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摘要： 某发动机在台架标定过程中，发现增压器附近有明显的金属敲击声。通过试验测试并结合增压器本身结构分析，判定该异音源为执行器组件间的敲击。后续通过整改减小该尺寸间隙，从而使该敲击声明显减弱。
Abstract： During the calibration of an engine on the bench， an obvious metal knocking sound was found near the supercharger. Through the test and the analysis of the structure of the supercharger， it is determined that the sound source is the percussion between the actuator components. The subsequent rectification reduces the size， so that the knocking sound is significantly weakened.
关键词： 发动机;涡轮增压器;敲击声
Key words： engine;turbocharger;knock sound
中图分类号：TK442 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）17-0052-02
0 引言
随着汽车工业的市场竞争及相关节能减排的法规越来越苛刻，在油耗降低的同时用户对动力性的要求越来越高。而动力性和经济性在发动机开发过程中相互矛盾，为此，各大生产厂家都致力于研发发动机增压小型化，即减小发动机体积的同时采用增压技术。由于涡轮增压器每分钟高达十几万转甚至几十万转的转速，必定会产生阶次振动及噪声，而内部的气体流体产生的复杂运动也会产生宽频且较为高频的噪声，极容易从进、排气管的表面辐射出来，故由增压器引起的NVH问题更加不可忽视[1]，本文针对某研发的发动机在增压器匹配过程中出现的敲击声进行了调查研究，并提出了相应的解决方案。
1 增压器工作原理及噪声分类
涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮，同时带动同轴的压轮工作，压轮压送由空气滤清器送来的新鲜空气，使之增压后进入气缸。
一般的车用涡轮增压器一般由离心式压气机和径流式涡轮机及中间体三大部分构成。具体由涡壳、压壳、涡轮、叶轮、转轴、中间壳、轴承、密封套、活塞环、泄压阀、电池阀、执行器部件以及胶管等各零部件组成。
涡轮增压器作为一个精密仪器，叶轮、涡轮和密封套等零件安装在转轴上，构成转子。转子的工作转速可以从每分钟数万转到二十万转，不仅对转子的动平衡品质有十分严格的要求，而且高温高转速的恶劣环境也对转子的可靠性提出了挑战。不仅如此，涡轮增压器还带有进气泄压阀和排气泄压阀。当增压压力过高时，就会通过电池阀将泄压阀打开，将节气门体前压力过高的压缩空气通过泄压阀引导到压气机叶轮前，保护进气组件。同理，当增压压力过高或转子超速时，废气旁通阀打开，使部分废气旁通排掉，从而减少涡轮的废气量，达到降低增压器转速和增压压力的目的。涡轮增压器的这种工作模式会带来由结构共振或者零件组件相互触碰引发的结构噪声以及由气流流通或者紊流引起的空气噪声。
根据上述涡轮增压器的工作原理及其结构特点，产生的增压器噪声可分为以下几类[2]：①阶次噪声：同增压器转子的转速成一定的比例。成一倍关系的是同步噪声，主要由转子系统的不平衡引起;成0.3-0.4谐波倍数的是次同步噪声，主要由转子轴承内油膜震荡引起。两者噪声与发动机阶次不相关，一般均由转子系统产生，传递到中间件、压壳、蜗壳，从而传到进气、排气系统，最后通过发动机舱传递到驾驶室内。②气流噪声，如泄气噪声（进气泄压、排气泄压），高压气流流过泄气阀口和腔体产生的噪声，属于宽频噪声，一般由空气声通过进气管、空滤软管、中冷管等管路辐射。可通过增加宽频消声器，优化标定策略控制泄气时间，减少管道辐射等方式进行降噪。气流噪声包括：压气机流道变化和压气机叶轮旋转不稳定而引起的高频气体脉动噪声;喘振噪声，即增压器工作在喘振线外，流量过小时，叶片扩压器内与进气口处气流与壁面分离，使气流产生强烈的震荡和倒流;以及由于气体管道形状、管道刚度不合理引起的气体脉动噪声。③敲击噪声：废气旁通阀与阀座敲击引起的嗒嗒声，包括：执行器组件间的匹配不合理产生的敲击声，废气旁通阀与阀座变形或加工误差引起的敲击。
2 增壓器敲击声排查及解决方法
某新开发的发动机在台架标定过程中，发现增压器附近有类似金属的敲击声响，当转速在1500rpm扭矩为80Nm时该敲击声最为明显。通过测试增压器的近场噪声及各组件之间的振动信号，从而确定增压器的运转频率[3]。其中，麦克风的位置靠近增压器涡轮壳体外表面，加速度传感器分别布置在增压器中间体进油螺栓、执行器本体以及执行器拉杆的位置。如图1所示为测试结果，对测试数据进行滤波分析，该敲击声主要集中在11kHz-17kHz，属于宽频噪声。对应查看各个测点的振动信号，发现执行器拉杆产生的振动量最大，且能量亦集中在该频段，后续需重点分析执行器组件结构。
该款发动机主要采用电子控制的废气旁通阀，也称为增压压力控制单元，是由ECU发出占空比信号直接控制拉杆作动，执行打开或关闭废气阀[4]，如图2所示。由于废气旁通阀工作温度非常高，为防止热胀冷缩带来的裂纹问题，阀片在转轴处之间是有一定间隙的，即阀片是可以自由活动的。当增压器自然状态下，废气旁通阀关闭，此时阀片会紧紧压在阀座上。当增压器工作时，为防止在某些工况超速，阀体打开放气，阀片处于自由状态，就会与其他零件振动产生敲击。推测可能有以下几种原因：废气阀片与涡壳阀座之间的敲击;阀片与转轴之间的敲击;摇臂与涡壳本体之间的敲击[5]。
根据以上原因进行逐项排查，当压紧拉杆对其进行固定时，由于摇臂固定在拉杆上，即固定了摇臂与蜗壳本体之间的作动，减少两者之间的间隙。主观听取该工况下的敲击声明显减弱，故推断该敲击声由摇臂与涡壳本体之间的间隙过大引起。查看该零件图纸的原设计值为0.50±0.20mm，如图3所示。后续制作整改样件（在摇臂处增加垫片）减小摇臂与涡壳本体之间的间隙。将优化样件搭载于发动机台架进行主、客观评价及测试分析，如图4所示。测试结果表明：拉杆处振动及增压器的近场声音在11kHz-17kHz均有明显的减弱。
3 总结
增压器技术可以大幅度的提升发动机的动力性和燃油经济性，改善发动机的排放。而增压器又是一个由多种零部件构成的复杂组件，其噪声包含旋转体的阶次噪声，管道辐射出来的气流噪声，以及各零部件配合产生的敲击声响等等，这些噪声不同于自然吸气的发动机噪声。所以在考虑增压器本身的可靠性、实车动力性及经济性时，也需要结合NVH进行合理的匹配，优化增压器各零部件间的设计、制造、装配工艺，以提升整车声品质。
参考文献：
[1]庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006.
[2]杨景玲，李克俊，张东，等.发动机增压器异响产生机理及解决方法研究[J].内燃机工程，2014.
[3]何渝生.汽车噪声控制[M].北京：机械工业出版社，1995.
[4]陆家祥.柴油机涡轮增压技术[M].北京：机械工业出版社，2004.
[5]朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].北京：机械工业出版社，1997.
Abstract： During the calibration of an engine on the bench， an obvious metal knocking sound was found near the supercharger. Through the test and the analysis of the structure of the supercharger， it is determined that the sound source is the percussion between the actuator components. The subsequent rectification reduces the size， so that the knocking sound is significantly weakened.
关键词： 发动机;涡轮增压器;敲击声
Key words： engine;turbocharger;knock sound
中图分类号：TK442 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）17-0052-02
0 引言
随着汽车工业的市场竞争及相关节能减排的法规越来越苛刻，在油耗降低的同时用户对动力性的要求越来越高。而动力性和经济性在发动机开发过程中相互矛盾，为此，各大生产厂家都致力于研发发动机增压小型化，即减小发动机体积的同时采用增压技术。由于涡轮增压器每分钟高达十几万转甚至几十万转的转速，必定会产生阶次振动及噪声，而内部的气体流体产生的复杂运动也会产生宽频且较为高频的噪声，极容易从进、排气管的表面辐射出来，故由增压器引起的NVH问题更加不可忽视[1]，本文针对某研发的发动机在增压器匹配过程中出现的敲击声进行了调查研究，并提出了相应的解决方案。
1 增压器工作原理及噪声分类
涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮，同时带动同轴的压轮工作，压轮压送由空气滤清器送来的新鲜空气，使之增压后进入气缸。
一般的车用涡轮增压器一般由离心式压气机和径流式涡轮机及中间体三大部分构成。具体由涡壳、压壳、涡轮、叶轮、转轴、中间壳、轴承、密封套、活塞环、泄压阀、电池阀、执行器部件以及胶管等各零部件组成。
涡轮增压器作为一个精密仪器，叶轮、涡轮和密封套等零件安装在转轴上，构成转子。转子的工作转速可以从每分钟数万转到二十万转，不仅对转子的动平衡品质有十分严格的要求，而且高温高转速的恶劣环境也对转子的可靠性提出了挑战。不仅如此，涡轮增压器还带有进气泄压阀和排气泄压阀。当增压压力过高时，就会通过电池阀将泄压阀打开，将节气门体前压力过高的压缩空气通过泄压阀引导到压气机叶轮前，保护进气组件。同理，当增压压力过高或转子超速时，废气旁通阀打开，使部分废气旁通排掉，从而减少涡轮的废气量，达到降低增压器转速和增压压力的目的。涡轮增压器的这种工作模式会带来由结构共振或者零件组件相互触碰引发的结构噪声以及由气流流通或者紊流引起的空气噪声。
根据上述涡轮增压器的工作原理及其结构特点，产生的增压器噪声可分为以下几类[2]：①阶次噪声：同增压器转子的转速成一定的比例。成一倍关系的是同步噪声，主要由转子系统的不平衡引起;成0.3-0.4谐波倍数的是次同步噪声，主要由转子轴承内油膜震荡引起。两者噪声与发动机阶次不相关，一般均由转子系统产生，传递到中间件、压壳、蜗壳，从而传到进气、排气系统，最后通过发动机舱传递到驾驶室内。②气流噪声，如泄气噪声（进气泄压、排气泄压），高压气流流过泄气阀口和腔体产生的噪声，属于宽频噪声，一般由空气声通过进气管、空滤软管、中冷管等管路辐射。可通过增加宽频消声器，优化标定策略控制泄气时间，减少管道辐射等方式进行降噪。气流噪声包括：压气机流道变化和压气机叶轮旋转不稳定而引起的高频气体脉动噪声;喘振噪声，即增压器工作在喘振线外，流量过小时，叶片扩压器内与进气口处气流与壁面分离，使气流产生强烈的震荡和倒流;以及由于气体管道形状、管道刚度不合理引起的气体脉动噪声。③敲击噪声：废气旁通阀与阀座敲击引起的嗒嗒声，包括：执行器组件间的匹配不合理产生的敲击声，废气旁通阀与阀座变形或加工误差引起的敲击。
2 增壓器敲击声排查及解决方法
某新开发的发动机在台架标定过程中，发现增压器附近有类似金属的敲击声响，当转速在1500rpm扭矩为80Nm时该敲击声最为明显。通过测试增压器的近场噪声及各组件之间的振动信号，从而确定增压器的运转频率[3]。其中，麦克风的位置靠近增压器涡轮壳体外表面，加速度传感器分别布置在增压器中间体进油螺栓、执行器本体以及执行器拉杆的位置。如图1所示为测试结果，对测试数据进行滤波分析，该敲击声主要集中在11kHz-17kHz，属于宽频噪声。对应查看各个测点的振动信号，发现执行器拉杆产生的振动量最大，且能量亦集中在该频段，后续需重点分析执行器组件结构。
该款发动机主要采用电子控制的废气旁通阀，也称为增压压力控制单元，是由ECU发出占空比信号直接控制拉杆作动，执行打开或关闭废气阀[4]，如图2所示。由于废气旁通阀工作温度非常高，为防止热胀冷缩带来的裂纹问题，阀片在转轴处之间是有一定间隙的，即阀片是可以自由活动的。当增压器自然状态下，废气旁通阀关闭，此时阀片会紧紧压在阀座上。当增压器工作时，为防止在某些工况超速，阀体打开放气，阀片处于自由状态，就会与其他零件振动产生敲击。推测可能有以下几种原因：废气阀片与涡壳阀座之间的敲击;阀片与转轴之间的敲击;摇臂与涡壳本体之间的敲击[5]。
根据以上原因进行逐项排查，当压紧拉杆对其进行固定时，由于摇臂固定在拉杆上，即固定了摇臂与蜗壳本体之间的作动，减少两者之间的间隙。主观听取该工况下的敲击声明显减弱，故推断该敲击声由摇臂与涡壳本体之间的间隙过大引起。查看该零件图纸的原设计值为0.50±0.20mm，如图3所示。后续制作整改样件（在摇臂处增加垫片）减小摇臂与涡壳本体之间的间隙。将优化样件搭载于发动机台架进行主、客观评价及测试分析，如图4所示。测试结果表明：拉杆处振动及增压器的近场声音在11kHz-17kHz均有明显的减弱。
3 总结
增压器技术可以大幅度的提升发动机的动力性和燃油经济性，改善发动机的排放。而增压器又是一个由多种零部件构成的复杂组件，其噪声包含旋转体的阶次噪声，管道辐射出来的气流噪声，以及各零部件配合产生的敲击声响等等，这些噪声不同于自然吸气的发动机噪声。所以在考虑增压器本身的可靠性、实车动力性及经济性时，也需要结合NVH进行合理的匹配，优化增压器各零部件间的设计、制造、装配工艺，以提升整车声品质。
参考文献：
[1]庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006.
[2]杨景玲，李克俊，张东，等.发动机增压器异响产生机理及解决方法研究[J].内燃机工程，2014.
[3]何渝生.汽车噪声控制[M].北京：机械工业出版社，1995.
[4]陆家祥.柴油机涡轮增压技术[M].北京：机械工业出版社，2004.
[5]朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].北京：机械工业出版社，1997.