控制策略对发动机振动噪声水平影响的研究

Feb.2011

控制策略对发动机振动噪声水平影响的研究

林学东,袁方恩,黄󰀁丫,崔󰀁磊,沈小东

(吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室,吉林长春󰀁130025)

󰀁󰀁摘要:4行程发动机曲轴振动是其主要振动噪声源,对于多点电控喷射系统,各缸不均匀性的控制策略直接影响曲轴转速的波动。为此对A,B两台样机在采用S型和D型两种不同控制系统时的整机噪声进行了对比试验分析。结果表明,S型和D型系统对各缸不均匀性控制策略的不同造成样机噪声水平不同,样机A振动噪声较大的主要原因不仅在于其整机结构的频响特性上,而且其控制策略也是影响其振动噪声的不可忽略的因素。󰀁󰀁关键词:电控燃油喷射系统;振动;噪声;控制策略

中图分类号:TK411.6󰀁󰀁文献标志码:B󰀁󰀁文章编号:1001󰀁2222(2011)01󰀁0049󰀁03

󰀁󰀁随着节能与排放法规的不断强化,发动机的电控技术得到不断完善,同时发动机强化程度以及轻

量化要求不断提高,发动机结构发生了较大的变化,其振动噪声及频谱特性也发生了很大变化。振动噪声作为发动机工作过程中结构响应特性的对外表现,不仅与发动机的整体结构特点、零部件材料以及工况有关,而且还直接与发动机的控制策略有关。结构一定的发动机采用不同控制系统,其噪声水平不同。因此,对发动机控制策略进行优化,是改善整车平顺性和乘坐舒适性,降低城市环境汽车噪声污染的重要途径[4];反之,通过对发动机噪声及其频谱特性的分析,也可以评价控制策略的优劣。本研究针对2.4L试验样机,在相同试验条件下更换不同控制系统,分析不同控制系统对发动机振动噪声的影响,以便通过噪声分析对不同控制系统的控制策略进行评价。

谱特性采用多功能振动噪声分析系统来测量。噪声实验室各壁面采用吸声材料进行吸声处理,满足噪声试验要求。在试验之前首先测量本底噪声频谱特性,以修正环境噪声对试验测试结果的影响,利用声源法测量房间修正常数,修正实际测量结果。

图1󰀁传声器的布置

󰀁󰀁为了分析电控系统控制策略对发动机噪声及其频谱特性的影响,在A,B两台样机上分别采用国内同类发动机上应用较多的S型和D型控制系统,并在相同试验条件下进行噪声水平的对比试验。其中,S型是样机B原型控制系统,而D型是样机A原型控制系统。由于S型和D型控制系统是不同厂家设计开发的,其控制策略不同,因此对发动机的控制效果不一样。

1󰀁试验条件及试验方法

试验用A,B两台样机结构相同,均为直列4缸、16气门、顶置凸轮轴、采用电控多点燃油喷射的汽油机,两台样机气缸直径为86.5mm,行程为100mm,压缩比为9.5,排量为2.351L。样机B是国外产品,而样机A是参照样机B设计制造的国产发动机。噪声测量点的布置见图1。在试验过程中采用PBWC150电涡流自动试验台,将转速波动率控制在 1r/min,冷却水温控制在(75 3)!,润滑油温度控制在70~85!范围之内。噪声及其频

󰀁󰀁收稿日期:2010󰀁09󰀁02;修回日期:2010󰀁11󰀁10

2󰀁试验数据及分析

为了分析不同控制系统对发动机振动噪声的影响,在样机A上分别采用S,D两种不同控制系统,对2300r/min,3000r/min和4000r/min3种转

速下全负荷特性上的噪声频谱特性进行了对比试验分析,结果见图2。图中噪声频谱是图1所示的4个

作者简介:林学东(1959󰀂),男,教授,研究方向为内燃机工作过程优化及控制;xdlin@jlu.edu.cn。

󰀁∀󰀁50󰀁∀󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁车󰀁用󰀁发󰀁动󰀁机󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2011年第1期

测量表面上的噪声频谱按频率合成的结果。相较于采用S型控制系统,采用D型控制系统后,2300r/min和3000r/min转速时200Hz以下的低频成分和1600Hz以上的高频成分明显增加,而在4000r/min时虽然基频以下的低频成分有所降低,但基频附近(160Hz)的峰值及其4阶谐波峰值以及中高频频率成分明显升高。因此,在样机A全负荷速度特性上,采用D型控制系统时的总噪声水平普遍高于采用S型控制系统时(见图3)。

荷越大,由燃烧引起的振动噪声越大。由于样机A和样机B燃烧系统及燃油供给系统相同,均采用进气管多点喷射系统,因此在相同工况下,燃油喷射量和缸内燃烧条件基本相同。样机B采用不同控制系统时噪声水平不同,是因D,S两种控制系统对各缸喷油器的控制策略不同所致。此外,当A,B两台样机上都采用S型控制系统时,除在小负荷区两台样机的噪声水平基本相同以外,其他负荷范围随负荷的增加,样机A的噪声水平相对样机B的差别增大。而且在相同的试验条件下,即使样机A采用S型控制系统,其噪声水平仍然普遍大于样机B。这一现象充分说明样机A的振动噪声不仅在于其结构的频响特性,而且还与其控制系统的控制策略直接相关。

图2󰀁不同控制系统对样机A噪声频谱特性的影响

图4󰀁不同控制系统在负荷特性上对样机噪声水平的影响

图3󰀁不同控制系统对样机A噪声水平的影响

󰀁󰀁图5示出在常用的中等负荷下,样机B采用不同控制系统时噪声水平随转速的变化特性。在相同负荷下随转速的增加,燃烧噪声基本保持不变,而机械噪声增加,所以总噪声水平随转速呈线性增加。当采用D型控制系统时,由于其控制策略不同,造成各缸燃烧不均匀性大于采用S型控制系统,在各转速下的总噪声水平明显增加(平移)。表明D型控制系统对各缸喷油器的控制策略,即各缸不均匀性控制上的措施不如S型控制系统好,因此造成基󰀁󰀁为了分析控制系统在不同样机上的控制效果,在样机B上也分别采用S,D两种不同控制系统,并在上述3种转速下的负荷特性上对噪声水平进行了对比分析,结果见图4。为了便于比较,将样机A采用S型控制系统时的噪声水平一同对比。由图可见,当样机B采用D型控制系统时,噪声水平同样明显提高,而且随负荷的增加噪声水平提高程度有增加的趋势。这就是说当采用D型控制系统时,负2011年2月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

∀󰀁51󰀁∀󰀁林学东,等:控制策略对发动机振动噪声水平影响的研究󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

频噪声和高频段燃烧噪声普遍升高。能和策略将发动机转速自动恢复到熄火之前的转速。但由于两种控制系统的控制方法不同,恢复转

速时发动机转速的波动量不同。试验结果表明样机A采用D型控制系统时的转速波动量明显大于采用S型控制系统,表明对各缸喷油器相对曲轴瞬时转速的不均匀性控制欠佳,直接影响整机的振动噪声。

3󰀁结论

图5󰀁中负荷速度特性上不同控制系统对样机噪声水平的影响

a)对于A,B两台样机,当采用D型控制系统时发动机的噪声水平均明显高于采用S型控制系统时,表明控制策略成为影响发动机振动噪声不可忽略的因素之一;

b)样机A的振动噪声水平大于样机B的主要原因不仅在于其整机结构的频响特性,而且与其各缸不均匀性的控制策略直接有关;负荷越大,因各缸不均匀性造成的噪声水平差别就越大,因此,各缸不均匀性的控制是改善发动机振动噪声,进而改善整车舒适性的主要手段之一。

󰀁󰀁为进一步说明各缸不均匀性的控制策略对发动机噪声的影响,根据电控系统均设有曲轴转速均匀性控制的功能,以及相同工况下曲轴转速的瞬态波动取决于各缸均匀性控制的具体特点[5],样机A分别采用两种不同控制系统,在相同的试验条件下,对同一气缸进行强制灭缸时的噪声水平进行了对比分析,结果见图6。

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机械工业出版社,2008.

󰀁󰀁当样机A采用D系统时,熄灭1缸点火后的各

转速下的噪声水平普遍高于采用S型控制系统熄灭同一气缸点火时的噪声水平。不管哪一种电控系统,当熄灭某一气缸点火后发动机转速都会降低并波动,此时电控系统根据自身转速均匀性的控制功

TheInfluenceofControlStrategyonEngineVibrationNoise

LINXue󰀁dong,YUANFang󰀁en,HUANGYa,CUILei,SHENXiao󰀁dong

(StateKeyLaboratoryofAutomobileDynamicSimulation,JilinUniversity,Changchun󰀁130025,China)

Abstract:Thecrankshaftvibrationwasthemainsourceofvibrationnoisefora4󰀁strokeengine.Forthemulti󰀁pointinjection

system,thecontrolstrategyofworkingvariancebetweencylindersdirectlyaffectedthefluctuationofcrankshaftspeed.Ac󰀁cordingly,theinfluencesofS󰀁typeandD󰀁typecontrolsystems,whichhaddifferentcontrolstrategiesandwereseparatelymountedtoAandBengine,onengineoverallnoisewerecomparedbytheexperiment.Theresultsshowthatthenoisespro󰀁ducedbyS󰀁typeandD󰀁typecontrolsystemsaredifferent.ThenoiseofAengineislarger.Thelargervibrationnoiseisnotonlyrelatedtoenginefrequencycharacteristics,butcontrolstrategyisalsoafactorthatcannotbeneglected.

Keywords:electronic󰀁controlledfuelinjectionsystem;vibration;noise;controlstrategy

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