汽车发动机噪声及其降噪措施简介

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　　发动机噪声及影响因素

　　燃烧噪声
　　缸内气体力引起的结构振动通过外部和内部传递途径传到内燃机表面，并由内燃机表面辐射形成空气声。

　　      · 燃烧噪声主要是发动机工作时，气缸内周期性变化的气体压力作用而产生的，它主要是由发动机的燃烧方式和燃烧速度来决定的;
　　      · 燃烧噪声与机械噪声密切相关;
　　      · 一般在低速时燃烧噪声在发动机总噪声中占重要地位，在发动机转速升高时，机械噪声的贡献逐渐增强;

       1、汽油机燃烧噪声中两种特殊情况
　　爆震：
　　      · 现象：气缸内的压力急剧上升，能产生4000～6000Hz的高频爆震噪声。
　　      · 解决办法：点火提前角合适，汽油牌号选择合适可避免爆震。

　　表面点火：
　　      · 现象：缸内积炭过多，容易产生过热，引起表面点火，导致缸内压力剧增，会产生频率为500～2000Hz的噪声。
　　      · 解决办法：消除燃烧室内的积炭。

       2、柴油机燃烧噪声
　　同样转速，同样负荷的柴油机与汽油机相比，柴油机的最大压力和压力上升率，远远高于汽油机，柴油机的燃烧噪声比汽油机大的多。

　　柴油机的燃烧噪声与其燃烧过程组织的好坏密切相关。柴油机的燃烧噪声主要集中在速燃期内，备燃期也就是着火延迟期对燃烧噪声具有潜在的影响。

　　按p-φ示功图的压力变化情况，将柴油机的燃烧过程分为以下四个阶段：

　　3、燃烧噪声分类
             · 由汽缸内气体压力急剧变化引起的动力载荷，由此产生的机构振动——频率为各传声零件的自振频率(压力增长率、最高压力增长率持续时间、中高频范围)
　　      · 由汽缸内气体的冲击波引起的高频振动——频率为汽缸内气体的自震频率：

       Cch——冲击波传播速度(m/s)
　　D ——汽缸直径，代表燃烧室尺寸(m)

　　燃烧噪声影响因素(柴油机为例)
　　1、燃烧室
　　燃烧室结构型式及整个燃烧系统的设计对压力增长率，最高燃烧压力和气缸压力的频谱曲线有明显影响。

　　燃烧室压力增长率数据

　　2、供油系统参数的影响
　　(1) 供油提前角和供油规律

　　(2) 喷孔数量
　　减小喷孔数量，可使着火延迟期缩短，但会影响喷油质量，主要还是由性能指标调试结果来决定。

　　(3) 喷油压力
　　加强燃油雾化，使燃烧趋于平稳。

　　3、运转工况的影响
　　负荷：

　　转速：

　　机械噪声
　　定义：内燃机运转时由于内部各零部件之间间隙引起撞击及内部作周期性变化的作用力在零部件上产生的弹性变形所导致的表面振动而发生的噪声。

　　1、活塞敲击噪声

　　      · 活塞与缸套间存在间隙
　　      · 往复运动的活塞所承受侧向力发生突变
　　      · 活塞高速横向运动
　　      · 对缸壁形成强烈撞击

　　2、配气机构噪声

　　      · 气门和气门座的撞击
　　      · 气门间隙引起的传动撞击
　　      · 凸轮表面和从动件的摩擦振动
　　      · 配气机构产生不规则运动造成的撞击

　　配气机构的噪声主要集中在低中频，其低频成分频率：

　　k——谐波次数(1,2,3)
　　n ——内燃机转速
　　z——气缸数目
　　M——每一个气缸不同时工作的气门数目
　　τ——冲程系数，四冲程=2，二冲程=1

　　3、齿轮传动噪声

　　齿轮噪声是由齿轮在啮合、传动中，由齿轮啮合过程中齿与齿之间的撞击和摩擦产生。

　　齿轮承受交变载荷，加上本身制造误差，会引起发动机机体和曲轴扭振，引发附加噪声。

　　(1) 齿轮啮合过程产生的噪声

　　ng ——齿轮转速( r/min )
　　zg ——齿轮的齿数
　　k——谐波次数(1,2,3)

　　(2) 齿轮固有振动噪声

　　K——一对啮合齿轮的平均刚度( N/mm )
　　M1，M2 ——两个齿轮在作用线上的有效质量(kg)

　　齿轮传动噪声的影响因素：

　　      · 齿轮结构参数：齿轮类型，模数与齿数，齿宽，轮体形状等参数
　　      · 齿轮制造精度：齿形误差，基节误差，齿面表面粗糙度，加工方法。
　　      · 齿轮安装情况：侧隙，轴系，齿轮室罩壳
　　      · 齿轮运转参数：速度，载荷

　　4、机体振动噪声
　　发动机中的活塞-曲柄连杆机构在运转过程中将产生往复运动惯性力和离心惯性力，这些力通过曲轴主轴颈传给机体，引起机体的振动和噪声。

　　这些噪声的大小与发动机的结构参数(缸径、行程、缸数、冲程数、材料以及动力参数和燃烧情况相关)。

　　气体动力噪声
　　定义：凡是由于气体扰动以及气体和其他物体相互作用而产生的噪声称为空气动力噪声。

　　主要分为：排气噪声、进气噪声、风扇噪声。

　　1、排气噪声(最主要的噪声源之一)
　　(1) 周期性压力脉动噪声
　　空气进入排气管后，在气门的开闭过程中，发生周期性的压力脉动，引起空气密度的周期性变化，产生周期性的压力脉动噪声，通常为300Hz以下的低频：

　　k——谐波次数(1,2,3)
　　n ——内燃机转速
　　z——气缸数目
　　τ——冲程系数，四冲程=2，二冲程=1

　　(2) 排气管的气柱共振噪声
　　      · 当排气门关闭时，排气管变成了一端封闭，一端开口的等截面管，构成了一个气柱共振系统。
　　      · 当激振频率与气柱的某一阶固有频率很接近时，气柱便发生对应于该频率的共振，使管道强烈振动并辐射噪声。
　　      · 管道越长，共振频率越低，阻尼也越大。

　　(3) 气缸的亥姆霍兹共振噪声
　　可将发动机的气缸看作是一个亥姆霍兹共振腔，当气缸内的气体压力脉动的冲击频率等于各阶亥姆霍兹共振频率时，气缸内将发生亥姆霍兹共振，此时辐射的噪声最大。

　　亥姆霍兹共振频率的大小与发动机转速无关，只取决于气缸容积，进气管长度和直径。

　　(4) 涡流噪声(连续高频噪声)
　　当高速气流排出气缸过程中，遇到途中的毛刺、尖楞、砂眼等障碍物时，气流会形成漩涡，形成连续性高频涡流噪声。

　　峰值频率：

　　u——流通截面处的流速(m/s)
　　d ——气门直径(m)
　　Sr——斯特劳哈尔数(喷注噪声取1.5~2.0)

　　相同条件下，柴油机的排气噪声比汽油机大，二冲程比四冲程的排气噪声大。

　　发动机排气噪声的主要能量集中在基频及其倍频范围内，中频主要是气柱的共振噪声，高频主要是包括燃烧噪声和气流高速通过气口的空气动力噪声。

　　2、进气噪声
　　进气门开启，在进气管中产生一个压力脉冲，随着活塞运动，脉冲逐渐消失。进气门关闭，同样产生压力脉冲，这样就产生了周期性的进气噪声。
　　      · 进气门开启时活塞做变速运动引起的进气脉动噪声;
　　      · 进气门关闭时进气管道中的空气柱共振噪声;
　　      · 高速流过气门的进气截面时形成的涡流噪声。

　　3、风扇噪声
　　旋转噪声(叶片噪声)：是由旋转叶片周期性地打击空气质点，引起空气的压力脉动所产生的。其频率就是叶片每秒钟打击空气质点的次数。高速时占优势。

　　涡流噪声：旋转的叶片使周围的气体产生涡流，这些涡流又因粘滞力的作用分裂成一系列独立的小涡流，从而使空气发生扰动，形成压缩和稀疏过程，产生噪声。低速时占优势。

　　影响风扇噪声的因素：
　　      · 风扇的转速、风量和效率
　　      · 风扇叶片形状和尺寸设计
　　      · 风扇叶片数量
　　      · 风扇材料和安放位置

       发动机降噪措施

　　降低燃烧噪声
　　降低燃烧噪声的基本方法就是适当降低汽缸的压力增长率。

　　      · 从声源上：改进和降低频谱曲线，特别是中、低频成分;
　　      · 从传播途径上：增加发动机结构对燃烧噪声的衰减，特别是中、高频成分。


　　A、选用十六烷值高的燃料：其值能够影响着火延迟期，从而影响压力增长率;

　　B、合理组织供油过程：在保证着火、动力性和排放的前提下合理组织各燃烧期;

　　C、燃烧室的选择和设计

　　D、采用增压：增压使得进气充量密度、温度和压力增大，改善着火条件，缩短着火延迟期。

　　E、结构衰减

　　降低机械噪声
      1、降低活塞的敲击噪声
　　(1) 活塞销孔偏置——活塞绕活塞销可以稍微旋转，使冲击过程平滑过渡。

　　(2) 减小活塞冷态配缸间隙

             · 裙部加工绝热槽
　　      · 采用椭圆锥体裙
　　      · 采用热膨胀系数小的活塞材料

　　(3) 增加缸套的刚度，改进润滑状况

　　2、降低配气机构噪声
          · 采用顶置凸轮
　　      · 凸轮型线缓冲曲线段的合理设计

             · 采用各种不同型式的函数凸轮
　　      · 采用液力挺柱：液力补偿能自动消除气门间隙，但是结构复杂。

       3、降低齿轮传动噪声

             · 采用低噪声齿轮
　　      · 齿轮轮体的合理设计
　　      · 合理选用齿轮材料及配对
　　      · 采用齿形同步带或者链传动驱动凸轮轴
　　      · 增强齿轮室盖的减震和隔声措施

　　降低气体动力噪声
　　1、降低进气噪声
　　设计合适的空滤器，或者采用进气消声器等。

　　2、降低排气噪声
　　采用消声器：阻性、抗性等。

　　3、降低风扇噪声
             · 适当控制风扇转速;
　　      · 采用叶片不均匀分布的风扇;
　　      · 用塑料风扇代替钢板风扇;
　　      · 在车用内燃机上采用风扇自动离合器;
　　      · 风扇和散热器系统的合理设计。

       来源：声振之家公众号节选自西华大学 《汽车噪声和控制》PPT