涡轮增压器废气旁通阀异响的分析研究

随着汽油发动机向高性能、低排放、节能化、小型化的方向发展, 使涡轮增压技术的应用越来越广泛, 成为当下汽油发动机的主流。在追求发动机高的动力性及经济性的同时, 对涡轮增压器的能力要求越来越高, 随之而来, 涡轮增压器的NVH问题也日渐突出, 特别是涡轮增压器废气旁通机构NVH问题尤甚, 已经严重影响了整车及发动机NVH品质, 用户抱怨强烈。

本文通过对一款1.5L涡轮增压发动机涡轮增压器废气旁通机构异响问题进行分析、研究, 找出异响原因, 制定优化方案, 并通过制作样件搭载整车来验证改进方案的有效性, 从而实现增压器旁通阀异响问题的解决。

本文介绍的1.5L涡轮增压发动机采用的增压器为正压控制的废气旁通式涡轮增压器, 主要由压气机、中间体 (轴承体) 、涡轮机、旁通机构等部分构成, 且集成PWM阀。中间体内部设有油腔、水腔, 装有轴承、转轴、密封装置等零件, 涡轮与压叶轮同轴, 压壳和涡壳 (涡轮箱) 分别安装到中间体总成上, 构成增压器压气机和涡轮机。

涡轮增压器是利用发动机排出的高温废气能量, 经涡壳将废气的压力能、热能转化成动能, 并驱动涡轮高速旋转, 同时带动同轴的压叶轮高速旋转, 将吸入的新鲜空气变成高速、高温、高压空气, 经压气机及流道, 将其动能转变成压力能, 从而增加发动机进气量, 改善燃烧, 提高动力性、经济性及降低排放。

废气旁通机构作用是将多余的废气提前排出, 实现控制增压器转速, 从而控制增压压力大小。此款1.5L发动机增压器旁通机构为气动正压控制, 主要由PWM阀、连接软管、执行器、连接销、锁紧螺母、摇臂、旁通阀等零件组成。旁通机构结构见图1。

图1 废气旁通机构图

1、第一连接软管2、PWM阀3、第三连接软管4、第二连接软管5、气动正压执行器6、锁紧螺母7、连接销8、摇臂9、旁通阀

如图2所示, 废气旁通机构工作是通过PWM阀控制的, PWM阀为三通结构, 通过第一连接软连接压后管路, 通过第二连接软管连接压前管路, 通过第三连接软管连接执行器杯体。执行器推杆与摇臂通过连接销连接, 并通过两颗锁紧螺母锁紧, 摇臂一端与连接销间隙配合且通过连接销限位, 另一端连接旁通阀门, 且两者间隙配合。

PWM阀是通过ECU输出的占空比大小来控制工作的。当PWM阀控制进入执行器内空气压力大于执行器内部回位弹簧弹力及膜片等阻力时, 执行器推杆被推动, 从而推动摇臂旋转, 进而推动旁通阀开启, 开启角度大小取决于执行器内部压力差大小。

故障车辆为某款MPV车型, 动力总成为一款5档手动变速器和1.5L涡轮增压发动机的组合, 测试条件如下:

(1) 试验设备:Head NVH试验设备、数据分析软件、近场麦克风、耳机等。

(2) 试验传感器:三向振动加速度传感器, 固定在增压器出水口螺栓头部表面, 其中X轴:垂直发动机曲轴且竖直向下方向, Y轴:平行发动机曲轴方向, Z轴:垂直发动机曲轴且水平方向。

(3) 测试工况:2档、3档急加速, 发动机转速区间1000rpm至5000rpm。

按以上工况试驾, 在发动机2000rpm至3000rpm区间内, 在驾驶室里能明显听到“沙沙音”异响, 噪声频谱显示, 驾驶员右耳、近场麦克风均采集到异响声音特征, 振动频谱显示2000HZ至15000HZ频率段增压器有明显的异响振动特征, 噪声振动频谱见图2。根据以上分析, 判定异响为增压器废气旁通机构异响。

图2 噪音及振动频谱

涡轮增压器废气旁通机构异响主要有以下三种情况:

(1) 受正压PWM阀工作原理影响, PWM阀分配给执行器一侧的增压后高压气会伴有压力脉冲, 导致进入执行器杯体内的高压气压力波动较大, 在旁通阀开启初期或小开度时, 此压力波动会引起旁通阀频繁敲击阀座而产生异响。

(2) 四缸四冲程发动机排出的废气会伴有压力脉冲波动, 这个脉冲波动会传递到废气旁通阀处。由于废气旁通阀与摇臂之间为间隙配合, 在旁通阀开启初期或小开度时, 废气脉冲会使旁通阀频繁撞击阀座而产生异响。

(3) 摇臂与轴套之间及摇臂与连接销之间也为间隙配合, 在旁通阀开启初期或小开度时, 废气脉冲、增压后高压气脉冲单方面作用或共同作用引起旁通机构震颤而产生异响。

针对以上分析, PWM阀工作压力脉冲及废气脉冲不可避免, 优化方案主要是从旁通机构结构优化方面考虑, 尽量降低脉冲波动对旁通机构的影响, 为此, 提出三个优化方案如下:

(1) 方案1:如图3所示, 从降低PWM阀工作脉冲影响的角度考虑, 在PWM阀与执行器杯体之间管路上增加一个金属罐 (稳压腔) , 且集成在执行器杯体上。从PWM阀过来的高压空气先经过金属罐 (第一腔体) 稳压后在进入到执行器杯体内 (第二腔体) , 此方案可以有效降低执行器杯体内的压力波动, 此结构工艺简单, 占用空间小, 连接管路短、零件少, 成本低。

(2) 方案2:如图4所示, 从减震角度考虑, 在涡壳内部旁通阀与摇臂配合处设有弹性垫片, 垫片为波形或圆锥形结构, 此方案可以消除旁通阀与摇臂配合间隙, 减小两者间因废气脉冲冲击而引起的震颤异响, 同时又不影响旁通阀正常开启或关闭。由于弹性垫片是在高温环境下持续工作, 所以对材料的耐温性及可靠性要求较高。

图4 优化方案2

1、挡片2、弹性垫片3、摇臂4、旁通阀5、旁通阀座

(3) 方案3:如图5所示, 与方案2类似, 在涡壳外部摇臂与轴套之间或摇臂与连接销之间设有弹性垫片, 也为波形或圆锥形结构, 消除两者间的间隙, 从而减小两者间震颤引起的异响。此方案避开了高温废气的直接冲击, 较方案2降低了材料的耐温要求, 成本低, 但对垫片结构设计及可靠性同样要求较高。此方案可以兼顾废气脉冲、增压后脉冲单方面作用或共同作用引起的旁通系统震颤。

根据上述方案, 制作样件搭载整车验证改进效果, 试验测试结果如下:

图6 原车与方案1噪声振动频谱对比

(1) 方案1:按上面测试工况试驾, 原车 (原车增压器) 在发动机2000rpm至3000rpm区间内, 在驾驶室里能听到明显“沙沙音”异响, 声音刺耳, 噪声振动频谱上有明显的旁通阀异响振动特征。换装方案1增压器重新试驾, 在驾驶室内基本听不到“沙沙音”, 近场麦克风也几乎没有采集到明显异响噪声, 噪声振动频谱上也几乎没有异响振动特征, 改进效果明显, 说明增压后高压气压力脉冲影响较大。原车与方案1噪声振动频谱对比见图6。

(2) 方案2:与方案1相同测试, 原车同样存在“沙沙音”异响及噪声振动特征。换装方案2增压器后试驾, 在驾驶室内仍能听到“沙沙音”, 近场麦克风也能采集到异响噪声, 但较原车声音小。此方案对异响有一定改善, 但仍明显, 说明废气脉冲影响较小。原车与方案2噪声振动频谱对比见图7。

图7 原车与方案2噪声振动频谱对比

从以上试验及分析结果看, 该机型增压器旁通机构异响主要是由于增压后高压气压力脉冲影响, 执行器内压力不稳及旁通机构震颤引起的旁通阀频繁敲击阀座异响。方案1和方案3均改进效果明显, 方案1结构、工艺简单, 可靠性高, 而方案3对材料及结构设计要求较高, 存在一定可靠性风险, 综合对比方案1较优。

本文通过对一款1.5L增压发动机废气旁通阀异响问题的解决, 运用科学分析方法, 从废气旁通机构结构进行优化, 制作多方案试验验证, 从而达到异响问题解决的目的, 消除了客户的抱怨, 提高了产品的质量及市场竞争力。