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汽车发动机废气涡轮增压系统噪声问题的工程分析控制技术
2 喘振
随着车载涡轮增压器向着高转速、小尺寸和高压比的技术趋势发展，压气机工作的流量范围和压比区间都越来越宽，如果涡轮增压器的动力匹配标定不合理，那么车辆使用过程中就很可能出现喘振现象。当涡轮增压器发生喘振时，压气机的流量和压力都会出现显著的波动，压气机的转子叶片将承受更大的交变载荷，转子轴系统的动态载荷也会明显变大，并伴随异常的振动噪声问题。这不仅影响到增压器密封系统和润滑系统的正常工作，还直接影响到增压器系统的安全性和可靠性，降低整车的NVH性能和车辆驾乘的舒适性，严重情况下可能造成涡轮增压器和发动机的故障损伤。
目前，汽车行业对涡轮增压器的喘振现象，还没有统一明确的定义和识别标准，通常是根据实际测试过程中压气机流量、压力、温度、振动和噪声等状态参数的变化情况，结合具体的工程实践经验，对不同的喘振问题进行分类和判别。常见的喘振类型包括轻度喘振、典型喘振、混合喘振和深度喘振等。
2.1 喘振机理
涡轮增压器喘振问题通常是发动机在一定的转速运转下，压气机的气体流量减小到一定程度时，进入工作叶轮和扩压管入口处的气体流动形式发生显著变化，叶片的来流攻角增大，在叶轮叶片背面的边界气流出现不稳定的分离，分离出的紊流或涡流迅速地扩展到压气机通道的其它区域，引起气流的循环振荡或强烈脉动，并且出现气流的倒流现象或者气体回流的趋势，导致压气机流量、压力或温度等特征参数的明显波动，增压器效率急剧地下降，同时伴随着涡轮增压器或发动机产生异常的振动噪声问题。
如果假设压气机内部空气流动具有一维的不可压缩性，在压气机出口后端容积内是等熵绝热的可压缩过程，压气机内部是温度变化均匀的准稳态过程，以及增压器转速的波动变化较小等前提条件下，涡轮增压器发生深度喘振现象的振荡主频率 fH 可通过赫姆霍兹声腔共振公式(1)进行近似地估算。对于搭载中小排量发动机的汽车而言，深度喘振的频率通常在几十赫兹以内。而对于搭载大排量发动机的商用车或船舶轮机，喘振频率会降低至几赫兹以内。需要注意的是，由于喘振现象的非线性特点，喘振频率也存在着不确定性的演变与发展。
式中，c为声速，Ac为压气机管路的等效截面积，Lc为压气机管路的等效长度，Vp为压气机出口与发动机节气门之间的可压缩空间容积。
2.2 喘振的措施方案
对于增压器喘振问题的“源头”控制，包括了“结构设计”和“匹配标定”的两个方面。
其中，喘振问题的结构设计方案通常是采用改进优化压气机的结构特征（比如，采用较小的叶片进气口、后弯的叶轮、增加流量的消音槽、优化压气机叶片的Trim值、可调的入口导叶、可变截面的导气结构、涡旋进气的导流结构等），以扩大压气机的工作流量范围，或者采用低惯量的转子系统，以及采用主动喷气的主动控制方案等。
而基于整车的增压系统匹配标定优化，通常是整车项目NVH性能开发的中后期阶段最为经济和有效的解决措施。比如，为了防止压气机工作运转时，由于某些不确定的因素进入喘振状态，通常在整车的增压系统标定过程中，根据动力总成台架的试验数据和同类型增压器的匹配经验，划定出一条“防喘线”。一般而言，“防喘线”上的压气机工作流量比相应转速的喘振流量大5~15%。增压器工作区离喘振线越近，就越容易发生喘振，因此在整车的增压器标定匹配之中，应该尽可能地使增压器工作区远离喘振线，从而避免在各种整车工况下发生喘振问题。通常，车载四缸汽油机的涡轮增压器匹配喘振余量推荐为10%以上，搭载三缸或更少发动机缸数的整车匹配标定喘振余量建议推荐为20%左右。
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