某电控涡轮增压器废气旁通阀连杆机构噪音研究与改善

0引言
随着经济的发展和生活水平的提高，汽车渐渐成为家庭生活中不可或缺的交通工具，带有涡轮增压的车备受亲睐。

涡轮增压发动机可以在保证发动机动力前提下降低发动机排量，同时提高发动机燃油经济性，减少CO 2排放[1]。

在2016年中国增压发动机比例已占到32%，据预测在2021年整车涡轮增压发动机将会达到47%。

随着人们对车的舒适性要求越来越高，NVH 正是影响整车舒适性的一个重要指标[2]。

涡轮增压在提高发动机性能和改善燃油经济性的同时，也带来了更多的噪音问题。

在整车诸多子零件中，涡轮增压器正是动力系统主要噪音源之一，对车辆的舒适性有着十分重要的影响。

1增压器电控废气旁通阀连杆噪声机理分析对于增压器废气旁通阀连杆机构而言，主要有2种噪音类型，连杆敲击声和金属刮擦声。

1.1电控式废气旁通阀原理
涡轮增压的增压压力主要和涡端进口的流量相关，涡端进口排气流量越大，涡轮转速越快，进气的增压压力越大。

但过高的转速和过大的压力，容易引起涡端温度过高从而产生裂纹导致增压器失效。

由此，引入废气旁通阀，安装在涡端，从而更加有效的控制复杂工况下的增压压力。

传统机械式旁通阀主要通过压力控制，当发动机高转速运行时，涡端的压力超过限值后，增压气体将阀门顶起，带动旁通阀拉杆移动，打开阀门。

电控式旁通阀主要由电控单元ECU 通过PWM 信号控制阀门的开度，当ECU 检测到进气压力高于限值时，控制释压电磁阀打开，切断从废气涡轮增压出口到驱动气体之间的气体通路，驱动气室没有其他压力，在弹簧力的作用力下，切换阀门打开排气的旁通通道，废气不经过涡轮而直接从旁支通道排出，直至涡轮和压轮不旋转，当进气压力降致规定值时，再关闭阀门，增压器重新开始工作[3]。

电控式旁通阀与机械式相比，控制精度更高，控制响应更快，可调节性更好。

本文研究的涡轮增压器为电控式旁通阀。

电控式旁通阀连杆机构如图1所示，连杆机构由曲柄、阀门、阀座、推杆、衬套、连杆、销以及电子执行器组成。

1.2连杆敲击声
为了保证机构间的相互运动，如图2所示，他们之间存在4个间隙，分别是摇臂与阀座，曲柄和衬套，连杆和曲柄，以及连杆和执行器。

引起敲击声的主要原因有2个，一个是排气脉冲，当旁通阀开启时，旁通孔内的排气脉冲冲击阀盖，由于推杆和阀座的间隙，内部会导致敲击声。

另一个是发动机振动，阀门开启时，阀座失去了涡端支撑，连杆系统刚度降低，连杆与发动机的共振激发了另外3处间隙的互相敲击。

1.3金属刮擦声
金属刮擦声是由于耐久后零件表面涂层磨损，零件之间的干摩擦导致，主要有2处摩擦点：涡端推杆和衬套，以
某电控涡轮增压器废气旁通阀连杆机构噪音研究与改善
Kinematic Noise Study of Turbocharger E-actuator Waste-gate Rod System
张巍ZHANG Wei
（霍尼韦尔汽车零部件服务（上海）有限公司）（Honeywell Turbo Technology Shanghai Ltd.）
摘要:针对某涡轮增压发动机开发过程中发现的电控废气旁通阀连杆机构噪音问题，基于连杆机构的设计和特点进行分析，确定噪音声源。

在推杆和阀座内部添加弹垫，增加阻尼，减弱连杆机构敲击声。

搭建台架研究涂层的耐久性，提出QPQ 涂层的修改方案，并且更改空档状态下ECU 标定，让连杆在空档下静止运动，通过涂层和标定优化方按，连杆刮擦声消除。

Abstract:Kinematic noise is found at turbocharger E-actuator waste gate during the development phase,the rod system feature and design were analyzed to determine the noise source.Spring is added between arm and poppet to increase damping and reduce rattling noise.A test bench was set up to check the coating durability and ECU is calibrated to resist the rod movement in parking condition.With QPQ coating and new calibration in parking,scratch noise is disappeared.
关键词:涡轮增压；废气旁通阀；连杆
机构；机构噪音；NVH Key words:turbocharger ；waste-gate ；rod
system ；kinematic noise ；NVH
图1电控式旁通阀连杆机构
图2连杆结构的4个间隙
及压端连杆和销。

2问题叙述与声源识别2.1问题叙述
对某款新开发的涡轮增压车型的耐久阶段进行主观评价时，发现在空挡急踩油门工况下出现刮擦声，在空档和低速松油门工况下出现敲击声。

2.2声源识别
通过打开机舱盖主观评价近场噪音，发现敲击声和刮擦声都十分靠近增压器，初步判断此问题与增压器相关。

为了详细查找问题原因，对问题车辆进行路试。

分别在驾驶员右耳，副驾驶左耳和增压器近场布置麦克风，增压器中间体和旁通阀连杆布置加速度传感器，运用Head-Squadriga II 采集，采样频率为51200Hz ，分析软件为LMS Xpress 。

在空旷场地处，采集空挡和1档急踩急松油门1000-3000rpm 工况下的振动噪声数据。

通过数据分析发现，在急松油门发动机转速降到致1500rpm 时出现敲击声，此时增压器近场噪音与驾驶员右耳噪音吻合，如图3所示，连杆的振动幅值最大，由此可确定为增压器连杆机构敲击声。

为了进一步确定敲击声来自于哪个间隙，分别做了如下2组实验方案。

①在连杆和执行器间隙，以及曲柄和连杆间的间隙处加弹簧，曲柄和衬套的间隙处塞垫片。

为了避免放气阀卡滞，不能在曲柄和衬套间加弹簧。

主观评价如表1所示。

②在连杆上贴加速度传感器，用力锤法测量连杆机构的模态。

频响函数图4（a ）所示，可以发现连杆的固有频率为30Hz ，此发动机为4杠机，发动机转速为1500rpm ，通过频率和阶次转换公式:f=4/60*n 可计算出此时发动机激励频率为50Hz 。

通过2种方案的数据分析和主观评价，可判断连杆机构未与发动机发生共振，同时通过连杆振动频谱可以发现零件每秒敲击42次，如图4（b ）所示，可以判断出主要是推杆和阀座间隙导致。

在急踩油门的情况下，发动机致2000-2500rpm 时，可以听到刮擦音。

通过数据分析，如图5所示，发现连杆振动与车内噪音吻合，频率为6000-7000Hz ，近场噪音80dB 。

为了进一步判断刮擦声来自于涡端还是压端，找了2辆有噪音抱怨的实验车，分别在涡端推杆和衬套，以及压端连杆和销处滴上机油，机油滴在压端处噪音消失，因此可以判定刮擦声来自于连杆和销。

3方案制定及验证
3.1机构
敲击声优化方案
（a ）驾驶员右耳噪音（b ）增
压器近场噪音
图3
（a ）连杆频响函数（b ）连杆振动频谱
图4
（a ）驾驶员右耳噪音（b ）
连杆振动
图5
敲击声主观评价连杆执行器间隙曲柄连杆间隙曲柄衬套间隙
明显
明显减弱，但还存在
加波形弹簧
加波形弹簧加波形弹簧
无弹簧加波形弹簧加波形弹簧
无垫片无垫片加垫片
表1
从以上的实验可发现主要是推杆和阀座间的间隙导
致的噪音，根据经验，修改标定可以减少消音，但是会降低发动机的性能。

本文主要针对旁通阀结构进行优化。

图6给出了旁通阀结构优化方案设计图，在阀门和推杆之间的间隙处加一个弹垫，当旁通阀受到排气高压脉冲时，弹垫可以增加阻尼，防止阀门和推杆发生直接碰撞，避免了敲击声的出现。

3.2机构敲击声方案验证
在进行了上述更改后，再次对连杆振动，车内和增压器近场噪声进行测试，结果如图7所示。

通过频谱图对比，发现在4000-8000Hz 车内和增压器近场噪音显著减少，连杆振动由20G 降致10G 。

3.3刮擦声优化方案3.3.1涂层优化方案根据客户信息反馈，发现耐久车行驶大约3000km 后会出现刮擦声。

但由于行驶工况复杂，无法确认连杆运动多少次出现干摩擦，于是搭建台架验证其耐久特性。

图8表示台架结构，通过UAD 模拟PWM 信号控制废气阀，控
制信号为方波，1s 为一个周期完成阀门的关闭与开启，阀门关闭时为急踩油门，开启时为急松油门。

耐磨性为关键性能。

在台架上，一共测试了4种连杆
和销不同配置：base 方案（无涂层），原始方案（Ni ———P 涂层），PTFE 涂层，QPQ 涂层。

在销10mm 处放置麦克风，当噪声达到与整车测试增压器近场噪声水平相同时，即80dB ，认为车内可以听到，循环耐久测试停止。

图9为测试结果。

由表2中可发现QPQ 涂层耐久性最好，10万个循环后还未出现刮擦声。

3.3.2标定优化方案
由于刮擦声只在空档急踩油门的工况下出现，在行驶
图6旁通阀弹垫设计
（a ）车内噪音（b ）增压器近场噪音（c ）连杆振动
图7
（a ）无涂层（b ）Ni-P 涂层（c ）PTFE 涂层（d ）QPQ 涂层
图9
（a ）刮擦声台架（b ）控制信号
图8
涂层种类噪声幅值
（dB ）循环耐久周期（次）频率（Hz ）无涂层Ni-P 涂层PTFE 涂层QPQ 涂层
80.580.380.7无
30007300850010万
5500-65006000-70005000-7000
无
表2
1车用发动机活塞环未来的发展方向随着发动机强度的不断提高，普通的铸铁材料已不能满足活塞环材料要求，加上环保对表面处理排放要求越来越高，促使活塞环的技术已向着材料钢质化、薄型化、表面处理高端化和环保型方向发展。

由于活塞环既是发动机的关键零部件，又是发动机中工况条件最苛刻的摩擦零件之一，这就要求活塞环必须具有高抗熔磨损性、高密封性、高抗压性。

因此，寻找新材料及新表面处理工艺成为活塞环行业满足未来市场需求的主要技术关注点。

近年，过去多用于汽油机上的钢质活塞环被逐渐引入到柴油机领域，一些柴油机开始采用钢质小孔油环。

相比铸铁环，钢质活塞环无需铸造过程、重量轻、加工方法简单；活塞环与缸套之间的密封性加强，减少机油进入燃烧室的机率，这样可以降低排放污染。

目前国内主流厂家都
已投入到新型钢质小孔油环的研发和生产。

在表面处理方面，车用发动机正在向高机械负荷和高热负荷方向发展，高输出功率的发动机耐久性要求也在大幅度提高；同时环境保护方面要求的低燃料消耗、低废气废水排放等法规越来越严格。

这就对活塞环表面处理工艺提出了极大的挑战。

镀铬是目前国内大多数厂家采用的工艺，不过，镀铬工艺对环境污染严重，生产效率低，活塞环的废品率和生产成本高，特别是废液中重金属的再处理难度重重。

在发达国家，尤其是日本的活塞环行业，其钢质环现已大量采用较先进的氮化处理工艺。

2传统钢质小孔油环氮化原理及工艺缺陷2.1气体氮化原理
气体氮化系将工件置于炉内，利用NH 3气直接通入540益左右的氮化炉内，恒温一段时间，使NH 3气分解为原
浅析钢质小孔油环氮化处理
杨燃
（华闽南配集团股份有限公司）
摘要:本文主要分成四部分，第一部分讲述车用发动机活塞环未来的发展方向；第二部分阐述传统钢质小孔油环氮化原理及工艺缺陷；第三部分分析氮化前处理工艺、氮化时间、氮化温度对钢质小孔油环氮化层的影响；第四部分主要是针对传统工艺缺陷制定改进措施。

关键词:小孔油环；气体氮化；环保；表面处理
工况下没有刮擦声抱怨。

主要原因是空档状态下，没有风噪
和胎噪，发动机负荷较低，背景噪音较小导致刮擦声容易被察觉到。

根据上文中提到刮擦声产生的主要原因，于是更改ECU 标定，在P 档和N 档状态下，废气阀连杆静止，不做任何运动。

同时，ECU 改变前后，发动机性能基本保持不变。

3.4刮擦声验证
基于上文的2种优化方案，在耐久测试前，分别在2辆同款车型上更换新版本ECU 以及更换QPQ 连杆。

在耐久测试结束后，对2辆车进行噪声测试和主观评价。

主观评价分别在在车内和车外进行，最终评价结果表示无刮擦声。

通过对噪声数据分析，发现增压器近场无刮擦声，图10为近场噪音数据对比。

4结论
针对连杆敲击声，确定了是排气脉冲冲击推杆和阀座
之间的间隙是产生抱怨噪音的主要原因。

因此在推杆和
阀座之间添加弹垫，可以有效减少连杆振动，降低连杆敲击声。

针对刮擦声，发现主要是压端连杆和销的干摩擦导致。

通过调节ECU 使连杆在P 档和N 档静止，搭建刮擦声耐久台架，发现QPQ 涂层的耐久性能明显好于其他涂层，整车耐久验证后，噪声完全消除。

参考文献:
[1]John B.Heywood,Internal Combustion Engine Fundamentals,McGraw-Hill,New York,1988:252.[2]孙佳，周丹丹，罗恩志.某车型进气轰鸣问题研究.河北保定：长城汽车股份有限公司，2016.[3]马明芳.电控废气涡轮增压系统的结构与工作原理[J].汽车
运
用，2008，33.
（a ）Ni-P 涂层抱怨车（b ）QPQ 涂层无抱怨车
图10。