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乘用車的汽油發動機有哪些調整或降低進氣噪聲的設計?

2019年01月22日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 9 ℃ 次

【ZhangHaochi的回答(40票)】:

謝邀。題主把邊界條件界定得非常清楚,略知一二,答之。

盡量用通俗的語言,方便大家理解,很多詞彙我也只知道德語怎麼說= =如果表達不那麼準確還請見諒,也隨時歡迎指正。

只做科普,因此內容只能是Science以及一些原理相關,而非Engineering。不定期更新。

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首先我們來簡單瞭解一下進氣系統。

1. 進氣系統

現代汽油機的進氣系統中主要集成進氣、空濾、降噪、分流等功能,進氣系統由髒空氣管、空氣濾清器、乾淨空氣管和進氣歧管等零部件組成,通過這些零部件保證經過進氣系統後的空氣含有盡可能少的顆粒,並將進氣溫度控制在適宜參與燃燒的區間內,然後進氣歧管盡可能均勻地將空氣導入對接的單獨氣缸中進行四個沖程。Abb.1為一個四缸的渦輪增壓汽油機進氣系統的示意圖。

Abb. 1 一個渦輪增壓內燃機的進氣系統

因為發動機Downsizing的趨勢、模塊化策略和更嚴格的排放標準等因素,使得OEM們對進氣系統的要求也在逐步上升,體現在Specification中主要是,提高充氣係數,使得在高速下有大升功率輸出和中低速下有大扭矩輸出。一般來說進氣系統的Assembly由供應商進行設計、開發、生產並裝配。要求供應商對發動機複數個系統間的協同作用有深層的理解,比如發動機換氣過程和排氣系統。

值得一提的是,自然進氣和渦輪增壓發動機的進氣系統的零部件是有些許不同的,詳見Abb.1a和Abb.1b

Abb.1.a 自然進氣發動機的進氣系統

Abb.1.b 渦輪增壓發動機的進氣系統

1.1 髒空氣管

髒空氣管也就是從汽車的進氣格柵開始至空氣濾清器的這一段。Abb.1.1.1與Abb.1.1.2為供給Daimler某馳某車型的髒空氣管。一個設計合理的髒空氣管能夠將大顆粒(水珠,雪,大塵土顆粒)以低壓力損失通過彎管轉角來濾除。髒空氣管的粗顆粒分離功能分擔了空氣濾清器對顆粒物的過濾任務。由於它的曲率對顆粒的粗分離率和壓力損失的大小起決定性影響,所以在研發階段的前期會先用計算流體動力學(CFD -

Computational Fluid Dynamics)進行模擬。

Abb.1.1.1 對進氣格柵接口

Abb.1.1.2 對空濾接口

1.2 空氣濾清器與MAF

一般來說空氣濾清器指的是包含濾芯的空濾殼體總成。除降噪之外,空濾還有優化通過濾芯氣流的功能。為了保證空濾濾芯在通過氣流時產生盡可能低的壓力損失且發揮最大的容塵和雜質濾清能力,髒空氣的進氣流速應當垂直於通過濾芯的過濾表面,並被均勻分流。同樣,為了減少樣件階段產生的非必要的實驗花費和設計返工,圖Abb.1.2.1中的CFD分析會介入研發階段前期,以驗證和模擬設計可行性。如該圖所示系統使壓力損失相對原設計減少30%,並通過空濾濾芯的氣流均化作用,使得空濾效率得到顯著改善。空氣流量傳感器(MAF - Mass Air Flow Sensor)的信號質量也同樣受益於進氣氣流的優化。

解釋一下,在空濾盒的乾淨口氣端亦或在乾淨空氣管中常常集成如壓力、溫度和空氣流量等傳感器。由於對MAF信號要求和排放法規越來越嚴格,就必須對通過MAF的進氣氣流有更高的要求。因為預留給MAF結構空間通常來說是相當有限的,所以將信號誤差dQ/Q控制在±2.5%的範圍內是一個有難度但普遍面臨的難題。由曲軸箱或廢氣循環裝置(EGR – Exhaust Gas

Recirculation)竄出的機油滴的堆積,會引起的傳感器信號弱化,這些特殊的模擬同樣可以借助CFD進行,通過對3D數據的改進也可使得信號的弱化程度大幅下降。

Abb.1.2.1 通過空濾濾芯的氣流:

-左:未均化,伴隨高壓力損失和較差的過濾率;

-右:均化,根據CFD結果表明導流筋有助於均化氣流,提高過濾率

在寒冷的天氣中,冰雪有很高幾率會被吸入進氣系統中,這些冰雪會導致空濾前的髒空氣管堵塞,進而空濾的髒空氣端和乾淨空氣端之間產生了非常高的壓力損失。若不採取措施,長時間在該環境中工作會使發動機停止運轉。一個有效的手段為在空濾的髒空氣端設計進氣ASS(Anti-Snow System),即熱空氣第二進氣口。如Abb. 1.2.2 一般該進氣口設計在靠近髒空氣端的發動機空間周圍,使用如氣動執行器或彈性材料調節器(Dehnstoffregler, 例如使用蠟作為介質)以控制第二進氣口的進氣隔板的開合。

Abb.1.2.2 供給某車型上空濾的Anti-Snow System

1.3空濾濾芯

顧名思義,空濾濾芯的功能是將髒空氣內的顆粒物盡可能地濾除,以盡可能避免傳感器(如MAF)和發動機被這些顆粒磨損,起到保護作用。當然還有很重要的一點就是沒有人希望開車開著開著吃了一嘴灰lol。空濾主要從外觀上分為平板型和圓柱型,功能上分為慣性式、過濾式等。為了充分利用有限的過濾空間,因此濾芯供應商將濾芯設計為折疊狀,以此增大它與髒空氣的接觸表面積。Abb. 1.3.1所示為平板型濾芯。傳統的濾芯材料為賽璐珞纖維。漸漸地濾芯越來越多地使用其餘的人工合成材料進行生產。然而無論如何,材料的選擇和空濾外形的設計都必須滿足Tier 1所提出的技術要求(比如分離效率)和邊界條件(比如結構空間)。此外,空濾濾芯在負載下由MAF所輸出的信號質量是評價MAF性能的一個重要標準。

Abb. 1.3.1 平板型濾芯,wix filtron

2. 噪聲的產生和降噪措施

噪聲是發聲體做不規則運動時振動所發出的聲音,比如機械振動和彈性介質中的波。不管是對駕駛者、乘客還是行人來說,這些噪聲必然不受歡迎的。汽車噪聲主要分為空氣噪聲(Luftschall)結構噪聲(K?rperschall),籠統地說,前者由進氣引起,後者由駕駛環境和零部件的運動產生的振動所輸出。這裡主要討論前者。

2.1 噪聲源

進氣門關閉後,進氣氣流突然停止,所以在進氣門處壓力上升,產生了與進氣方向相反的負壓波。負壓波相對著進氣方向,沿著進氣管道以聲速傳到了進氣管口,形成了管口噪聲;除此之外,又由於活塞的往復運動對管壁作用,產生了振動,這就形成了發動機的輻射噪聲;說到底不管對於管口噪聲還是輻射噪聲來說,活塞都是噪聲直接或間接產生的源頭之一。另一個空氣噪聲源是來自進氣氣流經過氣管的彎折時產生的噪聲。

首先部分管口噪聲必定會沿著髒空氣管的管口,直接排放到環境當中;由振動引起的輻式噪聲會傳遞給發動機零部件周圍的氣體環境,或者通過發動機架和緊固點過渡給整個車身。管口噪聲和輻式噪聲之間的聯繫可詳見Abb. 2.1.1

Abb. 2.1.1 進氣系統的噪聲源

2.2 降噪方案

兩個字:玄學。進氣噪聲改進措施是以在研發階段就將噪聲大幅度降低為目的的一個永恆的話題。在此主要討論的是進氣管路內的降噪解決方案。

不同進氣系統零部件的工況不同,必然也使用不同的降噪元器件,詳見Abb. 2.2.1

Abb. 2.2.1 不同消聲器和它們對應的應用環境

消聲器中最重要的種類是諧振器。從本質上來說,諧振器如同一個彈簧質量系統Abb. 2.2.2在這個系統中,通過諧振腔和進氣管的空氣如同彈簧般,根據進氣條件的不同造成氣體密度的改變,而相對的,質量塊就類比為與發動機進氣方向相反的負壓波。通過測定出諧振腔輸入的噪聲,可輸出對應的諧振頻率。

Abb.2.2.2 彈簧質量系統和進氣系統的類比

其中Aw 表示諧振器喉管的截面面積,lakust 為有效孔頸長度,V為腔體容積。普遍的一些措施為增加空濾的容積,降低管路的橫截面或者加長進氣管路的長度。因為有限的空間,所以空濾的容積不可能無止盡地變大。如果管路的橫截面陡然減小會產生我們所不希望的副作用,比如進氣氣流被節流(同流速下截面面積越小,流量越小Q=Av)。同樣的,增大的壓力損失也總是意味著發動機的功率損失,因此在實際應用中會通過在進氣管路管口處的縮口結構以擴壓來抵消部分壓力損失;貿然減小管路截面面積也會導致諧振腔的失效。

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對內燃機來說降噪是個長長久久的課題,而對進氣降噪措施的定位只會從研發費用和profitability出發, 比如我不會指望花100人民幣能買到以往花10000軟妹幣才能買到的產品,產生超級巨大的附加值,那多半是扯淡呢。

暫時就寫到這裡。謝謝大家的耐心。這篇科普仍然停留在汽車愛好者水平,因為對進氣系統及降噪的理解還不深,絕不貿然稱自己是懂NVH的。歡迎知友們工程師朋友們進行補充。

【面朝大海的兔子的回答(0票)】:

很多,比如四分之一波長管,赫姆霍茲消聲室器,各種穿孔管之類的,空濾也算。詳細的介紹有時間再來答吧,先簡單列這幾個。

【知乎用戶的回答(0票)】:

建一個大的機油箱,把能泡的部分都泡機油裡,讓液體來隔音。當然,如果能搞一個真空箱更好。

我是來歪樓的請無視

標籤:-汽車發動機


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