(上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

0 前言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)大中城市的噪聲污染中，有大概70%來(lái)自于交通運(yùn)輸，特別是在城市交通中道路擁堵，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)頻繁停車怠速等待的情況。如何降低怠速噪聲、改善怠速噪聲品質(zhì)，是控制和降低交通噪聲，創(chuàng)造良好的聲環(huán)境質(zhì)量的核心解決目標(biāo)。由于柴油車產(chǎn)生的噪聲通常要比汽油車更高，因此如何降低柴油機(jī)的怠速噪聲和優(yōu)化聲品質(zhì)尤為重要。

本文針對(duì)某款配置4缸柴油機(jī)車型的怠速噪聲的優(yōu)化展開(kāi)。該款車型在怠速工況時(shí)，車內(nèi)聲壓級(jí)并不高，但是存在一種類似“嗒嗒嗒”的聲音(以下簡(jiǎn)稱“嗒嗒”聲)可能會(huì)引起客戶抱怨。首先結(jié)合該柴油機(jī)的臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)，確定該噪聲的主要頻率成分；隨后針對(duì)這些頻率范圍進(jìn)行噪聲源識(shí)別，確定了產(chǎn)生“嗒嗒”聲的關(guān)鍵零部件；通過(guò)優(yōu)化相關(guān)零部件，該款車型的怠速噪聲品質(zhì)得到了明顯提升，消除了可能會(huì)產(chǎn)生的噪聲隱患。

1 問(wèn)題描述

在某款配置直列4缸柴油機(jī)的車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在怠速工況的時(shí)候，可以感受到存在類似“嗒嗒”的噪聲。此時(shí)通過(guò)測(cè)試車內(nèi)駕駛員耳旁的噪聲，得到該測(cè)點(diǎn)位置噪聲聲壓級(jí)為48.5 dB(A)。和同類型的參考車相比，總聲壓級(jí)并不算高，甚至還略低一些(參考車型的噪聲總聲壓級(jí)大約在50.0 dB(A))。因此，將該噪聲定性描述為整車的怠速聲品質(zhì)問(wèn)題。

2 問(wèn)題識(shí)別和定義

由于在怠速工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)整體輸出的振動(dòng)能很低，所以初步排除了結(jié)構(gòu)噪聲傳遞到整車的可能。因此問(wèn)題的源頭主要來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)本身產(chǎn)生的空氣噪聲。

為了更準(zhǔn)確地確認(rèn)該噪聲頻率具體來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)上的哪些具體零部件，對(duì)該柴油機(jī)進(jìn)行了相關(guān)工況的臺(tái)架試驗(yàn)。具體的試驗(yàn)規(guī)范參考《GB/T 1859 2000 往復(fù)式內(nèi)燃機(jī) 輻射的空氣噪聲測(cè)量工程法及簡(jiǎn)易法》中規(guī)定的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行布置。選取標(biāo)準(zhǔn)描述中，基準(zhǔn)體頂面1 m測(cè)距點(diǎn)作為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架噪聲分析的參考點(diǎn)。

首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)正常怠速工況進(jìn)行測(cè)試，完成后采用相同轉(zhuǎn)速的電力測(cè)功機(jī)進(jìn)行倒拖，并進(jìn)行機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的分離對(duì)比。在倒拖過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該噪聲基本消除，所以可以初步確認(rèn)該噪聲與噴油及燃燒相關(guān)。同時(shí)，對(duì)比這兩種工況下的參考點(diǎn)得到了噪聲1/3倍頻程圖，如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)頻帶聲能量差異較大的頻率在1 000 Hz以上。通過(guò)對(duì)該噪聲濾波返放，確認(rèn)抱怨噪聲的頻帶為1 000～1 600 Hz。

圖1 車內(nèi)噪聲1/3倍頻程圖

表1示出了計(jì)算結(jié)果，其中1 000 Hz、1 250 Hz和1 600 Hz的頻帶占據(jù)總聲壓級(jí)能量較高，是改進(jìn)方案中所需要考慮的主要方向。在臺(tái)架參考點(diǎn)的噪聲頻帶聲壓級(jí)能量?jī)H比總聲壓級(jí)低了4.3 dB(A)，在整車上，由于有了隔聲降噪措施，車內(nèi)耳旁噪聲頻帶聲壓級(jí)和總聲壓級(jí)相差約9 dB(A)。通常聲壓級(jí)相差10 dB(A)以上，噪聲特征才不會(huì)被明顯感知[1]。

表1 抱怨噪聲能量占比

其次，針對(duì)噪聲發(fā)生的頻帶，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上作了進(jìn)一步的零件噪聲識(shí)別分析。在可疑零部件的近場(chǎng)和表面，分別布置傳聲器和加速度傳感器，測(cè)試這些零部件對(duì)問(wèn)題頻帶噪聲的影響。通過(guò)測(cè)試，得出參考點(diǎn)噪聲的能量貢獻(xiàn)較大，包括油軌、油泵和發(fā)動(dòng)機(jī)缸體。

綜合以上內(nèi)容，確認(rèn)噪聲來(lái)自供油系統(tǒng)的噴油通過(guò)油軌和缸體放大所輻射的噪聲。要使噪聲能量得到良好控制，需要有效控制噴油過(guò)程，同時(shí)還要被動(dòng)控制油軌和發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的輻射噪聲，使整車在怠速工況下，把問(wèn)題頻帶噪聲的能量降低到可以接受的程度，為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，目標(biāo)設(shè)定為問(wèn)題頻帶噪聲聲壓級(jí)和總聲壓級(jí)相差12 dB(A)。

3 噪聲的機(jī)理分析

首先，對(duì)于噴油過(guò)程相關(guān)調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)。通常發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)于單位時(shí)間內(nèi)的噴油次數(shù)具有直接影響，需要重點(diǎn)考慮。噴油的提前角及噴油壓力本身，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力變化也有直接的關(guān)系，進(jìn)而影響噪聲品質(zhì)。這些都是可以進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)的參數(shù)[2]。

其次，在仍然沒(méi)有辦法達(dá)到要求的時(shí)候，可以采取對(duì)輻射聲源的吸隔聲措施，從而達(dá)到降低輻射到車內(nèi)的噪聲的能量。通?？梢圆捎梦袈暡牧线M(jìn)行包裹。針對(duì)不同的頻率，所選擇的材料性質(zhì)可能不同，最好進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，擇優(yōu)使用。

4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

基于對(duì)該噪聲的機(jī)理分析，繪制了噪聲優(yōu)化的參數(shù)圖，見(jiàn)圖2。分別從發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、噴油提前角、噴油壓力3個(gè)角度對(duì)噴油過(guò)程進(jìn)行控制。在隔聲方面，準(zhǔn)備了不同密度的發(fā)泡材料(PUR)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)頂面進(jìn)行覆蓋。同時(shí)，還準(zhǔn)備了高壓共軌(覆蓋PUR)，以及噴油器(覆蓋PUR)。由于實(shí)車上油泵附近空間不夠，因而未對(duì)其進(jìn)行覆蓋的試驗(yàn)。對(duì)于本次優(yōu)化方案總共設(shè)計(jì)了5個(gè)可供改變的因素。為了確保方案在夏天和冬天都有效，還引入了環(huán)境溫度的影響。

圖2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)圖

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)圖，對(duì)每個(gè)因素的初始水平進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，便得到了各種試驗(yàn)可能。最終計(jì)算目標(biāo)函數(shù)為車內(nèi)主駕耳旁噪聲總聲壓級(jí)減去問(wèn)題頻帶噪聲聲壓級(jí)要求大于12 dB(A)，認(rèn)為該結(jié)果達(dá)到改善要求。由于影響因素和水平較多，試驗(yàn)方案采用了分組試驗(yàn)和正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法減少總試驗(yàn)次數(shù)，從而有效縮短了試驗(yàn)周期。詳細(xì)的試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)因素水平說(shuō)明

對(duì)于主動(dòng)調(diào)整的控制參數(shù)，轉(zhuǎn)速、提前角和噴油壓力，每個(gè)因素選取3個(gè)可行的水平，算作第一組試驗(yàn)。對(duì)于覆蓋于發(fā)動(dòng)機(jī)頂面的整體PUR材料，選取了3種不同的密度，加之沒(méi)有該零件的原始方案，所以選取4個(gè)水平，算作第二組試驗(yàn)。對(duì)于共軌PUR及噴油器PUR的方案使用組合，作為第三組試驗(yàn)。

5 方案驗(yàn)證與分析

5.1 第一組試驗(yàn)

第一組試驗(yàn)是三因素三水平的試驗(yàn)，同時(shí)還考慮了環(huán)境溫度的影響，具體采取在冬季測(cè)試和夏季測(cè)試的方法，對(duì)同一臺(tái)車進(jìn)行了兩次驗(yàn)證。為了減少試驗(yàn)次數(shù)，采用了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[3]。具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。其中D因素沒(méi)有對(duì)應(yīng)的具體參數(shù)，可以看作誤差項(xiàng)。

表3 第一組試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

通過(guò)在不同溫度下完成的兩組9個(gè)試驗(yàn)(共18次)，按照常規(guī)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，分別計(jì)算了均值和信噪比，羅列在圖3和圖4中。

圖3 均值分析

圖4 信噪比分析

從圖3中可以看出對(duì)于A因素，在轉(zhuǎn)速750 r/min和850 r/min時(shí)，目標(biāo)函數(shù)實(shí)際值較大，在總體聲壓級(jí)方面，轉(zhuǎn)速850 r/min時(shí)高出1 dB(A)，所以比較好的水平是A1水平，即750 r/min。對(duì)于B因素，提前角對(duì)于目標(biāo)函數(shù)數(shù)值影響很小，但是隨著提前角的增大，主觀評(píng)估活塞和缸壁敲擊聲更為嚴(yán)重，因此選取B1水平(即2 °CA)。對(duì)于C因素，在噴油壓力較小的時(shí)候，目標(biāo)函數(shù)計(jì)算值較大，表現(xiàn)最好，因此選取C1水平，即30 MPa的噴油壓力較為合適。為了考察這些方案對(duì)于環(huán)境溫度穩(wěn)定性的影響，查看了各個(gè)因素在不同溫度下產(chǎn)生的信噪比，均在20 dB(A)左右，說(shuō)明這些因素受到環(huán)境溫度影響較小，試驗(yàn)結(jié)果較為穩(wěn)定，可以作為工程方案實(shí)施。

綜合考慮信噪比和均值，確定選擇A1、B1和C1(再次實(shí)測(cè)結(jié)果為11.02 dB(A))。但是結(jié)果未達(dá)12 dB(A)指標(biāo)要求，因此需要采取隔聲措施。后續(xù)其他組的措施是基于A1、B1、C1該水平下開(kāi)展試驗(yàn)的，特此說(shuō)明。

5.2 第二組試驗(yàn)

該組試驗(yàn)對(duì)于密度不同的發(fā)動(dòng)機(jī)吸音罩進(jìn)行試驗(yàn)，如圖5，密度分別是150 kg/m3、250 kg/m3和400 kg/m3。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，密度為400 kg/m3的吸音罩效果最好，目標(biāo)函數(shù)數(shù)值達(dá)到11.8 dB(A)，因此選用這個(gè)方案，但是距離12 dB(A)仍存在差距。因此需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步采取措施，開(kāi)展第三組試驗(yàn)。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)吸音罩效果

5.3 第三組試驗(yàn)

該組試驗(yàn)對(duì)于增加噴油器PUR和共軌PUR的效果進(jìn)行驗(yàn)證，見(jiàn)圖7。按照試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中的H因素4種不同水平的組合，得到了如圖8的試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)結(jié)果可以看出3水平和4水平時(shí)較好，都對(duì)應(yīng)了共軌PUR罩使用的情況。噴油器PUR在問(wèn)題頻段的影響很小，可以不使用。

圖7 噴油器PUR罩和共軌PUR罩示意圖

5.4 方案匯總說(shuō)明

通過(guò)上述三組試驗(yàn)和結(jié)果分析，最終選用了A1、B1、C1、G4和H2這個(gè)方案進(jìn)行最終的試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)應(yīng)的具體參數(shù)為怠速轉(zhuǎn)速750 r/min，噴油提前角為2°CA，噴油壓力30 MPa，使用密度400 kg/m3的發(fā)動(dòng)機(jī)吸音罩，并使用共軌PUR罩。通過(guò)實(shí)車評(píng)估，基本認(rèn)為可以達(dá)到消除該車怠速時(shí)供油系統(tǒng)噪聲的目的。

圖8 噴油器PUR罩和共軌PUR效果驗(yàn)證

6 結(jié)論

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)噪聲識(shí)別和優(yōu)化有以下幾點(diǎn)可以借鑒和參考。

(1) 對(duì)于識(shí)別，可以通過(guò)臺(tái)架倒拖的工況進(jìn)行主觀評(píng)估，同時(shí)還可以借助軟件濾波返放的功能對(duì)噪聲進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，識(shí)別出噪聲發(fā)生的頻率。對(duì)于具體零部件的識(shí)別，可以通過(guò)貢獻(xiàn)量識(shí)別的方法進(jìn)行進(jìn)一步的分析來(lái)鎖定需要優(yōu)化的零部件。

(2) 供油系統(tǒng)的聲源控制，通常從幾個(gè)方面可以著手開(kāi)展工作，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、噴油壓力、提前角等方面嘗試改變。同時(shí)對(duì)于正在選型的零部件，如油泵等零件，可以適當(dāng)查看其本身的特性作為噪聲評(píng)判的參考。

(3) 對(duì)于無(wú)法優(yōu)化控制參數(shù)的情況，可以嘗試從吸隔聲方面入手解決。建議嘗試不同的吸隔聲材料，對(duì)聲源進(jìn)行包裹。由于不同材料的效果不同，需要選擇適當(dāng)?shù)姆桨高M(jìn)行驗(yàn)證，最后擇優(yōu)使用。

專家簡(jiǎn)介

袁衛(wèi)平，上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心整車集成部NVH科高級(jí)經(jīng)理、資深專家、教授級(jí)高工、碩士研究生導(dǎo)師、ISO/TC70/WG13和SAC/TC177/WG11工作組組長(zhǎng)，從事汽車和內(nèi)燃機(jī)噪聲振動(dòng)控制研究30余年，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，編有專著、發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文、擁有多項(xiàng)發(fā)明專利。

專家推薦辭

汽車振動(dòng)和噪聲特性是影響汽車乘坐舒適性的一個(gè)重要因素，隨著人們生活水平的提高，對(duì)汽車乘坐舒適性的要求也不斷提高，車輛的NVH性能也成為汽車行業(yè)中的研究熱點(diǎn)。對(duì)于消費(fèi)者而言，車輛怠速工況下的表現(xiàn)，最容易也最直接會(huì)被感受到，因此怠速噪聲的好壞必定會(huì)成為影響消費(fèi)者選購(gòu)產(chǎn)品的重要因素，是產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要組成部分。

該文針對(duì)某4缸柴油機(jī)，在怠速時(shí)出現(xiàn)的類似“嗒嗒”的高頻噪聲開(kāi)展研究。首先結(jié)合整車以及發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，確定該噪聲的頻率特征并準(zhǔn)確鎖定抱怨噪聲主要來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)；隨后對(duì)該供油系統(tǒng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，尋找整車可行的優(yōu)化驗(yàn)證方案。文中分別從怠速轉(zhuǎn)速、噴油提前角、噴油壓力、以及被動(dòng)隔聲角度進(jìn)行優(yōu)化措施的組合設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。由于因素較多，而且每個(gè)因素還有幾個(gè)水平，因此采用了分組試驗(yàn)的方法，同時(shí)還采用了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)減少試驗(yàn)次數(shù)。通過(guò)多輪試驗(yàn)分析，確定了具體改進(jìn)因素的水平。最后通過(guò)實(shí)車驗(yàn)證，鎖定的方案使該噪聲聲壓級(jí)與車內(nèi)整體聲壓級(jí)相差12 dB(A)以上，改善了整車上對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的供油系統(tǒng)“嗒嗒”聲的抱怨。

本文所用的臺(tái)架試驗(yàn)方法是按GB/T 1859.3-2015《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī) 聲壓聲功率級(jí)的測(cè)定 第3部分：半消聲室精密法》進(jìn)行測(cè)量的。本文所涉及的優(yōu)化方向是在準(zhǔn)確鎖定聲源位置的前提下并結(jié)合多年的工程經(jīng)驗(yàn)所提出的，對(duì)于讀者，拓寬了識(shí)別和控制柴油機(jī)怠速供油系統(tǒng)噪聲的思路。本文在對(duì)于鎖定的優(yōu)化方向進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，節(jié)省大量的試驗(yàn)時(shí)間及資源，值得借鑒，推薦一讀。