汽油機(jī)渦輪增壓器回流閥噪聲的測試分析和整車改進(jìn)

馬國山　畢金光　王江乾　林紹雄

(1. 寧波威孚天力增壓技術(shù)有限公司， 浙江 寧波 315034)

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原創(chuàng)

汽油機(jī)渦輪增壓器回流閥噪聲的測試分析和整車改進(jìn)

馬國山1畢金光1王江乾1林紹雄1

(1. 寧波威孚天力增壓技術(shù)有限公司， 浙江 寧波 315034)

借助于LMS振動和噪聲測試系統(tǒng)，依據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和方法，將自主品牌渦輪增壓器及相應(yīng)的整車與1款外資品牌的渦輪增壓器及相應(yīng)的整車進(jìn)行對比測試及分析。通過整車改進(jìn)，最終使該款自主品牌整車測定的渦輪增壓器的回流噪聲聲壓級值與外資品牌基本相當(dāng)，滿足了用戶要求。

汽油機(jī)渦輪增壓器回流閥噪聲

0　概述

近年來，國內(nèi)自主品牌汽油機(jī)廠家大力開發(fā)渦輪增壓汽油機(jī)，許多廠家已完成了1款或多款渦輪增壓機(jī)型的開發(fā)，并開始批量生產(chǎn)。

汽油機(jī)過量空氣系數(shù)一般在0.85～1.15之間，超出這個范圍，汽油將無法直接點燃。柴油機(jī)過量空氣系數(shù)一般在1.2～2.2之間，范圍比較大。汽油機(jī)是通過節(jié)氣門控制進(jìn)氣量或混合氣量來調(diào)節(jié)功率的，而柴油機(jī)則是通過控制噴油量來調(diào)節(jié)功率的[1]。以汽油機(jī)為動力的汽車在行駛中，當(dāng)快速松開油門腳踏板時，即關(guān)小節(jié)氣門時，增壓器壓氣機(jī)出口的流動空氣受阻，導(dǎo)致壓氣機(jī)出口壓力迅速提高，從而引起壓氣機(jī)喘振現(xiàn)象發(fā)生。為避免此情況發(fā)生，一般在壓氣機(jī)出口處增設(shè)1個回流閥，當(dāng)快速關(guān)閉小節(jié)氣門時，通過控制使氣體回流到壓氣機(jī)進(jìn)口，從而避免壓氣機(jī)喘振現(xiàn)象發(fā)生。因此，汽油機(jī)渦輪增壓器增加了1個回流閥，如圖1所示。在解決了喘振問題的同時，也帶來了回流閥打開時的氣流噪聲問題。

圖1　汽油機(jī)增壓器總成示意圖

1　汽油機(jī)渦輪增壓器回流閥的噪聲測試

1.1渦輪增壓器單體測試測試標(biāo)準(zhǔn)

國標(biāo)GB/T 23341.1—2009《渦輪增壓器 第一部分： 一般技術(shù)條件》和國標(biāo)GB/T 23341.2—2009《渦輪增壓器 第二部分： 試驗方法》，對渦輪增壓器的噪聲限值和試驗方法有明確的規(guī)定。

表1　渦輪增壓器的噪聲限制情況

本款渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪為40mm，故應(yīng)滿足增壓器噪聲≤104dB(A)的要求。

測試方法： (1) 噪聲測量按照增壓器在自循環(huán)工況下的增壓器標(biāo)定參數(shù)運(yùn)行；(2) 噪聲的測量和數(shù)據(jù)處理按GB/T 1859—2000中的簡易法規(guī)定；(3) 以增壓器軸線為測量水平面，增壓器軸線距地面高度應(yīng)大于1m，測量位置見圖2。各測點至外殼的距離為1m，距試驗室墻、地板或其他障礙物的距離應(yīng)大于1m。當(dāng)側(cè)點位置遇上試驗管道時，允許移動測點位置直到符合規(guī)定的要求[2]。

圖2　渦輪增壓器噪聲測點位置示意圖

本次回流噪聲的測試樣機(jī)是1款裝配1.4L汽油機(jī)的自主品牌汽油機(jī)渦輪增壓器，同時還選取了1款與之相當(dāng)?shù)耐赓Y品牌渦輪增壓器，進(jìn)行對比測試和參考評價，受到測試條件的影響，測試有所簡化。具體如下： (1) 渦輪增壓器標(biāo)定參數(shù)為： 轉(zhuǎn)速 180000r/min 與壓氣機(jī)流量0.08kg/s，增加了轉(zhuǎn)速160000r/min與壓氣機(jī)流量0.06kg/s測點；(2) 測試在非消音室內(nèi)進(jìn)行，測背景噪聲并對主測噪聲修正；(3) 噪聲測點1個，測量位置為圖2中的6點，增壓器距地面距離和測點位置符合國標(biāo)要求。

1.2渦輪增壓器單體測試設(shè)備

噪聲測試設(shè)備采用從比利時進(jìn)口的LMS振動和噪聲測試系統(tǒng)，為控制回流閥的開閉，加裝了1個回流閥開閉控制裝置。

1.3渦輪增壓器單體測試結(jié)果

圖3和圖4分別是對比自主品牌增壓器和外資品牌增壓器，在回流閥斷續(xù)開啟和閉合時，測得的噪聲聲壓級值曲線。其中，聲壓級值相對較高的曲線是增壓器在 180000r/min 時的噪聲聲壓級值曲線，相對較低的是增壓器在160000r/min時的噪聲聲壓級值曲線。每條曲線的高點為回流閥開啟時的增壓器噪聲聲壓級值，低點為回流閥閉合時的增壓器噪聲聲壓級值，具體測量數(shù)值見表2。

表2　渦輪增壓器回流閥噪聲測量數(shù)據(jù)情況

注： 回流閥閉時噪聲即為回流閥開時的背景噪聲，因大于10dB(A)，故無需修正。

圖3　自主品牌增壓器回流閥噪聲聲壓級值曲線

圖4　外資品牌增壓器回流閥噪聲聲壓級值曲線

2　整車測試

2.1測試標(biāo)準(zhǔn)

為分析和研究汽油機(jī)增壓器回流閥噪聲在整車上影響，研究人員對駕駛室和發(fā)動機(jī)機(jī)艙內(nèi)分別進(jìn)行了噪聲測試。在1款裝有自主品牌增壓器的自主品牌運(yùn)動型多用途車(SUV)和裝有同款增壓器的自主品牌轎車及1款裝有外資品牌增壓器的外資品牌轎車上，進(jìn)行了整車的對比測試。

駕駛室的噪聲測試，參照GB/T 18697—2002《聲學(xué) 汽車車內(nèi)噪聲的測量方法》標(biāo)準(zhǔn)，就氣象條件、道路條件和車輛條件等按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了確認(rèn)。傳感器的位置參照該標(biāo)準(zhǔn)布置，布置在B點駕駛員的座位上，即駕駛員耳旁，如圖5所示。

圖5　駕駛室內(nèi)噪聲測點位置簡圖

機(jī)艙噪聲測點，沒有查到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)車體情況規(guī)定，各測試車均布置在距增壓器回流閥 300mm 的位置，同時也在增壓器上安裝了監(jiān)測增壓器轉(zhuǎn)速傳感器。

由于主要是測試渦輪增壓器的回流閥噪聲，因此，根據(jù)需要對測試進(jìn)行規(guī)定。在汽車行進(jìn)中測試，變速器位于3檔，加油門至發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá) 2000r/min 時，快速松開油門腳踏板(發(fā)動機(jī)ECU會自動控制回流閥開啟)，待發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降到 1500r/min 時，再次加油門，連續(xù)測量4～5次以上。其間，用LMS設(shè)備連續(xù)記錄下駕駛室和機(jī)艙內(nèi)的噪聲數(shù)據(jù)，并監(jiān)測增壓器轉(zhuǎn)速。

在限值要求方面，機(jī)艙內(nèi)的噪聲要求，未查到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，所以進(jìn)行相對比較。駕駛室內(nèi)的噪聲要求按照國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB 7258—2012《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》規(guī)定的“汽車(低速汽車除外)駕駛?cè)硕栽肼暵暭墤?yīng)小于等于90dB(A)”。

2.2測試設(shè)備

噪聲測試設(shè)備采用從比利時進(jìn)口的LMS振動和噪聲測試系統(tǒng)，回流閥開閉通過快速松開油門腳踏板來控制。

2.3測試結(jié)果

2.3.1機(jī)艙內(nèi)

噪聲聲壓級值曲線分別見圖6、圖7和圖8，圖中上方的曲線為上一條為回流閥開啟和閉合的噪聲聲壓級值波動曲線，下方曲線為回流閥開啟和閉合時增壓器轉(zhuǎn)速波動曲線，噪聲數(shù)據(jù)見表3。

圖6　自主品牌SUV機(jī)艙內(nèi)噪聲聲級值曲線圖

圖7　自主品牌轎車機(jī)艙內(nèi)噪聲聲級值曲線圖

圖8　外資品牌轎車機(jī)艙內(nèi)噪聲聲級值曲線圖

車型聲壓級值(回流閥閉)/dB(A)聲壓級值(回流閥開)/dB(A)自主品牌SUV85.00108.00自主品牌轎車90.00101.00外資品牌轎車90.00102.00

注： 回流閥閉時噪聲即為回流閥開時的背景噪聲，因大于10dB(A)，故無需修正。

2.3.2駕駛室內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)見表4。

表4　駕駛室內(nèi)不同車型回流閥閉、開時噪聲情況

注： 回流閥閉時的噪聲即為回流閥開時的背景噪聲，因小于10dB(A)，故需修正。

3　測試結(jié)果分析

一般而言，控制噪聲的途徑，除在人耳處減弱噪聲外，還有2種方法，包括控制噪聲源，改變、減少或停止聲源的噪聲，還有就是阻斷噪聲傳播，主要方法是隔聲、吸聲和消聲。

從渦輪增壓器單體噪聲測試結(jié)果看，自主品牌增壓器與外資品牌增壓器均滿足國標(biāo)GB/T 23341.1—2009中關(guān)于≤104dB(A)的噪聲要求，且兩者基本相當(dāng)，所以暫不考慮渦輪增壓器改變。

從機(jī)艙內(nèi)的噪聲測試情況看，自主品牌轎車與外資品牌轎車基本相當(dāng)，分別為101dB(A)和102dB(A)，但自主SUV則高達(dá)108dB(A)。分析認(rèn)為，回流閥放氣的噪聲屬于氣動噪聲，從增壓器在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的位置看，回流閥的噪聲主要通過進(jìn)氣段的空氣介質(zhì)傳播到機(jī)艙，其次是通過增壓器殼體和管路的固體傳播。在自主品牌SUV上也發(fā)現(xiàn)存在進(jìn)氣段密封性不好的問題，這也使得回流閥噪聲通過泄露處直接傳播到機(jī)艙。因此，噪聲控制的重點應(yīng)是提升自主品牌SUV進(jìn)氣段的密封性及改善此段的吸聲效果。

從駕駛室內(nèi)的噪聲測試情況看，自主品牌和外資品牌的噪聲均符合國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB 7258—2012中，小于等于90dB(A)的規(guī)定。外資品牌轎車噪聲最小為63.25dB(A)，自主品牌轎車噪聲次之為65.25dB(A)，自主品牌SUV噪聲最大為68.74dB(A)。從測試數(shù)據(jù)可看出，機(jī)艙噪聲比外資品牌轎車低1dB(A)的自主品牌轎車，在駕駛室內(nèi)的噪聲也高于外資品牌轎車2dB(A)，說明自主品牌轎車駕駛室的隔音效果與外資品牌轎車還存在一定的差距。自主品牌SUV因機(jī)艙噪聲較高，駕駛室的隔音效果難以簡單評價?？傊?，考慮到回流閥噪聲主要是氣動噪聲，傳播到駕駛室的主要途徑是通過空氣介質(zhì)傳播，因此，駕駛室的噪聲控制方向，主要應(yīng)提升駕駛室的密封性，阻斷空氣傳播的途徑。

4　整車改進(jìn)

按上述分析，自主品牌增壓器在不變動的情況下，自主品牌SUV在機(jī)艙改善了進(jìn)口段管路的密封性和吸聲效果，并在駕駛室提升了密封性后，再次與外資品牌轎車進(jìn)行了對比測試。自主品牌轎車因項目暫停未參加測試。改進(jìn)后的測試數(shù)據(jù)見表5和表6。從測試數(shù)據(jù)可知，改進(jìn)后的自主品牌SUV機(jī)艙和駕駛室的回流閥噪聲，分別較前降低了 5.74dB(A) 和4.39dB(A)，與相應(yīng)的外資品牌轎車相比基本相當(dāng)，滿足了用戶的要求。

表5　機(jī)艙內(nèi)不同車型回流閥閉、開時噪聲情況

注： 回流閥閉時噪聲即為回流閥開時的背景噪聲，因大于10dB(A)，故無需修正。

表6　駕駛室內(nèi)不同車型回流閥閉、開時噪聲情況

注： 回流閥閉時的噪聲即為回流閥開時的背景噪聲，因小于 10dB(A)，故需修正。

5　結(jié)語

本研究總結(jié)如下：

(1) 整車上渦輪增壓器的回流閥噪聲的解決思路，可借助于噪聲測試系統(tǒng)，依據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和確定的方法，分別測試渦輪增壓器單體、整車機(jī)艙和駕駛室的回流閥噪聲，經(jīng)比較和綜合分析確定改進(jìn)的方向。

(2) 汽油機(jī)渦輪增壓器單體的回流閥噪聲的改善，仍具有一定的空間。目前，較通用的方法是，由現(xiàn)在的回流閥內(nèi)置改為外置。

(3) 渦輪增壓器的回流閥噪聲屬氣動噪聲，傳播的途徑主要是空氣介質(zhì)，因此，無論是機(jī)艙還是駕駛室，減輕回流噪聲的基本方法是提升相應(yīng)部位的密封性，阻斷傳播途徑及改善傳播途徑中對氣動噪聲的吸聲效果。

[1] 高印寒，錢堃，梁杰，等. 重型商用車噪聲測試及聲品質(zhì)客觀評價分析[J]. 噪聲與振動控制，2013(2):19-23.

[2] 楊安杰. 汽車噪聲標(biāo)準(zhǔn)與測試探討[J]. 噪聲與振動控制，2013(4):35-38.

2016-05-16)