整車(chē)?yán)涿搅鲃?dòng)聲測(cè)試診斷研究

葉 翔，龍書(shū)成，常文瑞

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東 廣州 510000）

前言

汽車(chē)空調(diào)冷媒流動(dòng)聲是汽車(chē)空調(diào)在低負(fù)荷、小風(fēng)量工況發(fā)生的一種寬頻高頻噪聲，聽(tīng)感為嘶嘶聲或流水聲[1]。頻率在2 000～5 000 Hz及8 000～10 000 Hz，與車(chē)輛其他噪聲的頻率成分有較大不同[2]，容易被分辨出來(lái)。

大量研究表明，汽車(chē)空調(diào)冷媒流動(dòng)聲是空調(diào)高壓管冷媒在通過(guò)膨脹閥時(shí)夾雜氣泡，氣泡沖擊膨脹閥閥芯產(chǎn)生的[3]。與空調(diào)系統(tǒng)匹配、熱管理和膨脹閥參數(shù)都有關(guān)系[4]。此外，膨脹閥閥芯阻尼特性、聲學(xué)包裹也對(duì)該噪聲有一定影響。

本文主要關(guān)注冷媒流動(dòng)聲的整車(chē)測(cè)試和原因診斷，提出了一個(gè)整車(chē)測(cè)試方法，總結(jié)了集中典型的冷媒流動(dòng)聲發(fā)生原因。

1 整車(chē)?yán)涿搅鲃?dòng)聲測(cè)試診斷方法

1.1 測(cè)試參數(shù)及傳感器布置

試驗(yàn)在有溫度濕度控制功能的環(huán)境倉(cāng)中進(jìn)行。

使用麥克風(fēng)測(cè)試出風(fēng)口噪聲。根據(jù)NVH數(shù)據(jù)判斷冷媒流動(dòng)聲發(fā)生。如圖1所示。

圖1 出風(fēng)口噪聲測(cè)試

在膨脹閥入口布置溫度傳感器，高壓加注口連接壓力傳感器，測(cè)試?yán)淠龎毫Α囟炔Q算過(guò)冷度。空調(diào)熱力膨脹閥主要依靠感受低壓冷媒過(guò)熱度來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)度和冷媒流量[5]，在膨脹閥出口布置溫度傳感器，低壓加注口連接壓力傳感器，測(cè)量蒸發(fā)壓力和溫度并換算過(guò)熱度。上述溫度傳感器需要用隔熱材料妥善包裹，以防機(jī)艙熱傳遞整車(chē)誤差。如圖2所示。

圖2 冷媒壓力和冷媒溫度測(cè)試

1.2 測(cè)試工況及流程

持續(xù)的冷媒流動(dòng)聲發(fā)生時(shí)通常空調(diào)制冷負(fù)荷較低，瞬時(shí)冷媒流動(dòng)聲發(fā)生的工況范圍較廣[6]。測(cè)試應(yīng)主要關(guān)注低負(fù)荷工況，并做到全面。如表1所示是測(cè)試工況表。

表1 冷媒流動(dòng)聲測(cè)試工況表

瞬態(tài)冷媒流動(dòng)聲一般在壓縮機(jī)啟停及轉(zhuǎn)速變化時(shí)偶然發(fā)生；穩(wěn)態(tài)冷媒流動(dòng)聲在壓縮機(jī)運(yùn)行全程發(fā)生。測(cè)試流程應(yīng)涵蓋上述兩種情況。

將每一輪測(cè)試分為300 s，前10 s空調(diào)模式調(diào)到表1所示，關(guān)閉壓縮機(jī)，測(cè)試背景噪聲；第11 s到200 s，壓縮機(jī)開(kāi)啟，測(cè)試壓縮機(jī)啟動(dòng)瞬時(shí)冷媒流動(dòng)聲和持續(xù)運(yùn)行時(shí)的冷媒流動(dòng)聲；第201 s到300 s壓縮機(jī)關(guān)閉，測(cè)試壓縮機(jī)關(guān)閉瞬時(shí)冷媒流動(dòng)聲。為了更好地模擬不同駕駛員的關(guān)空調(diào)習(xí)慣，關(guān)閉壓縮機(jī)動(dòng)作，又可分為關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)和只關(guān)閉壓縮機(jī)這兩種情況。測(cè)試流程總結(jié)為表2所示。

表2 冷媒流動(dòng)聲各工況測(cè)試流程

1.3 測(cè)試數(shù)據(jù)處理

1.3.1 NVH測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)處理

冷媒流動(dòng)聲是一種分布在2 000～10 000 Hz上的寬頻噪聲，如圖3所示。付英杰等對(duì)它的頻率特性進(jìn)行研究，推薦使用出風(fēng)口噪聲尖銳度對(duì)它進(jìn)行描述[7]。尖銳度計(jì)算公式如下：

圖3 冷媒流動(dòng)聲出風(fēng)口噪聲頻率范圍

將計(jì)算范圍2 000～10 000 Hz等分為24個(gè)頻段，每個(gè)頻段是一個(gè)bark，n'(z)是某個(gè)頻率的特征響度。gn是對(duì)應(yīng)于這個(gè)bark的加權(quán)系數(shù)，可以反映人耳對(duì)于高頻成分更高的敏感性。

計(jì)算后的尖銳度是時(shí)間的函數(shù)，在某個(gè)時(shí)刻迅速提高則提示冷媒流動(dòng)聲出現(xiàn)[7]。如圖4所示。

圖4 冷媒流動(dòng)聲尖銳度處理結(jié)果

1.3.2 冷媒熱力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)處理

過(guò)冷度是高壓管冷媒溫度與冷媒飽和溫度的差值，過(guò)冷度越大，冷媒氣泡越不易產(chǎn)生，流動(dòng)越穩(wěn)定安靜。反之，則越可能產(chǎn)生冷媒流動(dòng)聲[8]。過(guò)冷度計(jì)算公式如下：

其中，Th是膨脹閥冷媒溫度，一般用管壁溫度代替；Ts（Ph）是冷凝壓力Ph時(shí)對(duì)應(yīng)的冷媒飽和溫度，通過(guò)查冷媒熱力性質(zhì)表得到。

同理，過(guò)熱度計(jì)算公式如下：

對(duì)于有同軸管的空調(diào)系統(tǒng)，同軸管是低壓冷媒冷卻高壓冷媒，幫助其提高過(guò)冷度的重要零件。同軸管的降溫效果對(duì)于膨脹閥前過(guò)冷度有重要影響。故此類(lèi)空調(diào)系統(tǒng)在同軸管前后需要各布置一個(gè)溫度傳感器，評(píng)估同軸管的降溫效果。如圖5所示。

圖5 同軸管傳感器布置圖

1.3.3 其他數(shù)據(jù)處理

保存冷凝壓力、蒸發(fā)壓力、膨脹閥入口高壓冷媒溫度、出口低壓冷媒溫度、同軸管前冷媒溫度等，供分析問(wèn)題發(fā)生原因。

2 冷媒流動(dòng)聲測(cè)試診斷方法的應(yīng)用

2.1 開(kāi)空調(diào)瞬時(shí)冷媒流動(dòng)聲的診斷

某采用渦旋定排量壓縮機(jī)的燃油車(chē)在壓縮機(jī)開(kāi)啟后3 s左右，出風(fēng)口出現(xiàn)連續(xù)3 s嘶嘶聲，聽(tīng)感強(qiáng)烈，不能接受。且天氣越熱，嘶嘶聲越明顯。如圖6所示是該車(chē)在35 ℃環(huán)境溫度下，開(kāi)壓縮機(jī)20 s內(nèi)的出風(fēng)口噪聲瀑布圖和尖銳度圖。

圖6 某燃油車(chē)嘶嘶聲瀑布圖和尖銳度圖

由圖6尖銳度可知，從18 s到37 s，出現(xiàn)兩陣明顯的嘶嘶聲，和主觀評(píng)價(jià)有高度一致性。

在環(huán)境溫度35 ℃，全冷吹面內(nèi)循環(huán)一檔風(fēng)量工況下應(yīng)用第1節(jié)所述方法診斷。錄得20 s左右的瞬時(shí)嘶嘶聲。將存在嘶嘶聲時(shí)段內(nèi)（前80 s）的冷媒熱力學(xué)數(shù)據(jù)處理后，得到了如圖7所示的結(jié)果。

圖7 冷媒熱力學(xué)測(cè)試測(cè)試結(jié)果

由上圖可知，在冷媒流動(dòng)聲發(fā)生時(shí)，冷凝壓力迅速由2.1 MPa降低到1.75 MPa。但是冷媒溫度并沒(méi)有明顯變化。導(dǎo)致膨脹閥前制冷劑過(guò)冷度急劇降低，由30 ℃降低到22 ℃。同時(shí)，從圖8中看出，膨脹閥后蒸發(fā)壓力在該時(shí)刻有短暫變大。診斷冷媒流動(dòng)聲發(fā)生原因是，壓縮機(jī)啟動(dòng)膨脹閥開(kāi)閥過(guò)程中開(kāi)度增加過(guò)快，導(dǎo)致高低壓平衡，高壓冷媒局部氣化，氣泡沖擊膨脹閥閥芯產(chǎn)生冷媒流動(dòng)聲。

圖8 蒸發(fā)壓力測(cè)試結(jié)果

膨脹閥閥芯阻尼夾是套在閥芯球頭頂桿及其支架間的橡膠減振結(jié)構(gòu)，通過(guò)阻尼夾與頂桿之間的摩擦，可有效降低膨脹閥的動(dòng)作速度。此外，還能吸收閥芯振動(dòng)能量，降低膨脹閥噪聲[9]。如圖9所示。

圖9 膨脹閥閥芯阻尼夾示意圖

將原車(chē)膨脹閥更換為帶阻尼夾的膨脹閥，其他參數(shù)不變。同樣的工況下再測(cè)試，發(fā)現(xiàn)冷凝壓力和膨脹閥前過(guò)冷度峰值后的下降過(guò)程更平緩。開(kāi)空調(diào)過(guò)程中主觀評(píng)價(jià)安靜，沒(méi)有冷媒流動(dòng)聲。如圖10和圖11所示。

圖10 膨脹閥加阻尼夾后冷媒熱力學(xué)參數(shù)結(jié)果

圖11 膨脹閥加阻尼夾后冷媒流動(dòng)聲消失

2.2 關(guān)空調(diào)瞬時(shí)冷媒流動(dòng)聲診斷

某耐久后燃油車(chē)壓縮機(jī)關(guān)閉后大約20 s后，出現(xiàn)持續(xù)20 s左右的嘶嘶聲或流水聲?；驹谌魏喂r下都發(fā)生，環(huán)境溫度越高越明顯。

在35 ℃環(huán)境溫度下應(yīng)用第1節(jié)中的方法診斷，得到的出風(fēng)口噪聲瀑布圖如圖12所示。冷凝壓力、膨脹閥入口過(guò)冷度、蒸發(fā)壓力、膨脹閥出口過(guò)熱度等空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)如圖13所示。

圖12 耐久后關(guān)空調(diào)冷媒流動(dòng)聲瀑布圖

圖13 空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

由圖13可知，在壓縮機(jī)關(guān)閉后，膨脹閥沒(méi)有及時(shí)關(guān)閉，導(dǎo)致空調(diào)高壓壓力迅速降低，直到100 s后與低壓壓力完全平衡，截止作用失效。在高壓壓力降低過(guò)程中，高壓冷媒過(guò)冷度迅速降低至小于0，大量的冷媒氣化流過(guò)膨脹閥產(chǎn)生噪聲。

膨脹閥完全失去截止作用的主要是膨脹閥失效導(dǎo)致的，通過(guò)更換一個(gè)全新的膨脹閥，問(wèn)題解決，冷媒流動(dòng)聲消失，新膨脹閥的空調(diào)參數(shù)如圖14所示。由此可知，空調(diào)關(guān)閉過(guò)程中的冷媒流動(dòng)聲是膨脹閥關(guān)閥速度慢或者失效導(dǎo)致的。

圖14 新膨脹閥空調(diào)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

2.3 電動(dòng)車(chē)壓縮機(jī)運(yùn)行持續(xù)冷媒流動(dòng)聲診斷

某電動(dòng)車(chē)在環(huán)境溫度20 ℃以下，空調(diào)模式全冷吹面內(nèi)循環(huán)一擋風(fēng)量的條件下開(kāi)壓縮機(jī)，在壓縮機(jī)運(yùn)行全程，從出風(fēng)口發(fā)出持續(xù)的嘶嘶聲。鼓風(fēng)機(jī)擋位加大或環(huán)境溫度提高，冷媒流動(dòng)聲都消失。初步判斷和空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷低有關(guān)。

在環(huán)境溫度20 ℃工況下用第一節(jié)的診斷方法測(cè)試，持續(xù)冷媒流動(dòng)聲復(fù)現(xiàn)?？照{(diào)參數(shù)的測(cè)試結(jié)果如下：

圖15 持續(xù)冷媒流動(dòng)聲空調(diào)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

由上圖可知，在出現(xiàn)持續(xù)冷媒流動(dòng)聲時(shí)，空調(diào)的冷凝壓力很低，絕對(duì)壓力只有0.72 MPa，故液化后的冷媒飽和溫度較低，與環(huán)境溫度的溫差很小，液化后冷媒難以散熱，過(guò)冷度持續(xù)小，接近于0（如圖16中橙線所示）。在流動(dòng)過(guò)程中，持續(xù)有冷媒氣化，氣泡沖擊膨脹閥閥芯，發(fā)出持續(xù)的冷媒流動(dòng)聲。

由于此車(chē)前端冷卻模塊已定型，硬件難以優(yōu)化，優(yōu)先通過(guò)軟件優(yōu)化提高低負(fù)荷冷凝壓力，從而改善過(guò)冷度。具體方案如下：

（1）降低冷卻風(fēng)扇最低工作占空比，由30%降低至15%，并提高最低工作占空比對(duì)應(yīng)的冷凝壓力區(qū)間上限值，由10 bar提高到12 bar。

（2）提高壓縮機(jī)最低工作轉(zhuǎn)速，由800 rpm提高到1 000 rpm。

經(jīng)過(guò)軟件更改后，空調(diào)低負(fù)荷工況下冷凝壓力明顯提高，過(guò)冷度由小于1 ℃提高到6 ℃左右，主觀評(píng)價(jià)冷媒流動(dòng)聲基本消失，軟件更改后測(cè)到的空調(diào)參數(shù)如圖16所示。以上說(shuō)明，電動(dòng)車(chē)出現(xiàn)持續(xù)冷媒流動(dòng)聲的主要原因是冷凝壓力過(guò)低，冷媒散熱困難導(dǎo)致過(guò)冷度不足。

圖16 空調(diào)軟件優(yōu)化后參數(shù)測(cè)試結(jié)果

2.4 燃油車(chē)壓縮機(jī)運(yùn)行持續(xù)冷媒流動(dòng)聲診斷

某燃油車(chē)裝配變排量壓縮機(jī)，無(wú)極調(diào)速冷卻風(fēng)扇，同軸管，在外界環(huán)境溫度30 ℃以上，開(kāi)壓縮機(jī)后，車(chē)內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)的嘶嘶聲，關(guān)閉壓縮機(jī)嘶嘶聲消失。

燃油車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中的同軸管是為了充分利用低壓管制冷劑的冷量，冷卻高壓管冷媒，使它有更高的過(guò)冷度，從而提高系統(tǒng)效率和制冷量[10]?？照{(diào)高壓管上裝備同軸管有利于抑制冷媒流動(dòng)聲。如果裝配同軸管的車(chē)輛仍然出現(xiàn)持續(xù)冷媒流動(dòng)聲，則懷疑同軸管的換熱效果。

采用第1節(jié)測(cè)試診斷方法35 ℃工況下對(duì)該車(chē)輛進(jìn)行測(cè)試，為了解同軸管換熱效果，在同軸管前后各布置一個(gè)熱電偶溫度傳感器。

測(cè)試環(huán)境溫度為35 ℃，工況全冷吹面內(nèi)循環(huán)一檔風(fēng)量。測(cè)試中持續(xù)的冷媒流動(dòng)聲復(fù)現(xiàn)。相關(guān)空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)如圖17和圖18所示。

從圖17中可以看出，冷凝器出口過(guò)冷度小于0，說(shuō)明冷凝器出口完全為氣液兩相狀態(tài)，需要依靠同軸管的降溫作用才能液化。再根據(jù)同軸管前后溫差（圖18黃線）發(fā)現(xiàn)同軸管降溫效果并不理想，只有10 ℃左右，因此膨脹閥入口過(guò)冷度略小于10 ℃。該過(guò)冷度不足以使高壓管冷媒完全液化。從而產(chǎn)生冷媒流動(dòng)聲。

圖17 高壓側(cè)空調(diào)參數(shù)

圖18 低壓側(cè)空調(diào)參數(shù)

從圖18可以看出，膨脹閥出口冷媒過(guò)熱度太高，達(dá)到了18 ℃，造成膨脹閥出口冷媒溫度過(guò)高。同軸管的原理是低壓冷媒與高壓冷媒換熱，降低高壓冷媒溫度。如果低壓冷媒溫度過(guò)高，勢(shì)必減弱起降溫效果，使膨脹閥入口過(guò)冷度降低，產(chǎn)生冷媒流動(dòng)聲。

為降低膨脹閥出口過(guò)熱度和低壓冷媒溫度，將膨脹閥作動(dòng)值調(diào)大，增加冷媒流量。更改前后膨脹閥參數(shù)如表3所示。

表3 膨脹閥優(yōu)化前后參數(shù)

優(yōu)化后的低壓側(cè)空調(diào)參數(shù)如圖19所示，膨脹閥出口過(guò)熱度由優(yōu)化前的18 ℃降低至優(yōu)化后7 ℃，膨脹閥出口冷媒溫度明顯降低。同時(shí)，高壓側(cè)空調(diào)參數(shù)如圖20所示，同軸管降溫效果明顯增強(qiáng)，前后溫差由優(yōu)化前12 ℃左右提高到20 ℃以上。膨脹閥入口過(guò)冷度也由優(yōu)化前的10 ℃左右提高到20 ℃左右。冷媒部分液化現(xiàn)象消失，持續(xù)冷媒流動(dòng)聲消失。

圖19 膨脹閥優(yōu)化后低壓側(cè)空調(diào)參數(shù)

圖20 膨脹閥優(yōu)化后高壓側(cè)空調(diào)參數(shù)

由此可見(jiàn)，帶有同軸管的燃油車(chē)出現(xiàn)持續(xù)的冷媒流動(dòng)聲通?？紤]提高同軸管的降溫效果來(lái)改善。

3 結(jié)論

（1）冷媒流動(dòng)聲與高壓管冷媒通過(guò)膨脹閥時(shí)的氣液兩相狀態(tài)相關(guān)，測(cè)試空調(diào)冷凝壓力、膨脹閥前過(guò)冷度、蒸發(fā)壓力、膨脹閥后過(guò)熱度等參數(shù)對(duì)診斷其發(fā)生原因，設(shè)計(jì)改善措施有重大幫助。本文第一節(jié)提出了整車(chē)測(cè)試方法。

（2）燃油車(chē)開(kāi)空調(diào)瞬間冷媒流動(dòng)聲主要原因是膨脹閥開(kāi)閥速度太快，導(dǎo)致太多未液化的氣液兩相冷媒通過(guò)膨脹閥閥芯，激勵(lì)閥芯產(chǎn)生噪聲。解決方案主要是優(yōu)化膨脹閥參數(shù)，推遲膨脹閥開(kāi)閥時(shí)刻及降低開(kāi)閥速度。膨脹閥閥芯阻尼夾對(duì)改善此類(lèi)問(wèn)題效果明顯。

（3）燃油車(chē)關(guān)空調(diào)瞬間冷媒流動(dòng)聲主要原因是膨脹閥失效、關(guān)閉不嚴(yán)或者關(guān)閥速度太慢，導(dǎo)致壓縮機(jī)關(guān)閉后，高低壓管壓力迅速平衡，高壓管冷媒迅速氣化，氣化后的氣液兩相冷媒通過(guò)膨脹閥發(fā)出噪聲。解決方案主要是更換膨脹閥或者提高膨脹閥的關(guān)閥速度。

（4）電動(dòng)車(chē)壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中持續(xù)的冷媒流動(dòng)聲主要原因是低負(fù)荷工況下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速太低，高壓壓力難以建立， 導(dǎo)致高壓管冷媒溫度太低，液化后的冷媒難以繼續(xù)散熱形成過(guò)冷度。冷媒過(guò)冷度太低在流動(dòng)過(guò)程中部分冷媒氣化，氣泡沖擊膨脹閥閥芯產(chǎn)生噪聲。解決方案主要是優(yōu)化空調(diào)軟件標(biāo)定，提高低負(fù)荷工況下的冷凝壓力，提高過(guò)冷度。

（5）裝備有同軸管的燃油車(chē)持續(xù)產(chǎn)生冷媒流動(dòng)聲的主要原因是同軸管的降溫效果差，降溫效果差可能是因?yàn)檫M(jìn)入同軸管的低壓冷媒溫度太高，難以冷卻高壓冷媒。解決方案是調(diào)整膨脹閥參數(shù)，降低膨脹閥出口過(guò)熱度，從而降低同軸管中低壓冷媒溫度，提高其對(duì)高壓冷媒的冷卻效果。從而提高同軸管后膨脹閥前高壓冷媒過(guò)冷度，改善冷媒流動(dòng)聲。