幾種消除汽車燃油蒸發回收系統氣流脈動及振動噪聲的方案研究

田紹軍，廖毅，王玉雷，常光寶，黎謙

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

國六排放車燃油蒸發回收系統運行時，車內可聽見“嗒嗒”的敲擊聲，該聲音影響了乘客乘坐舒適性，需要消除。某試驗樣車汽車燃油蒸發回收系統氣流脈動引起的車內嗒嗒聲，經調整電磁閥PWM控制信號頻率后仍不能完全消除，需要進一步分析改進。該燃油蒸發回收系統主要由閥門（電磁閥）、管道、容積（炭罐）類元件構成，動力源來自進氣歧管的負壓。輸送流體的管道中存在周期性運動的動力元件或者閥門部件時，這些動力元件或者閥門部件運動時會對流體運動造成脈動沖擊，引起振動噪聲等問題。目前解決管道內流體脈動及其引起的振動噪聲問題一般是在管路上加裝蓄能緩沖器或者赫姆霍茨共振箱、擴張腔之類[1-7]的裝置。如文獻[1]研究了壓縮機排氣緩沖罐容積等因素對氣流脈動的影響，文獻[2]用數值方法計算分析了孔板對超高壓乙烯流動脈動的影響，文獻[3]研究了蓄能器設計參數對壓力脈動的影響，文獻[4]研究了徑向排氣緩沖罐對脈動的抑制效果,文獻[5]設計了一種裝于電磁閥與炭罐之間管路上的脈動消除結構，文獻[6]設計了一種帶消音結構的管路。這些研究都是為了降低或者消除流體脈動，其結構都比較復雜，成本比較高，且需要占用一定的空間，在空間不允許的條件下無法實施或者只能采用其他方法，如設計多個尺寸較小的同類器件。另外串聯在管道中的擴容緩沖元件也增大了局部壓力損失，降低了管道流量性能。本文分析了在電磁閥線圈兩端反向并聯整流二極管，縮小電磁閥進氣管內徑截面及其他多種降低和消除氣流脈動的方案措施。通過對各種方案措施試驗數據的對比分析和主觀評價研究表明，在電磁閥線圈兩端反向并聯整流二極管加上縮小電磁閥進氣管內徑截面尺寸的方案是成本最低，效果最好的，不但能有效消除車內嗒嗒聲，還能明顯提高高占空比下氣體流量，是一種較優的方案。

1 整流二極管對系統影響研究

1.1 整流二極管對電感線圈感生電動勢影響

電磁閥主體部分是一個帶鐵芯的電感線圈和一個銜鐵閥門，通過改變加載在電磁鐵線圈兩端的PWM驅動電壓頻率和脈寬時間來獲得不同大小的電磁力及作用時間，從而改變閥門開啟時間，控制管路中氣體流量。閥門開閉時氣流產生脈動并激勵炭罐等結構件振動再傳遞至車身振動引起車內嗒嗒聲。

根據楞次定理，磁場中的線圈電流突然減小時會感生一個電動勢來阻止電流的減小，感生電動勢大小由式（1）決定，與電感、電流大小及電感和電流變化快慢成正比。當電磁閥在ECU控制下斷開電路瞬間，電感線圈電流流出端感生電動勢高于流入端電動勢，因此線圈中的電子會在電壓作用下發生瞬間轉向，即出現反向電流，磁場方向出現反向振蕩，電磁力出現振蕩，增大了磁滯效應的能量損耗和電磁力沖擊能量。當在電磁閥線圈兩端反向并聯整流二極管后，由于感生電動勢高于流入端電動勢，電感產生的感生電動勢就會通過反向并聯的二極管與電磁閥電感線圈組成的閉合回路放電形成電流，電磁閥線圈中就會繼續存在電流，并轉化為磁場的電磁拉力對閥門做功。感生電動勢也是因磁場阻止電流的變化而由電磁能轉化而來的，電磁能公式如式（2）所示，與電感及電流平方成正比，若無整流二極管，則感生電動勢所消耗的電磁能就不能轉化為電磁拉力繼續做功，電磁能利用效率就降低了。

1.2 整流二極管對閥體和炭罐振動影響分析

在電磁閥體出氣端和炭罐出氣口處殼體上布置3向加速度傳感器，分別測量在有無整流二極管兩種狀態下閥體和炭罐振動加速度。如圖1和圖2所示。為PWM控制信號頻率30 Hz幅值13.5 V，占空比勻速掃略時間約90秒，占空比從0.3%～99.7%掃略運行工況下，電磁閥體出氣端軸向振動加速度RMS值、炭罐出氣口處3向振動加速度RMS值隨占空比變化對比圖。

圖1 有無二極管電磁閥體加速度對比圖

圖2 有無二極管炭罐加速度對比圖

從圖中可以看出，在電磁閥門完全開啟后，有二極管時，各測點振動在相同占空比下都明顯降低，分析電磁閥加速度瞬時值可知，RMS值降低的主要原因是閥門關閉瞬間沖擊加速度降低。

1.3 整流二極管對氣流脈動及流量影響

圖3所示為炭罐內相對氣壓平均值，圖中有、無二極管兩種狀態下，每種狀態3根曲線中自上而下分別為波峰值、時均值、波谷值的平均值。從圖中可以看出，炭罐內的氣壓隨著占空比升高而降低，有二極管時降低得更快，且占空比越高，氣壓越低，說明進氣效率提高、流量提高了，反向并聯的二極管將感生電動勢通過二極管與電感組成的回路轉換成了電磁線圈的續流，將感應電動勢消耗的電磁能又轉換成了磁拉力做功，減小了閥門關閉時的速度，延遲了閥門瞬間關閉時間，降低了脈動壓力波引起的氣錘效應。

圖3 有無二極管炭罐內相對氣壓值對比圖

炭罐內流動過程可近似看作是不可壓縮無黏性和絕熱的，流動過程氣體溫度、密度都不隨時空變化。根據伯努利方程，設大氣絕對氣壓為p0，炭罐進口處流速為v0，炭罐內絕對氣壓總體平均值為p1，炭罐內測點處總體平均流速為v1，ρ為氣體密度，則有：

式中：v0可近似為0，式（3）中p0-p1即圖3中縱坐標值的絕對值，絕對值越大，則炭罐內時均壓力越低，則其平均流速越大，且流速平方比等于圖3中相對氣壓比，平均體積流量等于測點處截面積乘以平均氣流速度。

1.4 整流二極管對車內噪聲影響

圖4所示為有無二極管兩種狀態車內右后側圍處Zwicker（ISO532B）響度隨30 Hz PWM信號占空比變化對比圖。

圖4 有無二極管車內響度對比圖

從圖中可以看出，嗒嗒聲從閥門開始開啟到完全開啟時快速增大，之后緩慢增大達到最大值略降低。從音頻回放和在線監聽可知，90%占空比以上響度增大主要是氣流聲及排氣系統聲，嗒嗒聲已經消除。反向并聯二極管后，嗒嗒聲響度明顯降低。車內噠噠聲主要是由脈動氣流對炭罐沖擊振動并經車身結構傳遞引起，脈動及振動降低，噠噠聲也明顯降低。

調整PWM信號頻率，在10 Hz～30 Hz范圍內進行占空比掃略試驗驗證表明，二極管對降低車內嗒嗒聲都有效，頻率越高，效果越明顯。并且不論有無二極管，當頻率低于12 Hz時，車內嗒嗒聲變得很緩慢且整個車內都能聽到較低沉的嗒嗒聲，而高于16 Hz后，無二極管時突突聲很快變大變尖銳。有二極管時變化較緩慢，嗒嗒聲聽起來小很多，到100%占空比時，該測點測到的都是動力總成引起的結構聲和排氣系統空氣動力噪聲及炭罐進氣噪聲。因此為了達到一個較好的流量和噪聲性能，怠速工況下PWM控制信號頻率最好控制在12 Hz～16 Hz之間。若流量滿足要求，ECU標定策略可考慮控制占空比最大限值不超過該頻率下閥門完全開啟時所對應的占空比。另外，也可以采用低頻率低占空比，高頻率高占空比同時變頻率和變占空比的標定策略，讓電磁閥運行在非全開啟狀態，而要保持非全開啟狀態下的流量，則相同占空比下頻率越低，流量越高。

2 電磁閥更改對氣流及振動噪聲影響分析

2.1 電磁閥進氣管口更改方案

電磁閥在燃油蒸發回收系統中可看作一個較小的容積系統，因此閥體兩端出入管截面積與閥體段截面積之比對氣流脈動、對氣流壓力損失都是有影響的。如圖5所示。

圖5 電磁閥進氣管口縮小對比示意圖

所研究的系統電磁閥出氣管口為一個直徑3.5 mm的拉伐爾管，此管主要是用來穩定控制流量不隨進氣歧管內壓力變化而波動。電磁閥進氣管內截面約為拉伐爾管截面面積5倍。因此試驗制作一種內徑變化的T型襯套裝入進氣管內，分別將進氣管口φ處面積縮小到原來的30%、40%、60%、80%，縮小部分長度L分別為5 mm、10 mm、20 mm、30 mm，改變局部壓損，降低氣流脈動峰值能量。試驗PWM信號頻率16 Hz，占空比為20%穩態工況和占空比從0.3%～99.7%非穩態掃略工況。

2.2 電磁閥進氣管口長度L對氣流及振動噪聲影響

為了研究管口縮小部分長度L變化對氣流及振動噪聲影響，保持管口面積縮小到更改前40 %不變，縮小部分長度L分別為5 mm、10 mm、20 mm、30 mm。圖6所示為PWM驅動信號頻率16 Hz，占空比20%穩態運行車內右后側圍處嗒嗒聲時頻圖對比。從圖中可以看出L=5 mm時，嗒嗒聲已明顯降低，L增加到10 mm時，300 Hz左右低頻聲進一步降低，長度超過10 mm時，嗒嗒聲變化不明顯，都不能完全消除。

圖6 車內右后側圍處嗒嗒聲隨管口長度變化對比圖

圖7所示為PWM驅動信號頻率為16 Hz，占空比從0.3%～99.7%掃略運行時，炭罐內相對氣壓隨管口長度變化對比圖。每種狀態3根曲線中自上而下分別為波峰值、時均值、波谷值的平均值。

圖7 炭罐內相對氣壓隨管口長度變化對比圖

從圖中可以看出，隨著L增加，相同占空比下，氣壓越高，說明壓損越大，流量越低。高占空比下，流速高，流體沿程損失與流速平方成正比，因此炭罐內氣壓隨L增大而增大變得更明顯。而從圖6分析，L增加并不能完全消除嗒嗒聲，因此為了保持流量控制噪聲，L應越小越好，以減小高占空比下流量損失。

2.3 電磁閥進氣管口面積S對氣流及振動噪聲影響

由2.2節分析可知，管口縮小部分長度越小越好，因此繼續取L=5 mm，管口面積縮小到更改前的30%、40%、60%、80%。圖8所示為PWM驅動信號頻率16 Hz，占空比從0.3%～99.7%掃略運行時，車內右后側圍處嗒嗒聲時頻圖對比。從圖中可以看出，隨著管口面積縮小車內嗒嗒聲明顯降低，面積縮小到更改前的30%時嗒嗒聲已經消除。

圖8 車內右后側圍處嗒嗒聲隨管口面積變化對比圖

表1所示為PWM占空比100%，閥門被吸附在最大開度位置不動，氣流穩定后，不同管口面積時炭罐內相對氣壓時均值對比。從表中可以看出，隨著管口面積縮小，炭罐內相對氣壓略升高，管口面積縮小到更改前30%時氣壓升高9.24%。

表1 炭罐內相對氣壓隨管口面積變化對比表

2.4 電磁閥膜片彈簧對氣流及振動噪聲影響

為了研究消除氣流脈動對上游管容系統影響，研究設計了一種電磁閥結構形式，如圖9所示。在電磁閥后蓋上開孔，在后蓋與閥門之間的空間設置一膜片彈簧，將閥門啟閉引起的氣流脈動能量通過膜片彈簧的振動轉化為彈簧的勢能和動能并通過推動膜片彈簧與后蓋殼體之間的氣體對外做功，釋放能量，從而消除上游氣流脈動。設置合適的膜片彈簧剛度和厚度，控制彈簧振幅和加速度，該結構就能有效消除氣流脈動及其振動噪聲。

圖9 帶膜片彈簧的電磁閥體結構示意圖

圖10所示為PWM信號頻率30 Hz，占空比從0.3%～99.7%非穩態掃略工況下，有無膜片彈簧車內后側圍處嗒嗒聲時頻圖對比，從圖中可以看出，采用彈簧膜片后，嗒嗒聲消除。

圖10 有無彈簧膜片車內嗒嗒聲對比圖

3 擴張腔及孔板對氣流及振動噪聲影響

擴張腔是用于消除管容系統氣流脈動常用的元件，其原理是讓氣體在突然變化的截面產生碰撞和漩渦，損失能量來降低氣流脈動峰值。試驗分別改變擴張腔長度和直徑及增加帶孔隔板，設計了如下幾種尺寸和結構擴張腔裝于電磁閥進氣口處：1、擴張腔長度50 mm，直徑分別為25 mm、50 mm。2、擴張腔直徑25 mm，長度分別為15 mm、30 mm、50 mm、65 mm。3、擴張腔直徑25 mm，長度20 mm，隔板孔徑比（孔總截面積與管截面積比）分別為50%、65%、80%、100%。測量了電磁閥在不同頻率和占空比信號控制下運行時各測點壓力脈動及振動噪聲。

3.1 擴張腔截面積對氣流及振動噪聲影響

擴張腔長度50 mm，直徑分別為25 mm、50 mm。圖11所示為PWM信號頻率30 Hz，占空比從0.3%～99.7%非穩態掃略工況下，炭罐內相對氣壓時均值隨占空比變化圖，從圖中可以看出，在電磁閥進氣管處串聯擴張腔后，擴張腔長度為50 mm，直徑分別為25 mm、50 mm時，均會增大局部壓損，提高上游炭罐氣壓，擴張腔直徑從25 mm增加到50 mm對炭罐內氣壓無明顯影響。

圖11 炭罐內相對氣壓隨擴張腔直徑變化對比圖

圖12所示為PWM信號頻率30 Hz，占空比從0.3%～99.7%非穩態掃略工況下，車內右后側圍處嗒嗒聲隨擴張腔直徑變化時頻圖，從上到下3個圖分別表示無擴張腔、擴張腔直徑25 mm、擴張腔直徑50 mm。可以看出，擴張腔直徑25 mm時1 000 Hz以下嗒嗒聲沒有完全消除，直徑達到50 mm后車內嗒嗒聲完全消除。

圖12 車內嗒嗒聲隨擴張腔直徑變化對比圖

3.2 擴張腔長度對氣流及振動噪聲影響

圖13所示為擴張腔直徑25 mm，長度分別為15 mm、30 mm、50 mm、65 mm。PWM信號頻率30 Hz，占空比從0.3%～99.7%非穩態掃略工況下，車內右后側圍處嗒嗒聲隨擴張腔直徑變化時頻圖，從上到下4個圖分別表示擴張腔直徑分別為15 mm、30 mm、50 mm、65 mm。從圖中可以看出長度增加，嗒嗒聲降低，但都還比較明顯，不能完全消除。另外，擴張腔長度變化對消聲頻率并沒有明顯影響，而一般擴張腔用于消除管路氣體中聲波則是隨著擴張腔長度增加，消聲頻率降低，此處擴張腔作用是消除氣流脈動峰值即低頻大幅值的氣流壓力脈動前3階，而不是消除管路中高頻低幅值的聲波，此管路中的主要振動為氣流壓力脈動和速度脈動引起的結構振動。

圖13 車內嗒嗒聲隨擴張腔長度變化對比圖

圖14所示為PWM信號頻率30 Hz，占空比從0.3%～99.7%非穩態掃略工況下，炭罐內相對氣壓時均值隨占空比和擴張腔長度變化對比圖，圖中實線表示未加擴張腔，虛線表示不同擴張腔長度，從圖中可以看出，加裝擴張腔均會提高炭罐內氣壓，擴張腔長度變化時，氣壓變化不明顯。

圖14 炭罐內相對氣壓隨擴張腔長度變化對比圖

3.3 擴張腔內不同孔徑比隔板對氣流及振動噪聲影響

圖15所示為擴張腔直徑25 mm，長度20 mm，擴張腔內隔板開孔面積與電磁閥進氣管面積比分別為50%、65%、80%、100%，PWM信號頻率16 Hz，占空比從0.3%～99.7%非穩態掃略工況下，炭罐內相對氣壓時均值隨占空比和擴張腔有無隔板及隔板孔徑比變化對比圖。

圖15 炭罐內相對氣壓隨隔板及隔板孔徑比變化圖

從圖中可以看出，原車增加無隔板的擴張腔后炭罐內氣壓升高，再在擴張腔內增加隔板后，炭罐內氣壓再升高，但是不同孔徑比的隔板對炭罐內氣壓無明顯影響，擴張腔內有無隔板對氣壓及流量影響較大。

圖16所示為PWM信號頻率16 Hz，占空比從0.3%～99.7%非穩態掃略工況下，車內后側圍處嗒嗒聲隨占空比和擴張腔有無隔板及隔板孔徑比變化對比圖。

圖16 車內嗒嗒聲隨隔板及隔板孔徑比變化對比圖

從圖中可以看出，原車增加擴張腔后嗒嗒聲降低，再在擴張腔內增加隔板后，嗒嗒聲進一步降低，不同孔徑比的隔板對嗒嗒聲有較明顯影響，孔徑比縮小到50%，嗒嗒聲已經很微弱。

4 方案對比

綜上所述，在電磁閥電感線圈兩端反向并聯整流二極管可以有效降低車內噪聲，提高進氣流量，成本很低，但不能完全消除噪聲；電磁閥進氣管口截面積縮小到原來的30%時可以完全消除噪聲但對流量有一定影響，無成本增加；電磁閥內增加膜片彈簧可以完全消除噪聲，但成本增加。擴張腔和孔板可以完全消除噪聲，但是結構較復雜，成本增加較多，壓損大，流量降低明顯。因此電磁閥進氣管口截面積S縮小到原來的30%～40%同時增加二極管是流量噪聲性能最好、成本最低的方案。

圖17為PWM信號頻率30 Hz，占空比從0.3%～99.7%非穩態掃略工況下，車內后側圍處嗒嗒聲隨占空比變化時頻圖，其中(a)圖為原車無措施，(b)圖為加二極管，(c)圖為加二極管和管口縮小的組合方案。

圖17 最終方案

5 結語

通過對比分析各種方案對燃油蒸發回收系統氣流脈動及流量、測點振動和車內噪聲的影響可知，在電磁閥線圈兩端反向并聯整流二極管同時縮小電磁閥進氣管內徑截面尺寸的方案是一種較優的組合方案，并可以得出以下幾點結論：

(1)電磁閥線圈兩端反向并聯整流二極管能夠提高進氣流量，降低氣流脈動及其引起的振動噪聲。

(2)在電磁閥內設計膜片彈簧能夠有效消除氣流脈動及其引起的振動噪聲，進氣流量略降低。

(3)電磁閥進氣管路上串聯較大尺寸的擴張腔能夠有效降低氣流脈動及其引起的振動噪聲。擴張腔直徑增大比長度增大消除氣流脈動效果好，車內嗒嗒聲頻率與擴張腔長度無關。

(4)擴張腔內增加帶孔隔板后，能夠有效消除氣流脈動，加隔板后擴張腔直徑和長度可以縮小，但是壓損大，流量降低明顯。

(5)電磁閥進口縮小部分尺寸長度L越小越好，長度增加會明顯降低高占空比下流量。電磁閥進氣管口截面積縮小到一定程度能消除氣流脈動及其引起的振動噪聲，但應大于出口處拉伐爾管最小處截面面積，以免對流量造成較大影響。