汽车燃油蒸发回收系统气流脉动及振动噪声试验分析

2022-02-15田绍军常光宝王玉雷

内燃机工程 2022年1期

田绍军，黎谦，常光宝，王玉雷，王昆

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州545007）

0 概述

国六排放法规的推广执行，进一步提高了对汽车燃油蒸发回收系统性能的要求。为了降低排放以满足国家环保政策要求，国六车型的燃油蒸发回收系统蒸气回收流量比国五车增大了约1 倍，且在怠速工况下电磁阀也运行。占空比控制常闭型电磁阀是目前汽车燃油蒸发回收系统广泛使用的一种蒸气回收流量控制阀门（以下简称电磁阀），阀门开闭时，管容阀系统内的气体速度及压力交替变化，在系统中产生强烈的气锤效应。燃油蒸发回收系统中的气流脉动引起管路、炭罐、油箱等装在车身结构上的结构件振动并传递给车身，这些结构件振动同时也辐射噪声，振动噪声通过车身结构或空气传播到达车内，车内出现“嗒嗒”的气流脉动敲击声，降低了车辆怠速工况下的噪声品质，需要分析改进。关于流体脉动及振动噪声研究：文献［1］中研究了潜水磨碎泵系统压力脉动特性；文献［2］中研究了双复位弹簧高速电磁阀动态特性；文献［3］中研究了往复压缩机引起的管路气流脉动特性；文献［4］中研究了阀门滞后特性对往复多相泵压力脉动和性能的影响；文献［5］中通过正交分析研究了炭罐电磁阀各个结构参数对阀门撞击噪声的影响，得出了优化的方向；文献［6］中研究了高速电磁阀电磁力全工况关键参数相关性；文献［7-15］中对各种管道压力脉动特性进行了分析；文献［16-18］中对国六车型炭罐电磁阀振动噪声问题进行分析并尝试从传递路径上解决该问题。本文中从源头上进行分析和改进，采用带功率放大输出功能的信号发生器模拟发动机电控单元（electronic control unit，ECU）产生脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）驱动信号驱动电磁阀运行，通过调整PWM 信号频率和占空比获得电磁阀不同的输出特性，测量和分析了电磁阀体、炭罐、油箱、车内各测点的加速度、气体压力、声压等数据和电磁阀驱动信号的电压、电流等信号，分析了各测点数据随驱动控制信号频率及占空比变化的规律，通过在电磁阀控制电路上反向并联二极管及在电磁阀体入口处设置孔板降低了气流脉动能量，消除了车内嗒嗒声，同时提高了电磁阀的电磁能利用率，提高了系统流量性能。本研究有利于提高整车噪声品质，改善燃油蒸发回收系统振动噪声性能，提高系统可靠性，提升电磁阀结构性能，降低制造成本，具有一定的创新性和参考价值。

1 问题描述

目前电磁阀生产厂家一般只关注电磁阀的密封、耐久、流量等性能，未考虑其气流输出脉动性能。通常汽车主机厂在电磁阀上游管道设置脉动消除装置以控制其气流脉动，导致零件及接头增多，成本增加，密封性能下降，系统可靠性降低。图1 为燃油蒸发回收系统原理示意图，燃油蒸发回收系统主要由油箱、炭罐、电磁阀、ECU 及相应的连接管路、控制电路等组成。在进气歧管内负压作用下，空气从炭罐进气口处进入，空气压力为p0，燃油蒸气从油箱进入炭罐并随空气经电磁阀进入进气歧管。炭罐内设置有压力传感器p1，进气歧管内设置有压力传感器p2。阀门中设置有小孔连通阀门与波纹密封管之间的空间和出气管，减小气压差对阀门运动的影响。发动机起动后ECU 检测炭罐和进气歧管内压力并根据标定策略发出PWM 信号，经整流驱动放大电路后驱动电磁阀阀门运行。电磁阀电感线圈中电流上升到一定值后，阀门在电磁力作用下克服复位弹簧和波纹密封管的作用力后开启，气流经过阀门进入进气歧管。电感线圈中电流消失后，阀门在复位弹簧和波纹密封管的作用力下关闭，气流中断。阀门开启时长和频率由ECU的PWM 信号频率和占空比决定，气流在阀门周期性的开闭运动中形成了压力与速度交替变化的气流脉动，气流脉动传递至上游的炭罐后敲击炭罐，炭罐振动传递给车身，车身钣金振动辐射噪声，车内出现嗒嗒敲击声。

图1 汽车燃油蒸发回收系统原理示意图

图2 为车内右后侧围处测得的嗒嗒声声压数据经小波变换后的时频图。从图中两虚线时间刻度线间隔可以看出嗒嗒声每隔63 ms 发生一次，即频率为16 Hz，与电磁阀开启频率即PWM 控制信号频率相同。通过滤波回放监听可知，车内嗒嗒声频段主要在300 Hz～2 500 Hz 频段范围内。

图2 车内右后侧围处嗒嗒声时频图

2 系统模拟运行试验

为研究汽车燃油蒸发回收系统气流脉动及其引起的振动噪声，采用一台带功率放大输出功能的信号发生器输出驱动信号并经半波整流，模拟发动机ECU 驱动电磁阀运行。试验数据采集设备为西门子公司生产的SCADAS Mobile 高速数据采集设备，数据采集和后处理分析软件为test.lab，噪声数据采样率40 960 Hz，振动及其他数据采样率4 096 Hz。信号发生器为郑州明禾生产的MHS-5200P 双通道直接数字合成（direct digital synthesis，DDS）信号发生器，占空比调节步长为0.1%。

调整信号发生器输出PWM 信号的频率和占空比，分别运行和关闭发动机、油箱加满油、断开炭罐与车身连接的安装点等改变系统气流状态及振动噪声传递路径的模拟试验，在线实时观测和监听各测点气压及加速度与车内嗒嗒声变化。试验结果显示，关闭发动机后电磁阀体振动增大，炭罐和油箱振动及炭罐内相对气压均为0，车内外无嗒嗒声。油箱加满油时，车内噪声略降低，主观感觉差异不大。断开炭罐安装点车内嗒嗒声明显降低，但不能完全消除。

发动机关闭时，电磁阀管道内无气流，电磁阀阀门运行时电磁阀体轴向振动增大。图3 为发动机运行及关闭状态下，电磁阀PWM 频率16 Hz，占空比扫略到60% 时，电磁阀体出气端轴向振动加速度瞬时值对比图。从图中可以看出，发动机关闭管道内无气流时，电磁阀体轴向振动增大的主要原因是阀门关闭瞬间的冲击振动增大。

图3 电磁阀体轴向加速度瞬时值对比

模拟运行试验结果表明，车内嗒嗒声主要由炭罐内气流脉动敲击炭罐振动并经炭罐与车身结构的安装点传递至车身引起，车内嗒嗒声与炭罐振动加速度成正比，炭罐增加隔振橡胶垫不能消除车内嗒嗒声，电磁阀振动对车内嗒嗒声无影响。

3 电磁阀结构参数对气流脉动及振动噪声的影响

设电磁阀体与动力总成刚性连接，电磁阀中的阀门与阀体总成是浮动连接相对运动的，阀门水平方向运动，对阀门列出动力学方程，并简化为如图4所示的动力学模型。图4 中，M1为阀门质量，C1为复位弹簧及波纹密封管总阻尼系数，K1为复位弹簧及波纹密封管总刚度，C2为密封圈阻尼系数，K2为密封圈刚度，Fm为阀门受到的电磁力，x为阀门在合力作用下的位移。

图4 电磁阀动力学模型示意图

不计限位块刚度阻尼力，阀门位移动力学方程如式（1）所示。

式中，x1为阀门完全关闭（x=0）时K1压缩量；x2为阀门完全关闭（x=0）时K2压缩量。

阀门所受电磁力Fm可用式（2）表示。

式中，N为电磁铁线圈匝数；μ0为真空磁导率；S为磁路截面积；δ0为阀门完全关闭（x=0）时气隙，x＜δ0；i为线圈中电流。

在每个PWM 脉冲电压作用下，电磁阀电感线圈中电流以斜坡形式上升，因此阀门完全开启时间较长，不容易发生气锤效应。当阀门开启脱离密封圈后，有电磁力时阀门位移用式（3）表示。

由式（3）可以看出，当阀门在电磁力Fm作用下克服复位弹簧弹性力和波纹密封管阻尼力向电磁铁运动的过程中，因气隙变小，电磁力越来越大，同时弹簧弹性力越来越大，其加速度大小和方向主要由电磁力、复位弹簧刚度阻尼力及阀门质量决定。

当电磁阀电感线圈中电流断开后无电磁力时，阀门位移用式（4）表示。

由式（4）可以看出，阀门在复位弹簧及波纹密封管作用下关闭，其关闭速度会影响到气锤效应的大小。在气隙不变时，减小复位弹簧和波纹密封管刚度，增大波纹密封管阻尼，增大阀门质量有利于降低阀门关闭速度，延长阀门关闭时间，降低上游管路容器内的气流脉动。

4 气流压力及振动噪声随PWM 变化分析

发动机怠速工况运行，断开电磁阀与车辆电连接，采用带功率放大输出功能的信号发生器模拟发动机ECU 产生驱动信号驱动电磁阀运行，PWM 信号电压幅值均为13.5 V。电磁阀非稳态运行时，固定PWM 频率，调整占空比从0.3%～99.7% 扫略运行，占空比匀速稳定扫略时间约为90 s。稳态运行时电磁阀驱动信号频率和占空比都固定在某个数值运行，分析测点的压力信号及振动和噪声信号变化规律。

4.1 车内噪声随PWM 变化规律分析

PWM 频率分别为10 Hz、20 Hz、30 Hz 时车内右后侧围处嗒嗒声随占空比的变化见图5。从图中可以看出，随着PWM 频率的提高，嗒嗒声逐渐增大，出现嗒嗒声时的占空比逐渐提高，图中频率分辨率为1 Hz，嗒嗒声均为PWM 频率即阀开启频率的高次谐波，开启频率越高，高次谐波越明显，声音更响更清脆，频率降低则变成缓慢而低沉的突突声。

图5 车内嗒嗒声随PWM 频率和占空比的变化

4.2 电磁阀及炭罐振动随PWM 变化规律分析

图6 和图7 分别为PWM 频率在10 Hz、20 Hz、30 Hz 时电磁阀体出气端轴向振动加速度随占空比和脉宽变化图。从图中可以看出，在某个频率下阀体振动随占空比或脉宽变化明显分为如图所示ab、bc、cd、de共4 个阶段，在ab阶段，脉宽小于一定数值时阀门还没有开启动作，只是受到电磁脉冲力作用，振动很小。到bc阶段，随着脉宽增大，电磁阀电流增大，由式（3）可知电磁力逐渐增大，则阀门每次开启行程逐渐增大，由式（5）可知复位弹簧和波纹管产生的回复弹力逐渐增大，阀门关闭时冲击加速度增大，因此壳体振动加速度增大，直到c点，脉宽达到约8 ms时阀门完全开启，行程达到最大，阀门失去电磁力后关闭时的冲击力达最大，壳体振动达到最大值。在cd阶段，阀门完全开启后随着脉宽进一步增大，阀门每次开启时长增加，气流增大，流阻增大，因此加速度减小。到de阶段电流脉宽时长太长，阀门复位时长太短，阀门还没有完全关闭就被下一个驱动电流产生的电磁力拉开，直到到达e点阀门完全不能复位运行，保持在最大位置常开状态，电磁阀体不再有阀门敲击振动，气流也不再有脉动，阀门保持常开状态。

图6 不同PWM 频率下电磁阀体轴向加速度随占空比变化

图7 不同PWM 频率下电磁阀体轴向加速度随脉宽变化

图8 为不同PWM 频率下炭罐表面法向加速度随占空比的变化图。从图中可以看出，其变化趋势与电磁阀体轴向振动加速度基本一致，但从前文的模拟试验运行分析可知，炭罐的振动并不是电磁阀体振动通过管路结构振动传递而来造成的，而是管道系统内气流速度或压力脉动引起的。结合车内嗒嗒声在线监听结果可知，该处振动大小与车内嗒嗒声响度成正比。

图8 不同PWM 频率下炭罐法向加速度随占空比变化

4.3 炭罐内气压随PWM 变化规律分析

图9 为不同PWM 频率下炭罐内相对气压随占空比变化图。从图中可以看出，不同频率下频率越低则相对气压波动幅值越大，这与振动噪声随频率增大而增大的规律相反。另外相同占空比下，PWM频率越低，气压时均值越低。将图9 转化为随脉宽变化图，如图10 所示。

图9 不同PWM 频率下炭罐内气压随占空比变化

图10 不同PWM 频率下炭罐内气压随脉宽变化

车辆上驱动电磁阀的电压信号为半波PWM 功率信号，其幅值为车载电源电压，频率和占空比一般设置成可变量，由发动机ECU 控制调节气体流量，脉宽Pw与占空比关系如式（5）所示。

式中，f为PWM方波频率；Du为PWM 方波占空比，占空比计算周期为1 s。

由式（5）中可以看出，占空比相同而频率不同时，频率越低，脉宽越宽，即阀门每次开启时间越长，气流连续性越好，能达到的最高速度就越大，如图9所示，其每次开启炭罐内达到的波谷气压就越低，时均值也越低。根据雷诺平均NS 方程可知，炭罐内平均气压下的气流可近似看作不可压缩流体，根据伯努力方程可知其气压越低则流量越大。另一方面，从前文中关闭发动机试验中阀门冲击加速度反而增大可知，气流有阻止阀门关闭的趋势，流量越大则阀门关闭越慢，气流引起的气锤效应就越低。从前文分析可知，相同占空比下，频率越低，振动噪声越低，因此为了获得较好的振动噪声性能和气体流量性能，电磁阀阀门开启频率应设置低些。

5 炭罐振动与气流脉动关系分析

图11 为电磁阀和炭罐振动及气压波动与阀门开闭时序图。电磁阀电流代表阀门开闭状态，电磁阀电流正负值代表电流方向，电流增大到一定值时阀门开启，减小到一定值时阀门关闭。从图中可以看出阀门每次开启时电流缓慢增大到最大值，而关闭时迅速降为0。电磁阀出气端轴向加速度在阀门关闭瞬间出现最大峰值，这是阀门碰撞密封圈引起的。在阀门开启到最大开度时出现一个小峰值，这是阀门碰撞阀体和电磁铁限位块引起的。电磁阀进气口相对气压在阀门关闭时气压迅速上升到最大值，阀门开启后先快后慢降低到最低值。从图中两虚线时间刻度线之间的间隔可以看出，炭罐内相对气压曲线近似为电磁阀进气口相对气压曲线向后平移18 ms，为阀门关闭和开启后的压力波传播到炭罐内的时间。炭罐壳体法向加速度峰值加速度出现在炭罐内相对气压突然上升时刻，即阀门关闭引起的压缩波传递到炭罐内时刻炭罐出现敲击振动，车内发出嗒嗒声。电磁阀阀门到炭罐的管道长度为5 440 mm，由此计算气锤波在管道内传播速度为302.2 m/s。

图11 电磁阀和炭罐振动及气压波动与阀门开闭时序

6 降低振动噪声提高流量的改进措施

降低或者消除气锤效应的措施一般有降低气体冲击能量，在阀门处设置吸能装置，降低管道刚度，更改管容系统结构设计，缩短相长，延长阀门开启关闭时间等。试验中在电磁阀两端反向并联1 个整流二极管，将电磁阀感应电动势转化为电流续流，以提高电磁能利用效率，延缓电磁阀阀门关闭时间，降低阀门冲击加速度及气锤效应，提高相同占空比下系统气体流量性能。同时，在电磁阀入口处设置一个孔板，孔板开孔面积约为出口处拉伐尔管最小截面处面积1.3 倍，孔板能够起到阻尼作用，降低气流脉动能量。

图12 为在电磁阀线圈两端反向并联整流二极管D 的原理示意图。图中D 代表二级管，L 和R1代表电磁阀线圈，Q1、R2 代表PWM 信号功率放大电路，ECU 代表ECU 的PWM 信号输出端，+Vcc代表ECU 和电磁阀供电端。

图12 电磁阀反向并联整流二极管原理示意图

图13 为PWM 频率16 Hz、占空比20% 时，有无二极管状态下电磁阀各结构参数发生时刻对比图。从图13（a）中可以看出，无二极管时电磁阀电压断开时出现一个较大的反向感应电压，阀门关闭引起的最大瞬时峰值加速度较大，从电压断开到阀门关闭出现最大加速度时间为2. 2 m s。从图13（b）中可以看出，有二极管时电磁阀电压断开时无反向感应电压，阀门关闭引起的最大瞬时峰值加速度较小，从电压断开到阀门关闭出现最大加速度时间为3. 8 m s，比无二极管时延迟了1. 6 m s，说明电压断开后仍有电磁力阻碍阀门的复位运动而延长了其关闭时间，降低了阀门冲击加速度。根据茹可夫斯基水击波公式可知，延长阀门关闭时间有利于降低水击压力波大小，较长管道中的气体动量和惯性较大，与液体具有相似性，因而发生类似水锤效应的气锤效应。