3-发动机噪声

dP I Pmax dt max
2
7
燃烧噪声
汽缸内的燃烧噪声和压力
压力取决于
1. 最大压力 2. 压力面积 (能量) 3. 曲轴旋转角上的第一和第二级压 力
声级取决于:
1. 在低频情况下, 最大压力和压力集中 作用面积
2. 在中频情况下, 一级压力 rates over 曲轴旋转角
14
机械噪声
活塞销摆动噪声
• Ticking是当活塞销在活塞承受相反的负荷时，活塞销在活塞销孔里改变方向从而冲 击活塞时产生的. 活塞销偏置大致在 25-40°发生 上止点之前 (BTDC) 频率内容大致在 2-3 kHz 范围 销偏置与发动机负荷和转速有反比关系
• • •
活塞销偏置的关键设计因素:
发动机噪声 – 负荷 – 频率
•
• •
在空转时,阀系噪声是重要的
高负荷情况,燃烧噪声在所有 的噪声中占主要地位 低负荷情况,机械噪声在所有 的噪声中占主要地位
• •
总的来说, 在一个 SI 发动机里燃烧噪声频率内容低于 1 kHz 三分之一八度音 阶带宽. 机械噪声声源一般有宽的频率范围,能达到4 kHz 倍频带或者更高.
8. 进气噪声
9. 排气噪声 10.燃烧噪声
6
3
发动机噪声源
发动机噪声源 机械噪声
燃烧噪声
• • • 活塞受力: 敲击声 缸盖受力 轴承冲击
机械振动和噪声
• • • • 曲轴轴系: 活塞敲击声 凸轮轴轴戏: 阀, 燃料喷射 链, 齿轮, 带 非燃烧冲击
流动噪声
• • • 进气 排气 风扇
4
•
附件
发动机噪声源
23
辐射噪声
发动机辐射噪声
• 发动机的燃烧噪声和机械噪声在发动机内产生 • 噪声由发动机机体传播到空气中. 这种噪声被称为表面辐射噪声
发动机外壳
• • 凸轮外壳 凸轮外壳设计
凸轮外壳材料 (铝/ 镁)
前端外壳 前端外壳设计
模态内容 频率 改进 (后部的肋, I组合式前端隔振器支架)
29
辐射噪声: CAE
结构缩减法 (SAM)
• 从FE分析中获得面速度 • 表面被分割成许多小的区域.每个区域挑选出一个主节点 . • 每个主节点在每个频率下的速率谱被平方 . 速率的平方乘以响应的面积 (S). • 所有区域的速率谱被记为 Si*Vi2 • 表面速率级 - SVL [dBA] • 输入声功率级 [dBA] 优点:
四缸发动机 的隆隆声的时间-频率谱, 这种隆隆声的 主要频率成分的幅值存在着调制, 幅值调制与曲轴 的转速的0.5 或1.5 阶次有关, 而频率本身与转速 无关. 往往被认为是与轴承的参数激励有关.
18
发动机附件装置的噪声
燃料喷射噪声
• 在低速,小负荷时最明显 • 燃油泵: 高压水压脉冲产生突发的机械负 荷 • 喷油器: 喷油器阀的撞击
W U
Driver Driven
+
V
+

Misalignment angle

20
发动机附件装置噪声
动力导向系统的噪声
动力导向系统
• • • • • • • 泵 管 管道 调谐软管 节气门 转向齿轮 其它
流体动力噪声
1. 2. 3. 4. 泵产生的波纹 波纹传递到结构上的不同附件和支架 波纹传递到主动齿轮 波纹终止在主动齿轮
9
燃烧噪声
降低燃烧噪声的途径
• • • • • • • 低的峰值压力和低的压力梯度 提前点火定时(汽油) 短时间的燃烧滞后 (柴油) 燃烧室的改进形状 改善压比 低的燃烧变动性也有助于NVH 改进喷油系统 o 动力喷射正时 o 喷油率 o 喷射压力 o 燃料喷射
10
机械噪声
机械噪声
• 曲轴轴系噪声: 活塞, 连杆, 曲轴, 等.)

BE 方程母表是全面的,对称的,复杂的和频率从属的.这些方程需要在每一种 频率和每一种负荷设置情况下联立求解. 例: 一个完整的发动机模型
o o o o o
分析以每分钟100转的速度增加的从700到6000转每分这个范围内的转速 每个半阶次响应都要计算 总的频率值是 8000 对每个频率,有0.5小时来执行响应 如果计算了整机响应, 那么总的计算时间是: 0.5 * 8000 = 4000小时 = 166 天
• 机械噪声
•
流体激发噪声
降低燃油喷射噪声的方法
• • • 较低的喷油器质量 对激励的响应降低的泵结构 隔离摇杆在汽缸头部
19
发动机附件装置噪声
附件皮带噪声
噪声源:
• 带打滑 • 带脱离它的基准 • 带间距共振
l
影响带噪声的因素
– 带的张力和 刚度 – 附件的旋转惯性力 – 曲柄滑轮的扭转脉冲 – 张紧装置弹力比例 – 曲柄带论隔离
降低活塞敲击声的设计包括参数的最优化 • 活塞与汽缸间的间隙 • 活塞形状 • 活塞重量 • 活塞裙部刚度 • 活塞销偏置和润滑 • 润滑油供给作用的效果 • 汽缸孔变形
13
机械噪声
活塞敲击噪声: 例
1. 主观上来说, 这种噪声 有一个间歇脉动的特征 2. 频率范围在 2-4 kHz之 间.
活塞附近的声压:
• •
25
辐射噪声
J1074的优点和不足
J1074的优点
J1074 是评价发动机辐射噪声的一个相当快速简单的方法
辐射测试的局限性 (J1074)
• 昂贵且浪费时间 • 新的硬件.只有在硬件产生以后测试才是有用的. 它太迟以至于不 能被估计. • 设计变动受限制 • 由每个部件产生的噪声不能被区分. • 噪声密度或者功率不能通过这种方法来估计
发动机噪声
1. 发动机噪声源分析 2. 发动机附件装置噪声 3. 表面辐射噪声: CAE & 测试 4. 发动机噪声发展趋势
1
动力装置NVH类型
噪声类型
• 结构噪声. 传播途径:
– 隔振器和横向转动节气门 – 排气吊架
• 空气动力噪声. 传播途径
– 发动机机体 – 歧管 – 表面
• 流动噪声. 传播途径
12
机械噪声
活塞敲击噪声
• • • • 活塞敲击噪声是由于上止点和下止点附近的活塞敲击汽缸壁造成的. 这种冲击由活塞和气缸衬垫之间的间隙决定，由活塞在活塞销上旋转时从推力面到次 推力面的反向来驱动, 称作活塞的二次运动. 总的来说, 活塞敲击声发生在小负荷和低转速的情况下, 在发动机达到热状态时将会降 低，活塞与衬垫之间的间隙也会减小. 结果依赖于活塞与衬垫间隙, 活塞敲缸声明显地 随着发动机温度得上升而降低. 激励力频率范围趋向于从1 kHz 到 8 kHz
5
发动机噪声源
汽油机 vs 柴油机
无负荷 全负荷
rpm
rpm
频率 (Hz)
6
燃烧噪声
燃烧相位
1. 滞燃期 –从开始喷油到火花塞跳火. 在这个 时期, 最早喷入的燃油液滴经历了部分蒸 发 , 随后燃油蒸汽混合成准备燃烧的预混 气区域 . 滞燃期取决于压比, 燃油喷射角, 进气温度, 燃料的十六烷值, 等等. 2. 速燃 –预混混合气自动着火, 经过快速的燃 烧, 释放出很高的热量. 3. 混合控制着燃烧期– 被喷入的燃料经过雾 化,蒸发,混合和扩散燃烧.
解决方法
• CAE 分析 • CAE/测试混合方法
26
辐射噪声: CAE
发动机表面辐射 CAE
分析方法
• 边界元分析 (BEA) • 结构缩减法 (SAM) • 被改进的结构缩减法 (ISAM) • 声波传播媒介 (ATV) 分析
27
辐射噪声: CAE
边界元分析 (BEA)
• BEA是预测振动表面辐射噪声的一个普遍的分析方法
3. 在高频情况下二级压力 rates over 曲轴旋转角
1 1 p Min p , p max p min , 2 dp dp 1 d d , 3 max min d 2 p d 2 p d 2 d 2 max min
8
燃烧噪声
不正常的燃烧噪声
不正常的燃烧噪声 (粗暴的)是由于汽缸之间燃烧状态的变动
• 燃烧变动取决于转速和负荷条件 (例如: 扭矩) • 汽缸之间燃烧状况变动的原因:
– 设计和制造变动, 例如:
• 压比, • 口的几何形状和 • 通过活塞配合间隙的压缩漏气等等.
– 发动机运转变动,
• • • • 通过进气歧管和进气口进入到各汽缸的不均匀的进气分配, 瞬态流动特性, 不同的燃料/空气混合物构成 火焰传播的变动或者燃烧本身等.
流体动力噪声导致猫叫噪声
21
发动机附件装置噪声
齿轮噪声
齿轮噪声产生来源
1. 变速器损耗 2. 齿轮撞击
TE (1R 1 2 R 2 )dt
正时带噪声
风扇噪声
22
涡轮噪声
增压器噪声
• • • • 通过进气传递的主要的噪声部分是由增压器产生的. 这种噪声的产生是由于涡轮增压器在高空气流动速率和低涡轮增压器 速度运转条件下的空气动力学的不稳定造成的. 这种噪声出现在中频和高频范围. 应该使用宽带消音器
• •
Manicat 和发动机油盘设计 不同的 Y-管/路径选择 不同的隔热罩设计 涂层和阻尼/或者保温的
24
辐射噪声
发动机机体辐射噪声 (J1074)
SAE 推荐了一个 标准程序来测量动力装置辐射噪声 (1978) • 动力装置在6个麦克风自6个方向环绕下极好的运行
•
• • •
麦克风被放在离发动机的长方形封套 1.0米远的位置
主要的噪声因素
• • 凸轮剖面轮廓 在开启/关闭 RAMP内的阀门间 隙
16
机械噪声
2005-01-1834
凸轮(阀)系
阀系噪声特征
1. 在开启/关闭RAMP区域凸轮冲击在挺 柱上产生的高频脉动噪声 2. 在结束的RAMP区域阀被固定在汽缸 头部的阀座表面时所产生的冲击噪声 3. 在阀门开启/关闭的运转过程中与气缸 体的挺柱孔摩擦产生的旋转和往复挺 柱的卡嗒噪声.
• 声音的响应 (被辐射的声压或者功率)通过解一系列亥姆霍 兹整体的方程来计算.
软件安装: Sysnoise, Comet, Vibroacoustics…
FEM 网格结构模型 表面激励
BEM 模型
BEM & Field Point 网格 声学模型
28
辐射噪声: CAE
传统 BEA的不足
太多的时间浪费
降低阀系噪声的途径
• • • • • • 改善凸轮形状 减小质量 减小间隙 减小弹簧弹力 减小关闭速率 增加阀系刚度
17
机械噪声
轴承噪声
轴承本身噪声并不大，但它对整机的支承刚度和固有频率有较大影响。轴承的振动又导致轴 系的共振而产生噪声。轴承中滑动轴承的噪声比滚动轴承小。 对于滑动轴承，当轴承间隙增大时，油膜压力和轴承的轴心轨迹将发生较大的变化，会促使 机体振动加剧，噪声增大。
• • • 活塞销偏置 活塞销与活塞之间的间隙 销与连杆接触面的位置
活塞第三级运动
活塞的第三级运动是一种旋转运动，它是由连杆和销之间的 间隙, 销与活塞之间的间隙, 也由活塞与汽缸套之间的间隙决 定的.
15
机械噪声
凸轮轴(阀)系
凸轮轴系构成
• • • • 凸轮轴 阀 摇臂 阀门导向
阀系噪声
• • • 阀门座的撞击 推杆第二运动 可变凸轮正时 (VCT) 执行机构撞击
– 进气歧管口部 – 排气歧管口部
• 流体噪声. 传播途径
– 动力操作系统 – 冷却系统 (AC, 变速器, … )
2
发动机噪声源
发动机噪声源
1. 配气机构噪声 2. 正时系统噪声 3. 供油系等辅机系统 4. 皮带噪声及风扇噪声
结构噪声
7
1 2 9 3 4 5 10 8
5. 活塞敲击噪声
6. 轴承噪声 7. 结构响应与辐射噪声
•
•
凸轮轴轴系噪声: 阀, 正时链, 燃料ຫໍສະໝຸດ Baidu射
附件噪声: 齿轮, 带
总的来说, 内燃机的机械噪声 频带宽,在 2 kHz 和 4 kHz 倍频程 波段的激励中占据了重要部分.
11
机械噪声
曲轴轴系
曲轴构成部分:
• • • • • 曲轴 轴承 活塞 活塞销 连杆
曲轴轴系大的振动和噪声问题
• • • • 曲轴扭转振动 活塞敲击声 活塞销摆动 活塞第三级运动
基本的发动机部件 (增加了油泵和水泵, 感应系统 和 排气歧管). 绝妙的因素,进口和排气管噪声, 和测试台架应该最 小. 测试可以对没有装备的发动机和装备齐全的发动机 进行 测试房周围的环境应该比发动机声级至少低 10dB. 测试可以在一个没有反射表面的空旷区域进行 发动机应该被测试额定转速和扭矩 (导致一个峰值扭 矩) 至少应该有 2 readings 被感受, 它们比每一个的2 dB 要少.