汽油發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器同步噪聲G值與脈沖選型方法

周敏瑞，盧安，胡爽，李璽良

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器同步噪聲G值與脈沖選型方法

周敏瑞，盧安，胡爽，李璽良

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336）

發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器開發(fā)時(shí)需要關(guān)注同步噪聲，中間體G值振動(dòng)與葉輪脈沖選型在同步噪聲的控制上起到關(guān)鍵性的作用。通過對(duì)增壓器G值劣化分析、脈沖控制、G值初選和復(fù)選、一致性驗(yàn)證、生產(chǎn)控制等方法進(jìn)行同步噪聲優(yōu)化，以達(dá)到改善整車車內(nèi)增壓器噪聲的目的。

增壓器；同步噪聲；G值；脈沖

引言

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，人們生活水平的逐步提高，汽車成為人們必不可少的出行工具。除了滿足基本的代步需求，人們對(duì)汽車的動(dòng)力性、舒適性、和NVH要求也越來越高，追求澎湃動(dòng)力和低噪聲振動(dòng)。同時(shí)世界各國排放法規(guī)的不斷加嚴(yán)，也讓各汽車廠家面臨著壓力和挑戰(zhàn)，小排量高壓直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)越來越被市場認(rèn)可。

本文描述某型小排量三缸發(fā)動(dòng)機(jī)在增壓器開發(fā)時(shí)對(duì)增壓器同步嘯叫噪聲識(shí)別和控制方法，通過供應(yīng)商單體G值試驗(yàn)，整車上同步噪聲評(píng)價(jià)和測試，同步G值劣化，多樣本一致性測評(píng)，車輛耐久后評(píng)價(jià)驗(yàn)證等完善增壓器同步G值和脈沖選型，降低發(fā)動(dòng)機(jī)同步噪聲嘯叫。

同時(shí)本文也對(duì)增壓器開發(fā)過程中的其他NVH問題也做出了簡單的概述，在發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器開發(fā)時(shí)全方位關(guān)注可能帶來的噪聲問題。

1 增壓器概述

汽車用增壓器是將空氣在進(jìn)入氣缸以前預(yù)先壓縮，以提高空氣密度，增加進(jìn)氣量的一項(xiàng)技術(shù)，目的在于增加進(jìn)氣量、提高功率、改善經(jīng)濟(jì)學(xué)、改善排放。

增壓器主要包括：廢氣渦輪增壓器、機(jī)械渦輪增壓器、電輔助渦輪增壓器三大類，部分高性能發(fā)動(dòng)機(jī)采用廢氣和機(jī)械雙增壓形式以提高效率。本文僅就廢氣渦輪增壓器做相關(guān)介紹。

1.1 廢氣渦輪增壓器原理

廢氣渦輪增壓器利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣排出的700～900 °的高溫廢氣，驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)中的渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪軸帶動(dòng)壓氣機(jī)的葉輪高速旋轉(zhuǎn)，以離心的方式壓縮空氣，將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣密度提高到2～3個(gè)大氣壓[1]。再對(duì)增壓后的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行水冷或者空冷降低進(jìn)氣溫度，冷卻后的壓縮空氣進(jìn)入節(jié)氣門參與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒。同時(shí)電控調(diào)節(jié)合適的燃油噴射量，以提升發(fā)動(dòng)機(jī)中低速扭矩性能，如圖1。

圖1 增壓器工作原理

1.2 廢氣渦輪增壓器結(jié)構(gòu)

增壓器主要包括：渦輪、軸承、CHRA轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、壓殼、蝸殼、執(zhí)行器、油管水管等，如圖2[2]。

圖2 增壓器結(jié)構(gòu)圖

增壓器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包括壓葉輪、渦輪、軸承、中間體等，轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速在幾萬到二十多萬。

動(dòng)平衡是一個(gè)將質(zhì)心軸與轉(zhuǎn)軸盡可能接近的過程，增壓器控制中間體動(dòng)平衡可以延長軸承的壽命、減小振動(dòng)噪聲、減小功率損失、減小轉(zhuǎn)子負(fù)荷。

2 增壓器噪聲分類

增壓器噪聲主要包括：喘振噪聲、Hiss噪聲、同步噪聲、次同步噪聲、BPF噪聲、執(zhí)行器和旁通閥敲擊噪聲等。

喘振噪聲：喘振噪聲為增壓器實(shí)際運(yùn)行曲線在工作MAP圖中左移至喘振區(qū)域，會(huì)影響增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，必須要避免的。通常在增壓器選型匹配時(shí)優(yōu)化標(biāo)定數(shù)據(jù)，調(diào)整壓氣機(jī)進(jìn)氣再循環(huán)RCV閥或EGR閥開啟關(guān)閉時(shí)刻避免壓氣機(jī)耗氣曲線進(jìn)入喘振區(qū)域[3]。

Hiss噪聲：Hiss噪聲出現(xiàn)在大油門工況加速，隨著整車對(duì)大扭矩的需求，增壓器轉(zhuǎn)速迅速提升壓比流量增大。特征是寬頻1 000～20 000 Hz，主要原因是增壓發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速和高扭矩的需要，壓氣機(jī)運(yùn)行線移動(dòng)至增壓器喘振區(qū)進(jìn)氣流量低壓比過大。一般通過前期增壓器性能匹配標(biāo)定提高喘振裕度（≥15%）、增壓器入口處設(shè)計(jì)whoosh槽，壓前壓后管路增加頻率合適的消聲器、被動(dòng)聲學(xué)包裹、優(yōu)化整車聲學(xué)包等方法改善。

同步噪聲：同步噪聲分為同步振動(dòng)和同步脈沖噪聲，音頻特征均等于渦輪增壓葉輪轉(zhuǎn)速，頻率范圍0～5 000 Hz之間類似口哨聲。隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷增大同步頻率和響度也增大。同步振動(dòng)與中間體振動(dòng)量和轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡相關(guān)。同步振動(dòng)：葉輪轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下因自身的不平衡產(chǎn)生擾動(dòng)，引起轉(zhuǎn)子的自激勵(lì)振動(dòng)，從而產(chǎn)生噪音，渦輪轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，產(chǎn)生一次激勵(lì)；同步脈動(dòng)：是由于高速旋轉(zhuǎn)的葉輪的不平衡，造成空氣的壓力脈動(dòng)，從而引起的噪聲[4]。同步脈沖與葉片形狀、輪廓度、葉片布局、加工精度相關(guān)?？赏ㄟ^控制轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡量和葉輪脈沖值或者整車進(jìn)氣管路增加消聲器消除一階壓力脈沖來降低同步噪聲。

次同步噪聲：增壓器中間體軸承包括浮動(dòng)和半浮動(dòng)兩種，潤滑系統(tǒng)機(jī)油在軸承間形成油膜，增壓器徑向軸承不穩(wěn)定引起軸承油膜震蕩振蕩產(chǎn)生次同步噪聲，是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一種固有模態(tài)，車內(nèi)表現(xiàn)為500～1 200 Hz的低沉“嗚嗚”聲，可通過轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)仿真，優(yōu)化增壓器隔熱罩進(jìn)行改善。

BPF噪聲：增壓器設(shè)計(jì)前期對(duì)壓氣機(jī)葉輪與壓殼渦舌間的間隙不合理，會(huì)導(dǎo)致葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)氣流在間隙區(qū)域激蕩，產(chǎn)生高頻刺耳的噪聲，即為BPF噪聲，頻率6 000～20 000 Hz，約等于葉輪轉(zhuǎn)速與葉片的乘積。

3 增壓器匹配與同步噪聲檢測

增壓器在開發(fā)中需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和尺寸要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對(duì)增壓器進(jìn)行選型匹配和標(biāo)定優(yōu)化，選擇合適的運(yùn)行曲線，在臺(tái)架及整車上進(jìn)行性能驗(yàn)收。同時(shí)需滿足NVH方面要求無異?；蜉^大的噪聲。

3.1 增壓器性能匹配

對(duì)中小型高性能渦輪增壓器發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能匹配后，通過標(biāo)定優(yōu)化，使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行耗氣線遠(yuǎn)離喘振區(qū)域，預(yù)留一定的喘振裕度。發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器性能曲線圖如下圖3，橫坐標(biāo)為進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣流量，縱坐標(biāo)為增壓器壓比。

3.2 增壓器同步噪聲實(shí)測

增壓器未進(jìn)行G值匹配前在整車上大油門加速工況存在一定比例的嘯叫噪聲。

使用LMS或Head采集設(shè)備、噪聲振動(dòng)傳感器等，采集大油門加速工況發(fā)動(dòng)機(jī)車內(nèi)、增壓器近場噪聲及增壓器中間體振動(dòng)信號(hào)。輸出噪聲振動(dòng)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速-頻率colormap圖（圖4所示），發(fā)現(xiàn)車內(nèi)嘯叫特征與中間體同步振動(dòng)對(duì)應(yīng)，頻率與增壓器一階轉(zhuǎn)頻相同，為增壓器同步噪聲，如圖5所示。

坐標(biāo)：壓氣機(jī)校正流量（kg/s）每格0.02，縱坐標(biāo)：壓氣機(jī)壓比（kg/s）每格0.5。

圖4 增壓器中間體振動(dòng)測點(diǎn)

圖5 車內(nèi)同步噪聲與中間體振動(dòng)

將有同步嘯叫和無同步嘯叫的增壓器返廠進(jìn)行G值發(fā)現(xiàn)，嘯叫明顯的增壓器對(duì)應(yīng)的臺(tái)架G值偏大。

4 同步G值選型和脈沖控制

增壓器G值選型通常在前期性能和標(biāo)定試驗(yàn)完成后進(jìn)行供應(yīng)商單體VSR臺(tái)架測試和實(shí)車評(píng)價(jià)測試，一般需要進(jìn)行三輪選型。本文獻(xiàn)介紹的小型三缸發(fā)動(dòng)機(jī)由于尺寸緊湊，性能偏大，增大器尺寸和葉輪較小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可達(dá)到27萬轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)同步頻率較高，可達(dá)到4 300 Hz。

4.1 增壓器G值劣化

供應(yīng)商對(duì)增壓器進(jìn)行三十臺(tái)樣件劣化試驗(yàn)驗(yàn)證，采用正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行劣化G值分析，G2/3飄移量在10%以內(nèi)，如圖6，粗線為劣化前，細(xì)線為劣化后。

圖6 G值劣化分析

4.2 供應(yīng)商葉輪脈沖控制

增壓器供應(yīng)商在葉輪脈沖控制上采用全機(jī)加葉片進(jìn)行一次裝夾，每個(gè)葉片加工程序相同，葉片跳動(dòng)過程能力按照關(guān)鍵尺寸要求控制，滿足CPK>1.33，保證各個(gè)葉片的一致性，脈沖控制在150 Kpa以內(nèi)。如圖7。

圖7 葉輪脈沖控制

4.3 第一輪G值選型

第一輪進(jìn)行G值和脈沖粗選，這一階段的G值件通常是根據(jù)供應(yīng)商前期開發(fā)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行G值粗選，每個(gè)件的G值差異較大，供應(yīng)商單體VSR臺(tái)架冷吹測試（供應(yīng)商單體臺(tái)架冷處轉(zhuǎn)速到24萬轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)同步噪聲頻率4 000 Hz，測試工裝上振動(dòng)）增壓器劣化前后的G值，記錄測試數(shù)據(jù)和G值曲線，如圖8（以樣件中G值較大件一和較小件二為例，橫軸為增壓器轉(zhuǎn)速/萬轉(zhuǎn)，左縱軸為G值/g，右縱軸為葉輪脈沖/Pa），粗線為G值，細(xì)線為脈沖。

圖8 第一輪件臺(tái)架VSR振動(dòng)和脈沖曲線

將樣機(jī)裝車進(jìn)行整車上定擋位的大油門工況加速評(píng)價(jià)測試，采集發(fā)動(dòng)機(jī)車內(nèi)、增壓器近場噪聲及增壓器中間體振動(dòng)信號(hào)，輸出噪聲振動(dòng)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速-頻率colormap圖和增壓器轉(zhuǎn)速曲線，車內(nèi)同步噪聲與中間體振動(dòng)對(duì)應(yīng)，趨勢(shì)相同。如下圖9（左邊為件一 G值較大件測試數(shù)據(jù)，右邊為件二 G值較小件測試數(shù)據(jù)，從上到下依次為車內(nèi)噪聲-中間體三向RSS振動(dòng)-增壓器轉(zhuǎn)速）。

圖9 第一輪選型整車上振動(dòng)

從臺(tái)架單體VSR和整車測試評(píng)價(jià)結(jié)果，樣件一VSR臺(tái)架24萬轉(zhuǎn)以內(nèi)G值大，整車大油門加速車內(nèi)同步噪聲0～4 000 Hz及4000～4 500 Hz較差，不可接受；樣件二臺(tái)架24萬轉(zhuǎn)以內(nèi)G值較小，整車同步噪聲0～4 000 Hz車內(nèi)可接受。

4.4 第二輪G值選型

根據(jù)第一輪G值測試結(jié)果對(duì)G值根據(jù)增壓器轉(zhuǎn)速進(jìn)行分段定義限值，G1：0～6萬轉(zhuǎn)（對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000 rpm以下）?0.3，G2：6～18萬轉(zhuǎn)?0.3，G3：18～24萬轉(zhuǎn)（對(duì)應(yīng)同步噪聲頻率4 000 Hz）?0.4。

按照G值定義區(qū)間進(jìn)行第二輪樣件準(zhǔn)備和G值選型，樣件G值曲線如圖10（樣件三在22～24萬轉(zhuǎn)G值略大于0.4，樣件四/五24萬轉(zhuǎn)以內(nèi)G值0.4），整車測試結(jié)果如圖11。

根據(jù)整車上第二輪測試評(píng)價(jià)結(jié)果，件三增壓器在3 800～4 000 Hz左右存在同步較大，與G值曲線對(duì)應(yīng)；件四增壓器同步噪聲在4 000～4 400 Hz，增壓器轉(zhuǎn)速大于24萬轉(zhuǎn)，VSR臺(tái)架冷吹無法檢測區(qū)域，為驗(yàn)證4 000 Hz以上同步噪聲與G值對(duì)應(yīng)情況，將測試樣件返回供應(yīng)商復(fù)測G值結(jié)果與出廠G值相當(dāng)，隨即采用熱吹法（增壓器轉(zhuǎn)速可達(dá)到26萬轉(zhuǎn)）測試臺(tái)架上中間體振動(dòng)G值曲線，結(jié)果如圖12，細(xì)線為件三，粗實(shí)線為件四，粗虛線為件五。

圖10 第二輪件臺(tái)架G值/脈沖曲線

圖11 第二輪件整車上中間體振動(dòng)圖

圖12 第二輪件樣件臺(tái)架熱吹VSR振動(dòng)和G值復(fù)測結(jié)果

對(duì)比熱吹臺(tái)架和冷吹臺(tái)架，整車上振動(dòng)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，12～24萬轉(zhuǎn)冷吹與熱吹臺(tái)架振動(dòng)結(jié)果相當(dāng)，熱吹臺(tái)架24～26萬轉(zhuǎn)中間體G值振動(dòng)，對(duì)應(yīng)到同步噪聲4 000～4 350 Hz與整車上的結(jié)果對(duì)應(yīng)：件四增壓器24～26萬轉(zhuǎn)G值大，車內(nèi)/近場噪聲和振動(dòng)大。

4.5 第三輪G值選型（一致性驗(yàn)證）

根據(jù)第二輪G值選型結(jié)果，對(duì)G值進(jìn)一步定義限值：0～6萬轉(zhuǎn)（對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000 rpm以下）?0.3，6～18萬轉(zhuǎn)?0.35，18～24萬轉(zhuǎn)（對(duì)應(yīng)同步噪聲頻率4 000 Hz）?0.4。

按照此限制供應(yīng)商提供符合G值區(qū)間的五個(gè)樣件進(jìn)行第三輪五臺(tái)一致性驗(yàn)證，考慮到0～6萬轉(zhuǎn)G1區(qū)間內(nèi)為整車實(shí)際使用不到區(qū)域，為提高生產(chǎn)效率將G1提高到0.7，同時(shí)在G值區(qū)間內(nèi)做脈沖極限值150 kPa樣件，進(jìn)行整車上驗(yàn)證，實(shí)車測評(píng)結(jié)果同步噪聲可接受，五臺(tái)一致性較好。

結(jié)合供應(yīng)商實(shí)際成產(chǎn)效率，G值控制過低會(huì)導(dǎo)致供應(yīng)商動(dòng)平衡的生產(chǎn)效率下降，廢品率過高，增壓器成本增加。同時(shí)在G值開發(fā)選型中整車測評(píng)的M擋手動(dòng)模式全油門加速工況是車輛不常用工況，因此對(duì)G值進(jìn)一步定義限值：0～6萬轉(zhuǎn)（對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000 rpm以下）?0.7，6～18萬轉(zhuǎn)?0.35，18～24萬轉(zhuǎn)（對(duì)應(yīng)同步噪聲頻率4 000 Hz）?0.4，脈沖值150 kPa以內(nèi)。按照選型結(jié)果小批量裝車評(píng)價(jià)，同步噪聲可接受，整車無抱怨。

4.6 G值控制與提升

針對(duì)本款發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速高于其他發(fā)動(dòng)機(jī)，同步噪聲高達(dá)4 350 Hz，24萬轉(zhuǎn)以上區(qū)域4 000～4 350 Hz頻率內(nèi)噪聲不可控問題與供應(yīng)商進(jìn)行討論，對(duì)標(biāo)其他增壓器供應(yīng)商VSR臺(tái)架增壓器轉(zhuǎn)速僅可達(dá)到32萬轉(zhuǎn)，供應(yīng)商將列入長期改善計(jì)劃進(jìn)一步提升臺(tái)架測試轉(zhuǎn)速。在生產(chǎn)效率上通過降低初始動(dòng)不平衡量量，減小切割次數(shù)，同時(shí)進(jìn)行重新進(jìn)行切割程序標(biāo)定，提高切割效率。

4.7 同步噪聲耐久問題

在增壓器同步G值開發(fā)時(shí)除了需關(guān)注供應(yīng)商單體臺(tái)架G值劣化情況，還需要關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久前后G值變化情況，整車耐久前后G值漂移和同步噪聲變化，進(jìn)行車輛全過程N(yùn)VH噪聲管控，以滿足客戶車輛實(shí)際使用需求。

5 結(jié)論

本文對(duì)增壓器功能、原理、結(jié)構(gòu)做了簡單闡述，對(duì)增壓器常見的的NVH噪聲問題做了簡單的介紹，重點(diǎn)描述了增壓器同步噪聲G值和脈沖選型過程和控制方法。

案例中的某三缸小排量發(fā)動(dòng)機(jī)由于尺寸小，扭矩功率性能偏高，增壓器的轉(zhuǎn)速高于普通發(fā)動(dòng)機(jī)，在增壓器G值選型時(shí)高頻同步噪聲對(duì)應(yīng)的增壓器高轉(zhuǎn)速區(qū)域供應(yīng)商單體VSR冷吹臺(tái)架測試不到，通過進(jìn)行轉(zhuǎn)速提升優(yōu)化，在G值控制的同時(shí)兼顧生產(chǎn)效率，降低增壓器生產(chǎn)成本。為小型增壓器開發(fā)提供了參考案例。

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Turbocharger Synchronous Mechanical Unbalancing and Pulsation Limit Definition Study on Gasoline Engine

ZHOU Minrui, LU An, HU Shuang, LI Xiliang

( Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336 )

In the development of engine turbocharger, synchronous noise should be paid attention to. Both the intermediate G value vibration and impeller pulsation selection play a key role in the control of synchronous noise. In order to reduce the noise of the turbocharger in vehicles, the method of G value degradation analysis, pulsation control, G value selection and check, consistency verification, production control and so on were used for synchronous noise optimization.

Turbocharger; Synchronization noise; G valve; Pulse

A

1671-7988(2021)22-132-05

U471.2

A

1671-7988(2021)22-132-05

CLC NO.: U471.2

周敏瑞，女，發(fā)動(dòng)機(jī)NVH開發(fā)工程師，就職于寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，從事發(fā)動(dòng)機(jī)NVH零部件、整機(jī)、搭載整車上NVH開發(fā)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.034