声提出了越来越高的要求,使得对汽车噪声的研究刻不容缓。
15、要降低汽车噪声,首先要确定噪声源。汽车是一个综合的噪声源,包含许多不同性质的噪声,如发动机噪声、风动噪声、轮胎噪声、路面噪声和共鸣噪声等。相关试验表明,汽车噪声以发动机产生的噪声为最大,它属于结构噪声,随发动机转速的改变体现为不同的形式,主要通过前叶子板、挡火墙、引擎盖、排气管产生和传递。因此如何降低发动机噪声成为降低汽车噪声技术的中心环节。燃烧噪声、空气动力噪声和机械噪声都属于发动机噪声,其中空气动力噪声又包含进气噪声、排气噪声和风扇噪声。对试验结果的统计分析表明,在发动机的主要噪声源中,进排气噪声占了很大的比重。在绝大部分汽车上,发动机的排气噪声是最主要的噪声源,它比进气噪声更加明显1。为
16、了尽量有效地消除排气噪声,在排气系统中安装消声器成为普遍运用的手段,这一技术目前也相对成熟。而对于小型高速机和大型增压机,进气噪声是仅次于排气噪声的主要噪声源,有时比发动机的本体噪声还要高。随着国家对汽车噪声的要求逐步变高,仅仅考虑消除排气噪声已经不能满足国家相关法规的要求,因此有必要研究如何有效的消除进气噪声。发动机进气系统的功用是尽可能多和尽可能均勻地向各气虹提供可燃混合气或纯净的空气。一般进气系统主要包括进气歧管前的管路(如进气总管、空气滤清器及其他消声元件等)和进气歧管。在有些化油器式和节气门体汽油喷射式发动机上,一般会装有对进气进行预热的装置。为了得到增强进气的效果,有些发动机的进气
17、系统还加装了谐振器对于汽油喷射式发动机,其进气系统中还安装有计量空气的装置。空气滤清器的重要作用是滤除空气中的杂质和灰尘,为气社提供洁净的空气。另外,由于空气滤清器结构是一个膨胀的腔体,类似于扩张型的消声器结构,还具有降低进气噪声的作用,所以发动机的进气系统一般不会单独安装专门的进气消声器。对噪声的控制可以从两个方面进行研究:一是对噪声源的控制,二是采取外部降噪措施,如设计消声元件等。对进气噪声的控制主要是通过设计匹配的进气系统消声元件来实现的,这是目前最有效、采用最多的方法。受安装空间限制,进气消声元件一般与空气滤清器合为一体2。在某些仅凭空气滤清器不能满足降噪要求的发动机上,还可以安装相应
18、的赫姆霍兹消声器或1/4波长管。如何在满足发动机动力性和经济性的前提下,合理地设计进气消声元件,是一项非常重要的工作。除了进气歧管前的管路,发动机的进气系统还包括进气歧管本身。进气歧管对于降低进气噪声的作用很小,基本可以忽略,但其物理结构仍非常重要。由于发动机正常工作所必须的空气由进气口流经进气歧管最后进入气缸,在流体流动的过程中,歧管的结构对于流场的影响会得到明显的体现。一个好的结构可以最大程度地减小摩擦,消除流动阻力,使流体的流动尽可能的顺畅。因此,对歧管内流场的分析十分必要。1.2研究现状1.2.1国外的研究概况 关于发动机进气系统的研究在国外起步比较早,在20世纪60年代之前就有专门针
19、对汽车噪声的简单计算和试验,如Hosomi.Mikiya等人概括了发动机排气消声器的发展历程而后随着数值模拟技术的发展,结构分析被率先用于汽车领域,采用有限元计算部件模态和响应。在70年代采用有限元研究消声器内部结构,80年代实现三维有限元分析,完成了对消声器传递损失的简单计算。这些技术的实现表明:对于结构复杂的消声器,三维有限元的分析方法具有良好的效果。后来,数值模拟技术得以广泛应用,发动机的仿真技术也H渐成熟,如Bhattacharya.Paritosh等人通过数值模拟软件完成了两虹四冲程柴油机的性能分析及噪声研究。计算流体动力学(CFD)技术在20世纪70年代的美国诞生,它被广泛应用于各
20、种流体流动与传热问题中。四十年来,CFD在瑞流模型、网格技术、并行计算等方面都取得了飞速的发展,给工业界带来了革命性的变化。在汽车行业中,CFD和其他计算机辅助工具一起作为产品开发工具,大大减少了样车试验数量。1994年,Thomas Morel和Leon A.LaPointe提出了 “并行模拟和试验”的概念,将模拟和试验互相补充,实现了一体化的解决方法建立数值模型,并利用试验收集的基本数据对模型进行修正和完善,得到试验无法获取的数据,在计算机的并行模拟和试验中完成发动机的设计优化与幵发。而在实际的仿真计算中,为了避免单独使用三维软件计算精度不高的弊端,研究者提出了一维与三维软件稱合的计算流体
21、力学方法,以此分析消声器内部的流动特性,通过计算结果预测发动机在实际运行工况下进排气系统内部的压力损失及声学性能,从而实现预先优化3。1.2.2国内的研究概况 我国对于进气系统的研究起步较晚,在1979年颁布机动车标准后才幵始实施以试验研制为重点的研究。随着中国与世界的联系円益密切,汽车工业也面临着巨大的挑战,迫切需要自主研发生产新产品,其中对噪声的控制成为不可规避的课题之一。由于我国对于噪声污染的危害意识不够,使得目前对汽车降噪技术的研究与发达国家有一定差距,幵发能力相对较低。而随着噪声法规越来越高的要求,只研究排气系统消声器已经不能满足降噪要求,迫切需要幵展对进气系统的研究。最近几年,国内
22、不少汽车开发商意识到了这个问题,许多专家和学者也做了不少工作。毛善勇等人通过比较发动机在不同工况下的声压云图,说明增压高速发动机内进气噪声对整机噪声有显著影响。范钱旺等人利用Matlab编写程序,模拟赫姆霍兹共振消声器结构参数对消声性能的影响,通过计算发现共振腔的体积和主管截面积等对共振频率和消声量有重要影响岳贵平等人利用GT-Power软件分析进气系统的插入损失,幵发进气消声元件中心频率设计专家系统,将其传递损失影响参数考虑在内,分别设计了空气滤清器、赫姆霍兹谐振腔和1/4波长管,这一系统对进气系统声学元件的设计具有很高的实用价值金岩、郝志勇通过比较加速行驶车外噪声的频谱特性,应用试验和边界
23、元法研究了空气滤清器的频率相应特性,在原有结构的基础上添加赫姆霍兹谐振腔,很好地解决了进气噪声的问题,达到了整车降噪的目的。张小燕等通过建立发动机模型,优化进排气系统,对可变进气歧管系统进行了完整建模,提高了模型的仿真精度。尹凌等通过分析不同的进气歧管设计方案,利用一维和三维软件賴合计算的方法,分析两种进气歧管对整机动力性能的影响,同时解决了舉独使用三维软件仿真无法实时改变边界条件,造成结果精度不高的问题,使模拟计算结果更加接近试验数值这些研究成果对于今后进气系统的设计与优化有着非常重要的意义。 第2章B15发动机进气消声元件设计2.1进气系统概述 发动机的进气系统是把空气或混合气导入气紅的零
24、部件集合体,其功能是尽可能多和尽可能均勻地为发动机供给可燃混合气或清洁、干燥的空气。系统中的主要组件空气滤清器、管路及设计安装的合理性直接影响发动机的动力性和经济性。2.1.1进气系统结构及工作原理 进气系统包括空气进入系统和进气多支管系统,其中前者主要指进气歧管和进气总管,后者包括空气滤清器、进气消声元件、进气管和柔性连接管等,如图2-1所示4。1-进气系统，2-进气总管，3-进气控制阀，4-怠速进气通道，5-柔性连接管， 6-干净空气阀，7-波长管，8-空气滤清器，9-空气过滤阀， 10-赫姆霍兹消声器，11-进气口 图2-1进气系统结构示意图 空气经空气滤清器过滤杂质后,流过空气流量计,
25、经由进气道进入进气歧管,与喷油器喷出的汽油混合后形成适当比例的可燃混合气,由进气门送入气社内点火燃烧,产生动力。由此可见,发动机的功率、扭矩等动力性能及有效燃油消耗率等经济性能与进气系统的优劣有直接关系。要研究发动机的进气系统,很重要的一个指标是其声学性能如前所述,发动机的噪声源中,进气系统产生的噪声占有很大比重。而要降低发动机进气系统噪声,还需要平衡发动机动力性与声学性能的矛盾。进气系统与发动机的气虹相连,进气阀门处的气压与大气压形成一个压差,压差越高,空气在进入进气系统时要消耗的能量越多。发动机的功率与进气管的截面积有关,截面积越小,空气流通不顺畅,功率损失越大,但进气口的噪声越低。因此,
26、降低进气口噪声的同时可能引起发动机功率损失的增大,在进气系统设计时就需要平衡这对矛盾。2.1.2进气噪声的产生机理 空气进入进气道之后,其压力和密度会随着发动机进气门周期性的幵闭进行波动,从而形成空气动力噪声。根据其产生机理的不同,可以将其分为四类:祸流噪声、周期性的压力脉动噪声、气虹内赫姆霍兹共振噪声和进气管内气柱共振噪声。(1)祸流噪声 气流经过进气道到达气紅时形成很高的速度,由于气通道内的气门和进气管内壁的砂眼、毛刺等障碍物存在,气流的流动受阻形成祸流,从而产生祸流噪声。由于祸流脱落的频率会影响此类噪声的频率,障碍物的形状会影响祸流的排列,所以其频谱的峰值分布在特定宽度的频率范围。但当绕
27、流的障碍物是规则几何形状时,润旋的形成、脱落及排列在流动稳定时呈现一定的周期性,此时峰值可以按公式计算: (2-1) 其中，sh-常数，通常取0.5，v-进气门气流速度（m/s），d-进气直径（m）(2)周期性压力脉动噪声 新鲜空气由进气口流入进气管,在发动机工作过程中气门的开闭导致空气的压力及速度发生波动,形成密度的周期性变化,从而产生周期性的压力脉动噪声。它构成了进气噪声的主要部分,与进气道的压力脉动吻合,其主要频率f受发动机转速的影响,计算公式为: （2-2） 其中，n-发动机转速（rpm），-冲程数，i-发动机缸数。(3)赫姆霍兹共振噪声 在发动机工作过程中,气虹会形成封闭的腔体,赫姆
28、霍兹共振噪声就由此产生。气虹内气体的压力波会激发这类噪声的共振,容积、进气管直径及长度等因素都会影响其共振频率的大小将共振腔等效成等截面管和具有一定容积的圆球,则第一阶固有频率为: （2-3） 其中,c-空气中的声速(m/s)，r-进气管半径，l-进气管长度，-气虹容积。(4)进气管内的气柱共振噪声 进气门关闭后进气管形成气柱共振系统,管内的空气由于连续性和可压缩性,容易形成气柱的振动,由此产生进气管内的气柱共振噪声。当声源的激振频率与气柱的某一阶固有频率相同时,便发生与该频率相对应的共振,管道强烈振动并产生福射噪声。其固有频率的公式为: （2-4） 其中，c-空气中的声速（m/s），i-谐波
29、次数，l-进气管长度（m）。2.2进气消声元件优化 为了得到更好的消声效果,对消声元件模型做以下改进: (1)适当增加空气滤清器的长度,在GT-Power中将出气口到节气门之间的管路利用等截面直管和变截面弯管取代原先的三维等截面管。 (2)由于发动机运转时进气温度的变化会引起流速的变化,在建模时将赫姆霍兹谐振腔和1/4波长管的尺寸根据流速的变化进行调整。优化后的进气系统消声元件与发动机稱合,仿真计算结果见图2-2和图2-3。 图2-2 优化后的进气口噪声 图2-3优化后的进气系统压力损失 由图2-2和图2-3可知,进气口噪声总声压级在目标值以下,各阶次声压级全部低于目标值,比优化前的进气口噪声
30、有所降低;进气口到节气门的压力损失为2.5kPa,优化后的进气口噪声和压力损失全部满足要求,优化效果良好。 第3章B15发动机进气系统性能分析3.1进气歧管流场分析模型的建立 在满足发动机性能的前提下,关于进气系统消声元件降噪作用的研究,对于进气系统的另一部分进气歧管,因其降噪作用不明显,故本章只对其内部流场进行分析,讨论进气歧管的结构在发动机进气过程中的作用。3.1.1计算流体力学基本理论本章所使用的STAR-CCM+软件是由CD-adapco集团推出的CFD软件,它采用最先进的连续介质力学数值技术,可以导入使用目前主流网格生成软件所生成的网格,本身也可计算多面体网格5。它与现代普遍使用的软
31、件工程技术结合,拥有比较出色的性能和很高的可靠性,是热流体分析人员强有力的工具。目前,该软件成了很多公司进行流场等方面分析时的首选计算流体力学的基本思想是:用有限个离散点上变量值的集合代替速度场、力场等连续物理量的场,建立关于这些变量值的方程组,并进行求解以获得近似值。在进行流体动力学的计算时,要遵守三个基本的物理守恒定律,即动量守恒定律、能量守恒定律和质量守恒定律。另外,如果有不同的组分参与,系统还要遵守组分的守恒定律;如果存在湍流,还要附加瑞流的输运方程。在这些守恒方程中,质量守恒方程是所有流动问题都需要满足的定律,其公式表述为: （3-1）或 （3-2）动量守恒方程用公式表述为:（3-3
32、） 能量守恒方程用公式表示为: （3-4）3.1.2进气歧管流场分析方法 在常见的流场分析计算中,通常采用零维或一维模型对进气歧管进行简化,如GT-Power软件中,将进气歧管的各个支管分别简化成若干段管路,通过简单的一维连接建立模型,对其性能进行分析。进气歧管的每个支管都具有比较明显的一维流动特征,用软件中的一维模块代替时,稳压腔内部的平均压力是均勻的。这种方法计算得出的结果与试验数据相比,准确度较低,不能完整体现发动机运行时歧管的工作状况,尤其是对歧管内的流场分布,一维软件难以给出确切的结论。由于这种方法不考虑内部物理结构的差异,适用于气流速度低、压力波动小的场合。为了获得一维软件难以实现
33、的进气歧管内流速和压力的分布,现在普遍采用CFD软件进行仿真分析,如前述的STAR-CCM+软件。利用三维造型软件绘制进气歧管模型并进行简化处理,在CFD软件中抽取流体域,划分网格。导入网格后,通过添加边界条件,进行其他必要的设置完成计算。利用CFD软件可以进行稳态的流场计算,这种方法工作量较小,计算时间也相对较短,能够快速获取歧管内的流动特性。但这种方法不能计算歧管在不同时刻的流场,因此在考虑时间的作用时,可以选取瞬态计算方法。在使用STAR-CCM+进行瞬态的计算时,需要先从一维软件或试验数据中获取边界条件,经过模型设置后得到歧管内部的瞬态流动,这与稳态相比更加接近真实的流动。但由于边界条
34、件是由软件使用者进行手动输入,无法根据发动机的工作状况进行实时的更新,由此获得的是孤立的瞬态结果。而发动机的实际工作过程是瞬态的,只用CFD软件进行计算不能完全模拟实际流场的状态。由于进气歧管与热力学系统的其他部分独立分别求解,两部分的信息不能进行实时交换,与实际的试验数据相比,整个系统的精度并没有得到很大的提高。考虑到GT-Power软件可以较为准确的模拟发动机的工作过程,在进行进气歧管的流场分析时,有文献提出了另外一种研究方法稱合计算。首先利用GT-Power软件建立发动机模型并标定,使其精度达到要求。将模型中的进气歧管部分用三维模块取代,在STAR-CCM+软件中建立相应的接口,获取发动
35、机工作过程的实时条件作为其计算的边界。这种一维和三维软件糊合计算的方法可以弥补单独利用三维软件进行条件设置无法实时更新的不足,使STAR-CCM+软件的边界在GT-Power计算过程中进行随时改变,从而大大提高模型计算的准确度。本章就是运用锅合的方法,分析B15发动机进气歧管的流场。3.2汽车加速行驶车外噪声分析为了更好的评价消声元件设计的优劣,通过查阅文献,利用现在普遍采用的方法汽车加速行驶车外噪声分析法,建立相应的模型,对计算结果进行分析,总结进气噪声对车外噪声的贡献率。3.2.1理论介绍 根据GB14952002汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法中的规定,汽车噪声是根据汽车加速通过如图3
36、-1所示的测量区域时的车外噪声来进行评价的。测量过程中,汽车与声级计的相对位置时刻都在发生变化,影响噪声的测量结果,而且在加速过程中,发动机噪声特性也会发生变化。在图3-1中,O点为测量区的中心,加速段长度为2X (10m0.05m),AA线为加速始端线,BB线为加速终端线,汽车沿行驶中心线行驶,传感器布置离地面高1.2m0.02m,距离行驶中心线CC7.5m0.05m处,其参考轴线必须水平并垂直指向行驶中心线CC。要求汽车前端到达AA线时,节气门全幵,并保持不变通过测量区域。汽车加速行驶时,其车外最大噪声级不应超过标准规定的限值。 图3-1测量场地和测量区及传声器的布置 3.2.2模型的建立
37、 通过噪声的模型使用Vehicle”、Clutch Conn”、Tire Conn Rigid”、Acoust Microphone等模块,根据试验获取的参数进行设定。其中,车辆进入区域的初始速度的选择,根据与发动机匹配的车型确定。对麦克风位置的设置,参照汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法中的规定。根据以上设置,建立汽车加速行驶车外噪声模型,如图3-2所示。 图3-2汽车加速行驶车外噪声模型3.2.3结果分析 图3-3为用图3-2的模型计算所得的汽车加速行驶车外噪声值,X轴分别对应车辆行驶距离(m)和发动机转速(rpm)。 图3-2汽车加速行驶车外噪声值由试验经验可知,车辆加速行驶通过测量区域
38、时,最大噪声应产生在距传声器最近的加速段中心位置附近,即距加速行驶始端线10m左右。本文中噪声最大值出现在车辆行驶距离为9.0m和10.3m处,约为74.3dB(A)。因为点声源辐射的声压(P)和距离成反比,更远距离r2的声压SPL2(dB(A)可以从已知的近距离rl的声压SPL1(dB(A)计算出: (3-5) 其中，r1-0.5，位于进气口500mm处的麦克风装置；r2=7.5m，为位于7.5m处麦克风位置。按公式可得：，可通过这个公式对进气口的噪声进行换算。另外,通过查阅文献可知,对于目标值为75dB(A)的通过噪声,汽车进气系统的噪声水平限值为63dB(A)6。目前,中国噪声法规中规定
39、在2005年1月1日以后生产的Mi类汽车的通过噪声不超过74dB(A)。在本发动机运行转速范围内,在进气口 500m处测量进气口噪声,最大噪声值为85.3dB(A) (4000rpm, 500mm处),转换到7.5m处的噪声值为 100.3-23.5=61.8dB(A),低于 62dB(A)(74-(75-63)。因此,此发动机的进气噪声对通过噪声的单独贡献满足通过噪声的目标值要求。 第4章总结与展望4.1全文总结 以计算机为支撑的数值模拟技术的应用,可以大大缩短产品开发流程,节约成本,目前在各个行业都有广泛应用。在汽车行业中,由于国家法规对汽车噪声的要求越来越严格,仅通过改善发动机的排气噪声
40、已经不能满足要求,因此研究进气系统噪声刻不容缓。利用数值模拟技术研究汽车发动机进气系统的声学性能及设计幵发相应的产品,对某些结构进行针对性的设计优化,是目前进排气系统研究中比较关注的一个课题。 本文的主要任务是建立准确的发动机模型,通过分析进气系统消声元件参数变化对传递损失和中心频率的影响,总结参数灵敏性规律,对B15发动机的进气系统消声元件进行设计优化,并利用一维和三维软件耦合的方法完成对进气歧管流场的分析,最后建立更加准确的汽车加速行驶车外噪声模型,分析进气噪声对加速行驶车外噪声的贡献率,全面的评价进气消声元件的消声性能。 总结全文的工作,主要体现在以下几个方面: (1)利用GT-Powe
41、r软件建立发动机工作过程仿真模型,对可变气门时和可变进气歧管的建模进行详细说明。将计算结果与发动机外特性试验结果对照,并标定模型,使计算值与试验值误差在5%以内,满足准确度要求,为后续对进气系统的设计及分析奠定模型基础。 (2)利用GT-Power分析扩张消声器和旁支型消声器的参数灵敏性,总结消声元件不同结构参数对消声性能的影响规律。针对B15发动机进气系统消声元件的设计要求,分别设计空气滤清器、赫姆霍兹谐振腔和1/4波长管。将消声元件与发动机模型耦合,分别计算进气系统压力损失和进气口噪声。针对某个转速下个别频率的阶次噪声稍高的问题,考虑温度对实际流速的影响,提出改进方案,使进气口噪声低于目标
42、限值,进气压力损失不高于2.5kPa,优化方案满足设计要求。 (3)介绍三种进气歧管流场分析方法,选定利用一维和三维软件耦合的方法进行歧管的分析。将GT-Power软件和STAR-CCM+软件耦合,通过GT-Power软件获取实时的边界条件,分析压力场和速度场结果。 (4)在耦合后的GT-Power模型基础上添加路面、轮胎等模块,建立汽车加速行驶车外噪声评价模型,分析进气噪声对汽车加速行驶车外噪声的贡献度,从宏观上评价进气消声元件的消声性能。结果表明本文设计的进气系统消声元件是有效的,满足目标要求。通过本文的研究发现,利用数值模拟的方法进行发动机零部件的设计,更有针对性,大大节省了开发成本,缩
43、短了开发周期,为后续的设计开发提供了指导。4.2展望 利用数值模拟方法模拟发动机工作过程和进行零部件的开发设计,是现代汽车行业开发推广新产品的必要技术手段。本文运用GT-Power和STAR-CCM+软件对发动机的进气系统进行消声元件的设计和对进气歧管的性能分析,所提出的研究方法和设计方案在模拟计算中取得了令人满意的效果,具有一定的实用价值。但从目前的研究现状来看,要实现准确的设计和高准确度的模拟,还需要更加深入的研究和实践: (1)应用GT-Power软件进行发动机的建模,对于三维空间的相对位置没有体现出来。为了提高仿真精度,可以利用GEM3D模块建立准确的三维模型,对其进行离散导入GT-Power中进行仿真计算。另外,仅考虑节气门全幵的工况不能完全评价发动机的性能,对于部分负荷时的工作过程仿真模拟有待研究。 (2)利用STAR-CCM+软件计算进气系统的流场,可以分析添加了进气消声元件的整个进气系统,而不仅局限于对进气歧管的分析。另外,对歧管中个别支管的结构可以适当优化,进行深入探讨。 参考文献1Rayleigh J.W.S. The Theory of Sound. Vo lum nM. New York: Dover Publications,19452邵恩坡,程汉华.发动机进气噪声产生的机理及其控制J,小项内
