某国六发动机进气流量传感器读数漂移问题研究

2019-10-24曹继民

柴油机设计与制造 2019年3期

曹继民

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

0 引言

随着我国经济的高速发展，家用小汽车及工程车辆数量会越来越多，带来严重污染，影响人们的身体健康。随着国民对环境保护意识的提高，也为了保护环境，让人们远离雾霾，政府已经非常明确“让蓝天白云回来”的承诺，将治理空气污染列为重点国家重大任务来抓，所以国家排放法规将会越来越严格。为了满足市场需求，提高竞争力，目前很多发动机厂都在开发满足国六排放的发动机，以满足市场需求，提高市场占有率。

国六发动机是高度电气化和智能化的，采用很多传感器，如氧传感器、水温传感器、气体压力传感器、进气流量（mass air flow，MAF）传感器等。这些传感器可能会因发动机振动或增压器噪声而引起失效或读数漂移，从而严重影响发动机性能及排放性能，给发动机厂带来更高的质量客诉成本。因此，在国六发动机开发过程中需要注重NVH开发及优化设计；尤其在开发阶段前期进行硬件选型时，一定注重对各种传感器进行NVH指标考察，确认此传感器是否满足所选用的发动机平台的振动要求，传感器振动疲劳耐久性能是否能承受现有发动机振动水平。

某国六发动机的MAF传感器出现读数漂移问题，经分析此问题系由涡轮增压器BPF振动引起。为此，对增压器及其进排系统进行分析，提出改善措施并进行验证。

1 问题描述

国六发动机必须使用MAF传感器。开发中的某国六发动机，在进行排放试验时，技术员反馈在Ramp试验（发动机稳定在1500r／min点，扭矩达到200Nm后运行200 s，再提高至500Nm并运行200 s，然后降低到200Nm）时，MAF传感器读数与试验台架流量计读数差异较大，如图1所示。MAF传感器的读数直接影响到发动机性能参数及排放。经过多次排查确认，MAF传感器读数漂移并非由传感器本身引起的，而可能是由于其他振动引起的。

图1 MAF传感器流量与台架标准气体流量对比

2 问题分析

2.1 振动试验

根据对Ramp试验工况的分析初步判定，MAF传感器读数与试验台架流量计读数差异较大主要与涡轮增压器转速有关系，而与发动机转速无关，这样可以判断涡轮增压器是引起MAF传感器读数漂移的主因。为了佐证初步判定的正确性，对涡轮增压器的进排气系统进行振动噪声测试，测量MAF传感器本体振动，测量结果如图2所示。图2中的振动加速度是均方值（RMS值）。

图2 MAF传感器本体（壳体）振动

由图2可见，MAF传感器本体振动大。当增压器转速为11000～14000r／min时，其振动频率为10500～11 200Hz，非常大。将MAF传感器本体振动频谱数据与其对应的读数偏移对比发现，MAF传感器读数漂移与传感器本体振动有关，这说明是增压器的振动噪声影响了进气流量传感器的读数。

2.2 涡轮增压器振动噪声［1］

2.2.1 同步噪声

同步噪声（Synchronous噪声）由转子部件的不平衡量（即G值）振动引起的机械结构噪声，叶轮转子在高转速下因自身的不平衡产生扰动，引起转子的自激励振动，频率与增压器转速相同，一般在4000Hz以内，通过增压器涡轮端的排气管路进行传播。G值可用仪器测得，也可通过计算得到。

2.2.2 叶片通过噪声

叶片通过（blade passing frequency，BPF）噪声是叶轮叶片扫气产生的气体涡流噪声。当气体经过蜗壳舌尖部分时，由于叶轮旋转运动而产生较大的气体压力变化，从而对叶轮振动产生大的激振作用，引起叶轮叶片周期性振动而产生的高频噪声。压气机叶轮引起的噪声为压气机BPF（CBPF），涡轮叶轮引起的噪声为涡轮BPF（TBPF），频率一般在10kHz以上，为Synchronous噪声的倍频，与叶轮叶片数相关。CBPF噪声通过压气机端入口、出口管路辐射传播，TBPF通过涡轮端入口、出口管路辐射传播。可以通过改变压气机或涡轮的叶轮叶片数目，及传播管路隔声等方法来降低BPF噪声。

2.2.3 嘶嘶噪声

发动机工况变化时，由于进气系统中气流不稳定，压力波在管路中来回反射，促使管道振动产生嘶嘶声（Hiss噪声）。这种噪声与进气管路布置、发动机标定（废气再循环（EGR）阀、节气门等标定）及增压器有关，其频率范围较宽，一般在1000～4000Hz，主要通过进气管路的管壁辐射传播。一般可通过采用优化发动机标定、管路隔声或消声等方法来降低Hiss噪声。

对MAF传感器本体振动频率分析发现，增压器的压气机CBPF与MAF传感器读数漂移有很好的对应关系，所以可判断引起MAF传感器读数漂移主要由CBPF造成。为了减小或者消除MAF传感器读数漂移，必须从降低CBPF着手，或者从传递路径上减小CBPF对MAF传感器读数的影响。

3 改进方案

3.1 方案确定

该发动机使用的是大陆汽车公司生产的流量传感器。市场上只有博世和大陆汽车公司生产的发动机流量计质量可靠性高，但博世公司没有满足此发动机的MAF传感器。因此，最直接、成本最低的改进方案是从噪声源头及传递路径进行改进：1）对涡轮增压器的压气机叶轮进行改进，优化噪声源设计；2）在MAF传感器及涡轮增压器之间加一消声器，通过降低CBPF振动幅值来减小MAF传感器的读数漂移。

3.2 噪声源设计优化

请涡轮增压器供应商对压气机的叶轮尺寸及外形按照低CBPF噪声要求进行重新设计，以满足MAF传感器的使用环境。改进前后的压气机叶轮外形对比如图3所示。

3.3 传递路径优化

为更快捷地改善MAF读数，缩短开发周期，在MAF传感器及涡轮增压器之间加一消声器（见图4），以减小CBPF振动幅值，从而减小空气扰流振动对MAF传感器读数的影响，最终达到减小MAF传感器读数漂移的目的。

图4 MAF传感器和消声器及安装位置

4 改进方案验证

4.1 增压器优化设计

对优化后的增压器进行试验，首先验证其是否能满足发动机性能及排放要求；然后将优化后的增压器与原增压进行对比试验，验证优化后的减振效果。对比试验时，测量优化前后的增压器进排气系统振动噪声，测量MAF传感器本体振动，并采集MAF传感器读数与台架流量计读数对比。验证结果如图5～7所示。图5中的振动加速度是均方值（RMS值）。

图5 MAF本体（壳体）振动

图6 改进前MAF传感器与台架流量计对比

图7 改进后MAF传感器与台架流量计对比

根据对比试验结果可知，通过对压气机叶轮尺寸轮廓的改进，MAF传感器读数漂移得到了很大的改善，基本满足发动机性能及排法要求。本次MAF传感器出现的读数漂移问题表明，对需要使用MAF传感器的发动机机型，应该对其增压器BPF振动及其他振动实行有效管控，长期对策是对涡轮增压器生产过程实现严格管控，设定BPF振动及其他振动限值，以减小及消除其对MAF传感器读数的影响。这样可加快发动机开发进度，并减少后续量产后的质量客诉成本。