注：本文節(jié)選自《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)NVH性能開發(fā)與工程實(shí)踐》，由機(jī)械工業(yè)出版社出版

本書從汽車NVH性能開發(fā)工程師的角度出發(fā)，努力將基礎(chǔ)理論、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程經(jīng)驗(yàn)和措施方案等方面緊密地融合在一起，可以供汽車NVH性能開發(fā)工程師、發(fā)動(dòng)機(jī)性能集成開發(fā)工程師、汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)工程師、高等院校振動(dòng)噪聲方向在校學(xué)生和科研人員等的閱讀參考。

4.3 喘振

隨著車載渦輪增壓器向著高轉(zhuǎn)速、小尺寸和高壓比的技術(shù)趨勢發(fā)展，壓氣機(jī)的工作流量范圍和壓比區(qū)間都越來越寬，如果渦輪增壓器的動(dòng)力匹配標(biāo)定不合理，那么車輛使用過程中就很 可能出現(xiàn)喘振（Surge）現(xiàn)象。當(dāng)渦輪增壓器發(fā)生喘振時(shí)，壓氣機(jī)的流量和壓力都會(huì)出現(xiàn)顯著的波動(dòng)，壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片將承受更大的交變載荷，轉(zhuǎn)子軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)載荷也會(huì)明顯變大，并伴 隨異常的振動(dòng)噪聲問題。這不僅影響到增壓器密封系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)的正常工作，還直接影響到 增壓器系統(tǒng)的安全性和可靠性，降低整車的 NVH 性能和車輛駕乘的舒適性，嚴(yán)重情況下可能造成渦輪增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)的故障損傷。

4.3.1　喘振的常見工況

對(duì)于搭載不同的動(dòng)力總成系統(tǒng)和標(biāo)定匹配方式，車輛發(fā)生喘振現(xiàn)象的工況條件也千差萬別，但是比較典型的喘振工況有以下幾種情形。

1）車輛從靜止?fàn)顟B(tài)下原地起步加速，全油門急加速到發(fā)動(dòng)機(jī)的中低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，此時(shí)的渦 輪增壓器剛剛開始介入工作，再突然地快速松掉油門減速時(shí)。

2）車輛以中低車速狀態(tài)的勻速行駛過程中，小節(jié)氣門開度加速，或者加速過程發(fā)生換檔 操作時(shí)，此時(shí)的車輛背景噪聲較小，喘振噪聲更容易被駕乘人員感知和抱怨。

3）在高海拔和空氣低含氧量的地區(qū)，車輛以低速大負(fù)荷工況行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速運(yùn)   行下，急松加速踏板操作的瞬間。并且，以上工況在車輛的低速爬坡行駛情況下，喘振現(xiàn)象通 常會(huì)更加頻繁地發(fā)生，常常主觀表征為“嚯嚯”或“咕咕”的周期性低頻調(diào)制振動(dòng)噪聲問題。如圖 4-17 所示，為某車型在急加速之后突然松加速踏板的減速過程中，渦輪增壓器發(fā)生喘振問題時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)渦輪增壓器近場和車內(nèi)駕駛員位置的噪聲測試數(shù)據(jù)時(shí)頻分析結(jié)果。

與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是采用直接壓燃的點(diǎn)火方式，氣缸的壓縮比更高，渦輪增壓器的壓氣機(jī)出口壓力值也更高，并且柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的常用工作轉(zhuǎn)速也較低，動(dòng)力標(biāo)定也傾 向于低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力輸出策略。因此，對(duì)于搭載柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車來說，通常會(huì)更容易出 現(xiàn)喘振問題。另外，隨著車輛行駛里程的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)通道可能存在部分堵塞（比 如，空濾器內(nèi)的污染物雜質(zhì)過多，濾芯的流阻系數(shù)變大），以及動(dòng)力系統(tǒng)性能衰減可能引起渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行失配等原因，也會(huì)導(dǎo)致高里程車輛的喘振問題更加突出。

圖 4-17 某車型渦輪增壓器喘振噪聲測試的時(shí)頻分析

4.3.2　喘振的類型

目前，汽車行業(yè)對(duì)渦輪增壓器的喘振現(xiàn)象，還沒有統(tǒng)一明確的定義和識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，通常是根據(jù)實(shí)際測試過程中壓氣機(jī)流量、壓力、溫度、振動(dòng)和噪聲等狀態(tài)參數(shù)的變化情況，結(jié)合具體的 工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)不同的喘振問題進(jìn)行分類和判別。

1）溫和喘振或輕度喘振（Mild Surge）：壓氣機(jī)出口的壓力波動(dòng)較小，氣體沒有倒流現(xiàn)象發(fā)生，各喘振特征參數(shù)的變化量幅值比較微弱，振蕩的頻率較高。在溫和喘振的情況下，壓氣 機(jī)的運(yùn)行工況可以視為穩(wěn)定的，其喘振頻率通常接近于壓氣機(jī)系統(tǒng)的自然喘振頻率。

2）典型喘振（Classic Surge）：與輕度喘振相比，各喘振特征參數(shù)的振蕩頻率更低，且振幅要更大一些，同時(shí)存在高頻振蕩成分和高次諧波分量，但仍沒有發(fā)生倒流情況。

3）混合喘振（Modified Surge）：壓氣機(jī)氣流軸向流動(dòng)呈現(xiàn)完全的環(huán)形波動(dòng)形態(tài)，并包含有徑向流形不穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)失速（Stall）現(xiàn)象，總體的氣流流動(dòng)是非穩(wěn)定和非軸對(duì)稱的，摻雜混合 了典型喘振現(xiàn)象和葉輪旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象，屬于喘振的臨界狀態(tài)，因此也常被稱為臨界喘振。雖然 喘振和失速都?xì)w屬于渦輪增壓器的壓氣機(jī)不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象，但兩者之間還存在著區(qū)別。通常， 狹義的喘振定義為壓氣機(jī)內(nèi)沿著軸向的一維非穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象，并與之相連通的氣流管道系統(tǒng)內(nèi) 部結(jié)構(gòu)和工作特性都有密切的關(guān)聯(lián)。比如，壓氣機(jī)的初始工作狀態(tài)、節(jié)氣門的關(guān)閉速度、增壓 器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的慣性質(zhì)量、進(jìn)氣歧管的長度與直徑、壓氣機(jī)入口之前的進(jìn)氣管路內(nèi)阻等因素，都 會(huì)直接影響到喘振特性和氣流失穩(wěn)程度。而旋轉(zhuǎn)失速是沿壓氣機(jī)周向或徑向的非穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象， 通常只與壓氣機(jī)內(nèi)部的氣體流動(dòng)情況有關(guān)。

4）深度喘振或重度喘振（Deep Surge）：比典型喘振更為嚴(yán)重的一種非穩(wěn)定性狀態(tài)，氣體流動(dòng)表現(xiàn)為軸對(duì)稱和非穩(wěn)定的循環(huán)狀態(tài)，進(jìn)氣口流量和出口壓力也表現(xiàn)為較大的波動(dòng)，有較強(qiáng) 的氣體倒流沖擊現(xiàn)象，各喘振特征參數(shù)都出現(xiàn)大幅度的劇烈振蕩。

如果假設(shè)壓氣機(jī)內(nèi)部空氣流動(dòng)具有一維的不可壓縮性，在壓氣機(jī)出口后端容積內(nèi)是等熵絕熱的可壓縮過程，壓氣機(jī)內(nèi)部是溫度變化均勻的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程，以及增壓器轉(zhuǎn)速的波動(dòng)變化較小等前提條件下，可以將渦輪增壓器的深度喘振現(xiàn)象等效為如圖 4-18 所示的簡化物理系統(tǒng)模型。其中，對(duì)于渦輪增壓器發(fā)生深度喘振現(xiàn)象的振蕩主頻率 fH，可以通過赫姆霍茲聲腔共振公式（4-1）進(jìn)行近似地估算。對(duì)于搭載中小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車而言，深度喘振的頻率通常在 幾十赫茲以內(nèi)。而對(duì)于搭載大排量發(fā)動(dòng)機(jī)的商用車或船舶輪機(jī)，喘振頻率會(huì)降低至幾赫茲以內(nèi)。需要注意的是，由于喘振現(xiàn)象的非線性特點(diǎn)，喘振頻率也存在著不確定性的演變與發(fā)展。

式中，

c 

為聲速；

A

c

為壓氣機(jī)管路的等效截面積；

L

c 

為壓氣機(jī)管路的等效長度；

V

p

為壓氣機(jī)出口與發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門之間的可壓縮空間容積。

4.3.3　喘振的機(jī)理

渦輪增壓器喘振問題通常是發(fā)動(dòng)機(jī)在一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)下，壓氣機(jī)的氣體流量減小到一定程 度時(shí)，進(jìn)入工作葉輪和擴(kuò)壓管入口處的氣體流動(dòng)形式發(fā)生顯著變化，葉片的來流攻角增大，在 葉輪葉片背面的邊界氣流出現(xiàn)不穩(wěn)定的分離，分離出的紊流或渦流迅速地?cái)U(kuò)展到壓氣機(jī)通道的 其他區(qū)域，引起氣流的循環(huán)振蕩或強(qiáng)烈脈動(dòng)，并且出現(xiàn)氣流的倒流現(xiàn)象或者氣體回流的趨勢， 導(dǎo)致壓氣機(jī)流量、壓力或溫度等特征參數(shù)的明顯波動(dòng)，增壓器效率急劇地下降，同時(shí)伴隨著渦 輪增壓器或發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生異常的振動(dòng)噪聲問題。

由于空氣在壓氣機(jī)葉片前緣附近的氣體流動(dòng)情況最為復(fù)雜，且空氣流速通常也最高，因此直接與壓氣機(jī)的氣動(dòng)噪聲現(xiàn)象密切相關(guān)，通過此處的空氣流動(dòng)形式的細(xì)致分析，可以更加深入 地理解喘振現(xiàn)象與氣流不穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)性。

在壓氣機(jī)的葉輪前緣附近，進(jìn)入的空氣速度可以正交分解為相互垂直的兩部分流速分量， 分別是圓周速度分量和徑向速度分量，如圖 4-19 所示。圖 4-19 中，C 表示空氣經(jīng)導(dǎo)流后，進(jìn)入壓氣機(jī)葉片前緣時(shí)的絕對(duì)速度；m為壓氣機(jī)葉輪前緣處的氣流圓周速度分量；w為氣流進(jìn)入壓氣機(jī)葉片的相對(duì)徑向速度分量。當(dāng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，如果進(jìn)入的空氣流量 發(fā)生變化，葉片前緣附近的氣流圓周速度分量m仍然將相對(duì)地保持不變，而徑向速度分量w  會(huì)跟隨進(jìn)氣流量發(fā)生變化。

圖 4-19 空氣在壓氣機(jī)葉輪前緣附近的不同流動(dòng)情況

在壓氣機(jī)正常運(yùn)行的工況，進(jìn)入的空氣流量在合理的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)值之內(nèi)，氣流進(jìn)入壓氣機(jī)葉片的徑向相對(duì)速度分量w較小，并能夠與葉片的構(gòu)造角保持一致，氣流將平順地流向葉片通道和擴(kuò)張腔，不會(huì)發(fā)生明顯的撞擊或分離現(xiàn)象，如圖 4-19a 所示。當(dāng)空氣流量增加時(shí)，經(jīng)導(dǎo)流后進(jìn)入壓氣機(jī)葉片前緣的空氣絕對(duì)流速 C 也相應(yīng)的增加，而圓周流速分量仍保持不變，那么進(jìn)入葉片的徑向空氣流速分量w也會(huì)跟隨增加，并向后偏轉(zhuǎn)了一定的角度，氣流會(huì)沖擊到葉片前緣的背面（凸面），從而在葉片凹面附近產(chǎn)生氣流分離和渦流，如圖 4-19b 所示。但是，由于葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與氣流分離的方向相反，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性力會(huì)抑制不穩(wěn)定氣流的分離與擴(kuò)展，因 此此時(shí)壓氣機(jī)依然保持會(huì)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。如果空氣流量低于增壓器的正常設(shè)計(jì)值，空氣進(jìn)入 的氣流絕對(duì)速度 C 和徑向速度分量w   都會(huì)相應(yīng)地減小，氣流方向與葉片構(gòu)造角之間會(huì)形成負(fù)攻角，導(dǎo)致氣流直接撞擊葉片前緣，引起葉片凸面附近產(chǎn)生氣流分離和渦流，如圖 4-19c 所示。同時(shí)，由于葉輪的旋轉(zhuǎn)方向和氣流慣性力的方向與分離氣流方向是一致的，從而導(dǎo)致氣流分離 和渦旋更加強(qiáng)烈，氣流不穩(wěn)定區(qū)域不斷地發(fā)生擴(kuò)展。如果進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣流量繼續(xù)減小，葉 片前緣的氣流分離現(xiàn)象會(huì)越來越嚴(yán)重，不穩(wěn)定區(qū)氣流區(qū)域?qū)⒗^續(xù)擴(kuò)展到整個(gè)葉輪、擴(kuò)張腔和渦 殼通道等下游區(qū)域，引起渦輪增壓器的喘振問題。

在渦輪增壓器進(jìn)入深度喘振的不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，壓氣機(jī)內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的氣體倒流現(xiàn)象，壓前管路的壓力會(huì)突然上升，甚至變?yōu)檎龎?，并且壓氣機(jī)進(jìn)口的溫度會(huì)瞬時(shí)地升高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 和輸出轉(zhuǎn)矩都會(huì)發(fā)生劇烈的波動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)噪聲問題，排氣尾管還有可能出現(xiàn)冒 煙現(xiàn)象，嚴(yán)重情況下可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)的異常停機(jī)。因此，深度喘振是渦輪增壓動(dòng)力總成運(yùn)行過 程的故障問題，在整車的工程開發(fā)中，這種類型的喘振問題是必須要解決消除的。

4.3.4　喘振的識(shí)別方法

由于喘振發(fā)生時(shí)渦輪增壓器的工作狀態(tài)物理量，如溫度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、聲音、流量和壓力等都會(huì)出現(xiàn)變化，所以，這些的狀態(tài)參數(shù)都可以成為識(shí)別渦輪增壓器壓氣機(jī)喘振的客觀依 據(jù)。深度喘振一般可以通過渦輪增壓器本體振動(dòng)和轉(zhuǎn)子軸心軌跡的變化來進(jìn)行識(shí)別，但容易受 到復(fù)雜環(huán)境狀態(tài)下整車振動(dòng)信號(hào)的干擾，而喘振噪聲的測試精度更差一些。因此，對(duì)于實(shí)車喘 振問題的識(shí)別診斷和排查分析，工程上常常將渦輪增壓器壓氣機(jī)的出口壓力信號(hào)和入口溫度信 號(hào)，作為喘振識(shí)別的測量參數(shù)和監(jiān)控信號(hào)，其抗干擾性好，簡單有效，且容易測量和提取，或 者直接就包含在發(fā)動(dòng)機(jī)的電噴標(biāo)定數(shù)據(jù)之中。通過壓力脈動(dòng)和溫度變化的客觀參數(shù)，與噪聲特 征的主觀評(píng)價(jià)結(jié)合在一起，通?？梢钥焖贉?zhǔn)確地判別渦輪增壓器的大多數(shù)喘振問題。

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4.3.5　改善喘振問題的措施方案

從整車的動(dòng)力總成NVH 性能開發(fā)控制來講，渦輪增壓器喘振問題的解決措施可以分為“源”和“路徑控制”兩種思路。

對(duì)于增壓器喘振問題的“源頭”控制，包括了“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”和“匹配標(biāo)定”的兩個(gè)方面。其中，喘振問題的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案通常是采用改進(jìn)優(yōu)化壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)特征（比如，采用較小的葉片進(jìn)氣口、后彎的葉輪、增加流量的消聲槽、優(yōu)化壓氣機(jī)葉片的Trim 值、可調(diào)的入口導(dǎo)葉、可變截面的導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)、渦旋進(jìn)氣的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)等），以擴(kuò)大壓氣機(jī)的工作流量范圍，或者采用低慣量的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，以及采用主動(dòng)噴氣的主動(dòng)控制方案等。但這些措施方案的優(yōu)化改進(jìn)成本較高，設(shè)變周期都較長，涉及增壓器的前期選型工作，很難在整車項(xiàng)目開發(fā)的后期階段被采用。

而基于整車的增壓系統(tǒng)匹配標(biāo)定優(yōu)化，通常是整車項(xiàng)目 NVH 性能開發(fā)的中后期階段最為經(jīng)濟(jì)和有效的解決措施。比如，為了防止壓氣機(jī)工作運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于某些不確定的因素進(jìn)入喘振狀態(tài)，通常在整車的增壓系統(tǒng)標(biāo)定過程中，根據(jù)動(dòng)力總成臺(tái)架的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和同類型增壓器的匹 配經(jīng)驗(yàn)，劃定出一條“防喘線”。一般而言，落在“防喘線”上的壓氣機(jī)的工作流量，比相應(yīng)轉(zhuǎn)     速的喘振流量大 5% ~ 15%。增壓器工作區(qū)離喘振線越近，就越容易發(fā)生喘振，因此在整車的增壓器標(biāo)定匹配之中，應(yīng)該盡可能地使增壓器工作區(qū)遠(yuǎn)離喘振線，從而避免在各種整車工況下發(fā) 生喘振問題。通常，車載四缸汽油機(jī)的渦輪增壓器匹配喘振余量推薦為 10%  以上，搭載三缸或更少發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)的整車匹配標(biāo)定喘振余量建議推薦為 20%   左右。由于“防喘線”多數(shù)設(shè)置在壓氣機(jī)高效工作區(qū)附近，使得壓氣機(jī)工作時(shí)的流量范圍受到限制，如果能夠有效地預(yù)測到喘振的 發(fā)生并進(jìn)行相應(yīng)的控制，使“防喘線”最大可能地靠近實(shí)際喘振線，那么壓氣機(jī)工作時(shí)的流量    范圍將得到拓寬，同時(shí)也可防止喘振問題的發(fā)生概率。

圖 4-20   渦輪增壓器壓氣機(jī)的特性曲線示意圖

如圖 4-20 所示，渦輪增壓器壓氣機(jī)的特性曲線示意圖。當(dāng)壓氣機(jī)入口的流量減少，壓氣機(jī)正常的響應(yīng)是壓比升高，增壓器進(jìn)氣的壓縮能力增強(qiáng)。但是，當(dāng)壓氣機(jī)流量減少到某個(gè)臨界點(diǎn)之后，壓比接近或達(dá)到壓氣機(jī)的最大壓縮能力，這時(shí)候如果再進(jìn)一步減少流量，那么壓氣機(jī)的流動(dòng)形態(tài)就會(huì)發(fā)生突變，氣流進(jìn)入不穩(wěn)定的失穩(wěn)振蕩狀態(tài)，即發(fā)生喘振現(xiàn)象。如果把不同轉(zhuǎn)速下的喘振點(diǎn)軌跡在外特性曲線中繪制出來，就稱為該渦輪增壓器的喘振線。因此，對(duì)于搭載渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的車型，為了在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速下獲得更大的轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備或動(dòng)力加速性， 動(dòng)力標(biāo)定匹配策略往往會(huì)采取提高低速工況的增壓壓比方法，在同等的低轉(zhuǎn)速和高壓比情況下，壓氣機(jī)的進(jìn)氣流量會(huì)減小，從而容易進(jìn)入喘振 區(qū)域。

在實(shí)際的動(dòng)力標(biāo)定匹配過程中，最為常見的是通過優(yōu)化進(jìn)氣旁通泄壓閥的開啟時(shí)刻，調(diào)整 增壓器實(shí)時(shí)工作的喘振余量，使壓氣機(jī)的全工況運(yùn)行狀態(tài)曲線遠(yuǎn)離喘振區(qū)域。在壓氣機(jī)在運(yùn)行 中，當(dāng)管路系統(tǒng)阻力升高時(shí)（比如松開加速踏板時(shí)），進(jìn)氣流量將隨之減小，就有可能降低到允許值以下。當(dāng)流量下降到預(yù)設(shè)的安全限值，就打開泄壓閥，使壓氣機(jī)出口的增壓氣流再次流入 壓氣機(jī)入口的低壓側(cè)，以增加壓氣機(jī)的流量進(jìn)入，防止進(jìn)入喘振區(qū)。雖然這種方式對(duì)于預(yù)防深 度喘振問題是非常有效的，但對(duì)于輕度的喘振問題，由于增壓器運(yùn)行工況距離喘振線較遠(yuǎn)，因 此壓氣機(jī)的工作效率較高，如果再通過打開進(jìn)氣旁通閥泄壓的方式來解決喘振問題，必然會(huì)大 幅降低發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)入壓氣機(jī)的低效率工作區(qū)間。除此之外，通過 VVT、VVL 和 VVD 等可變氣門技術(shù)或者優(yōu)化凸輪軸的型線，改善氣門的重疊角，提高充氣效率，或者優(yōu)化廢氣再循環(huán)閥 EGR（Exhaust Gas Recirculation）的開關(guān)策略，使渦輪增壓器在壓比不變的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸能夠進(jìn)入更多的新鮮氣體，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒所需的空氣流量。這樣的話， 在增壓器壓比不變的情況下，就能增加進(jìn)氣量，也會(huì)使增壓器的運(yùn)行工作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振線，同時(shí) 也增加了壓氣機(jī)工作的喘振裕度。而對(duì)于松油門急減速工況出現(xiàn)的瞬時(shí)喘振問題，節(jié)氣門關(guān)閉 速度的減慢、斷缸減扭、推遲點(diǎn)火或減少噴油量等電噴標(biāo)定優(yōu)化策略也常常被采用。

在整車項(xiàng)目開發(fā)的后期階段，如果一些特定工況下還存在著輕度喘振問題，由于渦輪增壓器架構(gòu)和電控標(biāo)定匹配參數(shù)已經(jīng)基本確定，這時(shí)候往往會(huì)采用“路徑控制”的方式，來解決或改善輕度喘振問題。比如，在壓氣機(jī)入口的管路增加穩(wěn)壓腔，減少不穩(wěn)定氣流的流量，消除壓 力波動(dòng)，進(jìn)而改善喘振裕度；或者在空濾器出口與壓氣機(jī)入口之間的進(jìn)氣管路上，增加高頻的聲學(xué)消聲元件。這些路徑上的改進(jìn)措施，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響都很小，也不會(huì)改變 渦輪增壓器的方案選型，以及大幅度地調(diào)整動(dòng)力標(biāo)定策略的邏輯參數(shù)，比較適合在車型開發(fā)的 后期階段，解決輕度喘振引起的噪聲問題。

本書內(nèi)容簡介：本書重點(diǎn)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NVH性能開發(fā)過程中的重點(diǎn)機(jī)構(gòu)和零部件系統(tǒng)分別進(jìn)行了闡述，共分成8章：第1章為發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)激勵(lì)的基本原理和理論基礎(chǔ)部分，主要介紹了單缸和多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)激勵(lì)分析機(jī)理。第2章則詳細(xì)地闡述了發(fā)動(dòng)機(jī)平衡性設(shè)計(jì)開發(fā)的概念方法和常見的衍生NVH問題。第3章從發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的分類、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的測試評(píng)價(jià)及各種類型噪聲的識(shí)別分析技術(shù)等，并提供了較全面的問題分析排查方法和工程解決措施方案。第4章詳盡地闡述了各種類型的增壓器噪聲問題。第5章介紹了進(jìn)氣系統(tǒng)的NVH性能集成開發(fā)流程、常見的進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲問題、進(jìn)氣系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的聲學(xué)特性分析和進(jìn)氣系統(tǒng)的聲增強(qiáng)技術(shù)。第6章介紹了排氣系統(tǒng)NVH性能集成開發(fā)的要素、不同消聲器類型的聲學(xué)特性分析和排氣系統(tǒng)的常見噪聲問題。第7章介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的噪聲問題。第8章介紹了常見的發(fā)動(dòng)機(jī)NVH性能開發(fā)典型案例。

《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)NVH性能開發(fā)與工程實(shí)踐》目錄

第1章　發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)激勵(lì)分析1

1.1　發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的簡介1

1.2　中心式曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析4

1.3　偏心式曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析8

1.4　單缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量換算9

1.4.1　活塞組的等效質(zhì)量換算9

1.4.2　曲軸組的等效質(zhì)量換算10

1.4.3　連桿組的等效質(zhì)量換算11

1.4.4　曲柄連桿機(jī)構(gòu)的兩質(zhì)點(diǎn)力系簡化模型12

1.5　單缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析13

1.5.1　缸內(nèi)氣體作用力13

1.5.2　往復(fù)慣性力14

1.5.3　離心慣性力15

1.6　單缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的力傳遞分解和受力分析15

1.6.1　活塞銷中心的作用力和力傳遞分解15

1.6.2　曲柄銷中心的力傳遞分解和受力分析16

1.6.3　曲軸主軸頸的力傳遞分解和輸出轉(zhuǎn)矩16

1.6.4　曲柄連桿機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和慣性轉(zhuǎn)矩17

1.6.5　曲柄連桿機(jī)構(gòu)的傾覆力矩分析18

1.6.6　曲軸主軸頸的反作用力分析18

1.6.7　單缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的激勵(lì)載荷分析19

1.7　多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)激勵(lì)分析20

1.7.1　多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸序號(hào)和曲柄圖20

1.7.2　多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄排列和發(fā)火順序21

1.7.3　多缸發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)源的合成分析22

第2章　發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡性設(shè)計(jì)分析25

2.1　發(fā)動(dòng)機(jī)平衡的基本概念26

2.2　單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡性分析26

2.2.1　離心慣性力的平衡分析27

2.2.2　往復(fù)慣性力的平衡分析28

2.3　直列式多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡性方法33

2.3.1　多缸發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)離心慣性力和力矩的平衡方法33

2.3.2　多缸發(fā)動(dòng)機(jī)往復(fù)慣性力和力矩的平衡方法35

2.4　直列式四沖程4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)36

2.5　直列式四沖程3缸發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)38

2.5.1　3缸發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)源分析和平衡方案39

2.5.2　3缸發(fā)動(dòng)機(jī)混合動(dòng)力平臺(tái)開發(fā)的平衡方案41

2.5.3　3缸發(fā)動(dòng)機(jī)平衡軸機(jī)構(gòu)的NVH性能測試對(duì)比41

2.6　平衡軸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求43

2.7　平衡軸齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的常見噪聲問題44

2.7.1　平衡軸齒輪傳動(dòng)NVH問題的案例44

2.7.2　平衡軸齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)NVH性能的控制47

2.7.3　橡膠減振齒輪在平衡軸機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用50

2.7.4　剪刀齒輪在平衡軸機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用51

2.7.5　非金屬齒輪在平衡軸機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用52

2.8　仿真分析技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)平衡開發(fā)中的應(yīng)用53

2.9　多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部平衡分析53

第3章　發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲分析控制55

3.1　發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的分類55

3.2　發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲的測試評(píng)價(jià)58

3.2.1　基于整車狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲測試評(píng)價(jià)58

3.2.2　基于發(fā)動(dòng)機(jī)NVH臺(tái)架消聲室的發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲測試評(píng)價(jià)59

3.3　發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲62

3.3.1　燃燒噪聲的分類63

3.3.2　基于缸內(nèi)壓力頻譜特征的燃燒噪聲分析64

3.3.3　燃燒噪聲的振動(dòng)噪聲傳遞特征分析67

3.3.4　燃燒噪聲開發(fā)的控制69

3.4　增壓直噴汽油機(jī)爆燃噪聲的診斷控制71

3.4.1　普通爆燃與超級(jí)爆燃72

3.4.2　整車狀態(tài)的超級(jí)爆燃排查診斷73

3.4.3　超級(jí)爆燃的影響因素與控制措施74

3.5　發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械噪聲簡述75

3.6　活塞敲擊噪聲的分析控制76

3.6.1　常見的活塞敲擊現(xiàn)象78

3.6.2　活塞敲擊噪聲的類型78

3.6.3　活塞敲缸的機(jī)理分析79

3.6.4　改善活塞敲缸問題的措施方案80

3.6.5　活塞銷敲擊的機(jī)理分析82

3.6.6　常見的活塞銷敲擊現(xiàn)象83

3.6.7　改善活塞銷敲擊問題的措施方案83

3.7　配氣機(jī)構(gòu)噪聲的分析控制84

3.7.1　配氣機(jī)構(gòu)氣門驅(qū)動(dòng)方式的類型85

3.7.2　配氣機(jī)構(gòu)的常見噪聲問題87

3.7.3　改善配氣機(jī)構(gòu)噪聲問題的措施方案89

3.8　正時(shí)鏈傳動(dòng)噪聲的分析控制96

3.8.1　正時(shí)鏈傳動(dòng)與正時(shí)同步帶傳動(dòng)的性能比較97

3.8.2　正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成99

3.8.3　 正時(shí)鏈傳動(dòng)的不均勻性分析（多邊形效應(yīng)）102

3.8.4　正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的常見噪聲問題104

3.8.5　改善正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲問題的措施方案107

3.9　正時(shí)同步帶傳動(dòng)噪聲的分析控制112

3.9.1　正時(shí)同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成112

3.9.2　正時(shí)同步帶的振動(dòng)特性分析116

3.9.3　正時(shí)同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)的常見噪聲問題118

3.9.4　改善正時(shí)同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲問題的措施方案122

3.10　發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)噪聲的分析控制125

3.10.1　發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成126

3.10.2　發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析131

3.10.3　多楔帶傳動(dòng)的彈性滑動(dòng)與打滑132

3.10.4　發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的常見噪聲問題134

3.10.5　改善發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)噪聲問題的措施方案140

3.11　發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的識(shí)別分析技術(shù)143

3.11.1　發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲識(shí)別方法的分類144

3.11.2　傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲識(shí)別方法145

3.11.3　基于信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲識(shí)別方法150

3.11.4　基于聲學(xué)傳感器陣列的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲識(shí)別方法156

3.11.5　基于智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲識(shí)別方法159

第4章　廢氣渦輪增壓器系統(tǒng)的噪聲分析控制161

4.1　廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成165

4.1.1　廢氣渦輪系統(tǒng)165

4.1.2　壓氣機(jī)系統(tǒng)167

4.1.3　中間軸承系統(tǒng)168

4.1.4　廢氣旁通閥系統(tǒng)169

4.1.5　進(jìn)氣旁通閥系統(tǒng)169

4.1.6　中冷器170

4.2　廢氣渦輪增壓噪聲的分類171

4.3　喘振172

4.3.1　喘振的常見工況172

4.3.2　喘振的類型173

4.3.3　喘振的機(jī)理174

4.3.4　喘振的識(shí)別方法175

4.3.5　改善喘振問題的措施方案175

4.4　輕度喘振噪聲177

4.5　泄氣聲180

4.6　同步噪聲183

4.6.1　同步脈沖噪聲185

4.6.2　同步振動(dòng)噪聲186

4.6.3　同步脈沖噪聲與同步振動(dòng)噪聲的識(shí)別190

4.7　次同步噪聲191

4.7.1　軸承類型與油膜穩(wěn)定性191

4.7.2　次同步噪聲與油膜渦動(dòng)193

4.7.3　徑向軸承浮環(huán)類型與油膜渦動(dòng)195

4.7.4　改善次同步噪聲問題的措施方案196

4.8　次同步純音197

4.9　超同步脈沖噪聲198

4.10　高階諧次噪聲199

4.11　葉片通過頻率噪聲201

4.12　葉尖間隙氣動(dòng)噪聲203

4.13　電鋸噪聲205

4.14　執(zhí)行器異響207

4.14.1　廢氣旁通閥執(zhí)行器的異響問題207

4.14.2　進(jìn)氣旁通閥執(zhí)行器的異響問題208

第5章　進(jìn)氣系統(tǒng)NVH開發(fā)與工程實(shí)踐210

5.1　基于整車的進(jìn)氣系統(tǒng)NVH性能集成開發(fā)流程211

5.2　進(jìn)氣系統(tǒng)的常見噪聲問題213

5.2.1　進(jìn)氣系統(tǒng)的周期性壓力脈動(dòng)噪聲213

5.2.2　進(jìn)氣系統(tǒng)的湍流噪聲213

5.2.3　進(jìn)氣系統(tǒng)的氣柱共振噪聲214

5.2.4　進(jìn)氣系統(tǒng)的赫姆霍茲共振噪聲214

5.3　進(jìn)氣系統(tǒng)NVH零部件的聲學(xué)特性分析214

5.3.1　空濾器的聲學(xué)特性設(shè)計(jì) 215

5.3.2　低頻諧振腔的聲學(xué)特性分析220

5.3.3　1/4波長管的聲學(xué)特性分析221

5.3.4　1/2波長管的聲學(xué)特性分析223

5.3.5　高頻諧振腔的聲學(xué)特性分析223

5.3.6　編織管的聲學(xué)特性分析226

5.4　進(jìn)氣系統(tǒng)的聲增強(qiáng)技術(shù)227

5.4.1　進(jìn)氣系統(tǒng)的聲傳導(dǎo)增強(qiáng)裝置228

5.4.2　進(jìn)氣系統(tǒng)的電子模擬聲裝置230

第6章　排氣系統(tǒng)NVH開發(fā)與工程實(shí)踐231

6.1　排氣系統(tǒng)NVH開發(fā)概述231

6.1.1　排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成231

6.1.2　排氣系統(tǒng)的主要功能和設(shè)計(jì)要點(diǎn)232

6.1.3　基于整車的排氣系統(tǒng)NVH性能集成開發(fā)流程介紹233

6.2　排氣系統(tǒng)消聲器的聲學(xué)特性分析237

6.2.1　排氣系統(tǒng)的阻性消聲器238

6.2.2　排氣系統(tǒng)的抗性消聲器239

6.2.3　排氣系統(tǒng)的復(fù)合阻抗式消聲器241

6.2.4　排氣系統(tǒng)的擴(kuò)散式消聲器242

6.3　排氣系統(tǒng)的常見噪聲問題243

6.3.1　排氣系統(tǒng)的周期性壓力脈動(dòng)噪聲244

6.3.2　排氣系統(tǒng)的管路駐波噪聲244

6.3.3　排氣系統(tǒng)的赫姆霍茲共振噪聲245

6.3.4　排氣系統(tǒng)的孔腔流激振蕩噪聲245

6.3.5　排氣系統(tǒng)的沖擊波噪聲247

6.3.6　排氣系統(tǒng)的氣流噪聲249

6.3.7　排氣系統(tǒng)的異響251

6.4　排氣系統(tǒng)的雙模式控制技術(shù)252

6.4.1　雙模式排氣系統(tǒng)的閥門裝置和驅(qū)動(dòng)方式252

6.4.2　雙模式排氣系統(tǒng)的匹配開發(fā)要點(diǎn)253

第7章　燃油系統(tǒng)噪聲的分析控制255

7.1　發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)噪聲控制的概述255

7.1.1　發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的組成255

7.1.2　發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的功能作用255

7.1.3　怠速工況的發(fā)動(dòng)機(jī)高壓燃油噴射系統(tǒng)噪聲分析256

7.2　噴油器噪聲的分析控制257

7.2.1　噴油器的工作原理257

7.2.2　噴油器噪聲問題的現(xiàn)象機(jī)理258

7.2.3　改善噴油器噪聲問題的措施方案259

7.3　高壓油泵噪聲的分析控制261

7.3.1　高壓油泵的工作原理261

7.3.2　高壓油泵噪聲問題的現(xiàn)象機(jī)理262

7.3.3　改善高壓油泵噪聲問題的措施方案262

7.4　炭罐電磁閥噪聲的分析控制264

7.4.1　炭罐電磁閥的工作原理264

7.4.2　炭罐電磁閥噪聲問題的現(xiàn)象機(jī)理266

7.4.3　改善炭罐電磁閥噪聲問題的措施方案266

第8章　發(fā)動(dòng)機(jī)NVH性能開發(fā)案例269

8.1　混合動(dòng)力總成系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)加速粗糙聲269

8.1.1　問題現(xiàn)象269

8.1.2　解決思路270

8.1.3　措施方案271

8.2　前端附件輪系傳動(dòng)帶的橫向振動(dòng)噪聲異響271

8.2.1　問題現(xiàn)象271

8.2.2　問題測試和排查分析272

8.2.3　曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)的測試對(duì)比273

8.2.4　整車靜置狀態(tài)的附件傳動(dòng)帶頻響特征測試274

8.2.5　措施方案275

8.3　BSG混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的前端輪系傳動(dòng)帶縱向振動(dòng)控制與壓縮機(jī)嘯叫275

8.3.1　問題現(xiàn)象275

8.3.2　問題測試和排查分析276

8.3.3　潛在的機(jī)理分析278

8.3.4　解決思路280

8.3.5　措施方案281

8.4　急加速過程的節(jié)氣門嘯叫281

8.4.1　問題現(xiàn)象281

8.4.2　問題測試和排查分析282

8.4.3　潛在的機(jī)理分析283

8.4.4　措施方案284

8.5　不銹鋼排氣歧管的流致噪聲問題分析控制285

8.5.1　問題現(xiàn)象285

8.5.2　問題測試和排查分析285

8.5.3　潛在的機(jī)理分析287

8.5.4　排氣歧管的流致噪聲CFD仿真分析優(yōu)化287

8.5.5　措施方案288

8.6　怠速關(guān)空調(diào)工況燃油管路壓力脈動(dòng)引起的車內(nèi)噪聲289

8.6.1　問題現(xiàn)象289

8.6.2　排查分析289

8.6.3　潛在的機(jī)理分析290

8.6.4　解決思路291

8.6.5　措施方案292

8.7　發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸直驅(qū)的旋片式機(jī)械真空泵噪聲問題分析優(yōu)化293

8.7.1　問題背景293

8.7.2　問題測試和排查分析293

8.7.3　機(jī)械真空泵脈動(dòng)噪聲的傳遞路徑分析296

8.7.4　解決思路297

8.7.5　措施方案297

參考文獻(xiàn)299

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作者簡介

張軍，工學(xué)博士，畢業(yè)于上海交通大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與理論專業(yè)，正高級(jí)工程師，始終堅(jiān)守在振動(dòng)噪聲領(lǐng)域研究和車型產(chǎn)品NVH性能開發(fā)工作的第一線，擅長快速解決NVH領(lǐng)域的“疑難雜癥”，積極開展汽車NVH技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究和流程體系建設(shè)，探索汽車NVH技術(shù)與智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的融合實(shí)踐，積極推動(dòng)中國自主品牌汽車企業(yè)的NVH開發(fā)核心技術(shù)發(fā)展與NVH專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文140多篇申請專利40多項(xiàng)，兼任多所高校的研究生指導(dǎo)老師，兼任國內(nèi)外多個(gè)學(xué)術(shù)期刊的審稿人，現(xiàn)為賽力斯汽車有限公司資深NVH專家。

本書由機(jī)械工業(yè)出版社出版，本文經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。