怠速工況下燃油系統(tǒng)的噪聲評(píng)價(jià)和改善?

程志偉 盧義剛

(1華南理工大學(xué) 廣州 510640)

(2廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 廣州 510623)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，燃油泵在作動(dòng)時(shí)周期性地排出燃油，產(chǎn)生周期性的油壓變化并激起燃油泵體與管道系統(tǒng)振動(dòng)而發(fā)出聲音。另外，噴油器內(nèi)部的燃油在流動(dòng)受阻時(shí)產(chǎn)生壓力波動(dòng)，因壓力調(diào)節(jié)器一般集成在油泵內(nèi)部，故發(fā)動(dòng)機(jī)多點(diǎn)燃油噴油器激發(fā)的油壓脈動(dòng)未能受到有效抑制，導(dǎo)致脈動(dòng)沖擊起伏較大、油壓絕對(duì)值較大或不穩(wěn)，脈動(dòng)噪聲問(wèn)題將會(huì)凸顯出來(lái)。早期的案例通過(guò)大量Benchmark設(shè)計(jì)對(duì)比、測(cè)試診斷和仿真分析，使燃油系統(tǒng)對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的影響得到顯著減輕。比如，通過(guò)減少燃油管夾數(shù)量，即減少結(jié)構(gòu)振動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)[1]；國(guó)內(nèi)外對(duì)于燃油系統(tǒng)的單品及整車(chē)狀態(tài)綜合了仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作[2?3]，這對(duì)于從根本上控制燃油壓力波動(dòng)帶來(lái)的怠速脈動(dòng)噪聲問(wèn)題，起到了很好的借鑒作用[4]。一柳隆義等[5]提出了一種多段自由類(lèi)型的Helmholtz諧振器設(shè)計(jì)方案，多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算和實(shí)測(cè)對(duì)比結(jié)果認(rèn)為可以降低油壓泵產(chǎn)生的離散諧振頻率脈動(dòng)噪聲。楊金才等[6]分析了噴油器噪聲產(chǎn)生的原因，采用減輕針閥質(zhì)量和改變油軌壁厚與截面形狀的方案，降低了噴油噪聲。賀尚紅等[7]建立了薄板振動(dòng)式液壓脈動(dòng)衰減器的傳遞矩陣模型，根據(jù)仿真結(jié)果制作了流體濾波器樣機(jī)，理論和實(shí)驗(yàn)證明在較寬頻帶對(duì)脈動(dòng)壓力衰減的改善有良好效果。此外，研究還表明：合理匹配燃油軌的阻尼器結(jié)構(gòu)及其布置方式，可以穩(wěn)定燃油壓力波動(dòng)；而在燃油泵止回閥上通過(guò)追加彈簧來(lái)抑制脈動(dòng)共鳴，這些都能有效降低傳至車(chē)內(nèi)的噪聲，顯著改善車(chē)輛的舒適性能。

1 燃油軌內(nèi)的脈動(dòng)噪聲控制

燃油脈動(dòng)共鳴噪聲發(fā)生在整個(gè)燃油管路系統(tǒng)當(dāng)中。如圖1所示，燃油系統(tǒng)主要由燃油箱、燃油泵、進(jìn)油管、燃油濾清器、噴油器、回油管、燃油管夾等組成。燃油泵通過(guò)泵芯的高速旋轉(zhuǎn)為汽車(chē)燃油管路提供持續(xù)壓力的燃油。然后燃油通過(guò)油管經(jīng)過(guò)濾清器進(jìn)入油軌，燃油壓力調(diào)節(jié)器保證油路的壓力，并讓多余的燃油從回油管再進(jìn)入燃油箱。噴油器將頂針吸回并讓高壓燃油進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)與空氣混合。在燃油流動(dòng)過(guò)程中，如燃油泵的激勵(lì)頻率與整個(gè)燃油管路系統(tǒng)固有的頻率比較接近時(shí)，脈動(dòng)共鳴現(xiàn)象則很有可能發(fā)生。

圖1 燃油系統(tǒng)噪聲發(fā)生機(jī)理圖示Fig.1 Mechanism of fuel system noise generation

1.1 燃油脈動(dòng)原理

汽車(chē)燃油電噴系統(tǒng)的工作過(guò)程是燃油泵根據(jù)促發(fā)電壓從油箱中將燃油抽出，燃油以恒定壓力通過(guò)燃油管輸送到燃油分配器中，燃油噴射器接到指令后噴射形成的油霧進(jìn)入氣缸內(nèi)燃燒，最后排放出達(dá)標(biāo)的尾氣到大氣中。在這個(gè)過(guò)程中，燃油的噴射精度至關(guān)重要，精度不高會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定、尾氣排放不達(dá)標(biāo)。而影響精度的因素有兩個(gè)：一個(gè)是噴射器設(shè)計(jì)與制造精度，二是燃油的壓力波動(dòng)。由于燃油噴射器在工作中必須高頻率地打開(kāi)與關(guān)閉，燃油閥門(mén)突然關(guān)閉將在燃油管道中持續(xù)不斷地激勵(lì)出壓力脈沖，燃油的噴射壓力通常范圍在3～4 bar之間；燃油噴射器打開(kāi)關(guān)閉的頻率達(dá)3000次/min；例如，四缸機(jī)的4個(gè)燃油噴射器配合不同沖程工作，形成數(shù)個(gè)不一致的油壓脈沖，相互疊加，對(duì)燃油壓力穩(wěn)定性破壞很大。為了解決油壓脈沖帶來(lái)的噪聲問(wèn)題，目前比較可靠而又有效的方案是在燃油軌內(nèi)置阻尼器，削弱燃油壓力脈沖影響，如圖2所示。

圖2 燃油軌的管路及內(nèi)部的阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.2 Structure design diagram of fuel rail pipe and internal damper

燃油阻尼器是一個(gè)板條形的空腔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部充滿氮?dú)馇颐芊?，安裝在燃油軌的內(nèi)部，其長(zhǎng)度貫穿于整個(gè)燃油軌。燃油軌阻尼油壓脈沖的基本工作原理是假定在一個(gè)彈性燃油管道內(nèi)部，如果噴油器突然關(guān)閉，那么管內(nèi)的燃油將形成壓力脈沖波動(dòng)，如圖3所示。類(lèi)似突然關(guān)閉正在放水的水龍頭，水管會(huì)怦然作響，這是因?yàn)樗y突然關(guān)閉形成的壓力脈沖造成的沖擊作用。但燃油流動(dòng)的速度遠(yuǎn)比水的流速大得多，因而其作用更不容忽視。

圖3 燃油軌內(nèi)燃油流動(dòng)和壓力脈沖波動(dòng)方向示意圖Fig.3 Schematic diagram of fuel flow and pressure plus direction within fuel rail

1.2 燃油脈動(dòng)計(jì)算方法

燃油壓力脈沖計(jì)算公式如式(1)～式(3)：

其中，?P為壓力脈沖，ρ為燃油密度，vp為燃油脈沖傳導(dǎo)速度，?v為燃油流速差(?v=vs?vp，vs為燃油流動(dòng)速度)，Ef為流體彈性模量，Ep為管道彈性模量，kg為管道幾何常數(shù)，D為圓管內(nèi)徑，t為圓管壁厚，c為聲速。

由式(1)可知，油壓脈沖振幅取決于三個(gè)參數(shù)：燃油密度、燃油脈沖傳導(dǎo)速度和燃油流速差。其中，燃油密度是常數(shù)，燃油脈沖傳導(dǎo)速度和燃油流速差取決于燃油壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。式(2)為燃油脈沖傳導(dǎo)速度計(jì)算公式，若燃油在一個(gè)彈性的圓柱形管道內(nèi)流動(dòng)，管壁受到油壓脈沖影響會(huì)變形，管道容積也隨之改變。式(3)為圓柱形管道幾何常數(shù)計(jì)算公式，燃油管道容積的變化和燃油流速的變化正如一系列彈簧之間的相互作用。

結(jié)合圖1，怠速工況下的脈動(dòng)噪聲源來(lái)自于燃油壓力脈動(dòng)，但這種脈動(dòng)只在特定的頻率范圍出現(xiàn)，脈動(dòng)帶來(lái)的噪聲大小可以用式(4)定量化表示。而脈動(dòng)導(dǎo)致燃油管內(nèi)壓力突然變化，燃油的流速也隨之增加，由此而帶來(lái)燃油動(dòng)能的改變，如式(5)中Es的表達(dá)式；同時(shí)，噴油器一開(kāi)一合，在燃油管內(nèi)產(chǎn)生氣泡，氣泡量是不斷變化的，即隨著回油管側(cè)的流量減少和回油壓力下降而增加。反之，氣泡量則減少，從而形成激振力源，在回油管內(nèi)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，空氣的振動(dòng)能量如式(5)中Ea的表達(dá)式。在噴油器作動(dòng)過(guò)程中，燃油管內(nèi)的空氣振動(dòng)能量和前者即燃油動(dòng)能之間會(huì)發(fā)生能量交換，故認(rèn)為兩者是一種線性比例關(guān)系，如式(6)，而ρa(bǔ)、c、ρ均為常數(shù)，故脈動(dòng)聲壓與燃油流動(dòng)速度vs成正比例關(guān)系。燃油軌阻尼器正是通過(guò)降低燃油流速來(lái)減弱燃油壓力脈沖，進(jìn)而減低脈動(dòng)聲壓。

1.3 燃油脈動(dòng)噪聲振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析

如前所述，燃油泵周期性地泵出燃油，故燃油壓力脈動(dòng)亦呈周期性變化特征，表現(xiàn)在噪聲振動(dòng)的頻譜上，即具有明顯的諧波特性：整數(shù)倍于發(fā)動(dòng)機(jī)基頻25 Hz。例如，假定四缸汽油機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速設(shè)定在750 r/min，那么發(fā)動(dòng)機(jī)2階基頻則為25 Hz。圖4為怠速工況下燃油軌的振動(dòng)頻譜，圖5為同時(shí)測(cè)試的車(chē)內(nèi)噪聲頻譜。在175～375 Hz范圍內(nèi)，每隔25 Hz出現(xiàn)峰值，而且噪聲和振動(dòng)的頻率對(duì)應(yīng)極好。再如表1所示，比較燃油軌原狀態(tài)和增加阻尼器的狀態(tài)，單個(gè)噪聲峰值改善效果非常明顯，噪聲下降了7～22 dB(A)。這樣非常好地抑制了燃油壓力脈動(dòng)，極大地改善了怠速工況下的車(chē)內(nèi)噪聲品質(zhì)。

圖4 振動(dòng)頻譜Fig.4 Vibration spectrogram

圖5 噪聲頻譜Fig.5 Noise spectrogram

表1 燃油軌內(nèi)原狀態(tài)、有阻尼器狀態(tài)的諧頻噪聲峰值Table 1 Harmonic frequency noise peak value of both original state and fuel rail with damper(單位：dB(A))

1.4 進(jìn)油管油壓及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試結(jié)果分析

為了深入分析燃油壓力脈動(dòng)對(duì)噪聲的影響，在設(shè)計(jì)測(cè)試方案時(shí)，同步監(jiān)測(cè)了燃油壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化。如圖6和圖7所示，在進(jìn)油軟管和燃油軌連接的部位附近布置了燃油壓力的PCB傳感器，型號(hào)為H112A22；在傳感器和數(shù)據(jù)采集器之間連接了功率放大器，其型號(hào)可選PCB480C02或480E09等；在發(fā)動(dòng)機(jī)OBD接口處布置了轉(zhuǎn)速傳感器，用于監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下的點(diǎn)火脈沖信號(hào)。

需要注意的事項(xiàng)是，布置燃油壓力傳感器時(shí)要使用適配器，并通過(guò)快速轉(zhuǎn)換接頭連接燃油軟管；在測(cè)試開(kāi)始之前，確保燃油管夾的安裝符合設(shè)計(jì)規(guī)范；測(cè)試結(jié)束之后要待燃油冷卻、確認(rèn)燃油管內(nèi)沒(méi)有殘留壓力，才能拆除傳感器等設(shè)備。

圖6 燃油軌及油壓傳感器的布置Fig.6 Layout about fuel rail and fuel pressure sensors

圖7 燃油脈動(dòng)壓力測(cè)試系統(tǒng)Fig.7 The measurement system for fuel pulsation pressure

圖8和圖9分別是在燃油軌的原狀態(tài)和增加阻尼器之后，燃油壓力波動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的時(shí)域曲線圖。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，平均燃油壓力波動(dòng)從約0.06 bar降至約0.04 bar，最大值從約0.15 bar降至約0.10 bar。怠速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速則降低了約10 r/min。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直觀上證明了燃油軌阻尼器的方案很好地降低了燃油壓力脈沖的沖擊作用，因而有效改善了油壓脈沖過(guò)大帶來(lái)的噪聲問(wèn)題[8]。

圖8 怠速工況下燃油軌的原狀態(tài)、有阻尼器狀態(tài)的油壓時(shí)域圖Fig.8 Fuel pressure-time curve about both original state and fuel rail with damper at idling

圖9 燃油軌的原狀態(tài)、有阻尼器狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)域圖Fig.9 Engine RPM-time domain curve about both original state and fuel rail with damper at idling

2 燃油泵振動(dòng)噪聲測(cè)試分析

2.1 燃油泵噪聲現(xiàn)象

從燃油系統(tǒng)噪聲源控制的角度出發(fā)，燃油泵通電之后被促發(fā)，除了考察燃油軌對(duì)怠速工況下的噪聲影響之外，如圖10所示，還必須深入對(duì)燃油泵單體振動(dòng)噪聲水平進(jìn)行摸底測(cè)試。實(shí)驗(yàn)條件如下：噪聲測(cè)量設(shè)備采用B&K公司的4189型傳聲器，布置在垂直于燃油泵的中心軸線外(20±2)cm處；振動(dòng)測(cè)量設(shè)備采用了4524型三向加速度計(jì)，布置在燃油泵表面的平整部位，加速度計(jì)的坐標(biāo)軸方向與整車(chē)坐標(biāo)軸(x,y,z方向的正方向分別對(duì)應(yīng)整車(chē)的后方、右方、上方)的方向保持平行。分析頻率范圍為400 Hz。

圖10 燃油泵單體噪聲振動(dòng)測(cè)試Fig.10 Noise and vibration test about fuel pump single component

圖11 燃油泵噪聲頻譜Fig.11 Noise spectrum about fuel pump

圖12 燃油泵振動(dòng)頻譜Fig.12 Vibration spectrum about fuel pump

燃油泵作動(dòng)時(shí)泵體的噪聲(圖11)和振動(dòng)(圖12)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：頻譜圖顯示燃油泵的工作基頻是128 Hz。這個(gè)頻率很容易與車(chē)身上的局部結(jié)構(gòu)頻率耦合，使怠速車(chē)內(nèi)低頻噪聲問(wèn)題比較突出。解決的方法除了隔振，比較徹底的措施是控制好燃油泵這一主要激勵(lì)振源：可通過(guò)適當(dāng)改變?nèi)加捅玫墓ぷ鬓D(zhuǎn)速，以改變其工作基頻，從而避免共振。如圖13所示，或在止回閥上追加彈簧，或調(diào)節(jié)已有彈簧的剛度等參數(shù)，緩解燃油流速的急劇變化[9]。

圖13 燃油泵止回閥彈簧所在位置示意圖Fig.13 Fuel pump check valve’s spring diagram

2.2 燃油泵脈動(dòng)噪聲發(fā)生機(jī)理

汽車(chē)燃油泵內(nèi)止回閥的作用是發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)，燃油管中剩余的油不會(huì)倒流回燃油箱；另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)火時(shí)噴油器不會(huì)斷油。止回閥的開(kāi)關(guān)靠燃油流動(dòng)產(chǎn)生壓力開(kāi)啟或關(guān)閉，燃油壓力需要止回閥來(lái)保持。但若因止回閥開(kāi)關(guān)未能及時(shí)關(guān)閉導(dǎo)致燃油壓力急劇增加，可能會(huì)產(chǎn)生所謂的水擊作用，如圖14上方所示，燃油管路內(nèi)的燃油流速隨時(shí)間亦急劇變化，產(chǎn)生氣泡和噪聲。解決的方案之一是在止回閥上追加彈簧，緩解或消除水擊作用，這個(gè)彈簧的作用類(lèi)似于前述燃油軌內(nèi)的阻尼器效果，都是為了解決燃油類(lèi)液體的脈動(dòng)噪聲問(wèn)題。

圖14 止回閥在有無(wú)水擊現(xiàn)象情況下的燃油流量變化對(duì)比Fig.14 Fuel flow variation of check valve with water shock phenomenon or not

如圖15所示，在怠速工況下，噴油器吸油時(shí)，由于止回閥關(guān)閉時(shí)發(fā)生水擊作用，圖11中的測(cè)試結(jié)果表明產(chǎn)生了128 Hz為主要頻率的噪聲，而燃油中的聲速約為1500 m/s，那么聲波的波長(zhǎng)則為11.8 m；燃油出口和入口的距離約為6 m，即約為波長(zhǎng)的1/2，當(dāng)回油和吸油的壓力相位相反時(shí)[10]，這個(gè)時(shí)候就產(chǎn)生了脈動(dòng)噪聲現(xiàn)象。

圖15 燃油泵脈動(dòng)噪聲及其頻率的說(shuō)明圖Fig.15 Diagram of pulsation noise and frequency of fuel pump

2.3 燃油泵脈動(dòng)噪聲評(píng)價(jià)和改善效果

根據(jù)上述對(duì)燃油泵單品狀態(tài)的噪聲振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析，推定其對(duì)整車(chē)狀態(tài)下的怠速噪聲將產(chǎn)生重要影響，故可通過(guò)進(jìn)一步測(cè)量和對(duì)比競(jìng)品車(chē)的燃油泵噪聲實(shí)力，然后設(shè)定性能開(kāi)發(fā)目標(biāo)值，最后向供應(yīng)商提出需要管控好零件噪聲振動(dòng)性能的建議，從而在零部件供應(yīng)的源頭上確保整車(chē)狀態(tài)下的舒適性品質(zhì)。

如表2所示，在燃油泵單品的噪聲改善方面，新試樣噪聲值約為51 dB(A)，相對(duì)于原試樣噪聲有了約3 dB(A)的改善，但比競(jìng)品車(chē)試樣約47 dB(A)的平均水平，仍有約4 dB(A)的差距。

振動(dòng)方面，改善之后的振動(dòng)值約為1.30 m/s2，相對(duì)于原試樣約有0.2 m/s2的改善，但比競(jìng)品車(chē)約0.75 m/s2的數(shù)值，還有約0.6 m/s2的較大改善空間。

響度方面，改善后響度值約為3.3 sone，比原試樣有了0.5 sone的較大改善，但與競(jìng)品車(chē)約2.8 sone的水平，還需縮小0.5 sone的差距。

表2 促發(fā)電壓12 V條件下燃油泵的噪聲振動(dòng)指標(biāo)Table 2 Noise and vibration performance indexes of fuel pump in the condition trigger voltage 12 V

3 結(jié)論

本文闡述了汽油機(jī)燃油系統(tǒng)噪聲振動(dòng)問(wèn)題的診斷辦法和解決方案，從燃油子系統(tǒng)中阻尼器、燃油泵兩個(gè)關(guān)鍵零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置方法以及降噪原理、改善效果方面做了比較深入的分析，實(shí)車(chē)驗(yàn)證結(jié)果表明：怠速工況下的諧頻噪聲得到了有效控制；顯著提升了怠速工況下的車(chē)內(nèi)噪聲品質(zhì)，有效改善了車(chē)輛的商品性能，適應(yīng)了消費(fèi)者日益增長(zhǎng)的舒適性品質(zhì)追求。主要結(jié)論如下：

(1)燃油共軌阻尼器能夠很好地抑制燃油壓力脈動(dòng)帶來(lái)的諧頻噪聲問(wèn)題；而在燃油軌里面內(nèi)置阻尼器，除了降噪效果明顯，還兼有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易加工制造、成本也較低的優(yōu)勢(shì)；

(2)燃油泵作為燃油系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)，它也是怠速工況下脈動(dòng)噪聲問(wèn)題產(chǎn)生的來(lái)源之一。所以，在整車(chē)概念設(shè)計(jì)的初期階段，要盡早從燃油泵單品著手考察，跟供應(yīng)商密切協(xié)作，在促發(fā)電壓、燃油泵轉(zhuǎn)速和止回閥彈簧等主要因素上，通過(guò)分析和對(duì)比競(jìng)品車(chē)的燃油泵噪聲振動(dòng)水平，將燃油泵單品和整車(chē)狀態(tài)下的噪聲振動(dòng)開(kāi)發(fā)目標(biāo)值及早明確下來(lái)。

為了達(dá)成持續(xù)改善怠速車(chē)內(nèi)噪聲水平的目的，本文的改善方案為汽車(chē)燃油系統(tǒng)的噪聲振動(dòng)性能開(kāi)發(fā)提供了一套解決辦法、控制流程和實(shí)現(xiàn)途徑。