增程式新能源汽车用发动机喷油器噪声测试系统研究

娄建民,杨玉,刘勇

(哈尔滨东安汽车动力股份有限公司，黑龙江哈尔滨 150066)

0 引言

近年来，随着各国对环境的重视及排放法规的加严，导致混合动力汽车HEV(Hybrid Electric Vehicle)的发展异常迅速，各大车企纷纷对HEV的研究投入大量的人力物力，与此同时，用户对HEV的舒适性要求也越来越高，因此车企对汽车噪声等特性展开了相关的研究。作为增程式混合动力汽车，在低速运转时发动机为最大的噪声源，所以在低速时优化发动机噪声对混合动力整车的降噪提升贡献是很明显的。杨金才等[1]对喷油器的噪声产生原因和控制方法作了很详细的分析，所以在设计之初对其噪声特性进行优化分析，那么优化后的产品在市场上定有较大的竞争力。

在整车上低速运转时，因为零部件众多，机械噪声和燃烧噪声的掺杂很难对单体零件进行量化。即使是频率和噪声比较明显的喷油器也很难分离出来。目前，国内对发动机零部件的单体噪声测试手段还比较单一，大部分厂家对油轨喷油器的噪声测试都是在整机的状态下完成，这就使得发动机的机械噪声和燃烧噪声对测试结果产生严重影响。因而，测试结果具有较大误差，不能真实反映油轨总成的噪声水平。

1 喷油器噪声测试系统设计

为了能够真实反映喷油器在整车上的噪声水平，同时对喷油器的选型提供有力的试验支持，因此设计了一套喷油器噪声测试系统。该系统主要由喷油器模拟控制系统、模拟燃料供给系统、噪声数据采集系统等组成，如图1所示。该研究所用到的试验边界条件如表1所示。

图1 喷油器噪声测试系统

喷射压力/kPa环境温度/K环境压力/kPa试验背景噪声/dB试验场地350298988<35半消声室

在试验过程中，保证环境温度、压力、背景噪声在规定的范围内。喷油器模拟控制系统通过模拟台架ECU对发动机的喷油的控制来驱动喷油器电磁阀的开闭，同时采用高精度的声级计对噪声进行采集。

1.1 模拟燃料供给系统

台架上发动机正常工作时候的燃料为93号标准汽油，试验过程中为了避免引发火灾，用软化水(硬度低于0.1 mg/L)代替93号标准汽油进行测试。测试系统的模拟燃料供给压力来自于台架的燃油泵及燃油过滤器在油轨的入口前50 cm处加装一个0.35 MPa的减压阀，将油泵及过滤器放置在吸声装置的内部，以免干扰油轨及喷油器的噪声测试结果，具体如图2所示。

图2 燃油泵放置在吸声装置内部示意

1.2 噪声数据采集系统

此次对喷油器噪声的数据采集使用的是B&K公司的2270声级计(自带麦克风)，该声级计所使用的4189型传声器，宽频线性频率范围可达4.2 Hz～22.4 kHz，A加权动态范围可达16.6～140 dB，符合最新国际标准的通用型1类噪声的测量，同时操作方便、快捷。

2 喷油器模拟控制系统

该款增程式混合动力汽车所用的发动机为1.0 L气道喷射的形式，系统完全模拟发动机电喷系统在开机模式下的喷油器控制方式，预先采集发动机在该模式不同工况下的喷油脉宽，在相同的转速下负荷从0到节气门全开，每一次递增10%，记录结果如表2所示。

2.1 喷油时序

DAM10E作为一款进气道喷射的三缸机，其喷射时序为1-3-2，喷油器的控制电路在设计时需要弄清喷射起始的逻辑关系，根据表2中的喷油脉宽可以推断出喷油器在不同的转速下3个缸的喷油时序如图3所示。

表2 DAM10E发动机不同工况下的喷油脉宽

图3 喷油时序

以2 000 r/min、50%负荷为例来说明控制电路对喷油器的控制，如图3所示，喷油顺序为1-3-2，假设一缸进入压缩行程，此时一缸喷油器持续喷油7 ms后关闭13 ms。接下来三缸进入压缩行程，三缸喷油器持续喷油7 ms后关闭13 ms。最后到二缸进入压缩行程， 二缸喷油器持续喷油7 ms后关闭13 ms。到此结束，曲轴正好旋转2周，用时60 ms。

2.2 喷油器驱动电路

DAM10E发动机喷油器的工作电流需求较大，因此需要单独设计驱动电路，文中所设计的驱动电路如图4所示。喷油器所需电源来源于整车所使用的12 V电瓶，图中所用到的N1、N2、N3开关MOS管为发动机ECU上所使用的BUK系列，栅极的控制由单片机的P0.0-P0.2实现，在电路图中所起到的作用：单片机通过控制P0.0-P0.2输出电平来控制12 V电源的通断，模拟喷油脉宽使喷油器电磁阀工作，同时在三路信号控制上引入二极管指示。

图4 喷油器驱动电路

2.3 喷油器控制电路

此试验的控制电路基于AT89S52芯片，该芯片是某公司生产的低功耗、低成本、高性能、大众化的8位微控制器。图5所示为此次试验控制电路硬件系统的电路原理图。

图中P0.0、P0.1、P0.2为输出给驱动电路的信号。单片机的I/O口P1.0-P1.7组成了4×4的键盘，用来设置喷油器的喷油工况，测试工况分为外特性点和万有特性点，引入键盘控制方式可以节约试验时间，同时应用LCD12864显示屏显示当前的工况，试验所用到的显示屏自带中文字库，调用方便快捷，晶振选用11.059 2 MHz，方便对喷油脉宽时间的控制。

3 试验结果

利用所设计的噪声测试系统进行了3个国内主流电喷厂商所生产的三缸喷油器及油轨的噪声对比，测试用油轨及喷油器暂且命名为A、B、C样品，如图6所示。在不同转速、不同负荷下对不同的样品进行测试。

3.1 同一样品不同负荷下的声压级

根据表2中的喷油脉宽对A样品进行噪声测试，测试结果如图7所示。

图7 A样品测试结果

根据图中的测量结果可以看出：

(1)同一样品同一转速下，不同的负荷对喷油器的噪声没有明显的差异；

(2)同一样品的噪声随转速的增加而升高。

3.2 不同样品在外特性下的声压级对比

根据图7中得出的结论，对B、C样品进行了抽样测试和外特性工况下的测试。三种外特性下的声压级对比如图8所示。

图8 不同样品噪声对比

通过上图可以看出B样件的噪声水平在三种样件中最低。

3.3 噪声的来源

通过丹麦某公司的BZ-5503软件对测试结果进行相关分析。此次试验所使用的半消声室的背景噪声如图9所示。

图9 背景噪声

试验测量的背景噪声A计权后为28.1 dB，最大的噪声源出现在63 Hz左右。以B样品在外特性工况点下的噪声为例分析噪声的来源，如图10所示。

图10 B样品外特性下1/3倍频程

通过图9的背景噪声与图10对比，可以看出主要噪声来源于高频区域(1～16 kHz)，也就是燃油压力脉动产生的噪声。

4 结束语

所建立的喷油器噪声测试系统，模拟整车工作环境将喷油器及油轨单独进行测试，并且搭建了模拟燃油供给系统、噪声测量及分析系统、喷油器控制系统等。解决了不同样品喷油器选型的问题及整车低速噪声问题，现场测试情况如图11所示。

图11 喷油器噪声测试试验现场

通过该试验系统可以对喷油器在整车上贡献的噪声进行分离，有利于整车或整机的噪声研究，可以量化其在整车或整机状态下的噪声贡献量，对车厂或喷油器的生产企业进行喷油器及油轨的优化，降低高频区域的燃油压力脉动噪声具有深远的意义。