張杰，荀亞敏，張海龍，曹虎

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濰坊 261061;2.濰柴新能源科技有限公司 新能源研究院，山東 濰坊 261061；3.濰柴動(dòng)力股份有限公司 發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，山東 濰坊 261061

0 引言

隨著對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性要求的不斷提高，增壓技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍，增壓器向高壓比、寬流量的方向發(fā)展，進(jìn)氣噪聲問題也隨之增多。目前進(jìn)氣低頻噪聲有很多成熟的解決方案，但高頻噪聲問題一直未得到有效解決。郭凱等[1]基于計(jì)算流體力學(xué)和有限元方法，分析發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)空氣濾清器和諧振腔降低進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲聲壓級(jí)。高東東等[2]研究消聲器安裝位置對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)消聲效果的影響規(guī)律，證明消聲器的最佳布置位置為聲模態(tài)反節(jié)點(diǎn)處。王峰等[3]通過路徑控制優(yōu)化方式解決增壓器輕度喘振問題，設(shè)計(jì)寬頻消聲器并對(duì)其消聲性能進(jìn)行仿真計(jì)算。王蒙蒙等[4]通過調(diào)整增壓器原有寬頻消聲器的消聲頻率降低進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲?？镄〖t等[5]針對(duì)輕度喘振噪聲頻率高、頻帶寬的特征，設(shè)計(jì)排簫式消聲器，解決汽車喘振噪聲問題。王三星等[6]針對(duì)噪聲頻率設(shè)計(jì)消聲器，降低增壓器同步噪聲。Trochon[7]通過設(shè)計(jì)共振腔消聲器減少增壓器寬帶流動(dòng)噪聲。進(jìn)氣消聲器的消聲機(jī)理及設(shè)計(jì)原則是提高消聲器在問題噪聲頻段上的能量傳遞損失[8-9]。國內(nèi)外對(duì)增壓器高頻噪聲的工程化解決思路比較單一[10-13]，大多通過管路消聲器被動(dòng)降噪，較少從噪聲源頭主動(dòng)降噪。本文對(duì)增壓器Whoosh噪聲產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，從增壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、進(jìn)氣管消聲器及進(jìn)氣系統(tǒng)控制策略優(yōu)化等方面提出降低Whoosh噪聲的措施。

1 增壓器Whoosh噪聲產(chǎn)生機(jī)理

增壓器Whoosh噪聲是由于增壓器聯(lián)合運(yùn)行線靠近喘振線，導(dǎo)致氣體流動(dòng)不穩(wěn)定，在增壓器壓氣機(jī)端進(jìn)氣口產(chǎn)生的“嗖嗖”寬頻氣動(dòng)噪聲[14-17]。增壓器壓氣機(jī)端流量特性如圖1所示。Whoosh噪聲的產(chǎn)生區(qū)域位于喘振線和軟喘振線之間。葉輪進(jìn)口處氣流速度矢量三角形如圖2所示，圖中u為葉輪圓周速度，c為氣體進(jìn)口絕對(duì)速度，ω為氣體進(jìn)口相對(duì)速度，u′為發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時(shí)與葉輪旋轉(zhuǎn)速度方向相反的分離氣流速度，β1為葉輪葉片進(jìn)口角，β1b為葉輪葉片進(jìn)口相對(duì)氣流角。

圖1 增壓器壓氣機(jī)端流量特性 圖2 葉輪進(jìn)口處氣流速度矢量三角形

由圖2可知：當(dāng)進(jìn)氣流量小于壓氣機(jī)端設(shè)計(jì)流量時(shí)，即β1>β1b，便會(huì)出現(xiàn)正攻角α(α=β1-β1b)，當(dāng)α增大到一定值時(shí)，靠近輪緣葉片的吸力面區(qū)域發(fā)生脫流，形成小漩渦后不斷擴(kuò)展，擴(kuò)展速度逆氣流旋轉(zhuǎn)方向。從絕對(duì)坐標(biāo)看，漩渦的擴(kuò)展速度與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同，最終不穩(wěn)定的流動(dòng)在進(jìn)氣口和出氣口形成較大的壓力波動(dòng)，導(dǎo)致氣流溫度升高。這種波動(dòng)沿周向?qū)ΨQ，不穩(wěn)定的氣流流動(dòng)稱為旋轉(zhuǎn)失速，旋轉(zhuǎn)失速一般不會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)性能參數(shù)波動(dòng)，但會(huì)形成比較大的氣動(dòng)噪聲能量。當(dāng)進(jìn)氣流量繼續(xù)減小，α繼續(xù)增大，分離區(qū)不斷擴(kuò)大，葉片通道大部分出現(xiàn)渦流區(qū)，氣流發(fā)生瞬時(shí)中斷，導(dǎo)致軸向氣流在流動(dòng)方向上間歇性波動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)噪聲。旋轉(zhuǎn)失速是氣體周向的不穩(wěn)定流動(dòng)，產(chǎn)生的噪聲頻帶很寬，喘振是氣體軸向的不穩(wěn)定流動(dòng)，直接破壞發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣特性。

2 增壓器Whoosh噪聲抑制措施

2.1 優(yōu)化壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)

增壓器壓氣機(jī)端局部示意圖如圖3所示，D1為壓氣機(jī)葉輪小徑，D2為壓氣機(jī)葉輪大徑，Trim=D1/D2。減小壓氣機(jī)Trim，可以使運(yùn)行工況遠(yuǎn)離喘振線，抑制Whoosh噪聲能量。將壓氣機(jī)Trim由0.47調(diào)整為0.45，得到增壓器Whoosh噪聲頻譜對(duì)比如圖4所示。由圖4a)可知：Trim=0.47，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1100～1800 r/min時(shí)，增壓器有明顯的Whoosh噪聲；由圖4b)可知，當(dāng)壓氣機(jī)Trim減小為0.45時(shí)，1.0～7.5 kHz內(nèi)的Whoosh噪聲基本消失。但Trim過小會(huì)導(dǎo)致高速、大負(fù)荷區(qū)域增壓器效率下降，使阻塞線左移，高速流量寬度變窄。

圖3 增壓器壓氣機(jī)端局部示意圖

a)Trim=0.47 b)Trim=0.45圖4 壓氣機(jī)Trim值調(diào)整前后Whoosh噪聲頻譜對(duì)比

2.2 壓氣機(jī)端流量拓寬槽

增壓器壓氣機(jī)端流量拓寬槽結(jié)構(gòu)如圖5所示。流量拓寬槽可以拓寬低流量穩(wěn)定工況范圍，使喘振線左移，使瞬態(tài)工況遠(yuǎn)離喘振線。參照發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行熱車，轉(zhuǎn)速從怠速連續(xù)過渡到額定工況，過渡時(shí)間為10 s，得到增壓器設(shè)計(jì)流量拓寬槽前后Whoosh噪聲變化如圖6所示。由圖6可知：設(shè)計(jì)增壓器流量拓寬槽后Whoosh噪聲改善明顯。但當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行至高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷工況，增壓器通過頻率(blade passing frequency，BPF)噪聲急劇增大，高頻的BPF噪聲通過流量拓寬槽向外傳遞，配合消音環(huán)一定程度上可以抑制BPF噪聲。

圖5 增壓器壓氣機(jī)端流量拓寬槽

a)無流量拓寬槽 b)有流量拓寬槽圖6 增加流量拓寬槽前后Whoosh噪聲頻譜對(duì)比

2.3 壓氣機(jī)端環(huán)形穩(wěn)流槽

由于小排量發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的壓氣機(jī)較小，管路總壁較薄，設(shè)計(jì)流量拓寬槽的成本高。在壓氣機(jī)葉輪前端增加一個(gè)特殊尺寸的環(huán)形槽也可以起到減小Whoosh噪聲的作用，環(huán)形槽結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。在標(biāo)定工況下參照發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行熱車，從怠速連續(xù)過渡到額定工況，得到瞬態(tài)加速過程中增加環(huán)形槽前后Whoosh噪聲的改善效果如圖8所示。由圖8可知，頻率為4～14 kHz的Whoosh噪聲能量衰減明顯。

圖7 增壓器壓氣機(jī)端環(huán)形槽

a)無環(huán)形槽 b)有環(huán)形槽圖8 增加環(huán)形槽前后發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)Whoosh噪聲改善效果

通過整車試驗(yàn)得到采用3擋全油門加速過程中增加環(huán)形槽前后Whoosh噪聲的改善情況如圖9所示。由圖9可知，頻率為4.5～11.0 kHz的Whoosh噪聲能量有明顯衰減。環(huán)形槽通過改善氣流流動(dòng)穩(wěn)定性達(dá)到降低Whoosh噪聲的作用。

a)無環(huán)形槽 b)有環(huán)形槽圖9 增加環(huán)形槽前后整車試驗(yàn)Whoosh噪聲改善效果

2.4 進(jìn)氣管路高頻消聲器

進(jìn)氣管路為增壓器噪聲的傳遞路徑，不同的管路邊界對(duì)增壓器進(jìn)氣流場影響較大。進(jìn)氣低頻消聲器僅在進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲頻率1 kHz以下起作用，在增壓器壓氣機(jī)壓前和壓后增加高頻消聲器才能降低Whoosh噪聲[18-19]。高頻消聲器內(nèi)部如圖10所示，內(nèi)部多腔且有大量內(nèi)插孔。發(fā)動(dòng)機(jī)艙高頻消聲器安裝位置及噪聲測點(diǎn)如圖11所示，圖中1、2、3分別為增壓器壓后出氣管和中冷器管路之間近場測點(diǎn)、空氣濾清器與增壓器壓前管路近場測點(diǎn)、空氣濾清器出口近場測點(diǎn)。駕駛室噪聲測點(diǎn)如圖12所示，圖中4為駕駛員右耳近場測點(diǎn)。

圖10 高頻消聲器內(nèi)部示意圖

圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)增壓器噪聲消聲器安裝位置 圖12 車內(nèi)駕駛員右耳處噪聲測點(diǎn) 及噪聲測點(diǎn)示意圖

增加高頻消聲器后各測點(diǎn)的Whoosh噪聲改善情況如圖13所示。由圖13可知：增加高頻消聲器后測點(diǎn)1Whoosh噪聲在頻率6 kHz以上明顯降低；測點(diǎn)2Whoosh噪聲在頻率4 kHz以上區(qū)域明顯降低；測點(diǎn)3Whoosh噪聲在頻率4 kHz以下有一定程度的衰減，但是和中低頻進(jìn)氣噪聲重疊，難以分離；測點(diǎn)4Whoosh噪聲有一定程度的降低。

圖13 增加消聲器前后各測點(diǎn)Whoosh噪聲對(duì)比

2.5 進(jìn)氣系統(tǒng)標(biāo)定策略優(yōu)化

柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)控制策略對(duì)Whoosh噪聲有較大影響，當(dāng)柴油機(jī)瞬態(tài)變工況時(shí)，進(jìn)氣節(jié)流閥標(biāo)定策略不當(dāng)會(huì)加劇增壓器靠近喘振線，造成明顯的Whoosh噪聲[20]。為了保證整車的綜合性能，兼顧熱管理前提下，在急丟油門過程中適當(dāng)減緩進(jìn)氣節(jié)流閥的關(guān)閉速率。優(yōu)化進(jìn)氣節(jié)流閥關(guān)閉標(biāo)定策略Whoosh噪聲的改善情況如圖14所示。由圖14可知，Whoosh噪聲在頻率為6.8～14.0 kHz的能量明顯衰減。

a)優(yōu)化前 b)優(yōu)化后圖14 進(jìn)氣節(jié)流閥策略優(yōu)化前后Whoosh噪聲對(duì)比

3 結(jié)論

1)增壓器Whoosh噪聲能量頻帶范圍在3 kHz以上，適當(dāng)?shù)脑鰤浩鲏簹鈾C(jī)葉輪小徑與大徑之比值、設(shè)計(jì)流量拓寬槽或者環(huán)形槽結(jié)構(gòu)可以基本消除Whoosh噪聲，但增壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化會(huì)造成壓氣機(jī)性能衰減。

2)增壓器壓氣機(jī)前和壓氣機(jī)后增加多腔高頻消聲器可以有效減弱Whoosh噪聲。

3)適當(dāng)減緩進(jìn)氣節(jié)流閥的關(guān)閉速率對(duì)Whoosh噪聲有比較明顯的改善效果。

4)建議增壓器Whoosh噪聲合理的解決方案：增壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化→發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定策略優(yōu)化→增加高頻消聲器。該方案可降低增壓器噪聲問題的解決成本。