汽車發動機渦輪增壓器噪聲研究及優化

劉芯娟，陳友祥，歐陽彩云

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

汽車發動機渦輪增壓器噪聲研究及優化

劉芯娟，陳友祥，歐陽彩云

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

文章闡述了渦輪增壓器噪聲的表現形式，論述了產生相應噪聲的根源及機理，同時針對相關增壓器噪聲提出相應的解決對策。

渦輪增壓器；噪聲；機理

CLC NO.:U471.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-41-03

引言

隨著國家油耗法規的日益嚴格,汽車廠商在尋求各種不同方法來改進車輛的燃油經濟性，其中發動機增壓小型化（降低發動機排量同時采用增壓技術）已成為當前的主流技術。但由于渦輪增壓器的控制、工作過程復雜，會帶來NVH（噪聲、振動與舒適性）問題。

由于渦輪增壓器引起的噪聲種類多樣且機理復雜，解決由增壓器引起的噪聲問題較為困難。本文通過闡述渦輪增壓器噪聲的表現形式，論述了產生相應噪聲的根源及機理，并且針對相關增壓器噪聲提出相應的解決對策。

1、渦輪增壓器噪聲類型及傳遞路徑

渦輪增壓器是高速運轉的機械旋轉裝置，同時渦輪增壓器又處在進排氣管路中，通過排氣能量壓縮新鮮空氣做功，因此渦輪增壓器產生的噪聲復雜，兼具有機械裝置的結構振動輻射噪聲，又具有空氣動力輻射噪聲。當前較為常見的渦輪增壓器噪聲如下：1.渦輪增壓器次同步噪聲；2.RCV泄氣噪聲；3.渦輪增壓器同步噪聲，包括同步振動和同步脈沖噪聲；4.渦輪增壓器Hiss噪聲。其中次同步噪聲以及同步振動噪聲屬于結構振動輻射噪聲，可通過與渦輪增壓器連接的結構件進行噪聲傳遞，其他的噪聲屬于空氣動力噪聲，主要通過進氣管路以及整車進氣口進行噪聲傳播。

圖1 噪聲分類及傳遞路徑

2、渦輪增壓器噪聲識別、機理及優化

2.1 渦輪增壓器次同步噪聲

由于渦輪增壓器中間體中為浮動軸承或半浮動軸承，當渦輪增壓器工作時，當渦輪增壓器中間體的機油壓力滿足要求時，機油油膜會使葉輪及轉子懸浮，當葉輪高速旋轉時由于機油的黏度，中間轉子與軸承之間的油膜產生振蕩，并通過中間體壁對外輻射噪聲。

圖2 渦輪增壓器中間體工作示意圖

渦輪增壓器次同步噪聲在駕駛室中表現為低沉的口哨聲，尤其在渦輪增壓器介入工作整車加減速過程表現尤為明顯。在噪聲測試的頻譜圖中噪聲以及中間體振動表現如下：

圖3 次同步噪聲頻譜圖

根據頻譜圖可以看出次同步噪聲與在中間體上測得的振動頻率及趨勢完全一致，進一步驗證了次同步噪聲為結構振動輻射產生的。通常渦輪增壓器次同步噪聲的頻率范圍為600HZ-1200HZ。

由于次同步噪聲主要與中間轉子及油膜振蕩有關，故通常可以通過優化中間轉子及油膜結構降低或消除次同步噪聲。一方面可以減小中間體軸承與中間轉子之間的間隙，即減小中間體軸承與中間軸間的油膜厚度，以減小油膜振蕩幅度，從而降低振動能量，但采用該方案需保證中間軸承與中間轉子油膜壓力建立滿足要求，兩者不會卡滯；另一方面可以通過改變中間體中的油膜長度，即降低軸承與中間體壁的接觸面積，以降低油膜振蕩通過中間體壁對外輻射，通過以上兩種方式均可有效降低次同步噪聲。

圖4 中間體結構優化

2.2 渦輪增壓器RCV泄氣噪聲

當前為了保證渦輪增壓器在發動機急加速后突然松開油門踏板急減速過程中，由于節氣門關閉導致導致渦輪增壓器后壓力過大，導致渦輪增壓器喘振；同時為了保證在繼續重新加速過程中渦輪增壓器快速響應，通常在渦輪增壓器后設置再循環閥（RCV），保證開啟時增壓后高壓氣體回流到增壓前。但是開啟瞬間高壓氣流通過泄壓閥時會產生瞬間的沖擊噪聲，類似于氣體瞬間膨脹的爆炸聲。

通常在RCV開啟瞬間噪聲最強烈，人耳最難接受，并且表現為寬頻噪聲，頻率范圍可以由500HZ-20000HZ，在測得的噪聲頻譜圖表現如下：

圖5 RCV泄氣噪聲頻譜圖

針對上述泄氣噪聲，可以通過以下措施降低：1.將當前集成在壓氣機殼體上的RCV及泄氣管路采用外置式，同時在泄氣管路中涂覆隔聲橡膠，以降低噪聲通過管路外壁對外輻射；2.在渦輪增壓器前和渦輪增壓器后管路中增加諧振腔，以降低泄氣噪聲，同時增加渦輪增壓器前后連接管路的厚度，以降低噪聲輻射；3.優化發動機與整車標定，保證節氣門開閉時間與RCV閥開啟時間較優的配合，避免較大的氣流沖擊。

2.3 渦輪增壓器同步噪聲

在渦輪增壓器工作中存在一種與渦輪增壓器轉速同步的嘯叫聲，噪聲頻率隨渦輪增壓器轉速增加而提高。一般該噪聲包括同步振動噪聲和同步脈沖噪聲，與渦輪增壓器中間轉子和葉輪動不平衡量以及葉輪加工水平有較大關系。一方面當葉輪及轉子高速旋轉時，由于動不平衡產生周期性激勵振動，此為結構振動噪聲；另一方面由于葉輪制造加工不一致造成葉輪和轉子旋轉時，渦輪增壓器中的氣流會產生周期性波動，此為氣流脈沖噪聲。兩者之間可以通過測量渦輪增壓器中間體的振動以及渦輪增壓器壓后氣流壓力波動區分，通常頻率為0-4000HZ，噪聲頻譜圖表現如下：

圖6 增壓器同步噪聲頻譜圖

針對上述噪聲，可以采用下列手段：1.控制葉輪及中間轉子的動不平衡，即g值，同時控制葉輪制造精度；2.在渦輪增壓器前和渦輪增壓器后管路中增加諧振腔，降低由于氣流脈沖造成的同步噪聲。

2.4 渦輪增壓器Hiss噪聲

Hiss噪聲在渦輪增壓器中較常見，通常在下列兩種工況交易發生：1.發動機油門瞬時減速；2.發動機油門瞬時加速、渦輪增壓器轉速快速上升。在上述工況較易出現Hiss噪聲主要是因為在發動機高壓比和小流量時，渦輪增壓器工作區域靠近喘振線，引起渦輪增壓器工作不穩定，氣流與渦輪增壓器葉片分離，增壓器葉片由于氣流紊流沖擊而抖動造成。通常上述噪聲出現在發動機轉速為1500rpm-3000rpm，并且該噪聲表現為寬頻，一般噪聲頻率為3000HZ-5000HZ較明顯，該噪聲頻譜圖如下：

圖7 增壓器Hiss噪聲頻譜圖

針對上述噪聲，可以通過下列途徑解決：（1）在渦輪增壓器匹配選型時，盡可能留出足夠的喘振裕度，在保證發動機性能的情況下，讓發動機運行線遠離渦輪增壓器的喘振線；（2）在渦輪增壓器進氣口處設置溝槽結構，避免增壓器入口處的紊流氣體及噪聲向前傳播；（3）在渦輪增壓器進出氣口處布置相應噪聲頻率的諧振消聲器。

3、結論

本文描述了幾種常見的渦輪增壓器噪聲特點及表現形式，分析了上述噪聲的產生機理，并且根據相應的噪聲提出了對應的解決措施，以實現降低噪聲提升渦輪增壓器NVH性能的目的。

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Investigation And Optimization Of Automotive Turbocharger Noise

Liu Xinyun, Chen Youxiang, Ouyang Caiyun
( Anhui Jianghuai automobile Co. Ltd. Technology center, Anhui Hefei 230601 )

This paper describes the manifestation of turbocharger noise,and explains the causes and mechanism of these noises. At the same time the relevant solutions are made to control these turbocharger noises.

Turbocharger; Noise; Mechanism

U471.2

A

1671-7988(2016)07-41-03

劉芯娟，就職于江淮汽車技術中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.013