節(jié)氣門嘯叫的機(jī)理分析和工程控制研究

1 前言

汽車NVH性能開發(fā)技術(shù)是汽車設(shè)計(jì)開發(fā)的核心技術(shù)之一，近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的汽車公司才逐步重視和加強(qiáng)汽車NVH開發(fā)的投入，已成為國(guó)內(nèi)汽車技術(shù)發(fā)展的熱門領(lǐng)域，但與目前世界一流公司之間存在巨大的差距。一方面，汽車NVH性能涉及到各國(guó)家的強(qiáng)制法規(guī)，同時(shí)，市場(chǎng)用戶對(duì)汽車舒適性的要求也日益增加，直接關(guān)系到汽車產(chǎn)品的品質(zhì)和市場(chǎng)銷量。所以，NVH性能對(duì)于汽車產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義，也是汽車品牌形象和主機(jī)廠開發(fā)水平的重要標(biāo)識(shí)。通常，大多數(shù)汽車主機(jī)廠對(duì)于怠速、加/減速和勻速等工況的穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)噪聲控制的研究較多，其開發(fā)技術(shù)流程規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)也較成熟。但對(duì)于汽車的瞬態(tài)NVH性能，比如急加/減速的振動(dòng)噪聲、車門開閉聲品質(zhì)、啟動(dòng)/熄火聲品質(zhì)等，其機(jī)理通常都較復(fù)雜，涉及到的相關(guān)零部件或系統(tǒng)較多，所以常常成為汽車NVH開發(fā)中的難點(diǎn)[1]。其中，節(jié)氣門嘯叫問(wèn)題是汽車瞬態(tài)NVH性能中比較突出和典型的現(xiàn)象，如果進(jìn)氣結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)電噴控制等設(shè)計(jì)不當(dāng)，節(jié)氣門開啟時(shí)的高速氣流會(huì)產(chǎn)生明顯的氣流嘯叫，急踩油門時(shí)車內(nèi)可聽到較明顯的“哧哧”異響，引起市場(chǎng)用戶的投訴。

2 節(jié)氣門嘯叫的機(jī)理分析和控制方法

當(dāng)節(jié)氣門開啟，節(jié)氣門閥片繞中間銷軸旋轉(zhuǎn)在一定角度時(shí)，其閥片后部的上邊緣與下邊緣處都會(huì)產(chǎn)生高流速的渦流，當(dāng)來(lái)自閥片上邊緣與下邊緣的湍流交匯時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力波動(dòng)，從而產(chǎn)生節(jié)氣門的流噪聲，即節(jié)氣門嘯叫，因此，節(jié)氣門嘯叫是自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)都普遍存在的問(wèn)題。并且，可以利用CFD進(jìn)行有效地分析和預(yù)測(cè)[2]。

近年來(lái)，與傳統(tǒng)的金屬進(jìn)氣歧管相比，由于塑料進(jìn)氣歧管的重量輕，產(chǎn)品一致性好，大批量生產(chǎn)的成本較低、進(jìn)氣溫度較低，因而廣泛地應(yīng)用于各類車用發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。但是塑料材料密度低，其對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)噪聲的隔聲性能遠(yuǎn)低于金屬歧管，根據(jù)隔聲能力的質(zhì)量效應(yīng)，根據(jù)衡量隔聲水平的傳遞損失質(zhì)量定理，與常用的鋁質(zhì)進(jìn)氣歧管相比，塑料進(jìn)氣歧管的隔聲水平要低約6分貝。所以，對(duì)于節(jié)氣門快速開啟時(shí)的節(jié)氣門嘯叫，搭載塑料進(jìn)氣歧管的發(fā)動(dòng)機(jī)車輛更容易被車內(nèi)駕乘人員所感知，并引起用戶抱怨和投訴。

基于節(jié)氣門嘯叫的機(jī)理，一般工程上可采用改進(jìn)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以降低湍流、優(yōu)化電噴或配氣機(jī)構(gòu)控制以降低節(jié)氣門閥片的流速、提高車身隔吸聲的性能以降低車內(nèi)噪聲靈敏度等三種主要途徑，降低車內(nèi)的節(jié)氣門噪聲。

（1）減小湍流：工程上常用的方法有兩類，一類是在節(jié)氣門體與歧管直接布置導(dǎo)流或擾流裝置，其中各式各樣的導(dǎo)流板、導(dǎo)流鑲片和擾流罩層出不窮，結(jié)構(gòu)形式也花樣眾多，可借助于CFD分析工具進(jìn)行比較和優(yōu)化進(jìn)氣流場(chǎng)；另一類是優(yōu)化進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可通過(guò)對(duì)薄壁殼結(jié)構(gòu)的曲率優(yōu)化、加筋或倒角優(yōu)化等方法，改善歧管的氣動(dòng)性能，降低氣流噪聲。[9-10]

（2）電噴優(yōu)化：可以優(yōu)化配氣相位來(lái)減小進(jìn)氣的壓差，或優(yōu)化電子節(jié)氣門的控制匹配以降低氣門閥片的流速、或者通過(guò)優(yōu)化電噴匹配以減小節(jié)氣門開啟到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升的時(shí)間延遲，利用發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲掩蓋節(jié)氣門嘯叫。

（3）提高車身的聲學(xué)性能：一般通過(guò)提高車身密封性和選用較好聲學(xué)性能的內(nèi)外飾材料提高車內(nèi)到發(fā)動(dòng)機(jī)艙的聲學(xué)傳遞損失指標(biāo)。

3 案例分析

某搭載塑料進(jìn)氣歧管發(fā)動(dòng)機(jī)的小排量轎車開發(fā)過(guò)程中，在工裝車調(diào)試階段時(shí)，怠速或勻速行駛工況在急踩油門時(shí)，車內(nèi)會(huì)明顯感受到節(jié)氣門發(fā)出“哧哧”的嘯叫聲，并且發(fā)動(dòng)機(jī)的加速噪聲滯后于節(jié)氣門噪聲產(chǎn)生的時(shí)間，因而，嚴(yán)重影響地了整車加速噪聲的品質(zhì)。

利用LMS的SCADAS數(shù)采系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的節(jié)氣門上方10cm處和車內(nèi)駕駛員位置布置麥克風(fēng)，在怠速急加油工況進(jìn)行噪聲對(duì)比測(cè)試，并且同時(shí)采集進(jìn)氣歧管壓力傳感器、進(jìn)氣歧管溫度傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、曲軸位置傳感器、噴油器傳感器、點(diǎn)火輸入/輸出等動(dòng)力總成電控系統(tǒng)的信號(hào)，以分析節(jié)氣門嘯叫問(wèn)題的產(chǎn)生和傳遞機(jī)理，便于快速有效地得到工程整改措施。

從車內(nèi)/外噪聲測(cè)試的瀑布圖1上，可得出：

（1） 從頻譜上，節(jié)氣門嘯叫為寬頻帶噪聲；

（2） 從時(shí)域上，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲比節(jié)氣門噪聲滯后Δt,約0.1秒；

（3） 節(jié)氣門嘯叫經(jīng)車身的隔吸聲作用后，則傳遞到車內(nèi)的噪聲主要集中在1000Hz頻率以內(nèi)，正好在人耳的聲音敏感頻率范圍之中，所以被駕乘人員感知和引起抱怨。

圖1 節(jié)氣門嘯叫噪聲測(cè)試

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201612/332230.htm從節(jié)氣門開度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和聲壓信號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)圖2的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在怠速工況下的節(jié)氣門快速開啟后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速并沒有快速跟隨上升，反而在下降了50rpm之后才開始上升。所以，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的瞬時(shí)降低使節(jié)氣門噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲之間的差異更加明顯，而無(wú)法完全掩蓋其節(jié)氣門嘯叫，使得節(jié)氣門嘯叫更容易被辨識(shí)或感知。所以，借助于EMS的標(biāo)定系統(tǒng)工具，對(duì)該工裝車的電噴標(biāo)定參數(shù)和噴油系統(tǒng)匹配進(jìn)行排查，并且對(duì)噴油脈寬、轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力、空燃比、節(jié)氣門位置和點(diǎn)火提前角等信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析。節(jié)氣門的進(jìn)氣階段，節(jié)氣門閥片壓差在600～900pa范圍為正常，但缸內(nèi)的二次噴油脈寬不正常。經(jīng)重新匹配標(biāo)定了急加速工況的二次噴油參數(shù)，解決了轉(zhuǎn)速瞬時(shí)下降問(wèn)題。

圖2 節(jié)氣門的參數(shù)測(cè)試對(duì)比

另外，在節(jié)氣門體與塑料進(jìn)氣歧管間增加結(jié)構(gòu)形式如圖5所示的導(dǎo)流板，以降低節(jié)氣門快速開啟時(shí)閥片后部的氣動(dòng)紊流，以減小急踩油門時(shí)節(jié)氣門的流噪聲。并利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析技術(shù),優(yōu)化導(dǎo)流板的片數(shù)、縫隙間隔、厚度、布置角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，最優(yōu)化設(shè)計(jì)出流體性能最佳的節(jié)氣門導(dǎo)流板。并且，利用有限元（FEA）對(duì)導(dǎo)流板進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度分析，保證其設(shè)計(jì)達(dá)到一階模態(tài)在1500赫茲以上的結(jié)構(gòu)剛度，并必須通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的耐久強(qiáng)度試驗(yàn)。通常，導(dǎo)流板采用與進(jìn)氣歧管相同的材料，以保證其良好的密封性、鑄造精度、一致性和成本等性能。但是，在節(jié)氣門體與進(jìn)氣歧管之間增加的導(dǎo)流板可能會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣性能，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的性能測(cè)試驗(yàn)證，并未降低發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩、功率和油耗等關(guān)鍵性能指標(biāo)。

圖3 節(jié)氣門導(dǎo)流板的CFD 性能對(duì)比分析

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)艙到車內(nèi)的隔吸聲水平，降低車內(nèi)對(duì)節(jié)氣門噪聲的靈敏度，對(duì)前壁板內(nèi)外的隔音材料都提高了其聲學(xué)性能，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的前壁板隔熱墊內(nèi)增加了PVC夾層，駕駛室內(nèi)的前壁板隔音墊內(nèi)增加其EVA質(zhì)量層的厚度。同時(shí)，加強(qiáng)了對(duì)車身密封性的控制，通過(guò)增加前壁板的涂膠量、增加前壁板上線束過(guò)孔的密封膠套或海綿厚度和增加車身空腔阻隔材料等措施，進(jìn)一步提高車身的隔吸聲水平。

通過(guò)加強(qiáng)電噴匹配、增加導(dǎo)流板、提高前壁板聲學(xué)包裝性能和加強(qiáng)車身密封性的四項(xiàng)優(yōu)化措施，經(jīng)裝車實(shí)施后飛主觀評(píng)價(jià)，節(jié)氣門嘯叫顯著降低，大大降低了市場(chǎng)用戶的投訴風(fēng)險(xiǎn)，并顯著提高了該車的加速噪聲品質(zhì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文論述了節(jié)氣門嘯叫的產(chǎn)生機(jī)理和工程控制方法，并以某轎車開發(fā)中的工程案例，利用LMS的SCADAS數(shù)采系統(tǒng)進(jìn)行噪聲機(jī)理分析和電噴問(wèn)題排查，并通過(guò)CFD分析和優(yōu)化導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。通過(guò)優(yōu)化電噴匹配、增加導(dǎo)流板、提高前壁板聲學(xué)包裝性能等措施，解決了該轎車急踩油門時(shí)節(jié)氣門的嘯叫問(wèn)題，降低了產(chǎn)品的市場(chǎng)用戶投訴風(fēng)險(xiǎn)，大大提高整車的加速噪聲品質(zhì)，并有助于深入提高對(duì)汽車瞬態(tài)NVH性能開發(fā)的認(rèn)識(shí)和水平。