汽車發動機渦輪增壓器Hiss噪聲分析與改進

劉培培 程源 盧生林

（1.安徽德孚轉向系統股份有限公司；2.奇瑞汽車股份有限公司）

隨著汽車技術的日益發展，汽車動力性作為一個與客戶日常駕駛息息相關的性能指標也日益受到用戶的關注[1]。同時隨著國家相關標準對汽車企業油耗及排放標準要求的提高，許多汽車企業對提升發動機技術也更加關注，其中渦輪增壓器因其獨有的技術特點，在汽車發動機上的運用日益廣泛。渦輪增壓發動機能較好地解決客戶對汽車動力性的要求，同時兼顧了對汽車經濟性的要求，對尾氣排放也有貢獻。然而由于渦輪增壓器每分鐘十幾萬甚至幾十萬的工作轉速，不可避免地會帶來渦輪增壓器的工作噪聲[2]。此工作噪聲會嚴重影響客戶的駕乘舒適性，甚至產生抱怨。文章通過分析渦輪增壓器常見的一種Hiss噪聲的產生原理及原因，提出了相關的解決方案和措施，為渦輪增壓器Hiss噪聲的分析和改進提供指導和依據。

1 渦輪增壓器Hiss噪聲特征

Hiss噪聲是一種非常常見的渦輪增壓器噪聲，主要是在發動機低轉速加速時，因增壓器轉速在較短的時間內快速上升所引起的一種噪聲。圖1示出某款裝配有渦輪增壓器的車型車內噪聲頻譜分布圖。從圖1中可以看出，在發動機轉速為1 800～3 000 r/min區間內及頻率為3 000～5 000 Hz和6 000～8 000 Hz范圍內，產生了頻段較寬且對整車車內影響較大的噪聲。經過進一步研究，確認該噪聲為渦輪增壓器Hiss噪聲。

圖1 裝有渦輪增壓器的某款車型內Hiss噪聲頻譜分布圖

2 渦輪增壓器Hiss噪聲產生原理及原因

增壓器特性曲線圖，如圖2所示。從圖2可知，在低流量時如果壓比升高會使增壓器工作曲線離喘振線太近，這是產生渦輪增壓器Hiss噪聲的主要原因。由于氣流與壁面的分離產生擾動導致在壓氣機進氣口處產生壓力波動，從而容易產生Hiss噪聲[3]。

圖2 渦輪增壓器特性曲線圖

3 渦輪增壓器Hiss噪聲控制方案及措施

通過對渦輪增壓器Hiss噪聲性能特征和產生原理及原因的分析可知，應該主要從2個方面對噪聲進行控制，即控制噪聲源和控制傳播路徑。

1）控制噪聲源：主要是使增壓器的工作曲線遠離喘振曲線，需要通過增壓器本體的結構優化來實現，包括電噴標定、大壓葉輪、可變截面渦輪增壓器（VTG）結構優化、渦旋進氣結構優化及葉型優化等方案；

2）控制傳播路徑：主要通過運用阻、隔及吸等方式在噪聲的傳播路徑上對Hiss噪聲進行控制，包括整車聲學包、包裹管道及增加消聲器等方案進行控制。

當前渦輪增壓器本體的改進比較復雜，且成本較高，在開發階段不容易實現，所以并不推薦控制噪聲源的方案；目前主要采用通過控制傳播路徑的方式來降低Hiss噪聲，其中在增壓器出口處加裝合適的消聲器方案在整車的應用較為普遍，消聲器兩端分別通過膠管與增壓器和中冷器管路進行連接。渦輪增壓器出口處加裝消聲器優化方案，如圖3所示。

圖3 渦輪增壓器出口處加裝消聲器優化方案示意圖

4 方案驗證

為了驗證在增壓器出口處加裝消聲器方案的合理性和有效性，后續將通過CAE仿真分析、實車客觀試驗及實車主觀評價的方式進行驗證。

4.1 CAE仿真分析

通過LMS Virtual.Lab仿真軟件對加裝消聲器的渦輪增壓器噪聲進行仿真分析，建立的仿真模型，如圖4所示。

圖4 加裝消聲器的渦輪增壓器CAE仿真分析模型

對該仿真模型進行仿真分析，消聲效果的仿真曲線，如圖5所示。從圖5中可以看出，該增壓器主要消聲頻段為1 500～3 000 Hz，消聲量最大可達63 dB，4 000～7 000 Hz也出現多個消聲峰值，但消聲量明顯小于中低頻。因而從CAE仿真分析結果來看，加裝消聲器方案是可行的。

圖5 加裝消聲器的渦輪增壓器消聲效果仿真曲線

4.2 實車客觀試驗

為驗證在渦輪增壓器加裝消聲器后噪聲改善效果，現將加裝消聲器方案的搭載實車進行試驗驗證。圖6示出對有無加裝消聲器的渦輪增壓器進行噪聲測試的對比結果。從圖6可以看出，當發動機轉速在 1 500～3 500 r/min 時，3 500～5 000 Hz頻段區間的駕駛員左耳測量曲線（DLE）噪聲降低約為5 dB，6 000～8 000 Hz頻段區間的DLE噪聲降低約為9 dB。可以看出，加裝消聲器能有效地減小增壓器Hiss噪聲，尤其在中高頻段的消聲效果較為明顯。

圖6 渦輪增壓器加裝消聲器前后車內噪聲總聲壓級曲線

4.3 實車主觀評價

在實車客觀試驗驗證之后，組織8位具有NVH評價經驗的專家和工程師，對同一輛汽車是否加裝消聲器的車內噪聲進行主觀評價。主觀評價的評分方法主要參照美國汽車工程師學會（SAE）標準。表1示出SAE常用的主觀評價評分標準[4]。

表1 美國汽車工程師學會（SAE）主觀評價評分標準

經過專家及工程師的對比評價，得出評價結果為：在增壓器出口處加裝消聲器的汽車車內Hiss噪聲明顯優于無消聲器的汽車車內Hiss噪聲，且提升和改善的效果非常明顯。主觀評價分值從之前的6.5分提升到7.0分，有0.5分的提升。從評價結果可以看出，加裝消聲器的方案讓車內Hiss噪聲的優化非常明顯。

5 結論

1）通過CAE仿真分析和實車主客觀評價的分析驗證，說明了在增壓器出口處加裝消聲器方案的合理性和有效性，能夠有效地降低渦輪增壓器Hiss噪聲；

2）在驗證方案初期加入了CAE仿真分析及驗證，為后續實車的試驗分析及驗證提供指導，同時利用CAE仿真分析可以更多地節省時間和降低成本；

3）通過CAE仿真分析、實車客觀試驗及實車主觀評價驗證形成了一個閉環的解決問題的思路和方法，該思路和方法可以為后續相關問題的解決及進一步的研究與優化提供參考和指導。