041-汽車渦輪增壓器輕度喘振識(shí)別及噪聲控制

汽車渦輪增壓器輕度喘振識(shí)別及噪聲控制匡小紅1,2，楊亮1,2，劉闊翔1,2，張海燕1,2，張碩1,2（1.長(zhǎng)安汽車工程研究院，重慶401120，2.汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶401120）【摘要】本文對(duì)渦輪增壓器輕度喘振識(shí)別及控制方式進(jìn)行了較詳細(xì)的闡述。通過對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)口溫度、出口壓力和車內(nèi)噪聲的相關(guān)性分析，得出某轎車車內(nèi)令人煩躁的噪聲是因壓縮機(jī)發(fā)生輕度喘振所引起的結(jié)論。針對(duì)輕度喘振噪聲頻率高、頻帶寬的特征，設(shè)計(jì)出一種排簫式消聲器，解決了該車喘振噪聲問題。[關(guān)鍵詞]渦輪增壓器,喘振,噪聲控制，識(shí)別MildSurgeDetectionandControlofAutomotiveTurbochargersKuangxiaohong1,2*,Yangliang1,2,Liukuoxiang1,2,Zhanghaiyan1,2,Zhangshuo1,2[Abstract]:Theidentificationmethodsandcountermeasuresofmildsurgearepresentedinthispaper.Byanalyzingtheinlettemperatureandoutletpressureofthecompressor,thedisturbingnoisesaredetectedfrommildsurgeofcompressor,whichhashighandwidebandfrequency.AnewtypeofsilencersPaiXiaotubeisdesignedtosolvethisproblem.Keywords:turbocharger,surge,noisecontrol,diagnosis1、前言隨著汽油價(jià)格的不斷攀升和環(huán)境問題的日益突出，制造低油耗低排放的汽車，成為各汽車廠商提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的方向，其中的一個(gè)趨勢(shì)就是采用渦輪增壓技術(shù)。渦輪增壓技術(shù)可在不增加發(fā)動(dòng)機(jī)排量的基礎(chǔ)上，采用壓縮空氣的方式向發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)額外的新鮮空氣，燃燒更多的燃料，從而發(fā)出更多的動(dòng)力。由于進(jìn)入氣缸的空氣增多，燃燒過程得到改善，有害氣體的排放減少。雖然渦輪增壓技術(shù)可以提高動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和減少排放，但它同時(shí)會(huì)帶來新的NVH問題，渦輪增壓器的喘振噪聲問題就是其中之一。目前國(guó)內(nèi)對(duì)汽車渦輪增壓器喘振的研究，主要集中在深度喘振上[1-3]，關(guān)注重點(diǎn)是其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性及渦輪增壓器可靠性的影響，對(duì)于輕度喘振和喘振噪聲的研究很少。國(guó)外對(duì)渦輪增壓器輕度喘振及喘振噪聲的研究較為深入，但大多是在臺(tái)架上進(jìn)行單體的研究[4-5]，針對(duì)整車上具體情況的研究較少。本文先介紹了整車上渦輪增壓器喘振識(shí)別工況及各種識(shí)別方式的優(yōu)劣，再從源控制和路徑控制兩方面系統(tǒng)介紹了渦輪增壓器喘振噪聲的解決措施，后利用壓縮機(jī)進(jìn)口溫度和出口壓力的波動(dòng)，識(shí)別出某汽車車內(nèi)令人煩躁的“赫赫”聲為渦輪增壓器喘振引起，并針對(duì)此噪聲進(jìn)行控制。本文提出了3種整車喘振噪聲識(shí)別工況，并從壓縮機(jī)進(jìn)口溫度、出口壓力和車內(nèi)噪聲三個(gè)維度綜合分析，識(shí)別出某車的噪聲問題是增壓器輕度喘振引起。為解決此問題，設(shè)計(jì)了一種由多根四分之一波長(zhǎng)管組合而成的新型消聲器（排簫式消聲器），成功的解決了該噪聲問題，對(duì)后續(xù)整車開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。2、渦輪增壓器喘振識(shí)別目前汽車行業(yè)對(duì)整車上的渦輪增壓器喘振還沒有統(tǒng)一的定義和識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)的汽車廠商一般都是在實(shí)驗(yàn)過程中依靠經(jīng)驗(yàn)，通過喘振噪聲來進(jìn)行判斷。圖1為壓縮機(jī)運(yùn)行特性示意圖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一定，當(dāng)流量減小時(shí)，增壓比先是增大，隨著流量的繼續(xù)減小，壓比值達(dá)到最大，最后隨流量的減小開始下降。當(dāng)壓縮機(jī)中氣體流量減小到某一個(gè)值時(shí)，渦輪增壓器運(yùn)行工況進(jìn)入輕度喘振區(qū)域，此種喘振對(duì)渦輪增壓器運(yùn)行效率影響很小，產(chǎn)生的主要問題是噪聲問題。當(dāng)流量繼續(xù)減小時(shí)，渦輪增壓器運(yùn)行工況越過喘振線，發(fā)生深度喘振，此時(shí)在壓葉輪進(jìn)口及葉片擴(kuò)壓器處，氣體分離現(xiàn)象喘振線輕度喘振區(qū)域壓比喘振線輕度喘振區(qū)域壓比流量效率全負(fù)荷運(yùn)行曲線轉(zhuǎn)速圖1壓縮機(jī)特性示意圖迅速擴(kuò)大到整個(gè)葉片通道和葉片擴(kuò)壓器內(nèi)，使氣流產(chǎn)生劇烈的振蕩和倒流，渦輪增壓器的效率急劇降低，導(dǎo)致壓縮機(jī)振動(dòng)，壓縮機(jī)進(jìn)口溫度迅速升高，并發(fā)出異常的響聲。深度喘振頻率可通過Helmholtz諧振頻率來進(jìn)行估算，一般頻率較低只有幾赫茲到幾十赫茲［6］：其中：表示聲速；表示壓縮機(jī)管路的等效截面積；表示壓縮空間的容積；表示管路的等效長(zhǎng)度。深度喘振的嚴(yán)重程度可以通過Greitzer的“B”參數(shù)進(jìn)行粗略評(píng)價(jià)［7-8］：其中：表示壓縮機(jī)葉尖速度；表示聲速；表示壓縮空間的容積；表示管路的等效長(zhǎng)度。Greitzer認(rèn)為當(dāng)“B”參數(shù)大于0.8時(shí)容易發(fā)生深度喘振。喘振發(fā)生時(shí)渦輪增壓器的相應(yīng)參數(shù)，如溫度、流量、壓力、振動(dòng)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及噪聲等均出現(xiàn)較大幅度的變化。這些變化的參數(shù)都可以成為識(shí)別渦輪增壓器喘振的客觀手段。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的測(cè)量比較困難，一般不采用。深度喘振可以通過渦輪增壓器本體振動(dòng)、轉(zhuǎn)子軸心軌跡的變化來進(jìn)行識(shí)別，但整車輕度喘振，渦輪增壓器本體的振動(dòng)很小，受到發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的干擾后，很難得到有價(jià)值的信息。渦輪增壓器喘振噪聲頻率并不固定［9］，受增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)間匹配、車輛運(yùn)行工況、增壓器與連接管路匹配等因素影響，所以通過噪聲頻率來識(shí)別喘振也不理想。壓縮機(jī)進(jìn)口溫度和出口壓力信號(hào)的抗干擾性比較好，且較容易測(cè)量。本文先通過對(duì)車內(nèi)噪聲濾波分析，確定疑似喘振噪聲的頻率，再采用壓縮機(jī)前溫度和壓縮機(jī)后壓力信號(hào)的變化作為客觀識(shí)別輕度喘振的手段。整車喘振噪聲一般發(fā)生在瞬態(tài)工況，對(duì)于輕度喘振各喘振特征參數(shù)變化比較微弱，所以確定喘振較明顯的測(cè)試工況，對(duì)識(shí)別喘振尤為重要。不同的車輛或匹配方式，發(fā)生喘振的工況不盡相同。車內(nèi)最容易聽到喘振噪聲的工況有三種：(1)低檔位，車輛從靜止?fàn)顟B(tài)起步，全油門急加速到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/分鐘左右時(shí)，在全松油門的瞬間（可聽到“呼嚕呼?！甭暎?。(2)高檔位，在半油門勻加速過程中，可聽到持續(xù)的“赫赫”聲，尤其在換擋瞬間最明顯。(3)中檔位，半油門加速到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/分鐘左右時(shí)，在半松油門的瞬間，可聽到無固定聲音特征的渦輪咳喘聲。此三種工況，在車輛爬坡情況下尤為明顯。3、喘振噪聲控制對(duì)于渦輪增壓汽車為獲得大的低速扭矩，往往采取增大低速增壓壓比的方式。在低轉(zhuǎn)速、高壓比情況下，渦輪增壓器容易發(fā)生輕度喘振。由于汽車在小油門低轉(zhuǎn)速時(shí)車內(nèi)噪聲較低，此時(shí)產(chǎn)生的輕度喘振噪聲很容易被駕乘人員感知。在整車上針對(duì)渦輪增壓器喘振噪聲的解決措施主要分為源控制和路徑控制兩類（圖2）。圖2喘振噪聲控制源控制中的電控匹配控制，通常是通過控制CBV閥(compressorby-passvalve)調(diào)整喘振余量，模擬一條虛擬的喘振線來使壓縮機(jī)運(yùn)行工況遠(yuǎn)離喘振區(qū)域。此種方式雖然對(duì)深度喘振非常有效，但對(duì)于輕度喘振，由于壓縮機(jī)運(yùn)行工況離喘振線較遠(yuǎn)、效率較高，再通過CBV閥泄氣的方式來解決此問題，必然大幅降低發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。結(jié)構(gòu)控制在整車開發(fā)前期最常用，但因成本、性能等因素的限制，可控制的空間有限。可變截面結(jié)構(gòu)雖然有很好的性能，但造價(jià)高，技術(shù)難度大。渦旋進(jìn)氣結(jié)構(gòu)是一種在壓縮機(jī)進(jìn)口處安裝導(dǎo)流裝置，調(diào)整進(jìn)入壓縮機(jī)氣流的角度，避免氣流分離，從而減小輕度喘振噪聲的裝置。小的Trim結(jié)構(gòu)不易發(fā)生喘振，但容易發(fā)生阻塞［10］。路徑控制在整車開發(fā)后期較為常用，此時(shí)渦輪增壓器結(jié)構(gòu)及電控匹配基本已定型，往往采用路徑控制的方式進(jìn)行優(yōu)化。在管路上添加消聲器的方式，因其既不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，又不用改變渦輪增壓器和其他系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，最適合解決輕度喘振噪聲問題。4、渦輪增壓器喘振識(shí)別和噪聲控制案例分析某車在D檔半油門勻加速過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1500-2200rpm時(shí)，車內(nèi)可持續(xù)聽到令人煩躁的“赫赫”聲，尤其在換擋瞬間最明顯。圖3為渦輪增壓器近場(chǎng)噪聲，圖4為車內(nèi)噪聲的測(cè)試結(jié)果。經(jīng)過對(duì)車內(nèi)噪聲的濾波分析，發(fā)現(xiàn)此“赫赫”聲主要貢獻(xiàn)頻率為1000-2000Hz與渦輪增壓器近場(chǎng)頻譜存在很大相關(guān)性。圖3渦輪增壓器近場(chǎng)噪聲圖4車內(nèi)噪聲4.1喘振噪聲識(shí)別經(jīng)查明此“赫赫”聲確實(shí)來自壓縮機(jī)，為說明此噪聲是由壓縮機(jī)喘振引起。采用PCB公司的106M131型動(dòng)態(tài)壓力傳感器和熱電偶溫度傳感器，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)口溫度和出口壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為獲得較強(qiáng)的壓力脈動(dòng)信號(hào)，壓力傳感器應(yīng)盡量靠近壓縮機(jī)出口，為避免壓縮機(jī)出口附近的紊流影響測(cè)量結(jié)果，壓力傳感器又不宜太靠近出口。綜合考慮以上因素，壓力傳感器布置位置如圖5所示。由于輕度喘振，逆流現(xiàn)象并不明顯，為能準(zhǔn)確獲取壓縮機(jī)進(jìn)口溫度的變化，溫度傳感器應(yīng)盡量靠近壓葉輪，如圖6所示。壓力傳感器壓力傳感器圖5壓力傳感器布置位置溫度傳感器溫度傳感器圖6溫度傳感器布置位置從怠速狀態(tài)，半油門勻加速到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2500rpm，車內(nèi)噪聲、壓縮機(jī)進(jìn)口溫度及出口壓力測(cè)試結(jié)果如圖7所示：圖7原狀態(tài)壓力溫度噪聲關(guān)系由于怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)需要的進(jìn)氣量很小，安裝在壓縮機(jī)進(jìn)口的溫度傳感器得不到進(jìn)氣氣流的充分冷卻，溫度較高。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，進(jìn)氣量加大，溫度傳感器得到低溫進(jìn)氣的充分冷卻，溫度迅速降低。在第4秒鐘左右時(shí)，溫度開始升高，壓后壓力也隨之升高到最大值，此時(shí)車內(nèi)開始聽到“赫赫”聲（虛線框所示）。溫度和壓力的升高與車內(nèi)“赫赫”聲在同一時(shí)刻出現(xiàn)，說明車內(nèi)“赫赫”聲與喘振存在很大相關(guān)性。為進(jìn)一步說明壓縮機(jī)進(jìn)口溫度升高是由于喘振時(shí)壓縮機(jī)出口側(cè)高溫高壓氣體逆流到壓縮機(jī)進(jìn)口側(cè)而引起，在壓縮機(jī)出管上，開一個(gè)小孔，以降低增壓壓力使渦輪增壓器運(yùn)行工況遠(yuǎn)離輕度喘振區(qū)域。從怠速狀態(tài)，半油門勻加速到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2500rpm，壓縮機(jī)進(jìn)口溫度和出口壓力測(cè)試結(jié)果如圖8所示。圖8開孔狀態(tài)壓力溫度關(guān)系從測(cè)試結(jié)果得知，壓縮機(jī)進(jìn)口溫度由于進(jìn)氣冷卻原因不斷降低，“赫赫”聲壓力最大值相對(duì)原狀態(tài)100Pa左右，減小到25Pa左右。車內(nèi)“赫赫”聲消失，溫度未升高說明氣體無逆流，基本可確定此“赫赫”聲是由于壓縮機(jī)喘振引起。4.2喘振噪聲控制由于此項(xiàng)目即將進(jìn)入量產(chǎn)階段，對(duì)渦輪增壓器重新選型，重新進(jìn)行電控匹配或者在壓縮機(jī)前添加導(dǎo)流裝置，時(shí)間和成本上都不允許。為滿足項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)度、成本及總布置要求，決定嘗試在中冷器進(jìn)管上添加三根四分之一波長(zhǎng)管的方案（排簫式消聲器）對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，具體結(jié)構(gòu)如圖9所示。圖9排簫式消聲器方案四分之一波長(zhǎng)管一般是用來解決單頻（窄頻帶）共振問題，而增壓器輕度喘振噪聲頻率分布在1000以上，帶寬寬達(dá)幾千赫茲。采用多根四分之一波長(zhǎng)管組合的排簫式消聲器之所以能滿足要求，一方面是因?yàn)椴煌舱耦l率波長(zhǎng)管的并列組合消聲帶寬變寬，另一方面通過四分之一波長(zhǎng)管傳遞損失理論計(jì)算公式分析發(fā)現(xiàn)，隨著消聲頻率的增加，10dB消聲帶寬K（圖10）顯著變寬。,當(dāng)時(shí)，（n=1,2,3...)其中：為聲學(xué)長(zhǎng)度，為Selamet提出的修正長(zhǎng)度，為物理長(zhǎng)度，為共振頻率，、為波長(zhǎng)管的截面積與直徑，、為主管的截面積與直徑。 圖1010dB消聲帶寬K最終設(shè)計(jì)的排簫式消聲器，傳遞損失三維仿真結(jié)果如圖11所示。圖11排簫式消聲器方案?jìng)鬟f損失加排簫式消聲器后，渦輪增壓器近場(chǎng)對(duì)應(yīng)頻率的輻射噪聲得到極大抑制（圖12），車內(nèi)對(duì)應(yīng)頻率的輻射噪聲降低明顯（圖13）。主觀感覺“赫赫”聲明顯減小，可接受。優(yōu)化后優(yōu)化前優(yōu)化后優(yōu)化前圖12增壓器近場(chǎng)噪聲優(yōu)化前后對(duì)比優(yōu)化前優(yōu)化后優(yōu)化前優(yōu)化后圖13車內(nèi)噪聲優(yōu)化前后對(duì)比5、結(jié)論1.從壓縮機(jī)壓前溫度和壓后壓力、渦輪增壓器本體振動(dòng)和噪聲、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和軸心軌跡等方面，對(duì)渦輪增壓器喘振的識(shí)別方式進(jìn)行了介紹。提出在整車上評(píng)價(jià)喘振的常用工況，結(jié)合車內(nèi)喘振噪聲頻率，跟蹤壓縮機(jī)壓前溫度和壓后壓力脈動(dòng)，準(zhǔn)確識(shí)別出某轎車輕度喘振問題。2.從源控制和路徑控制兩方面較全面、系統(tǒng)的介紹了在整車開發(fā)的不同時(shí)期，控制輕度喘振噪聲的方法。指出在整車開發(fā)前期采取避免喘振的結(jié)構(gòu)控制，中期采取CBV閥的電控匹配控制，后期采取對(duì)渦輪增壓器連接管路的路徑控制。3.詳細(xì)介紹了通過壓縮機(jī)壓前溫度和壓后壓力脈動(dòng)的方式，對(duì)某轎車渦輪增壓器輕度喘振的識(shí)別及控制。6、致謝本文在完稿過程中,得到了龐劍博士、付江華博士的悉心指導(dǎo),在此表示誠摯的感謝!參考文獻(xiàn)朱智富[，馬朝臣，張志強(qiáng)][，等].車用渦輪增壓器喘振判斷方法的研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2010,31（4）：59-62賀云南[，劉鎮(zhèn)，秦建文].利用振動(dòng)信號(hào)診斷廢氣渦輪增壓器喘振故障[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2000,6：79-81李文華[，范贏].渦輪增壓器防喘振系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].內(nèi)燃機(jī)，2008,5：11-13JohannesAndersen."SurgeDefinitionsforRadialCompressorsinAutomotiveTurbochargers",SAEPaper0296,2008DominicEvans."MinimisingTurbochargerWhooshNoiseforDieselPowertrains",SAEPap