渦輪增壓器氣動噪聲控制方法研究

孫云龍，雷超群，陳良，吳廣權，占文鋒，段心林

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

采用渦輪增壓技術可以極大提高發動機的升功率和升扭矩，同時可以提高發動機的燃油經濟性，然而渦輪增壓發動機搭載整車帶來極大技術優勢的同時，其噪聲問題亦日趨凸顯。渦輪增壓器的噪聲與轉速有很大關系，其噪聲一般隨轉速的提高而增大[1]。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2～3 dB[2]。為提高加速性能，往往要求發動機在更低轉速就爆發出最大扭矩，渦輪增壓器增壓壓力快速建立，小型渦輪增壓器在發動機低速工況下的工作轉速及轉速升高速率較高，因而渦輪增壓器氣動噪聲問題也就更加明顯，嚴重影響整車NVH品質。

渦輪增壓發動機搭載整車噪聲種類較多[3]，本研究結合某款汽油渦輪增壓發動機的量產開發，僅對渦輪增壓器脈沖嘯叫噪聲及Whoosh噪聲兩種常見氣動噪聲的發生機理進行研究，提出了脈沖嘯叫噪聲的測試工裝改進方案，以及基于壓氣機流場優化的Whoosh噪聲環槽抑制方案，并進行了整車搭載試驗驗證。

1 渦輪增壓器脈沖嘯叫噪聲機理

渦輪增壓器脈沖嘯叫噪聲屬于旋轉機械氣動噪聲，該噪聲的產生與葉片的細小幾何差別有關——壓氣機葉輪在旋轉時，輪上的葉片擠壓周圍的氣體介質，引起周圍氣體的壓力脈動而形成。對于給定的空間某質點來說，每當葉片通過時，擠壓這一質點氣體的壓力便迅速地起伏一次，旋轉葉片連續地逐個掠過，就不斷地產生壓力脈動，造成氣流的不均勻性，從而向周圍輻射噪聲[4]。當壓氣機葉輪葉片中有部分葉片因加工制造等原因造成幾何尺寸偏差過大時，其壓力擾動足夠強，且頻率在人耳聽覺范圍之內，則產生旋轉脈沖噪聲。

增壓器脈沖嘯叫噪聲呈現為哨音，與轉速同步，它是一種窄帶噪聲，帶有很小的能量，但易于被感覺到，噪聲頻率在1 200～4 500 Hz之間[2]。圖1示出某汽油增壓發動機開發過程中測得的增壓器脈沖嘯叫噪聲。

圖1 駕駛員右耳及增壓器近場整車噪聲測試結果

2 渦輪增壓器脈沖嘯叫噪聲測量方法

基于增壓器脈沖嘯叫噪聲的發生機理，結合某款出現增壓器脈沖嘯叫噪聲的汽油機開展研究，對增壓器脈沖嘯叫噪聲的測量裝置進行改進，以提高噪聲的識別精度。

2.1 壓力脈沖測試工裝方案

機加工葉輪形狀無法做到理論對稱一致，應對葉輪實際形狀引起的壓力脈沖進行測試并給出合理控制值。對增壓器的脈沖測試工裝進行改進，以提高識別精度。如圖2與圖3所示，測試工裝由測量管1、測量堵頭2、工裝壓殼3及脈沖測試傳感器構成，脈沖測試傳感器安裝于測量管1靠近堵頭位置，距離壓氣機入口中心距離為90 mm，屬于高頻采樣壓電傳感器，可將壓力波動值轉換記錄為電壓信號。

圖2 壓力脈沖測試工裝

圖3 壓力脈沖測試傳感器

測量堵頭2帶有通孔結構，其主要作用為制造背壓，將壓力波動信號進行放大，以利于脈沖傳感器捕捉。試驗中采用孔直徑為12 mm、15 mm、16 mm、18 mm的4個堵頭工裝，分別對噪聲基準樣件(樣件編號1)和整車搭載的7臺噪聲樣件(樣件編號為2～8)進行多次重復測試試驗，測試數據為脈沖傳感器由壓力信號轉換來的電壓信號。

2.2 壓力脈沖測試結果分析

壓力脈沖試驗結果見圖4。測試結果中，將整車增壓器脈沖嘯叫試驗基準樣件1的測試最大值定義為基準值，對應圖中橫線位置，該樣件為無嘯叫噪聲的基準樣件，通過整車嘯叫噪聲極限測試確定。其余7臺整車試驗產生的嘯叫噪聲樣件分布見圖4，樣件脈沖測試電壓值在橫線上方，則表明測試工裝能夠把噪聲件有效識別出來。結果表明，采用孔直徑12 mm的工裝堵頭后，設備的背景噪聲過大，同一臺樣件的重復測量電壓值的極差較高，不能將問題樣件有效識別出來。采用孔直徑16 mm、18 mm的工裝堵頭后，同一樣件的測試電壓值極差較小，但信號太弱，測試結果易受環境干擾，不同樣件的測試結果離散過大，同樣不能將問題樣件有效識別出來。采用孔直徑15 mm的工裝堵頭后，樣件測試電壓值極值較小，測試數據結果均在基準線以上，可以將所有噪聲樣件有效識別出來。

圖4 不同孔徑堵頭的壓力脈沖測試結果

通過整車脈沖嘯叫噪聲基準樣件對壓力脈沖測試工裝堵頭孔徑進行測試標定，最終選取孔直徑15 mm的工裝堵頭。通過以上脈沖嘯叫噪聲測試工裝的改進，嘯叫噪聲問題樣件被有效識別，提高了噪聲樣件的檢出率。

3 渦輪增壓器Whoosh噪聲機理

渦輪增壓器Whoosh噪聲屬于氣動噪聲的一種，其產生的主要原因是車輛加速過程中，增壓器運行工況點靠近喘振線而進入失速區域，氣流在壓氣機表面產生流動剝離而發生逆流產生噪聲，噪聲通過壓殼壁面和管路向外輻射傳播。渦輪增壓器Whoosh噪聲屬于寬頻噪聲，一般其頻率范圍為0～20 000 Hz，常發生于發動機轉速2 500 r/min以下，可以通過測量壓氣機殼體振動和噪聲進行頻譜對比來辨別，如果振動和噪聲在相同的頻率區間有相似的寬頻帶振動表現，則表明Whoosh噪聲存在[5]。

對于處于開發前期的增壓機型，在匹配渦輪增壓器壓氣機方案時，應使通過一維計算的外特性匹配工況點避開失速區域。失速區域可由如下方法確定：在壓氣機MAP圖中，對于同一條等轉速線，當壓比和流量同時增大時，壓氣機運行在不穩定狀態，會產生逆流[6]，將各條等轉速線的拐點連接而成的線即為失速邊界(見圖5)。

圖5 Whoosh噪聲發生區域

4 渦輪增壓器Whoosh噪聲控制措施

某增壓發動機項目開發過程中，在發動機轉速1 800～2 500 r/min，中小油門踏板位置出現明顯疑似整車加速增壓器氣流噪聲。在增壓器近場及駕駛員右耳位置布置麥克風，在增壓器中間體及壓氣機前進氣管路分別布置振動傳感器，對噪聲發生工況進行數據采集，測試結果見圖6和圖7。

圖6 駕駛員右耳及增壓器近場噪聲測試結果

圖7 斷開進氣管后路駕駛員右耳及增壓器近場噪聲測試結果

噪聲測試結果表明，車內噪聲發生頻率為4 000～5 500 Hz，屬于寬頻噪聲，增壓器近場相同頻率噪聲明顯，增壓器中間體及壓氣機前進氣管路測試振動頻率對應，斷開進氣管路后，車內駕駛員右耳氣流噪聲增大，可基本判斷噪聲來源為增壓器Whoosh噪聲。

4.1 Whoosh噪聲逆流阻斷措施

逆流是引起氣動噪聲的主要因素，聲功率級與逆流強度分布趨勢一致[7]。對于處于量產開發中后期的項目，可以研究壓氣機逆流阻斷控制措施，以盡量減少進入壓氣機葉輪的流動剝離現象。由于流動剝離在壓氣機入口位置較為明顯，能夠抑制或吸收壓氣機入口逆流的措施可以降低Whoosh噪聲的聲功率級，本研究在壓氣機入口靠近葉輪位置設計矩形環槽(2 mm×2 mm)，并對開環槽前后壓氣機入口部位的氣體流場進行CFD仿真分析。CFD模型包括壓氣機進口彎管、轉子、擴壓器和壓氣機殼體(見圖8)。

圖8 CFD模型部件

計算輸入采用整車噪聲發生工況采集的發動機數據，出現噪聲的典型3擋中小負荷的發動機測試數據見圖9。圖中分別記錄了曲線1(18 s時長)及曲線2(16 s時長)的兩段噪聲工況，WOT工況為發動機外特性扭矩曲線，噪聲出現的發動機轉速區間為1 500～2 500 r/min，扭矩區間為90～120 N·m。經計算后，典型噪聲工況點的增壓器壓比及流量見圖10。工況點為1 500 r/min,1 750 r/min,2 100 r/min，其中2 100 r/min @120 N·m(對應流量為1.5 m3/min)附近噪聲最為明顯。本次計算選取壓氣機等轉速線200 m/s(對應轉速74 700 r/min)上的3個流量工況點，分別為1.5 m3/min，1.87 m3/min，2.37 m3/min，該區域存在較為明顯的Whoosh噪聲。

圖10 發動機噪聲工況的壓比流量數據

分別對壓氣機葉輪入口部位有、無矩形環槽方案的3個流量工況點進行計算比較分析，計算結果見圖11和圖12。

圖11 流速等高線圖

圖12 A-A截面流速等高線圖

仿真計算結果表明，在固定的壓氣機葉輪轉速下，當進氣流量降低時，逆流區域會在葉輪周邊擴大。這主要是由于隨著進氣流量的下降，壓比的上升，壓氣機上游的壓力較低，壓氣機無法維持逆向的壓力梯度，在葉輪周邊的逆流區域逐漸擴大。在壓氣機葉輪入口附近設計矩形環槽后，環槽可以吸收部分逆流，對局部工況點可以起到降低逆流速度，減小逆流區域的作用，從而降低Whoosh噪聲的聲壓級，起到噪聲抑制效果。

4.2 抑制Whoosh噪聲的矩形環槽方案驗證

為了驗證矩形環槽方案抑制Whoosh噪聲的效果，設計了如圖13所示的兩個樣件方案。方案1為矩形環槽(2 mm×2 mm)位于葉輪葉尖后1.5 mm位置，方案2為矩形環槽(2 mm×2 mm)位于葉輪葉尖前0.6 mm位置。兩種方案搭載某整車的噪聲和增壓器中間體振動測試結果見圖14和圖15。

圖13 抑制Whoosh噪聲的矩形環槽方案

圖14 開槽方案近場噪聲及右耳噪聲測試結果

測試結果表明，將環槽設置于葉輪葉尖后位置的方案1對Whoosh噪聲有一定的抑制作用，測試噪聲聲壓級和振動水平均有一定幅度的降低；壓氣機葉尖口前的環槽結構方案2可以有效抑制Whoosh噪聲，增壓器近場噪聲及增壓器中間體振動均大幅下降，駕駛員右耳位置已無Whoosh噪聲。

對方案2的壓氣機進行氣體臺架性能測試，與原始未開槽方案對比結果見圖16和圖17。由圖可見，壓氣機入口位置設置環形槽對壓氣機的流量壓比特性及流量效率曲線影響較小，可滿足性能要求。

圖15 開槽方案增壓器中間體振動測試結果

圖16 開槽與未開槽方案流量壓比特性曲線

圖17 開槽與未開槽方案流量效率特性曲線

5 結論

a) 通過整車噪聲測試基準樣件對脈沖嘯叫噪聲測試工裝進行標定，從而選取適合精度的脈沖測試工裝;直徑15 mm堵頭脈沖測試工裝可全部識別噪聲樣件，提高了噪聲樣件的檢出率；

b) Whoosh噪聲由葉片表面逆流產生，在項目開發初期，為控制渦輪增壓器Whoosh噪聲的方式，通過一維計算的外特性匹配工況點須避開逆流產生的失速區域；

c) 通過壓氣機流場CFD分析可知，對于增壓器等轉速線上的工況點，隨著壓氣機入口流量的減小，壓氣機入口區域發生逆流的區域和流速逐漸加大；壓氣機葉輪葉尖前位置設置矩形環槽機構可有效降低逆流的發生區域和逆流的速度，可以顯著降低Whoosh噪聲的聲壓級，并且矩形環槽結構對壓氣機整體性能影響較小，是一種性價比較高的Whoosh噪聲降噪措施。