汽車發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器Hiss噪聲分析與改進(jìn)

劉培培 程源 盧生林

（1.安徽德孚轉(zhuǎn)向系統(tǒng)股份有限公司；2.奇瑞汽車股份有限公司）

隨著汽車技術(shù)的日益發(fā)展，汽車動(dòng)力性作為一個(gè)與客戶日常駕駛息息相關(guān)的性能指標(biāo)也日益受到用戶的關(guān)注[1]。同時(shí)隨著國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車企業(yè)油耗及排放標(biāo)準(zhǔn)要求的提高，許多汽車企業(yè)對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也更加關(guān)注，其中渦輪增壓器因其獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的運(yùn)用日益廣泛。渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)能較好地解決客戶對(duì)汽車動(dòng)力性的要求，同時(shí)兼顧了對(duì)汽車經(jīng)濟(jì)性的要求，對(duì)尾氣排放也有貢獻(xiàn)。然而由于渦輪增壓器每分鐘十幾萬甚至幾十萬的工作轉(zhuǎn)速，不可避免地會(huì)帶來渦輪增壓器的工作噪聲[2]。此工作噪聲會(huì)嚴(yán)重影響客戶的駕乘舒適性，甚至產(chǎn)生抱怨。文章通過分析渦輪增壓器常見的一種Hiss噪聲的產(chǎn)生原理及原因，提出了相關(guān)的解決方案和措施，為渦輪增壓器Hiss噪聲的分析和改進(jìn)提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 渦輪增壓器Hiss噪聲特征

Hiss噪聲是一種非常常見的渦輪增壓器噪聲，主要是在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速加速時(shí)，因增壓器轉(zhuǎn)速在較短的時(shí)間內(nèi)快速上升所引起的一種噪聲。圖1示出某款裝配有渦輪增壓器的車型車內(nèi)噪聲頻譜分布圖。從圖1中可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800～3 000 r/min區(qū)間內(nèi)及頻率為3 000～5 000 Hz和6 000～8 000 Hz范圍內(nèi)，產(chǎn)生了頻段較寬且對(duì)整車車內(nèi)影響較大的噪聲。經(jīng)過進(jìn)一步研究，確認(rèn)該噪聲為渦輪增壓器Hiss噪聲。

圖1 裝有渦輪增壓器的某款車型內(nèi)Hiss噪聲頻譜分布圖

2 渦輪增壓器Hiss噪聲產(chǎn)生原理及原因

增壓器特性曲線圖，如圖2所示。從圖2可知，在低流量時(shí)如果壓比升高會(huì)使增壓器工作曲線離喘振線太近，這是產(chǎn)生渦輪增壓器Hiss噪聲的主要原因。由于氣流與壁面的分離產(chǎn)生擾動(dòng)導(dǎo)致在壓氣機(jī)進(jìn)氣口處產(chǎn)生壓力波動(dòng)，從而容易產(chǎn)生Hiss噪聲[3]。

圖2 渦輪增壓器特性曲線圖

3 渦輪增壓器Hiss噪聲控制方案及措施

通過對(duì)渦輪增壓器Hiss噪聲性能特征和產(chǎn)生原理及原因的分析可知，應(yīng)該主要從2個(gè)方面對(duì)噪聲進(jìn)行控制，即控制噪聲源和控制傳播路徑。

1）控制噪聲源：主要是使增壓器的工作曲線遠(yuǎn)離喘振曲線，需要通過增壓器本體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)，包括電噴標(biāo)定、大壓葉輪、可變截面渦輪增壓器（VTG）結(jié)構(gòu)優(yōu)化、渦旋進(jìn)氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化及葉型優(yōu)化等方案；

2）控制傳播路徑：主要通過運(yùn)用阻、隔及吸等方式在噪聲的傳播路徑上對(duì)Hiss噪聲進(jìn)行控制，包括整車聲學(xué)包、包裹管道及增加消聲器等方案進(jìn)行控制。

當(dāng)前渦輪增壓器本體的改進(jìn)比較復(fù)雜，且成本較高，在開發(fā)階段不容易實(shí)現(xiàn)，所以并不推薦控制噪聲源的方案；目前主要采用通過控制傳播路徑的方式來降低Hiss噪聲，其中在增壓器出口處加裝合適的消聲器方案在整車的應(yīng)用較為普遍，消聲器兩端分別通過膠管與增壓器和中冷器管路進(jìn)行連接。渦輪增壓器出口處加裝消聲器優(yōu)化方案，如圖3所示。

圖3 渦輪增壓器出口處加裝消聲器優(yōu)化方案示意圖

4 方案驗(yàn)證

為了驗(yàn)證在增壓器出口處加裝消聲器方案的合理性和有效性，后續(xù)將通過CAE仿真分析、實(shí)車客觀試驗(yàn)及實(shí)車主觀評(píng)價(jià)的方式進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 CAE仿真分析

通過LMS Virtual.Lab仿真軟件對(duì)加裝消聲器的渦輪增壓器噪聲進(jìn)行仿真分析，建立的仿真模型，如圖4所示。

圖4 加裝消聲器的渦輪增壓器CAE仿真分析模型

對(duì)該仿真模型進(jìn)行仿真分析，消聲效果的仿真曲線，如圖5所示。從圖5中可以看出，該增壓器主要消聲頻段為1 500～3 000 Hz，消聲量最大可達(dá)63 dB，4 000～7 000 Hz也出現(xiàn)多個(gè)消聲峰值，但消聲量明顯小于中低頻。因而從CAE仿真分析結(jié)果來看，加裝消聲器方案是可行的。

圖5 加裝消聲器的渦輪增壓器消聲效果仿真曲線

4.2 實(shí)車客觀試驗(yàn)

為驗(yàn)證在渦輪增壓器加裝消聲器后噪聲改善效果，現(xiàn)將加裝消聲器方案的搭載實(shí)車進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。圖6示出對(duì)有無加裝消聲器的渦輪增壓器進(jìn)行噪聲測(cè)試的對(duì)比結(jié)果。從圖6可以看出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在 1 500～3 500 r/min 時(shí)，3 500～5 000 Hz頻段區(qū)間的駕駛員左耳測(cè)量曲線（DLE）噪聲降低約為5 dB，6 000～8 000 Hz頻段區(qū)間的DLE噪聲降低約為9 dB?？梢钥闯觯友b消聲器能有效地減小增壓器Hiss噪聲，尤其在中高頻段的消聲效果較為明顯。

圖6 渦輪增壓器加裝消聲器前后車內(nèi)噪聲總聲壓級(jí)曲線

4.3 實(shí)車主觀評(píng)價(jià)

在實(shí)車客觀試驗(yàn)驗(yàn)證之后，組織8位具有NVH評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)的專家和工程師，對(duì)同一輛汽車是否加裝消聲器的車內(nèi)噪聲進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。主觀評(píng)價(jià)的評(píng)分方法主要參照美國汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）標(biāo)準(zhǔn)。表1示出SAE常用的主觀評(píng)價(jià)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[4]。

表1 美國汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）主觀評(píng)價(jià)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)過專家及工程師的對(duì)比評(píng)價(jià)，得出評(píng)價(jià)結(jié)果為：在增壓器出口處加裝消聲器的汽車車內(nèi)Hiss噪聲明顯優(yōu)于無消聲器的汽車車內(nèi)Hiss噪聲，且提升和改善的效果非常明顯。主觀評(píng)價(jià)分值從之前的6.5分提升到7.0分，有0.5分的提升。從評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，加裝消聲器的方案讓車內(nèi)Hiss噪聲的優(yōu)化非常明顯。

5 結(jié)論

1）通過CAE仿真分析和實(shí)車主客觀評(píng)價(jià)的分析驗(yàn)證，說明了在增壓器出口處加裝消聲器方案的合理性和有效性，能夠有效地降低渦輪增壓器Hiss噪聲；

2）在驗(yàn)證方案初期加入了CAE仿真分析及驗(yàn)證，為后續(xù)實(shí)車的試驗(yàn)分析及驗(yàn)證提供指導(dǎo)，同時(shí)利用CAE仿真分析可以更多地節(jié)省時(shí)間和降低成本；

3）通過CAE仿真分析、實(shí)車客觀試驗(yàn)及實(shí)車主觀評(píng)價(jià)驗(yàn)證形成了一個(gè)閉環(huán)的解決問題的思路和方法，該思路和方法可以為后續(xù)相關(guān)問題的解決及進(jìn)一步的研究與優(yōu)化提供參考和指導(dǎo)。