进气系统噪声与振动分析与设计Word格式.doc
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空气控制伐控制著进入汽缸的空气流量，从而控制著发动机输出功率大小。
当阀门全关闭的时候，怠速控制阀工作，来调节发动机的怠速。
3．进气系统功能
进气系统有下面几个功能：
1）调节空气与燃油量的比值。
控制进气量的多少，使得进入发动机汽缸的空气量最佳。
调节泄露空气使其再利用，使凸轮轴泄露的气体再进入进气系统。
2）保护外界杂质和不需要的成分对发动机的损坏。
空气过滤器阻止外界杂质进入汽缸，从而防止发动机磨损，这样可以提高发动机的可靠性。
进气口的设计还要保证水和雪不能进入进气系统。
3）测量进气量。
在不同的工况下，空气与燃油的比例是不一样的。
在干净空气管道上安置著一个空气控制筏。
这个控制筏与发动机的电子控制系统（EEC）连接，这样就控制喷入汽缸的燃油量，使进入到发动机的空气量最佳，空气分配合理。
4）降低噪声。
进气系统是汽车最主要的噪声源之一。
进气系统都安装有消音元件，如扩张消音器（过滤器）、赫尔姆兹消音器、四分之一波长管等等。
5）辅助其他系统的安置。
附近的一些小部件会安装在进气系统上。
4．降低噪声与减小功率损失的平衡
如果发动机不与进气系统连接，那么进气控制阀门处的气压就是大气压。
可是当发动机接上一个进气系统后，进气阀门处的气压增高。
这个压力与大气压之间的差值称为背压，我们将在下一章详细介绍背压问题。
背压增高，空气在进气系统中运动将消耗一部分能量，即消耗发动机的能量。
如果进气管道截面积越大，空气流通就越顺畅，那么功率损失就越小。
中高档次汽车的进气功率的损失一般在2%到4%之间。
发动机在运动的时候，在进气口处产生巨大的噪声。
除了安装消音元件来消除噪声外，我们希望进气管道截面积小，这样噪声就更低。
所以减小进气系统的功率损失与降低进气口噪声对进气管道截面积的要求是相互矛盾的。
在设计中就必须平衡这对矛盾。
除了噪声与功率损失外，在设计进气系统时还要考虑振动、防水防雪等问题。
图4.2列出了这些问题。
图4.2进气系统设计时主要考虑的问题
第二节 进气系统的噪声问题
进气系统的噪声是汽车最主要的噪声源之一。
其噪声主要是指进气口处的噪声。
这个噪声源离车厢的距离很近，所以对车内噪声贡献非常大。
同时，进气口噪声也是汽车最主要的通过噪声源。
另外，如果空气过滤器和消音元件的刚度不足，就会引起很大的辐射噪声。
本节主要介绍进气口噪声。
进气系统消声元件包括扩张消音器和旁支消音器。
空气过滤器除了过滤空气外，还起到扩张消音器的功能。
旁支消音器包括赫尔姆兹消音器和四分之一波长管。
进气系统声学设计的第一个问题是消音容积。
消音容积一般是指空气过滤器和赫尔姆兹消音器的容积之和。
一般来说，消音容积越大越好。
对扩张消音器来说，其容积越大，传递损失可以调节的频带也就越宽，传递损失也可能增加。
对赫尔姆兹消音器，容积越大，可调节的频率越低。
对四缸和六缸发动机来说，通常消音元件的容积要求达到10到15升。
可是进气系统在发动机罩下面，旁边安装著许多其他部件，10到15升的消音容积空间往往很难保证。
在汽车设计初期，就必须留出足够的消音容积。
表4.1列出了一些汽车进气系统的消音容积。
表4.1 一些汽车进气系统的消音容积
制造厂家
汽车品牌
发动机汽缸
发动机容积（升）
总的消音容积（升）
丰田
LexusLS400（92）
V8
4.6L
16.4L
福特
LincolnVIII
14.1L
LexusGS300（93）
V6
3.0L
11.7L
FordTaurus（92）
11.3L
尼桑
NissanInfinitiJ30（93）
8.9L
FordContour（95）
I4
2.0L
17.87L
本田
HondaAccordEX（94）
2.2L
17.49L
ToyotaCorolla（93）
1.8L
11.2L
FordEscort（94）
1.9L
7.2L
声学设计的第二个考虑是管道的截面积。
管道的截面积越小，对扩张消音器来说，扩张比就越大，因此传递损失就越大，消音效果就越好。
但是管道的截面积如果太小，当气体流速过高的时候，一方面是气体摩擦噪声加大，另一方面是进气系统中的能量损失也增加。
为了平衡消音与减少摩擦噪声和能量损失，通常的方法是采用扩张管（如图3.3所示）。
声学设计的第三个考虑是进气管位子的选择。
进气管口的位子选择要考虑四个因素：
第一因素是从噪声源的角度考虑。
发动机的燃烧噪声和气体在管道中运动产生摩擦噪声在进气口处向外辐射，即可以说进气口是进气系统的“噪声源头”。
因此进气口应该尽量远离车厢，使得噪声源与司机和乘客之间的距离越远越好。
同时也要使得进气口声源与隔声结构的距离最远，这样隔声效果会更好。
第二个因素是避免水、雪、灰尘和杂质进入进气系统。
第三个因素是气体在进气系统中运行通畅，进入的气体温度要低，这样使得发动机燃烧效率高。
第四个因素是进气口与进气控制阀之间的空间。
因为整个进气管道和消音元件是放置在进气口和控制阀之间，因此在设计初期就要把这个空间留出来。
综合以上四个因素，进气口安放的位子通常有三种：
第一个位子是将进气口放置在发动机的前方，或者在散热器的上方或者在其前面。
如图4.3。
这个进气口位子远离车厢和隔声结构，对减少进气系统传到车厢的噪声最有利，还能保证有足够的冷空气会进入到进气系统。
但是其缺点是水、雪和空气中的灰尘杂质比较容易进入进气系统。
第二个位子是将进气口在发动机的前面或者上方，如图4.4。
这个位子与车厢的距离比第一个位子与车厢的距离近，因此噪声传入到车厢的量会大一些。
由於发动机舱室前面安装著一些部件，这些部件相当于挡板，有利于防止杂质、水和雪进入进气管。
但是由於这种结构离散热板很近，因此空气的温度偏高，因此发动机的燃烧效率会降低。
第三个位子是在侧板里面，如图4.5。
由於侧板挡住将进气口与外界隔开，因此这种结构对防止杂质、灰尘、水和雪进入进气管有好处，同时进气温度也低。
但是这种结构离车厢的距离比前面两种位子都近，因此传入到车厢的噪声会高些。
另外由於进气口和前侧板之间可能形成一个共鸣腔，这样可能产生额外的共鸣噪声。
图4.3进气管口远离发动机
图4.4进气管口在发动机的前方或者上方
图4.5进气管口在侧板附近
第三节 进气多支管的声学分析
进气多支管是连接发动机汽缸和进气管道系统的部件。
进气多支管结构包括进气分管和进气总管，如图4.6。
气体从发动机的汽缸出来后，先在分管中运行，然后汇入总管。
图4.6进气多支管
1
进气总管
2
3
5
4
d1
d2
d3
d4
d5
d6
图4.7进气分管与总管
图4.7表示气体从各个汽缸出来后汇入到进气总管。
假设各个分管的长度不一样，那么气体在每个分管中运行的时间也不一样。
气体在第i支分管中运行的时间为：
（4.1）
式中，是第i支分管的长度，c是声速
如果把这段时间转换为发动机曲轴转过的角度，则为：
（4.2）
式中，是发动机曲轴的角速度，n是转速。
这样由於支管距离的不同而引起的相对角度的差就可以计算出来。
第i支管与第一支管的相对角度为：
（4.3）
对均匀运转的发动机来说，点火时间均匀，那么每个汽缸之间运转的间隔均匀。
相临发火汽缸的曲轴角度差为：
（4.4）
式中，N是汽缸数。
是发动机一个工作循环转过的角度，四冲程一个工作循环是二周，即，。
而对于二冲程发动机，其一个工作循环只有一周，即。
是发动机曲轴的转角。
假设选择第一号汽缸为参考汽缸，其对应的曲轴转角为零，这样，第i个汽缸相对于一号汽缸的曲轴转角，为：
气体到达进气总管时，第i个汽缸传来的气体与一号气缸气体之间的相位差角由两部分组成。
第一部分是各个汽缸之间点火间隔的差角，第二部分是各个分管长度不同而引起的相位差角。
这两个差角可以用以下式子来表示：
（4.5）
以第一个汽缸为参考，第i个汽缸声音传递到进气总管的绝对转角为：
（4.6）
为第一汽缸对应的曲轴转角。
在第i个分管中任何一点的压力是由入射波声压和反射波声压组成。
以分管与汽缸交界处为起点，管道内任何一点的压力可以写成：
（4.7）
式中和分别是第i个分管中入射波和反射波声压的幅值。
m是发动机的发火阶次，分别代表半阶、一阶、二分之三阶，二阶等等。
在进气总管内，压力为各缸传到此处的压力之和，可以用以下公式来表示：
（4.8）
以一个六缸发动机为例来分析进气总管的压力。
假设各个分管的长度相等，各个汽缸的声压幅值相等。
这样，发动机每个汽缸出口到进气支管交汇处的距离相等，假设支管的长度为d。
相位差仅仅是由於发动机各个汽缸发火不同而引起的。
根据公式（4.4）可以得到两个汽缸之间的相位差为 （4.9）
这样第i个汽缸的相位为：
（4.10）
於是，进气总管交汇处的总压力为：
（4.11）
六缸发动机的发火阶次为3阶、6阶、9阶等等。
这些阶次可以表达为：
（4.12）
这些阶次的声压表达如下：
（4.13）
或者表达为：
（4.14）
由於及，因此，发火阶次的声压为：
（4.15）
半阶可以用统一的表达式来表示，即
（4.16）
式中，分别代表二分之一阶，二分之三阶，二分之五阶，等等。
这样，半阶的声压的表达式为：
（4.17）
上式右边第二个方括号内表达可以简化为下面如下：
（4.18）
因此，所有的半阶声压都对於零，即：
（4.19）
除了第3阶及其倍数阶和半阶外，其他整数阶次，如1阶、
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