车用柴油机涡轮增压器涡轮BPF噪声的试验研究.docx

车用柴油机涡轮增压器涡轮 B PF噪声的试验研究郑光清 1 , 2 , 楼狄明 2( 11菲特尔莫古汽车零部件 (上海 ) 有限公司 , 上海 200434; 21同济大学汽车学院 , 上海 201804 )摘 要 : 阐述了涡轮增压器涡轮 B PF噪声产生的机理 , 针对不同的涡轮壳舌尖与涡轮叶片之间间隙的涡轮增压器进行了噪声测试 。试验结果表明 : 增大涡轮壳舌尖与涡轮叶片之间的间隙可以降低涡轮增 压器的涡轮 B PF噪声 ; 但对发动机性能有一定的影响 。关键词 : 内燃机 ; 涡轮增压器 ; B PF噪声中图分类号 : TK421 + 16文献标识码 : A文章编号 : 100124357 (2008) 0120042203Exper im en t on Turbocharger Turb ine BPF ( Blade Pa ssing Frequency)No ise on Autom otive D iesel Eng ineZheng Guangq ing1, 2 , L ou D im ing2(11Fede ra l2Mogul Automo tive Component ( Shangha i) Co. , L td, Shanghai 200434;21Automobile Schoo l, Tongji University, Shanghai 201804)Ab s tra c t: The fundamental of turbocha rger turbine blade passing frequency no ise is p resented. Turbine B PFno ise compa rison te sts were conducted on the same engine and the same turbocha rger, excep t using turbine housings w ith diffe rent distances between tongue and turbine whee l tip. The expe riments showed that enlar2 ging the distance can he lp to reduce the turbocharge r turbine B PF no ise, but may result in a ce rtain influence on the engines perfo rmance.Ke ywo rd s: I1C1engine; turbocharger; B PF no ise要就不同涡轮壳舌尖与涡轮叶轮间隙对增压器涡轮B PF (B lade Pa ssing F requency) 噪声和内燃机整体 噪声的影响进行研究 , 为改善内燃机排气噪声提供 依据 。2 径流式涡轮的工 作原 理及 B PF 噪 声当径流式涡轮工作时 , 在涡轮壳入口即发动机 排气管出口 , 气体具有较高的压力 、温度和一定的 速度 。由于 涡轮 壳 进气 口有 一定 的 膨胀 、加速 作 用 , 因此在涡轮壳中 , 气体的压力和温度降低 , 速 度迅速升高 , 到无叶涡轮壳的舌尖部位时 , 气体的1 概述内燃机噪声是城市环境噪声污染的主要因素 ,其在生理和心理两方面都对人类产生严重的危害 。 内燃机噪声按产生的性质可分为 : 气体动力噪声 、 燃烧噪声和机械噪声 。其中进 、排气噪声是内燃机气体动力噪声之一 , 是内燃机最强的噪声源 。对于 增压内燃机而言 , 由于在内燃机工作时涡轮增压器 的转速很高 , 发出刺耳的高频噪声 , 通过进 、排气 管的表面辐射出来 。降低增压内燃机进 、排气噪声的措施主要有 :进 、排气管道 ;采用合适的消声器 ; 合理设计选配合适的涡轮增压器 。本文主收修改稿日期 :2007 206 226减振与降噪2008 年 1 月郑光清等 : 车用柴油机涡轮增压器涡轮 B PF噪声的试验研究43速度达到最高 。在叶轮中 , 气体的动能转化为叶轮的机械功 , 使气体的速度大幅降低 。最后气体通过 涡轮壳出口排入大气 。涡轮增压器工作时 , 涡轮壳舌尖部分对叶轮进口处的压力沿圆周方向分布产生较大的影响 , 涡轮 叶轮进口处的静压分别如图 1所示 。由于叶轮叶片旋转中经过舌尖部分时 , 经历如此大的压力变化 ,从而对叶轮振动产生较大的激振作用 , 引起涡轮叶 片周 期 性 的 振 动 而 产 生 噪 声 , 噪 声 的 频 率 可 至20 kH z以上 , 其频率为 :离 , Tod为涡轮叶轮进口叶片的外径 , 如图 2 所示 。试验 时 共 准 备 4 种 不 同 值 的 涡 轮 壳 , 分 别 为716 % 、15 % 、 20 % 、 23 % 。试验是在同一发动机 、 同一增压器上进行 , 试验过程中仅更换不同 值 的涡轮壳 。 n iFt =k60式中 n 是增压器的转速 , i是涡轮的叶片数 , k 是 谐波次数 。图 2 涡轮舌部示意313 测点布置试验时麦克风和加速度传感器的布置如图 3 所 示 , 麦克风的位置靠近增压器涡轮壳外表面 , 加速度传感器固定在增压器中间体的进油螺栓上 。麦克风用来测量声音信号 , 增压器中间体上的加速度传 感器用来测量增压器的振动信号 , 从而确定增压器运转的频率 。图 1 涡轮进口处静压分布对于同一涡轮叶轮 , 与不同的涡轮舌尖与叶轮间隙的涡轮壳匹配后 , 在联合试验时 , 涡轮叶轮入 口处气体的脉动程度和不均匀程度将会不同 , 因而对叶轮所造成的激振程度也不同 。如果加大叶轮叶 片与涡轮壳舌尖之间的距离 , 就可以减小叶轮叶片振动的激励作用 , 从而减小由于涡轮叶片振动所产生的 B PF噪声 。3 试验过程和结果311 内燃机技术参数噪声试验是在一直列四冲程增压直喷式柴油机 上进行 。该柴油机缸径 93 mm , 行程 102 mm , 总排量 2177 L , 压 缩 比 1715, 额 定 功 率 为 68 kW ( 3 600 r /m in) , 最大扭矩 230 Nm ( 2 100 r /m in) 。312 涡轮增压器状态为了方便地表示涡轮壳舌尖与涡轮叶轮间隙不 同的涡轮壳 , 设定 : = d / Tod式中 : d 为 涡 轮 叶 片 与 涡 轮 壳 舌 尖 之 间 的 最 小 距图 3 传感器布置314 噪声试验结果图 4、 5、 6、 7 所示为测量到的 4 种不同舌部 直径的涡轮壳对应的增压器涡轮 B PF 噪声瀑布图 。从图中可以看出 B PF 噪声频率最高可超过 20 kH z;噪声频率主要为一阶谐振频率 , 与增压器转速和涡 轮叶轮的叶片数量成比例 ; 且噪声频率随发动机转 速的增加而增加 ; 随着涡轮壳的 值的 增加 , 增 压器涡轮 B PF 噪声明显减小 , 当涡轮壳的 值分 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 柴 油 机第 30 卷第 1 期44别为 20 % 、 23 %时 , 增压器涡轮 B PF 噪声已经很接近背景噪声 。人耳就能察觉到变化 。图 8 = 7 16 %涡轮的噪声频域图图 4 = 716 %涡轮的噪声瀑布图图 9 = 1 5 %涡轮的噪声频域图 = 1 5 %涡轮的噪声瀑布图图 5图 10 = 20 %涡轮的噪声频域图 = 2 0 %涡轮的噪声瀑布图图 6图 11 = 23 %涡轮的噪声频域图315 性能试验比较图 12、 13所示的发动机性能对比试验结果表 明 , 随着增压器涡轮舌部直径的增加 , 发动机的功 率和扭矩均有所下降 , 同时发动机的燃油消耗率增 加 , 但是对发动机最大扭矩工况的性能影响更大 。因为在发动机最大扭矩工况时 , 增压器的废气旁通阀处在关闭状态 , 此时涡轮的效率将对发动机的性 能产生重要的影响 。(下转第 48页 )图 7 = 2 3 %涡轮的噪声瀑布图图 8、 9、 10、 11 所示为 4 种不同舌部直径的涡轮壳对应的增压器涡轮 B PF 噪声频域图 。从图 中可以看 出 , 原 机 (涡 轮 壳 为 716 % ) 的 涡 轮 B PF噪声突出背景噪声为 10 dB , 而涡轮壳 值分 别为 15 % 、 20 %和 23 %时 , 涡轮的 B PF 噪声突出 背景噪声 的 值 分 别 降 低 为 8 dB、 3 dB、 1 dB。从 人 耳的听觉 特 征 而 言 , 对 于 声 压 变 化 超 过 3 dB 时 , 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 柴 油 机第 30 卷第 1 期48别后 , 就可以采取相应的措施 , 进一步降低柴油机的整机噪声辐射水平 。 该机缸盖罩壳辐射的噪声声功率级占主要地位 , 为此可采取的相应措施为 : 改善发动机的燃烧过程 , 优化发动机的燃烧结构 , 尽量减少爆燃和表 面点火等不正常燃烧对发动机缸盖造成的冲击 , 降 低燃烧压力波动等 , 以最大程度地降低发动机缸盖罩壳的表面振动 , 降低其表面噪声的辐射 。 油底壳也是该柴油机表面辐射噪声的重要来源 , 为此可采取优化设计提高油底壳刚度的方法降 低其表面振动速度 , 从而减少其噪声辐射 。例如可 以采用台阶型的刚体裙部设计 , 这样不仅减小了油底壳的辐射面积 , 而且增加了发动机缸体和油底壳 的刚度 。由于柴油机是一个复杂的噪声辐射部件 , 要对 其进行有效的降噪处理 , 还必须从柴油整机减振降 噪方面考虑 , 例如可以采用性能优良的减振器对柴油机进行振动隔 离 , 减 小由 机 械运 动而 产 生的 振 动 ; 采用新型材料 , 结合发动机的轻量化设计以减 小材料的噪声辐射效率 ; 使用高阻尼材料以隔绝发 动机舱向车身内部辐射的噪声等 。7 结论采用表面振动速度测量技术 , 通过测量柴油机的表面振动 , 研究了柴油机表面各主要部件的噪声 辐射特性和它们对柴油机总噪声的贡献量 , 指出了 为降低柴油机整机噪声辐射水平而应采取的相应措 施 。试验结果与实际测量结果之间存在较高的一致性 , 说明了表面振动速度法可以较好地应用于柴油 机表面噪声源的识别研究中 。参考文献 1 Dona ld E B axa. No ise con tro l in in te rna l com bu stion en2gine sM . U S: John W iley & son s Inc. 1982. 2 刘月 辉 , 郝 志 勇 等 . 车 用 柴 油 机 表 面 辐 射 噪 声 的 研 究 J . 汽车工程 , 2002, 24 ( 3) : 213 - 216. 3 岳东鹏 ,郝志勇等 . 柴油机表面辐射噪声源识别的研究 J . 汽车工程 , 2004, 26 ( 5) : 613 - 615 , 618. 4 张俊红 ,郭军华等 . 柴油机噪声源识别的研究 J . 拖拉 机与农用运输车 , 2004 ( 5 ) : 12 - 13 , 17. 5 徐林玉 ,杨云 ,赵骞 . 汽车整车噪声源分析及降噪措施研 究 J . 天津汽车 , 2003 ( 2 ) , 19 - 20.(上接第 44 页 )图 12发动机额定工况性能对比图 1 3 发动机最大扭矩工况性能对比4 结论参考文献 1 周龙保等 . 内燃机 M . 北京 :机械工业出版社 , 2003. 2 朱大鑫 . 涡轮增压与涡轮增压器 M . 北京 :机械工业出 版社 , 1997. 3 陆家祥 . 柴油机涡轮增压技术 M . 北京 :机械工业出版 社 , 1999. 4 魏保祥等 . 噪声测量和调查研究方法 M