改善柴油发动机的 NVH 和燃油效率

NVH 问题与柴油发动机

几年来，工程师们始终在力图理解并降低柴油机汽车的噪声。造成噪声、振动和声振粗糙度 (NVH) 的原因多种多样，原始设备制造商 (OEM) 及其供应商很难准确找出它们。

消费者始终期待高标准的低噪声汽车。为保持竞争力，汽车制造商必须采用创新方法来缩短开发时间并交付更安静的汽车。

尽管在降低柴油发动机噪声方面已经取得可观的进展，但仍存在某些问题。现代汽车公司最近开始开发一种先进方法来减少柴油发动机中的 NVH 问题。

确定噪声的根本原因

目标是确定第三代柴油发动机中的噪声源。现代公司执行了一系列测试并发现了气缸在燃烧循环期间存在不平衡问题。有两个气缸的压力始终高于其他气缸。在发动机测功器、动力系统测功器和实车中重复执行该测试时，该问题变得越来越严重。

“我们需要解答压力为什么在气缸间发生变化这一问题，”现代公司的资深研究工程师李基华说。“我们知道，如果不能确定气缸中峰值压力变化的原因，我们就不能解决噪声问题。”

测试数据分析

现代公司与 Simcenter™ 工程和咨询服务合作以确定为什么会在气缸间出现峰值压力变化。首先，Simcenter 工程团队执行了一项分析以确定不平衡的原因。测试数据显示，气缸间的压力在燃油喷射后开始发生偏离并导致了气缸不平衡，从而产生了更多的噪声。

通过对物理测试中的放热数据进行数学方程分析后确定，是气缸间的燃油喷射量导致了该不平衡问题。

仿真的强大力量

团队确定噪声源是由燃油喷射变化导致的气缸不平衡后，他们认为基于模型的控制策略可以帮助他们找出有效的解决方案。通过使用仿真，团队就不必使用成本高昂的物理原型试错法，而且可以简化测试流程。

团队使用 Simcenter™ Amesim™ 软件构建了柴油机发动机的虚拟模型。该软件是 Siemens Digital Industries Software 推出的全面、集成式软件和服务产品组合 Xcelerator™ 的一部分。该模型与控制器相连，团队可以查看并改正不一致的燃油喷射问题。通过使用 Simcenter Amesim，团队希望能够深入了解如何检测并解决燃油喷射变化问题。

运行仿真前，Simcenter 工程团队需要确保仿真与现实行为相符。他们执行了若干测试以确定与发动机测试数据相关的发动机仿真结果。

他们还需要检查除燃油喷射外其他可能导致发动机不平衡的原因。排气再循环 (EGR) 或气缸间充气循环不足也都可能导致不平衡。团队在执行若干次敏感度研究后得出结论，燃油喷射是不平衡的根源。

尽管燃油喷射异常很容易纠正，但团队必须确定哪些气缸需要补偿，以及是否需要改变燃油量。团队在 Simulink 的控制器模型中开发了创新的气缸识别策略。

将控制器模型应用到 Simcenter Amesim 发动机模型后，团队分析并调整了控制器的性能。最后，团队调节了燃油喷射并消除了峰值压力变化。

方法的验证

团队使用这些模型并通过改变流入气缸的空气和燃油流量来产生气缸不平衡。“仿真特别适合解决该问题，因为这样我们就不必靠物理测试来研究气缸在不同运行状况下可能发生的各种压力变化，”李说。通过在使用和不使用控制器的条件下运行背靠背仿真，团队测试了这一新控制策略的效果。

“通过使用这一新的控制逻辑，我们能够大幅降低气缸间的峰值压力变化。因此，发动机造成的噪声频率降低了 2dBA，车辆总体噪声改进了 5%。”

该研究还提高了车辆的燃油经济性。“仿真结果证明了我们的控制策略是可以优化声音质量、提高 NVH 性能并降低燃油消耗的有效方法，”李说。“我们很高兴在现代汽车公司的未来项目中使用 Simcenter 软件和服务。”