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不同结构排气歧管对四缸发动机排气系统声级分布的影响

邱森，元照成，范若训，刘杰

吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130022中国

吉林化工学院汽车工程系，吉林132102中国

通讯作者

电子邮件地址：yuanzc@jlu.edu.cn（S. Qiu）

摘要

本文基于一维平面波理论分析了不同结构的排气歧管对排气噪声声级分布的影响。理论分析表明等距排气歧管保留了排气噪声的点火顺序和谐波点火顺序组件，同时抑制了它的半阶和整数阶分量。同时，对称等长歧管仅抑制了半阶分量排气噪音。最后，非等距排气歧管增加了半阶和整数阶排气噪音的组成部分。为验证理论分析，测试仪实验在满载条件下的四缸自然吸气式汽油发动机上进行，具有上述三种典型的排气歧管结构。结果表明，对于等距和对称等长歧管，排气噪声的半阶分量相当弱。另外，对于前者，排气噪声的整数分量足够低可以忽略。因此，理论分析与实验结果基本一致，表明这项研究有助于估计预设计阶段的声音顺序分布。

关键词：发动机；声级分布；排气歧管；排气噪音

1. 简介

人类听觉系统的声学行为非常复杂。仅降低噪声幅度是不足以引起客户们的兴趣并吸引他们的关注。因此，声音质量评估（SQE），即当接收到声音传递的相关信息时人类听觉系统的声学行为，已经成为非常活跃的研究领域。学者通常根据使用线性回归算法的听力测试来识别可以预测或关联SQE感知的声学或信号参数^[1-9]。与其他类型的车辆噪音相比，排气声作为对油门输入的反馈响应是驾驶员或其他乘客喜欢听到的罕见声音^[10]。因此，排气声的音质对车辆的音质具有重要影响。 Ohsasa和Kadomatsu ^[10]建立的基于线性回归算法的听力测试，确定了加速期间汽车排气噪声的声音质量。结果发现受试者能够强烈地感知到由半阶分量产生的波动以及浑浊感。相反，由于已知半阶分量产生低频的隆隆声会降低排气噪声的声音质量，因此它们是主观上不合需要的^[11]。因此，排气噪声良好的声级分布对客户满意度起着重要作用。

在这项研究中，通过改变排气歧管的结构来进行理论分析和实验，以研究声级分布的机制。先基于一维平面波理论，理论分析推导出声级分布的特征。然后再在理论分析的基础上，设计并运行了三种典型的排气歧管结构。理论分析和实验研究的结果表明，采用不同结构的排气歧管是控制排气噪声声级分布的有效方法。

1. 声音顺序分布的理论分析
   1. 排气噪音的声音顺序

对于四缸四冲程发动机，曲轴的两次旋转产生四个排气脉冲，排气脉冲的频率称为点火频率F_eng，它可以用如下表达式表示：

（1）

其中n是曲轴转速（RPM）。 对于n=1000 rpm，3000rpm，6000rpm，相应的Feng=33.3 Hz，100Hz和200Hz。

与每秒曲轴转数相等的频率称为发动机转速^[13]。排气噪声由许多离散频率成分组成。 这些离散频率可以根据与频率f相关的速度顺序来描述如下^[12]：

（2）

其中m是排气噪声或声音顺序的速度顺序，f是排气噪声的频率，n/60是发动机转动频率。

因此，排气噪声的离散频率分量可以用声音顺序表示。 显然，在不同速度情况下，相同的声音顺序代表不同的频率排气噪声，在特定的速度下，它只代表一个频率排气噪音。

将（1）式代入（2）式可得产生射击的声音顺序的频率为

（3）

发射频率的声音顺序称为发射顺序，其整数倍称为谐波点火顺序。

• 1. 排气歧管中的声波传播

用于具有4-1结构的四缸自然额定发动机的排气歧管如图1所示.排气歧管主要包括四个排气支管，其连接到相应的汽缸排气口。四个排气支管在共同的横截面处连接在一起，形成单个排气管。排气支管的长度定义为从相应的汽缸排气口到四个支管的共同横截面的距离.管道i的长度是。

图1.四缸自然吸气式发动机的排气歧管示意图

在具有足够小的交叉尺寸的刚性壁管的理想情况下，小幅度波作为一维平面波传播。圆管的截止频率由下式给出^[12]

（4）

其中D是管的内径，c是声音的速度。

当排气噪声的声压级非常低时，其激发频率比发动机转速高六倍^[14]。在这项研究中，最大发动机转速为6000转/分的六倍发动机转速为60赫兹；因此，激发频率的范围是为20赫兹到60赫兹。在这里我们视排气支管的内径为30毫米。声速为340m/s时，排气支管的一维平面波截止频率为6638Hz；它涵盖了激发频率的全部范围。庞剑等^[15]使用软件Ricardo WAVE研究了Y形管对六缸发动机尾气管噪声的影响。结果发现，弯曲Y形管和直线Y形管的同一系统的整体尾管噪声实际上是相似的。朱亚伟等^[16]开发了一种新的基于H-Q管的半主动多功能器件，并提出了一种基于一维波全破坏干涉理论的H-Q管新概念。H-Q管包括直管和弯管，并且模拟和实验的效果是一致的。因此，不需要详细考虑排气歧管的弯曲效果，一维平面波分析适用于分析排气歧管中声波的传播。

• 1. 声序分布的预测

排气支管i中的任意位置的声压可表示为^[17]

（5）

其中是与事件相对应的模态振幅波，它取决于速度-负载条件，是波数，omega;=2pi;f是角频率，f是声波频率，是虚数单位。

由于气缸的点火间隔，在排气支管中传播的声波的起始力矩是不同的。与排气支管1中的声波的传播时间对应的曲柄轴角度可以表示为

（6）

其中是发动机曲柄轴的角速度。

对于具有1-3-4-2点火顺序的四缸四冲程发动机，相邻点火气缸之间的点火间隔为pi;。与排气支管i中的声波的传播时间相对应的曲轴转角可以转换为管1的相对曲轴角，表示为

（7）

其中w是气缸i的点火序列。例如，对于气缸3，w是2。

声波的角频率和发动机曲轴的角速度可以表示如下

（8）

（9）

结合（8）和(9)两式，和的关系可以表示为

（10）

因此，声音阶数m等于声波的角频率与发动机曲轴的角速度之比。将（6）（7）（10）式代入（5）式可得，

（11）

从每个排气支管传递的声波叠加在单个排气管的连接处。单个排气管连接处的声压可表示为

（12）

对于具有1-3-4-2点火顺序的一般工作发动机，可以假设，那么 （12）式就可以表示为

（13）

表格1

排气歧管的长度参数

排气歧管结构	参数
	(mm)	(mm)	(mm)	(mm)
非等距排气歧管	260	170	210	235
对称等距排气歧管	260	175	175	260
等距排气歧管	225	225	225	225

注：表示排气支管的长度.

1. 非等距排气歧管 （b）对称等距排气歧管

(c)等距排气歧管

图2.在1000转/分钟下具有不同结构的排气歧管的排气噪声的理论声级分布：（a）非等距排气歧管，（b）对称等距排气歧管，（c）等距排气歧管.

其中m = 2q-1（q = 1,2,3 ......）表示整数阶，整数阶分量的声压可表示为

其中m = 2q（q = 1,2,3 ......）表示点火和谐波点火顺序，这些指令成分的声压可表示为

其中（q = 1,2,3 .....）表示半阶，半阶分量的声压可表示为

然后可以将每个频率分量的声压级表示为^[18]

其中是参考声压，是脉冲噪声的有效声压，T是周期，的单位是dB（分贝）。

在理论分析的基础上，排气噪声的半阶分量受连接到间隔点火气缸的排气支管的长度关系的影响，排气噪声的整数分量受到长度关系的影响。排气支管连接到相邻的点火气缸。对于长度的等距排气歧管，半阶分量的声压是，相应的声压级为，整数阶分量的声压为，相应的声压级为。对于长度的等距排气歧管，半阶分量的声压是，相应的声压级为。对于理论分析，根据工程经验设计了三种典型的4-1结构不同排气歧管。排气支管的内径为30 mm，三个排气歧管的长度参数列于表1。对于特定情况，假设n = 1000 rpm并且，利用公式（14）-（17）式，理论上计算出1000转/分的不同结构的排气歧管的排气噪声的声级分布，如图2所示。

1. 非等距排气歧管 （b）对称等距排气歧管 （c）等距排气歧管

图3.具有不同结构的排气歧管：（a）非等距排气歧管，（b）对称等距排气歧（c）等距排气歧管

1. 实验设置和程序

为了研究声级分布的机理并证明理论分析的有效性，运行了上述三种典型的排气歧管结构。 排气支管的内径为30毫米，三个排气歧管的长度参数列于表1.如图3所示，公共横截面的位置保持一致，而长度和布局 排气支管各不相同。

图4描述了该实验的一般方案。在发动机测功机设备中采用具有简单排气系统的四缸四冲程自然吸气火花点火发动机，并且排气系统仅包括催化转换器和直的排气管。它可以消除消声器的影响，以研究排气歧管结构对声音顺序分布的影响。发动机放置在由发动机测试单元中的涡流制动器调节的测试台上。半消声室放置在发动机测试电池旁边。直排气管穿过隔音壁进入半消声室，隔音墙将半消声室和发动机测试室分开。排气噪声和曲轴转速测量通过麦克风（Bruel和Kjaer自由场frac14;-in型4939）和光学转速计进行。麦克风位于半消声室内，距离直排气管出口1米处，与直排气管轴成45°角。用于感测输出轴每转一个脉冲的光学转速计的大致位置如图4所示。麦克风和光学转速计信号通过LMS SCADAS III采集系统进行调节。所有信号由LMS test.lab 11a同时数字化，这是一个用于数据存储和时间，进行频率和引擎相关的订单域的进一步处理的先进的信号处理系统。所有测量均在1000至6000rpm的发动机速度下进行，在宽开油门（WOT）条件下的加速率为100rpm / s。

图4.排气噪声测量装置示意图

4.结果和讨论

为了理解具有不同结构的排气歧管的排气噪声的声级分布，通过离散傅立叶变换将时域压力数据转换为有序域信息。图5示出了上述排气歧管的排气噪声的总声压级和声级顺序分布。上述排气歧管的排气噪声的点火顺序和谐波点火顺序（包括第2，第4和第6）高于其他顺序。因此，点火顺序和谐波点火顺序是排气噪声的主要阶数，并且甚至可以忽略由半阶和整数阶分量产生的全部噪声。与非等距排气歧管相比，对称等距排气歧管在保持近似强度的同时显著降低了半阶（包括第0.5,1.5,2.5,3.5,4.5和5.5）分量的大小以及整个速度范围内的整数阶（包括第1，第3和第5）分量。相反，在所有发动机速度下，等距排气歧管显著降低了半阶和整数阶分量的大小。图6显示了具有不同结构的排气歧管的总噪音。在低于2500转/分的低速下，三个排气歧管的总声压级几乎相等。此外，非等距排气歧管和对称等距排气歧管的总声压级几乎相似，在高速时大约比等距排气歧管高3 dB。

1. 非等距排气歧管 （b）对称等距排气歧管

（c）等距排气歧管

图5.具有不同结构的排气歧管的总声压级和声级分布：（a）非等距排气歧管，（b）对称等距排气歧管，（c）等距排气歧管。

图7（a）比较了三个排气歧管的排气噪声的点火顺序和谐波点火顺序。上述排气歧管的相同点火顺序和谐波点火顺序（包括第2，第4和第6）几乎是相称的。来自所有排气支管的相同点火

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资料编号：[2622]