增壓器HISS 噪聲和泄氣噪聲優(yōu)化

陸榮榮，趙文仲

（江淮汽車集團(tuán)股份有限公司發(fā)動機(jī)公司動力研究院，安徽，合肥 230601）

HISS 噪聲和泄氣噪聲是增壓汽油發(fā)動機(jī)上最常見的兩種氣動噪聲。兩種噪聲均是寬頻噪聲，在解決上都有一定的難度。

本文系統(tǒng)闡述HISS 噪聲和泄氣噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和常見的解決方法，并通過實(shí)例系統(tǒng)介紹通過消聲器來降低HISS 噪聲和泄氣噪聲的過程方法和效果。

1 HISS 噪聲

當(dāng)壓氣機(jī)工作在壓氣機(jī)map 的喘振線附近時，會產(chǎn)生寬頻（1～3kHz）的噪聲，稱為 HISS 噪聲或者whoosh 噪聲，如圖1 所示。這種噪聲在小型化程度較高的發(fā)動機(jī)運(yùn)行在某些特定工況時最容易發(fā)生，如全負(fù)荷或者急踩油門然后急送油門[1]。

圖1 HISS 噪聲示例

解決HISS 噪聲的方法有以下幾個方面：

（1）優(yōu)化壓氣機(jī)的匹配，選用不同型號的葉輪，使聯(lián)合運(yùn)行曲線往右邊移動，避開輕微喘振線。

（2）優(yōu)化標(biāo)定，使聯(lián)合運(yùn)行曲線往右邊移動，避開輕微喘振線。

（3）避免壓氣機(jī)進(jìn)口管路的急劇折彎。

（4）在壓氣機(jī)進(jìn)口設(shè)置葉輪旁通再循環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖2[2]。當(dāng)發(fā)生喘振傾向時，進(jìn)入葉輪的部分氣流會從蓋板斜孔導(dǎo)出，進(jìn)入壓氣機(jī)入口，再重新進(jìn)入葉輪，促進(jìn)氣流延續(xù)，防止氣流中斷甚至返氣。

圖2 葉輪旁通再循環(huán)結(jié)構(gòu)

（5）使用渦旋進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。如果壓氣機(jī)入口氣流相對于壓氣機(jī)葉片的角度不合適，在葉片根部容易發(fā)生氣體分離，而產(chǎn)生紊流噪聲。通過在壓氣機(jī)入口安裝渦旋進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，獲得氣流相對葉片較合適的入射角度，從而減小氣體分離，降低輕微喘振傾向。

（6）使用諧振腔消聲器。

圖3 渦旋進(jìn)氣結(jié)構(gòu)

2 泄氣噪聲

泄氣噪聲也就是再循環(huán)閥（CRV 閥）放氣噪音，多見于汽油機(jī)，為寬頻噪音，如圖4 所示。

當(dāng)油門丟掉時，為了將節(jié)氣門前的高壓泄掉，CRV 閥打開。高壓高速氣體通過CRV 閥，形成泄氣噪聲，類似于壓縮氣體瞬時膨脹的爆炸聲[3]。

解決泄氣噪聲的方法有以下幾個方面：

（1）優(yōu)化泄氣通道設(shè)計，盡量圓滑，避免存在有尖銳的棱角。

（2）一種工程經(jīng)驗得知，減小CRV 閥安裝腔室的容積可以有效減低泄氣噪聲，但原理尚不明確。

（3）采用非集成方案，將CRV 閥安裝到進(jìn)氣管路上可以有效降低泄氣噪聲。

（4）標(biāo)定優(yōu)化，讓CRV 閥打開時間較節(jié)氣門關(guān)閉時間稍稍提前。

（5）使用諧振腔消聲器。

圖4 泄氣噪聲示例

3 實(shí)例解析

通過對某款增壓汽油機(jī)車輛系統(tǒng)的測試，該車輛發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)在工況一下存在明顯HISS 噪聲，在工況二下存在明顯的泄氣噪聲。

3.1 摸底測試工況

工況一：3 擋全負(fù)荷加速至4000rpm(run up)

工況二：2 擋全負(fù)荷加速至2500rpm 松油門(tip in/tip out)

3.2 摸底測試

工況一下的噪聲頻譜如圖5 和圖6 所示，工況二下的噪聲頻譜如圖7 和圖8 所示。

圖5 進(jìn)氣口噪聲

圖6 壓后管路近場噪聲

圖7 進(jìn)氣口噪聲

圖8 壓后管路近場噪聲

噪聲頻譜表明，工況一下，1800-2500rpm 有寬頻Hiss(“嘶嘶”)聲；工況二下，有明顯的泄氣聲。進(jìn)氣口噪聲測試結(jié)果表明主要噪聲源頻段范圍為：500～1100Hz、1500～1800Hz 以及 2800～3200Hz，壓后管路輻射噪聲測試結(jié)果表明主要噪聲源頻段范圍為 1000～2200Hz。

3.3 噪聲優(yōu)化

針對HISS 噪聲和泄氣噪聲，從以下幾個方面進(jìn)行優(yōu)化：

3.3.1 組合式消聲器

通過前面的介紹可知，HISS 噪聲和泄氣噪聲均屬寬頻噪聲。簡單的單腔擴(kuò)張室消聲器1/4 波長管、1/2 波長管、赫姆霍茲消聲器等均不能消除寬頻噪聲。

通過對噪聲的頻譜圖分析，設(shè)計了多腔穿孔管消聲器和插入式擴(kuò)張腔消聲器的組合方案，布置方案如圖9 所示。這樣可以在較寬廣的頻率段內(nèi)降低噪聲。

圖9 消聲器布置方案

（1）消聲器設(shè)計。組合式的消聲器方案如圖10所示：

圖10 組合式壓前消聲器

消聲器的兩端各有兩個插入式擴(kuò)張腔消聲器，中間為兩個單腔穿孔消聲器。消聲器設(shè)計參數(shù)的具體演算過程不再展開。

（2）消聲器仿真和測試。應(yīng)用GT-POWER 對組合式的消聲器進(jìn)行了傳遞損失的仿真計算，并制作快速成型件進(jìn)行了傳遞損失的測試，見圖11。在有效測試范圍內(nèi)(5500Hz 以內(nèi))，第2 輪方案傳遞損失測試值與仿真值吻合較好，說明基本達(dá)到設(shè)計意圖。而且通過兩輪的調(diào)整，傳遞損失覆蓋的頻率段得到很大的拓寬。

圖11 壓前消聲器仿真分析

3.3.2 排簫式消聲器

壓后管路上設(shè)計排簫式消聲器，布置方案如圖9 所示。

（1）消聲器設(shè)計。單個的1/4 波長管只能降低某個頻率的噪聲，壓后使用的排簫式消聲器其實(shí)是將4 個1/4 波長管集成在一塊，形狀類似笙簫，故而稱之為排簫式消聲器。

設(shè)計如圖12 所示，設(shè)計參數(shù)具體演算的過程不再展開。

圖12 排簫式壓后消聲器

排簫式消聲器的具體規(guī)格如下：

表1 壓后消聲器技術(shù)規(guī)格

圖13 壓后消聲器仿真分析

（2）消聲器仿真和測試。如圖13，壓后消聲器的傳遞損失測試頻率與設(shè)計值吻合較好，基本滿足設(shè)計要求。

3.3.3 優(yōu)化測試

優(yōu)化后，工況一測試的頻譜如圖14 和圖15 所示，工況二測試的頻譜如圖16 和圖17 所示。

圖14 進(jìn)氣口噪聲對比（工況一）

圖15 壓后管路近場噪聲對比（工況一）

圖16 進(jìn)氣口噪聲對比（工況二）

圖17 壓后管路近場噪聲對比

（1）工況一：安裝消聲器后，車內(nèi)主觀感受加速時的 HISS 聲(1500～2500rpm)改善明顯。

（2）工況二：安裝消聲器后，壓后管路近場的輻射噪聲在800～3000Hz 范圍內(nèi)有明顯減弱。