几种常见涡轮增压器噪声及其控制.docx

【排放与噪声】几种常见涡轮增压器噪声及其控制王钦庆( 奇瑞汽车股份有限公司 发动机工程研究院，安徽 芜湖241000)摘要: 本文简单阐述了涡轮增压器开发过程中几种常见的噪声，对其音谱特征，辨别方法，产生机理和控制方法进行了描述，为涡轮增压器降噪开发提供参考。关键词: 瞬态喘振; 同步振动噪声; Hiss 噪声中图分类号: TK411 8，TK421 8 文献标志码: A 文章编号: 1673 6397( 2012) 04 0043 04Several Common Turbocharger Noises and ControlWANG Qin qing( EERI Chery Automobile Co ，Ltd ，Wuhu 241000，China)Abstract: The paper introduces several common turbocharger noises and describes noise spec-trum and frequency range，mechanisms and control methods，providing a reference for development of turbocharger systemsKey Words: Instantaneous Surge; Synchronous Vibration Noise; Hiss Noise引 言随着排放法规的日益严格，特别是碳排放限制 的提出，增压技术成为内燃机技术发展的必然选择， 并且增压压比还有逐渐升高的趋势。增压发动机的 增多和增压压比的日益提高，涡轮增压器应用产生 的噪声问题，近年来逐渐得到关注。虽然涡轮增压 器的发明已有近百年的历史，但在世界范围内关于 涡轮增压器噪声的研究却刚刚起步。涡轮增压器噪 声所涉及的间隙紊流等复杂的流体问题，有些机理 目前还不是十分清楚1。表 1 常见涡轮增压器噪声1瞬态喘振噪声奇瑞公司增压发动机在国内较早应用在乘用车平台上，对涡轮增压器的噪声研究也较早，在开发过 程中曾测到几种涡轮增压器噪声( 见表 1) 。图 1喘振噪音频谱图发动机热力学开发过程合理选配的涡轮增压器在稳态工况下一般不会出现喘振现象，但在急减速、作者简介: 王钦庆( 1983 ) ，男，山东枣庄人，大学本科，工程师，主要研究方向为内燃机增压。收稿日期: 2012 06 15噪声名称频谱特性频率范围瞬态喘振冲击谱0 20kHz同步振动噪声频率 = 叶轮转速0 4kHzHiss 噪声宽频谱0 20kHz44内燃机与动力装置2012 年 8 月哐”的噪声 时，可以测量噪声发生时压气机前后管 路内的压力、温度以及通过压气机的空气流量，将数 据转化绘制在压气机的 MAP 图。如果实际 耗 气 线 穿过喘振线，即证明涡轮增压器 压 气 机 喘 振。图 2 是奇瑞 1 9L 柴油 DTI 发动机 EGR 阀开启时刻标定 不当，高速或大负荷运行突然急丢油门压气机发生 喘振现象的压气机耗气曲线在 MAP 图上的位置。喘振不仅影响驾乘人员听觉感受的舒适性，其 压力波动也会影响涡轮增压 器以及发动机的可靠 性，是一种必须避免的增压器工作状态。优化标定 数据调整 RCV 阀或 EGR 阀的启闭时刻可以避让压 气机耗气曲线进入喘振区域，从而可以很好的解决 瞬态喘振噪声。急丢油门等瞬态操作工况下 仍有可能出现喘振噪 声。瞬态喘振噪声的主要特征是在 FFT 频 谱 图 上 有一道道的冲击谱。图 1 是奇瑞 2 0L 汽油 TCI 发 动机空档多次加速急丢油门操作下的噪声 FFT 频 谱图。瞬态喘振噪声产生的机理和稳态喘振噪声类 似，都是由于压气机实际耗气曲线穿过压气机 MAP 图喘振线进入压气机喘振区域造成，只是瞬态喘振 是由于在瞬态工况下电控标定不良产生，不需要调 整涡轮增压器选配方案。增压汽油机瞬态喘振主要 是由于压气机进气再循环阀 ( RCV) 电 控 标 定 不 匹 配。在发动机高速或大负荷运行中突然减小或关闭 油门节气门，由于节气门有节流效应，在节气门阀体 前的气体压力忽然增大，通过压气机的气体流量减 小。如果此时电控数据标定不合理，RCV 阀没有及 时打开，通过压气机的空气流量持续减少，实际压气 机耗气曲线向压气机 MAP 图左侧移动，直至穿过喘 振线，导致喘振发生。增压柴油机瞬态喘振机理不 同于增压汽油机。增压柴油机由于发动机转速范围 小，压气机的流量范围也小，一般不需要配有 RCV 阀。但由于排放需要，大多数乘用车增压器柴油机 配有废气 再 循 环 系 统 ( EGR) 。当高速或大负 荷 运 行突然急减速或急丢油门，如 果 EGR 阀 标 定 不 当， 在发动机进气歧管前的进气管路内的气体仍处在增 压状态时忽然打开，高压的废气进入进气系统中，也 会造成通过压气机的空气流量忽然减小，耗气线在 压气机 MAP 图发生左移穿过喘振线，从而导致喘振 发生。2同步振动噪声同步振动噪声是和涡轮增压器零部件本身生产制造关系十分密切的一种噪声，其音频特征是频率 等于涡轮增压器叶轮转速，频率范围一般在 0 4000Hz 之间，声音似哀鸣声。图 3 增压器同步振动噪声 FFT 图谱辨别同步振动噪声可以通过同步测量涡轮增压 器转速、中间体振动和噪声进行分析。如果中间体振动频谱图上的振动频率和噪声频谱图上噪音的频 率以及增压器转速对应，即可以辨别涡轮增压器的 噪声为同步振动噪声。图 3 是在奇瑞搭载 1 9L 柴 油 DTI 发动机的威麟 V5 车驾驶舱内测到的同步振动噪 声 的FFT图 谱。 该 噪 声 在 发 动 机 转 速 达2000r /min 以后开 始 明 显，并 且 发 动机转速和负荷 越高，声音响度越大，频率也越高，是乘驾人员异常 反感的一种高频噪声。该噪声发生时也同步测量了 增压器中间体壳体振动和压气机叶轮转速，见 图 4 和 5。从 FFT 图谱 可 以 看 出，同步振动噪声的曲线 和同步振动曲线的频谱一致，频率值等于压气机叶 轮的转速值。同步振动噪声和涡轮增压器中间体的振动量与图 2 压气机喘振时的耗气线瞬态喘振辨别比较简单，在高速或大负荷运行，突然急丢油门操作增压器或进气系统部位发生“哐452012 年第 4 期王钦庆: 几种常见涡轮增压器噪声及其控制振区域，涡轮增压器压气机叶轮工作时增压空气发生动荡紊乱。图 6 是在奇瑞搭载 1 9L 柴油 DTI 发 动机在瑞虎车驾驶舱内测到的 Hiss 噪声 FFT 图谱。转子的动平衡量相关。产生的机理是叶轮转子在高转速下因自身的动不平衡产生扰动，引起转子的自 激励振动。因此测量中间体的振动和增压器噪声在 其 FFT 彩图有对应关系。图 6 Hiss 噪声 FFT 图谱Hiss 噪声的辨别主要是通过测量压气机壳体的 振动和噪音进行频谱比对。如果振动和噪音在相同 频率区间有相似的宽频带振动表现，则说明 hiss 噪 声存在。图 7 是奇瑞搭载 1 9L 柴油 DTI 发动机的 瑞虎车 Hiss 噪声发生时同步测量 的压气机壳体振 动的 FFT 频 谱 图。明显可以看到振动和 噪 音 都 有 一条宽频的带状区域。降低或消除同步振动噪声可以采用控制中间体动不平衡量 VSR( Vibration Sorting Rig) 值的方式控 制。通常 VSR 值是指在涡轮增压器专用动 平 衡 设备上测到的中间体转子总成在一定转速区间内的振 动峰值，通常 400 1500r /min 转速区间的峰值定义为 G1 ，1500 2800r /min 转速区间的峰值定义为 G2 。 VSR 值越低，同 步 振 动 越 小，发生同步振动噪声的 几率也就越 低。但 是 过 小 的 VSR 值 会 导 致 动 平 衡 机的生产效率下降，废品率大幅提高，造成涡轮增压器生产成本过高。通常做法是在涡轮增压器生产效率和同步振动噪声之间找一个平衡值，在满足同步 振动噪声限值的基础上，得到尽可能高的生产效率 和较低的废品率。图 7 Hiss 噪声的振动图谱Hiss 噪声产生的原因十分复杂，机理 目 前 还 不 十分清楚。从涡轮增压器的零部件本身改进，在发 动机开发阶段已不太现实。目前使用的降低或消除 hiss 噪声的方法主要是使压气机耗气线远离喘振线 或在压气机后的管路增加谐振消声器。使压气机耗 气线远离喘振线往往是十分困难的，很难找到既满 足高速功率又满足低速扭矩完美的压气机型号，降 低扭矩又是发动机设计开发所不愿意见到的。因此 采用被动手段，增加谐振消声器是一种常用的手段。 尝试在增压器后的进气管路增加消声器( 消声器如 图 8) ，进行 测 试。改 进 后 的 噪 声 FFT 图 谱 见 图 9， 发现 Hiss 噪声改善明显。3Hiss 噪声Hiss 噪声是一种非常常见的涡轮增 压 器 噪 声，主要出现在发动机油门瞬时加速，增压器转速在相对短时间内快速提升的情况下。当然，有时稳态条 件下涡轮增压器转速不变也会出现。它的主要频谱 特征是频带较宽，出现的频率可能在 0 20，000Hz 的范围内。产 生 Hiss 噪 声的主要原因是由于发动 机对低速大扭矩的需求，压气机耗气线过于临近喘46内燃机与动力装置2012 年 8 月4结束语瞬态喘振，同步振动噪声，Hiss 噪声在搭载增压发动机的整车 NVH 开发中经常出现。利用这些增压器噪声声谱表现，可以很好的辨别。研究其产生 机理，可以消除产生的根源采用主动手段降噪。对 于机理不清楚的噪声，可以在传递路径上采用被动 手段降噪。参考文献:1Hans Rmmal and Mats bom，Acoustics of TurbochargersJ，SAE Technical Paper Series 2007 01 22052Charlie Teng， Steve Homco，Investigation of Compressor Whoosh Noise in Automotive TurbochargersJ，SAE Tech- nical Paper Series 2009 01 20533朱海林，涡轮 增 压 器 原 理M 北 京: 国防工业出版社，1985 年 6 月第 1 版櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏【启事】欢 迎 订 阅 内燃机与动力装置内燃机与动力装置创刊于 1984 年，双月刊，大 16 开，是国家新闻出版署批准注册( 刊号: ISSN 1673 6397 CN37 1445 /TK) ，由山东省内燃机研究所主办，潍柴控股集团有限公司、山东内燃机学会协办，在全国 范围内公开发行的科技类学术期刊。是中国科技全文数据库( CJFD) 收录期刊、中国学术期刊综合评价数据 库( CAJCED) 统计源期刊，被中国核心期刊( 遴选) 数据库、中国科技期刊数据库全文收录。本