节气门啸叫的机理分析和工程控制研究

摘要：本文论述了节气门啸叫的产生机理和工程控制方法，并以某轿车开发中的工程案例，利用LMS的SCADAS数采系统进行噪声机理分析和电喷问题排查。并且，通过优化电喷匹配、增加导流板、提高前壁板声学包装性能等措施，解决了该轿车急踩油门时节气门的啸叫问题，降低了产品的市场用户投诉风险，大大提高整车的加速噪声品质，并有助于深入提高对汽车瞬态NVH性能开发的认识和水平。
关键词：节气门，啸叫，湍流，CFD

1 前言

汽车NVH性能开发技术是汽车设计开发的核心技术之一，近十年来，国内自主研发的汽车公司才逐步重视和加强汽车NVH开发的投入，已成为国内汽车技术发展的热门领域，但与目前世界一流公司之间存在巨大的差距。一方面，汽车NVH性能涉及到各国家的强制法规，同时，市场用户对汽车舒适性的要求也日益增加，直接关系到汽车产品的品质和市场销量。所以，NVH性能对于汽车产品的市场竞争力具有重要意义，也是汽车品牌形象和主机厂开发水平的重要标识。通常，大多数汽车主机厂对于怠速、加/减速和匀速等工况的稳态或准稳态振动噪声控制的研究较多，其开发技术流程规范和经验也较成熟。但对于汽车的瞬态NVH性能，比如急加/减速的振动噪声、车门开闭声品质、启动/熄火声品质等，其机理通常都较复杂，涉及到的相关零部件或系统较多，所以常常成为汽车NVH开发中的难点[1]。其中，节气门啸叫问题是汽车瞬态NVH性能中比较突出和典型的现象，如果进气结构和发动机电喷控制等设计不当，节气门开启时的高速气流会产生明显的气流啸叫，急踩油门时车内可听到较明显的“哧哧”异响，引起市场用户的投诉。

2 节气门啸叫的机理分析和控制方法

当节气门开启，节气门阀片绕中间销轴旋转在一定角度时，其阀片后部的上边缘与下边缘处都会产生高流速的涡流，当来自阀片上边缘与下边缘的湍流交汇时，就会产生强烈的压力波动，从而产生节气门的流噪声，即节气门啸叫，因此，节气门啸叫是自然吸气发动机都普遍存在的问题。并且，可以利用CFD进行有效地分析和预测[2]。

近年来，与传统的金属进气歧管相比，由于塑料进气歧管的重量轻，产品一致性好，大批量生产的成本较低、进气温度较低，因而广泛地应用于各类车用发动机的设计。但是塑料材料密度低，其对进气系统内噪声的隔声性能远低于金属歧管，根据隔声能力的质量效应，根据衡量隔声水平的传递损失质量定理，与常用的铝质进气歧管相比，塑料进气歧管的隔声水平要低约6分贝。所以，对于节气门快速开启时的节气门啸叫，搭载塑料进气歧管的发动机车辆更容易被车内驾乘人员所感知，并引起用户抱怨和投诉。

基于节气门啸叫的机理，一般工程上可采用改进进气系统结构以降低湍流、优化电喷或配气机构控制以降低节气门阀片的流速、提高车身隔吸声的性能以降低车内噪声灵敏度等三种主要途径，降低车内的节气门噪声。

（1）减小湍流：工程上常用的方法有两类，一类是在节气门体与歧管直接布置导流或扰流装置，其中各式各样的导流板、导流镶片和扰流罩层出不穷，结构形式也花样众多，可借助于CFD分析工具进行比较和优化进气流场；另一类是优化进气歧管的结构设计，可通过对薄壁壳结构的曲率优化、加筋或倒角优化等方法，改善歧管的气动性能，降低气流噪声。[9-10]

（2）电喷优化：可以优化配气相位来减小进气的压差，或优化电子节气门的控制匹配以降低气门阀片的流速、或者通过优化电喷匹配以减小节气门开启到发动机转速上升的时间延迟，利用发动机噪声掩盖节气门啸叫。

（3）提高车身的声学性能：一般通过提高车身密封性和选用较好声学性能的内外饰材料提高车内到发动机舱的声学传递损失指标。

3 案例分析

某搭载塑料进气歧管发动机的小排量轿车开发过程中，在工装车调试阶段时，怠速或匀速行驶工况在急踩油门时，车内会明显感受到节气门发出“哧哧”的啸叫声，并且发动机的加速噪声滞后于节气门噪声产生的时间，因而，严重影响地了整车加速噪声的品质。

利用LMS的SCADAS数采系统，在发动机舱的节气门上方10cm处和车内驾驶员位置布置麦克风，在怠速急加油工况进行噪声对比测试，并且同时采集进气歧管压力传感器、进气歧管温度传感器、节气门位置传感器、凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器、喷油器传感器、点火输入/输出等动力总成电控系统的信号，以分析节气门啸叫问题的产生和传递机理，便于快速有效地得到工程整改措施。

从车内/外噪声测试的瀑布图1上，可得出：

（1） 从频谱上，节气门啸叫为宽频带噪声；

（2） 从时域上，发动机噪声比节气门噪声滞后Δt,约0.1秒；

（3） 节气门啸叫经车身的隔吸声作用后，则传递到车内的噪声主要集中在1000Hz频率以内，正好在人耳的声音敏感频率范围之中，所以被驾乘人员感知和引起抱怨。

图1 节气门啸叫噪声测试

从节气门开度、发动机转速和声压信号测试数据图2的对比分析，发现在怠速工况下的节气门快速开启后，发动机转速并没有快速跟随上升，反而在下降了50rpm之后才开始上升。所以，发动机转速的瞬时降低使节气门噪声与发动机噪声之间的差异更加明显，而无法完全掩盖其节气门啸叫，使得节气门啸叫更容易被辨识或感知。所以，借助于EMS的标定系统工具，对该工装车的电喷标定参数和喷油系统匹配进行排查，并且对喷油脉宽、转速、进气压力、空燃比、节气门位置和点火提前角等信号进行对比分析。节气门的进气阶段，节气门阀片压差在600～900pa范围为正常，但缸内的二次喷油脉宽不正常。经重新匹配标定了急加速工况的二次喷油参数，解决了转速瞬时下降问题。

图2 节气门的参数测试对比

另外，在节气门体与塑料进气歧管间增加结构形式如图5所示的导流板，以降低节气门快速开启时阀片后部的气动紊流，以减小急踩油门时节气门的流噪声。并利用计算流体力学（CFD）分析技术,优化导流板的片数、缝隙间隔、厚度、布置角度等结构参数，最优化设计出流体性能最佳的节气门导流板。并且，利用有限元（FEA）对导流板进行结构刚度分析，保证其设计达到一阶模态在1500赫兹以上的结构刚度，并必须通过发动机台架的耐久强度试验。通常，导流板采用与进气歧管相同的材料，以保证其良好的密封性、铸造精度、一致性和成本等性能。但是，在节气门体与进气歧管之间增加的导流板可能会影响发动机的进气性能，通过发动机台架的性能测试验证，并未降低发动机的扭矩、功率和油耗等关键性能指标。

图3 节气门导流板的CFD 性能对比分析

为了提高发动机舱到车内的隔吸声水平，降低车内对节气门噪声的灵敏度，对前壁板内外的隔音材料都提高了其声学性能，发动机舱内的前壁板隔热垫内增加了PVC夹层，驾驶室内的前壁板隔音垫内增加其EVA质量层的厚度。同时，加强了对车身密封性的控制，通过增加前壁板的涂胶量、增加前壁板上线束过孔的密封胶套或海绵厚度和增加车身空腔阻隔材料等措施，进一步提高车身的隔吸声水平。

通过加强电喷匹配、增加导流板、提高前壁板声学包装性能和加强车身密封性的四项优化措施，经装车实施后飞主观评价，节气门啸叫显著降低，大大降低了市场用户的投诉风险，并显著提高了该车的加速噪声品质。

4 结语

本文论述了节气门啸叫的产生机理和工程控制方法，并以某轿车开发中的工程案例，利用LMS的SCADAS数采系统进行噪声机理分析和电喷问题排查，并通过CFD分析和优化导流板的结构参数设计。通过优化电喷匹配、增加导流板、提高前壁板声学包装性能等措施，解决了该轿车急踩油门时节气门的啸叫问题，降低了产品的市场用户投诉风险，大大提高整车的加速噪声品质，并有助于深入提高对汽车瞬态NVH性能开发的认识和水平。

参考文献
1 庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动－理论与应用.北京理工大学出版社，2006
2 Yoshihiro Nakase, Kenji Kanehara and Kouzi Ohara. Flow Noise Reduction upon Quick Opening the Throttle,SAE2001-01-1429
3 P.K.Mallick and P.dal : “Investigation of Thermo forking as a Method of Manufacturing Plastic Air Intake Manifolds” SAE 2000-01-0045
4 Paul Daly and Jim Vanderveen : “Development of a Plastic Throttle Body” SAE 2000-01-0046
5 Glenn Sieve wright : “Air Flow Noise of Plastic Air Intake Manifolds” SAE 2000-01-0028
6 Glenn Philip Sieve wright : “Noise Optimization of Plastic Air Intake Manifolds” SAE 980273
7 W.W.kraft : “The Reduction of Air-Rush Noise in Plastic Engine Intake Manifolds” SAE 2000-01-0044
8 Ross Pursifull and Allan J.Kotwicki and Sulgi Hong : “Throttle Flow Characterization” SAE 2000-01-0571
9 Gary A. Nichols, METHOD AND APPARATUS FOR MINIMIZING ENGINE AIR TIP-IN NOISE ,03/02/2006 US20060042592
10 Christopher Edward Shaw ,Throttle plate havin reduced air rush noise and method - 11/30/2004 US6824119