柴油機(jī)增壓進(jìn)氣系統(tǒng)典型噪聲優(yōu)化

趙鑫，張文通，劉海朋，馬麗,馬海川

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊 261061； 2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行噪聲比較大，發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的布置位置不同，駕駛?cè)藛T對噪聲的感受也不同。整車車身、車架設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)采取減振、隔聲措施，如在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)及車身其它位置布置隔音棉、在排氣管上加裝消聲器等，降低噪聲能量和車內(nèi)噪聲，保證駕駛員及乘客在車內(nèi)有良好的駕駛體驗(yàn)。

為了提高動(dòng)力性，柴油機(jī)多采用增壓進(jìn)氣系統(tǒng)，有的會(huì)采用兩級增壓。增壓器在工況變化時(shí)會(huì)對進(jìn)氣管路中的氣流狀態(tài)產(chǎn)生影響，產(chǎn)生的噪聲除自身及管路輻射外，還會(huì)通過進(jìn)氣管路和進(jìn)氣口進(jìn)行傳播。增壓進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲頻率為5000～15 000 Hz時(shí)較為集中，嚴(yán)重影響了整車的噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度(noise vibration vharshness, NVH)性能[1-3]。

本文中通過分析柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)典型噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，結(jié)合整車測試，研究優(yōu)化增壓器結(jié)構(gòu)、加裝消聲器、增加管路包裹3種消聲措施對進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲的改善效果。

1 噪聲機(jī)理及分類

柴油機(jī)增壓進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲主要來源于增壓器，如果增壓器匹配不當(dāng)或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，高速運(yùn)行或者運(yùn)行工況突變時(shí)，流經(jīng)葉片及殼體的氣流產(chǎn)生擾動(dòng)和前后的壓力波動(dòng)，導(dǎo)致進(jìn)氣管內(nèi)氣流流向或狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生紊流，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲。根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理和頻譜特征，噪聲可分為同步噪聲、次同步噪聲、喘振、泄氣噪聲、HISS噪聲、葉片通過頻率(blade passing frequency,BPF)噪聲及其他氣流噪聲等[4-5]。

泄氣噪聲是在進(jìn)氣節(jié)流閥迅速關(guān)閉時(shí)，高壓氣體通過旁通閥的聲音，在汽油機(jī)上經(jīng)常出現(xiàn)。在急松油門時(shí)，由于壓氣機(jī)的氣流變化過快，導(dǎo)致壓氣機(jī)前后的氣體在壓力作用下沿壓氣機(jī)殼體產(chǎn)生回流，從而產(chǎn)生泄氣噪聲，其頻率范圍較寬[6-8]。泄氣噪聲在連續(xù)換擋加速工況松、踩油門的換擋間隙時(shí)出現(xiàn)，噪聲能量不規(guī)律，頻帶較寬，控制油門速度可以改變噪聲的狀態(tài)，但無法避免。某典型的泄氣噪聲頻譜如圖1所示。

圖1 泄氣噪聲頻譜

BPF噪聲是一種典型的高頻噪聲，葉輪掃氣時(shí)，高速氣流在葉尖處產(chǎn)生分流，類似于氣流吹掃葉尖的聲音。有文獻(xiàn)中描述為：氣流在通過葉尖部位時(shí)，由于上、下壓力不同，使葉片產(chǎn)生振蕩引起渦流[9]。BPF噪聲頻譜如圖2所示。

圖2 BPF噪聲頻譜

BPF噪聲頻率和增壓器轉(zhuǎn)速關(guān)系為：

f=nk/60,

式中：f為頻率，Hz；n為增壓器轉(zhuǎn)速，r/min；k為葉輪葉片數(shù)。

2 消聲措施

最常見的消聲措施為加裝消聲器和包裹管路。增壓進(jìn)氣系統(tǒng)中因增壓器設(shè)計(jì)匹配問題產(chǎn)生的噪聲可以通過葉片修形及控制動(dòng)平衡來優(yōu)化，但研發(fā)成本較高，而且僅優(yōu)化增壓器，無法同時(shí)保證整車全工況運(yùn)行時(shí)具有良好的動(dòng)力性及NVH性能[10]。

消聲器可分為阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復(fù)合型消聲器[11]。1)阻性消聲器通過在消聲器內(nèi)部填充材料，吸收聲波的能量，實(shí)現(xiàn)消聲。因整車增壓器后進(jìn)氣管路溫度較高，且存在少量油氣，要求材料具有一定的耐溫、耐腐蝕性能，成本較高，很少在商用車上使用。2)抗性消聲器通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使聲波在傳遞過程中反彈或能量瞬間擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)能量抵消，降低噪聲。與阻性消聲器相比，抗性消聲器的成本較低，廣泛應(yīng)用于進(jìn)排氣管路。3)阻抗復(fù)合性消聲器同時(shí)具備阻性消聲器和抗性消聲器的特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，常應(yīng)用于高端車型。

抗性消聲器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工工藝難，多為分段組合式。抗性消聲器分為共振式、穿孔管式和1/4波長管消聲器[12]。穿孔管消聲器由內(nèi)部穿孔管與諧振腔構(gòu)成，通過結(jié)構(gòu)組合，消聲頻率可以設(shè)計(jì)的比較寬，而且可以通過控制諧振腔及孔數(shù)、孔徑、孔深等對各個(gè)頻段噪聲起到優(yōu)化效果，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 穿孔管消聲器結(jié)構(gòu)簡圖

消聲器的共振頻率

式中：c為聲速，m/s；σ為孔隙率；h為腔體深度，mm；l為孔徑，mm。

圖4 1/4波長管結(jié)構(gòu)示意圖

1/4波長管也是一種抗性消聲器，是旁支消聲器的一種。當(dāng)聲波在管路中傳播遇到邊界會(huì)發(fā)生反彈[13]，相同頻率不同方向的噪聲可以相互抵消，不同頻率的噪聲因方向相反也會(huì)抵消一部分，1/4波長管結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

聲波能量傳遞損失

(1)

式中：L為1/4波長管的長度，m；α為波長管與主管路的面積比；λ為波長，m。

由式(1)可知：當(dāng)2πL/λ=π/2時(shí)，ETL最大，此時(shí)L=λ/4。

1/4波長管的共振頻率

f2=c/(4L)。

一件1/4波長管影響的噪聲頻率范圍較小，因整車布置空間有限，在實(shí)際應(yīng)用中通常采用多個(gè)波長管組合方式實(shí)現(xiàn)全頻率消聲，如排簫式1/4波長管。消聲器雖然可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)全頻率消音，但消聲效果有限，能量較大的噪聲仍然可以通過管路輻射傳遞出來，通過對輻射占比較大的管段包裹隔聲材料，可以對噪聲起到有效的衰減作用[14]。

3 噪聲測試與優(yōu)化

3.1 測試

某發(fā)動(dòng)機(jī)前置商用車在加速時(shí)有明顯的尖銳哨音，松油門時(shí)的泄氣聲也比較明顯。為排查異響問題，在整車駕駛室內(nèi)和發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)增壓器近場分別布置麥克風(fēng)進(jìn)行音頻采集，測試噪聲及頻率范圍。

在原地怠速工況下，踩油門到額定轉(zhuǎn)速，然后急松油門踏板，主觀感受其噪聲狀態(tài)為：車內(nèi)駕駛室及第2、3排乘客座椅位置能夠明顯聽到松油門泄氣聲，加速時(shí)哨音不明顯。噪聲頻譜如圖5所示。

圖5 原地松踩油門工況噪聲頻譜

由圖5可知：頻率為7000～10 000 Hz時(shí)泄氣噪聲能量較大，頻率為5000～7500 Hz時(shí)能量較小。

測試整車連續(xù)換擋加速工況，車輛在2擋起步，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min時(shí)換擋，直到最高擋位(6擋)為止。主觀感受噪聲狀態(tài)為：加速時(shí)有明顯的尖銳聲音，松油門間隙駕駛室及車內(nèi)前排可明顯感受到泄氣聲音。連續(xù)換擋加速工況噪聲頻譜如圖6所示。由圖6可知：噪聲頻率集中在5000～10 000 Hz，增壓器近場在頻率為7000～10 000 Hz時(shí)，有明顯的異常噪聲能量。

圖6 連續(xù)換擋加速工況噪聲頻譜

3.2 優(yōu)化

3.2.1 消聲器

通過分析整車噪聲頻率特點(diǎn)，針對頻率為5000～10 000 Hz的噪聲，設(shè)計(jì)一款穿孔管消聲器，替代壓氣機(jī)后端進(jìn)氣管路，裝車后再次進(jìn)行整車噪聲試驗(yàn)，主要測試連續(xù)換擋加速工況時(shí)駕駛員側(cè)及增壓器近場噪聲。主觀感受噪聲狀態(tài)為：加速時(shí)噪聲明顯改善，但依然可以感受到輕微的蟬鳴聲；急松油門時(shí)泄氣聲音較原來有所衰減，綜合噪聲改善效果明顯。加裝消聲器后行駛工況噪聲頻譜如圖7所示。

圖7 加裝消聲器后行駛工況噪聲頻譜

由圖7可知：消聲器對于頻率為5000～10 000 Hz的噪聲有衰減作用，可以明顯削弱頻率大于7000 Hz的噪聲。但因空間布置原因，該消聲器消聲能力有限，雖對異常噪聲有較好的改善效果，但不能完全去除噪聲。

3.2.2 增壓器

依據(jù)驗(yàn)證測試結(jié)果，使用穿孔管消聲器后，連續(xù)換擋加速時(shí)仍能感受到明顯的氣流噪聲。對噪聲頻譜進(jìn)一步分析，駕駛員右耳位置噪聲頻譜如圖8所示。

圖8 測試車輛駕駛員右耳噪聲頻譜

由圖8可知：該噪聲為加速時(shí)的BPF噪聲和松油門泄氣聲。1)分析表明增壓器自身結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致加速時(shí)的BPF噪聲的主要原因。對增壓器進(jìn)行葉片修形，進(jìn)行噪聲測試，BPF噪聲有明顯改善。2)松油門時(shí)泄氣噪聲產(chǎn)生的原因?yàn)椋核捎烷T時(shí)，進(jìn)氣節(jié)流閥關(guān)閉，由于增壓器前后管路壓力差較大，壓后管路中的氣流產(chǎn)生了回流，引起泄氣聲；調(diào)整進(jìn)氣節(jié)流閥的關(guān)閉速度可以在一定程度上改善泄氣噪聲，但對整車排放有一定的影響[15-16]。

綜上分析，優(yōu)化噪聲源不能達(dá)到最優(yōu)效果。

3.2.3 包裹管路

通過管路輻射傳遞到駕駛室中的噪聲占比較大，還有一部分噪聲通過整車進(jìn)氣口傳出。由于進(jìn)氣口在整車最前方，行駛過程中對駕駛室的噪聲影響較小。通過管路輻射傳遞的噪聲多采用隔聲材料包裹進(jìn)行消音。在裝有消聲器的情況下同時(shí)對消聲器進(jìn)行包裹[17-18]，測試的噪聲頻譜如圖9所示。

圖9 消聲器加包裹材料的噪聲頻譜

由圖9可知：在全頻率段噪聲能量均有所衰減，5000～10 000 Hz的高頻噪聲優(yōu)化較為明顯，該方法可以較好地改善噪聲。

高頻噪聲和泄氣噪聲在壓后管路影響較大，消聲器通過自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)抵消了大部分噪聲，包裹隔聲材料阻礙了噪聲的傳播，二者相結(jié)合的方式可以對進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲起到有效的抑制作用。

4 結(jié)論

1)分析噪聲問題不能單純靠人耳判斷故障點(diǎn)及故障原因，需結(jié)合噪聲頻譜分析噪聲的類別及產(chǎn)生的原因。

2)進(jìn)氣系統(tǒng)泄氣噪聲的頻率范圍較寬，其噪聲特性與轉(zhuǎn)速無關(guān)；BPF噪聲屬于高頻噪聲，其噪聲特性與轉(zhuǎn)速存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。

3)穿孔管消聲器與1/4波長管消聲器均可以通過修正結(jié)構(gòu)參數(shù)或者采用組合結(jié)構(gòu)的方式改善全頻率段噪聲。

4)噪聲源包裹隔音材料可以有效切斷噪聲通過管路輻射的傳播路徑；在處理能量較大的噪聲時(shí)，可以采用消聲器與管路包裹結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)消聲。