汽油發動機增壓器同步噪聲G值與脈沖選型方法

周敏瑞，盧安，胡爽，李璽良

汽油發動機增壓器同步噪聲G值與脈沖選型方法

周敏瑞，盧安，胡爽，李璽良

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336）

發動機增壓器開發時需要關注同步噪聲，中間體G值振動與葉輪脈沖選型在同步噪聲的控制上起到關鍵性的作用。通過對增壓器G值劣化分析、脈沖控制、G值初選和復選、一致性驗證、生產控制等方法進行同步噪聲優化，以達到改善整車車內增壓器噪聲的目的。

增壓器；同步噪聲；G值；脈沖

引言

隨著汽車工業的迅速發展，人們生活水平的逐步提高，汽車成為人們必不可少的出行工具。除了滿足基本的代步需求，人們對汽車的動力性、舒適性、和NVH要求也越來越高，追求澎湃動力和低噪聲振動。同時世界各國排放法規的不斷加嚴，也讓各汽車廠家面臨著壓力和挑戰，小排量高壓直噴渦輪增壓發動機越來越被市場認可。

本文描述某型小排量三缸發動機在增壓器開發時對增壓器同步嘯叫噪聲識別和控制方法，通過供應商單體G值試驗，整車上同步噪聲評價和測試，同步G值劣化，多樣本一致性測評，車輛耐久后評價驗證等完善增壓器同步G值和脈沖選型，降低發動機同步噪聲嘯叫。

同時本文也對增壓器開發過程中的其他NVH問題也做出了簡單的概述，在發動機增壓器開發時全方位關注可能帶來的噪聲問題。

1 增壓器概述

汽車用增壓器是將空氣在進入氣缸以前預先壓縮，以提高空氣密度，增加進氣量的一項技術，目的在于增加進氣量、提高功率、改善經濟學、改善排放。

增壓器主要包括：廢氣渦輪增壓器、機械渦輪增壓器、電輔助渦輪增壓器三大類，部分高性能發動機采用廢氣和機械雙增壓形式以提高效率。本文僅就廢氣渦輪增壓器做相關介紹。

1.1 廢氣渦輪增壓器原理

廢氣渦輪增壓器利用發動機排氣排出的700～900 °的高溫廢氣，驅動渦輪機中的渦輪旋轉，渦輪軸帶動壓氣機的葉輪高速旋轉，以離心的方式壓縮空氣，將發動機進氣密度提高到2～3個大氣壓[1]。再對增壓后的發動機進行水冷或者空冷降低進氣溫度，冷卻后的壓縮空氣進入節氣門參與發動機燃燒。同時電控調節合適的燃油噴射量，以提升發動機中低速扭矩性能，如圖1。

圖1 增壓器工作原理

1.2 廢氣渦輪增壓器結構

增壓器主要包括：渦輪、軸承、CHRA轉子系統、壓殼、蝸殼、執行器、油管水管等，如圖2[2]。

圖2 增壓器結構圖

增壓器轉子系統包括壓葉輪、渦輪、軸承、中間體等，轉子的工作轉速在幾萬到二十多萬。

動平衡是一個將質心軸與轉軸盡可能接近的過程，增壓器控制中間體動平衡可以延長軸承的壽命、減小振動噪聲、減小功率損失、減小轉子負荷。

2 增壓器噪聲分類

增壓器噪聲主要包括：喘振噪聲、Hiss噪聲、同步噪聲、次同步噪聲、BPF噪聲、執行器和旁通閥敲擊噪聲等。

喘振噪聲：喘振噪聲為增壓器實際運行曲線在工作MAP圖中左移至喘振區域，會影響增壓器和發動機的可靠性，必須要避免的。通常在增壓器選型匹配時優化標定數據，調整壓氣機進氣再循環RCV閥或EGR閥開啟關閉時刻避免壓氣機耗氣曲線進入喘振區域[3]。

Hiss噪聲：Hiss噪聲出現在大油門工況加速，隨著整車對大扭矩的需求，增壓器轉速迅速提升壓比流量增大。特征是寬頻1 000～20 000 Hz，主要原因是增壓發動機低轉速和高扭矩的需要，壓氣機運行線移動至增壓器喘振區進氣流量低壓比過大。一般通過前期增壓器性能匹配標定提高喘振裕度（≥15%）、增壓器入口處設計whoosh槽，壓前壓后管路增加頻率合適的消聲器、被動聲學包裹、優化整車聲學包等方法改善。

同步噪聲：同步噪聲分為同步振動和同步脈沖噪聲，音頻特征均等于渦輪增壓葉輪轉速，頻率范圍0～5 000 Hz之間類似口哨聲。隨發動機轉速和負荷增大同步頻率和響度也增大。同步振動與中間體振動量和轉子動平衡相關。同步振動：葉輪轉子在高轉速下因自身的不平衡產生擾動，引起轉子的自激勵振動，從而產生噪音，渦輪轉子每轉一圈，產生一次激勵；同步脈動：是由于高速旋轉的葉輪的不平衡，造成空氣的壓力脈動，從而引起的噪聲[4]。同步脈沖與葉片形狀、輪廓度、葉片布局、加工精度相關。可通過控制轉子動不平衡量和葉輪脈沖值或者整車進氣管路增加消聲器消除一階壓力脈沖來降低同步噪聲。

次同步噪聲：增壓器中間體軸承包括浮動和半浮動兩種，潤滑系統機油在軸承間形成油膜，增壓器徑向軸承不穩定引起軸承油膜震蕩振蕩產生次同步噪聲，是轉子系統的一種固有模態，車內表現為500～1 200 Hz的低沉“嗚嗚”聲，可通過轉子動力學仿真，優化增壓器隔熱罩進行改善。

BPF噪聲：增壓器設計前期對壓氣機葉輪與壓殼渦舌間的間隙不合理，會導致葉片旋轉時氣流在間隙區域激蕩，產生高頻刺耳的噪聲，即為BPF噪聲，頻率6 000～20 000 Hz，約等于葉輪轉速與葉片的乘積。

3 增壓器匹配與同步噪聲檢測

增壓器在開發中需要根據發動機性能和尺寸要求進行設計，通過對增壓器進行選型匹配和標定優化，選擇合適的運行曲線，在臺架及整車上進行性能驗收。同時需滿足NVH方面要求無異常或較大的噪聲。

3.1 增壓器性能匹配

對中小型高性能渦輪增壓器發動機進行性能匹配后，通過標定優化，使發動機實際運行耗氣線遠離喘振區域，預留一定的喘振裕度。發動機增壓器性能曲線圖如下圖3，橫坐標為進入壓氣機的空氣流量，縱坐標為增壓器壓比。

3.2 增壓器同步噪聲實測

增壓器未進行G值匹配前在整車上大油門加速工況存在一定比例的嘯叫噪聲。

使用LMS或Head采集設備、噪聲振動傳感器等，采集大油門加速工況發動機車內、增壓器近場噪聲及增壓器中間體振動信號。輸出噪聲振動對應的轉速-頻率colormap圖（圖4所示），發現車內嘯叫特征與中間體同步振動對應，頻率與增壓器一階轉頻相同，為增壓器同步噪聲，如圖5所示。

坐標：壓氣機校正流量（kg/s）每格0.02，縱坐標：壓氣機壓比（kg/s）每格0.5。

圖4 增壓器中間體振動測點

圖5 車內同步噪聲與中間體振動

將有同步嘯叫和無同步嘯叫的增壓器返廠進行G值發現，嘯叫明顯的增壓器對應的臺架G值偏大。

4 同步G值選型和脈沖控制

增壓器G值選型通常在前期性能和標定試驗完成后進行供應商單體VSR臺架測試和實車評價測試，一般需要進行三輪選型。本文獻介紹的小型三缸發動機由于尺寸緊湊，性能偏大，增大器尺寸和葉輪較小，轉子轉速可達到27萬轉，對應同步頻率較高，可達到4 300 Hz。

4.1 增壓器G值劣化

供應商對增壓器進行三十臺樣件劣化試驗驗證，采用正態分布的統計方法進行劣化G值分析，G2/3飄移量在10%以內，如圖6，粗線為劣化前，細線為劣化后。

圖6 G值劣化分析

4.2 供應商葉輪脈沖控制

增壓器供應商在葉輪脈沖控制上采用全機加葉片進行一次裝夾，每個葉片加工程序相同，葉片跳動過程能力按照關鍵尺寸要求控制，滿足CPK>1.33，保證各個葉片的一致性，脈沖控制在150 Kpa以內。如圖7。

圖7 葉輪脈沖控制

4.3 第一輪G值選型

第一輪進行G值和脈沖粗選，這一階段的G值件通常是根據供應商前期開發經驗進行G值粗選，每個件的G值差異較大，供應商單體VSR臺架冷吹測試（供應商單體臺架冷處轉速到24萬轉，對應同步噪聲頻率4 000 Hz，測試工裝上振動）增壓器劣化前后的G值，記錄測試數據和G值曲線，如圖8（以樣件中G值較大件一和較小件二為例，橫軸為增壓器轉速/萬轉，左縱軸為G值/g，右縱軸為葉輪脈沖/Pa），粗線為G值，細線為脈沖。

圖8 第一輪件臺架VSR振動和脈沖曲線

將樣機裝車進行整車上定擋位的大油門工況加速評價測試，采集發動機車內、增壓器近場噪聲及增壓器中間體振動信號，輸出噪聲振動對應的轉速-頻率colormap圖和增壓器轉速曲線，車內同步噪聲與中間體振動對應，趨勢相同。如下圖9（左邊為件一 G值較大件測試數據，右邊為件二 G值較小件測試數據，從上到下依次為車內噪聲-中間體三向RSS振動-增壓器轉速）。

圖9 第一輪選型整車上振動

從臺架單體VSR和整車測試評價結果，樣件一VSR臺架24萬轉以內G值大，整車大油門加速車內同步噪聲0～4 000 Hz及4000～4 500 Hz較差，不可接受；樣件二臺架24萬轉以內G值較小，整車同步噪聲0～4 000 Hz車內可接受。

4.4 第二輪G值選型

根據第一輪G值測試結果對G值根據增壓器轉速進行分段定義限值，G1：0～6萬轉（對應發動機轉速在1 000 rpm以下）?0.3，G2：6～18萬轉?0.3，G3：18～24萬轉（對應同步噪聲頻率4 000 Hz）?0.4。

按照G值定義區間進行第二輪樣件準備和G值選型，樣件G值曲線如圖10（樣件三在22～24萬轉G值略大于0.4，樣件四/五24萬轉以內G值0.4），整車測試結果如圖11。

根據整車上第二輪測試評價結果，件三增壓器在3 800～4 000 Hz左右存在同步較大，與G值曲線對應；件四增壓器同步噪聲在4 000～4 400 Hz，增壓器轉速大于24萬轉，VSR臺架冷吹無法檢測區域，為驗證4 000 Hz以上同步噪聲與G值對應情況，將測試樣件返回供應商復測G值結果與出廠G值相當，隨即采用熱吹法（增壓器轉速可達到26萬轉）測試臺架上中間體振動G值曲線，結果如圖12，細線為件三，粗實線為件四，粗虛線為件五。

圖10 第二輪件臺架G值/脈沖曲線

圖11 第二輪件整車上中間體振動圖

圖12 第二輪件樣件臺架熱吹VSR振動和G值復測結果

對比熱吹臺架和冷吹臺架，整車上振動結果發現，12～24萬轉冷吹與熱吹臺架振動結果相當，熱吹臺架24～26萬轉中間體G值振動，對應到同步噪聲4 000～4 350 Hz與整車上的結果對應：件四增壓器24～26萬轉G值大，車內/近場噪聲和振動大。

4.5 第三輪G值選型（一致性驗證）

根據第二輪G值選型結果，對G值進一步定義限值：0～6萬轉（對應發動機轉速在1 000 rpm以下）?0.3，6～18萬轉?0.35，18～24萬轉（對應同步噪聲頻率4 000 Hz）?0.4。

按照此限制供應商提供符合G值區間的五個樣件進行第三輪五臺一致性驗證，考慮到0～6萬轉G1區間內為整車實際使用不到區域，為提高生產效率將G1提高到0.7，同時在G值區間內做脈沖極限值150 kPa樣件，進行整車上驗證，實車測評結果同步噪聲可接受，五臺一致性較好。

結合供應商實際成產效率，G值控制過低會導致供應商動平衡的生產效率下降，廢品率過高，增壓器成本增加。同時在G值開發選型中整車測評的M擋手動模式全油門加速工況是車輛不常用工況，因此對G值進一步定義限值：0～6萬轉（對應發動機轉速在1 000 rpm以下）?0.7，6～18萬轉?0.35，18～24萬轉（對應同步噪聲頻率4 000 Hz）?0.4，脈沖值150 kPa以內。按照選型結果小批量裝車評價，同步噪聲可接受，整車無抱怨。

4.6 G值控制與提升

針對本款發動機葉輪轉速高于其他發動機，同步噪聲高達4 350 Hz，24萬轉以上區域4 000～4 350 Hz頻率內噪聲不可控問題與供應商進行討論，對標其他增壓器供應商VSR臺架增壓器轉速僅可達到32萬轉，供應商將列入長期改善計劃進一步提升臺架測試轉速。在生產效率上通過降低初始動不平衡量量，減小切割次數，同時進行重新進行切割程序標定，提高切割效率。

4.7 同步噪聲耐久問題

在增壓器同步G值開發時除了需關注供應商單體臺架G值劣化情況，還需要關注發動機臺架耐久前后G值變化情況，整車耐久前后G值漂移和同步噪聲變化，進行車輛全過程NVH噪聲管控，以滿足客戶車輛實際使用需求。

5 結論

本文對增壓器功能、原理、結構做了簡單闡述，對增壓器常見的的NVH噪聲問題做了簡單的介紹，重點描述了增壓器同步噪聲G值和脈沖選型過程和控制方法。

案例中的某三缸小排量發動機由于尺寸小，扭矩功率性能偏高，增壓器的轉速高于普通發動機，在增壓器G值選型時高頻同步噪聲對應的增壓器高轉速區域供應商單體VSR冷吹臺架測試不到，通過進行轉速提升優化，在G值控制的同時兼顧生產效率，降低增壓器生產成本。為小型增壓器開發提供了參考案例。

[1] 王航,李延昭,楊金玉,等.JK60S可變截面渦輪增壓器[J].內燃機與配件,2011(06):47.

[2] 陳佳瑞.汽車構造[M].北京:機械工業出版社,2009.2.

[3] 王欽慶.幾種常見渦輪增壓器噪聲及控制[J].排放與噪聲, 2012(4): 43-46.

[4] 趙帥,王金立,袁飛.汽車發動機渦輪增壓器噪聲研究[J].內燃機與配件, 2018,(23)19-20.

Turbocharger Synchronous Mechanical Unbalancing and Pulsation Limit Definition Study on Gasoline Engine

ZHOU Minrui, LU An, HU Shuang, LI Xiliang

( Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336 )

In the development of engine turbocharger, synchronous noise should be paid attention to. Both the intermediate G value vibration and impeller pulsation selection play a key role in the control of synchronous noise. In order to reduce the noise of the turbocharger in vehicles, the method of G value degradation analysis, pulsation control, G value selection and check, consistency verification, production control and so on were used for synchronous noise optimization.

Turbocharger; Synchronization noise; G valve; Pulse

A

1671-7988(2021)22-132-05

U471.2

A

1671-7988(2021)22-132-05

CLC NO.: U471.2

周敏瑞，女，發動機NVH開發工程師，就職于寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，從事發動機NVH零部件、整機、搭載整車上NVH開發。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.034