汽油機渦輪增壓器回流閥噪聲的測試分析和整車改進

2016-11-07 03:46:52馬國山畢金光王江乾林紹雄

汽車與新動力 2016年5期

馬國山　畢金光　王江乾　林紹雄

(1. 寧波威孚天力增壓技術有限公司，浙江寧波 315034)

原創

汽油機渦輪增壓器回流閥噪聲的測試分析和整車改進

馬國山1畢金光1王江乾1林紹雄1

(1. 寧波威孚天力增壓技術有限公司，浙江寧波 315034)

借助于LMS振動和噪聲測試系統，依據相關的標準和方法，將自主品牌渦輪增壓器及相應的整車與1款外資品牌的渦輪增壓器及相應的整車進行對比測試及分析。通過整車改進，最終使該款自主品牌整車測定的渦輪增壓器的回流噪聲聲壓級值與外資品牌基本相當，滿足了用戶要求。

汽油機渦輪增壓器回流閥噪聲

0　概述

近年來，國內自主品牌汽油機廠家大力開發渦輪增壓汽油機，許多廠家已完成了1款或多款渦輪增壓機型的開發，并開始批量生產。

汽油機過量空氣系數一般在0.85～1.15之間，超出這個范圍，汽油將無法直接點燃。柴油機過量空氣系數一般在1.2～2.2之間，范圍比較大。汽油機是通過節氣門控制進氣量或混合氣量來調節功率的，而柴油機則是通過控制噴油量來調節功率的[1]。以汽油機為動力的汽車在行駛中，當快速松開油門腳踏板時，即關小節氣門時，增壓器壓氣機出口的流動空氣受阻，導致壓氣機出口壓力迅速提高，從而引起壓氣機喘振現象發生。為避免此情況發生，一般在壓氣機出口處增設1個回流閥，當快速關閉小節氣門時，通過控制使氣體回流到壓氣機進口，從而避免壓氣機喘振現象發生。因此，汽油機渦輪增壓器增加了1個回流閥，如圖1所示。在解決了喘振問題的同時，也帶來了回流閥打開時的氣流噪聲問題。

圖1　汽油機增壓器總成示意圖

1　汽油機渦輪增壓器回流閥的噪聲測試

1.1渦輪增壓器單體測試測試標準

國標GB/T 23341.1—2009《渦輪增壓器第一部分：一般技術條件》和國標GB/T 23341.2—2009《渦輪增壓器第二部分：試驗方法》，對渦輪增壓器的噪聲限值和試驗方法有明確的規定。

表1　渦輪增壓器的噪聲限制情況

本款渦輪增壓器壓氣機葉輪為40mm，故應滿足增壓器噪聲≤104dB(A)的要求。

測試方法： (1) 噪聲測量按照增壓器在自循環工況下的增壓器標定參數運行；(2) 噪聲的測量和數據處理按GB/T 1859—2000中的簡易法規定；(3) 以增壓器軸線為測量水平面，增壓器軸線距地面高度應大于1m，測量位置見圖2。各測點至外殼的距離為1m，距試驗室墻、地板或其他障礙物的距離應大于1m。當側點位置遇上試驗管道時，允許移動測點位置直到符合規定的要求[2]。

圖2　渦輪增壓器噪聲測點位置示意圖

本次回流噪聲的測試樣機是1款裝配1.4L汽油機的自主品牌汽油機渦輪增壓器，同時還選取了1款與之相當的外資品牌渦輪增壓器，進行對比測試和參考評價，受到測試條件的影響，測試有所簡化。具體如下： (1) 渦輪增壓器標定參數為：轉速 180000r/min 與壓氣機流量0.08kg/s，增加了轉速160000r/min與壓氣機流量0.06kg/s測點；(2) 測試在非消音室內進行，測背景噪聲并對主測噪聲修正；(3) 噪聲測點1個，測量位置為圖2中的6點，增壓器距地面距離和測點位置符合國標要求。

1.2渦輪增壓器單體測試設備

噪聲測試設備采用從比利時進口的LMS振動和噪聲測試系統，為控制回流閥的開閉，加裝了1個回流閥開閉控制裝置。

1.3渦輪增壓器單體測試結果

圖3和圖4分別是對比自主品牌增壓器和外資品牌增壓器，在回流閥斷續開啟和閉合時，測得的噪聲聲壓級值曲線。其中，聲壓級值相對較高的曲線是增壓器在 180000r/min 時的噪聲聲壓級值曲線，相對較低的是增壓器在160000r/min時的噪聲聲壓級值曲線。每條曲線的高點為回流閥開啟時的增壓器噪聲聲壓級值，低點為回流閥閉合時的增壓器噪聲聲壓級值，具體測量數值見表2。

表2　渦輪增壓器回流閥噪聲測量數據情況

注：回流閥閉時噪聲即為回流閥開時的背景噪聲，因大于10dB(A)，故無需修正。

圖3　自主品牌增壓器回流閥噪聲聲壓級值曲線

圖4　外資品牌增壓器回流閥噪聲聲壓級值曲線

2　整車測試

2.1測試標準

為分析和研究汽油機增壓器回流閥噪聲在整車上影響，研究人員對駕駛室和發動機機艙內分別進行了噪聲測試。在1款裝有自主品牌增壓器的自主品牌運動型多用途車(SUV)和裝有同款增壓器的自主品牌轎車及1款裝有外資品牌增壓器的外資品牌轎車上，進行了整車的對比測試。

駕駛室的噪聲測試，參照GB/T 18697—2002《聲學汽車車內噪聲的測量方法》標準，就氣象條件、道路條件和車輛條件等按標準進行了確認。傳感器的位置參照該標準布置，布置在B點駕駛員的座位上，即駕駛員耳旁，如圖5所示。

圖5　駕駛室內噪聲測點位置簡圖

機艙噪聲測點，沒有查到相應標準。根據車體情況規定，各測試車均布置在距增壓器回流閥 300mm 的位置，同時也在增壓器上安裝了監測增壓器轉速傳感器。

由于主要是測試渦輪增壓器的回流閥噪聲，因此，根據需要對測試進行規定。在汽車行進中測試，變速器位于3檔，加油門至發動機轉速達 2000r/min 時，快速松開油門腳踏板(發動機ECU會自動控制回流閥開啟)，待發動機轉速降到 1500r/min 時，再次加油門，連續測量4～5次以上。其間，用LMS設備連續記錄下駕駛室和機艙內的噪聲數據，并監測增壓器轉速。

在限值要求方面，機艙內的噪聲要求，未查到相應標準，所以進行相對比較。駕駛室內的噪聲要求按照國家強制標準GB 7258—2012《機動車運行安全技術條件》規定的“汽車(低速汽車除外)駕駛人耳旁噪聲聲級應小于等于90dB(A)”。

2.2測試設備

噪聲測試設備采用從比利時進口的LMS振動和噪聲測試系統，回流閥開閉通過快速松開油門腳踏板來控制。

2.3測試結果

2.3.1機艙內

噪聲聲壓級值曲線分別見圖6、圖7和圖8，圖中上方的曲線為上一條為回流閥開啟和閉合的噪聲聲壓級值波動曲線，下方曲線為回流閥開啟和閉合時增壓器轉速波動曲線，噪聲數據見表3。

圖6　自主品牌SUV機艙內噪聲聲級值曲線圖

圖7　自主品牌轎車機艙內噪聲聲級值曲線圖

圖8　外資品牌轎車機艙內噪聲聲級值曲線圖

車型聲壓級值(回流閥閉)/dB(A)聲壓級值(回流閥開)/dB(A)自主品牌SUV85.00108.00自主品牌轎車90.00101.00外資品牌轎車90.00102.00

注：回流閥閉時噪聲即為回流閥開時的背景噪聲，因大于10dB(A)，故無需修正。

2.3.2駕駛室內噪聲數據見表4。

表4　駕駛室內不同車型回流閥閉、開時噪聲情況

注：回流閥閉時的噪聲即為回流閥開時的背景噪聲，因小于10dB(A)，故需修正。

3　測試結果分析

一般而言，控制噪聲的途徑，除在人耳處減弱噪聲外，還有2種方法，包括控制噪聲源，改變、減少或停止聲源的噪聲，還有就是阻斷噪聲傳播，主要方法是隔聲、吸聲和消聲。

從渦輪增壓器單體噪聲測試結果看，自主品牌增壓器與外資品牌增壓器均滿足國標GB/T 23341.1—2009中關于≤104dB(A)的噪聲要求，且兩者基本相當，所以暫不考慮渦輪增壓器改變。

從機艙內的噪聲測試情況看，自主品牌轎車與外資品牌轎車基本相當，分別為101dB(A)和102dB(A)，但自主SUV則高達108dB(A)。分析認為，回流閥放氣的噪聲屬于氣動噪聲，從增壓器在發動機進氣系統的位置看，回流閥的噪聲主要通過進氣段的空氣介質傳播到機艙，其次是通過增壓器殼體和管路的固體傳播。在自主品牌SUV上也發現存在進氣段密封性不好的問題，這也使得回流閥噪聲通過泄露處直接傳播到機艙。因此，噪聲控制的重點應是提升自主品牌SUV進氣段的密封性及改善此段的吸聲效果。

從駕駛室內的噪聲測試情況看，自主品牌和外資品牌的噪聲均符合國家強制標準GB 7258—2012中，小于等于90dB(A)的規定。外資品牌轎車噪聲最小為63.25dB(A)，自主品牌轎車噪聲次之為65.25dB(A)，自主品牌SUV噪聲最大為68.74dB(A)。從測試數據可看出，機艙噪聲比外資品牌轎車低1dB(A)的自主品牌轎車，在駕駛室內的噪聲也高于外資品牌轎車2dB(A)，說明自主品牌轎車駕駛室的隔音效果與外資品牌轎車還存在一定的差距。自主品牌SUV因機艙噪聲較高，駕駛室的隔音效果難以簡單評價。總之，考慮到回流閥噪聲主要是氣動噪聲，傳播到駕駛室的主要途徑是通過空氣介質傳播，因此，駕駛室的噪聲控制方向，主要應提升駕駛室的密封性，阻斷空氣傳播的途徑。

4　整車改進

按上述分析，自主品牌增壓器在不變動的情況下，自主品牌SUV在機艙改善了進口段管路的密封性和吸聲效果，并在駕駛室提升了密封性后，再次與外資品牌轎車進行了對比測試。自主品牌轎車因項目暫停未參加測試。改進后的測試數據見表5和表6。從測試數據可知，改進后的自主品牌SUV機艙和駕駛室的回流閥噪聲，分別較前降低了 5.74dB(A) 和4.39dB(A)，與相應的外資品牌轎車相比基本相當，滿足了用戶的要求。