孫云龍，雷超群，陳良，吳廣權(quán)，占文鋒，段心林

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

采用渦輪增壓技術(shù)可以極大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率和升扭矩，同時(shí)可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，然而渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)搭載整車帶來極大技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，其噪聲問題亦日趨凸顯。渦輪增壓器的噪聲與轉(zhuǎn)速有很大關(guān)系，其噪聲一般隨轉(zhuǎn)速的提高而增大[1]。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2～3 dB[2]。為提高加速性能，往往要求發(fā)動(dòng)機(jī)在更低轉(zhuǎn)速就爆發(fā)出最大扭矩，渦輪增壓器增壓壓力快速建立，小型渦輪增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)低速工況下的工作轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速升高速率較高，因而渦輪增壓器氣動(dòng)噪聲問題也就更加明顯，嚴(yán)重影響整車NVH品質(zhì)。

渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)搭載整車噪聲種類較多[3]，本研究結(jié)合某款汽油渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的量產(chǎn)開發(fā)，僅對(duì)渦輪增壓器脈沖嘯叫噪聲及Whoosh噪聲兩種常見氣動(dòng)噪聲的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行研究，提出了脈沖嘯叫噪聲的測(cè)試工裝改進(jìn)方案，以及基于壓氣機(jī)流場(chǎng)優(yōu)化的Whoosh噪聲環(huán)槽抑制方案，并進(jìn)行了整車搭載試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 渦輪增壓器脈沖嘯叫噪聲機(jī)理

渦輪增壓器脈沖嘯叫噪聲屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械氣動(dòng)噪聲，該噪聲的產(chǎn)生與葉片的細(xì)小幾何差別有關(guān)——壓氣機(jī)葉輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)，輪上的葉片擠壓周圍的氣體介質(zhì)，引起周圍氣體的壓力脈動(dòng)而形成。對(duì)于給定的空間某質(zhì)點(diǎn)來說，每當(dāng)葉片通過時(shí)，擠壓這一質(zhì)點(diǎn)氣體的壓力便迅速地起伏一次，旋轉(zhuǎn)葉片連續(xù)地逐個(gè)掠過，就不斷地產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，造成氣流的不均勻性，從而向周圍輻射噪聲[4]。當(dāng)壓氣機(jī)葉輪葉片中有部分葉片因加工制造等原因造成幾何尺寸偏差過大時(shí)，其壓力擾動(dòng)足夠強(qiáng)，且頻率在人耳聽覺范圍之內(nèi)，則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)脈沖噪聲。

增壓器脈沖嘯叫噪聲呈現(xiàn)為哨音，與轉(zhuǎn)速同步，它是一種窄帶噪聲，帶有很小的能量，但易于被感覺到，噪聲頻率在1 200～4 500 Hz之間[2]。圖1示出某汽油增壓發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中測(cè)得的增壓器脈沖嘯叫噪聲。

圖1 駕駛員右耳及增壓器近場(chǎng)整車噪聲測(cè)試結(jié)果

2 渦輪增壓器脈沖嘯叫噪聲測(cè)量方法

基于增壓器脈沖嘯叫噪聲的發(fā)生機(jī)理，結(jié)合某款出現(xiàn)增壓器脈沖嘯叫噪聲的汽油機(jī)開展研究，對(duì)增壓器脈沖嘯叫噪聲的測(cè)量裝置進(jìn)行改進(jìn)，以提高噪聲的識(shí)別精度。

2.1 壓力脈沖測(cè)試工裝方案

機(jī)加工葉輪形狀無法做到理論對(duì)稱一致，應(yīng)對(duì)葉輪實(shí)際形狀引起的壓力脈沖進(jìn)行測(cè)試并給出合理控制值。對(duì)增壓器的脈沖測(cè)試工裝進(jìn)行改進(jìn)，以提高識(shí)別精度。如圖2與圖3所示，測(cè)試工裝由測(cè)量管1、測(cè)量堵頭2、工裝壓殼3及脈沖測(cè)試傳感器構(gòu)成，脈沖測(cè)試傳感器安裝于測(cè)量管1靠近堵頭位置，距離壓氣機(jī)入口中心距離為90 mm，屬于高頻采樣壓電傳感器，可將壓力波動(dòng)值轉(zhuǎn)換記錄為電壓信號(hào)。

圖2 壓力脈沖測(cè)試工裝

圖3 壓力脈沖測(cè)試傳感器

測(cè)量堵頭2帶有通孔結(jié)構(gòu)，其主要作用為制造背壓，將壓力波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大，以利于脈沖傳感器捕捉。試驗(yàn)中采用孔直徑為12 mm、15 mm、16 mm、18 mm的4個(gè)堵頭工裝，分別對(duì)噪聲基準(zhǔn)樣件(樣件編號(hào)1)和整車搭載的7臺(tái)噪聲樣件(樣件編號(hào)為2～8)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)為脈沖傳感器由壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換來的電壓信號(hào)。

2.2 壓力脈沖測(cè)試結(jié)果分析

壓力脈沖試驗(yàn)結(jié)果見圖4。測(cè)試結(jié)果中，將整車增壓器脈沖嘯叫試驗(yàn)基準(zhǔn)樣件1的測(cè)試最大值定義為基準(zhǔn)值，對(duì)應(yīng)圖中橫線位置，該樣件為無嘯叫噪聲的基準(zhǔn)樣件，通過整車嘯叫噪聲極限測(cè)試確定。其余7臺(tái)整車試驗(yàn)產(chǎn)生的嘯叫噪聲樣件分布見圖4，樣件脈沖測(cè)試電壓值在橫線上方，則表明測(cè)試工裝能夠把噪聲件有效識(shí)別出來。結(jié)果表明，采用孔直徑12 mm的工裝堵頭后，設(shè)備的背景噪聲過大，同一臺(tái)樣件的重復(fù)測(cè)量電壓值的極差較高，不能將問題樣件有效識(shí)別出來。采用孔直徑16 mm、18 mm的工裝堵頭后，同一樣件的測(cè)試電壓值極差較小，但信號(hào)太弱，測(cè)試結(jié)果易受環(huán)境干擾，不同樣件的測(cè)試結(jié)果離散過大，同樣不能將問題樣件有效識(shí)別出來。采用孔直徑15 mm的工裝堵頭后，樣件測(cè)試電壓值極值較小，測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果均在基準(zhǔn)線以上，可以將所有噪聲樣件有效識(shí)別出來。

圖4 不同孔徑堵頭的壓力脈沖測(cè)試結(jié)果

通過整車脈沖嘯叫噪聲基準(zhǔn)樣件對(duì)壓力脈沖測(cè)試工裝堵頭孔徑進(jìn)行測(cè)試標(biāo)定，最終選取孔直徑15 mm的工裝堵頭。通過以上脈沖嘯叫噪聲測(cè)試工裝的改進(jìn)，嘯叫噪聲問題樣件被有效識(shí)別，提高了噪聲樣件的檢出率。

3 渦輪增壓器Whoosh噪聲機(jī)理

渦輪增壓器Whoosh噪聲屬于氣動(dòng)噪聲的一種，其產(chǎn)生的主要原因是車輛加速過程中，增壓器運(yùn)行工況點(diǎn)靠近喘振線而進(jìn)入失速區(qū)域，氣流在壓氣機(jī)表面產(chǎn)生流動(dòng)剝離而發(fā)生逆流產(chǎn)生噪聲，噪聲通過壓殼壁面和管路向外輻射傳播。渦輪增壓器Whoosh噪聲屬于寬頻噪聲，一般其頻率范圍為0～20 000 Hz，常發(fā)生于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min以下，可以通過測(cè)量壓氣機(jī)殼體振動(dòng)和噪聲進(jìn)行頻譜對(duì)比來辨別，如果振動(dòng)和噪聲在相同的頻率區(qū)間有相似的寬頻帶振動(dòng)表現(xiàn)，則表明Whoosh噪聲存在[5]。

對(duì)于處于開發(fā)前期的增壓機(jī)型，在匹配渦輪增壓器壓氣機(jī)方案時(shí)，應(yīng)使通過一維計(jì)算的外特性匹配工況點(diǎn)避開失速區(qū)域。失速區(qū)域可由如下方法確定：在壓氣機(jī)MAP圖中，對(duì)于同一條等轉(zhuǎn)速線，當(dāng)壓比和流量同時(shí)增大時(shí)，壓氣機(jī)運(yùn)行在不穩(wěn)定狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生逆流[6]，將各條等轉(zhuǎn)速線的拐點(diǎn)連接而成的線即為失速邊界(見圖5)。

圖5 Whoosh噪聲發(fā)生區(qū)域

4 渦輪增壓器Whoosh噪聲控制措施

某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目開發(fā)過程中，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 800～2 500 r/min，中小油門踏板位置出現(xiàn)明顯疑似整車加速增壓器氣流噪聲。在增壓器近場(chǎng)及駕駛員右耳位置布置麥克風(fēng)，在增壓器中間體及壓氣機(jī)前進(jìn)氣管路分別布置振動(dòng)傳感器，對(duì)噪聲發(fā)生工況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)試結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 駕駛員右耳及增壓器近場(chǎng)噪聲測(cè)試結(jié)果

圖7 斷開進(jìn)氣管后路駕駛員右耳及增壓器近場(chǎng)噪聲測(cè)試結(jié)果

噪聲測(cè)試結(jié)果表明，車內(nèi)噪聲發(fā)生頻率為4 000～5 500 Hz，屬于寬頻噪聲，增壓器近場(chǎng)相同頻率噪聲明顯，增壓器中間體及壓氣機(jī)前進(jìn)氣管路測(cè)試振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)，斷開進(jìn)氣管路后，車內(nèi)駕駛員右耳氣流噪聲增大，可基本判斷噪聲來源為增壓器Whoosh噪聲。

4.1 Whoosh噪聲逆流阻斷措施

逆流是引起氣動(dòng)噪聲的主要因素，聲功率級(jí)與逆流強(qiáng)度分布趨勢(shì)一致[7]。對(duì)于處于量產(chǎn)開發(fā)中后期的項(xiàng)目，可以研究壓氣機(jī)逆流阻斷控制措施，以盡量減少進(jìn)入壓氣機(jī)葉輪的流動(dòng)剝離現(xiàn)象。由于流動(dòng)剝離在壓氣機(jī)入口位置較為明顯，能夠抑制或吸收壓氣機(jī)入口逆流的措施可以降低Whoosh噪聲的聲功率級(jí)，本研究在壓氣機(jī)入口靠近葉輪位置設(shè)計(jì)矩形環(huán)槽(2 mm×2 mm)，并對(duì)開環(huán)槽前后壓氣機(jī)入口部位的氣體流場(chǎng)進(jìn)行CFD仿真分析。CFD模型包括壓氣機(jī)進(jìn)口彎管、轉(zhuǎn)子、擴(kuò)壓器和壓氣機(jī)殼體(見圖8)。

圖8 CFD模型部件

計(jì)算輸入采用整車噪聲發(fā)生工況采集的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)，出現(xiàn)噪聲的典型3擋中小負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)見圖9。圖中分別記錄了曲線1(18 s時(shí)長(zhǎng))及曲線2(16 s時(shí)長(zhǎng))的兩段噪聲工況，WOT工況為發(fā)動(dòng)機(jī)外特性扭矩曲線，噪聲出現(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間為1 500～2 500 r/min，扭矩區(qū)間為90～120 N·m。經(jīng)計(jì)算后，典型噪聲工況點(diǎn)的增壓器壓比及流量見圖10。工況點(diǎn)為1 500 r/min,1 750 r/min,2 100 r/min，其中2 100 r/min @120 N·m(對(duì)應(yīng)流量為1.5 m3/min)附近噪聲最為明顯。本次計(jì)算選取壓氣機(jī)等轉(zhuǎn)速線200 m/s(對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速74 700 r/min)上的3個(gè)流量工況點(diǎn)，分別為1.5 m3/min，1.87 m3/min，2.37 m3/min，該區(qū)域存在較為明顯的Whoosh噪聲。

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲工況的壓比流量數(shù)據(jù)

分別對(duì)壓氣機(jī)葉輪入口部位有、無矩形環(huán)槽方案的3個(gè)流量工況點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算比較分析，計(jì)算結(jié)果見圖11和圖12。

圖11 流速等高線圖

圖12 A-A截面流速等高線圖

仿真計(jì)算結(jié)果表明，在固定的壓氣機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速下，當(dāng)進(jìn)氣流量降低時(shí)，逆流區(qū)域會(huì)在葉輪周邊擴(kuò)大。這主要是由于隨著進(jìn)氣流量的下降，壓比的上升，壓氣機(jī)上游的壓力較低，壓氣機(jī)無法維持逆向的壓力梯度，在葉輪周邊的逆流區(qū)域逐漸擴(kuò)大。在壓氣機(jī)葉輪入口附近設(shè)計(jì)矩形環(huán)槽后，環(huán)槽可以吸收部分逆流，對(duì)局部工況點(diǎn)可以起到降低逆流速度，減小逆流區(qū)域的作用，從而降低Whoosh噪聲的聲壓級(jí)，起到噪聲抑制效果。

4.2 抑制Whoosh噪聲的矩形環(huán)槽方案驗(yàn)證

為了驗(yàn)證矩形環(huán)槽方案抑制Whoosh噪聲的效果，設(shè)計(jì)了如圖13所示的兩個(gè)樣件方案。方案1為矩形環(huán)槽(2 mm×2 mm)位于葉輪葉尖后1.5 mm位置，方案2為矩形環(huán)槽(2 mm×2 mm)位于葉輪葉尖前0.6 mm位置。兩種方案搭載某整車的噪聲和增壓器中間體振動(dòng)測(cè)試結(jié)果見圖14和圖15。

圖13 抑制Whoosh噪聲的矩形環(huán)槽方案

圖14 開槽方案近場(chǎng)噪聲及右耳噪聲測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，將環(huán)槽設(shè)置于葉輪葉尖后位置的方案1對(duì)Whoosh噪聲有一定的抑制作用，測(cè)試噪聲聲壓級(jí)和振動(dòng)水平均有一定幅度的降低；壓氣機(jī)葉尖口前的環(huán)槽結(jié)構(gòu)方案2可以有效抑制Whoosh噪聲，增壓器近場(chǎng)噪聲及增壓器中間體振動(dòng)均大幅下降，駕駛員右耳位置已無Whoosh噪聲。

對(duì)方案2的壓氣機(jī)進(jìn)行氣體臺(tái)架性能測(cè)試，與原始未開槽方案對(duì)比結(jié)果見圖16和圖17。由圖可見，壓氣機(jī)入口位置設(shè)置環(huán)形槽對(duì)壓氣機(jī)的流量壓比特性及流量效率曲線影響較小，可滿足性能要求。

圖15 開槽方案增壓器中間體振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖16 開槽與未開槽方案流量壓比特性曲線

圖17 開槽與未開槽方案流量效率特性曲線

5 結(jié)論

a) 通過整車噪聲測(cè)試基準(zhǔn)樣件對(duì)脈沖嘯叫噪聲測(cè)試工裝進(jìn)行標(biāo)定，從而選取適合精度的脈沖測(cè)試工裝;直徑15 mm堵頭脈沖測(cè)試工裝可全部識(shí)別噪聲樣件，提高了噪聲樣件的檢出率；

b) Whoosh噪聲由葉片表面逆流產(chǎn)生，在項(xiàng)目開發(fā)初期，為控制渦輪增壓器Whoosh噪聲的方式，通過一維計(jì)算的外特性匹配工況點(diǎn)須避開逆流產(chǎn)生的失速區(qū)域；

c) 通過壓氣機(jī)流場(chǎng)CFD分析可知，對(duì)于增壓器等轉(zhuǎn)速線上的工況點(diǎn)，隨著壓氣機(jī)入口流量的減小，壓氣機(jī)入口區(qū)域發(fā)生逆流的區(qū)域和流速逐漸加大；壓氣機(jī)葉輪葉尖前位置設(shè)置矩形環(huán)槽機(jī)構(gòu)可有效降低逆流的發(fā)生區(qū)域和逆流的速度，可以顯著降低Whoosh噪聲的聲壓級(jí)，并且矩形環(huán)槽結(jié)構(gòu)對(duì)壓氣機(jī)整體性能影響較小，是一種性價(jià)比較高的Whoosh噪聲降噪措施。