增壓發(fā)動機(jī)泄氣聲品質(zhì)的研究及控制方式探討

王 鵬，魯守衛(wèi)，賀娜娜，李建鵬

Wang Peng，Lu Shouwei，He Nana，Li Jianpeng

（北京汽車動力總成有限公司 技術(shù)中心，北京 101106）

增壓發(fā)動機(jī)泄氣聲品質(zhì)的研究及控制方式探討

王 鵬，魯守衛(wèi)，賀娜娜，李建鵬

Wang Peng，Lu Shouwei，He Nana，Li Jianpeng

（北京汽車動力總成有限公司 技術(shù)中心，北京 101106）

為解決采用渦輪增壓器后帶來的收油泄氣聲品質(zhì)問題，對問題工況進(jìn)行測試，并確定收油異響的輻射源。通過對泄壓閥工作原理進(jìn)行研究，確認(rèn)該異響為泄壓閥泄氣不及時造成的壓氣機(jī)瞬時喘振，從而形成噪聲。最后，采用將泄壓閥彈簧剛度調(diào)低，減小泄壓閥開啟壓力的方式，使泄壓閥及時開啟泄壓，消除該噪聲。

增壓器；喘振；泄壓閥；噪聲

0 引 言

近年來，由于汽車數(shù)量的急劇增加，汽車巨大的燃料消耗及尾氣排放污染成為亟待解決的問題。渦輪增壓技術(shù)既可以減少污染物的排放，又可以提高發(fā)動機(jī)功率和節(jié)約能源，因此被廣泛地應(yīng)用到汽車發(fā)動機(jī)上[1]。

增壓發(fā)動機(jī)的主要原理是依靠增大進(jìn)氣壓力，提高空氣密度，從而增加發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量，以此來提高發(fā)動機(jī)的升功率和扭矩輸出。然而，隨著進(jìn)氣壓力的增大，在行車過程中急收油門時，節(jié)氣門開度迅速減小，由于氣流慣性的作用，節(jié)氣門必將受到一股高壓氣體的沖擊，并有可能對其造成損壞。所以，增壓發(fā)動機(jī)在配備增壓器的同時，通常還要加裝 1個進(jìn)氣泄壓閥來排泄掉多余的空氣，其原理如圖1所示。

圖1 增壓發(fā)動機(jī)泄氣原理圖

當(dāng)急收油門使節(jié)氣門開度迅速減小時，泄壓閥會及時打開，將高壓氣體從壓氣機(jī)后管路排入壓氣機(jī)前管路。這樣可以排除高壓氣體在節(jié)氣門和壓氣機(jī)之間管路中來回震蕩的可能，消除氣流對節(jié)氣門和壓氣機(jī)葉片造成的損害。但是，也帶來了其他方面的問題，其中很重要的一個問題就是泄壓過程中形成的噪聲，嚴(yán)重影響了乘客的舒適度[2]。文中主要針對某款車型開發(fā)過程中形成的收油泄氣聲品質(zhì)問題，對其發(fā)聲機(jī)理及其控制措施進(jìn)行研究討論。

1 研究背景

1.1 現(xiàn)象描述

在某款CVT車型的研發(fā)過程中出現(xiàn)一種現(xiàn)象，當(dāng)車輛在急加速收油門的瞬間，駕駛艙內(nèi)會感受到明顯的泄氣噪聲。該問題工況主要發(fā)生在小負(fù)荷加油門后的收油瞬間，尤其是當(dāng)小負(fù)荷加速至1 900 r/min左右收油時，可以清晰地聽到類似車門落鎖的泄氣噪聲。文中將這種噪聲命名為落鎖聲噪聲，這種泄氣噪聲嚴(yán)重影響了車輛駕駛艙內(nèi)的聲品質(zhì)，需要對其進(jìn)行改進(jìn)以減小或消除。

1.2 泄壓閥工作原理

收油泄氣噪聲主要由進(jìn)氣泄壓閥在泄氣過程中產(chǎn)生，為研究噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，需要對泄壓閥的工作原理進(jìn)行了解[3]。如圖2所示，泄壓閥在關(guān)閉和開啟時的工作狀態(tài)。

圖2 泄壓閥在關(guān)閉和開啟時工作狀態(tài)示意圖

進(jìn)氣泄壓閥的開啟和關(guān)閉主要是通過改變壓力平衡裝置的狀態(tài)來控制泄氣進(jìn)程。泄壓閥的安裝位置如圖 1所示，相關(guān)的壓力參數(shù)主要有：Fs為彈簧產(chǎn)生的關(guān)閉閥門的壓力；Fb為節(jié)氣門前氣體傳遞給閥體的壓力；Fc為節(jié)氣門后氣體傳遞給閥體的壓力；Fd為壓氣機(jī)前氣體傳遞給閥體的壓力。當(dāng)車輛處于全油門加速狀態(tài)時，節(jié)氣門全開，此時Fc為正壓力，F(xiàn)s+Fc>Fb+Fd，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)車輛急收油門時，節(jié)氣門幾乎關(guān)閉，此時Fc為負(fù)壓力（有真空度），F(xiàn)s

2 噪聲測試

為了消除收油噪聲，首先需要對噪聲進(jìn)行測試，以抓取聲音特征，鎖定聲源位置。測試主要通過在發(fā)動機(jī)艙近場和駕駛艙內(nèi)主駕位置布置麥克風(fēng)來獲取噪聲信號，并運(yùn)用加速度傳感器來捕捉泄壓閥及相關(guān)管路的振動情況，其中包括泄壓閥前管路（即壓氣機(jī)后管路）測點(diǎn)1、泄壓閥測點(diǎn)2和泄壓閥后管路測點(diǎn)3。測試工況采取急加速至1 900 r/min后松油門，減速至1 600 r/min后再次急加速，如此循環(huán)6次為一個采集周期。測得近場噪聲頻譜如圖3所示，根據(jù)濾波回放，收油瞬間的落鎖聲頻率較寬，主要頻段為 600～1 700 Hz。

圖3 問題工況泄壓閥近場噪聲頻譜圖

由于進(jìn)氣系統(tǒng)為收油異響的主要輻射源，通過對進(jìn)氣系統(tǒng)各測點(diǎn)振動情況的分析，對噪聲輻射源有更準(zhǔn)確的定位。為了對比有無異響2種狀態(tài)進(jìn)氣系統(tǒng)管路的振動情況，除了對小負(fù)荷的問題工況進(jìn)行測試外，還對無異響的大負(fù)荷工況（急加油門至 2 700 r/min收油）進(jìn)行了測試。2種工況下收油瞬間泄壓閥前管路測點(diǎn) 1、泄壓閥測點(diǎn)2及泄壓閥后管路測點(diǎn)3的振動最大幅值見表1。 g

表1 小負(fù)荷及大負(fù)荷工況下各測點(diǎn)振動最大幅值

由于大負(fù)荷工況時，進(jìn)氣壓力更高，在收油瞬間進(jìn)氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的壓力脈動理應(yīng)要大于小負(fù)荷工況，但根據(jù)測試結(jié)果顯示，在泄壓閥前管路測點(diǎn)1收油時的振動最大幅值反而大于大負(fù)荷工況時。通過進(jìn)一步對該測點(diǎn)處的振動頻譜分析發(fā)現(xiàn)（如圖4所示），在小負(fù)荷工況收油瞬間測點(diǎn)1處 600～1 700 Hz頻率段同樣有明顯的振動特征，與測得的落鎖聲噪聲頻率特征相同；因此，可以推測該收油落鎖聲噪聲的輻射源為泄壓閥前管路。

圖4 小負(fù)荷工況泄壓閥前管路測點(diǎn)1振動頻譜圖

3 機(jī)理分析

由于收油異響發(fā)生在泄壓瞬間，因此首先需要對泄壓閥的工作狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，圖 5為控制泄壓閥開閉的2個主要參數(shù)（節(jié)氣門前的過給壓Pb、節(jié)氣門后的歧管壓力 Pc）在不同工況下的壓力變化曲線。

圖5 不同工況下泄壓閥Pb及Pc壓力變化曲線示意圖

當(dāng)車輛處于怠速狀態(tài)時，節(jié)氣門開度極小，Pc為負(fù)值，泄壓閥處于開啟狀態(tài)。車輛開始加速時，節(jié)氣門打開，節(jié)氣門后歧管壓力Pc隨增壓壓力提高迅速增大，此時節(jié)氣門前、后壓力（Pb，Pc）相差不大，泄壓閥主要由彈簧力Fs控制，處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)車輛收油減速時，節(jié)氣門迅速關(guān)閉，節(jié)氣門后壓力Pc變?yōu)檎婵?，且真空度不斷提高，正常情況下，當(dāng)過給壓 Pb和歧管真空壓 Pc形成的合力大于彈簧力Fs時，閥門開啟泄壓，Pb迅速降低，如圖 5實(shí)線所示。但是，當(dāng)真空度不夠或者彈簧力過大時，會出現(xiàn)閥門不開啟的現(xiàn)象。此時，壓氣機(jī)仍源源不斷向進(jìn)氣管路輸送高壓空氣，壓氣機(jī)處于高壓比低流量的狀態(tài)，從而形成壓氣機(jī)喘振，造成節(jié)氣門前壓力Pb的波動，如圖5中虛線所示。

當(dāng)斷開泄壓閥真空管路，使Pc取大氣壓力時，泄壓閥則不會開啟，收油時，由于進(jìn)氣系統(tǒng)不能泄壓，會形成喘振噪聲。對這種狀態(tài)進(jìn)行測試，測試工況仍為急加速至1 900 r/min收油，采集工況循環(huán)4次，得到的近場噪聲頻譜圖如圖6所示。主觀感受該喘振噪聲與收油落鎖聲噪聲的聲音品質(zhì)比較相似，只是落鎖聲噪聲比較短促，而喘振噪聲更為連續(xù)。根據(jù)對近場噪聲的濾波分析發(fā)現(xiàn)，喘振噪聲的發(fā)聲頻率主要集中在 600～1 700 Hz的寬頻頻帶，與落鎖聲的發(fā)聲頻率相同；因此，可以推測落鎖聲為泄壓閥泄氣不及時，造成增壓器壓氣機(jī)的瞬時喘振，從而形成瞬時的喘振噪聲。

圖6 喘振工況泄壓閥近場噪聲頻譜圖

圖7為減速時3種狀態(tài)下的Pb變化示意圖，在泄壓閥正常開啟情況下，Pb稍許上升，但會馬上降低；在泄壓閥不開啟的情況下，Pb上升后，脈動波形重復(fù)數(shù)次，其間會產(chǎn)生喘振噪聲，如圖6；在泄壓閥開啟不及時的情況下，Pb到開閥時為止，產(chǎn)生如泄壓閥不開啟狀態(tài)時的脈動波形，形成瞬時喘振，開閥后Pb馬上減弱。對于開閥速度的影響因素，主要為Pb的升高速度、Pc真空度的提高速度及彈簧壓力Fs。在Pb和Pc都不能改變的情況下，只有降低彈簧力Fs，才能使得Fs

圖7 減速時泄壓閥正常開啟、不開啟及開啟不及時3種工況下Pb變化曲線示意圖

4 方案驗(yàn)證

為了消除異響并對異響發(fā)聲機(jī)理進(jìn)行驗(yàn)證，選取彈簧力更小的 2個泄壓閥樣件進(jìn)行測試，開啟壓力分別為-30 kPa和-17 kPa（原泄壓閥為-51 kPa）。將這 3個泄壓閥在同一問題車輛上進(jìn)行對比測試，測試工況與問題工況保持一致，得到的近場噪聲頻譜圖如圖8所示。

圖8 3種泄壓閥開啟壓力近場噪聲頻譜圖

從頻譜圖中可以看出，-30 kPa和-17 kPa的泄壓閥在收油瞬間，600～1 700 Hz的落鎖聲頻帶幅值較-51 kPa減小很多。主觀感受，-51 kPa的原泄壓閥落鎖聲明顯，更換為-30 kPa的泄壓閥后落鎖聲基本消失，偶有發(fā)生但聲音輕微可接受，更換-17 kPa的泄壓閥后落鎖聲則完全消失。這組試驗(yàn)證明，通過選取彈簧剛度更小的小開啟壓力泄壓閥，可以使閥門及時打開泄壓，防止收油落鎖聲的出現(xiàn)。

5 其他控制方式探討

雖然小開啟壓力泄壓閥可以消除收油落鎖聲異響，但隨著泄壓閥彈簧力的減小也帶來了一系列的問題[4]。其一，怠速工況下，閥門處于開啟狀態(tài)，當(dāng)車輛加速時會有遲滯感；其二，在全負(fù)荷加速工況下，由于進(jìn)氣壓力過大，可能導(dǎo)致泄壓閥閥門被頂開，造成非正常泄氣。電子泄壓閥的應(yīng)用可以較好地彌補(bǔ)機(jī)械式泄壓閥帶來的以上問題，通過ECU的控制，閥門的開啟時刻能夠更加精準(zhǔn)，且使用電磁式閥門可以使開閥速度更快，避免泄氣遲滯[5]。

6 結(jié)束語

通過測試手段確定收油異響的輻射源，并以泄壓閥的工作原理為切入口，研究異響的發(fā)聲原理，最終進(jìn)行驗(yàn)證，得出如下主要結(jié)論：

1）急加速后收油所產(chǎn)生的類似車門落鎖的噪聲是由泄壓閥前管路（即壓氣機(jī)出口到節(jié)氣門段管路）輻射出來的；

2）通過對泄壓閥工作原理進(jìn)行研究，確認(rèn)該落鎖聲為泄壓閥泄氣不及時造成的壓氣機(jī)瞬時喘振，從而形成噪聲。

3）將泄壓閥的彈簧剛度調(diào)低，減小泄壓閥的開啟壓力，可以使泄壓閥及時開啟泄壓，最終消除該噪聲。

4）小開啟壓力的泄壓閥可以消除噪聲，但同時帶來了加速遲滯和全負(fù)荷加速非正常泄氣的問題，通過使用電子泄壓閥可以較好地避免這些問題的發(fā)生。

[1]朱大鑫. 渦輪增壓與渦輪增壓器[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[2]龐健，諶剛，何華. 汽車噪聲與振動—理論與應(yīng)用[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

[3]葉敬安，劉旻，劉淑軍，等. 增壓器泄壓閥噪聲的進(jìn)氣系統(tǒng)解決方案[J]. 上海汽車，2014（11）：26-29.

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[5]Charlie Teng, Fumin Pan, Jemai Missaoui, et al. Flow Noises Associated with Integrated Compressor Anti-Surge Valve[J]. SAE Technical Papers, 2011, 107 (3).

U464：U467.4+93

：ADOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2017.01.005

1002-4581（2017）01-0017-04

2016? 08? 24