041-汽車渦輪增壓器輕度喘振識別及噪聲控制

汽車渦輪增壓器輕度喘振識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.長安汽車工程研究院，重慶401120，2.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶401120）【摘要】本文對渦輪增壓器輕度喘振識別及控制方式進行了較詳細的闡述。通過對壓縮機進口溫度、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發(fā)生輕度喘振所引起的結(jié)論。針對輕度喘振噪聲頻率高、頻帶寬的特征，設(shè)計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)品競爭力的方向，其中的一個趨勢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)動機排量的基礎(chǔ)上，采用壓縮空氣的方式向發(fā)動機供應(yīng)額外的新鮮空氣，燃燒更多的燃料，從而發(fā)出更多的動力。由于進入氣缸的空氣增多，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)可以提高動力性、經(jīng)濟性和減少排放，但它同時會帶來新的NVH問題，渦輪增壓器的喘振噪聲問題就是其中之一。目前國內(nèi)對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)注重點是其對發(fā)動機動力性及渦輪增壓器可靠性的影響，對于輕度喘振和喘振噪聲的研究很少。國外對渦輪增壓器輕度喘振及喘振噪聲的研究較為深入，但大多是在臺架上進行單體的研究[4-5]，針對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別工況及各種識別方式的優(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，后利用壓縮機進口溫度和出口壓力的波動，識別出某汽車車內(nèi)令人煩躁的“赫赫”聲為渦輪增壓器喘振引起，并針對此噪聲進行控制。本文提出了3種整車喘振噪聲識別工況，并從壓縮機進口溫度、出口壓力和車內(nèi)噪聲三個維度綜合分析，識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)計了一種由多根四分之一波長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、渦輪增壓器喘振識別目前汽車行業(yè)對整車上的渦輪增壓器喘振還沒有統(tǒng)一的定義和識別標準，國內(nèi)的汽車廠商一般都是在實驗過程中依靠經(jīng)驗，通過喘振噪聲來進行判斷。圖1為壓縮機運行特性示意圖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一定，當(dāng)流量減小時，增壓比先是增大，隨著流量的繼續(xù)減小，壓比值達到最大，最后隨流量的減小開始下降。當(dāng)壓縮機中氣體流量減小到某一個值時，渦輪增壓器運行工況進入輕度喘振區(qū)域，此種喘振對渦輪增壓器運行效率影響很小，產(chǎn)生的主要問題是噪聲問題。當(dāng)流量繼續(xù)減小時，渦輪增壓器運行工況越過喘振線，發(fā)生深度喘振，此時在壓葉輪進口及葉片擴壓器處，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荷運行曲線轉(zhuǎn)速圖1壓縮機特性示意圖迅速擴大到整個葉片通道和葉片擴壓器內(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)致壓縮機振動，壓縮機進口溫度迅速升高，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；表示管路的等效長度。深度喘振的嚴重程度可以通過Greitzer的“B”參數(shù)進行粗略評價［7-8］：其中：表示壓縮機葉尖速度；表示聲速；表示壓縮空間的容積；表示管路的等效長度。Greitzer認為當(dāng)“B”參數(shù)大于0.8時容易發(fā)生深度喘振。喘振發(fā)生時渦輪增壓器的相應(yīng)參數(shù)，如溫度、流量、壓力、振動、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)都可以成為識別渦輪增壓器喘振的客觀手段。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的測量比較困難，一般不采用。深度喘振可以通過渦輪增壓器本體振動、轉(zhuǎn)子軸心軌跡的變化來進行識別，但整車輕度喘振，渦輪增壓器本體的振動很小，受到發(fā)動機振動的干擾后，很難得到有價值的信息。渦輪增壓器喘振噪聲頻率并不固定［9］，受增壓器與發(fā)動機間匹配、車輛運行工況、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別喘振也不理想。壓縮機進口溫度和出口壓力信號的抗干擾性比較好，且較容易測量。本文先通過對車內(nèi)噪聲濾波分析，確定疑似喘振噪聲的頻率，再采用壓縮機前溫度和壓縮機后壓力信號的變化作為客觀識別輕度喘振的手段。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試工況，對識別喘振尤為重要。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，車輛從靜止狀態(tài)起步，全油門急加速到發(fā)動機轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/分鐘左右時，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)動機轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/分鐘左右時，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)速時車內(nèi)噪聲較低，此時產(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運行工況遠離喘振區(qū)域。此種方式雖然對深度喘振非常有效，但對于輕度喘振，由于壓縮機運行工況離喘振線較遠、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)動機的動力性和經(jīng)濟性。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?？勺兘孛娼Y(jié)構(gòu)雖然有很好的性能，但造價高，技術(shù)難度大。渦旋進氣結(jié)構(gòu)是一種在壓縮機進口處安裝導(dǎo)流裝置，調(diào)整進入壓縮機氣流的角度，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)動機的動力性與經(jīng)濟性，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)動機轉(zhuǎn)速在1500-2200rpm時，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為渦輪增壓器近場噪聲，圖4為車內(nèi)噪聲的測試結(jié)果。經(jīng)過對車內(nèi)噪聲的濾波分析，發(fā)現(xiàn)此“赫赫”聲主要貢獻頻率為1000-2000Hz與渦輪增壓器近場頻譜存在很大相關(guān)性。圖3渦輪增壓器近場噪聲圖4車內(nèi)噪聲4.1喘振噪聲識別經(jīng)查明此“赫赫”聲確實來自壓縮機，為說明此噪聲是由壓縮機喘振引起。采用PCB公司的106M131型動態(tài)壓力傳感器和熱電偶溫度傳感器，對壓縮機進口溫度和出口壓力進行監(jiān)測。為獲得較強的壓力脈動信號，壓力傳感器應(yīng)盡量靠近壓縮機出口，為避免壓縮機出口附近的紊流影響測量結(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，為能準確獲取壓縮機進口溫度的變化，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)動機轉(zhuǎn)速2500rpm，車內(nèi)噪聲、壓縮機進口溫度及出口壓力測試結(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，發(fā)動機需要的進氣量很小，安裝在壓縮機進口的溫度傳感器得不到進氣氣流的充分冷卻，溫度較高。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高，進氣量加大，溫度傳感器得到低溫進氣的充分冷卻，溫度迅速降低。在第4秒鐘左右時，溫度開始升高，壓后壓力也隨之升高到最大值，此時車內(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。為進一步說明壓縮機進口溫度升高是由于喘振時壓縮機出口側(cè)高溫高壓氣體逆流到壓縮機進口側(cè)而引起，在壓縮機出管上，開一個小孔，以降低增壓壓力使渦輪增壓器運行工況遠離輕度喘振區(qū)域。從怠速狀態(tài)，半油門勻加速到發(fā)動機轉(zhuǎn)速2500rpm，壓縮機進口溫度和出口壓力測試結(jié)果如圖8所示。圖8開孔狀態(tài)壓力溫度關(guān)系從測試結(jié)果得知，壓縮機進口溫度由于進氣冷卻原因不斷降低，“赫赫”聲壓力最大值相對原狀態(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”聲是由于壓縮機喘振引起。4.2喘振噪聲控制由于此項目即將進入量產(chǎn)階段，對渦輪增壓器重新選型，重新進行電控匹配或者在壓縮機前添加導(dǎo)流裝置，時間和成本上都不允許。為滿足項目開發(fā)進度、成本及總布置要求，決定嘗試在中冷器進管上添加三根四分之一波長管的方案（排簫式消聲器）對其進行優(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，帶寬寬達幾千赫茲。采用多根四分之一波長管組合的排簫式消聲器之所以能滿足要求，一方面是因為不同共振頻率波長管的并列組合消聲帶寬變寬，另一方面通過四分之一波長管傳遞損失理論計算公式分析發(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，（n=1,2,3...)其中：為聲學(xué)長度，為Selamet提出的修正長度，為物理長度，為共振頻率，、為波長管的截面積與直徑，、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排簫式消聲器方案傳遞損失加排簫式消聲器后，渦輪增壓器近場對應(yīng)頻率的輻射噪聲得到極大抑制（圖12），車內(nèi)對應(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增壓器近場噪聲優(yōu)化前后對比優(yōu)化前優(yōu)化后優(yōu)化前優(yōu)化后圖13車內(nèi)噪聲優(yōu)化前后對比5、結(jié)論1.從壓縮機壓前溫度和壓后壓力、渦輪增壓器本體振動和噪聲、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和軸心軌跡等方面，對渦輪增壓器喘振的識別方式進行了介紹。提出在整車上評價喘振的常用工況，結(jié)合車內(nèi)喘振噪聲頻率，跟蹤壓縮機壓前溫度和壓后壓力脈動，準確識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，后期采取對渦輪增壓器連接管路的路徑控制。3.詳細介紹了通過壓縮機壓前溫度和壓后壓力脈動的方式，對某轎車渦輪增壓器輕度喘振的識別及控制。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!參考文獻朱智富[，馬朝臣，張志強][，等].車用渦輪增壓器喘振判斷方法的研究[J].內(nèi)燃機工程，2010,31（4）：59-62賀云南[，劉鎮(zhèn)，秦建文].利用振動信號診斷廢氣渦輪增壓器喘振故障[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報，2000,6：79-81李文華[，范贏].渦輪增壓器防喘振系統(tǒng)設(shè)計研究[J].內(nèi)燃機，2008,5：11-13JohannesAndersen."SurgeDefinitionsforRadialCompressorsinAutomotiveTurbochargers",SAEPaper0296,2008DominicEvans."MinimisingTurbochargerWhooshNoiseforDieselPowertrains",SAEPap