增程式新能源汽車用發動機噴油器噪聲測試系統研究

婁建民,楊玉,劉勇

(哈爾濱東安汽車動力股份有限公司，黑龍江哈爾濱 150066)

0 引言

近年來，隨著各國對環境的重視及排放法規的加嚴，導致混合動力汽車HEV(Hybrid Electric Vehicle)的發展異常迅速，各大車企紛紛對HEV的研究投入大量的人力物力，與此同時，用戶對HEV的舒適性要求也越來越高，因此車企對汽車噪聲等特性展開了相關的研究。作為增程式混合動力汽車，在低速運轉時發動機為最大的噪聲源，所以在低速時優化發動機噪聲對混合動力整車的降噪提升貢獻是很明顯的。楊金才等[1]對噴油器的噪聲產生原因和控制方法作了很詳細的分析，所以在設計之初對其噪聲特性進行優化分析，那么優化后的產品在市場上定有較大的競爭力。

在整車上低速運轉時，因為零部件眾多，機械噪聲和燃燒噪聲的摻雜很難對單體零件進行量化。即使是頻率和噪聲比較明顯的噴油器也很難分離出來。目前，國內對發動機零部件的單體噪聲測試手段還比較單一，大部分廠家對油軌噴油器的噪聲測試都是在整機的狀態下完成，這就使得發動機的機械噪聲和燃燒噪聲對測試結果產生嚴重影響。因而，測試結果具有較大誤差，不能真實反映油軌總成的噪聲水平。

1 噴油器噪聲測試系統設計

為了能夠真實反映噴油器在整車上的噪聲水平，同時對噴油器的選型提供有力的試驗支持，因此設計了一套噴油器噪聲測試系統。該系統主要由噴油器模擬控制系統、模擬燃料供給系統、噪聲數據采集系統等組成，如圖1所示。該研究所用到的試驗邊界條件如表1所示。

圖1 噴油器噪聲測試系統

噴射壓力/kPa環境溫度/K環境壓力/kPa試驗背景噪聲/dB試驗場地350298988<35半消聲室

在試驗過程中，保證環境溫度、壓力、背景噪聲在規定的范圍內。噴油器模擬控制系統通過模擬臺架ECU對發動機的噴油的控制來驅動噴油器電磁閥的開閉，同時采用高精度的聲級計對噪聲進行采集。

1.1 模擬燃料供給系統

臺架上發動機正常工作時候的燃料為93號標準汽油，試驗過程中為了避免引發火災，用軟化水(硬度低于0.1 mg/L)代替93號標準汽油進行測試。測試系統的模擬燃料供給壓力來自于臺架的燃油泵及燃油過濾器在油軌的入口前50 cm處加裝一個0.35 MPa的減壓閥，將油泵及過濾器放置在吸聲裝置的內部，以免干擾油軌及噴油器的噪聲測試結果，具體如圖2所示。

圖2 燃油泵放置在吸聲裝置內部示意

1.2 噪聲數據采集系統

此次對噴油器噪聲的數據采集使用的是B&K公司的2270聲級計(自帶麥克風)，該聲級計所使用的4189型傳聲器，寬頻線性頻率范圍可達4.2 Hz～22.4 kHz，A加權動態范圍可達16.6～140 dB，符合最新國際標準的通用型1類噪聲的測量，同時操作方便、快捷。

2 噴油器模擬控制系統

該款增程式混合動力汽車所用的發動機為1.0 L氣道噴射的形式，系統完全模擬發動機電噴系統在開機模式下的噴油器控制方式，預先采集發動機在該模式不同工況下的噴油脈寬，在相同的轉速下負荷從0到節氣門全開，每一次遞增10%，記錄結果如表2所示。

2.1 噴油時序

DAM10E作為一款進氣道噴射的三缸機，其噴射時序為1-3-2，噴油器的控制電路在設計時需要弄清噴射起始的邏輯關系，根據表2中的噴油脈寬可以推斷出噴油器在不同的轉速下3個缸的噴油時序如圖3所示。

表2 DAM10E發動機不同工況下的噴油脈寬

圖3 噴油時序

以2 000 r/min、50%負荷為例來說明控制電路對噴油器的控制，如圖3所示，噴油順序為1-3-2，假設一缸進入壓縮行程，此時一缸噴油器持續噴油7 ms后關閉13 ms。接下來三缸進入壓縮行程，三缸噴油器持續噴油7 ms后關閉13 ms。最后到二缸進入壓縮行程， 二缸噴油器持續噴油7 ms后關閉13 ms。到此結束，曲軸正好旋轉2周，用時60 ms。

2.2 噴油器驅動電路

DAM10E發動機噴油器的工作電流需求較大，因此需要單獨設計驅動電路，文中所設計的驅動電路如圖4所示。噴油器所需電源來源于整車所使用的12 V電瓶，圖中所用到的N1、N2、N3開關MOS管為發動機ECU上所使用的BUK系列，柵極的控制由單片機的P0.0-P0.2實現，在電路圖中所起到的作用：單片機通過控制P0.0-P0.2輸出電平來控制12 V電源的通斷，模擬噴油脈寬使噴油器電磁閥工作，同時在三路信號控制上引入二極管指示。

圖4 噴油器驅動電路

2.3 噴油器控制電路

此試驗的控制電路基于AT89S52芯片，該芯片是某公司生產的低功耗、低成本、高性能、大眾化的8位微控制器。圖5所示為此次試驗控制電路硬件系統的電路原理圖。

圖中P0.0、P0.1、P0.2為輸出給驅動電路的信號。單片機的I/O口P1.0-P1.7組成了4×4的鍵盤，用來設置噴油器的噴油工況，測試工況分為外特性點和萬有特性點，引入鍵盤控制方式可以節約試驗時間，同時應用LCD12864顯示屏顯示當前的工況，試驗所用到的顯示屏自帶中文字庫，調用方便快捷，晶振選用11.059 2 MHz，方便對噴油脈寬時間的控制。

3 試驗結果

利用所設計的噪聲測試系統進行了3個國內主流電噴廠商所生產的三缸噴油器及油軌的噪聲對比，測試用油軌及噴油器暫且命名為A、B、C樣品，如圖6所示。在不同轉速、不同負荷下對不同的樣品進行測試。

3.1 同一樣品不同負荷下的聲壓級

根據表2中的噴油脈寬對A樣品進行噪聲測試，測試結果如圖7所示。

圖7 A樣品測試結果

根據圖中的測量結果可以看出：

(1)同一樣品同一轉速下，不同的負荷對噴油器的噪聲沒有明顯的差異；

(2)同一樣品的噪聲隨轉速的增加而升高。

3.2 不同樣品在外特性下的聲壓級對比

根據圖7中得出的結論，對B、C樣品進行了抽樣測試和外特性工況下的測試。三種外特性下的聲壓級對比如圖8所示。

圖8 不同樣品噪聲對比

通過上圖可以看出B樣件的噪聲水平在三種樣件中最低。

3.3 噪聲的來源

通過丹麥某公司的BZ-5503軟件對測試結果進行相關分析。此次試驗所使用的半消聲室的背景噪聲如圖9所示。

圖9 背景噪聲

試驗測量的背景噪聲A計權后為28.1 dB，最大的噪聲源出現在63 Hz左右。以B樣品在外特性工況點下的噪聲為例分析噪聲的來源，如圖10所示。

圖10 B樣品外特性下1/3倍頻程

通過圖9的背景噪聲與圖10對比，可以看出主要噪聲來源于高頻區域(1～16 kHz)，也就是燃油壓力脈動產生的噪聲。

4 結束語

所建立的噴油器噪聲測試系統，模擬整車工作環境將噴油器及油軌單獨進行測試，并且搭建了模擬燃油供給系統、噪聲測量及分析系統、噴油器控制系統等。解決了不同樣品噴油器選型的問題及整車低速噪聲問題，現場測試情況如圖11所示。

圖11 噴油器噪聲測試試驗現場

通過該試驗系統可以對噴油器在整車上貢獻的噪聲進行分離，有利于整車或整機的噪聲研究，可以量化其在整車或整機狀態下的噪聲貢獻量，對車廠或噴油器的生產企業進行噴油器及油軌的優化，降低高頻區域的燃油壓力脈動噪聲具有深遠的意義。