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汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲控制技術(shù)研究

  
評(píng)論: 更新日期:2011年09月07日

 前言

  噪聲是工業(yè)社會(huì)帶來的副產(chǎn)品,它與大氣污染和水污染一起被認(rèn)為是當(dāng)今世界三大公害。與其他兩個(gè)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(yán)重。汽車噪聲中由于發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲占很大一部分,因此研究發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲產(chǎn)生的機(jī)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(dòng)機(jī)噪聲控制

  直接從發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體及其主要附件向空間傳出的聲音,都屬于發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲隨機(jī)型、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及運(yùn)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(jī)的噪聲要比汽油機(jī)高。按噪聲產(chǎn)生的性質(zhì),發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲可分為燃燒噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)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(jī)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(jī)中,如果發(fā)生爆燃和表面點(diǎn)火等不正常燃燒時(shí),將產(chǎn)生較大的燃燒噪聲。柴油機(jī)的燃燒噪聲是由于燃燒室內(nèi)氣壓急劇上升,致使發(fā)動(dòng)機(jī)各部件振動(dòng)而引起的噪聲。一般來說,柴油機(jī)噪聲比汽油機(jī)的噪聲高得多,因此在這里主要以柴油機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)的燃燒噪聲。

  (2)提高壓縮比和應(yīng)用廢氣再循環(huán)技術(shù)也可降低柴油機(jī)的燃燒噪聲。但壓縮比主要決定了柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷與熱負(fù)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(shí),也降低了燃燒噪聲。

  (3)采用雙彈簧噴油閥實(shí)現(xiàn)預(yù)噴。即將原本打算一個(gè)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(jìn)行著火的預(yù)反應(yīng),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(jī)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(yù)升程來抑制空氣和燃料混合氣的形成,以此對(duì)怠速工況的燃燒噪聲產(chǎn)生影響。通過設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)增壓后進(jìn)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(jī)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),噪聲降低。此外,一般來說,渦輪增壓柴油機(jī)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(jī)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(shí)也削弱了增壓對(duì)降低燃燒噪聲的作用。

  (6)燃燒室的選擇和設(shè)計(jì)。對(duì)于分開式燃燒室,精確的噴油通道、擴(kuò)大通道面積、控制噴射方向和預(yù)燃室進(jìn)氣渦流半徑的優(yōu)化,均能抑制預(yù)混合燃燒,促進(jìn)擴(kuò)散燃燒,從而降低由低負(fù)荷到高負(fù)荷較寬范圍的燃燒噪聲、燃油消耗和碳煙排放。

  對(duì)于直噴式燃燒室,可以通過合理設(shè)計(jì),使其在保證足夠的渦流下具有高紊動(dòng)能,強(qiáng)化燃料與空氣之間的擴(kuò)散,以此來改善燃燒過程,實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)低油耗、低噪聲和低排放。

  活塞頂燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒噪聲有很大影響。孔口較小、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(jì)時(shí)在變動(dòng)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(shí)間延遲,氣缸內(nèi)溫度和壓力在燃油噴入時(shí)較高,燃油一經(jīng)噴入即霧化,瞬間達(dá)到著火點(diǎn),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(huì)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(jī)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(jī)械噪聲

  機(jī)械噪聲是由于運(yùn)動(dòng)件之間以及運(yùn)動(dòng)件與固定件之間周期性變化的機(jī)械運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的,它與激發(fā)力的大小、運(yùn)動(dòng)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(jī)械噪聲。

  1.2.1活塞敲擊噪聲

  發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),活塞在上、下止點(diǎn)附近受側(cè)向力作用產(chǎn)生一個(gè)由一側(cè)向另一側(cè)的橫向移動(dòng),從而形成活塞對(duì)缸壁的強(qiáng)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(dāng)?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(qiáng)肋的方法。

  (4)改進(jìn)活塞和氣缸壁之間的潤滑狀況,增加活塞敲擊缸壁時(shí)的阻尼,也可以減小活塞敲擊噪聲。例如在D=180mm單缸試驗(yàn)機(jī)上,采用專用潤滑油噴向氣缸壁上供給機(jī)油,結(jié)果使機(jī)體的振動(dòng)降低6dB(A)。顯然,這種措施在實(shí)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(shí),還可改善潤滑性能,節(jié)約燃料,提高使用壽命。

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