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某国六发动机进气电磁流量计读数漂移问题研究

时间: 2019-11-02        
摘要 针对某国六发动机进气流量 ( mass air flow,MAF) 传感器在某转速升负荷后出现读数漂移现象,根据经验对增压器的进排气系统进行了噪声振动试验。试验结果表明,发动机涡轮增压器的 BPF 噪声振动影响了 MAF 传感器的读数。通过优化涡轮增压器压气机叶轮形状、在 MAF 传感器和增压器之间加消声器等降低 BPF 噪声振动的措施,解决了该发动机的 MAF 传感器读数漂移问题,满足了开发阶段的发动机性能及排放要求。
 
    引言
    随着我国经济的高速发展,家用小汽车及工程车辆数量会越来越多,带来严重污染,影响人们的身体健康。随着国民对环境保护意识的提高,也为了保护环境,让人们远离雾霾,政府已经非常明确“让蓝天白云回来”的承诺,将治理空气污染列为重点国家重大任务来抓,所以国家排放法规将会越来越严格。为了满足市场需求,提高竞争力,目前很多发动机厂都在开发满足国六排放的发动机,以满足市场需求,提高市场占有率。
 
    国六发动机是高度电气化和智能化的,采用很多传感器,如氧传感器、水温传感器、气体压力传感器、进气流量 ( mass air flow,MAF) 传感器等。这些传感器可能会因发动机振动或增压器噪声而引起失效或读数漂移,从而严重影响发动机性能及排放性能,给发动机厂带来更高的质量客诉成本。因此,在国六发动机开发过程中需要注重 NVH 开发及优化设计; 尤其在开发阶段前期进行硬件选型时,一定注重对各种传感器进行 NVH 指标考察,确认此传感器是否满足所选用的发动机平台的振动要求,传感器振动疲劳耐久性能是否能承受现有发动机振动水平。
 
    某国六发动机的 MAF 传感器出现读数漂移问题,经分析此问题系由涡轮增压器 BPF 振动引起。为此,对增压器及其进排系统进行分析,提出改善措施并进行验证。
 
    1 问题描述
    国六发动机必须使用 MAF 传感器。开发中的某国六发动机,在进行排放试验时,技术员反馈在Ramp 试验 ( 发动机稳定在 1 500 r/min 点,扭矩达到 200 Nm 后运行 200 s,再提高至 500 Nm 并运行200 s,然后降低到 200 Nm) 时,MAF 传感器读数与试验台架流量计读数差异较大,如图 1 所示。 MAF 传感器的读数直接影响到发动机性能参数及排放。经过多次排查确认,MAF 传感器读数漂移并非由传感器本身引起的,而可能是由于其他振动引起的。
 
 
    2 问题分析
    2. 1 振动试验
    根据对 Ramp 试验工况的分析初步判定,MAF传感器读数与试验台架流量计读数差异较大主要与涡轮增压器转速有关系,而与发动机转速无关,这样可以判断涡轮增压器是引起 MAF 传感器读数漂移的主因。为了佐证初步判定的正确性,对涡轮增压器的进排气系统进行振动噪声测试,测量 MAF传感器本体振动,测量结果如图 2 所示。图 2 中的振动加速度是均方值 ( RMS 值) 。
 
    由图 2 可见,MAF 传感器本体振动大。当增压器转速为 11 000 ~ 14 000 r/min 时,其振动频率为 10 500 ~ 11 200 Hz,非常大。将 MAF 传感器本体振动频谱数据与其对应的读数偏移对比发现, MAF 传感器读数漂移与传感器本体振动有关,这说明是增压器的振动噪声影响了进气电磁流量计的读数。
 
    2. 2 涡轮增压器振动噪声[1]
    2. 2. 1 同步噪声
    同步噪声 ( Synchronous 噪声) 由转子部件的不平衡量(即 G 值) 振动引起的机械结构噪声,叶轮转子在高转速下因自身的不平衡产生扰动,引起转子的自激励振动,频率与增压器转速相同,一般在 4 000 Hz 以内,通过增压器涡轮端的排气管路进行传播。G 值可用仪器测得,也可通过计算得到。
 
    2. 2. 2 叶片通过噪声
    叶片通过 ( blade passing frequency,BPF) 噪声是叶轮叶片扫气产生的气体涡流噪声。当气体经过蜗壳舌尖部分时,由于叶轮旋转运动而产生较大的气体压力变化,从而对叶轮振动产生大的激振作用,引起叶轮叶片周期性振动而产生的高频噪声。压气机叶轮引起的噪声为压气机 BPF ( CBPF) ,涡轮叶轮引起的噪声为涡轮 BPF ( TBPF) ,频率一般在 10 kHz 以上,为 Synchronous 噪声的倍频,与叶轮叶片数相关。CBPF 噪声通过压气机端入口、出口管路辐射传播,TBPF 通过涡轮端入口、出口管路辐射传播。可以通过改变压气机或涡轮的叶轮叶片数目,及传播管路隔声等方法来降低 BPF 噪声。
 
    2. 2. 3 嘶嘶噪声
    发动机工况变化时,由于进气系统中气流不稳定,压力波在管路中来回反射,促使管道振动产生嘶嘶声 ( Hiss 噪声) 。这种噪声与进气管路布置、发动机标定 ( 废气再循环 ( EGR) 阀、节气门等标定) 及增压器有关,其频率范围较宽,一般在1 000 ~ 4 000 Hz,主要通过进气管路的管壁辐射传播。一般可通过采用优化发动机标定、管路隔声或消声等方法来降低 Hiss 噪声。
 
    对 MAF 传感器本体振动频率分析发现,增压器的压气机 CBPF 与 MAF 传感器读数漂移有很好的对应关系,所以可判断引起 MAF 传感器读数漂移主要由 CBPF 造成。为了减小或者消除 MAF 传感器读数漂移,必须从降低 CBPF 着手,或者从传递路径上减小 CBPF 对 MAF 传感器读数的影响。
 
    3 改进方案
    3. 1 方案确定
    该发动机使用的是大陆汽车公司生产的电磁流量计。市场上只有博世和大陆汽车公司生产的发动机流量计质量可靠性高,但博世公司没有满足此发动机的 MAF 传感器。因此,最直接、成本最低的改进方案是从噪声源头及传递路径进行改进:
 
    1)对涡轮增压器的压气机叶轮进行改进,优化噪声源设计;
 
    2)在 MAF 传感器及涡轮增压器之间加一消声器,通过降低 CBPF 振动幅值来减小 MAF 传感器的读数漂移。
 
    3. 2 噪声源设计优化
    请涡轮增压器供应商对压气机的叶轮尺寸及外形按照低 CBPF 噪声要求进行重新设计,以满足MAF 传感器的使用环境。改进前后的压气机叶轮外形对比如图 3 所示。
 
 
    3. 3 传递路径优化
    为更快捷地改善MAF读数,缩短开发周期,在MAF传感器及涡轮增压器之间加一消声器(见图 4),以减小 CBPF 振动幅值,从而减小空气扰流振动对 MAF 传感器读数的影响,最终达到减小MAF传感器读数漂移的目的。
 
    4  改进方案验证
    4. 1 增压器优化设计
    对优化后的增压器进行试验,首先验证其是否能满足发动机性能及排放要求; 然后将优化后的增压器与原增压进行对比试验,验证优化后的减振效果。对比试验时,测量优化前后的增压器进排气系统振动噪声,测量 MAF 传感器本体振动,并采集MAF 传感器读数与台架流量计读数对比。验证结果如图 5 ~ 7 所示。图 5 中的振动加速度是均方值(RMS 值)。
 
 
    根据对比试验结果可知,通过对压气机叶轮尺寸轮廓的改进,MAF 传感器读数漂移得到了很大的改善,基本满足发动机性能及排法要求。本次MAF 传感器出现的读数漂移问题表明,对需要使用 MAF 传感器的发动机机型,应该对其增压器BPF 振动及其他振动实行有效管控,长期对策是对涡轮增压器生产过程实现严格管控,设定 BPF 振动及其他振动限值,以减小及消除其对 MAF 传感器读数的影响。这样可加快发动机开发进度,并减少后续量产后的质量客诉成本。
 
    4. 2 传递路径优化
    在增压器和 MAF 传感器之间管路上安装消声器后,在发动机试验台架上进行 MAF 传感器本体振动测试,并采集 MAF 传感器读数与台架标准气体流量对比,以验证优化效果。验证结果如图 8 ~ 9 所 示。图 8 中的振动加速度是均方值 ( RMS 值) 。
 
 
    由图 8 ~ 9 可见,通过在增压器和 MAF 传感器之间加消声器后,MAF 传感器的本体振动幅值在共振频率段明显减小,相应的 MAF 传感器读数也得到很大的改善,能满足发动机性能及排放要求。
 
    5 结论
    (1) 涡轮增压器噪声中的 BPF 振 动 是 影 响MAF 电磁流量计读数准确性根本原因。
 
    (2) 优化涡轮增压器的压气机叶轮可有效减小压气机的 BPF 振动幅值,从而可有效改善 MAF传感器读数精度。
 
    (3) 在 MAF 传感器及涡轮增压器之间加一消声器,能有效减小 BPF 振动幅值对 MAF 读数的影响。
 
    (4) 2 种方案都能有效改善 MAF 读数精度,满足国六发动机的性能和排放的要求。由于消声器是布置在整车管路上,且受空间及成本限制,很多主机厂目前都很难接受此方案来改善 MAF 读数,但其可以作为今后某些车型的选项。
 
    (5) 使用 MAF 传感器的发动机,在增压器选型时,应选择BPF振动小的增压器,或 不出现BPF引起共振的增压器。如果增压器选择条件有限,可选用抗噪声强的 MFA 传感器,以避免出现MFA 传感器读数漂移问题。

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