黃?？?，李凱，胡必謙

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

測(cè)試試驗(yàn)

柴油機(jī)增壓器HISS噪聲分析及降噪措施研究

黃保科，李凱，胡必謙

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

增壓技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不可或缺的技術(shù)之一，相比自然吸氣增壓柴油機(jī)不僅可以提升扭矩，而且對(duì)降低油耗和排放也做出很大貢獻(xiàn)，但是增壓器工作產(chǎn)生的噪聲問題也越來越受到關(guān)注（影響車輛舒適性）。HISS噪聲是增壓器應(yīng)用過程中普遍遇到的一種噪聲，文章對(duì)增壓器HISS噪聲產(chǎn)生的機(jī)理及優(yōu)化方法進(jìn)行了探討，并通過實(shí)際試驗(yàn)對(duì)幾種降噪措施進(jìn)行了驗(yàn)證。

增壓器；噪聲；HISS聲；降噪

前言

在汽車行業(yè)的快速發(fā)展的今天，人們對(duì)汽車駕乘的舒適性越來越關(guān)注，不僅是搭載汽油機(jī)的汽車，對(duì)柴油機(jī)汽車的要求也越來越高。而汽車噪聲是評(píng)價(jià)汽車舒適性的關(guān)鍵指標(biāo)之一。汽車噪聲過大會(huì)影響汽車的舒適性、語言清晰度，甚至影響駕駛員和乘客的心理、生理健康。汽車噪聲主要包括風(fēng)噪、路面胎噪及發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲等。

渦輪增壓器作為一種流體機(jī)械，是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的能量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行壓力提升從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的機(jī)械。相比自然吸氣，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)不僅可以提升扭矩，而且對(duì)降低油耗和排放也做出很大貢獻(xiàn)，目前增壓技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)不可或缺的技術(shù)之一。

渦輪增壓器使用過程中不可避免的產(chǎn)生噪聲問題，增壓器噪聲對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體噪聲的貢獻(xiàn)較為明顯。據(jù)研究帶渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)總噪聲水平往往比不帶渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)總噪聲水平高 2~3dB[1]，因此降低增壓器的噪聲對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及整車噪聲都是有積極意義的。

1 典型的增壓器噪聲

1.1 同步噪聲

在渦輪增壓器工作中存在一種與渦輪增壓器轉(zhuǎn)速同步的噪聲，噪聲頻率隨渦輪增壓器轉(zhuǎn)速增加而提高。一般該噪聲包括同步振動(dòng)噪聲和同步脈沖噪聲，與渦輪增壓器中間轉(zhuǎn)子和葉輪動(dòng)不平衡量以及葉輪加工水平有較大關(guān)系。一方面當(dāng)葉輪及轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于輪軸不平衡產(chǎn)生周期性激勵(lì)振動(dòng)，此為同步結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲；另一方面由于葉輪制造加工不一致或者葉輪葉片損傷，造成葉輪和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，渦輪增壓器中的氣流會(huì)產(chǎn)生周期性波動(dòng)，此為同步氣流脈沖噪聲。同步噪聲呈現(xiàn)為尖銳的哨子聲，哨聲頻率通常為0~4000HZ，常見于車輛加速過程中。

1.2 次同步噪聲

渦輪增壓器中間體一般為浮動(dòng)軸承或半浮動(dòng)軸承，當(dāng)渦輪增壓器工作時(shí)，當(dāng)渦輪增壓器中間體的機(jī)油壓力滿足要求時(shí)，機(jī)油油膜會(huì)使葉輪及轉(zhuǎn)子懸浮，當(dāng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)由于機(jī)油的黏度，中間轉(zhuǎn)子與軸承之間的油膜產(chǎn)生振蕩，并通過中間體壁對(duì)外輻射噪聲。渦輪增壓器次同步噪聲在駕駛室中表現(xiàn)為低沉的“嗚嗚”聲，尤其在渦輪增壓器介入工作整車加減速過程表現(xiàn)尤為明顯。通常渦輪增壓器次同步噪聲的頻率范圍為600-1200HZ

1.3 BPF噪聲

壓氣機(jī)（渦輪機(jī)）葉片與壓殼（渦殼）的渦舌之間存在一定的間隙，該間隙如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)引起氣流在該間隙處激蕩，產(chǎn)生異常尖銳的金屬切割聲，該噪聲即為BPF（Blade Passing Frequency）噪聲。BPF噪聲頻率非常高，頻率值等于葉片數(shù)量與葉輪轉(zhuǎn)速的乘積，一般其頻率范圍為6000~20000HZ。

上述幾種渦輪增壓器噪聲都是由于增壓器制造或者設(shè)計(jì)導(dǎo)致的，屬于增壓器本體噪聲。實(shí)際應(yīng)用過程如果存在這幾種噪聲，需要對(duì)增壓器本體的零部件進(jìn)行優(yōu)化，比如：同步噪聲問題應(yīng)當(dāng)優(yōu)化轉(zhuǎn)子葉輪系統(tǒng)的動(dòng)平衡值及葉輪加工；次同步噪聲問題應(yīng)當(dāng)優(yōu)化中間體軸承與中間轉(zhuǎn)子之間的間隙量或者兩者之間的接觸面積，避免油膜的震蕩；BPF噪聲問題應(yīng)當(dāng)優(yōu)化葉片與渦舌之間的間隙或者對(duì)葉輪葉片的數(shù)量等。除了上述幾種本體因素噪聲，增壓器在應(yīng)用過程中也會(huì)出現(xiàn)噪聲，如下述的增壓器HISS噪聲：

1.4 增壓器HISS噪聲

壓增壓器HISS噪聲屬于應(yīng)用過程中的氣流噪聲，產(chǎn)生的主要原因是由于發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)低速大扭矩的需求，壓氣機(jī)耗氣線穿過臨近喘振線的軟喘振區(qū)域?qū)е?。在該區(qū)域空氣流速瞬時(shí)變大，氣流在壓氣機(jī)葉輪根部產(chǎn)生剝離現(xiàn)象而發(fā)生動(dòng)蕩紊亂產(chǎn)生噪聲。HISS噪聲一般出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)油門瞬時(shí)加速、增壓器轉(zhuǎn)速在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)快速提升的工況下，具有寬泛的頻帶，出現(xiàn)的頻率在500~20000HZ 范圍內(nèi)。

另外也有研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速或大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)突然急減油門，發(fā)動(dòng)機(jī)空氣需求量急速下降，而增壓器仍處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際耗氣線就會(huì)左移進(jìn)入喘振區(qū)造成喘振，也有研究人員將這種噪聲模式歸類到HISS噪聲中。圖1分別展示了增壓器正常運(yùn)行、接近傳真線的軟喘振區(qū)及明顯喘振三種情況下的壓輪氣流示意，紅色區(qū)域越大表明氣體剝離葉輪情況越嚴(yán)重，噪聲也越發(fā)明顯。

圖1 氣流剝離示意圖

本文僅對(duì)柴油機(jī)增壓器應(yīng)用過程中出現(xiàn)的 HISS噪聲進(jìn)行研究。

2 柴油機(jī)增壓器HISS噪聲實(shí)測(cè)

某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在路試時(shí)，車輛急加速工況有輕微的噪聲，通過對(duì)噪聲出現(xiàn)的工況以及噪聲特點(diǎn)判斷，該噪聲屬于增壓器HISS噪聲。

為進(jìn)一步確定噪聲特征，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了臺(tái)架復(fù)測(cè)。經(jīng)測(cè)試分析，確認(rèn)噪聲為增壓器HISS聲，且確認(rèn)了HISS噪聲幾個(gè)突出頻段。如圖2所示FFT頻譜，在1750HZ、2250HZ及2750HZ幾個(gè)頻率附近亮色帶突出。

圖2 某柴油機(jī)噪聲FFT頻譜

采用聲學(xué)相機(jī)定位，顯示該噪聲源位于增壓器壓氣機(jī)進(jìn)口附近，這與增壓器HISS噪聲的噪聲源是符合的，如圖3：

圖3 聲學(xué)相機(jī)定位

3 降噪措施

通常降低增壓器HISS噪聲的方法有以下幾種：

一是標(biāo)定優(yōu)化；二是壓氣機(jī)進(jìn)口紊流阻斷；三是利用消聲器消聲；四是被動(dòng)聲學(xué)包裹消聲。

根據(jù)上述降噪思想，有針對(duì)性的制定了降噪措施：

1）標(biāo)定優(yōu)化，盡可能留出足夠的喘振裕度，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能的情況下，讓發(fā)動(dòng)機(jī)耗氣線遠(yuǎn)離渦輪增壓器的喘振線，使發(fā)動(dòng)機(jī)耗氣線處于增壓器壓氣機(jī)有效工作MAP中。

2）增壓器壓氣機(jī)入口設(shè)計(jì)降噪環(huán)槽，環(huán)槽呈燕尾結(jié)構(gòu)，利用環(huán)槽的物理阻斷作用，阻斷壓氣機(jī)入口的紊流氣體回流，因此避免噪聲的向前置進(jìn)氣管路的傳播。圖4為增加降噪環(huán)槽的實(shí)物及環(huán)槽結(jié)構(gòu)示意。

圖4 降噪環(huán)槽

3）根據(jù)HISS噪聲的噪聲頻率，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)諧振腔，消除突出頻率的噪聲。諧振腔的原理類似于赫爾姆茲消聲腔：既聲波在主管路中傳播時(shí)，遇到諧振腔體時(shí)一部分聲波進(jìn)入腔體，引起聲音阻抗的變化以達(dá)到消聲的目的。圖5為赫爾姆茲消聲腔示意圖，圖6為針對(duì)本次測(cè)試柴油機(jī)設(shè)計(jì)的諧振腔，以消除1750~2750HZ頻率段的HISS噪聲。

圖5 赫爾姆茲消聲腔示意圖

圖6 諧振腔

4）對(duì)渦輪增壓器壓氣機(jī)前進(jìn)氣管路進(jìn)行優(yōu)化，增加管路壁厚或者進(jìn)行聲學(xué)包裹（圖7），降低HISS噪聲通過管壁向外界的傳播。

圖7 管路聲學(xué)包裹

4 降噪措施的驗(yàn)證

對(duì)上述幾種降噪措施進(jìn)行了驗(yàn)證：

1）通過標(biāo)定優(yōu)化，保證發(fā)動(dòng)機(jī)耗氣線距離機(jī)械喘振線有一定的喘振裕度。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)耗氣線

2）增壓器壓氣機(jī)入口切割降噪環(huán)槽方案：原增壓器1750~2750HZ頻率段噪聲亮帶明顯，壓氣機(jī)入口加降噪環(huán)槽后，該頻率段噪聲降低2dB（A)左右，對(duì)增壓器HISS氣流噪聲改善效果較為明顯，但氣流噪聲仍相對(duì)突出；在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)增壓器進(jìn)口管路進(jìn)行聲學(xué)包裹，氣流噪聲進(jìn)一步降低，排氣側(cè)在中低轉(zhuǎn)速區(qū)間可降低2dB（A）。

圖9 降噪環(huán)槽方案FFT頻譜圖

圖10 噪聲值對(duì)比

3）增壓器壓氣機(jī)出口安裝諧振腔方案：對(duì)（1500-2500Hz）增壓器HISS氣流噪聲改善效果較為明顯，可降低排氣側(cè)及進(jìn)氣口噪聲1-3dB（A)左右。

圖11 諧振腔方案FFT頻譜圖

4）進(jìn)氣管路聲學(xué)包裹方案：進(jìn)氣低壓管路包裹后排氣側(cè)在1300~2100轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)降低0.5~1dB（A)左右，降噪效果并不明顯；主要對(duì)4000-10000Hz的高頻噪聲有所改善。

圖12 增加諧振腔前后噪聲值對(duì)比

圖13 管路聲學(xué)包裹FFT頻譜圖

圖14 管路聲學(xué)包裹前后 噪聲值對(duì)比

5 結(jié)論

（1）對(duì)通過對(duì)標(biāo)定優(yōu)化、增壓器開設(shè)降噪環(huán)槽、增加諧振腔、管路聲學(xué)包裹幾個(gè)措施的設(shè)計(jì)、樣件制作及實(shí)際測(cè)試，證明了上述幾個(gè)措施對(duì)降低增壓器HISS噪聲有積極的作用；

（2）降噪環(huán)槽和增加諧振腔對(duì)低頻HISS噪聲改善效果較好，而管路包裹對(duì)高頻HISS噪聲改善效果更為明顯；

（3）諧振腔較降噪環(huán)槽對(duì)低頻HISS聲的改善更為明顯，且更有針對(duì)性，可以通過測(cè)試結(jié)果持續(xù)校正諧振腔體的設(shè)計(jì)參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)的降噪效果；

（4）多個(gè)消聲措施并用消聲效果更好，可以通過多措施并用來實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的降噪效果。

[1] 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動(dòng)[M].北京: 北京理工大學(xué)大學(xué)出版社. 2006.

[2] 張志華,周松.內(nèi)燃機(jī)排放與噪聲控制[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)大學(xué)出版社,1999.

[3] 王欽慶.幾種常見渦輪增壓器噪聲及其控制. 內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2012,8(4).

[4] 王輝.直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的振源分析與仿真. 北京:機(jī)械工程與自動(dòng)化,2009.5 .

[5] 朱海林.渦輪增壓器原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1985.6.

HISS noise Analyze And Reducing measure Research on Turbocharger of Diesel engine

Huang Baoke, Li Kai, Hu Biqian
( Anhui Jianghuai Automobile Group Corp., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Turbocharger is one of the indispensable technology on modern diesel engine. Turbocharger engine have more excellent torsion compared with natural intake air engine, and also contributed enormously to emission reducing. But the noise of turbocharger have been taken more and more attention, which affect the vehicle’s comfortable feeling. Hiss noise as one of turbocharger’s noise is very universal on application, this paper analyzed the causation of Hiss noise and researched several noise reducing measure(availability) by experiments.

turbocharger; noise; HISS noise; reduce noise

U472

A

1671-7988 (2017)21-126-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.042

CLC NO.: U472

A

1671-7988 (2017)21-126-04

黃?？?，男，（1983-），碩士研究生，工程師，現(xiàn)就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)工作。