王 鵬，魯守衛(wèi)，賀娜娜，李建鵬

Wang Peng，Lu Shouwei，He Nana，Li Jianpeng

（北京汽車(chē)動(dòng)力總成有限公司 技術(shù)中心，北京 101106）

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)泄氣聲品質(zhì)的研究及控制方式探討

王 鵬，魯守衛(wèi)，賀娜娜，李建鵬

Wang Peng，Lu Shouwei，He Nana，Li Jianpeng

（北京汽車(chē)動(dòng)力總成有限公司 技術(shù)中心，北京 101106）

為解決采用渦輪增壓器后帶來(lái)的收油泄氣聲品質(zhì)問(wèn)題，對(duì)問(wèn)題工況進(jìn)行測(cè)試，并確定收油異響的輻射源。通過(guò)對(duì)泄壓閥工作原理進(jìn)行研究，確認(rèn)該異響為泄壓閥泄氣不及時(shí)造成的壓氣機(jī)瞬時(shí)喘振，從而形成噪聲。最后，采用將泄壓閥彈簧剛度調(diào)低，減小泄壓閥開(kāi)啟壓力的方式，使泄壓閥及時(shí)開(kāi)啟泄壓，消除該噪聲。

增壓器；喘振；泄壓閥；噪聲

0 引 言

近年來(lái)，由于汽車(chē)數(shù)量的急劇增加，汽車(chē)巨大的燃料消耗及尾氣排放污染成為亟待解決的問(wèn)題。渦輪增壓技術(shù)既可以減少污染物的排放，又可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和節(jié)約能源，因此被廣泛地應(yīng)用到汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上[1]。

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的主要原理是依靠增大進(jìn)氣壓力，提高空氣密度，從而增加發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，以此來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率和扭矩輸出。然而，隨著進(jìn)氣壓力的增大，在行車(chē)過(guò)程中急收油門(mén)時(shí)，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度迅速減小，由于氣流慣性的作用，節(jié)氣門(mén)必將受到一股高壓氣體的沖擊，并有可能對(duì)其造成損壞。所以，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在配備增壓器的同時(shí)，通常還要加裝 1個(gè)進(jìn)氣泄壓閥來(lái)排泄掉多余的空氣，其原理如圖1所示。

圖1 增壓發(fā)動(dòng)機(jī)泄氣原理圖

當(dāng)急收油門(mén)使節(jié)氣門(mén)開(kāi)度迅速減小時(shí)，泄壓閥會(huì)及時(shí)打開(kāi)，將高壓氣體從壓氣機(jī)后管路排入壓氣機(jī)前管路。這樣可以排除高壓氣體在節(jié)氣門(mén)和壓氣機(jī)之間管路中來(lái)回震蕩的可能，消除氣流對(duì)節(jié)氣門(mén)和壓氣機(jī)葉片造成的損害。但是，也帶來(lái)了其他方面的問(wèn)題，其中很重要的一個(gè)問(wèn)題就是泄壓過(guò)程中形成的噪聲，嚴(yán)重影響了乘客的舒適度[2]。文中主要針對(duì)某款車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中形成的收油泄氣聲品質(zhì)問(wèn)題，對(duì)其發(fā)聲機(jī)理及其控制措施進(jìn)行研究討論。

1 研究背景

1.1 現(xiàn)象描述

在某款CVT車(chē)型的研發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)一種現(xiàn)象，當(dāng)車(chē)輛在急加速收油門(mén)的瞬間，駕駛艙內(nèi)會(huì)感受到明顯的泄氣噪聲。該問(wèn)題工況主要發(fā)生在小負(fù)荷加油門(mén)后的收油瞬間，尤其是當(dāng)小負(fù)荷加速至1 900 r/min左右收油時(shí)，可以清晰地聽(tīng)到類(lèi)似車(chē)門(mén)落鎖的泄氣噪聲。文中將這種噪聲命名為落鎖聲噪聲，這種泄氣噪聲嚴(yán)重影響了車(chē)輛駕駛艙內(nèi)的聲品質(zhì)，需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)以減小或消除。

1.2 泄壓閥工作原理

收油泄氣噪聲主要由進(jìn)氣泄壓閥在泄氣過(guò)程中產(chǎn)生，為研究噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，需要對(duì)泄壓閥的工作原理進(jìn)行了解[3]。如圖2所示，泄壓閥在關(guān)閉和開(kāi)啟時(shí)的工作狀態(tài)。

圖2 泄壓閥在關(guān)閉和開(kāi)啟時(shí)工作狀態(tài)示意圖

進(jìn)氣泄壓閥的開(kāi)啟和關(guān)閉主要是通過(guò)改變壓力平衡裝置的狀態(tài)來(lái)控制泄氣進(jìn)程。泄壓閥的安裝位置如圖 1所示，相關(guān)的壓力參數(shù)主要有：Fs為彈簧產(chǎn)生的關(guān)閉閥門(mén)的壓力；Fb為節(jié)氣門(mén)前氣體傳遞給閥體的壓力；Fc為節(jié)氣門(mén)后氣體傳遞給閥體的壓力；Fd為壓氣機(jī)前氣體傳遞給閥體的壓力。當(dāng)車(chē)輛處于全油門(mén)加速狀態(tài)時(shí)，節(jié)氣門(mén)全開(kāi)，此時(shí)Fc為正壓力，F(xiàn)s+Fc>Fb+Fd，閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)車(chē)輛急收油門(mén)時(shí)，節(jié)氣門(mén)幾乎關(guān)閉，此時(shí)Fc為負(fù)壓力（有真空度），F(xiàn)s

2 噪聲測(cè)試

為了消除收油噪聲，首先需要對(duì)噪聲進(jìn)行測(cè)試，以抓取聲音特征，鎖定聲源位置。測(cè)試主要通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)艙近場(chǎng)和駕駛艙內(nèi)主駕位置布置麥克風(fēng)來(lái)獲取噪聲信號(hào)，并運(yùn)用加速度傳感器來(lái)捕捉泄壓閥及相關(guān)管路的振動(dòng)情況，其中包括泄壓閥前管路（即壓氣機(jī)后管路）測(cè)點(diǎn)1、泄壓閥測(cè)點(diǎn)2和泄壓閥后管路測(cè)點(diǎn)3。測(cè)試工況采取急加速至1 900 r/min后松油門(mén)，減速至1 600 r/min后再次急加速，如此循環(huán)6次為一個(gè)采集周期。測(cè)得近場(chǎng)噪聲頻譜如圖3所示，根據(jù)濾波回放，收油瞬間的落鎖聲頻率較寬，主要頻段為 600～1 700 Hz。

圖3 問(wèn)題工況泄壓閥近場(chǎng)噪聲頻譜圖

由于進(jìn)氣系統(tǒng)為收油異響的主要輻射源，通過(guò)對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)情況的分析，對(duì)噪聲輻射源有更準(zhǔn)確的定位。為了對(duì)比有無(wú)異響2種狀態(tài)進(jìn)氣系統(tǒng)管路的振動(dòng)情況，除了對(duì)小負(fù)荷的問(wèn)題工況進(jìn)行測(cè)試外，還對(duì)無(wú)異響的大負(fù)荷工況（急加油門(mén)至 2 700 r/min收油）進(jìn)行了測(cè)試。2種工況下收油瞬間泄壓閥前管路測(cè)點(diǎn) 1、泄壓閥測(cè)點(diǎn)2及泄壓閥后管路測(cè)點(diǎn)3的振動(dòng)最大幅值見(jiàn)表1。 g

表1 小負(fù)荷及大負(fù)荷工況下各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)最大幅值

由于大負(fù)荷工況時(shí)，進(jìn)氣壓力更高，在收油瞬間進(jìn)氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)理應(yīng)要大于小負(fù)荷工況，但根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示，在泄壓閥前管路測(cè)點(diǎn)1收油時(shí)的振動(dòng)最大幅值反而大于大負(fù)荷工況時(shí)。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)該測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)頻譜分析發(fā)現(xiàn)（如圖4所示），在小負(fù)荷工況收油瞬間測(cè)點(diǎn)1處 600～1 700 Hz頻率段同樣有明顯的振動(dòng)特征，與測(cè)得的落鎖聲噪聲頻率特征相同；因此，可以推測(cè)該收油落鎖聲噪聲的輻射源為泄壓閥前管路。

圖4 小負(fù)荷工況泄壓閥前管路測(cè)點(diǎn)1振動(dòng)頻譜圖

3 機(jī)理分析

由于收油異響發(fā)生在泄壓瞬間，因此首先需要對(duì)泄壓閥的工作狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，圖 5為控制泄壓閥開(kāi)閉的2個(gè)主要參數(shù)（節(jié)氣門(mén)前的過(guò)給壓Pb、節(jié)氣門(mén)后的歧管壓力 Pc）在不同工況下的壓力變化曲線。

圖5 不同工況下泄壓閥Pb及Pc壓力變化曲線示意圖

當(dāng)車(chē)輛處于怠速狀態(tài)時(shí)，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度極小，Pc為負(fù)值，泄壓閥處于開(kāi)啟狀態(tài)。車(chē)輛開(kāi)始加速時(shí)，節(jié)氣門(mén)打開(kāi)，節(jié)氣門(mén)后歧管壓力Pc隨增壓壓力提高迅速增大，此時(shí)節(jié)氣門(mén)前、后壓力（Pb，Pc）相差不大，泄壓閥主要由彈簧力Fs控制，處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)車(chē)輛收油減速時(shí)，節(jié)氣門(mén)迅速關(guān)閉，節(jié)氣門(mén)后壓力Pc變?yōu)檎婵?，且真空度不斷提高，正常情況下，當(dāng)過(guò)給壓 Pb和歧管真空壓 Pc形成的合力大于彈簧力Fs時(shí)，閥門(mén)開(kāi)啟泄壓，Pb迅速降低，如圖 5實(shí)線所示。但是，當(dāng)真空度不夠或者彈簧力過(guò)大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)閥門(mén)不開(kāi)啟的現(xiàn)象。此時(shí)，壓氣機(jī)仍源源不斷向進(jìn)氣管路輸送高壓空氣，壓氣機(jī)處于高壓比低流量的狀態(tài)，從而形成壓氣機(jī)喘振，造成節(jié)氣門(mén)前壓力Pb的波動(dòng)，如圖5中虛線所示。

當(dāng)斷開(kāi)泄壓閥真空管路，使Pc取大氣壓力時(shí)，泄壓閥則不會(huì)開(kāi)啟，收油時(shí)，由于進(jìn)氣系統(tǒng)不能泄壓，會(huì)形成喘振噪聲。對(duì)這種狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試工況仍為急加速至1 900 r/min收油，采集工況循環(huán)4次，得到的近場(chǎng)噪聲頻譜圖如圖6所示。主觀感受該喘振噪聲與收油落鎖聲噪聲的聲音品質(zhì)比較相似，只是落鎖聲噪聲比較短促，而喘振噪聲更為連續(xù)。根據(jù)對(duì)近場(chǎng)噪聲的濾波分析發(fā)現(xiàn)，喘振噪聲的發(fā)聲頻率主要集中在 600～1 700 Hz的寬頻頻帶，與落鎖聲的發(fā)聲頻率相同；因此，可以推測(cè)落鎖聲為泄壓閥泄氣不及時(shí)，造成增壓器壓氣機(jī)的瞬時(shí)喘振，從而形成瞬時(shí)的喘振噪聲。

圖6 喘振工況泄壓閥近場(chǎng)噪聲頻譜圖

圖7為減速時(shí)3種狀態(tài)下的Pb變化示意圖，在泄壓閥正常開(kāi)啟情況下，Pb稍許上升，但會(huì)馬上降低；在泄壓閥不開(kāi)啟的情況下，Pb上升后，脈動(dòng)波形重復(fù)數(shù)次，其間會(huì)產(chǎn)生喘振噪聲，如圖6；在泄壓閥開(kāi)啟不及時(shí)的情況下，Pb到開(kāi)閥時(shí)為止，產(chǎn)生如泄壓閥不開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)的脈動(dòng)波形，形成瞬時(shí)喘振，開(kāi)閥后Pb馬上減弱。對(duì)于開(kāi)閥速度的影響因素，主要為Pb的升高速度、Pc真空度的提高速度及彈簧壓力Fs。在Pb和Pc都不能改變的情況下，只有降低彈簧力Fs，才能使得Fs

圖7 減速時(shí)泄壓閥正常開(kāi)啟、不開(kāi)啟及開(kāi)啟不及時(shí)3種工況下Pb變化曲線示意圖

4 方案驗(yàn)證

為了消除異響并對(duì)異響發(fā)聲機(jī)理進(jìn)行驗(yàn)證，選取彈簧力更小的 2個(gè)泄壓閥樣件進(jìn)行測(cè)試，開(kāi)啟壓力分別為-30 kPa和-17 kPa（原泄壓閥為-51 kPa）。將這 3個(gè)泄壓閥在同一問(wèn)題車(chē)輛上進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試工況與問(wèn)題工況保持一致，得到的近場(chǎng)噪聲頻譜圖如圖8所示。

圖8 3種泄壓閥開(kāi)啟壓力近場(chǎng)噪聲頻譜圖

從頻譜圖中可以看出，-30 kPa和-17 kPa的泄壓閥在收油瞬間，600～1 700 Hz的落鎖聲頻帶幅值較-51 kPa減小很多。主觀感受，-51 kPa的原泄壓閥落鎖聲明顯，更換為-30 kPa的泄壓閥后落鎖聲基本消失，偶有發(fā)生但聲音輕微可接受，更換-17 kPa的泄壓閥后落鎖聲則完全消失。這組試驗(yàn)證明，通過(guò)選取彈簧剛度更小的小開(kāi)啟壓力泄壓閥，可以使閥門(mén)及時(shí)打開(kāi)泄壓，防止收油落鎖聲的出現(xiàn)。

5 其他控制方式探討

雖然小開(kāi)啟壓力泄壓閥可以消除收油落鎖聲異響，但隨著泄壓閥彈簧力的減小也帶來(lái)了一系列的問(wèn)題[4]。其一，怠速工況下，閥門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)，當(dāng)車(chē)輛加速時(shí)會(huì)有遲滯感；其二，在全負(fù)荷加速工況下，由于進(jìn)氣壓力過(guò)大，可能導(dǎo)致泄壓閥閥門(mén)被頂開(kāi)，造成非正常泄氣。電子泄壓閥的應(yīng)用可以較好地彌補(bǔ)機(jī)械式泄壓閥帶來(lái)的以上問(wèn)題，通過(guò)ECU的控制，閥門(mén)的開(kāi)啟時(shí)刻能夠更加精準(zhǔn)，且使用電磁式閥門(mén)可以使開(kāi)閥速度更快，避免泄氣遲滯[5]。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試手段確定收油異響的輻射源，并以泄壓閥的工作原理為切入口，研究異響的發(fā)聲原理，最終進(jìn)行驗(yàn)證，得出如下主要結(jié)論：

1）急加速后收油所產(chǎn)生的類(lèi)似車(chē)門(mén)落鎖的噪聲是由泄壓閥前管路（即壓氣機(jī)出口到節(jié)氣門(mén)段管路）輻射出來(lái)的；

2）通過(guò)對(duì)泄壓閥工作原理進(jìn)行研究，確認(rèn)該落鎖聲為泄壓閥泄氣不及時(shí)造成的壓氣機(jī)瞬時(shí)喘振，從而形成噪聲。

3）將泄壓閥的彈簧剛度調(diào)低，減小泄壓閥的開(kāi)啟壓力，可以使泄壓閥及時(shí)開(kāi)啟泄壓，最終消除該噪聲。

4）小開(kāi)啟壓力的泄壓閥可以消除噪聲，但同時(shí)帶來(lái)了加速遲滯和全負(fù)荷加速非正常泄氣的問(wèn)題，通過(guò)使用電子泄壓閥可以較好地避免這些問(wèn)題的發(fā)生。

[1]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，1992.

[2]龐健，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.

[3]葉敬安，劉旻，劉淑軍，等. 增壓器泄壓閥噪聲的進(jìn)氣系統(tǒng)解決方案[J]. 上海汽車(chē)，2014（11）：26-29.

[4]Amin Almasi．Anti-surge Valves for Dynamic Compressors [J]. Chemical Engineering, 2012, 119 (11): 43-47.

[5]Charlie Teng, Fumin Pan, Jemai Missaoui, et al. Flow Noises Associated with Integrated Compressor Anti-Surge Valve[J]. SAE Technical Papers, 2011, 107 (3).

U464：U467.4+93

：ADOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2017.01.005

1002-4581（2017）01-0017-04

2016? 08? 24