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汽车涡轮增压器同步谐波噪声仿真与优化
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摘要：0 引言 废气涡轮增压器能通过涡轮有效利用发动机废气能量，带动与其同轴的叶轮来压缩空气，增加发动机的进气量，从而增加发动机的功率。一般而言，增压发动机与自然吸气发动机
0 引言
废气涡轮增压器能通过涡轮有效利用发动机废气能量，带动与其同轴的叶轮来压缩空气，增加发动机的进气量，从而增加发动机的功率。一般而言，增压发动机与自然吸气发动机相比，能提高发动机功率与扭矩20%～30%，并能降低尾气当中污染物的排放，还可通过更小的发动机实现更大的功率与扭矩，达到整车轻量化与节油的效果。正是由于上述优点，增压发动机在乘用车中开始大力普及。乘用车相对商用车而言，整车NVH 性能要求更为严格。需要对整车的重要噪声源进行有效控制，以满足顾客日趋严格的需求[1?3]。
增压器为高转速机械，在目前的小型增压器中，转速高达3×105r/min。两轮在高速旋转过程中与空气的相互作用以及转子不平衡、非线性油膜力等因素，使增压器容易产生各种中高频噪声。高频噪声不容易被发动机的低频背景噪声屏蔽，并且易于通过车身孔、缝隙等传入驾驶室。由于人耳具有对中高频噪声敏感的特性，所以增压器噪声往往被顾客所抱怨。如何设计制造高性能、高可靠性与低噪增压器成为业内人员的巨大挑战。
众多科研人员对增压器噪声的产生机理、传播路径及治理方法进行了大量试验与仿真方面的研究。王钦庆[4]较为详细地总结了增压器常见噪声的表现形式及治理方法。Teng 等[5]对增压器压气机Whoosh 噪声的产生机理及解决措施进行了有效试验研究。圣小珍等[3]对增压器一阶(同步，即噪声频率与叶轮轴的转动频率一致)噪声的客观评价标准、传播特性及路径传播控制方面进行了大量卓有成效的研究。杨景玲等[6]在增压器执行器与脉冲宽度调制(Pulse width modulation, PWM)阀之间增加稳压腔优化了增压器的阀门敲击声。李志远等[7]通过优化发动机的进气系统声学设计，优化了乘用车上的涡轮增压器泄气声。Sheng等[8]、Cai等[9]通过计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)及FW-H 方程计算了离心机的气动噪声与辐射噪声，指出离心压气机噪声主要为带通滤波器(Band pass filter, BPF)为主的气动噪声。龚金科等[10]、温华兵等[11]对增压器压气机气动噪声进行了声类比及宽带噪声法仿真，指出叶轮为增压器压气机噪声的主要源头等。上述文献对增压器的结构噪声与离心机的气动噪声均进行了较为深入的研究，但是，针对增压器的同步谐波噪声，目前还未见相关资料报道。本文针对工程实际应用中，增压器急加急减时，气流速度与压力快速压缩与释放，当叶轮与压壳两者之间的间隙不合理时，将导致大量的漩涡生成与释放，在此过程中，产生同步谐波噪声的问题，利用试验确定该噪声的特点与传播路径，结合仿真模型对该噪声进行优化，取得了较好的效果。
1 噪声特点与传播路径
噪声发生工况为发动机零负荷和急加速急减速，主观表现为尖锐的口哨声，噪声源来自于增压器压气机位置。为了探明该噪声的特点，在发动机台架上对该增压器的压气机壳体布置三向加速度计，检测压机机壳体的振动，以判断该噪声是否由压气机壳体振动辐射产生。压气机出口管路布置压力脉动传感器，检测压气机出口的压力脉动，判断压气机出口气流压力脉动是否为该噪声产生的原因。高度平行增压器1 m 处布置近场扬声器，用来采集增压器的近场噪声。测点布置见图1。
图1 增压器噪声测点布置Fig.1 Turbocharger noise measurement point
由信号处理软件Artemis对增压器近场测得的声音信号滤波可知，顾客抱怨的尖锐啸叫声频率范围为4000～8000 Hz，主要成分为增压器转速的4～6倍，为增压器同步谐波噪声(增压器同步转速的4～6倍)。压壳上的振动主要表现为增压器的一阶振动(与增压器转速的同频率振动)，无相应同步谐波噪声的振动频谱。这说明：同步谐波噪声并不是由压气机壳体振动辐射而来。压气机出口的压力脉动数据分析表明：压气机出口压力脉动并无相关噪声频率成分，这说明，压气机出口由压力脉动产生的气动噪声并无同步谐波噪声成分。根据上述分析特征可以推断：该噪声属于空气动力学噪声，且主要沿压气机进口管路传播。相关振动与噪声频谱见图2与图3。
图2 压壳振动与近场噪声频谱图Fig.2 Campbell on compressor wheel vibration and near field noise
图3 增压器近场噪声与压气机出口压力脉动频谱Fig.3 Campbell on near field noise and compressor outlet pulsation
2 噪声仿真预测
2.1 气动噪声Light Hill声类比理论
LMS 软件进行噪声计算基于Light Hill声类比方法，并加入了Curle’s 理论[12?13]。由质量守恒方程以及动量守恒方程可以推导得到
文章来源：《内燃机与配件》 网址: http://www.nrjypj.cn/qikandaodu/2021/0613/977.html