浅谈涡轮增压器噪声及其控制手段

王晖，周立廷

（华晨汽车工程研究院NVH工程室，辽宁 沈阳 110141）

浅谈涡轮增压器噪声及其控制手段

王晖，周立廷

（华晨汽车工程研究院NVH工程室，辽宁 沈阳 110141）

文章简单阐述了汽车涡轮增压器开发过程中多种常见的噪声，分别对各种噪声产生机理，易出现工况，频谱特征，识别方法，以及控制途径进行描述，为汽车涡轮增压器噪声优化提供借鉴和参考。

增压器噪声；同步噪声；次同步噪声；喘振声

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.076

CLC NO.: U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-227-03

前言

随着排放法规的日益严格，特别是碳排放限制的提出，增压技术成为内燃机技术发展的必然选择，并且增压压比还有逐渐升高的趋势。增压发动机的增多和增压压比的日益提高，涡轮增压器应用产生的噪声问题，近年来逐渐得到关注。虽然涡轮增压器的发明已有近百年的历史，但在世界范围内关于涡轮增压器噪声的研究却刚刚起步。涡轮增压器噪声所涉及的间隙紊流等复杂的流体问题，有些机理目前还不是十分清楚［1］。

笔者近年来持续开展涡轮增压发动机的开发及整车匹配工作，先后涉及多种不同的增压器噪声问题，在此基础上总结并借鉴其他业界相关问题经验写作本文，为增压器噪声控制以及初涉及这一领域工程技术人员提供借鉴。

1、同步噪声

同步振动噪声是和涡轮增压器零部件本身生产制造关系十分密切的一种噪声，其音频特征是频率等于涡轮增压器叶轮转速，频率范围一般在0-4000Hz 之间[2]。

辨别同步振动噪声可以通过同步测量涡轮增压器转速、中间体振动和噪声进行分析。如果中间体振动频谱图上的振动频率和噪声频谱图上噪音的频率以及增压器转速对应，即可以辨别涡轮增压器的噪声为同步振动噪声。图1是BM15T发动机A4车2档全加速工况驾驶室内噪声数据，其中明显的“折线”即为同步噪声。该工况下，同步噪声在1200r/min左右出现，随着发动机转速的升高频率不断增大，在频率达到3000Hz左右不再随转速线性增大，稳定在3000-3500Hz频率范围内。

同步振动噪声和涡轮增压器中间体的振动量与转子的动平衡量相关。产生的机理是叶轮转子在高转速下因自身的动不平衡产生扰动，引起转子的自激励振动。因此测量中间体的振动和增压器噪声在其FFT 彩图有对应关系。

降低或消除同步振动噪声可以采用控制中间体动不平衡量VSR( Vibration Sorting Rig) 值的方式控制。通常VSR 值是指在涡轮增压器专用动平衡设备上测到的中间体转子总成在一定转速区间内的振动峰值，通常400-1500r /min 转速区间的峰值定义为G1，1500-2800r /min 转速区间的峰值定义为G2。VSR 值越低，同步振动越小，发生同步振动噪声的几率也就越低。但是过小的VSR 值会导致动平衡机的生产效率下降，废品率大幅提高，造成涡轮增压器生产成本过高。通常做法是在涡轮增压器生产效率和同步振动噪声之间找一个平衡值，在满足同步振动噪声限值的基础上，得到尽可能高的生产效率和较低的废品率。

2、次同步噪声

次同步噪声，也可称亚同步噪声（Sub synchronous noise），其产生与增压器浮动轴承-转子系统在普遍存在亚同步进动（油膜涡动）现象有关[3]，这也是转子非线性动力学的一大难题。其噪声及振动的频率通常为涡轮转频的0.4-0.5倍，实际工况也有0.3-0.7倍频的现象。可通过同步监测涡轮增压器转速、中间体振动及噪声来进行分析识别。图2为BM15T发动机匹配A4车型2档全加速工况驾驶室内噪声数据，其中带有明显拐点的亮线即为次同步噪声，从结果图谱也可以明显看出次同步噪声的非线性特征。当前的主要控制措施是通过优化轴承间隙，减小中间体振动。

3、瞬态喘振声

目前国内外对于涡轮增压器的喘振研究已经比较成熟，其产生机理如下：喘振发生在压气机部分，当压气机的流量小到一定值后，气体进入工作叶轮和扩压器的方向偏离设计工况，叶片背面气流出现分离并且不断扩大，同时产生强烈的脉动并且有气体倒流，引起压气机气流的流量、压力出现波动，导致压气机产生强烈的振动并发出异常的响声。涡轮增压器发生喘振时，发动机转速与扭矩均发生剧烈波动，同时空滤进口处可明显感受到倒流的气体，压前管路的压力突然上升为正压，并且温度瞬时升高，发动机也伴随强烈的振动，严重情况下可能异常停机[4]。喘振不仅影响驾乘人员听觉感受的舒适性，其压力波动也会影响涡轮增压器以及发动机的可靠性，是一种必须避免的增压器工作状态。

喘振的控制措施：1.提高充气效率。通过 VVT 技术或优化凸轮轴型线以改善气门重叠角，使在涡轮增压器压比不变的情况下，进入气缸更多的新鲜气体，满足发动机燃烧所需的空气质量。这样在增压器压比不变的情况下，增加进气量，会使增压器的运行点远离喘振线，增加喘振裕度。2.优化标定数据调整RCV 阀或EGR 阀的启闭时刻可以避让压气机耗气曲线进入喘振区域，从而可以很好的解决瞬态喘振噪声。3.在压前管路增加稳压腔，其作用主要是减少不稳定气流的流量，消除压力波动。进而改善喘振裕度。

4、叶片通过频率噪声

叶片通过频率噪声（Blade Passing Frequency，BPF）[5]是叶片通过频率发生的谐次噪声，它是叶轮扫气产生的气体涡流噪音。涡轮增压器工作时，涡轮壳舌尖部分对叶轮进口处的压力沿圆周方向分布产生较大的影响，涡轮叶轮进口处的静压分别如图1所示。由于叶轮叶片旋转中经过舌尖部分时，经历如此大的压力变化，从而对叶轮振动产生较大的激振作用，引起涡轮叶片周期性的振动而产生噪声，噪声的频率可至20kHz以上[7]。其频率为：

式中n是增压器的转速，i是涡轮的叶片数，k是谐波次数。对于同一涡轮叶轮，与不同的涡轮舌尖与叶轮间隙的涡轮壳匹配，涡轮叶轮入口处气体的脉动程度和不均匀程度将会不同，从而对叶轮造成的激振程度也不同。如果加大叶轮叶片与涡轮壳舌尖之间的距离，就可以减小叶轮叶片振动的激励作用，从而减小由于涡轮叶片振动所产生的BPF噪声。

5、叶尖间隙噪声

旋转叶片叶尖部位的不稳定流动会造成压气机壳与叶尖间隙中的不稳定流动，其流动受到叶片压力面和吸力面之间压差的影响，在每个叶片的叶尖部位形成湍流或涡流。这种发生在叶尖的噪声称为叶尖间隙噪声(Tip Clearance Noise, TCN)[6]，其频率特性与非稳态的压气机叶尖间隙流场密切相关，呈四极源辐射特性，通常在转子速度较低时出现。TCN为窄带噪声，峰值频率约为BPF的一半，强度可能会高于BPF噪声，从而成为最主要的噪声成分。只有当叶尖间隙比相对较大，并且叶片压力面和吸力面之间的压差足够大，即实际流量小于等于设计流量时，叶尖间隙噪声成分才表现得比较明显。同时，叶片旋转的不稳定性也是产生叶尖间隙噪声的必要条件。叶尖间隙越小，TCN也会越小。达到一定的转速时，TCN逐步消失[8]。

6、Whoosh 噪声[9]

Whoosh噪声是一种常见的涡轮增压器噪声，主要出现在发动机油门瞬时加速，增压器转速在相对短时间内快速提升的情况下。有时稳态条件下涡轮增压器转速不变也会出现。它的特征频率较高，频带较宽，常出现在5000-7000Hz左右。产生Whoosh噪声的主要原因是由于发动机对低速大扭矩的需求，高增压比、低流量使增压器工作曲线过于临近喘振区域，气流与壁面的分离产生扰动从而在压气机进口产生压力波动。其识别特征是在压气机进口、出口压力波动频谱特征与噪声频谱有很好的对应；压气机进口温度在相应噪声段上升；其控制措施主要有：1.从源头优化，考虑如何使增压器工作曲线远离喘振区域；2.从传递路径，在压气机进口或出口加谐振腔。

7、结论

同步噪声，次同步噪声，瞬态喘振声，以及BPF、TCN等增压器噪声在搭载增发动机的整车NVH 开发中经常出现，有零部件设计的原因也有系统匹配的原因。通过监测增压器本体振动及辐射噪声频谱特性，能够很好的辨别噪声源的种类。研究其产生机理，可以消除产生的根源采用主动手段降噪。对于机理不清楚的噪声，可以在传递路径上采用被动手段降噪。

[1] Hans Rammal and Mats Abom, Acoustics of Turbochargers[J], SAE Technical Paper Series 2007-01-2205.

[2] 王钦庆.几种常见涡轮增压器噪声及其控制[J].内燃机与动力装置.2012,4:43-46.

[3] 应广驰.涡轮增压器的基础激励辨识和转子动力学研究[D].上海交通大学.2008,9.

[4] 张少华,周武明,苏正杲等.车用发动机涡轮增压器喘振裕度及其改善方案的研究[J],2013,3:20.

[5] Sarraf C, Nouri H, Ravelet F,et al. Experimental study of blade thi -ckness effects on the overall and local performance of a controlled vortex designed axial-flow fan[J], Experimental Thermal and Fluid Scienc, 2011,35:684-693.

[6] Fukano T, Jang C M. Tip clearance noise axial flow fans operating at design and off-design condition[J].Journal of Soundand Vibration, 2003,275:1027-1050.

[7] 郑光清,楼狄明.车用柴油机涡轮增压器涡轮BPF噪声的试验研究[J].柴油机.2008,1(30):43.

[8] 温华兵,徐文江,鲍苏宁等.柴油机废气涡轮增压器噪声机理及性能试验研究[J].内燃机工程,2013,1(34):77.

[9] Charlie Teng, Steve Homco, Investigation of Compressor Whoosh Noise in Automotive Turbochargers[J], SAE Technical Paper Series 2009-01-2053.

Introduction to Turbocharger Noise and Its Control

Wang Hui, Zhou Liting
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

The paper introduces several common turbocharger noises and describes the noise mechanisms, occurrence condition, spectrum characteristicsand control methods, providing a reference for developmentof improving turbocharger noise.

Turbocharger noise; Synchronous noise; Sub-synchronous noise; Surge noise

U472.4

A

1671-7988(2016)10-227-03

王晖（1981-），男，就职于华晨汽车工程研究院NVH工程室，主要从事车辆震动噪声（NVH）领域工作。