柴油機增壓器HISS噪聲分析及降噪措施研究

黃保科，李凱，胡必謙

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

測試試驗

柴油機增壓器HISS噪聲分析及降噪措施研究

黃保科，李凱，胡必謙

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

增壓技術已經成為現代柴油發動機不可或缺的技術之一，相比自然吸氣增壓柴油機不僅可以提升扭矩，而且對降低油耗和排放也做出很大貢獻，但是增壓器工作產生的噪聲問題也越來越受到關注（影響車輛舒適性）。HISS噪聲是增壓器應用過程中普遍遇到的一種噪聲，文章對增壓器HISS噪聲產生的機理及優化方法進行了探討，并通過實際試驗對幾種降噪措施進行了驗證。

增壓器；噪聲；HISS聲；降噪

前言

在汽車行業的快速發展的今天，人們對汽車駕乘的舒適性越來越關注，不僅是搭載汽油機的汽車，對柴油機汽車的要求也越來越高。而汽車噪聲是評價汽車舒適性的關鍵指標之一。汽車噪聲過大會影響汽車的舒適性、語言清晰度，甚至影響駕駛員和乘客的心理、生理健康。汽車噪聲主要包括風噪、路面胎噪及發動機噪聲等。

渦輪增壓器作為一種流體機械，是利用發動機排氣的能量對發動機進氣進行壓力提升從而提高發動機性能的機械。相比自然吸氣，增壓發動機不僅可以提升扭矩，而且對降低油耗和排放也做出很大貢獻，目前增壓技術已經成為現代發動機不可或缺的技術之一。

渦輪增壓器使用過程中不可避免的產生噪聲問題，增壓器噪聲對發動機整體噪聲的貢獻較為明顯。據研究帶渦輪增壓器的發動機總噪聲水平往往比不帶渦輪增壓器的發動機總噪聲水平高 2~3dB[1]，因此降低增壓器的噪聲對降低發動機噪聲及整車噪聲都是有積極意義的。

1 典型的增壓器噪聲

1.1 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噪聲，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，由于輪軸不平衡產生周期性激勵振動，此為同步結構振動噪聲；另一方面由于葉輪制造加工不一致或者葉輪葉片損傷，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，此為同步氣流脈沖噪聲。同步噪聲呈現為尖銳的哨子聲，哨聲頻率通常為0~4000HZ，常見于車輛加速過程中。

1.2 次同步噪聲

渦輪增壓器中間體一般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。渦輪增壓器次同步噪聲在駕駛室中表現為低沉的“嗚嗚”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。通常渦輪增壓器次同步噪聲的頻率范圍為600-1200HZ

1.3 BPF噪聲

壓氣機（渦輪機）葉片與壓殼（渦殼）的渦舌之間存在一定的間隙，該間隙如果設計不當，當葉片旋轉時會引起氣流在該間隙處激蕩，產生異常尖銳的金屬切割聲，該噪聲即為BPF（Blade Passing Frequency）噪聲。BPF噪聲頻率非常高，頻率值等于葉片數量與葉輪轉速的乘積，一般其頻率范圍為6000~20000HZ。

上述幾種渦輪增壓器噪聲都是由于增壓器制造或者設計導致的，屬于增壓器本體噪聲。實際應用過程如果存在這幾種噪聲，需要對增壓器本體的零部件進行優化，比如：同步噪聲問題應當優化轉子葉輪系統的動平衡值及葉輪加工；次同步噪聲問題應當優化中間體軸承與中間轉子之間的間隙量或者兩者之間的接觸面積，避免油膜的震蕩；BPF噪聲問題應當優化葉片與渦舌之間的間隙或者對葉輪葉片的數量等。除了上述幾種本體因素噪聲，增壓器在應用過程中也會出現噪聲，如下述的增壓器HISS噪聲：

1.4 增壓器HISS噪聲

壓增壓器HISS噪聲屬于應用過程中的氣流噪聲，產生的主要原因是由于發動機對低速大扭矩的需求，壓氣機耗氣線穿過臨近喘振線的軟喘振區域導致。在該區域空氣流速瞬時變大，氣流在壓氣機葉輪根部產生剝離現象而發生動蕩紊亂產生噪聲。HISS噪聲一般出現在發動機油門瞬時加速、增壓器轉速在相對短的時間內快速提升的工況下，具有寬泛的頻帶，出現的頻率在500~20000HZ 范圍內。

另外也有研究發現當發動機高速或大負荷運行時突然急減油門，發動機空氣需求量急速下降，而增壓器仍處于高速運轉狀態，所以發動機實際耗氣線就會左移進入喘振區造成喘振，也有研究人員將這種噪聲模式歸類到HISS噪聲中。圖1分別展示了增壓器正常運行、接近傳真線的軟喘振區及明顯喘振三種情況下的壓輪氣流示意，紅色區域越大表明氣體剝離葉輪情況越嚴重，噪聲也越發明顯。

圖1 氣流剝離示意圖

本文僅對柴油機增壓器應用過程中出現的 HISS噪聲進行研究。

2 柴油機增壓器HISS噪聲實測

某柴油發動機在路試時，車輛急加速工況有輕微的噪聲，通過對噪聲出現的工況以及噪聲特點判斷，該噪聲屬于增壓器HISS噪聲。

為進一步確定噪聲特征，對該發動機進行了臺架復測。經測試分析，確認噪聲為增壓器HISS聲，且確認了HISS噪聲幾個突出頻段。如圖2所示FFT頻譜，在1750HZ、2250HZ及2750HZ幾個頻率附近亮色帶突出。

圖2 某柴油機噪聲FFT頻譜

采用聲學相機定位，顯示該噪聲源位于增壓器壓氣機進口附近，這與增壓器HISS噪聲的噪聲源是符合的，如圖3：

圖3 聲學相機定位

3 降噪措施

通常降低增壓器HISS噪聲的方法有以下幾種：

一是標定優化；二是壓氣機進口紊流阻斷；三是利用消聲器消聲；四是被動聲學包裹消聲。

根據上述降噪思想，有針對性的制定了降噪措施：

1）標定優化，盡可能留出足夠的喘振裕度，在保證發動機性能的情況下，讓發動機耗氣線遠離渦輪增壓器的喘振線，使發動機耗氣線處于增壓器壓氣機有效工作MAP中。

2）增壓器壓氣機入口設計降噪環槽，環槽呈燕尾結構，利用環槽的物理阻斷作用，阻斷壓氣機入口的紊流氣體回流，因此避免噪聲的向前置進氣管路的傳播。圖4為增加降噪環槽的實物及環槽結構示意。

圖4 降噪環槽

3）根據HISS噪聲的噪聲頻率，有針對性的設計諧振腔，消除突出頻率的噪聲。諧振腔的原理類似于赫爾姆茲消聲腔：既聲波在主管路中傳播時，遇到諧振腔體時一部分聲波進入腔體，引起聲音阻抗的變化以達到消聲的目的。圖5為赫爾姆茲消聲腔示意圖，圖6為針對本次測試柴油機設計的諧振腔，以消除1750~2750HZ頻率段的HISS噪聲。

圖5 赫爾姆茲消聲腔示意圖

圖6 諧振腔

4）對渦輪增壓器壓氣機前進氣管路進行優化，增加管路壁厚或者進行聲學包裹（圖7），降低HISS噪聲通過管壁向外界的傳播。

圖7 管路聲學包裹

4 降噪措施的驗證

對上述幾種降噪措施進行了驗證：

1）通過標定優化，保證發動機耗氣線距離機械喘振線有一定的喘振裕度。

圖8 發動機耗氣線

2）增壓器壓氣機入口切割降噪環槽方案：原增壓器1750~2750HZ頻率段噪聲亮帶明顯，壓氣機入口加降噪環槽后，該頻率段噪聲降低2dB（A)左右，對增壓器HISS氣流噪聲改善效果較為明顯，但氣流噪聲仍相對突出；在此基礎上進一步對增壓器進口管路進行聲學包裹，氣流噪聲進一步降低，排氣側在中低轉速區間可降低2dB（A）。

圖9 降噪環槽方案FFT頻譜圖

圖10 噪聲值對比

3）增壓器壓氣機出口安裝諧振腔方案：對（1500-2500Hz）增壓器HISS氣流噪聲改善效果較為明顯，可降低排氣側及進氣口噪聲1-3dB（A)左右。

圖11 諧振腔方案FFT頻譜圖

4）進氣管路聲學包裹方案：進氣低壓管路包裹后排氣側在1300~2100轉速范圍內降低0.5~1dB（A)左右，降噪效果并不明顯；主要對4000-10000Hz的高頻噪聲有所改善。

圖12 增加諧振腔前后噪聲值對比

圖13 管路聲學包裹FFT頻譜圖

圖14 管路聲學包裹前后 噪聲值對比

5 結論

（1）對通過對標定優化、增壓器開設降噪環槽、增加諧振腔、管路聲學包裹幾個措施的設計、樣件制作及實際測試，證明了上述幾個措施對降低增壓器HISS噪聲有積極的作用；

（2）降噪環槽和增加諧振腔對低頻HISS噪聲改善效果較好，而管路包裹對高頻HISS噪聲改善效果更為明顯；

（3）諧振腔較降噪環槽對低頻HISS聲的改善更為明顯，且更有針對性，可以通過測試結果持續校正諧振腔體的設計參數，以達到最優的降噪效果；

（4）多個消聲措施并用消聲效果更好，可以通過多措施并用來實現更優的降噪效果。

[1] 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動[M].北京: 北京理工大學大學出版社. 2006.

[2] 張志華,周松.內燃機排放與噪聲控制[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學大學出版社,1999.

[3] 王欽慶.幾種常見渦輪增壓器噪聲及其控制. 內燃機與動力裝置,2012,8(4).

[4] 王輝.直列四缸發動機的振源分析與仿真. 北京:機械工程與自動化,2009.5 .

[5] 朱海林.渦輪增壓器原理[M].北京:國防工業出版社,1985.6.

HISS noise Analyze And Reducing measure Research on Turbocharger of Diesel engine

Huang Baoke, Li Kai, Hu Biqian
( Anhui Jianghuai Automobile Group Corp., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Turbocharger is one of the indispensable technology on modern diesel engine. Turbocharger engine have more excellent torsion compared with natural intake air engine, and also contributed enormously to emission reducing. But the noise of turbocharger have been taken more and more attention, which affect the vehicle’s comfortable feeling. Hiss noise as one of turbocharger’s noise is very universal on application, this paper analyzed the causation of Hiss noise and researched several noise reducing measure(availability) by experiments.

turbocharger; noise; HISS noise; reduce noise

U472

A

1671-7988 (2017)21-126-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.042

CLC NO.: U472

A

1671-7988 (2017)21-126-04

黃保科，男，（1983-），碩士研究生，工程師，現就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司，主要從事發動機設計研發工作。