某车型国6 燃油蒸发系统脉动异音探究
【摘要】：本文对某车型国6 车辆在怠速工况下的燃油蒸发系统脉动异音进行探究，介绍了国6 燃油蒸发系统的结构原理、碳罐电磁阀的工作原理，明确了异音的发生工况、频谱特征，分析阐述了异音发生的机理，根据发生机理以及传播路径，提出了可行的对策方向，并验证了对策效果。【关键词】：国6，EVAP，碳罐电磁阀，脉动异音，对策为贯彻《中华人民共和国环境保*护 法和《中华人民共和国大气污染防治法》，防治污染，保护和改善生态环境，保障人体健康，2016 年11 月颁布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》(中国第6 阶段)(GBl8352．6-2016)[1]，即国6 排放法规。从国5 升级到国6，汽油车尾气排放加严30％～50％，蒸发排放限值加严了65％[3]，严格了车辆在停车、行驶以及高温天气下的汽油蒸发排放控制的要求，增加了对加油过程的油气控制。如何在国5 车辆基础上改造达到国6 要求是当前各主机厂的主要的工作之一。燃油蒸发控制系统（Evaporative EmissionControl System, EVAP）就是用来控制蒸发排放。它能够存储燃油系统产生的燃油蒸气，阻止燃油蒸气泄漏到大气中，同时将收集的燃油蒸气适时地输入发动机中进行燃烧。国6 车辆EVAP 系统能更高效的回收利用燃油蒸气，满足国6 法规要求，它同时也导致了某些副作用的发生，本文阐明的异响问题就是该系统产生的副作用之一，如何有效控制该异响，对于推进EVAP 方法采用，达成国6 法规要求，具有重要意义。常见的燃油蒸发控制系统主要由燃油箱、活性炭罐、集中配管(下文简称pipe)、蒸发软管（下文简称hose）、炭罐控制电磁阀（下文简称PCV）等组成，如图1。活性碳罐②是EVAP 中贮存燃油蒸气的部件，碳罐中的活性炭粒具有极强的吸附作用。油箱内的燃油蒸气经油箱管道进入活性炭罐后，被活性炭颗粒吸附。当该系统中的⑥PCV 开启，碳罐通过集中配管、软管、PCV 与节气门相连，燃油蒸气在节气门负压作用下，被吸入发动机中进行燃烧。PCV 便是来控制EVAP 系统管路的通断。电磁阀的开启是由PWM 脉宽控制，高电平时（t1）PCV 开启，低电平时(t2)关闭。通常用Duty 比来定义PCV 的状态。Duty 比的含义是高电平时间占一个整周期(t1+ t2)时间的百分比(Duty= t1/T*100%)。当前脱附流量为Q*Duty。①阀体作动音：阀的开闭过程中，阀芯会与阀座产生撞击，即作动音。在车舱外能听到有节奏的敲击音。同时，PCV 通过支架安装在发动机本体上，该振动可以通过发动机本体、发动机悬置传递到室内。PCV支架与发动机本体的连接，通常会有橡胶隔震。文献资料[4]中所述的便是阀芯落座产生的作动音。②脉动音：当阀开启，发动机进气负压将碳罐中的燃油蒸气吸入到缸内进行燃烧。阀的周期性开闭，引起管道内的气体流速和压力周期性变化，该周期性变化的脉动压力引起EVAP 系统管道振动，管道振动通过卡扣传递到车体，当振动幅值过大，也会产生室内乘客可察觉的异音。在某车型的国6 开发中，当车辆在充分热车后，关闭车窗，怠速停车在较安静环境下，若PCV开启，在车内能听到“哒哒哒”异音，该异音会引起客户抱怨。经测定其频率范围为460~520Hz。初步调查显示，阀体作动频次、EVAP 软管振动频次和异音发生频次完全一致。从下图3 的各部位时域图可知，室内异音与阀体振动、管路振动发生时机也完全吻合，暂无法判断异音的要因来源。为了锁定异音产生原因，做了进一步调查，在异音产生的时候做了以下验证：①断开阀体与发动机连接，室内异音无变化。此时阀体的振动已经不能通过阀体的支架传递，排除是阀体作动音通过支架传递。②阻断管内气流，通过诊断仪控制PCV 开启，阀体正常动作，车辆无异音。此时阀体振动可以通过管路正常传递，则阀本体振动不是异音产生的原因。但是气流被阻断，无气流脉动，结合异音的时域特点，判断其要因是气流脉动引起的管内振动。通过前期调查，已经明确PCV 开启是现象产生的必要条件，但是在调查中发现，有时当PCV 开启，此时管路畅通，有气流脉动，但是异音并没有发生。通过反复现象再现进行调查，锁定现象产生时，必须要满足以下两个条件：①PCV 开启；②充分热车到进气温度大于48℃。当PCV 处于常闭状态，管内无气流脉动，不产生异音。当PCV 的Duty 比大于0，阀周期性开闭，EVAP 管路里产生气流脉动。而国6 车PCV流量大幅度提升，引起脉动压力幅值增大。在调查过程中，监测了进气温度，总结出当异音发生时进气温度均不低于48℃。测量气流压力发现，进气温度上升到48℃后，脉动压力在480Hz 附近有峰值。如下图4 实验验证，进气温度从41℃上升到61℃后，脉动峰值频率从350Hz上升到480Hz，且压力幅值随着温度上升，逐渐增加。经测量，蒸发软管Hose 的共振频率约为500Hz（如图5），与气流脉动最大幅值接近，会发生共振，引起管道振动恶化。不同进气温度工况下的异音主观评价分如下表1 所示，从评价结果可以得出，随着进气温度升高，脉动压力幅值增大，异音也越来越明显。正常走行工况，进气温度一般不高于48℃。在长期怠速或者低速行驶时，进气温度会逐渐上升，并超过48℃。如停车怠速等待、市区拥堵路段，便会出现进气温度上升的情况，如果此时PCV 开启，则异音会发生。异音的消除一般从两个方面考虑对策，一是发生源头，二是传递路径。本现象的源是EVAP流量增大，气流脉动增大，与EVAP 管路共振。但是由于法规排放的要求，无法采取降低脱附流量的对策来消除异音，因此只能从管路共振和路径上进行对策。因此，提出了以下四种验证有效的方案。在集中配管上加质量块可以改变固有值，降低管道振动，使异音减弱到可接受水平。对策效果如图6 所示，对策后异音频率的幅值，有显著降低。但是集中配管是重保件，关系到车辆的行驶安全和人身安全，在配管上对策需要进行一系列耐久可靠性实验验证，周期长，工作量大。软管加套管可以改变软管的共振频率，抑制管道振动，有改善异音的效果。安装方式如图7，市面上一般可选的有尼龙套管和热缩布套管，在车辆的各个管路上均有广泛运用。谐振腔功能是衰减管道内的脉动，谐振腔容积越大，衰减量越大，但是总体效果有限。而取消掉谐振腔，可以改变hose 的共振频率，避免共振的发生，使气流脉动和hose 振动都大幅度降低。以上三个对策都是通过改变hose 的共振频率，消除共振对振动的放大作用。集中配管通过卡扣与车体固定，管道的振动是通过卡扣传递到车体。如果将卡扣改成减震软卡扣，则能衰减振动的传递量。在实际运用中，通过测量各个卡扣处的振动和传递函数，观察各个卡扣处的振动情况，可以计算出最主要入力传递的卡扣，针对最大入力的卡扣进行改善，优化对策成本。通过分析国6 燃油蒸发系统脉动异音的发生工况、发生条件、频率特性、脉动特性，得出脉动异音的根源是国6 系统的燃油蒸气脱附量增大。当进气温度逐渐升高，燃油蒸气脉动幅值增加，且脉动的峰值频率和管路固有频率接近，发生共振，导致管路振动加剧，传递到车体发音。针对发生的原因，从共振和路径上提出了几点有效的对策方向，此种方法也扩展到其他共振问题产生的课题上。作者单位：东风汽车有限公司东风日产乘用车公司技术中心【免责声明】本文来自2020年第十七届汽车NVH控制技术国际研讨会论文集，版权归原作者所有，仅用于学习！对文中观点判断均保持中立，若您认为文中来源标注与事实不符，若有涉及版权等请告知，将及时修订删除，谢谢大家的关注！ 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-04-14
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