机械噪声

浅谈发动机机械噪声的产生、测试及控制

摘要

随着现代化进程的加快以及汽车工业和交通运输的发展，城市机动车辆拥有量日益增加。据国外资料统计，机动车辆所包括的总功率，比其他各种动力(飞机、船舶、电站等)的总和大20倍以上。它们所辐射的噪声，约占整个环境噪声能量的75％。各种调研和测量的结果也表明，城市交通噪声，是目前城市环境中最主要的噪声源。因此，降低机动车辆本身的噪声，是减少城市环境噪声的最根本途径。而且行驶汽车噪声有发动机噪声、底盘噪声、车身噪声以及汽车附件和电气系统的噪声，发动机噪声是汽车的主要噪声源。本文通过对汽车发动机噪声、地盘噪声、车身噪声的产生机理的了解以及对它们进行检测，从而进行一定的降噪等减小汽车噪声措施。

1.发动机机械噪声的产生机理及控制策略

发动机发出的噪声主要有三种类型：燃烧噪声、机械噪声和空气动力噪声。燃烧噪声和机械噪声，是通过发动机的外表面向外辐射，而空气动力噪声主要是在进气和排气过程产生，直接向大气辐射。发动机低速运转时，燃烧噪声是主要噪声源；高速运转时，机械噪声和空气动力噪声是主要噪声源。

1.1燃烧噪声

燃烧噪声产生原理

通常把燃烧时气缸压力通过活塞、连杆、曲轴、主轴承传至机体，以及通过气缸盖等引起发动机结构表面振动而辐射出来的这部分噪声称为燃烧噪声。发动机的燃烧噪声，是在气缸中产生的。燃烧过程中，气缸内的压力波冲击燃烧室壁，气体自身产生的振动，这种振动及辐射噪声呈高频特性。气缸内压力在一个工作循环内呈周期变化，激起气缸内部机件的振动，其频率与发动机转速有关，通过发动机机体向外辐射噪声，这种振动及辐射噪声呈低频特性。其强弱程度，取决于压力增长率及最高压力增长率的持续时间。

燃烧噪声的特性

汽油机燃烧柔和、噪声小，与柴油机相比，其燃烧噪声不突出，因此研究发动机噪声以柴油机为主。因为这种噪声与燃烧过程有关，所以可以从柴油机燃烧

过程的四个阶段——滞燃期、速燃期、缓燃期和补燃期来分别研究它。

在滞燃期内燃料并未燃烧，尚在进行燃烧前必要的物理和化学准备，气缸中的压力和温度变化都很小，因此对噪声的直接影响甚微，但滞燃期对燃烧过程的进展有很大影响，因此对发动机燃烧噪声起着间接的重大影响作用。

在速燃期内燃料迅速燃烧，气缸内压力迅速增加，直接影响发动机的振动和噪声。影响速燃期压力增长率的主要因素是着火延迟期的长短和供油规律。着火延迟期越长，在此期间喷入气缸的燃料越多压力增长率就越高。压力增长率大，意味着柴油机的冲击载荷大，使柴油内零件敲击严重，从而增加了柴油的结构振动和所辐射的噪声。

在缓燃期内，气缸内压力有所增长，但增长率较小，因此能激发起一定程度的燃烧噪声，但对噪声的影响不显著。这个阶段主要对柴油机的动力性和经济性有很大影响。

在补燃期内，因活塞下行且绝大多数燃料已在前两个时期内燃烧完毕，所以对燃烧噪声影响不大。

综上所述，燃烧过程所激发的噪声主要集中在速燃期内，其次是缓燃期。燃烧噪声主要表现在两个方面，一是由气缸压力急剧变化引起的动力负荷，由此产生结构振动和噪声，其频率相当于各传声零件的自振频率；二是由气缸内气体的冲击波引起的高频振动和噪声，其频率为气缸内气体的自振频率。

在速燃期内产生的气体动力载荷，使柴油机内相应零件受到一种敲击。由于柴油机的结构可视为一个复杂的振动系统，大多数零件的自振频率处中、高频率范围内，因此，由结构传声而向外辐射的燃烧噪声频率也处在中、高频率范围内。由动力载荷引起的噪声，主要取决于压力增长率及最高压力增长率持续的时间，压力增长越快，持续高增长率时间越长则噪声就越大。在燃烧过程中，随着气缸内气体压力的剧变，与火焰传播的同时，冲击性质的压力波也随着传播，当冲击波达到燃烧室壁面后将进行多次反射，从而形成了气体的高频振动，这就是柴油机产生高调噪声的原因。

燃烧噪声的控制策略

在汽车发动机中，燃烧噪声在总噪声中占有很大比例，研究如何降低其燃烧噪声具有特别重要的意义。目前所研究出的降噪措施主要有：

(1)采用隔热活塞以提高燃烧室壁温度，缩短滞燃期，降低空间雾化燃烧系统的直喷式柴油机的燃烧噪声。

(2)提高压缩比和应用废气再循环技术也可降低柴油机的燃烧噪声。但压缩比主要决定了柴油机的机械负荷与热负荷水平。废气再循环技术通过降低气缸最高压力，在抑制NOx产生的同时，也降低了燃烧噪声。

(3)采用双弹簧喷油阀实现预喷。即将原本打算一个循环一次喷完的燃油分两次喷。第一次先喷入其中的小部分，提前在主喷之前就开始进行着火的预反应，这样可减少滞燃期内积聚的可燃混合气数量。这是降低直喷式柴油机燃烧噪声的最有效措施。通过降低双弹簧喷油器初次开启压力和针阀的预升程来抑制空气和燃料混合气的形成，以此对怠速工况的燃烧噪声产生影响。通过设计两段升程装置，采用引燃喷射装置在较大的转速范围及加速情况下来抑制燃烧噪声。

(4)共轨喷油系统是一种很有前途的直喷式轿车柴油机电子控制高压燃油喷射系统，它能减少滞燃期内喷入的燃油量，特别有利于降低燃烧噪声。

(5)采用增压。柴油机增压后进入气缸的空气充量密度、温度和压力增加，从而改善了混合气的着火条件，使着火延迟期缩短。虽然增压柴油机最大爆发压力有所增加，但其压力增长率dp/dφ和压力升高比λ却变小，使柴油机运转平稳，噪声降低。此外，一般来说，涡轮增压柴油机最大额定功率的转速要比同样气缸尺寸的非增压柴油机低，有利于降低燃烧噪声。增压空气中间冷却后，空气温度降低，充气效率得以提高，但同时也削弱了增压对降低燃烧噪声的作用。

(6)燃烧室的选择和设计。对于分开式燃烧室，精确的喷油通道、扩大通道面积、控制喷射方向和预燃室进气涡流半径的优化，均能抑制预混合燃烧，促进扩散燃烧，从而降低由低负荷到高负荷较宽范围的燃烧噪声、燃油消耗和碳烟排放。对于直喷式燃烧室，可以通过合理设计，使其在保证足够的涡流下具有高紊动能，强化燃料与空气之间的扩散，以此来改善燃烧过程，实现柴油机低油耗、低噪声和低排放。活塞顶燃烧室结构对燃烧噪声有很大影响。孔口较小、深度较深者，燃烧噪声就小得多，排放也明显较好。再加上缩口形，减噪效果就更趋好转。因此，设计时在变动许可范围内，最好选用缩口并尽可能加深些的ω形燃烧室。

(7)减小供油提前角。供油提前角小，喷油时间延迟，气缸内温度和压力在燃油喷入时较高，燃油一经喷入即雾化，瞬间达到着火点，缩短了滞燃期。最先喷入的燃油爆发燃烧，而后续喷入火焰中的燃油因氧气不足而不会立即燃烧，这样，由于初期燃烧的燃油量少，压力升高率低，可使燃烧噪声减小。大多数柴油机的燃烧噪声随供油提前角的减小而有所降低。

(8)选用十六烷值高的燃料，着火延迟期较短，从而影响在着火延迟期内形