增程式新能源汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器噪聲測(cè)試系統(tǒng)研究

婁建民,楊玉,劉勇

(哈爾濱東安汽車動(dòng)力股份有限公司，黑龍江哈爾濱 150066)

0 引言

近年來(lái)，隨著各國(guó)對(duì)環(huán)境的重視及排放法規(guī)的加嚴(yán)，導(dǎo)致混合動(dòng)力汽車HEV(Hybrid Electric Vehicle)的發(fā)展異常迅速，各大車企紛紛對(duì)HEV的研究投入大量的人力物力，與此同時(shí)，用戶對(duì)HEV的舒適性要求也越來(lái)越高，因此車企對(duì)汽車噪聲等特性展開(kāi)了相關(guān)的研究。作為增程式混合動(dòng)力汽車，在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)為最大的噪聲源，所以在低速時(shí)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲對(duì)混合動(dòng)力整車的降噪提升貢獻(xiàn)是很明顯的。楊金才等[1]對(duì)噴油器的噪聲產(chǎn)生原因和控制方法作了很詳細(xì)的分析，所以在設(shè)計(jì)之初對(duì)其噪聲特性進(jìn)行優(yōu)化分析，那么優(yōu)化后的產(chǎn)品在市場(chǎng)上定有較大的競(jìng)爭(zhēng)力。

在整車上低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因?yàn)榱悴考姸?，機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的摻雜很難對(duì)單體零件進(jìn)行量化。即使是頻率和噪聲比較明顯的噴油器也很難分離出來(lái)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的單體噪聲測(cè)試手段還比較單一，大部分廠家對(duì)油軌噴油器的噪聲測(cè)試都是在整機(jī)的狀態(tài)下完成，這就使得發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械噪聲和燃燒噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因而，測(cè)試結(jié)果具有較大誤差，不能真實(shí)反映油軌總成的噪聲水平。

1 噴油器噪聲測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了能夠真實(shí)反映噴油器在整車上的噪聲水平，同時(shí)對(duì)噴油器的選型提供有力的試驗(yàn)支持，因此設(shè)計(jì)了一套噴油器噪聲測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由噴油器模擬控制系統(tǒng)、模擬燃料供給系統(tǒng)、噪聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，如圖1所示。該研究所用到的試驗(yàn)邊界條件如表1所示。

圖1 噴油器噪聲測(cè)試系統(tǒng)

噴射壓力/kPa環(huán)境溫度/K環(huán)境壓力/kPa試驗(yàn)背景噪聲/dB試驗(yàn)場(chǎng)地350298988<35半消聲室

在試驗(yàn)過(guò)程中，保證環(huán)境溫度、壓力、背景噪聲在規(guī)定的范圍內(nèi)。噴油器模擬控制系統(tǒng)通過(guò)模擬臺(tái)架ECU對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油的控制來(lái)驅(qū)動(dòng)噴油器電磁閥的開(kāi)閉，同時(shí)采用高精度的聲級(jí)計(jì)對(duì)噪聲進(jìn)行采集。

1.1 模擬燃料供給系統(tǒng)

臺(tái)架上發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)候的燃料為93號(hào)標(biāo)準(zhǔn)汽油，試驗(yàn)過(guò)程中為了避免引發(fā)火災(zāi)，用軟化水(硬度低于0.1 mg/L)代替93號(hào)標(biāo)準(zhǔn)汽油進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)的模擬燃料供給壓力來(lái)自于臺(tái)架的燃油泵及燃油過(guò)濾器在油軌的入口前50 cm處加裝一個(gè)0.35 MPa的減壓閥，將油泵及過(guò)濾器放置在吸聲裝置的內(nèi)部，以免干擾油軌及噴油器的噪聲測(cè)試結(jié)果，具體如圖2所示。

圖2 燃油泵放置在吸聲裝置內(nèi)部示意

1.2 噪聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

此次對(duì)噴油器噪聲的數(shù)據(jù)采集使用的是B&K公司的2270聲級(jí)計(jì)(自帶麥克風(fēng))，該聲級(jí)計(jì)所使用的4189型傳聲器，寬頻線性頻率范圍可達(dá)4.2 Hz～22.4 kHz，A加權(quán)動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)16.6～140 dB，符合最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的通用型1類噪聲的測(cè)量，同時(shí)操作方便、快捷。

2 噴油器模擬控制系統(tǒng)

該款增程式混合動(dòng)力汽車所用的發(fā)動(dòng)機(jī)為1.0 L氣道噴射的形式，系統(tǒng)完全模擬發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)模式下的噴油器控制方式，預(yù)先采集發(fā)動(dòng)機(jī)在該模式不同工況下的噴油脈寬，在相同的轉(zhuǎn)速下負(fù)荷從0到節(jié)氣門(mén)全開(kāi)，每一次遞增10%，記錄結(jié)果如表2所示。

2.1 噴油時(shí)序

DAM10E作為一款進(jìn)氣道噴射的三缸機(jī)，其噴射時(shí)序?yàn)?-3-2，噴油器的控制電路在設(shè)計(jì)時(shí)需要弄清噴射起始的邏輯關(guān)系，根據(jù)表2中的噴油脈寬可以推斷出噴油器在不同的轉(zhuǎn)速下3個(gè)缸的噴油時(shí)序如圖3所示。

表2 DAM10E發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的噴油脈寬

圖3 噴油時(shí)序

以2 000 r/min、50%負(fù)荷為例來(lái)說(shuō)明控制電路對(duì)噴油器的控制，如圖3所示，噴油順序?yàn)?-3-2，假設(shè)一缸進(jìn)入壓縮行程，此時(shí)一缸噴油器持續(xù)噴油7 ms后關(guān)閉13 ms。接下來(lái)三缸進(jìn)入壓縮行程，三缸噴油器持續(xù)噴油7 ms后關(guān)閉13 ms。最后到二缸進(jìn)入壓縮行程， 二缸噴油器持續(xù)噴油7 ms后關(guān)閉13 ms。到此結(jié)束，曲軸正好旋轉(zhuǎn)2周，用時(shí)60 ms。

2.2 噴油器驅(qū)動(dòng)電路

DAM10E發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器的工作電流需求較大，因此需要單獨(dú)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，文中所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。噴油器所需電源來(lái)源于整車所使用的12 V電瓶，圖中所用到的N1、N2、N3開(kāi)關(guān)MOS管為發(fā)動(dòng)機(jī)ECU上所使用的BUK系列，柵極的控制由單片機(jī)的P0.0-P0.2實(shí)現(xiàn)，在電路圖中所起到的作用：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)控制P0.0-P0.2輸出電平來(lái)控制12 V電源的通斷，模擬噴油脈寬使噴油器電磁閥工作，同時(shí)在三路信號(hào)控制上引入二極管指示。

圖4 噴油器驅(qū)動(dòng)電路

2.3 噴油器控制電路

此試驗(yàn)的控制電路基于AT89S52芯片，該芯片是某公司生產(chǎn)的低功耗、低成本、高性能、大眾化的8位微控制器。圖5所示為此次試驗(yàn)控制電路硬件系統(tǒng)的電路原理圖。

圖中P0.0、P0.1、P0.2為輸出給驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)。單片機(jī)的I/O口P1.0-P1.7組成了4×4的鍵盤(pán)，用來(lái)設(shè)置噴油器的噴油工況，測(cè)試工況分為外特性點(diǎn)和萬(wàn)有特性點(diǎn)，引入鍵盤(pán)控制方式可以節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)應(yīng)用LCD12864顯示屏顯示當(dāng)前的工況，試驗(yàn)所用到的顯示屏自帶中文字庫(kù)，調(diào)用方便快捷，晶振選用11.059 2 MHz，方便對(duì)噴油脈寬時(shí)間的控制。

3 試驗(yàn)結(jié)果

利用所設(shè)計(jì)的噪聲測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了3個(gè)國(guó)內(nèi)主流電噴廠商所生產(chǎn)的三缸噴油器及油軌的噪聲對(duì)比，測(cè)試用油軌及噴油器暫且命名為A、B、C樣品，如圖6所示。在不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷下對(duì)不同的樣品進(jìn)行測(cè)試。

3.1 同一樣品不同負(fù)荷下的聲壓級(jí)

根據(jù)表2中的噴油脈寬對(duì)A樣品進(jìn)行噪聲測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 A樣品測(cè)試結(jié)果

根據(jù)圖中的測(cè)量結(jié)果可以看出：

(1)同一樣品同一轉(zhuǎn)速下，不同的負(fù)荷對(duì)噴油器的噪聲沒(méi)有明顯的差異；

(2)同一樣品的噪聲隨轉(zhuǎn)速的增加而升高。

3.2 不同樣品在外特性下的聲壓級(jí)對(duì)比

根據(jù)圖7中得出的結(jié)論，對(duì)B、C樣品進(jìn)行了抽樣測(cè)試和外特性工況下的測(cè)試。三種外特性下的聲壓級(jí)對(duì)比如圖8所示。

圖8 不同樣品噪聲對(duì)比

通過(guò)上圖可以看出B樣件的噪聲水平在三種樣件中最低。

3.3 噪聲的來(lái)源

通過(guò)丹麥某公司的BZ-5503軟件對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析。此次試驗(yàn)所使用的半消聲室的背景噪聲如圖9所示。

圖9 背景噪聲

試驗(yàn)測(cè)量的背景噪聲A計(jì)權(quán)后為28.1 dB，最大的噪聲源出現(xiàn)在63 Hz左右。以B樣品在外特性工況點(diǎn)下的噪聲為例分析噪聲的來(lái)源，如圖10所示。

圖10 B樣品外特性下1/3倍頻程

通過(guò)圖9的背景噪聲與圖10對(duì)比，可以看出主要噪聲來(lái)源于高頻區(qū)域(1～16 kHz)，也就是燃油壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。

4 結(jié)束語(yǔ)

所建立的噴油器噪聲測(cè)試系統(tǒng)，模擬整車工作環(huán)境將噴油器及油軌單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試，并且搭建了模擬燃油供給系統(tǒng)、噪聲測(cè)量及分析系統(tǒng)、噴油器控制系統(tǒng)等。解決了不同樣品噴油器選型的問(wèn)題及整車低速噪聲問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況如圖11所示。

圖11 噴油器噪聲測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

通過(guò)該試驗(yàn)系統(tǒng)可以對(duì)噴油器在整車上貢獻(xiàn)的噪聲進(jìn)行分離，有利于整車或整機(jī)的噪聲研究，可以量化其在整車或整機(jī)狀態(tài)下的噪聲貢獻(xiàn)量，對(duì)車廠或噴油器的生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行噴油器及油軌的優(yōu)化，降低高頻區(qū)域的燃油壓力脈動(dòng)噪聲具有深遠(yuǎn)的意義。