某發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器敲擊聲問(wèn)題分析

楊依

摘要： 某發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架標(biāo)定過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)增壓器附近有明顯的金屬敲擊聲。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試并結(jié)合增壓器本身結(jié)構(gòu)分析，判定該異音源為執(zhí)行器組件間的敲擊。后續(xù)通過(guò)整改減小該尺寸間隙，從而使該敲擊聲明顯減弱。

Abstract： During the calibration of an engine on the bench， an obvious metal knocking sound was found near the supercharger. Through the test and the analysis of the structure of the supercharger， it is determined that the sound source is the percussion between the actuator components. The subsequent rectification reduces the size， so that the knocking sound is significantly weakened.

關(guān)鍵詞： 發(fā)動(dòng)機(jī);渦輪增壓器;敲擊聲

Key words： engine;turbocharger;knock sound

中圖分類(lèi)號(hào)：TK442? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0052-02

0? 引言

隨著汽車(chē)工業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)及相關(guān)節(jié)能減排的法規(guī)越來(lái)越苛刻，在油耗降低的同時(shí)用戶(hù)對(duì)動(dòng)力性的要求越來(lái)越高。而動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性在發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中相互矛盾，為此，各大生產(chǎn)廠家都致力于研發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓小型化，即減小發(fā)動(dòng)機(jī)體積的同時(shí)采用增壓技術(shù)。由于渦輪增壓器每分鐘高達(dá)十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)甚至幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必定會(huì)產(chǎn)生階次振動(dòng)及噪聲，而內(nèi)部的氣體流體產(chǎn)生的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生寬頻且較為高頻的噪聲，極容易從進(jìn)、排氣管的表面輻射出來(lái)，故由增壓器引起的NVH問(wèn)題更加不可忽視[1]，本文針對(duì)某研發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)在增壓器匹配過(guò)程中出現(xiàn)的敲擊聲進(jìn)行了調(diào)查研究，并提出了相應(yīng)的解決方案。

1? 增壓器工作原理及噪聲分類(lèi)

渦輪增壓器實(shí)際上是一種空氣壓縮機(jī)，通過(guò)壓縮空氣來(lái)增加進(jìn)氣量。它是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來(lái)推動(dòng)渦輪，同時(shí)帶動(dòng)同軸的壓輪工作，壓輪壓送由空氣濾清器送來(lái)的新鮮空氣，使之增壓后進(jìn)入氣缸。

一般的車(chē)用渦輪增壓器一般由離心式壓氣機(jī)和徑流式渦輪機(jī)及中間體三大部分構(gòu)成。具體由渦殼、壓殼、渦輪、葉輪、轉(zhuǎn)軸、中間殼、軸承、密封套、活塞環(huán)、泄壓閥、電池閥、執(zhí)行器部件以及膠管等各零部件組成。

渦輪增壓器作為一個(gè)精密儀器，葉輪、渦輪和密封套等零件安裝在轉(zhuǎn)軸上，構(gòu)成轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速可以從每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)到二十萬(wàn)轉(zhuǎn)，不僅對(duì)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡品質(zhì)有十分嚴(yán)格的要求，而且高溫高轉(zhuǎn)速的惡劣環(huán)境也對(duì)轉(zhuǎn)子的可靠性提出了挑戰(zhàn)。不僅如此，渦輪增壓器還帶有進(jìn)氣泄壓閥和排氣泄壓閥。當(dāng)增壓壓力過(guò)高時(shí)，就會(huì)通過(guò)電池閥將泄壓閥打開(kāi)，將節(jié)氣門(mén)體前壓力過(guò)高的壓縮空氣通過(guò)泄壓閥引導(dǎo)到壓氣機(jī)葉輪前，保護(hù)進(jìn)氣組件。同理，當(dāng)增壓壓力過(guò)高或轉(zhuǎn)子超速時(shí)，廢氣旁通閥打開(kāi)，使部分廢氣旁通排掉，從而減少渦輪的廢氣量，達(dá)到降低增壓器轉(zhuǎn)速和增壓壓力的目的。渦輪增壓器的這種工作模式會(huì)帶來(lái)由結(jié)構(gòu)共振或者零件組件相互觸碰引發(fā)的結(jié)構(gòu)噪聲以及由氣流流通或者紊流引起的空氣噪聲。

根據(jù)上述渦輪增壓器的工作原理及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，產(chǎn)生的增壓器噪聲可分為以下幾類(lèi)[2]：①階次噪聲：同增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成一定的比例。成一倍關(guān)系的是同步噪聲，主要由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡引起;成0.3-0.4諧波倍數(shù)的是次同步噪聲，主要由轉(zhuǎn)子軸承內(nèi)油膜震蕩引起。兩者噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)階次不相關(guān)，一般均由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生，傳遞到中間件、壓殼、蝸殼，從而傳到進(jìn)氣、排氣系統(tǒng)，最后通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)艙傳遞到駕駛室內(nèi)。②氣流噪聲，如泄氣噪聲（進(jìn)氣泄壓、排氣泄壓），高壓氣流流過(guò)泄氣閥口和腔體產(chǎn)生的噪聲，屬于寬頻噪聲，一般由空氣聲通過(guò)進(jìn)氣管、空濾軟管、中冷管等管路輻射。可通過(guò)增加寬頻消聲器，優(yōu)化標(biāo)定策略控制泄氣時(shí)間，減少管道輻射等方式進(jìn)行降噪。氣流噪聲包括：壓氣機(jī)流道變化和壓氣機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定而引起的高頻氣體脈動(dòng)噪聲;喘振噪聲，即增壓器工作在喘振線(xiàn)外，流量過(guò)小時(shí)，葉片擴(kuò)壓器內(nèi)與進(jìn)氣口處氣流與壁面分離，使氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈的震蕩和倒流;以及由于氣體管道形狀、管道剛度不合理引起的氣體脈動(dòng)噪聲。③敲擊噪聲：廢氣旁通閥與閥座敲擊引起的嗒嗒聲，包括：執(zhí)行器組件間的匹配不合理產(chǎn)生的敲擊聲，廢氣旁通閥與閥座變形或加工誤差引起的敲擊。

2? 增壓器敲擊聲排查及解決方法

某新開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架標(biāo)定過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)增壓器附近有類(lèi)似金屬的敲擊聲響，當(dāng)轉(zhuǎn)速在1500rpm扭矩為80Nm時(shí)該敲擊聲最為明顯。通過(guò)測(cè)試增壓器的近場(chǎng)噪聲及各組件之間的振動(dòng)信號(hào)，從而確定增壓器的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率[3]。其中，麥克風(fēng)的位置靠近增壓器渦輪殼體外表面，加速度傳感器分別布置在增壓器中間體進(jìn)油螺栓、執(zhí)行器本體以及執(zhí)行器拉桿的位置。如圖1所示為測(cè)試結(jié)果，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波分析，該敲擊聲主要集中在11kHz-17kHz，屬于寬頻噪聲。對(duì)應(yīng)查看各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，發(fā)現(xiàn)執(zhí)行器拉桿產(chǎn)生的振動(dòng)量最大，且能量亦集中在該頻段，后續(xù)需重點(diǎn)分析執(zhí)行器組件結(jié)構(gòu)。

該款發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用電子控制的廢氣旁通閥，也稱(chēng)為增壓壓力控制單元，是由ECU發(fā)出占空比信號(hào)直接控制拉桿作動(dòng)，執(zhí)行打開(kāi)或關(guān)閉廢氣閥[4]，如圖2所示。由于廢氣旁通閥工作溫度非常高，為防止熱脹冷縮帶來(lái)的裂紋問(wèn)題，閥片在轉(zhuǎn)軸處之間是有一定間隙的，即閥片是可以自由活動(dòng)的。當(dāng)增壓器自然狀態(tài)下，廢氣旁通閥關(guān)閉，此時(shí)閥片會(huì)緊緊壓在閥座上。當(dāng)增壓器工作時(shí)，為防止在某些工況超速，閥體打開(kāi)放氣，閥片處于自由狀態(tài)，就會(huì)與其他零件振動(dòng)產(chǎn)生敲擊。推測(cè)可能有以下幾種原因：廢氣閥片與渦殼閥座之間的敲擊;閥片與轉(zhuǎn)軸之間的敲擊;搖臂與渦殼本體之間的敲擊[5]。

根據(jù)以上原因進(jìn)行逐項(xiàng)排查，當(dāng)壓緊拉桿對(duì)其進(jìn)行固定時(shí)，由于搖臂固定在拉桿上，即固定了搖臂與蝸殼本體之間的作動(dòng)，減少兩者之間的間隙。主觀聽(tīng)取該工況下的敲擊聲明顯減弱，故推斷該敲擊聲由搖臂與渦殼本體之間的間隙過(guò)大引起。查看該零件圖紙的原設(shè)計(jì)值為0.50±0.20mm，如圖3所示。后續(xù)制作整改樣件（在搖臂處增加墊片）減小搖臂與渦殼本體之間的間隙。將優(yōu)化樣件搭載于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架進(jìn)行主、客觀評(píng)價(jià)及測(cè)試分析，如圖4所示。測(cè)試結(jié)果表明：拉桿處振動(dòng)及增壓器的近場(chǎng)聲音在11kHz-17kHz均有明顯的減弱。

3? 總結(jié)

增壓器技術(shù)可以大幅度的提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的排放。而增壓器又是一個(gè)由多種零部件構(gòu)成的復(fù)雜組件，其噪聲包含旋轉(zhuǎn)體的階次噪聲，管道輻射出來(lái)的氣流噪聲，以及各零部件配合產(chǎn)生的敲擊聲響等等，這些噪聲不同于自然吸氣的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。所以在考慮增壓器本身的可靠性、實(shí)車(chē)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性時(shí)，也需要結(jié)合NVH進(jìn)行合理的匹配，優(yōu)化增壓器各零部件間的設(shè)計(jì)、制造、裝配工藝，以提升整車(chē)聲品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]龐劍，諶剛，何華.汽車(chē)噪聲與振動(dòng)理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

[2]楊景玲，李克俊，張東，等.發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器異響產(chǎn)生機(jī)理及解決方法研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2014.

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[5]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，1997.