柴油機供油系統噪聲識別與控制

(上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438)

0 前言

據統計，我國大中城市的噪聲污染中，有大概70%來自于交通運輸，特別是在城市交通中道路擁堵，經常會出現頻繁停車怠速等待的情況。如何降低怠速噪聲、改善怠速噪聲品質，是控制和降低交通噪聲，創造良好的聲環境質量的核心解決目標。由于柴油車產生的噪聲通常要比汽油車更高，因此如何降低柴油機的怠速噪聲和優化聲品質尤為重要。

本文針對某款配置4缸柴油機車型的怠速噪聲的優化展開。該款車型在怠速工況時，車內聲壓級并不高，但是存在一種類似“嗒嗒嗒”的聲音(以下簡稱“嗒嗒”聲)可能會引起客戶抱怨。首先結合該柴油機的臺架測試數據，確定該噪聲的主要頻率成分；隨后針對這些頻率范圍進行噪聲源識別，確定了產生“嗒嗒”聲的關鍵零部件；通過優化相關零部件，該款車型的怠速噪聲品質得到了明顯提升，消除了可能會產生的噪聲隱患。

1 問題描述

在某款配置直列4缸柴油機的車型開發過程中，在怠速工況的時候，可以感受到存在類似“嗒嗒”的噪聲。此時通過測試車內駕駛員耳旁的噪聲，得到該測點位置噪聲聲壓級為48.5 dB(A)。和同類型的參考車相比，總聲壓級并不算高，甚至還略低一些(參考車型的噪聲總聲壓級大約在50.0 dB(A))。因此，將該噪聲定性描述為整車的怠速聲品質問題。

2 問題識別和定義

由于在怠速工況時，發動機整體輸出的振動能很低，所以初步排除了結構噪聲傳遞到整車的可能。因此問題的源頭主要來自于發動機本身產生的空氣噪聲。

為了更準確地確認該噪聲頻率具體來自于發動機上的哪些具體零部件，對該柴油機進行了相關工況的臺架試驗。具體的試驗規范參考《GB/T 1859 2000 往復式內燃機 輻射的空氣噪聲測量工程法及簡易法》中規定的測點進行布置。選取標準描述中，基準體頂面1 m測距點作為發動機臺架噪聲分析的參考點。

首先對發動機正常怠速工況進行測試，完成后采用相同轉速的電力測功機進行倒拖，并進行機械噪聲和燃燒噪聲的分離對比。在倒拖過程中，發現該噪聲基本消除，所以可以初步確認該噪聲與噴油及燃燒相關。同時，對比這兩種工況下的參考點得到了噪聲1/3倍頻程圖，如圖1所示，可以發現各個頻帶聲能量差異較大的頻率在1 000 Hz以上。通過對該噪聲濾波返放，確認抱怨噪聲的頻帶為1 000～1 600 Hz。

圖1 車內噪聲1/3倍頻程圖

表1示出了計算結果，其中1 000 Hz、1 250 Hz和1 600 Hz的頻帶占據總聲壓級能量較高，是改進方案中所需要考慮的主要方向。在臺架參考點的噪聲頻帶聲壓級能量僅比總聲壓級低了4.3 dB(A)，在整車上，由于有了隔聲降噪措施，車內耳旁噪聲頻帶聲壓級和總聲壓級相差約9 dB(A)。通常聲壓級相差10 dB(A)以上，噪聲特征才不會被明顯感知[1]。

表1 抱怨噪聲能量占比

其次，針對噪聲發生的頻帶，在發動機臺架上作了進一步的零件噪聲識別分析。在可疑零部件的近場和表面，分別布置傳聲器和加速度傳感器，測試這些零部件對問題頻帶噪聲的影響。通過測試，得出參考點噪聲的能量貢獻較大，包括油軌、油泵和發動機缸體。

綜合以上內容，確認噪聲來自供油系統的噴油通過油軌和缸體放大所輻射的噪聲。要使噪聲能量得到良好控制，需要有效控制噴油過程，同時還要被動控制油軌和發動機缸體的輻射噪聲，使整車在怠速工況下，把問題頻帶噪聲的能量降低到可以接受的程度，為了保險起見，目標設定為問題頻帶噪聲聲壓級和總聲壓級相差12 dB(A)。

3 噪聲的機理分析

首先，對于噴油過程相關調節參數進行確認。通常發動機的轉速對于單位時間內的噴油次數具有直接影響，需要重點考慮。噴油的提前角及噴油壓力本身，對于發動機缸內壓力變化也有直接的關系，進而影響噪聲品質。這些都是可以進行主動調節的參數[2]。

其次，在仍然沒有辦法達到要求的時候，可以采取對輻射聲源的吸隔聲措施，從而達到降低輻射到車內的噪聲的能量。通常可以采用吸隔聲材料進行包裹。針對不同的頻率，所選擇的材料性質可能不同，最好進行對比試驗，擇優使用。

4 試驗方案設計

基于對該噪聲的機理分析，繪制了噪聲優化的參數圖，見圖2。分別從發動機的轉速、噴油提前角、噴油壓力3個角度對噴油過程進行控制。在隔聲方面，準備了不同密度的發泡材料(PUR)，對發動機頂面進行覆蓋。同時，還準備了高壓共軌(覆蓋PUR)，以及噴油器(覆蓋PUR)。由于實車上油泵附近空間不夠，因而未對其進行覆蓋的試驗。對于本次優化方案總共設計了5個可供改變的因素。為了確保方案在夏天和冬天都有效，還引入了環境溫度的影響。

圖2 試驗設計系統圖

按照試驗設計的系統圖，對每個因素的初始水平進行了適當調整，便得到了各種試驗可能。最終計算目標函數為車內主駕耳旁噪聲總聲壓級減去問題頻帶噪聲聲壓級要求大于12 dB(A)，認為該結果達到改善要求。由于影響因素和水平較多，試驗方案采用了分組試驗和正交試驗相結合的方法減少總試驗次數，從而有效縮短了試驗周期。詳細的試驗方案見表2。

表2 試驗因素水平說明

對于主動調整的控制參數，轉速、提前角和噴油壓力，每個因素選取3個可行的水平，算作第一組試驗。對于覆蓋于發動機頂面的整體PUR材料，選取了3種不同的密度，加之沒有該零件的原始方案，所以選取4個水平，算作第二組試驗。對于共軌PUR及噴油器PUR的方案使用組合，作為第三組試驗。

5 方案驗證與分析

5.1 第一組試驗

第一組試驗是三因素三水平的試驗，同時還考慮了環境溫度的影響，具體采取在冬季測試和夏季測試的方法，對同一臺車進行了兩次驗證。為了減少試驗次數，采用了正交試驗設計[3]。具體試驗方案見表3。其中D因素沒有對應的具體參數，可以看作誤差項。

表3 第一組試驗設計方案

通過在不同溫度下完成的兩組9個試驗(共18次)，按照常規的數理統計方法，分別計算了均值和信噪比，羅列在圖3和圖4中。

圖3 均值分析

圖4 信噪比分析

從圖3中可以看出對于A因素，在轉速750 r/min和850 r/min時，目標函數實際值較大，在總體聲壓級方面，轉速850 r/min時高出1 dB(A)，所以比較好的水平是A1水平，即750 r/min。對于B因素，提前角對于目標函數數值影響很小，但是隨著提前角的增大，主觀評估活塞和缸壁敲擊聲更為嚴重，因此選取B1水平(即2 °CA)。對于C因素，在噴油壓力較小的時候，目標函數計算值較大，表現最好，因此選取C1水平，即30 MPa的噴油壓力較為合適。為了考察這些方案對于環境溫度穩定性的影響，查看了各個因素在不同溫度下產生的信噪比，均在20 dB(A)左右，說明這些因素受到環境溫度影響較小，試驗結果較為穩定，可以作為工程方案實施。

綜合考慮信噪比和均值，確定選擇A1、B1和C1(再次實測結果為11.02 dB(A))。但是結果未達12 dB(A)指標要求，因此需要采取隔聲措施。后續其他組的措施是基于A1、B1、C1該水平下開展試驗的，特此說明。

5.2 第二組試驗

該組試驗對于密度不同的發動機吸音罩進行試驗，如圖5，密度分別是150 kg/m3、250 kg/m3和400 kg/m3。試驗結果如圖6所示，密度為400 kg/m3的吸音罩效果最好，目標函數數值達到11.8 dB(A)，因此選用這個方案，但是距離12 dB(A)仍存在差距。因此需要在此基礎上進一步采取措施，開展第三組試驗。

圖6 發動機吸音罩效果

5.3 第三組試驗

該組試驗對于增加噴油器PUR和共軌PUR的效果進行驗證，見圖7。按照試驗方案設計中的H因素4種不同水平的組合，得到了如圖8的試驗結果。根據結果可以看出3水平和4水平時較好，都對應了共軌PUR罩使用的情況。噴油器PUR在問題頻段的影響很小，可以不使用。

圖7 噴油器PUR罩和共軌PUR罩示意圖

5.4 方案匯總說明

通過上述三組試驗和結果分析，最終選用了A1、B1、C1、G4和H2這個方案進行最終的試驗驗證。對應的具體參數為怠速轉速750 r/min，噴油提前角為2°CA，噴油壓力30 MPa，使用密度400 kg/m3的發動機吸音罩，并使用共軌PUR罩。通過實車評估，基本認為可以達到消除該車怠速時供油系統噪聲的目的。

圖8 噴油器PUR罩和共軌PUR效果驗證

6 結論

對于發動機供油系統噪聲識別和優化有以下幾點可以借鑒和參考。

(1) 對于識別，可以通過臺架倒拖的工況進行主觀評估，同時還可以借助軟件濾波返放的功能對噪聲進行監聽，識別出噪聲發生的頻率。對于具體零部件的識別，可以通過貢獻量識別的方法進行進一步的分析來鎖定需要優化的零部件。

(2) 供油系統的聲源控制，通常從幾個方面可以著手開展工作，對于發動機的轉速、噴油壓力、提前角等方面嘗試改變。同時對于正在選型的零部件，如油泵等零件，可以適當查看其本身的特性作為噪聲評判的參考。

(3) 對于無法優化控制參數的情況，可以嘗試從吸隔聲方面入手解決。建議嘗試不同的吸隔聲材料，對聲源進行包裹。由于不同材料的效果不同，需要選擇適當的方案進行驗證，最后擇優使用。

專家簡介

袁衛平，上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心整車集成部NVH科高級經理、資深專家、教授級高工、碩士研究生導師、ISO/TC70/WG13和SAC/TC177/WG11工作組組長，從事汽車和內燃機噪聲振動控制研究30余年，注重理論與實踐相結合，編有專著、發表多篇學術論文、擁有多項發明專利。

專家推薦辭

汽車振動和噪聲特性是影響汽車乘坐舒適性的一個重要因素，隨著人們生活水平的提高，對汽車乘坐舒適性的要求也不斷提高，車輛的NVH性能也成為汽車行業中的研究熱點。對于消費者而言，車輛怠速工況下的表現，最容易也最直接會被感受到，因此怠速噪聲的好壞必定會成為影響消費者選購產品的重要因素，是產品競爭力的重要組成部分。

該文針對某4缸柴油機，在怠速時出現的類似“嗒嗒”的高頻噪聲開展研究。首先結合整車以及發動機臺架試驗，確定該噪聲的頻率特征并準確鎖定抱怨噪聲主要來自發動機供油系統；隨后對該供油系統噪聲的產生機理進行分析，尋找整車可行的優化驗證方案。文中分別從怠速轉速、噴油提前角、噴油壓力、以及被動隔聲角度進行優化措施的組合設計與驗證。由于因素較多，而且每個因素還有幾個水平，因此采用了分組試驗的方法，同時還采用了正交試驗設計減少試驗次數。通過多輪試驗分析，確定了具體改進因素的水平。最后通過實車驗證，鎖定的方案使該噪聲聲壓級與車內整體聲壓級相差12 dB(A)以上，改善了整車上對于發動機的供油系統“嗒嗒”聲的抱怨。

本文所用的臺架試驗方法是按GB/T 1859.3-2015《往復式內燃機 聲壓聲功率級的測定 第3部分：半消聲室精密法》進行測量的。本文所涉及的優化方向是在準確鎖定聲源位置的前提下并結合多年的工程經驗所提出的，對于讀者，拓寬了識別和控制柴油機怠速供油系統噪聲的思路。本文在對于鎖定的優化方向進行試驗驗證時，合理設計試驗方案，節省大量的試驗時間及資源，值得借鑒，推薦一讀。