汽車發(fā)動機噪聲控制技術(shù)研究
前言
噪聲是工業(yè)社會帶來的副產(chǎn)品，它與大氣污染和水污染一起被認為是當今世界三大公害。與其他兩個公害相比，噪聲的影響面最廣，感覺最直接，人們反映也最多。汽車作為一種主要的交通工具日益普及和增長，因而汽車噪聲所造成的環(huán)境污染也日益嚴重。汽車噪聲中由于發(fā)動機產(chǎn)生的噪聲占很大一部分，因此研究發(fā)動機噪聲產(chǎn)生的機理以及噪聲控制的措施在汽車噪聲控制中顯得尤為重要。
1 發(fā)動機噪聲控制
直接從發(fā)動機機體及其主要附件向空間傳出的聲音，都屬于發(fā)動機噪聲。發(fā)動機噪聲隨機型、轉(zhuǎn)速、負荷及運行情況等的不同而有差異，如在轉(zhuǎn)速相同的條件下，柴油機的噪聲要比汽油機高。按噪聲產(chǎn)生的性質(zhì)，發(fā)動機噪聲可分為燃燒噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲。下面主要介紹各種噪聲產(chǎn)生的成因以及一些具體的降噪措施。
1.1燃燒噪音
1.1.1燃燒噪聲產(chǎn)生機理
燃燒噪聲是由于氣缸內(nèi)周期變化的氣體壓力的作用而產(chǎn)生的。它主要取決于燃燒的方式和燃燒的速度。在汽油機中，如果發(fā)生爆燃和表面點火等不正常燃燒時，將產(chǎn)生較大的燃燒噪聲。柴油機的燃燒噪聲是由于燃燒室內(nèi)氣壓急劇上升，致使發(fā)動機各部件振動而引起的噪聲。一般來說，柴油機噪聲比汽油機的噪聲高得多，因此在這里主要以柴油機為例來說明如何降低燃燒噪聲。
1.1.2燃燒噪聲的控制策略
在汽車發(fā)動機中，燃燒噪聲在總噪聲中占有很大比例，研究如何降低其燃燒噪聲具有特別重要的意義。目前所研究出的降噪措施主要有：
(1)采用隔熱活塞以提高燃燒室壁溫度，縮短滯燃期，降低空間霧化燃燒系統(tǒng)的直噴式柴油機的燃燒噪聲。
(2)提高壓縮比和應用廢氣再循環(huán)技術(shù)也可降低柴油機的燃燒噪聲。但壓縮比主要決定了柴油機的機械負荷與熱負荷水平。廢氣再循環(huán)技術(shù)通過降低氣缸最高壓力，在抑制NOx產(chǎn)生的同時，也降低了燃燒噪聲。
(3)采用雙彈簧噴油閥實現(xiàn)預噴。即將原本打算一個循環(huán)一次噴完的燃油分兩次噴。第一次先噴入其中的小部分，提前在主噴之前就開始進行著火的預反應，這樣可減少滯燃期內(nèi)積聚的可燃混合氣數(shù)量。這是降低直噴式柴油機燃燒噪聲的最有效措施。通過降低雙彈簧噴油器初次開啟壓力和針閥的預升程來抑制空氣和燃料混合氣的形成，以此對怠速工況的燃燒噪聲產(chǎn)生影響。通過設(shè)計兩段升程裝置，采用引燃噴射裝置在較大的轉(zhuǎn)速范圍及加速情況下來抑制燃燒噪聲。
(4)共軌噴油系統(tǒng)是一種很有前途的直噴式轎車柴油機電子控制高壓燃油噴射系統(tǒng)，它能減少滯燃期內(nèi)噴入的燃油量，特別有利于降低燃燒噪聲。
(5)采用增壓。柴油機增壓后進入氣缸的空氣充量密度、溫度和壓力增加，從而改善了混合氣的著火條件，使著火延遲期縮短。雖然增壓柴油機最大爆發(fā)壓力有所增加，但其壓力增長率dp/dφ和壓力升高比λ卻變小，使柴油機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲降低。此外，一般來說，渦輪增壓柴油機最大額定功率的轉(zhuǎn)速要比同樣氣缸尺寸的非增壓柴油機低，有利于降低燃燒噪聲。增壓空氣中間冷卻后，空氣溫度降低，充氣效率得以提高，但同時也削弱了增壓對降低燃燒噪聲的作用。
(6)燃燒室的選擇和設(shè)計。對于分開式燃燒室，精確的噴油通道、擴大通道面積、控制噴射方向和預燃室進氣渦流半徑的優(yōu)化，均能抑制預混合燃燒，促進擴散燃燒，從而降低由低負荷到高負荷較寬范圍的燃燒噪聲、燃油消耗和碳煙排放。
對于直噴式燃燒室，可以通過合理設(shè)計，使其在保證足夠的渦流下具有高紊動能，強化燃料與空氣之間的擴散，以此來改善燃燒過程，實現(xiàn)柴油機低油耗、低噪聲和低排放。
活塞頂燃燒室結(jié)構(gòu)對燃燒噪聲有很大影響？卓谳^小、深度較深者，燃燒噪聲就小得多，排放也明顯較好。再加上縮口形，減噪效果就更趨好轉(zhuǎn)。因此，設(shè)計時在變動許可范圍內(nèi)，最好選用縮口并盡可能加深些的ω形燃燒室。
(7)減小供油提前角。供油提前角小，噴油時間延遲，氣缸內(nèi)溫度和壓力在燃油噴入時較高，燃油一經(jīng)噴入即霧化，瞬間達到著火點，縮短了滯燃期。最先噴入的燃油爆發(fā)燃燒，而后續(xù)噴入火焰中的燃油因氧氣不足而不會立即燃燒，這樣，由于初期燃燒的燃油量少，壓力升高率低，可使燃燒噪聲減小。大多數(shù)柴油機的燃燒噪聲隨供油提前角的減小而有所降低。
(8)選用十六烷值高的燃料，著火延遲期較短，從而影響在著火延遲期內(nèi)形成的可燃混合氣數(shù)量，使壓力升高率降低和減小燃燒噪聲。
1.2機械噪聲
機械噪聲是由于運動件之間以及運動件與固定件之間周期性變化的機械運動而產(chǎn)生的，它與激發(fā)力的大小、運動件的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。主要有活塞敲擊噪聲和氣門機械噪聲。
1.2.1活塞敲擊噪聲
發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，活塞在上、下止點附近受側(cè)向力作用產(chǎn)生一個由一側(cè)向另一側(cè)的橫向移動，從而形成活塞對缸壁的強烈敲擊，產(chǎn)生了活塞敲擊噪聲。產(chǎn)生敲擊的主要原因是活塞與氣缸套之間存在間隙，以及作用在活塞上的氣體壓力。
降低活塞敲擊噪聲的措施有：
(1)采取活塞銷孔偏置，即將活塞銷孔適當?shù)爻魍屏γ嫫?～2mm。
(2)采用在活塞裙部開橫向隔熱槽，活塞銷座鑲調(diào)節(jié)鋼件，裙部鑲鋼筒，采用橢圓錐體裙等方式來減小活塞40℃冷態(tài)配缸間隙。
(3)增加缸套的剛度，不僅可以降低活塞的敲擊聲，也可以降低因活塞與缸壁摩擦而產(chǎn)生的噪聲。為了增加缸套的剛度，可采用增加缸套厚度或帶加強肋的方法。
(4)改進活塞和氣缸壁之間的潤滑狀況，增加活塞敲擊缸壁時的阻尼，也可以減小活塞敲擊噪聲。例如在D=180mm單缸試驗機上，采用專用潤滑油噴向氣缸壁上供給機油，結(jié)果使機體的振動降低6dB(A)。顯然，這種措施在實用上是受到限制的。近來，日本丸能源公司研制成功含有陶瓷微粒的新型潤滑劑，在氣缸金屬表面上形成“陶瓷薄膜”，防止金屬直接接觸。因此在降低摩擦噪聲的同時，還可改善潤滑性能，節(jié)約燃料，提高使用壽命。
1.2.2傳動齒輪噪聲
傳動齒輪的噪聲是齒輪嚙合過程中齒與齒之間的撞擊和摩擦產(chǎn)生的。在內(nèi)燃機上，齒輪承載著交變的動負荷，這種動負荷會使軸產(chǎn)生變形，并通過軸在軸承上引起動負荷，軸承的動負荷又傳給發(fā)動機殼體和齒輪室殼體，使殼體激發(fā)出噪聲。此外，曲軸的扭轉(zhuǎn)振動也會破壞齒輪的正常嚙合而激發(fā)出噪聲。傳動齒輪噪聲與齒輪的設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)型式、加工精度、齒輪材料配對、齒輪室結(jié)構(gòu)以及運轉(zhuǎn)狀態(tài)有關(guān)。
降低傳動齒輪噪聲的措施有：
(1)控制齒輪齒形，提高齒輪加工精度，減小齒輪嚙合間隙，即降低齒輪嚙合時相互撞擊的能量，從而降低齒輪嚙合傳動噪聲。
(2)采用新材料，如高阻尼的工程塑料齒輪，采用工程塑料齒輪代替原鋼制齒輪后，整機噪聲降低約0.5dB(A)左右，效果明顯。
(3)合理布置齒輪傳動系位置，如將正時齒輪布置在飛輪端，可有效減少曲軸系扭振對齒輪振動的影響。
(4)采用正時齒形同步帶傳動代替正時齒輪轉(zhuǎn)動，可明顯降低噪聲。
1.2.3降低配氣機構(gòu)噪聲
內(nèi)燃機大都采用凸輪、氣門配氣機構(gòu)，機構(gòu)中包括凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂、氣門等零件。配氣機構(gòu)中零件多、剛度差，在運動中易于激起振動和噪聲，包括氣門和氣門座的撞擊，由氣門間隙引起的傳動撞擊，挺柱和凸輪工作面之間的摩擦振動，高速時氣門不規(guī)則運動引起的噪聲。配氣機構(gòu)噪聲與氣門機構(gòu)的型式、氣門間隙、氣門落座速度、材料、凸輪型線、凸輪和挺柱的潤滑狀態(tài)、內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。
降低配氣機構(gòu)噪聲的措施主要有：
(1)良好的潤滑能減少摩擦，降低摩擦噪聲。推薦怠速時凸輪與挺柱間的最小油膜厚度2Lm，1000r/min時最小油膜厚度為3Lm。凸輪轉(zhuǎn)速越高，油膜越厚。所以內(nèi)燃機高速運轉(zhuǎn)時，配氣機構(gòu)的摩擦振動和噪聲就不突出了。
(2)減少氣門間隙可減少搖臂與氣門之間的撞擊，但不能使氣門間隙太小。采用液力挺柱可以從根本上消除氣門間隙，降低噪聲。近年來還出現(xiàn)了氣門液壓驅(qū)動系統(tǒng)，其噪聲更低。
(3)縮短推桿長度是減輕系統(tǒng)重量、提高剛度的有效措施，頂置式凸輪軸取消了推桿，對減少噪聲特別有利。
1.3空氣動力噪聲
由于氣體擾動以及氣體和其他物體相互作用而產(chǎn)生的噪聲稱為空氣動力噪聲，在發(fā)動機中，它包括進氣噪聲、排氣噪聲和風扇噪聲。
1.3.1進氣噪聲
發(fā)動機工作時，高速氣流經(jīng)空氣濾清器、進氣管、氣門進入氣缸、在此氣流流動過程中會產(chǎn)生一種強烈的空氣動力噪聲，有時比發(fā)動機本身噪聲高出5 dB(A)左右，成為僅次于排氣噪聲的主要噪聲源。該噪聲隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高而增強，與負荷的變化無關(guān)，其成分主要包括：周期性壓力脈動噪聲、渦流噪聲、氣缸的玄姆霍茲共振噪聲和進氣管的氣柱共振噪聲。
進氣噪聲的控制策略主要是：
(1)合理的設(shè)計和選用空氣濾清器。合理設(shè)計進氣管道和氣缸蓋進氣通道，減少進氣系統(tǒng)內(nèi)壓力脈動的強度和氣門通道處的渦流強度。
(2)引進消聲措施。
1.3.2排氣噪聲
排氣噪聲主要在排氣開始時，廢氣以脈沖形式從排氣門縫隙排出，并迅速從排氣口沖入大氣，形成能量很高、頻率很復雜的噪聲，包括基頻及其高次諧波的成分。該噪聲是汽車及發(fā)動機中能量最大最主要的噪聲源，它的噪聲往往比發(fā)動機整機噪聲高10dB(A)～15dB(A)。除基頻噪聲及其高次諧波噪聲外，排氣噪聲還包括排氣總管和排氣歧管中存在的氣柱共振噪聲、氣門桿背部的渦流噪聲、排氣系統(tǒng)管道內(nèi)壁面的紊流噪聲等，此外，排氣噪聲還包括廢氣噴射和沖擊噪聲。
排氣噪聲的控制策略主要是：
(1)從排氣系統(tǒng)的設(shè)計方面入手，如合理設(shè)計排氣管的長度與形狀，以避免氣流產(chǎn)生共振和減少渦流。
(2)廢氣渦輪增壓器的應用可降低排氣噪聲，但最有效的方法還是采用高消聲技術(shù)，使用低功率損耗和寬消聲頻率范圍的排氣消聲器。
1.3.3風扇噪聲
風扇噪聲是發(fā)動機中不可忽視的噪聲源，尤其風冷發(fā)動機更為突出，在高速全負荷時甚至和進排氣噪聲不相上下。它主要是空氣動力噪聲，由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流聲所組成。旋轉(zhuǎn)噪聲是由旋轉(zhuǎn)葉片周期性地打擊空氣質(zhì)點，引起空氣的壓力脈動所產(chǎn)生的。渦流噪聲是由于風扇旋轉(zhuǎn)時使周圍的空氣產(chǎn)生渦流，這些渦流又因粘滯力的作用分裂成一系列獨立的小渦流，這些渦流和渦流的分裂會使空氣發(fā)生擾動，形成壓力波動，從而激發(fā)出的噪聲，渦流噪聲一般是寬頻帶噪聲。
發(fā)動機的風扇噪聲在低速運轉(zhuǎn)時渦流噪聲占優(yōu)勢，高速時旋轉(zhuǎn)噪聲占優(yōu)勢，風扇的轉(zhuǎn)速越高，直徑越大，風扇的扇風量就越大，其噪聲也越高；風扇的效率越低，消耗功率越大，風扇噪聲越大。
風扇噪聲的控制策略主要是：
(1)適當控制風扇轉(zhuǎn)速，風扇噪聲隨轉(zhuǎn)速的增長遠比其他噪聲大。在冷卻要求已定的條件下，為降低轉(zhuǎn)速，可在結(jié)構(gòu)尺寸允許的范圍內(nèi)，適當加大風扇直徑或者增加葉片數(shù)目；充分運用流體力學理論設(shè)計高效率的風扇，就可能在保證冷卻風量和風壓的前提下降低轉(zhuǎn)速。
(2)采用葉片不均勻分布的風扇，葉片均勻分布往往會產(chǎn)生一些聲壓級很高的有調(diào)節(jié)器成分。當葉片不均勻布置后，一般可降低風扇中那些突出的線狀頻譜成分，使噪聲頻譜較為平滑。
(3)用塑料風扇代替鋼板風扇，能達到降低噪聲和減少風扇消耗功率的效果，但目前成本還稍高于鋼板風扇。國外中小功率內(nèi)燃機已普遍采用塑料風扇。還可采用一種安裝角可以變化的“柔性風扇”，這種風扇葉片用很薄的鋼板或塑料制造，當風扇轉(zhuǎn)速提高后，由于空氣動力的作用，葉片扭轉(zhuǎn)變平(安裝角變小)，于是風扇消耗功率和噪聲都減；轉(zhuǎn)速降低時，由于空氣動力作用小，葉片的扭轉(zhuǎn)變小，保證了足夠的風量。
(4)在車用內(nèi)燃機上采用風扇自動離合器，試驗表明，在汽車行駛中，需要風扇工作的時間一般不到10％。因此，裝用風扇離合器不僅可使內(nèi)燃機經(jīng)常處在適宜溫度下工作和減少功率消耗，同時還能達到降噪的效果。
(5)風扇和散熱器系統(tǒng)的合理設(shè)計。諸如發(fā)動機和風扇的距離、風扇與散熱器的距離、風扇和風扇護罩的位置及護罩的形狀、空氣通過散熱器的阻力等都會對冷卻風量的充分利用產(chǎn)生影響。合理布置和設(shè)計都有可能達到降低風扇轉(zhuǎn)速的目的。
2 結(jié)束語
綜上所述，影響汽車發(fā)動機噪聲的因素多種多樣，單靠采用某一種降噪方法很難大幅度地把噪聲降低下來，要降低汽車發(fā)動機噪聲，應從發(fā)動機噪聲的噪聲源、傳播途徑等方面入手，明確降噪的對象和目標，通過綜合考慮，采取各種技術(shù)手段，在一定程度上可有效地控制和降低燃燒噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲，達到降低汽車發(fā)動機噪聲的目的。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
