淺談渦輪增壓器噪聲及其控制手段

王暉，周立廷

（華晨汽車工程研究院NVH工程室，遼寧 沈陽 110141）

淺談渦輪增壓器噪聲及其控制手段

王暉，周立廷

（華晨汽車工程研究院NVH工程室，遼寧 沈陽 110141）

文章簡單闡述了汽車渦輪增壓器開發(fā)過程中多種常見的噪聲，分別對各種噪聲產(chǎn)生機理，易出現(xiàn)工況，頻譜特征，識別方法，以及控制途徑進行描述，為汽車渦輪增壓器噪聲優(yōu)化提供借鑒和參考。

增壓器噪聲；同步噪聲；次同步噪聲；喘振聲

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.076

CLC NO.: U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-227-03

前言

隨著排放法規(guī)的日益嚴格，特別是碳排放限制的提出，增壓技術(shù)成為內(nèi)燃機技術(shù)發(fā)展的必然選擇，并且增壓壓比還有逐漸升高的趨勢。增壓發(fā)動機的增多和增壓壓比的日益提高，渦輪增壓器應(yīng)用產(chǎn)生的噪聲問題，近年來逐漸得到關(guān)注。雖然渦輪增壓器的發(fā)明已有近百年的歷史，但在世界范圍內(nèi)關(guān)于渦輪增壓器噪聲的研究卻剛剛起步。渦輪增壓器噪聲所涉及的間隙紊流等復雜的流體問題，有些機理目前還不是十分清楚［1］。

筆者近年來持續(xù)開展渦輪增壓發(fā)動機的開發(fā)及整車匹配工作，先后涉及多種不同的增壓器噪聲問題，在此基礎(chǔ)上總結(jié)并借鑒其他業(yè)界相關(guān)問題經(jīng)驗寫作本文，為增壓器噪聲控制以及初涉及這一領(lǐng)域工程技術(shù)人員提供借鑒。

1、同步噪聲

同步振動噪聲是和渦輪增壓器零部件本身生產(chǎn)制造關(guān)系十分密切的一種噪聲，其音頻特征是頻率等于渦輪增壓器葉輪轉(zhuǎn)速，頻率范圍一般在0-4000Hz 之間[2]。

辨別同步振動噪聲可以通過同步測量渦輪增壓器轉(zhuǎn)速、中間體振動和噪聲進行分析。如果中間體振動頻譜圖上的振動頻率和噪聲頻譜圖上噪音的頻率以及增壓器轉(zhuǎn)速對應(yīng)，即可以辨別渦輪增壓器的噪聲為同步振動噪聲。圖1是BM15T發(fā)動機A4車2檔全加速工況駕駛室內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)，其中明顯的“折線”即為同步噪聲。該工況下，同步噪聲在1200r/min左右出現(xiàn)，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高頻率不斷增大，在頻率達到3000Hz左右不再隨轉(zhuǎn)速線性增大，穩(wěn)定在3000-3500Hz頻率范圍內(nèi)。

同步振動噪聲和渦輪增壓器中間體的振動量與轉(zhuǎn)子的動平衡量相關(guān)。產(chǎn)生的機理是葉輪轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下因自身的動不平衡產(chǎn)生擾動，引起轉(zhuǎn)子的自激勵振動。因此測量中間體的振動和增壓器噪聲在其FFT 彩圖有對應(yīng)關(guān)系。

降低或消除同步振動噪聲可以采用控制中間體動不平衡量VSR( Vibration Sorting Rig) 值的方式控制。通常VSR 值是指在渦輪增壓器專用動平衡設(shè)備上測到的中間體轉(zhuǎn)子總成在一定轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的振動峰值，通常400-1500r /min 轉(zhuǎn)速區(qū)間的峰值定義為G1，1500-2800r /min 轉(zhuǎn)速區(qū)間的峰值定義為G2。VSR 值越低，同步振動越小，發(fā)生同步振動噪聲的幾率也就越低。但是過小的VSR 值會導致動平衡機的生產(chǎn)效率下降，廢品率大幅提高，造成渦輪增壓器生產(chǎn)成本過高。通常做法是在渦輪增壓器生產(chǎn)效率和同步振動噪聲之間找一個平衡值，在滿足同步振動噪聲限值的基礎(chǔ)上，得到盡可能高的生產(chǎn)效率和較低的廢品率。

2、次同步噪聲

次同步噪聲，也可稱亞同步噪聲（Sub synchronous noise），其產(chǎn)生與增壓器浮動軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在普遍存在亞同步進動（油膜渦動）現(xiàn)象有關(guān)[3]，這也是轉(zhuǎn)子非線性動力學的一大難題。其噪聲及振動的頻率通常為渦輪轉(zhuǎn)頻的0.4-0.5倍，實際工況也有0.3-0.7倍頻的現(xiàn)象。可通過同步監(jiān)測渦輪增壓器轉(zhuǎn)速、中間體振動及噪聲來進行分析識別。圖2為BM15T發(fā)動機匹配A4車型2檔全加速工況駕駛室內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)，其中帶有明顯拐點的亮線即為次同步噪聲，從結(jié)果圖譜也可以明顯看出次同步噪聲的非線性特征。當前的主要控制措施是通過優(yōu)化軸承間隙，減小中間體振動。

3、瞬態(tài)喘振聲

目前國內(nèi)外對于渦輪增壓器的喘振研究已經(jīng)比較成熟，其產(chǎn)生機理如下：喘振發(fā)生在壓氣機部分，當壓氣機的流量小到一定值后，氣體進入工作葉輪和擴壓器的方向偏離設(shè)計工況，葉片背面氣流出現(xiàn)分離并且不斷擴大，同時產(chǎn)生強烈的脈動并且有氣體倒流，引起壓氣機氣流的流量、壓力出現(xiàn)波動，導致壓氣機產(chǎn)生強烈的振動并發(fā)出異常的響聲。渦輪增壓器發(fā)生喘振時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速與扭矩均發(fā)生劇烈波動，同時空濾進口處可明顯感受到倒流的氣體，壓前管路的壓力突然上升為正壓，并且溫度瞬時升高，發(fā)動機也伴隨強烈的振動，嚴重情況下可能異常停機[4]。喘振不僅影響駕乘人員聽覺感受的舒適性，其壓力波動也會影響渦輪增壓器以及發(fā)動機的可靠性，是一種必須避免的增壓器工作狀態(tài)。

喘振的控制措施：1.提高充氣效率。通過 VVT 技術(shù)或優(yōu)化凸輪軸型線以改善氣門重疊角，使在渦輪增壓器壓比不變的情況下，進入氣缸更多的新鮮氣體，滿足發(fā)動機燃燒所需的空氣質(zhì)量。這樣在增壓器壓比不變的情況下，增加進氣量，會使增壓器的運行點遠離喘振線，增加喘振裕度。2.優(yōu)化標定數(shù)據(jù)調(diào)整RCV 閥或EGR 閥的啟閉時刻可以避讓壓氣機耗氣曲線進入喘振區(qū)域，從而可以很好的解決瞬態(tài)喘振噪聲。3.在壓前管路增加穩(wěn)壓腔，其作用主要是減少不穩(wěn)定氣流的流量，消除壓力波動。進而改善喘振裕度。

4、葉片通過頻率噪聲

葉片通過頻率噪聲（Blade Passing Frequency，BPF）[5]是葉片通過頻率發(fā)生的諧次噪聲，它是葉輪掃氣產(chǎn)生的氣體渦流噪音。渦輪增壓器工作時，渦輪殼舌尖部分對葉輪進口處的壓力沿圓周方向分布產(chǎn)生較大的影響，渦輪葉輪進口處的靜壓分別如圖1所示。由于葉輪葉片旋轉(zhuǎn)中經(jīng)過舌尖部分時，經(jīng)歷如此大的壓力變化，從而對葉輪振動產(chǎn)生較大的激振作用，引起渦輪葉片周期性的振動而產(chǎn)生噪聲，噪聲的頻率可至20kHz以上[7]。其頻率為：

式中n是增壓器的轉(zhuǎn)速，i是渦輪的葉片數(shù)，k是諧波次數(shù)。對于同一渦輪葉輪，與不同的渦輪舌尖與葉輪間隙的渦輪殼匹配，渦輪葉輪入口處氣體的脈動程度和不均勻程度將會不同，從而對葉輪造成的激振程度也不同。如果加大葉輪葉片與渦輪殼舌尖之間的距離，就可以減小葉輪葉片振動的激勵作用，從而減小由于渦輪葉片振動所產(chǎn)生的BPF噪聲。

5、葉尖間隙噪聲

旋轉(zhuǎn)葉片葉尖部位的不穩(wěn)定流動會造成壓氣機殼與葉尖間隙中的不穩(wěn)定流動，其流動受到葉片壓力面和吸力面之間壓差的影響，在每個葉片的葉尖部位形成湍流或渦流。這種發(fā)生在葉尖的噪聲稱為葉尖間隙噪聲(Tip Clearance Noise, TCN)[6]，其頻率特性與非穩(wěn)態(tài)的壓氣機葉尖間隙流場密切相關(guān)，呈四極源輻射特性，通常在轉(zhuǎn)子速度較低時出現(xiàn)。TCN為窄帶噪聲，峰值頻率約為BPF的一半，強度可能會高于BPF噪聲，從而成為最主要的噪聲成分。只有當葉尖間隙比相對較大，并且葉片壓力面和吸力面之間的壓差足夠大，即實際流量小于等于設(shè)計流量時，葉尖間隙噪聲成分才表現(xiàn)得比較明顯。同時，葉片旋轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性也是產(chǎn)生葉尖間隙噪聲的必要條件。葉尖間隙越小，TCN也會越小。達到一定的轉(zhuǎn)速時，TCN逐步消失[8]。

6、Whoosh 噪聲[9]

Whoosh噪聲是一種常見的渦輪增壓器噪聲，主要出現(xiàn)在發(fā)動機油門瞬時加速，增壓器轉(zhuǎn)速在相對短時間內(nèi)快速提升的情況下。有時穩(wěn)態(tài)條件下渦輪增壓器轉(zhuǎn)速不變也會出現(xiàn)。它的特征頻率較高，頻帶較寬，常出現(xiàn)在5000-7000Hz左右。產(chǎn)生Whoosh噪聲的主要原因是由于發(fā)動機對低速大扭矩的需求，高增壓比、低流量使增壓器工作曲線過于臨近喘振區(qū)域，氣流與壁面的分離產(chǎn)生擾動從而在壓氣機進口產(chǎn)生壓力波動。其識別特征是在壓氣機進口、出口壓力波動頻譜特征與噪聲頻譜有很好的對應(yīng)；壓氣機進口溫度在相應(yīng)噪聲段上升；其控制措施主要有：1.從源頭優(yōu)化，考慮如何使增壓器工作曲線遠離喘振區(qū)域；2.從傳遞路徑，在壓氣機進口或出口加諧振腔。

7、結(jié)論

同步噪聲，次同步噪聲，瞬態(tài)喘振聲，以及BPF、TCN等增壓器噪聲在搭載增發(fā)動機的整車NVH 開發(fā)中經(jīng)常出現(xiàn)，有零部件設(shè)計的原因也有系統(tǒng)匹配的原因。通過監(jiān)測增壓器本體振動及輻射噪聲頻譜特性，能夠很好的辨別噪聲源的種類。研究其產(chǎn)生機理，可以消除產(chǎn)生的根源采用主動手段降噪。對于機理不清楚的噪聲，可以在傳遞路徑上采用被動手段降噪。

[1] Hans Rammal and Mats Abom, Acoustics of Turbochargers[J], SAE Technical Paper Series 2007-01-2205.

[2] 王欽慶.幾種常見渦輪增壓器噪聲及其控制[J].內(nèi)燃機與動力裝置.2012,4:43-46.

[3] 應(yīng)廣馳.渦輪增壓器的基礎(chǔ)激勵辨識和轉(zhuǎn)子動力學研究[D].上海交通大學.2008,9.

[4] 張少華,周武明,蘇正杲等.車用發(fā)動機渦輪增壓器喘振裕度及其改善方案的研究[J],2013,3:20.

[5] Sarraf C, Nouri H, Ravelet F,et al. Experimental study of blade thi -ckness effects on the overall and local performance of a controlled vortex designed axial-flow fan[J], Experimental Thermal and Fluid Scienc, 2011,35:684-693.

[6] Fukano T, Jang C M. Tip clearance noise axial flow fans operating at design and off-design condition[J].Journal of Soundand Vibration, 2003,275:1027-1050.

[7] 鄭光清,樓狄明.車用柴油機渦輪增壓器渦輪BPF噪聲的試驗研究[J].柴油機.2008,1(30):43.

[8] 溫華兵,徐文江,鮑蘇寧等.柴油機廢氣渦輪增壓器噪聲機理及性能試驗研究[J].內(nèi)燃機工程,2013,1(34):77.

[9] Charlie Teng, Steve Homco, Investigation of Compressor Whoosh Noise in Automotive Turbochargers[J], SAE Technical Paper Series 2009-01-2053.

Introduction to Turbocharger Noise and Its Control

Wang Hui, Zhou Liting
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

The paper introduces several common turbocharger noises and describes the noise mechanisms, occurrence condition, spectrum characteristicsand control methods, providing a reference for developmentof improving turbocharger noise.

Turbocharger noise; Synchronous noise; Sub-synchronous noise; Surge noise

U472.4

A

1671-7988(2016)10-227-03

王暉（1981-），男，就職于華晨汽車工程研究院NVH工程室，主要從事車輛震動噪聲（NVH）領(lǐng)域工作。