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柴油发动机车辆关键NVH问题总结
2019-10-23 23:38:36· 来源：汽车NVH云讲堂 作者：吕兆平
柴油发动机车辆的关键NVH问题 柴油机燃烧过程中声辐射水平较高，声品质较差（敲缸声音明显）。 由于压缩比较大，柴油机的振动水平较高，尤其是怠速和发动机启/停
柴油发动机车辆的关键NVH问题
• 柴油机燃烧过程中声辐射水平较高，声品质较差（敲缸声音明显）。
• 由于压缩比较大，柴油机的振动水平较高，尤其是怠速和发动机启/停阶段 。
• 由于缸压较高以及扭矩回冲，柴油机的扭转水平也较高。
图1 某车企的三缸柴油机
燃烧噪声
达到一个较低的燃烧噪声水平通常是柴油机开发过程中的一个关键要求，尤其是低转速某些负载下更是如此，因为此时其他噪声源（比如风噪和路噪）产生的遮蔽效应较小。
近些年，燃油共轨技术确实显著降低了柴油机的燃烧噪声，但更严的法规将逐步蚕食目前取得的优势。
除了发动机本体之外，车辆自身的隔吸声能力也是获得一个较低燃烧噪声水平的关键。车辆的隔吸声能力受控于内饰材料的隔吸声性能以及车辆的密封性能。
怠速噪声与振动
对于柴油机在怠速工况，除了要关注高频燃烧噪声之外，还需考虑发动机悬置处较大的传递力所引起的振动以及结构声问题。对于悬置系统来说，需要提供更高的隔振性能。不仅要考虑悬置的结构、数量、安装位置、刚度还需考虑悬置系统与车身其他零部件的模态耦合可能。
结构传播噪声
尽管与普通汽油机相比，柴油机的工作转速范围较窄，并因此降低了发动机基频激励车辆零部件共振的几率，但柴油机车辆的结构传播噪声仍然是一个非常重要的问题。这主要是由于低转速时较高的发动机扭矩以及较大的动态力水平会作用在传动轴和发动机悬置上，从而导致相关的NVH问题。
发动机启/停振动
对于柴油机来说，怠速时振动较大主要是由于缸压较大以及扭矩反冲引起的，正因如此，为了降低力传递，悬置系统需要做的更软，比如需要将P/T Roll模态做的更低，这将导致发动机启/停过程振动更大。更软的悬置也会影响车辆的操纵性能，比如Tip-in/out会导致过大的冲击以及车辆的shuffle振动。
控制策略：为了提高EGR水平，很多柴油机制造商在进气系统上增加一个节气门，这可以降低发动机停止过程中的缸内泵压，进而降低停止过程中的发动机振动。在悬置系统设计上，保证悬置系统的弹性轴与TRA重合，可以降低发动机拖动过程中任意方向的水平振动。
进排气噪声
当今大部分柴油机都使用涡轮增压技术，涡轮增压器本身会带来一些NVH问题（如，whistle, squeal, whoosh噪声等）。同时涡轮增压器会导致排气系统内气流流速增加，并产生一些高频湍流噪声（气体冲击噪声）。为了降低气体冲击噪声而增大排气管直径还需考虑对发动机低阶次噪声的影响。
与传统汽油机相比，柴油机由于没有节气门，在一些负载工况和巡航工况下，进气口噪声普遍偏高。因此在设计进气系统时不仅要考虑进气系统的设计（比如使用更大容积的进气系统，使用亥姆霍兹共振腔、1/4波长管等），还需考虑把进气口放在噪声灵敏度较低的位置。
废气再循环（EGR）系统也会带来相应的NVH问题。
发动机本体振动的增大也会导致进排气系统振动增大，这些振动会通过吊耳或与车身连接点传递至车身引起结构声问题。同时排气系统上的颗粒物净化装置也会影响排气系统动态性能。
变速器噪声
与汽油机相比，柴油机缸内压力较大，扭矩反冲较强，因此具有较大的转速波动。因此，对于柴油机车辆，齿轮敲击问题更为突出。所以，柴油机上普遍使用双质量飞轮（DMF）以降低扭转振动向变速器的传递，但这会导致曲轴和前端附件振动增大。这会引起另一些NVH问题。
通过噪声和外部噪声
柴油机本体的高辐射噪声不仅影响车内噪声，也影响车外噪声。当今车辆的车外噪声不仅要满足通过噪声法规，还需向声音接受者传递一个良好的声品质印象。使用发动机隔声罩以达到法规和声品质的要求需要进行仔细设计，因为隔声罩可能会对发动机的冷却和车辆的空气动力学性能产生影响。
进排气系统通过是通过噪声的主要贡献源。对于排气系统来说，气流的冲击噪声也是一个普遍考虑的因素，缺少节气门的进气系统噪声也可能在某些情况下对通过噪声起到很大的贡献。
与传统汽油机相比，柴油机倾向于在更低转速上输出更大扭矩，这也会对车辆通过噪声产生影响。
柴油机与汽油机相比NVH性能存在的主要差异
同等排量的柴油机比汽油机辐射噪声更高。与汽油机相比，柴油机的燃油喷射系统和燃烧过程会产生较差的声品质问题。
与汽油机相比，现有柴油机发动机悬置的振动水平更高，曲轴扭振问题也很普遍。这源于柴油机具有较高的缸内峰值压力以及较大的压力变化率。因此，当把柴油机安装到车身上后（一般为汽油机设计），NVH性能需要做较大的改善。
图2 横置手动涡轮增压柴油机悬置布置
• 柴油机燃烧过程中声辐射水平较高，声品质较差（敲缸声音明显）。
• 由于压缩比较大，柴油机的振动水平较高，尤其是怠速和发动机启/停阶段 。
• 由于缸压较高以及扭矩回冲，柴油机的扭转水平也较高。
图1 某车企的三缸柴油机
燃烧噪声
达到一个较低的燃烧噪声水平通常是柴油机开发过程中的一个关键要求，尤其是低转速某些负载下更是如此，因为此时其他噪声源（比如风噪和路噪）产生的遮蔽效应较小。
近些年，燃油共轨技术确实显著降低了柴油机的燃烧噪声，但更严的法规将逐步蚕食目前取得的优势。
除了发动机本体之外，车辆自身的隔吸声能力也是获得一个较低燃烧噪声水平的关键。车辆的隔吸声能力受控于内饰材料的隔吸声性能以及车辆的密封性能。
怠速噪声与振动
对于柴油机在怠速工况，除了要关注高频燃烧噪声之外，还需考虑发动机悬置处较大的传递力所引起的振动以及结构声问题。对于悬置系统来说，需要提供更高的隔振性能。不仅要考虑悬置的结构、数量、安装位置、刚度还需考虑悬置系统与车身其他零部件的模态耦合可能。
结构传播噪声
尽管与普通汽油机相比，柴油机的工作转速范围较窄，并因此降低了发动机基频激励车辆零部件共振的几率，但柴油机车辆的结构传播噪声仍然是一个非常重要的问题。这主要是由于低转速时较高的发动机扭矩以及较大的动态力水平会作用在传动轴和发动机悬置上，从而导致相关的NVH问题。
发动机启/停振动
对于柴油机来说，怠速时振动较大主要是由于缸压较大以及扭矩反冲引起的，正因如此，为了降低力传递，悬置系统需要做的更软，比如需要将P/T Roll模态做的更低，这将导致发动机启/停过程振动更大。更软的悬置也会影响车辆的操纵性能，比如Tip-in/out会导致过大的冲击以及车辆的shuffle振动。
控制策略：为了提高EGR水平，很多柴油机制造商在进气系统上增加一个节气门，这可以降低发动机停止过程中的缸内泵压，进而降低停止过程中的发动机振动。在悬置系统设计上，保证悬置系统的弹性轴与TRA重合，可以降低发动机拖动过程中任意方向的水平振动。
进排气噪声
当今大部分柴油机都使用涡轮增压技术，涡轮增压器本身会带来一些NVH问题（如，whistle, squeal, whoosh噪声等）。同时涡轮增压器会导致排气系统内气流流速增加，并产生一些高频湍流噪声（气体冲击噪声）。为了降低气体冲击噪声而增大排气管直径还需考虑对发动机低阶次噪声的影响。
与传统汽油机相比，柴油机由于没有节气门，在一些负载工况和巡航工况下，进气口噪声普遍偏高。因此在设计进气系统时不仅要考虑进气系统的设计（比如使用更大容积的进气系统，使用亥姆霍兹共振腔、1/4波长管等），还需考虑把进气口放在噪声灵敏度较低的位置。
废气再循环（EGR）系统也会带来相应的NVH问题。
发动机本体振动的增大也会导致进排气系统振动增大，这些振动会通过吊耳或与车身连接点传递至车身引起结构声问题。同时排气系统上的颗粒物净化装置也会影响排气系统动态性能。
变速器噪声
与汽油机相比，柴油机缸内压力较大，扭矩反冲较强，因此具有较大的转速波动。因此，对于柴油机车辆，齿轮敲击问题更为突出。所以，柴油机上普遍使用双质量飞轮（DMF）以降低扭转振动向变速器的传递，但这会导致曲轴和前端附件振动增大。这会引起另一些NVH问题。
通过噪声和外部噪声
柴油机本体的高辐射噪声不仅影响车内噪声，也影响车外噪声。当今车辆的车外噪声不仅要满足通过噪声法规，还需向声音接受者传递一个良好的声品质印象。使用发动机隔声罩以达到法规和声品质的要求需要进行仔细设计，因为隔声罩可能会对发动机的冷却和车辆的空气动力学性能产生影响。
进排气系统通过是通过噪声的主要贡献源。对于排气系统来说，气流的冲击噪声也是一个普遍考虑的因素，缺少节气门的进气系统噪声也可能在某些情况下对通过噪声起到很大的贡献。
与传统汽油机相比，柴油机倾向于在更低转速上输出更大扭矩，这也会对车辆通过噪声产生影响。
柴油机与汽油机相比NVH性能存在的主要差异
同等排量的柴油机比汽油机辐射噪声更高。与汽油机相比，柴油机的燃油喷射系统和燃烧过程会产生较差的声品质问题。
与汽油机相比，现有柴油机发动机悬置的振动水平更高，曲轴扭振问题也很普遍。这源于柴油机具有较高的缸内峰值压力以及较大的压力变化率。因此，当把柴油机安装到车身上后（一般为汽油机设计），NVH性能需要做较大的改善。
图2 横置手动涡轮增压柴油机悬置布置
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