個人資料整理 僅限學習使用第四章進氣系統噪聲與振動分析與設計第一節 進氣系統概述空氣是燃燒最重要的成分之一。空氣是通過進氣系統進入發動機汽缸的，與燃油混合。點火后，燃油在空氣中燃燒后釋放出化學能量，化學能量轉變成熱能，然后再轉變成機械能量。機械能量推動曲柄連桿機構做工，然后通過動力傳遞系統推動汽車前進。進入汽缸的空氣越多，燃燒的效率就越高。提高進氣量的途徑有兩個，一是減小進氣阻力，二是減小排氣系統的背壓。1．進氣系統的結構圖4.1為一個進氣系統的示意圖。進氣系統可以分成兩部分：發動機進氣多支管系統和空氣進入系統。多支管系統包括進氣分管和進氣總管。空氣進入系統包括進氣控制閥，怠速進氣通道，柔性連接管，干凈空氣管，四分之一波長管，空氣過濾器，空氣過濾網，赫爾姆茲消音器，進氣管等等。進氣多支管系統 空氣進入系統2568113發動機1794101---進氣分管，2---進氣總管，3---進氣控制閥，4---怠速進氣通道，5---柔性連接管，6---干凈空氣管，7---四分之一波長管，8---空氣過濾器，9---空氣過濾網，10---赫爾姆茲消音器，11---進氣管圖4.1一個進氣系統的示意圖2．工作原理空氣從進氣管口進來，流入到空氣濾清器，空氣中的灰塵和雜質被過濾網濾掉。干凈的空氣流入到干凈空氣管。進氣導管上安裝著一個或者兩個空氣質量流傳感器(MAFS>，傳感器控制進入汽缸的空氣量。這個傳感器是由發動機電子控制系統來控制，控制系統將利用這個傳感器的信號來調節空氣與燃油的比例，使其達到最佳。空氣控制伐控制著進入汽缸的空氣流量，從而控制著發動機輸出功率大小。當閥門全關閉的時候，怠速控制閥工作，來調節發動機的怠速。3．進氣系統功能進氣系統有下面幾個功能：1>調節空氣與燃油量的比值。控制進氣量的多少，使得進入發動機汽缸的空氣量最佳。調節泄露空氣使其再利用，使凸輪軸泄露的氣體再進入進氣系統。2>保護外界雜質和不需要的成分對發動機的損壞。空氣過濾器阻止外界雜質進入汽缸，從而防止發動機磨損，這樣可以提高發動機的可靠性。進氣口的設計還要保證水和雪不能進入進氣系統。3>測量進氣量。在不同的工況下，空氣與燃油的比例是不一樣的。在干凈空氣管道上安置著一個空氣控制筏。這個控制筏與發動機的電子控制系統(EEC>連接，這樣就控制噴入汽缸的燃油量，使進入到發動機的空氣量最佳，空氣分配合理。4>降低噪聲。進氣系統是汽車最主要的噪聲源之一。進氣系統都安裝有消音元件，如擴張消音器 (過濾器>、赫爾姆茲消音器、四分之一波長管等等。5>輔助其他系統的安置。附近的一些小部件會安裝在進氣系統上。4．降低噪聲與減小功率損失的平衡如果發動機不與進氣系統連接，那么進氣控制閥門處的氣壓就是大氣壓。可是當發動機接上一個進氣系統后，進氣閥門處的氣壓增高。這個壓力與大氣壓之間的差值稱為背壓，我們將在下一章詳細個人資料整理 僅限學習使用介紹背壓問題。背壓增高，空氣在進氣系統中運動將消耗一部分能量，即消耗發動機的能量。如果進氣管道截面積越大，空氣流通就越順暢，那么功率損失就越小。中高檔次汽車的進氣功率的損失一般在2%到4%之間。發動機在運動的時候，在進氣口處產生巨大的噪聲。除了安裝消音元件來消除噪聲外，我們希望進氣管道截面積小，這樣噪聲就更低。所以減小進氣系統的功率損失與降低進氣口噪聲對進氣管道截面積的要求是相互矛盾的。在設計中就必須平衡這對矛盾。除了噪聲與功率損失外，在設計進氣系統時還要考慮振動、防水防雪等問題。圖 4.2列出了這些問題。進氣系統設計時主要考慮的問題噪聲 功率損失 振動 防水防雪圖4.2 進氣系統設計時主要考慮的問題第二節 進氣系統的噪聲問題進氣系統的噪聲是汽車最主要的噪聲源之一。其噪聲主要是指進氣口處的噪聲。這個噪聲源離車廂的距離很近，所以對車內噪聲貢獻非常大。同時，進氣口噪聲也是汽車最主要的通過噪聲源。另外，如果空氣過濾器和消音元件的剛度不足，就會引起很大的輻射噪聲。本節主要介紹進氣口噪聲。進氣系統消聲元件包括擴張消音器和旁支消音器。空氣過濾器除了過濾空氣外，還起到擴張消音器的功能。旁支消音器包括赫爾姆茲消音器和四分之一波長管。進氣系統聲學設計的第一個問題是消音容積。消音容積一般是指空氣過濾器和赫爾姆茲消音器的容積之和。一般來說，消音容積越大越好。對擴張消音器來說，其容積越大，傳遞損失可以調節的頻帶也就越寬，傳遞損失也可能增加。對赫爾姆茲消音器，容積越大，可調節的頻率越低。對四缸和六缸發動機來說，通常消音元件的容積要求達到10到15升。可是進氣系統在發動機罩下面，旁邊安裝著許多其他部件，10到15升的消音容積空間往往很難保證。在汽車設計初期，就必須留出足夠的消音容積。表4.1列出了一些汽車進氣系統的消音容積。表4.1一些汽車進氣系統的消音容積制造廠家汽車品牌發動機汽缸發動機容積(升>總的消音容積(升>豐田LexusLS400(92>V84.6L16.4L福特LincolnVIIIV84.6L14.1L豐田LexusGS300(93>V63.0L11.7L福特FordTaurus(92>V63.0L11.3L尼桑NissanInfinitiJ30(93>V63.0L8.9L福特FordContour(95>I42.0L17.87L本田HondaAccordEX(94>I42.2L17.49L豐田ToyotaCorolla(93>I41.8L11.2L福特FordEscort(94>I41.9L7.2L聲學設計的第二個考慮是管道的截面積。管道的截面積越小，對擴張消音器來說，擴張比就越大，因此傳遞損失就越大，消音效果就越好。但是管道的截面積如果太小，當氣體流速過高的時候，一方面是氣體摩擦噪聲加大，另一方面是進氣系統中的能量損失也增加。為了平衡消音與減少摩擦噪聲和能量損失，通常的方法是采用擴張管(如圖3.3所示>。聲學設計的第三個考慮是進氣管位子的選擇。進氣管口的位子選擇要考慮四個因素：第一因素是從噪聲源的角度考慮。發動機的燃燒噪聲和氣體在管道中運動產生摩擦噪聲在進氣口處向外輻射，即可以說進氣口是進氣系統的“噪聲源頭”。因此進氣口應該盡量遠離車廂，使得噪聲源與司機和乘客之間的距離越遠越好。同時也要使得進氣口聲源與隔聲結構的距離最遠，這樣隔聲效果會更好。個人資料整理 僅限學習使用第二個因素是避免水、雪、灰塵和雜質進入進氣系統。第三個因素是氣體在進氣系統中運行通暢，進入的氣體溫度要低，這樣使得發動機燃燒效率高。第四個因素是進氣口與進氣控制閥之間的空間。因為整個進氣管道和消音元件是放置在進氣口和控制閥之間，因此在設計初期就要把這個空間留出來。綜合以上四個因素，進氣口安放的位子通常有三種：第一個位子是將進氣口放置在發動機的前方，或者在散熱器的上方或者在其前面。如圖4.3。這個進氣口位子遠離車廂和隔聲結構，對減少進氣系統傳到車廂的噪聲最有利，還能保證有足夠的冷空氣會進入到進氣系統。但是其缺點是水、雪和空氣中的灰塵雜質比較容易進入進氣系統。第二個位子是將進氣口在發動機的前面或者上方，如圖4.4。這個位子與車廂的距離比第一個位子與車廂的距離近，因此噪聲傳入到車廂的量會大一些。由於發動機艙室前面安裝著一些部件，這些部件相當于擋板，有利于防止雜質、水和雪進入進氣管。但是由於這種結構離散熱板很近，因此空氣的溫度偏高，因此發動機的燃燒效率會降低。第三個位子是在側板里面，如圖4.5。由於側板擋住將進氣口與外界隔開，因此這種結構對防止雜質、灰塵、水和雪進入進氣管有好處，同時進氣溫度也低。但是這種結構離車廂的距離比前面兩種位子都近，因此傳入到車廂的噪聲會高些。另外由於進氣口和前側板之間可能形成一個共鳴腔，這樣可能產生額外的共鳴噪聲。圖4.3 進氣管口遠離發動機圖4.4 進氣管口在發動機的前方或者上方圖4.5 進氣管口在側板附近第三節 進氣多支管的聲學分析進氣多支管是連接發動機汽缸和進氣管道系統的部件。進氣多支管結構包括進氣分管和進氣總管，如圖4.6。氣體從發動機的汽缸出來后，先在分管中運行，然后匯入總管。個人資料整理 僅限學習使用圖4.6 進氣多支管53d6d3d525d2進氣總管d441d1圖4.7 進氣分管與總管圖4.7表示氣體從各個汽缸出來后匯入到進氣總管。假設各個分管的長度不一樣，那么氣體在每個分管中運行的時間也不一樣。氣體在第i支分管中運行的時間為：(4.1>式中， 是第i支分管的長度，c是聲速如果把這段時間轉換為發動機曲軸轉過的角度，則為：(4.2>式中，

是發動機曲軸的角速度，

n是轉速。這樣由於支管距離的不同而引起的相對角度的差就可以計算出來。第

i支管與第一支管的相對角度為：(4.3>對均勻運轉的發動機來說，點火時間均勻，那么每個汽缸之間運轉的間隔均勻。相臨發火汽缸的曲軸角度差為：(4.4>式中，N是汽缸數。 是發動機一個工作循環轉過的角度，四沖程一個工作循環是二周，即 ，。而對于二沖程發動機，其一個工作循環只有一周，即 。 是發動機曲軸的轉角。個人資料整理 僅限學習使用假設選擇第一號汽缸為參考汽缸，其對應的曲軸轉角為零，這樣，第 i個汽缸相對于一號汽缸的曲軸轉角，為：氣體到達進氣總管時，第i個汽缸傳來的氣體與一號氣缸氣體之間的相位差角由兩部分組成。第一部分是各個汽缸之間點火間隔的差角，第二部分是各個分管長度不同而引起的相位差角。這兩個差角可以用以下式子來表示：(4.5>以第一個汽缸為參考，第 i個汽缸聲音傳遞到進氣總管的絕對轉角為：(4.6>為第一汽缸對應的曲軸轉角。在第i個分管中任何一點的壓力是由入射波聲壓和反射波聲壓組成。以分管與汽缸交界處為起點，管道內任何一點的壓力可以寫成：(4.7>式中 和 分別是第i個分管中入射波和反射波聲壓的幅值。 m是發動機的發火階次，分別代表半階、一階、二分之三階，二階等等。在進氣總管內，壓力為各缸傳到此處的壓力之和，可以用以下公式來表示：(4.8>以一個六缸發動機為例來分析進氣總管的壓力。假設各個分管的長度相等，各個汽缸的聲壓幅值相等。這樣，發動機每個汽缸出口到進氣支管交匯處的距離相等，假設支管的長度為 d。相位差僅僅是由於發動機各個汽缸發火不同而引起的。根據公式 (4.4>可以得到兩個汽缸之間的相位差為(4.9>這樣第i個汽缸的相位為：(4.10>於是，進氣總管交匯處的總壓力為：(4.11>六缸發動機的發火階次為 3階、6階、9階等等。這些階次可以表達為：(4.12>這些階次的聲壓表達如下：(4.13>或者表達為：個人資料整理 僅限學習使用(4.14>由於 及 ，因此，發火階次的聲壓為：(4.15>半階可以用統一的表達式來表示，即(4.16>式中， 分別代表二分之一階，二分之三階，二分之五階，等等。這樣，半階的聲壓的表達式為：(4.17>上式右邊第二個方括號內表達可以簡化為下面如下：(4.18>因此，所有的半階聲壓都對於零，即：(4.19>除了第3階及其倍數階和半階外，其他整數階次，如

1階、2階、4階、5階、7階、8階，等等，可以分別將

代入到公式

(4.11>

中計算。比如第

1階的聲壓為：(4.20>由於(4.21>所以第1階的聲壓為零，即：(4.22>同樣，可以得到2階、4階、5階、7階、8階等等非3階倍數的整數階次為零，即(4.23>對于等長度分管的情況，只有第 3階和其諧和階次的聲波存在，其它整階和半階聲波都為零。對於進氣支管的分管長度不相等的情況，在進氣總管處各汽缸傳來的聲壓的相位差除了發動機汽缸發火的相位差外，還有由於分管距離的不等而引起的相位差。其在總管處的聲壓可以由公式 (4.154>計算。進氣支管的布置情況通常有以下三種：1．等長度分管。即各個分管的長度相等，如圖 4.82．中心連接分管。即分管分成數目相等的兩部分。在每個部分內，其分管的長度相等。兩部分個人資料整理 僅限學習使用對稱，交匯在一起，如圖4.9所示。3．尾端連接分管。即所有的分管都接在總管上，如圖4.10所示。352進氣總管514圖4.8等長度分管圖4.9 中心連接分管圖4.10 尾端連接分管[例子4.1]：等長度分管一個六缸發動機的進氣支管長度相等，如圖 4.8。前面已經分析了這種情況的聲壓。除了 3階的整數倍階次外，其他整數階次和半階次的合成聲壓都等於零。圖 4.11表示一個等長度分管的六缸發動機的聲壓階次圖譜。聲壓個人資料整理 僅限學習使用圖4.11 等長分管六缸發動機在進氣總管的壓力階次分布對於其他缸數的發動機，如四缸、八缸、十缸等，如果分管長度相等，那么其在交匯處的聲壓特性與六缸相同，即發火階次及其諧和階次的聲壓存在，而半階和其他階次的聲波彼此抵消。[例子4.2]：中心連接分管對中心連接的情況，由於結構的對稱性，半階聲波彼此抵消，可是所有的整階聲波全部保留，如一階、二階、三階等等。圖 4.12表示一個中心連接分管的六缸發動機的聲壓階次圖譜。聲壓階次1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12圖4.12 分管中心連接的六缸發動機在總管處的聲壓階次圖譜。[例子4.3]：尾端連接分管對于尾端連接的情況。由於每個分管的長度都不一樣，而且不對稱，所以所有的整階次聲波和半階次聲波全部保留。圖4.13表示其頻譜圖。聲壓階次1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12圖4.13 尾連接分管的六缸發動機在總管處的聲壓階次圖譜進氣分管的不同聯系方式和長度決定了進氣總管處的聲壓階次的組成。如果把進氣系統與進氣支管連接，那么進氣口處的聲壓階次與總管處的聲壓階次是一樣的。階次的不同決定了進氣口處的聲音質量(將在以后的章節詳細介紹“聲音質量”>，因此進氣多支管的設計對聲音質量影響非常大。等長度分管只保留了發火階次，因此對大多數轎車來說，這是一種理想的選擇。而尾端連接保留了半階成分，因此這種設計是運動車的理想選擇。第四節 空氣過濾器(擴張消音器>的聲學分析個人資料整理 僅限學習使用空氣過濾器的功能有兩個：過濾空氣和消除進氣口的噪聲。空氣過濾器相當于一個擴張消音器，其容積大小和尺寸決定了傳遞損失和中心頻率。過濾器的容積一般要求達到發動機容積的三倍以上，就能達到良好的消音效果。現在市面上比較好的汽車，其過濾器的容積基本上在5升到10升之間。一般來說，容積越大，消音效果就越好。在前面一節中，介紹了影響傳遞損失的因素有兩個：擴張比 m和過濾器的長度L。在設計進氣系統的管道和過濾器時，有時候，進入管和輸出管會插入到過濾器之中，如圖4.14所示。這對這種情況，插入的長度對傳遞損失有影響，傳遞損失可以用以下公式來表達：(4.24>式中， 是進入管在過濾器中的長度， 是輸出管在過濾器中的長度。如果 和 都為零的時候，公式(4.24>就變成公式(3.19>。Ld

Lb DLa圖4.14 過濾器中的插入管道第三節已經介紹過擴張比和擴張器長度對傳遞損失的影響。我們總是希望擴張比越大越好。有兩種辦法提高擴張比，一是減小管道的尺寸，二是增加過濾器的截面積。減小管道尺寸會使得功率損失增加，而增加過濾器的截面積又受到安裝空間的限制。將進入管和輸出管插入到過濾器中也可以提高過濾器的傳遞損失。假設只考慮進入管插入，即，這時的傳遞損失簡化為：(4.25>6050140mm延伸管40)B 沒有延伸管d( 30L個人資料整理 僅限學習使用圖4.15 進氣管插入到過濾器中和沒有插入的傳遞損失比較圖4.15表示進入管插入長度為120mm和管道沒有插入的傳遞損失比較。在這個例子中，過濾器的長度為250mm，直徑為200mm。管道插入后，傳遞損失增加，而且在某個頻率處出現了一個峰值。當(4.26>公式(4.25171>中傳遞損失達到最大值，對應的頻率為：(4.27>即：(4.28>插入長度正好是波長的四分之一。也就是說進入管插入到過濾器中后，就相當于在系統中加入了一個四分之一波長管。利用這個插入管，就可以調節某些頻率下的傳遞損失。圖4.16表示插入長度分別為40mm,60mm,80mm,100mm,120mm,140mm,160mm和180mm時的傳遞損失，不同的插入長度都使得傳遞損失增加，其四分之一波長管對應的傳遞損失峰值頻率隨插入長度變化，對應的頻率可以由公式 (4.27>計算。706040mm延伸管60mm延伸管5080mm延伸管100mm延伸管)40120mm延伸管B140mm延伸管d(160mm延伸管LT30180mm延伸管2010002004006008001000頻率(Hz)圖4.16 不同長度插入管對應的傳遞損失個人資料整理 僅限學習使用插入管大大地提高了插入損失，但是過濾器內有過濾網，這樣插入長度往往受到限制。另一方面，插入管會帶來較大的功率損失，其損失值比減小管道直徑帶來的損失還要大。所以是否采用這種插入管，要權衡傳遞損失和功率損失。第五節 旁支消音器聲學分析進氣系統的共振消音器有赫爾姆茲消音器和四分之一波長管。這兩種消音器的目的都是消除窄頻帶的噪聲，但是赫爾姆茲消音器的消音頻帶比四分之一波長管要寬，所以赫爾姆茲消音器比四分之一波長管顯得更重要。赫爾姆茲消音器一般是用來消除低頻噪聲，而四分之一波長管用來消除高頻噪聲。如果要用四分之一波長管來消除低頻噪聲，那么波長管必須做得很長，但是太長的管道很難安裝。共振消音器應該安放在系統聲模態的反結點。如果把消音器安放在結點處，將達不到消音效果。空氣過濾器一般來說是聲模態結點，因此不能將共振消音器安裝在空氣過濾器上。在前面一節中，已經介紹了對赫爾姆茲消音器傳遞損失及其共振頻率的影響因素。在進氣系統中，低頻噪聲成分往往非常大，而控制低頻要采用赫爾姆茲消音器。所以在汽車設計初期，要盡可能地給進氣系統留出較大空間，以便安裝赫爾姆茲消音器。根據經驗統計，赫爾姆茲消音器有效調整范圍為：頻率(Hz>x 體積(升>>300。赫爾姆茲消音器只能消除一個頻率及其附近頻帶的噪聲。除了傳統的單個腔室結構外，也有兩個腔室的赫爾姆茲消音器。圖4.17表示兩個腔室在外面串連，圖4.18表示兩個腔室在內部串連。兩個腔室的消音器可以消除兩個頻率的噪聲。如果兩個腔室的容積與一個腔室消音器容積一樣的話，那么兩個腔室消音器傳遞損失對應的峰值要低些。圖 4.19表示一個腔室和兩個腔室消音器傳遞損失的比較。圖4.17 兩個外連接腔室的赫爾姆茲消音器圖4.18 兩個內連接腔室的赫爾姆茲消音器3530

一個消音器二個消音器25個人資料整理 僅限學習使用圖4.19 一個腔室和兩個腔室赫爾姆茲消音器傳遞損失的比較影響四分之一波長管的因素有其長度和截面積。長度決定了傳遞損失的頻率。而其截面積與進氣主管的截面積之比決定了傳遞損失的幅值大小。波長管的形狀對消音效果沒有影響，所以四分之一波長管可以設計成彎形狀。在一個進氣系統中，有時候有好幾個長短不一的波長管，用來消除不同頻率的噪聲。圖4.20中就有三個波長管。圖4.20 進氣系統中的四分之一波長管第六節 進氣口噪聲實例分析進氣噪聲是汽車最主要的噪聲源之一。進氣噪聲不僅會傳遞到車廂內影響顧客，而且還會輻射到環境。所以在設計進氣系統時必須使得噪聲既滿足客戶的要求也要達到政府有關法規。一般來說，在設計進氣系統時，按照下列程序來進行。第一，搞清楚發動機的參數和振動與噪聲特性，進氣系統可能的安裝空間。首先只用一根管道與發動機