降低兩級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)同步噪聲的研究

盛啟安 唐碧艷 姚建明 宋祥太 張 振

(1. 上海內(nèi)燃機(jī)研究所有限責(zé)任公司，上海 200438；2. 上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

0 前言

增壓器是用于提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力的裝置。隨著增壓技術(shù)的不斷發(fā)展，使用單級(jí)增壓器已無(wú)法兼顧高低速運(yùn)行的工況要求。近年來(lái)，兩級(jí)增壓器得到了長(zhǎng)足發(fā)展，以滿足用戶需求。

兩級(jí)增壓器系統(tǒng)主要有2種類型:兩級(jí)串聯(lián)渦輪增壓系統(tǒng)和兩級(jí)并聯(lián)渦輪增壓系統(tǒng)。本文研究的兩級(jí)串聯(lián)渦輪增壓由高壓級(jí)和低壓級(jí)增壓系統(tǒng)串聯(lián)而成，可在較為寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提高增壓比，同時(shí)提高低速扭矩和高速扭矩的轉(zhuǎn)速范圍。圖1為兩級(jí)增壓器的工作原理[1]。

在圖1中，低壓級(jí)增壓器廢氣旁通閥(WGV)控制低壓級(jí)的轉(zhuǎn)速。渦輪端旁通閥(TBV)則控制高壓級(jí)和低壓級(jí)增壓器的排氣分配比例，保證增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的匹配。壓氣機(jī)端旁通閥(CBV)與TBV閥同時(shí)控制高壓級(jí)和低壓級(jí)增壓器的工作區(qū)域。

圖1 兩級(jí)增壓器系統(tǒng)工作原理

在增壓器提升動(dòng)力性的同時(shí)，會(huì)帶來(lái)一定的噪聲影響。增壓器同步噪聲是增壓器噪聲出現(xiàn)最多的噪聲之一，該噪聲的產(chǎn)生原因是增壓器中間體轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)不平衡。增壓器同步噪聲呈現(xiàn)出來(lái)的特征與增壓器轉(zhuǎn)速頻率相同[2]。通過(guò)增壓器G值分布及傳遞路徑中相關(guān)薄壁零件對(duì)同步噪聲放大等進(jìn)行研究分析，得出同步噪聲放大的原因及解決方案，并進(jìn)行驗(yàn)證。

1 噪聲分布

如圖2所示，在對(duì)車輛進(jìn)行噪聲測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)搭載兩級(jí)增壓器系統(tǒng)的柴油機(jī)的某多功能運(yùn)動(dòng)車(SUV)存在加速時(shí)的抱怨噪聲，測(cè)試結(jié)果為700～900 Hz的抱怨噪聲。

圖2 抱怨噪聲頻譜圖

為了排查異響源，對(duì)整車進(jìn)行噪聲-振動(dòng)-平順性(NVH)試驗(yàn)。試驗(yàn)要求根據(jù)GB 1495—2002標(biāo)準(zhǔn)[3]，在試車道進(jìn)行測(cè)試，保證地面為開(kāi)闊的水泥地，兩旁障礙物距離3 m以上，環(huán)境溫度控制在25 ℃，且風(fēng)速不高于5 m/s，路面無(wú)積水，并避免在下雨天進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)利用LMS公司生產(chǎn)的Test Lab聲學(xué)與振動(dòng)分析系統(tǒng)，采集兩級(jí)增壓器高壓級(jí)中間體的振動(dòng)，采集車內(nèi)主駕右耳的噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)近場(chǎng)噪聲。

測(cè)試時(shí)采集車輛加速工況的數(shù)據(jù)，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 200～2 800 r/min范圍內(nèi)的車內(nèi)噪聲和增壓器振動(dòng)數(shù)據(jù)。利用LMS Test Lab軟件生成的頻譜圖如圖3所示。

圖3 車內(nèi)噪聲頻譜圖與增壓器本體振動(dòng)

由測(cè)試數(shù)據(jù)可得，車內(nèi)抱怨噪聲的頻率與增壓器本體頻率相符，根據(jù)增壓器同步噪聲的特征，確認(rèn)是由增壓器引起的同步噪聲。

2 噪聲分析

同步噪聲有2種可能產(chǎn)生的原因：(1)是因?yàn)橹虚g體轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的增壓器本體振動(dòng)噪聲；(2)是因?yàn)檫@種不平衡造成傳遞路徑中薄壁零件的共振，放大了增壓器的同步噪聲。

2.1 增壓器G值分析

增壓器G值表示增壓器中間體轉(zhuǎn)子的動(dòng)不平衡值，是衡量增壓器是否會(huì)產(chǎn)生同步噪聲的1個(gè)重要指標(biāo)。兩級(jí)增壓器則有2個(gè)轉(zhuǎn)子的G值。定義G1為轉(zhuǎn)速在400～1 500 r/min范圍內(nèi)的峰值；G2為轉(zhuǎn)速在1 500～2 800 r/min范圍內(nèi)的峰值[4]。G值的計(jì)算公式為

f=N×n

(1)

a=0.002×f2×D

(2)

(3)

式中，n為測(cè)得的增壓器轉(zhuǎn)速，單位為r/min；N為壓端轉(zhuǎn)子葉輪葉片數(shù)；f為頻率，單位為Hz；D為位移振幅，單位為m；a為振幅加速度，單位為m/s-2；g為重力加速度。在檢測(cè)了37臺(tái)搭載在SUV上的兩級(jí)增壓器后的測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩級(jí)增壓器G值分布

根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，圖4(a)中兩級(jí)增壓器高壓級(jí)的G1值應(yīng)控制在0.25以內(nèi)，G2值控制在0.45內(nèi)，圖(b)中低壓級(jí)G1值應(yīng)控制在0.4以內(nèi)，G2值控制在0.6以內(nèi)。從兩級(jí)增壓器G值分布看，低壓級(jí)G1和G2需要收緊G值范圍。

2.2 傳遞路徑分析

由同步噪聲激勵(lì)，有可能會(huì)使附近的隔熱罩共振放大。為了驗(yàn)證該假設(shè)，用3臺(tái)搭載相似G值的兩級(jí)增壓器的整車進(jìn)行對(duì)標(biāo)測(cè)試，測(cè)試其在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)的穩(wěn)態(tài)噪聲。傳感器與傳聲器分布與NVH試驗(yàn)相同，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。其中A車為出現(xiàn)噪聲抱怨的SUV。從測(cè)試結(jié)果分析，3臺(tái)車的本體振動(dòng)具有差異性，A車的振動(dòng)表現(xiàn)最差，車內(nèi)噪聲也最大，頻率均在770 Hz附近。而B(niǎo)、C車的振動(dòng)表現(xiàn)較好，也未產(chǎn)生明顯的同步噪聲。根據(jù)車輛的差異性分析，初步判斷鎖定是顆粒捕集器(DPF)和增壓器隔熱罩的差異性所致。為驗(yàn)證該假設(shè)，在A車上進(jìn)行了錘擊測(cè)試。

圖5 怠速時(shí)噪聲頻譜圖(a)與增壓器中間體振動(dòng)圖像(b)

如圖6所示，接下來(lái)對(duì)隔熱罩進(jìn)行頻域響應(yīng)分析，計(jì)算出固有頻率，并與同步噪聲對(duì)應(yīng)的頻率進(jìn)行對(duì)比。利用SIEMENS SCADAS XS移動(dòng)采集及回放系統(tǒng)，對(duì)錘擊測(cè)試中的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。通過(guò)敲擊增壓器中間體螺栓，測(cè)量DPF前置催化器隔熱罩和兩級(jí)增壓器隔熱罩的固有頻率。

圖6 錘擊測(cè)試

DPF前置催化器隔熱罩分為DPF前置催化器左隔熱罩和DPF前置催化器右隔熱罩，對(duì)DPF前置催化器隔熱罩進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)應(yīng)測(cè)量2個(gè)DPF前置催化器隔熱罩的數(shù)據(jù)。

3 分析結(jié)果

3.1 錘擊測(cè)試分析

如圖7和圖8所示，在錘擊測(cè)試完成后，利用LMS Test Lab振動(dòng)噪聲分析軟件，對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集及處理，并將所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻響函數(shù)(FRF)圖。

圖7 DPF前置催化器右隔熱罩FRF圖

圖8 DPF前置催化器左隔熱罩FRF圖

在繪制FRF圖后觀察可得知，2個(gè)DPF前置催化器隔熱罩都具有755 Hz的固有頻率，在A車所測(cè)得的1 000 r/min穩(wěn)態(tài)工況的同步噪聲頻率在770 Hz附近。圖9為增壓器隔熱罩的FRF圖。

圖9 增壓器隔熱罩FRF圖

相對(duì)于DPF前置催化器的兩片隔熱罩而言，增壓器隔熱罩具有的固有頻率為874.89 Hz，與抱怨噪聲頻率不符。結(jié)合之前對(duì)兩級(jí)增壓器的NVH試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)分析，其對(duì)增壓器的同步噪聲放大影響較低。

3.2 DPF前置催化器隔熱罩的降噪措施

要減小DPF前置催化器隔熱罩對(duì)同步噪聲的影響，需要破壞DPF前置催化器隔熱罩的共振頻率。綜合考慮工作條件和措施實(shí)施的可行性，對(duì)DPF前置催化器隔熱罩內(nèi)外側(cè)薄弱區(qū)域鈑金處增加焊點(diǎn)。該改進(jìn)方法兼顧以下3個(gè)方面：(1)增加焊點(diǎn)后破壞共振，能減少兩級(jí)增壓器同步噪聲的放大；(2)保證DPF前置催化器隔熱罩的質(zhì)量不增加，保證在生產(chǎn)過(guò)程中的工藝性和經(jīng)濟(jì)性；(3)不對(duì)DPF前置催化器隔熱罩的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，確保與發(fā)動(dòng)機(jī)其他零件裝配時(shí)隔熱性等性能不會(huì)發(fā)生變化。增加的焊點(diǎn)如圖10所示。

圖10 DPF前催隔熱罩增加焊點(diǎn)的位置

3.3 DPF前置催化器隔熱罩的優(yōu)化效果

為了檢驗(yàn)更改后的DPF前置催化器隔熱罩的降噪效果，將增加焊點(diǎn)后的DPF前置催化器隔熱罩安裝在A車上，再次對(duì)A車進(jìn)行轉(zhuǎn)速為1 000 r/min工況的測(cè)試，將該評(píng)價(jià)結(jié)果記為A′，結(jié)果如圖11所示。從圖11可知，搭載增加焊接點(diǎn)的DPF隔熱罩，A′的嘯叫噪聲明顯降低。

圖11 怠速時(shí)噪聲頻譜圖(優(yōu)化后)

4 結(jié)論

本文針對(duì)搭載兩級(jí)增壓器的某SUV車出現(xiàn)的加速行駛時(shí)的嘯叫問(wèn)題，通過(guò)NVH試驗(yàn)，結(jié)合車內(nèi)噪聲頻譜圖和兩級(jí)增壓器的振動(dòng)圖像，判斷結(jié)果是由增壓器同步噪聲引起的嘯叫。結(jié)合增壓器G值分析和增壓器同步噪聲貢獻(xiàn)量分析，查出同步噪聲產(chǎn)生原因如下：(1)用于某SUV車型的部分兩級(jí)增壓器低壓級(jí)G值未嚴(yán)格按照最優(yōu)G值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制造；(2)由于安裝的差異性，DPF前置催化器隔熱罩對(duì)增壓器同步噪聲具有放大效果。

以DPF前置催化器隔熱罩和增壓器隔熱罩為研究對(duì)象，選擇搭載兩級(jí)增壓器的3臺(tái)SUV車型對(duì)其進(jìn)行1 000 r/min的怠速測(cè)試。對(duì)產(chǎn)生同步噪聲放大的整車進(jìn)行錘擊測(cè)試，計(jì)算了2個(gè)隔熱罩的固有頻率，并將其與怠速時(shí)增壓器同步噪聲的頻率結(jié)合進(jìn)行分析。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，兩級(jí)增壓器的增壓器隔熱罩對(duì)增壓器的同步噪聲基本沒(méi)有放大效果，而DPF前置催化器隔熱罩會(huì)對(duì)增壓器的同步噪聲造成放大影響。為了減少同步噪聲的放大，需對(duì)DPF前置催化器隔熱罩的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)對(duì)DPF前置催化器隔熱罩增加焊點(diǎn)，可降低安裝隔熱罩時(shí)的差異性，改善同步噪聲的放大影響。