柴油機供油系統(tǒng)噪聲識別與控制

(上海汽車集團股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

0 前言

據(jù)統(tǒng)計，我國大中城市的噪聲污染中，有大概70%來自于交通運輸，特別是在城市交通中道路擁堵，經(jīng)常會出現(xiàn)頻繁停車怠速等待的情況。如何降低怠速噪聲、改善怠速噪聲品質(zhì)，是控制和降低交通噪聲，創(chuàng)造良好的聲環(huán)境質(zhì)量的核心解決目標(biāo)。由于柴油車產(chǎn)生的噪聲通常要比汽油車更高，因此如何降低柴油機的怠速噪聲和優(yōu)化聲品質(zhì)尤為重要。

本文針對某款配置4缸柴油機車型的怠速噪聲的優(yōu)化展開。該款車型在怠速工況時，車內(nèi)聲壓級并不高，但是存在一種類似“嗒嗒嗒”的聲音(以下簡稱“嗒嗒”聲)可能會引起客戶抱怨。首先結(jié)合該柴油機的臺架測試數(shù)據(jù)，確定該噪聲的主要頻率成分；隨后針對這些頻率范圍進行噪聲源識別，確定了產(chǎn)生“嗒嗒”聲的關(guān)鍵零部件；通過優(yōu)化相關(guān)零部件，該款車型的怠速噪聲品質(zhì)得到了明顯提升，消除了可能會產(chǎn)生的噪聲隱患。

1 問題描述

在某款配置直列4缸柴油機的車型開發(fā)過程中，在怠速工況的時候，可以感受到存在類似“嗒嗒”的噪聲。此時通過測試車內(nèi)駕駛員耳旁的噪聲，得到該測點位置噪聲聲壓級為48.5 dB(A)。和同類型的參考車相比，總聲壓級并不算高，甚至還略低一些(參考車型的噪聲總聲壓級大約在50.0 dB(A))。因此，將該噪聲定性描述為整車的怠速聲品質(zhì)問題。

2 問題識別和定義

由于在怠速工況時，發(fā)動機整體輸出的振動能很低，所以初步排除了結(jié)構(gòu)噪聲傳遞到整車的可能。因此問題的源頭主要來自于發(fā)動機本身產(chǎn)生的空氣噪聲。

為了更準(zhǔn)確地確認該噪聲頻率具體來自于發(fā)動機上的哪些具體零部件，對該柴油機進行了相關(guān)工況的臺架試驗。具體的試驗規(guī)范參考《GB/T 1859 2000 往復(fù)式內(nèi)燃機 輻射的空氣噪聲測量工程法及簡易法》中規(guī)定的測點進行布置。選取標(biāo)準(zhǔn)描述中，基準(zhǔn)體頂面1 m測距點作為發(fā)動機臺架噪聲分析的參考點。

首先對發(fā)動機正常怠速工況進行測試，完成后采用相同轉(zhuǎn)速的電力測功機進行倒拖，并進行機械噪聲和燃燒噪聲的分離對比。在倒拖過程中，發(fā)現(xiàn)該噪聲基本消除，所以可以初步確認該噪聲與噴油及燃燒相關(guān)。同時，對比這兩種工況下的參考點得到了噪聲1/3倍頻程圖，如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)各個頻帶聲能量差異較大的頻率在1 000 Hz以上。通過對該噪聲濾波返放，確認抱怨噪聲的頻帶為1 000～1 600 Hz。

圖1 車內(nèi)噪聲1/3倍頻程圖

表1示出了計算結(jié)果，其中1 000 Hz、1 250 Hz和1 600 Hz的頻帶占據(jù)總聲壓級能量較高，是改進方案中所需要考慮的主要方向。在臺架參考點的噪聲頻帶聲壓級能量僅比總聲壓級低了4.3 dB(A)，在整車上，由于有了隔聲降噪措施，車內(nèi)耳旁噪聲頻帶聲壓級和總聲壓級相差約9 dB(A)。通常聲壓級相差10 dB(A)以上，噪聲特征才不會被明顯感知[1]。

表1 抱怨噪聲能量占比

其次，針對噪聲發(fā)生的頻帶，在發(fā)動機臺架上作了進一步的零件噪聲識別分析。在可疑零部件的近場和表面，分別布置傳聲器和加速度傳感器，測試這些零部件對問題頻帶噪聲的影響。通過測試，得出參考點噪聲的能量貢獻較大，包括油軌、油泵和發(fā)動機缸體。

綜合以上內(nèi)容，確認噪聲來自供油系統(tǒng)的噴油通過油軌和缸體放大所輻射的噪聲。要使噪聲能量得到良好控制，需要有效控制噴油過程，同時還要被動控制油軌和發(fā)動機缸體的輻射噪聲，使整車在怠速工況下，把問題頻帶噪聲的能量降低到可以接受的程度，為了保險起見，目標(biāo)設(shè)定為問題頻帶噪聲聲壓級和總聲壓級相差12 dB(A)。

3 噪聲的機理分析

首先，對于噴油過程相關(guān)調(diào)節(jié)參數(shù)進行確認。通常發(fā)動機的轉(zhuǎn)速對于單位時間內(nèi)的噴油次數(shù)具有直接影響，需要重點考慮。噴油的提前角及噴油壓力本身，對于發(fā)動機缸內(nèi)壓力變化也有直接的關(guān)系，進而影響噪聲品質(zhì)。這些都是可以進行主動調(diào)節(jié)的參數(shù)[2]。

其次，在仍然沒有辦法達到要求的時候，可以采取對輻射聲源的吸隔聲措施，從而達到降低輻射到車內(nèi)的噪聲的能量。通常可以采用吸隔聲材料進行包裹。針對不同的頻率，所選擇的材料性質(zhì)可能不同，最好進行對比試驗，擇優(yōu)使用。

4 試驗方案設(shè)計

基于對該噪聲的機理分析，繪制了噪聲優(yōu)化的參數(shù)圖，見圖2。分別從發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、噴油提前角、噴油壓力3個角度對噴油過程進行控制。在隔聲方面，準(zhǔn)備了不同密度的發(fā)泡材料(PUR)，對發(fā)動機頂面進行覆蓋。同時，還準(zhǔn)備了高壓共軌(覆蓋PUR)，以及噴油器(覆蓋PUR)。由于實車上油泵附近空間不夠，因而未對其進行覆蓋的試驗。對于本次優(yōu)化方案總共設(shè)計了5個可供改變的因素。為了確保方案在夏天和冬天都有效，還引入了環(huán)境溫度的影響。

圖2 試驗設(shè)計系統(tǒng)圖

按照試驗設(shè)計的系統(tǒng)圖，對每個因素的初始水平進行了適當(dāng)調(diào)整，便得到了各種試驗可能。最終計算目標(biāo)函數(shù)為車內(nèi)主駕耳旁噪聲總聲壓級減去問題頻帶噪聲聲壓級要求大于12 dB(A)，認為該結(jié)果達到改善要求。由于影響因素和水平較多，試驗方案采用了分組試驗和正交試驗相結(jié)合的方法減少總試驗次數(shù)，從而有效縮短了試驗周期。詳細的試驗方案見表2。

表2 試驗因素水平說明

對于主動調(diào)整的控制參數(shù)，轉(zhuǎn)速、提前角和噴油壓力，每個因素選取3個可行的水平，算作第一組試驗。對于覆蓋于發(fā)動機頂面的整體PUR材料，選取了3種不同的密度，加之沒有該零件的原始方案，所以選取4個水平，算作第二組試驗。對于共軌PUR及噴油器PUR的方案使用組合，作為第三組試驗。

5 方案驗證與分析

5.1 第一組試驗

第一組試驗是三因素三水平的試驗，同時還考慮了環(huán)境溫度的影響，具體采取在冬季測試和夏季測試的方法，對同一臺車進行了兩次驗證。為了減少試驗次數(shù)，采用了正交試驗設(shè)計[3]。具體試驗方案見表3。其中D因素沒有對應(yīng)的具體參數(shù)，可以看作誤差項。

表3 第一組試驗設(shè)計方案

通過在不同溫度下完成的兩組9個試驗(共18次)，按照常規(guī)的數(shù)理統(tǒng)計方法，分別計算了均值和信噪比，羅列在圖3和圖4中。

圖3 均值分析

圖4 信噪比分析

從圖3中可以看出對于A因素，在轉(zhuǎn)速750 r/min和850 r/min時，目標(biāo)函數(shù)實際值較大，在總體聲壓級方面，轉(zhuǎn)速850 r/min時高出1 dB(A)，所以比較好的水平是A1水平，即750 r/min。對于B因素，提前角對于目標(biāo)函數(shù)數(shù)值影響很小，但是隨著提前角的增大，主觀評估活塞和缸壁敲擊聲更為嚴重，因此選取B1水平(即2 °CA)。對于C因素，在噴油壓力較小的時候，目標(biāo)函數(shù)計算值較大，表現(xiàn)最好，因此選取C1水平，即30 MPa的噴油壓力較為合適。為了考察這些方案對于環(huán)境溫度穩(wěn)定性的影響，查看了各個因素在不同溫度下產(chǎn)生的信噪比，均在20 dB(A)左右，說明這些因素受到環(huán)境溫度影響較小，試驗結(jié)果較為穩(wěn)定，可以作為工程方案實施。

綜合考慮信噪比和均值，確定選擇A1、B1和C1(再次實測結(jié)果為11.02 dB(A))。但是結(jié)果未達12 dB(A)指標(biāo)要求，因此需要采取隔聲措施。后續(xù)其他組的措施是基于A1、B1、C1該水平下開展試驗的，特此說明。

5.2 第二組試驗

該組試驗對于密度不同的發(fā)動機吸音罩進行試驗，如圖5，密度分別是150 kg/m3、250 kg/m3和400 kg/m3。試驗結(jié)果如圖6所示，密度為400 kg/m3的吸音罩效果最好，目標(biāo)函數(shù)數(shù)值達到11.8 dB(A)，因此選用這個方案，但是距離12 dB(A)仍存在差距。因此需要在此基礎(chǔ)上進一步采取措施，開展第三組試驗。

圖6 發(fā)動機吸音罩效果

5.3 第三組試驗

該組試驗對于增加噴油器PUR和共軌PUR的效果進行驗證，見圖7。按照試驗方案設(shè)計中的H因素4種不同水平的組合，得到了如圖8的試驗結(jié)果。根據(jù)結(jié)果可以看出3水平和4水平時較好，都對應(yīng)了共軌PUR罩使用的情況。噴油器PUR在問題頻段的影響很小，可以不使用。

圖7 噴油器PUR罩和共軌PUR罩示意圖

5.4 方案匯總說明

通過上述三組試驗和結(jié)果分析，最終選用了A1、B1、C1、G4和H2這個方案進行最終的試驗驗證。對應(yīng)的具體參數(shù)為怠速轉(zhuǎn)速750 r/min，噴油提前角為2°CA，噴油壓力30 MPa，使用密度400 kg/m3的發(fā)動機吸音罩，并使用共軌PUR罩。通過實車評估，基本認為可以達到消除該車怠速時供油系統(tǒng)噪聲的目的。

圖8 噴油器PUR罩和共軌PUR效果驗證

6 結(jié)論

對于發(fā)動機供油系統(tǒng)噪聲識別和優(yōu)化有以下幾點可以借鑒和參考。

(1) 對于識別，可以通過臺架倒拖的工況進行主觀評估，同時還可以借助軟件濾波返放的功能對噪聲進行監(jiān)聽，識別出噪聲發(fā)生的頻率。對于具體零部件的識別，可以通過貢獻量識別的方法進行進一步的分析來鎖定需要優(yōu)化的零部件。

(2) 供油系統(tǒng)的聲源控制，通常從幾個方面可以著手開展工作，對于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、噴油壓力、提前角等方面嘗試改變。同時對于正在選型的零部件，如油泵等零件，可以適當(dāng)查看其本身的特性作為噪聲評判的參考。

(3) 對于無法優(yōu)化控制參數(shù)的情況，可以嘗試從吸隔聲方面入手解決。建議嘗試不同的吸隔聲材料，對聲源進行包裹。由于不同材料的效果不同，需要選擇適當(dāng)?shù)姆桨高M行驗證，最后擇優(yōu)使用。

專家簡介

袁衛(wèi)平，上海汽車集團股份有限公司商用車技術(shù)中心整車集成部NVH科高級經(jīng)理、資深專家、教授級高工、碩士研究生導(dǎo)師、ISO/TC70/WG13和SAC/TC177/WG11工作組組長，從事汽車和內(nèi)燃機噪聲振動控制研究30余年，注重理論與實踐相結(jié)合，編有專著、發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文、擁有多項發(fā)明專利。

專家推薦辭

汽車振動和噪聲特性是影響汽車乘坐舒適性的一個重要因素，隨著人們生活水平的提高，對汽車乘坐舒適性的要求也不斷提高，車輛的NVH性能也成為汽車行業(yè)中的研究熱點。對于消費者而言，車輛怠速工況下的表現(xiàn)，最容易也最直接會被感受到，因此怠速噪聲的好壞必定會成為影響消費者選購產(chǎn)品的重要因素，是產(chǎn)品競爭力的重要組成部分。

該文針對某4缸柴油機，在怠速時出現(xiàn)的類似“嗒嗒”的高頻噪聲開展研究。首先結(jié)合整車以及發(fā)動機臺架試驗，確定該噪聲的頻率特征并準(zhǔn)確鎖定抱怨噪聲主要來自發(fā)動機供油系統(tǒng)；隨后對該供油系統(tǒng)噪聲的產(chǎn)生機理進行分析，尋找整車可行的優(yōu)化驗證方案。文中分別從怠速轉(zhuǎn)速、噴油提前角、噴油壓力、以及被動隔聲角度進行優(yōu)化措施的組合設(shè)計與驗證。由于因素較多，而且每個因素還有幾個水平，因此采用了分組試驗的方法，同時還采用了正交試驗設(shè)計減少試驗次數(shù)。通過多輪試驗分析，確定了具體改進因素的水平。最后通過實車驗證，鎖定的方案使該噪聲聲壓級與車內(nèi)整體聲壓級相差12 dB(A)以上，改善了整車上對于發(fā)動機的供油系統(tǒng)“嗒嗒”聲的抱怨。

本文所用的臺架試驗方法是按GB/T 1859.3-2015《往復(fù)式內(nèi)燃機 聲壓聲功率級的測定 第3部分：半消聲室精密法》進行測量的。本文所涉及的優(yōu)化方向是在準(zhǔn)確鎖定聲源位置的前提下并結(jié)合多年的工程經(jīng)驗所提出的，對于讀者，拓寬了識別和控制柴油機怠速供油系統(tǒng)噪聲的思路。本文在對于鎖定的優(yōu)化方向進行試驗驗證時，合理設(shè)計試驗方案，節(jié)省大量的試驗時間及資源，值得借鑒，推薦一讀。