某發動機增壓器敲擊聲問題分析

楊依

摘要： 某發動機在臺架標定過程中，發現增壓器附近有明顯的金屬敲擊聲。通過試驗測試并結合增壓器本身結構分析，判定該異音源為執行器組件間的敲擊。后續通過整改減小該尺寸間隙，從而使該敲擊聲明顯減弱。

Abstract： During the calibration of an engine on the bench， an obvious metal knocking sound was found near the supercharger. Through the test and the analysis of the structure of the supercharger， it is determined that the sound source is the percussion between the actuator components. The subsequent rectification reduces the size， so that the knocking sound is significantly weakened.

關鍵詞： 發動機;渦輪增壓器;敲擊聲

Key words： engine;turbocharger;knock sound

中圖分類號：TK442? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0052-02

0? 引言

隨著汽車工業的市場競爭及相關節能減排的法規越來越苛刻，在油耗降低的同時用戶對動力性的要求越來越高。而動力性和經濟性在發動機開發過程中相互矛盾，為此，各大生產廠家都致力于研發發動機增壓小型化，即減小發動機體積的同時采用增壓技術。由于渦輪增壓器每分鐘高達十幾萬轉甚至幾十萬轉的轉速，必定會產生階次振動及噪聲，而內部的氣體流體產生的復雜運動也會產生寬頻且較為高頻的噪聲，極容易從進、排氣管的表面輻射出來，故由增壓器引起的NVH問題更加不可忽視[1]，本文針對某研發的發動機在增壓器匹配過程中出現的敲擊聲進行了調查研究，并提出了相應的解決方案。

1? 增壓器工作原理及噪聲分類

渦輪增壓器實際上是一種空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加進氣量。它是利用發動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪，同時帶動同軸的壓輪工作，壓輪壓送由空氣濾清器送來的新鮮空氣，使之增壓后進入氣缸。

一般的車用渦輪增壓器一般由離心式壓氣機和徑流式渦輪機及中間體三大部分構成。具體由渦殼、壓殼、渦輪、葉輪、轉軸、中間殼、軸承、密封套、活塞環、泄壓閥、電池閥、執行器部件以及膠管等各零部件組成。

渦輪增壓器作為一個精密儀器，葉輪、渦輪和密封套等零件安裝在轉軸上，構成轉子。轉子的工作轉速可以從每分鐘數萬轉到二十萬轉，不僅對轉子的動平衡品質有十分嚴格的要求，而且高溫高轉速的惡劣環境也對轉子的可靠性提出了挑戰。不僅如此，渦輪增壓器還帶有進氣泄壓閥和排氣泄壓閥。當增壓壓力過高時，就會通過電池閥將泄壓閥打開，將節氣門體前壓力過高的壓縮空氣通過泄壓閥引導到壓氣機葉輪前，保護進氣組件。同理，當增壓壓力過高或轉子超速時，廢氣旁通閥打開，使部分廢氣旁通排掉，從而減少渦輪的廢氣量，達到降低增壓器轉速和增壓壓力的目的。渦輪增壓器的這種工作模式會帶來由結構共振或者零件組件相互觸碰引發的結構噪聲以及由氣流流通或者紊流引起的空氣噪聲。

根據上述渦輪增壓器的工作原理及其結構特點，產生的增壓器噪聲可分為以下幾類[2]：①階次噪聲：同增壓器轉子的轉速成一定的比例。成一倍關系的是同步噪聲，主要由轉子系統的不平衡引起;成0.3-0.4諧波倍數的是次同步噪聲，主要由轉子軸承內油膜震蕩引起。兩者噪聲與發動機階次不相關，一般均由轉子系統產生，傳遞到中間件、壓殼、蝸殼，從而傳到進氣、排氣系統，最后通過發動機艙傳遞到駕駛室內。②氣流噪聲，如泄氣噪聲（進氣泄壓、排氣泄壓），高壓氣流流過泄氣閥口和腔體產生的噪聲，屬于寬頻噪聲，一般由空氣聲通過進氣管、空濾軟管、中冷管等管路輻射。可通過增加寬頻消聲器，優化標定策略控制泄氣時間，減少管道輻射等方式進行降噪。氣流噪聲包括：壓氣機流道變化和壓氣機葉輪旋轉不穩定而引起的高頻氣體脈動噪聲;喘振噪聲，即增壓器工作在喘振線外，流量過小時，葉片擴壓器內與進氣口處氣流與壁面分離，使氣流產生強烈的震蕩和倒流;以及由于氣體管道形狀、管道剛度不合理引起的氣體脈動噪聲。③敲擊噪聲：廢氣旁通閥與閥座敲擊引起的嗒嗒聲，包括：執行器組件間的匹配不合理產生的敲擊聲，廢氣旁通閥與閥座變形或加工誤差引起的敲擊。

2? 增壓器敲擊聲排查及解決方法

某新開發的發動機在臺架標定過程中，發現增壓器附近有類似金屬的敲擊聲響，當轉速在1500rpm扭矩為80Nm時該敲擊聲最為明顯。通過測試增壓器的近場噪聲及各組件之間的振動信號，從而確定增壓器的運轉頻率[3]。其中，麥克風的位置靠近增壓器渦輪殼體外表面，加速度傳感器分別布置在增壓器中間體進油螺栓、執行器本體以及執行器拉桿的位置。如圖1所示為測試結果，對測試數據進行濾波分析，該敲擊聲主要集中在11kHz-17kHz，屬于寬頻噪聲。對應查看各個測點的振動信號，發現執行器拉桿產生的振動量最大，且能量亦集中在該頻段，后續需重點分析執行器組件結構。

該款發動機主要采用電子控制的廢氣旁通閥，也稱為增壓壓力控制單元，是由ECU發出占空比信號直接控制拉桿作動，執行打開或關閉廢氣閥[4]，如圖2所示。由于廢氣旁通閥工作溫度非常高，為防止熱脹冷縮帶來的裂紋問題，閥片在轉軸處之間是有一定間隙的，即閥片是可以自由活動的。當增壓器自然狀態下，廢氣旁通閥關閉，此時閥片會緊緊壓在閥座上。當增壓器工作時，為防止在某些工況超速，閥體打開放氣，閥片處于自由狀態，就會與其他零件振動產生敲擊。推測可能有以下幾種原因：廢氣閥片與渦殼閥座之間的敲擊;閥片與轉軸之間的敲擊;搖臂與渦殼本體之間的敲擊[5]。

根據以上原因進行逐項排查，當壓緊拉桿對其進行固定時，由于搖臂固定在拉桿上，即固定了搖臂與蝸殼本體之間的作動，減少兩者之間的間隙。主觀聽取該工況下的敲擊聲明顯減弱，故推斷該敲擊聲由搖臂與渦殼本體之間的間隙過大引起。查看該零件圖紙的原設計值為0.50±0.20mm，如圖3所示。后續制作整改樣件（在搖臂處增加墊片）減小搖臂與渦殼本體之間的間隙。將優化樣件搭載于發動機臺架進行主、客觀評價及測試分析，如圖4所示。測試結果表明：拉桿處振動及增壓器的近場聲音在11kHz-17kHz均有明顯的減弱。

3? 總結

增壓器技術可以大幅度的提升發動機的動力性和燃油經濟性，改善發動機的排放。而增壓器又是一個由多種零部件構成的復雜組件，其噪聲包含旋轉體的階次噪聲，管道輻射出來的氣流噪聲，以及各零部件配合產生的敲擊聲響等等，這些噪聲不同于自然吸氣的發動機噪聲。所以在考慮增壓器本身的可靠性、實車動力性及經濟性時，也需要結合NVH進行合理的匹配，優化增壓器各零部件間的設計、制造、裝配工藝，以提升整車聲品質。

參考文獻：

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

[2]楊景玲，李克俊，張東，等.發動機增壓器異響產生機理及解決方法研究[J].內燃機工程，2014.

[3]何渝生.汽車噪聲控制[M].北京：機械工業出版社，1995.

[4]陸家祥.柴油機渦輪增壓技術[M].北京：機械工業出版社，2004.

[5]朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京：機械工業出版社，1997.