汽车发动机噪声源的分析与控制

噪声的关键是控制燃烧压力的升高率。因此, 对于柴油机而言, 降低燃烧噪声的一般方法 可有以下几个方面:
a. 适当提高压缩比; 适当延迟喷油提前 角, 使用高十六烷值的燃料。这类措施可用于 缩短着火延迟期。
b. 减小初期的燃料喷射率, 利用进气涡 流减少着火前的可燃混合气量。
c. 采用废气涡轮增压进气, 使进气温度 和进气压力提高, 缩短着火延迟期。
发动机是多声源的复杂动力机械, 发动
机的噪声源主要由直接向大气辐射的空气动 力噪声和通过发动机表面向外辐射的表面噪 声两大类组成。 将发动机的主要噪声源分类 如图 1。
2 发动机各主要噪声源理论分析及控 制措施
发动机结构表面的辐射噪声, 发生机制 和通道比较复杂, 研究降噪措施时, 必须作出 充分的分析, 以使降噪效果得到充分显示。 2. 1 发动机燃烧噪声及其控制
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声。 同样, 对四缸柴油机在 1400r m in 时, 活 塞中心向主推力面偏移 2mm 的试验结果表 明, 总的敲击次数减少, 1000H z 以上的高频 噪声明显降低, 最大降低值约为 6dB (A )。除 上述方法以外, 减小活塞与气缸间的间隙, 也 可以减小活塞对缸壁的敲击力及缸套的振 动, 在保证全负荷不咬缸的条件下, 应尽量减 小活塞的配缸间隙。 当柴油机配缸间隙减小 到0. 05～ 0. 1mm 时, 敲击噪声有可能减小 3dB (A ) 左右, 因此, 可采用合理的活塞结构 或用膨胀系数小的材料等方法来达到减小间 隙的目的。 2. 2. 2 配气机构噪声
5 汽油机油和柴油机油的互相代用
有的驾驶员认为, 汽油机油和柴油机油 都是内燃机油, 二者可以相互代用, 因而将两 种机油互相混用, 这是一种错误的作法。将汽 油机油用在柴油机上是很难满足柴油机的使 用要求的, 容易损坏发动机。柴油机油用在汽
油机上虽然不会像汽油机油用于柴油机那样 快出问题, 但效果不好, 这是因为中高档汽油 机油的重要性能之一是要控制低温油泥的生 成, 而中高档柴油机油的重要性能之一是要 具有很好的高温抗氧化性, 以适应柴油机不 同工作条件的要求。两种润滑油互相取代时, 均不能满足被取代油品的特性要求, 因此, 二 者最好不要代用。
当然, 以上措施应与发动机的动力性、排 放等方面综合进行考虑。 2. 2 发动机机械噪声及其控制
机械噪声是发动机工作时各运动件之间 及各运动件与固定件之间周期性变化的机械 作用力的作用所引起的, 它与激发力的大小 和发动机结构的动态特性等因素有关。 主要 包括活塞敲击噪声、齿轮机构噪声、配气机构 噪声、高压油泵噪声、轴承噪声、不平衡惯性 引起的机体振动和噪声等。 在燃气和空气动 力性噪声得到有效控制之后, 高速运转时的 机械噪声常常是发动机主要的噪声源。 2. 2. 1 活塞敲击噪声
活塞对气缸壁的敲击发生在上止点和下 止点附近, 在压缩上止点附近的敲击最为严 重, 其敲击强度主要取决于气缸内的最大爆 发压力和活塞与缸套之间的间隙。 在大功率 柴油机上, 活塞对缸套的敲击力甚至高达数 千吨, 能激发出很强的噪声。另外在冷车启动 以及怠速工况下, 活塞和缸壁的间隙较大, 这 种敲击噪声也相当突出。 从四缸柴油机在 1400r m in 时的试验数据中知, 其最大冲击 力在 3000N 以上。 试验表明, 除上下止点附 近外, 敲击还发生在其他位置上, 这主要是由 于活塞绕活塞销的摇摆、活塞与缸壁的摩擦、 活塞的变形和缸套振动等因素所引起的, 但 量级相对较小。实践表明, 将活塞销孔中心适 当向主推力面偏移, 可以降低活塞的敲击噪
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汽车发动机噪声源的分析与控制
湖北汽车工业学院 牟向东
摘 要 论述发动机噪声的鉴别分析技术和各种控制措 施, 为发动机噪声的降噪工作提供了有益的参考。 关键词: 噪声源 分析技术 降噪
1 概述
发动机噪声是汽车噪声的主要噪声源, 是应当首先进行控制的噪声。 日本大型汽车 发动机噪声已降到仅占车外总噪声的 30% , 大大超过了我国目前的水平。为此, 应以开展 发动机噪声源的降噪试验研究为主攻目标, 以求尽快降低汽车的总噪声, 把我国汽车噪 声指标提高到世界先进水平。
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直
空接 气向
进气噪声
动大 排气噪声
力气 噪辐
风扇噪声
声射
发 动 机 噪 声
由 发 表动 面机 噪表 声面
机 械 噪 声
配气机构声 正时齿轮、链条声 燃料喷射系统噪声 活塞敲击噪声 不平衡力和力矩引起
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过气门、气门座等处发出的涡流声; 由于边界 层气流扰动发生的噪声; 排气出口喷流噪声。 在对多缸柴油机噪声的频谱分析中发现, 低 频处有一明显的噪声峰值, 这个噪声是基频 噪声, 这是由于柴油机每一缸的排气门开启 时, 气缸内燃气突然以高速喷出, 气流冲击到 排气门后面的气体上, 使其产生压力巨变而 形成压力波, 从而激发出噪声。由于各气缸排 气是在指定的相位上周期性进行的, 因而这 是一种周期性的噪声。为降低排气噪声, 发动 机都采用排气消声器, 一般常用的消声器有 阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合型消声 器三大类。除上述排气噪声外, 在解决排气噪 声时采用的消声器壳体常常因振动而产生很 强的再生噪声, 在一定的条件下这种再生噪 声也可以成为主要噪声源。 为了抑制这种再 生噪声, 必须对消声器壳体的动态特性进行 分析研究, 了解其在不同频率时对宽带激振 力的响应模式。一般来说, 提高壳体的刚度不 能很好地解决这种再生噪声, 因为壳体的各 阶固有频率分布在很宽的频率范围内, 所以 增加壳体刚度只能提高固有频率的频域, 对 这种广谱激励造成的共振很难奏效, 一般可 选择附加阻尼来控制共振振幅。 2. 3. 3 风扇噪声及其控制
状态, 称为“飞脱”现象, 有时又会出现“反弹” 现 象, 这种“飞脱”、“反弹”形成撞击, 相应的 噪声出现峰值。 一般转速越高,“飞脱”和“反 弹”现象越严重。控制配气机构的噪声可以从 以下几方面采取措施:
a. 选用性能优良的凸轮线形, 保证发动 机充气性能, 加速度曲线平滑和配气机构动 态特性良好。
发动机进气噪声主要是进气时管内压力 波动产生的基频噪声及其各次谐波噪声; 其 次, 是气流以高速流经气阀通道截面时产生 的宽带涡流噪声。当柴油机采用增压以后, 进 气噪声会明显增加, 这是由于高速旋转的气 压机进气噪声替代了气阀启闭所形成的噪 声, 而气压机形成强度很高的高频叶片噪声 和涡流噪声, 进气噪声随着转速的增加而迅 速上升, 控制进气噪声的主要手段是采用进 气消声器。目前, 装用了空气滤清器的多数发 动机的进气噪声都有大幅度衰减 。一般它是 非主要噪声源, 但当发动机其他噪声源得到 进一步控制之后, 进气噪声可能会成为主要 噪声源。 2. 3. 2 发动机排气噪声产生机理及噪声成 分
发动机排气开始时, 燃气温度约为 800 ～ 1000℃, 压力约为 0. 4～ 0. 5M Pa。 当发动 机排气门打开出现缝隙时, 废气以脉冲的形 式从缝隙中冲出, 形成能量很高、频谱很复杂 的噪声。根据排气过程中噪声的机理, 排气噪 声有以下几种成分: 排气压力脉动声; 气流通
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间 机体的振动和噪声
接
辐 射
燃 烧
正常燃烧噪声
噪 声
异常燃烧噪声
图 1 发动机的主要噪声源分类图
地位, 而在高转速时, 由于机械结构的冲击振 动, 因而使机械噪声上升到主导地位。实际上 很难将燃烧噪声和机械噪声区分开, 因为它 们之间有着密切的联系, 燃烧噪声的大小对 机械噪声有影响, 严格地说, 机械噪声也是发 动机气缸内燃料燃烧间接激发的噪声。 为了 研究方便, 具体地说, 当发动机工作时, 燃烧 室在极短时间内发生高温高压的燃烧, 急速 地放出能量, 这种急剧的压力升高激发起发 动机结构振动, 通过活塞、连杆、主轴承传至 机体, 再通过气缸盖等引起发动机结构表面 振动, 从而辐射出噪声, 即为燃烧噪声。 很明 显, 气缸压力是燃烧噪声的强制力, 燃烧噪声 与气缸压力有函数关系。此外, 还与发动机结 构的动刚度、发动机表面的声辐射效应以及 周围空气的传递特性有关。同汽油机相比, 柴 油机的燃烧噪声更加突出, 从柴油机燃烧过 程中燃烧噪声产生的机理可得以论证。 由于 气缸压力和噪声都是周期现象, 气缸压力的 频率成分支配燃烧噪声的频率成分, 而将气 缸压力与燃烧噪声都进行傅里叶分析可以了 解到, 燃烧噪声声级与气缸压力级有明显的 依赖关系是在较高的频段。很显然, 降低燃烧
四行程发动机都采用气门—凸轮式配气 机构, 这种机构包括凸轮轴、挺柱、挺杆、摇 臂、气门等, 零件多、刚度差是配气机构的特 点, 因而易激发振动和噪声。凸轮和挺杆之间 摩擦发生的振动; 发动机在不同温度下工作, 零件不同的伸缩在配气机构传动链中的间 隙; 凸轮打开气门时, 气门的速度短时间上升 产生的撞击; 气门落座时, 由于弹簧作用产生 的撞击, 气门尾杆端部与气门密封面的撞击 等; 都是噪声的激励源。 实验表明, 配气机构 的噪声在发动机低速运转和高速运转时产生 的原因不完全一样。 发动机低速时的噪声主 要是由气门开关的撞击以及从动件和凸轮顶 部的摩擦振动所产生的, 当发动机转速增加 时, 这部分噪声会减小。因为这种噪声和润滑 油膜有关, 当温度升高, 润滑油粘度减小, 油 膜变薄易产生摩擦振动。 在同样的温度条件 下, 转速大, 油膜变厚, 因而发动机高速运转 时, 这种噪声就不是很突出。 发动机高速时, 配气机构的噪声主要是由于气门不规则运动 所引起的, 配气机构是一种弹性系统, 并且由 于零部件的惯性作用, 在高速运转时气门的 升程、速度, 特别是加速度运动曲线会产生 “失真”, 即会出现不按凸轮轨迹的规律运动 的现象。 有时会产生凸轮与气门摇臂无接触
b. 提高配气机构的刚度, 使机构的固有 频率提高, 减小振动和气门运动的畸变。
c. 减轻驱动元件的质量, 可以提高机构 的固有频率, 而且减小了惯性力。
d. 减小气门间隙, 提高摩擦面的加工精 度, 保证摩擦面的油膜厚度。 2. 3 发动机空气动力性噪声及其控制 2. 3. 1 发动机进气噪声及其控制
如使用汽油机和柴油机通用复合剂生产 的通用内燃机油, 可根据说明书互相代用。通 用内燃机油既可用于汽油机, 也可用于柴油 机, 简称通用油。 通用油的性能较全面, 既能 满足汽油机油控制低温油泥的要求, 也具备 柴油机油的高温清净性能力。 通用油主要用 于汽、柴油机均有的混合车队。
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燃烧噪声的发生机理相当复杂, 主要是 由于缸内周期性变化的气体压力的作用而产 生的, 与发动机燃烧方式和燃烧速度密切相 关。 一般说来, 类别、牌号就是那 么几种, 而汽车的类型到底有多少, 无法统计 清楚。任何一种润滑油都有一个适用范围, 对 符合范围内的汽车都可以使用。“专用机油” 不过是将适合于该种车的润滑油贴上了“× ×车专用机油”的广告宣传, 并以此蒙蔽了一 些缺少用油知识的用户。
风扇噪声在发动机噪声源中也占有较大 的比重, 特别是在风冷式发动机中, 风扇噪声 可能是重要的噪声源。 风扇噪声主要是由旋 转噪声 (或称叶片噪声) 和涡流噪声引起的, 前者是窄带噪声, 后者是宽带噪声。 此外, 风 扇的护风圈等结构由于共振也会产生机械噪 声。 研究表明, 风扇的风量越大, 其噪声也就 越高。风扇的直径大小, 转速的高低直接影响 风扇噪声。 因此, 为了保证需要的风量, 适当 地增大直径, 减小转速是适宜的, 而风量的大 小是根据发动机的散热量来确定的, 从降噪 的角度考虑, 增强发动机及其冷却系的散热