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“低油耗”“輕量化”“高性能”的發(fā)展趨勢，渦輪增壓發(fā)動機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了一些自然吸氣式發(fā)動機的先天不足，使發(fā)動機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來改進發(fā)動機的輸出功率。增壓器高效工作時渦輪轉速最高可達30萬轉/分鐘，提高了發(fā)動機性能的同時，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 NVH(Noise-vibration- harshness)問題[2][3]。

本文針對一款發(fā)動機研究和總結了與增壓器相關的旁通閥敲擊渦輪增壓器殼體噪聲問題。當渦輪增壓發(fā)動機搭載到整車后，增壓器在工作時轉子系統(tǒng)高速轉動會造成壓氣機端空氣的波動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價

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

1.2 旁通閥敲擊渦殼噪聲客觀測試

由于初判斷“噠噠”噪聲與增壓器工作有關，所以客觀測試在駕駛室內(nèi)司機右耳布置傳聲器監(jiān)測駕駛室內(nèi)噪聲，在壓氣機端殼體上布置三向加速度傳感器監(jiān)測增壓器本體振動。測試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

從對應的同步測試數(shù)據(jù)圖2增壓器本體振動上也有清晰的相應特征，頻率范圍在1000Hz至8000Hz左右。

圖2 增壓器本體振動

從圖3增壓器本體振動的時域信號上可以清晰的看出在駕駛室內(nèi)出現(xiàn)異常噪聲時，本體振動時域信號波動較大。

圖3 增壓器本體振動時域信號

如以上測試數(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)動機急加速過程，增壓器葉輪在相對短時間內(nèi)急速提升的工況較為明顯；在慢加速工況下，部分轉速段也會出現(xiàn)此噪聲特征。增壓器中間體殼體振動及駕駛員右耳噪聲都有明顯的對應特征。根據(jù)這些特征及主觀評價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)生機理

旁通閥敲擊渦殼噪聲的激勵來自渦輪機內(nèi)部旁通閥的閥門拍打渦輪機渦殼，激勵的大小與壓氣機端排氣壓力的大小有關，增壓器工作時，隨著發(fā)動機功率上升，進入渦殼的氣流越來越強，會使得渦輪端殼體工作壓力、渦輪機轉子轉速等數(shù)值接近甚至超過設計參數(shù)，這時需要對其減壓。進入渦殼的廢氣通過旁通閥排放來維持增壓器的工作強度即壓氣機殼內(nèi)壓力不再繼續(xù)增加，需要開啟旁通閥排出渦輪機端多余氣體[4]。壓氣機過大的出氣壓力推動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)行器曲柄長度。

圖4 旁通閥工作簡圖

當FT>FC時，旁通閥門開啟。由于發(fā)動機工作時，排氣壓力和氣膜上的壓力都是脈動的，所以在旁通閥門開啟瞬間又出現(xiàn)閉合現(xiàn)象，導致旁通閥往復敲擊渦殼閥門。

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，降低因壓力脈動而使閥門開啟關閉的次數(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，設計圖5所示迷宮式穩(wěn)壓腔結構。進入穩(wěn)壓腔內(nèi)的氣體經(jīng)一級緩沖板、二級緩沖板進入擴壓腔內(nèi)，將脈沖氣體轉變?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)流腔結構圖

迷宮式穩(wěn)壓腔在整車上的安裝結構如圖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管驅動執(zhí)行器工作，穩(wěn)定驅動的執(zhí)行器使廢氣旁通閥門不再頻繁開啟敲擊渦殼，達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驗證

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

將圖5結構的穩(wěn)壓腔樣件按照圖6安裝圖，安裝到某1.5T問題樣車車進行主觀評價及試驗驗證。測試工況同1.2。

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

客觀測試數(shù)據(jù)如圖7、圖8所示，試驗數(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時域信號平穩(wěn)，與圖3相比并無異常。

圖9 優(yōu)化后增壓器殼體振動

通過主觀評價及客觀測試數(shù)據(jù)對比分析，旁通閥敲擊渦殼噪聲問題消失，達到可接受水平，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 結論

本文針對實際案例，根據(jù)旁通閥敲擊渦殼噪聲產(chǎn)生的機理，提出了安裝穩(wěn)壓腔解決此噪聲問題的方法。通過試驗數(shù)據(jù)分析及主觀評價結果，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)點在于渦輪增壓器在原有外形機構的基礎上，不更改增壓器的氣道、葉輪等氣動形面參數(shù)僅對執(zhí)行器外部控制系統(tǒng)重新設計，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。