汽車渦輪增壓器旁通閥敲擊渦殼噪聲優(yōu)化研究

鄭福維，王暉，施長(zhǎng)宏，周立廷

（華晨汽車工程研究院NVH工程室，遼寧 沈陽 110141）

前言

隨著現(xiàn)在汽車行業(yè)的發(fā)展，為了適應(yīng)“低油耗”“輕量化”“高性能”的發(fā)展趨勢(shì)，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)越來越受到各大車廠及用戶的青睞，渦輪增壓器已經(jīng)普及到許多類型的汽車上。而在乘用車上使用廢氣渦輪增壓器彌補(bǔ)了一些自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的先天不足，使發(fā)動(dòng)機(jī)在不改變氣缸容積的情況下可以提高輸出功率 20%～30%[1]，因此許多汽車制造公司都采用這種增壓技術(shù)來改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。增壓器高效工作時(shí)渦輪轉(zhuǎn)速最高可達(dá)30萬轉(zhuǎn)/分鐘，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能的同時(shí)，隨之也帶來挑戰(zhàn)中包括了如何控制由增壓器引起的相關(guān) NVH(Noise-vibration- harshness)問題[2][3]。

本文針對(duì)一款發(fā)動(dòng)機(jī)研究和總結(jié)了與增壓器相關(guān)的旁通閥敲擊渦輪增壓器殼體噪聲問題。當(dāng)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)搭載到整車后，增壓器在工作時(shí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)高速轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)造成壓氣機(jī)端空氣的波動(dòng)使增壓器旁通閥控制不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生旁通閥敲擊渦殼噪聲。

1 旁通閥敲擊渦殼噪聲的基本特征

1.1 旁通閥敲擊渦殼噪聲主觀評(píng)價(jià)

某車型搭載1.5T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，駕駛車輛加速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1500rpm至2500rpm會(huì)出現(xiàn)“噠噠”響聲，聲品質(zhì)[2]較差。急加速過程比較明顯，慢加速過程在部分轉(zhuǎn)速工況下出現(xiàn)。由于此發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器標(biāo)定程序是在1500rpm開始介入工作，2500rpm后增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。故判斷此“噠噠”聲應(yīng)該與增壓器工作過程有關(guān)，后續(xù)基于此方向進(jìn)行分析與優(yōu)化。

1.2 旁通閥敲擊渦殼噪聲客觀測(cè)試

由于初判斷“噠噠”噪聲與增壓器工作有關(guān)，所以客觀測(cè)試在駕駛室內(nèi)司機(jī)右耳布置傳聲器監(jiān)測(cè)駕駛室內(nèi)噪聲，在壓氣機(jī)端殼體上布置三向加速度傳感器監(jiān)測(cè)增壓器本體振動(dòng)。測(cè)試1000rpm至3000rpm全油門加速加速過程。

從圖1可以看出駕駛室內(nèi)噪聲在1500rpm至2500rpm出現(xiàn)寬頻的異常亮帶。

圖1 駕駛室內(nèi)噪聲

從對(duì)應(yīng)的同步測(cè)試數(shù)據(jù)圖2增壓器本體振動(dòng)上也有清晰的相應(yīng)特征，頻率范圍在1000Hz至8000Hz左右。

圖2 增壓器本體振動(dòng)

從圖3增壓器本體振動(dòng)的時(shí)域信號(hào)上可以清晰的看出在駕駛室內(nèi)出現(xiàn)異常噪聲時(shí)，本體振動(dòng)時(shí)域信號(hào)波動(dòng)較大。

圖3 增壓器本體振動(dòng)時(shí)域信號(hào)

如以上測(cè)試數(shù)據(jù)分析顯示，此噪聲特征即是增壓器旁通閥敲擊渦殼噪聲。該噪聲為寬頻噪聲，發(fā)動(dòng)機(jī)急加速過程，增壓器葉輪在相對(duì)短時(shí)間內(nèi)急速提升的工況較為明顯；在慢加速工況下，部分轉(zhuǎn)速段也會(huì)出現(xiàn)此噪聲特征。增壓器中間體殼體振動(dòng)及駕駛員右耳噪聲都有明顯的對(duì)應(yīng)特征。根據(jù)這些特征及主觀評(píng)價(jià)可以確定為旁通閥敲擊渦殼噪聲。

2 旁通閥敲擊渦殼噪聲產(chǎn)生機(jī)理

旁通閥敲擊渦殼噪聲的激勵(lì)來自渦輪機(jī)內(nèi)部旁通閥的閥門拍打渦輪機(jī)渦殼，激勵(lì)的大小與壓氣機(jī)端排氣壓力的大小有關(guān)，增壓器工作時(shí)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率上升，進(jìn)入渦殼的氣流越來越強(qiáng)，會(huì)使得渦輪端殼體工作壓力、渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等數(shù)值接近甚至超過設(shè)計(jì)參數(shù)，這時(shí)需要對(duì)其減壓。進(jìn)入渦殼的廢氣通過旁通閥排放來維持增壓器的工作強(qiáng)度即壓氣機(jī)殼內(nèi)壓力不再繼續(xù)增加，需要開啟旁通閥排出渦輪機(jī)端多余氣體[4]。壓氣機(jī)過大的出氣壓力推動(dòng)旁通閥彈簧使旁通閥打開，如圖4所示，根據(jù)增壓器系統(tǒng)工作原理：

式中：FT為增壓器旁通閥的控制力；P1為增壓器蝸殼端壓力；D1為旁通閥的直徑；L1為閥的曲柄長(zhǎng)度；FC為執(zhí)行器的控制力；P2為執(zhí)行器內(nèi)氣膜壓力；D2為氣膜的直徑；F為執(zhí)行器內(nèi)彈簧的力；L2為執(zhí)行器曲柄長(zhǎng)度。

圖4 旁通閥工作簡(jiǎn)圖

當(dāng)FT>FC時(shí)，旁通閥門開啟。由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，排氣壓力和氣膜上的壓力都是脈動(dòng)的，所以在旁通閥門開啟瞬間又出現(xiàn)閉合現(xiàn)象，導(dǎo)致旁通閥往復(fù)敲擊渦殼閥門。

3 旁通閥敲擊渦殼噪聲問題解決措施

基于旁通閥敲擊渦殼噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，要想解決問題需要控制排氣壓力P1或者氣膜上的壓力P2[5]。但是排氣壓力溫度過高且根據(jù)實(shí)際工況難以控制，我們只能從氣膜壓力方向上著手研究。經(jīng)分析我們可以控制氣膜壓力的穩(wěn)定性，降低因壓力脈動(dòng)而使閥門開啟關(guān)閉的次數(shù)，來降低或消除旁通閥敲擊蝸殼噪聲。

根據(jù)上述分析思路，設(shè)計(jì)圖5所示迷宮式穩(wěn)壓腔結(jié)構(gòu)。進(jìn)入穩(wěn)壓腔內(nèi)的氣體經(jīng)一級(jí)緩沖板、二級(jí)緩沖板進(jìn)入擴(kuò)壓腔內(nèi)，將脈沖氣體轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定氣體經(jīng)出氣口排出提供給增壓器執(zhí)行器使用。此處氣體壓力即為上述的執(zhí)行器內(nèi)氣膜壓力P2。

圖5 穩(wěn)流腔結(jié)構(gòu)圖

迷宮式穩(wěn)壓腔在整車上的安裝結(jié)構(gòu)如圖6所示。其工作流程為增壓器本體在工作過程中將增壓器壓氣端N管中的高壓氣體提供至排氣電磁閥，排氣電磁閥將高壓氣體轉(zhuǎn)變?yōu)?0Hz的脈沖氣體提供至穩(wěn)壓器膠管中，利用迷宮式穩(wěn)壓腔穩(wěn)定氣體壓力后通過增壓器A管驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器工作，穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器使廢氣旁通閥門不再頻繁開啟敲擊渦殼，達(dá)到消除增壓器金屬敲擊噪聲。

圖6 穩(wěn)流腔安裝圖

4 旁通閥敲擊渦殼噪聲試驗(yàn)驗(yàn)證

圖7 優(yōu)化后駕駛內(nèi)噪聲

圖8 優(yōu)化后增壓器殼體振動(dòng)

將圖5結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓腔樣件按照?qǐng)D6安裝圖，安裝到某1.5T問題樣車車進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)及試驗(yàn)驗(yàn)證。測(cè)試工況同1.2。

安裝穩(wěn)壓腔后的問題樣車，主觀評(píng)價(jià)駕駛室內(nèi)旁通閥敲擊異響消失，主觀評(píng)價(jià)可接受。

客觀測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7、圖8所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，安裝此穩(wěn)壓腔后旁通閥敲擊渦殼噪聲現(xiàn)象消失。

從圖9也可以看出優(yōu)化后的增壓器殼體振動(dòng)時(shí)域信號(hào)平穩(wěn)，與圖3相比并無異常。

圖9 優(yōu)化后增壓器殼體振動(dòng)

通過主觀評(píng)價(jià)及客觀測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析，旁通閥敲擊渦殼噪聲問題消失，達(dá)到可接受水平，因此安裝迷宮式穩(wěn)壓腔能夠很好的解決增壓器旁通閥敲擊渦殼噪聲問題。

5 結(jié)論

本文針對(duì)實(shí)際案例，根據(jù)旁通閥敲擊渦殼噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，提出了安裝穩(wěn)壓腔解決此噪聲問題的方法。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，安裝穩(wěn)壓腔能夠有效解決增壓器旁通閥敲擊噪聲。

迷宮式穩(wěn)壓腔優(yōu)點(diǎn)在于渦輪增壓器在原有外形機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，不更改增壓器的氣道、葉輪等氣動(dòng)形面參數(shù)僅對(duì)執(zhí)行器外部控制系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)，有效的消除了渦輪增壓器的噪聲，即保證了渦輪增壓器的性能也兼顧了渦輪增壓器的耐久性，易于裝配，具有較好的通用性。