（动力机械及工程专业论文）内燃机结构声学特性及其优化设计方法研究.pdf

摘要 本文通过虚拟设计和实验研究的方法，围绕内燃机结构声学特性及其优化 这一主题，就内燃机低噪声结构优化设计方法、结构辐射噪声虚拟预测方法、组 合体振动和声辐射特性、机械激励力的仿真等方面展开了研究。 使用离散法对齿轮室盖声辐射特性进行了实验研究。研究了齿轮室盖壁厚、 加强筋、约束条件、激励点位置等因素对齿轮室盖声辐射系数的影响。 以试验研究和软件模拟为基础，结合现代优化设计理论，研究了进行内燃 机整机进行声学结构优化的方法。针对油底壳、齿轮室盖、气缸盖罩等具体零件 的特点，制定了不同的优化策略，采用h y p e r w o r k s o p t i s t r u c t 软件，使 用形状优化、形貌优化、拓扑优化等现代优化设计方法，完成以减低薄壁件结构 辐射噪声为目的优化设计，并利用软件模拟的方法预测了优化设计的降噪效果。 对y n 4 1 0 0 q b 柴油机机体，采用形状优化技术，选机体侧板、曲轴箱隔板厚度 等1 2 个设计变量，以机体的应变能、节点的水平位移、机体的重量为约束函数， 以和裙部振型相关的模态频率的加权和为目标函数，完成了以提高机体裙部刚度 为目标的优化设计，同时也进行了设计变量对响应变量的灵敏度分析。为了降低 4 1 0 0 柴油机的噪声辐射，在机体下部使用了加强框，用发动机整机动力响应结 果分析了加强框对机体裙部的减振效果，用有限元和边界元结合的方法预测了加 强框对发动机整机的降噪效果。 用实验研究的方法对缸盖机体组合件的动态特性和声辐射特性进行了研 究。通过模态实验和声辐射系数实验，研究了螺栓连接方式( 贯穿螺栓连接和普 通螺栓连接) 及预紧力矩大小对缸盖缸体组合件固有频率、结构阻尼，传递函 数等动态特性和声辐射效率的影响规律。 从解决发动机虚拟仿真结果和台架试验结果一致性问题出发，采用多体动 力学仿真的方法，研究了多体动力学建模各环节对发动机主轴承载荷计算的影 响。在a d a m s 中建立刚柔混合的4 1 0 0 0 b 柴油机多体动力学模型，其柔性体部件 包括：机体、缸盖、安装支架、连接法兰、曲轴、飞轮等，其它零件则为刚性体。 通过比较不同模型间主轴承载荷的差异，探讨了发动机曲轴和机体的柔性、发动 机的安装方式、悬置刚度、连接法兰、联轴节弹性等多体动力学建模因素对主轴 承载荷计算的影响；利用实测的气缸体表面节点振动数据验证了多体动力学计算 结果的有效性。 关键词：内燃机振动噪声辐射效率优化设计 a b s t r a c t c e n t e r i n g o nk e yt h e m eo fs t r u c t u r a la c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n d o p t i m i z a t i o nf o r i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ，t h es t u d yo nt h el o wn o i s es t r u c t u r ed e s i g n ，n o i s er a d i o v i r t u a lp r e d i c t i o n , a s s e m b l i e s v i b r a t i o nb e h a v i o ra n da c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c sw e r e p e r f o r m e db yu s i n gv i r t u a ld e s i g na n de x p e r i m e n tm e t h o d t h ea c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c so fg e a r - c o v e rw e r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gt h e d i s c r e t ec a l c u l a t i o nm e t h o d ( d c m ) t h ei n f l u e n c eo ft h et h i c k n e s so ft h ep a r t ，r i b ， c o n s t r a i n tc o n d i t i o na n dt h ep o s i t i o no fe x c i t i n gf o r c eo nt h er a d i a t i o ne f f i c i e n c yw a s a l s oe x p l a i n e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er e s u l tf r o me x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n , b y a p p l i c a t i o no fm o d e mo p t i m a ld e s i g nm e t h o d s ，t h ed e s i g nf o rr e d u c i n gr a d i a t e dn o i s e f r o mt h es t r u c t u r eo fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ew a sa c c o m p l i s h e d a c c o r d i n gt ot h e s 仃1 l c t i l r ec h a r a c t e r i s t i co ft h eo i lp a n g e a rc o v e r , c y l i n d e rh e a dc o v e r , d i f f e r e n t 叩t i m a ls t r a t e g i e sw e r em a d eb a s e do n h y p e r r k s o p t i s t r u c ts o f t w a r e b yt h em e t h o do fs h a p eo p t i m i z a t i o n ，t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n , t o p o g r a p h yo p t i m i z a t i o n , t h eo p t i m i z e dd e s i g nt ol o w e rt h er a d i a t e dn o i s eo ft h es u r f a c ew e r ea c c o m p l i s h e d , a n dt h er a d i a t e dn o i s eo ft h eo p t i m i z a t i o nw a sa l s oe v a l u a t e db ys o f t w a r es i m u l a t i o n s h a p eo p t i m i z a t i o nw a sp e r f o r m e do nac y l i n d e rb l o c ko f4 10 0 q bd i e s e le n g i n e t h em a x i m u mo fn a t u r ef r e q u e n c yr e l a t e dw i t ht h es h i r to ft h ec y l i n d e rb l o c kw a s o b t a i n e db yo p t i m i z i n gt w e l v es t n j c t u r ed i m e n s i o n s o ft h ec y l i n d e rb l o c kw i t h c o n s t r a i n so ff l e x i b i l i t yo ft h ec y l i n d e rb l o c k , t h ep o i n td i s p l a c e m e n t ，t h ew e i g h to f t h ec y l i n d e rb l o c k , m e a n w h i l et h es e n s i t i v i t ya n a l y s i so ft h eb l o c kw a sc a r r i e do u tt o i l l u s t r a t et h ev a r i a b l e s e f f e c to i lt h er e s p o n s eo ft h es t r u c t u r e ，a n dt h e i rc o n t r i b u t i o nt o t h eo p t i m i z a t i o nw a sa l s od i s c u s s e d a i mt or e d u c et h er a d i a t e dn o i s ef r o me n g i n e ， l a d d e rf r a m ew a su s e do n410 0 q bd i e s e le n g i n e ，t h ei m p r o v e m e n to fv i b r a t i o nw a s e v a l u a t e db yt h er e s u l to ff r e q u e n c yr e s p o n s eb ym s c n a s t r a ns o f t w a r e ，a n dt h e r a d i a t e dn o i s ew a sa l s op r e d i c t e db yu s i n gs y s n o i s es o f t w a r e t h ev i b r a t i o nb e h a v i o ra n da c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i e so ft h ea s s e m b l i e sw e r e i n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n t s t h ee f f e c to ft h ea s s e m b l i n gm e t h o d ，w i t ht a p b o k so r w i t ht h r o u g h - b o l t s ，a n dt h ev a l u eo ft h et i g h t e n i n gt o r q u ew e r ee x p l a i n e db yt h e p a r a m e t e r s ，s u c ha sn a t u r ef r e q u e n c y ，d a m p i n gr a t i o n , f r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o n a n ds o u n dr a d i a t e de f f i c i e n c y t ov a l i d a t et h er e s u l t so fs o f t w a r es i m u l a t i o n , b e n c hs c a l et e s tw a sn e c e s s a r y a r e s e a r c ho i lt h ei n f l u e n c eo fm u l t i b o d yd y n a m i c sm o d e l i n gm e t h o do i lt h eb e a r i n g f o r c es i m u l a t i o no fa ne n g i n e ，i n c l u d i n gb e n c hi n s t a l l a t i o nc o n d i t i o n s ，w e r ep r e s e n t e d 410 0 q bd i e s e lf l e x i b l em u l t i - b o d yd y n a m i c sm o d e lw a sb u i l tb ye m p l o y i n gt h e m o d a ls y n t h e s i st e c h n i q u ei nt h es o f t w a r ea d a m s ，t h ef l e x i b l ee n g i n ec y l i n d e rb l o c k c o m p o n e n ti n c l u d ec y l i n d e rb l o c k , c y l i n d e rh e a d , g e a rc h a m b e r , w h e e l h o u s e ，a n d e n g i n eb r a c k e t ，t h ef l e x i b l es h a f tc o m p o n e n ti n c l u d et h ec r a n k s h a f t , t h ef l y w h e e l a n dt h e c o n n e c t i n gf l a n g e ，a n dt h eo t h e rp a r t sw e r et r e a t e da sr i g i db o d i e s b y c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fd i f f e r e n tm o d e l s ，t h ee f f e c t so ff l e x i b i l i t yo f c y l i n d e rb l o c ka n dc r a n k s h a f t ，i n s t a l l i n gm e t h o do fe n g i n e ，c o u p l i n gf l a n g e ，m o u n t i n g s t i f f n e s sa n dt h ee l a s t i c i t yo fs h a f tc o u p l i n gw e r ed i s c u s s e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t w a sv a l i d a t e db yt h em e a s u r i n ge n g i n eb l o c kv i b r a t i o na c c e l e r a t i o n k e yw o r d s ：i c ev i b r a t i o nn o i s er a d i a t i o n e f f i c i e n c yo p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：苓民 签字日期：沙。歹年乙月绣日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：毒氏 签字日期：抛| 7 年7 , - 月彩日 导师躲承仰 签字日期：纠年月灌日 l 第一章绪论 第一章绪论 “能源与环境 是当今人类社会发展亟待解决的两个问题。为解决这两个问 题，世界各国都投入巨额财力和人力进行相关技术研究，同时也加强国家和地区 间各种形式的合作，以求使问题尽快得到解决。 内燃机作为广泛应用的基本动力，在当前的“节能减排”潮流中面临巨大冲 击。由于内燃机自身的工作的特点，决定了在它们工作运转过程中必然存在振动 和噪声 1 2 1 。在节能环保呼声日益高涨2 1 世纪，社会更加重视人和环境自然和谐， 因此发展高燃烧效率、低排放、低噪声的发动机成为当前整个汽车和内燃机工业 必须要面对的挑战。 1 1 内燃机降噪的紧迫性及其意义 随着对环境要求的不断提高，汽车所造成的噪声污染问题越来越引起人们的 注意，2 0 世纪7 0 年代末，国际上各个国家开始制订车辆噪声法规，以降低噪声 对环境的污染。日本从1 9 7 1 年、欧盟从1 9 6 9 年、美国基本从1 9 6 7 年就开始控 制机动车噪声，制定噪声法规，表1 1 为世界主要国家和地区现执行的汽车噪声 限值，从中可以看出我国现行噪声限制距离世界先进水平还有较大的差距，说明 我国在汽车降噪技术上还有待进一步研究发展。 表1 - 1 世界主要国家( 地区) 汽车噪声限值 是否具有良好的噪声、振动和行驶平顺性( n o i s e ，v i b r a t i o na n dh a r s h n e s s 简写为n v h ) 现在已成为决定内燃机能否被市场接受的重要条件。随着发动机向 高速、大功率、高效率方向的发展，解决发动机的排放和噪声污染显得更加迫切， 因此在我国开展降低发动机噪声的研究具有十分重要的现实意义。 第一章绪论 欧共体p u i 0 1 法规规定了现行的包括驾驶员座位的座位数少于9 的载客汽 车的加速行驶噪声的限值为7 4 d b ( a ) ；而日本则规定了包括驾驶员座位的座位数 少于l o 的载客汽车的加速行驶噪声的限值为7 6 d b ( a ) 。 图1 为世界主要国家和地区噪声限值的变化历程。从中可以看到国内、外噪 声标准的差距。为促进我国汽车行业降噪技术进步，我国从1 9 7 9 年开始控制机 动车噪声，并制定相关的标准( g b1 4 9 5 7 9 、g b1 4 9 6 7 9 ) ，以后定期修订噪声 标准【3 】，对噪声限值的逐年向国际标准接轨，但由于工业基础薄弱，研究起点较 低，我国车辆的噪声指标与国外产品上相比，仍存在较大的差距，需要的投入也 更多。 目前我国2 0 0 5 年1 月1 日后的噪声限值则是照搬欧盟9 6 年标准r 5 i 0 2 的 噪声限值。对于载重量大于3 5 吨的各种车辆噪声限值规定相对宽松一些，从2 0 0 2 年1 2 月3 0 日到2 0 0 4 年1 2 月3 0 日的噪声限值比7 9 年标准规定的1 9 8 5 年以后 生产的车辆噪声限值稍有降低，而2 0 0 5 年1 月1 日后这些车辆的噪声限值则是 照搬欧盟9 0 年的噪声限值标准r 5 i 0 1 ，而没有像载重量小于3 5 吨的车辆那样 照搬欧盟9 6 年的噪声标准。 9 7019 8 0199 0200 02 0 时间 图1 - 1 世界主要国家和地区噪声限值的变化历程 国 国 盟 本 2 0 0 0 年到2 0 0 5 年天津大学对我国不同发动机厂家的生产的多个主要机型进 行了噪声测试，其中y c 6 1 0 8 g 、c y 4 1 0 2 b q 、c y 4 1 0 2 b z l q 、y n 4 1 0 0 q b 等柴油机噪 声水平基本上都在2 0 世纪8 0 年代的水平，而在2 0 世纪9 0 年代引进的j x 4 9 3 z o 柴油机和t j 3 7 6 0 e 、c a 4 g b 、y h 4 6 5 汽油机基本上与国外2 0 世纪9 0 年代的统计水 平相当。需要指出的是2 0 世纪8 0 年代国外的发动机在设计上基本上没有专门采 取降低噪声的措施，因为那时发动机的噪声还没有像现在这样引起人们的重视。 为了满足新的车辆噪声法规( g b l 4 9 5 - 2 0 0 2 ) 规定的2 0 0 5 年1 月1 日后的噪声 限值，用于小于3 5 吨车辆的发动机标定工况下的1 米声压级必须控制在 2 6 4 2 0 8 6 4 8 8 8 8 7 7 7 一一口p趔醛救棼 第一章绪论 9 3 - 9 5 d b ( a ) ，用于大于3 5 吨车辆的发动机标定工况下的1 米声压级也必须控制 在9 5 - 9 7 d b ( a ) ，这些指标对发动机设计和制造提出严峻的挑战。 1 2 内燃机整机降噪发展历程 内燃机整机噪声的研究大致经历了5 个阶段： ( 1 ) 第l 阶段 二十世纪四十年代中期，主要对产生内燃机噪声的机理进行分析和试验研 究，即声源探究，对内燃机的结构不作重大变动，只是研究性的，没有明确目标。 大致包括以下内容： a ) 对内燃机噪声进行调查和测量，比较汽油机和柴油机的噪声； b ) 研究各种工况、结构型式及调节参数对内燃机噪声的影响； c ) 了解内燃机的各种噪声源，优化进气系统和排气消声器； ( 2 ) 第2 阶段 从2 0 世纪6 0 年代末开始至7 0 年代末，此时各个国家纷纷出台噪声标准， 研究的主要以屏蔽技术为主，并对内燃机的传统结构作了较大改变； a ) 深入研究燃烧噪声，发展低噪声的燃烧系统； b ) 在研究内燃机表面噪声辐射量的分布基础上，探索各种材料降噪效果； c ) 改进隔声系统，探索整机隔声罩在内燃机上应用的可能性； 这一时期，研究学者作品很多。1 9 7 3 年英国的g r o v e r 、l a l o r 发表了低噪声 柴油机设计综述的文章【4 】。1 9 7 5 年l a l o r 和p e t y t 在s a e 上发表了作为噪声源的 内燃机结构振动模态【5 】，文中阐述了发动机机体的整体模态和局部平板模态对发 动机噪声的影响，这方面内容在国内的内燃机噪声专著中得到广泛的引用。1 9 7 4 年d a n d e r t o n 等发表文章研究了一台直列柴油机机体表面振动和辐射噪声之间 的关系1 6 】。 ( 3 ) 第3 阶段 从2 0 世纪8 0 年代起，研究人员采用现代分析技术研究内燃机振动和噪声 问题，这一时期是以新机型设计的结构优化技术为特征。内燃机在实验和理论研 究上有快速的发展，开始通过试验研究内燃机结构在燃烧和机械激振力作用下的 振动规律，研究振动传递函数与噪声的关系。并且采用现代设计理论和方法设计 新一代的低噪声内燃机，使之在内燃机的设计阶段就能预测出噪声强度，以确定 最合理的噪声、振动水平和结构强度的设计方案。1 9 8 2 年，r u s s e l l 在文献中对 柴油机噪声控制技术进行了论述【7 】。与此同时些学校也进行了大量的研究工 作，1 9 8 8 年英国的南安普敦大学( u n i v e r s i t yo fs o u t h a m p t o n ) 的c l a r e 完成了有 第一章绪论 关低噪声内燃机结构形状优化的博士论文【8 】。他在文中描述了如何用有限元法和 时间积分技术来完成一个内燃机总体噪声预测的设计。1 9 9 2 年奥地利的格拉兹 理工大学( t e c l m i s c h eu n i v e r s i t a e tg r a z ) 大学的c h r i s t i a n 完成了通过结构优化减 小小排量火花点火式内燃机噪声的博士论文【9 1 。 ( 4 ) 第四阶段 以1 9 9 5 年e c e 现行标准的实施前后为标志的，这一时期学者们提出了新概 念设计的观念以及车辆的声音主观评价的技术方向。当采用吸声、隔声、消声、 隔振和阻尼减振等传统方法设计开发新型内燃机时，在可行的生产率和成本之 内，使内燃机在标定转速和负荷下的l 米噪声级达到9 5 9 8 d b ( a ) 。但是要想使 内燃机在标定工况下的噪声降低到9 3 d b ( a ) ，就必须考虑采用非传统的新型内燃 结构。同时新型低噪声内燃机还必须满足输出功率、扭矩特性、燃油消耗率、生 产成本以及排放法规等关键性能指标的要求。对此，奥地利的a ：儿和德国的f e v 等均提出了非传统的低噪声内燃机结构设计的新概念。 基于内燃机新技术的设计概念，要满足未来最严格的噪声法规限值目标必须 采用屏蔽措施。需要特别重视的是燃油喷射和燃烧系统，齿轮传动部件的布置与 制造，内燃机结构的优化，隔振附件和特制隔声罩等方面的技术，甚至要考虑设 计无声的辅件。 德国f e v 对一台4 缸汽油机的振动、噪声情况进行了细致地研究【1 0 1 。先通 过锤击法研究了活塞对缸套的拍击、主轴承的竖直和水平及其轴向振动激励与结 构振动响应之间的关系，得到了与各激励相对应的传递函数，然后利用由模拟软 件计算得到的各种激励来计算运转状态下发动机的实际振动响应和辐射噪声。还 分析了不同刚度的机体裙部设计方案以及各自的动态特性对4 0 0 0 h z 以下的机体 辐射噪声、辐射噪声的声音质量和发动机悬架安装处振动的影响，通过比较分析 确定了合理的发动机裙部设计方案。 近来燃油喷射系统的技术进步也为降低柴油机的噪声提供了一个新的选择。 和b o s c hp 7 1 0 0 直列泵相比，b o s c hv e 转子泵将油泵噪声降低了6d a ( a ) 。 对于噪声屏蔽方面的研究，p a c a r d o 近年来一直采用隧道式的屏蔽方法，以 使空气的扰动最小化。这样的方法在车辆上应用非常广泛，从客车到重型卡车。 通过这种方法在试验条件下最大可使车辆的噪声降低1 0 d b ( a ) 。 在2 0 世纪8 0 年代，对于车辆及发动机而言，研究的重点在于降低声音的能 量，进入2 0 世纪9 0 年代，在对发动机进行低噪声控制技术研究的同时，也提出 了发动机噪声声音品质主观评价和控制的概念。 奥地利a v l 公司的s c h i f f b a n k e r 和h u s s a i n 等作了开拓性的工作n 。通 过对6 0 种有代表性的发动机噪声的测量，按声学特征归纳为8 类评价指标，提练 4 第一章绪论 出4 8 个物理特征量，对3 0 0 个应试者作了噪声骚扰度的统计分析。其贡献在于 建立了完整的噪声族谱的测试方法和以数理统计为基础的主观评价技术。 日本尼桑汽车公司在改善发动机及整车的声音品质方面做了大量的工作【l2 1 。 他们认为，良好的声音品质应满足：声压级与转速呈线性关系，声音基础分量的声 压级应远大于其它分量的声压级。采取的措施有：曲轴材料采用锻钢，且曲轴 销和曲轴颈的直径足够大，保证较高的曲柄刚度。在曲轴前端皮带轮上加扭弯 减振器来减少弯曲振动。使用轴承梁提高曲轴的支撑刚度。采用侧向加强气 缸刚度来抑制v 型机刚体的对角变形和弯曲变形。利用主谐次法降低旋转方向 的不平衡。该项措施使不平衡量降低到了原来的四分之一。通过使用扩张式谐 振器、霍尔姆兹谐振器及管式谐振器降低了进气噪声。以上措施的采用使得y t t 4 5 d 发动机从怠速到转速极限皆能保持良好的音质特性。 ( 5 ) 第五个阶段 以未来轿车7 1 分贝的限值为推动，开发并采用最新技术进行“低能耗 、 “低排放、“低噪声”这3 个目标的发动机优化技术。 在这一阶段，发动机降噪重点更多的集中在降低柴油机噪声方面。由于着 火方式差异，柴油机比汽油机燃烧噪声大，随着柴油机在轿车上的广泛应用，各 研究主要关注于降低燃烧噪声同时也兼顾排放和燃油的经济性，采取了各种方法 和技术，取得了较好的成果，其中大部分研究是通过燃烧系统和喷油系统的研究 改善燃烧过程，降低燃烧噪声和排放。 由于多年的研究积累，目前在降低发动机噪声方面已形成较为完备的理论和 技术，主要的技术措施如下： 供油系统的改进。 降低柴油机燃烧噪声的根本措施是降低压力增长率。而压力增长率取决于着 火延迟期和在着火延迟期内形成的可燃混合气的数量和质量。压力增长率主要靠 燃油喷射系统控制。供油过程中可调节的主要参数有供油提前角、喷油压力、喷 油器喷嘴数量和直径、供油规律等。 喷油规律对燃烧噪声的影响最为直接。由于气缸内压缩温度和压力是随曲轴 转角变化的，喷油时间的早晚对于着火延迟期长短的影响将通过压缩温度和压力 而起作用。若喷油早，则燃料进入气缸时的空气温度和压力低，着火延迟期变长； 若喷油过迟，同样燃料进入气缸时的空气温度和压力反而变低，着火延迟期变长， 燃烧噪声增大；只有适当推迟喷油时间，即减小喷油提前角，可使着火延迟期延 长期变短，燃烧噪声减小。 早期通过供油系统降低柴油机燃烧噪声主要是二次喷射技术。s c h u l t eh o r s t 通过研究喷油率、喷油定时以及引燃喷油对燃烧噪声的影响n 引；r u s s e l lmf 设 第一章绪论 计了两段升程装置，采用引燃喷射装置在较大的转速范围及加速情况减小燃烧噪 声n 帕；k o h k e t s us 通过降低双弹簧喷油器初次开启压力和针阀的预升程来抑制空 气和燃料混合气的形成对怠速工况的燃烧噪声的影响n s ；y o s h i z uf 采用二次喷 射控制喷油率，研究了怠速工况的喷射特性和燃烧噪声n 6 1 ；s h o j it a k e s h i 通过 抑制初次喷油率来降低发动机怠速燃烧噪声n 7 1 。 由于高压共轨电控系统具有高的喷射压力和很好的控制灵活性，因此逐步在 降低燃烧噪声的中得到应用n 戡1 9 瑚1 。高压共轨喷射系统可以实现对预喷射的精确 控制，精确的控制喷油规律，如在减小初期喷油率的前提下缩短喷油持续期，可 以获得较理想的燃烧性能。如果初期放热量大，最高燃烧压力和压力升高率均升 高，则燃烧噪声增加；而在相同的放热规律下，着火时刻越早，就越接近等容加 热循环，因此，压力升高率最大，燃烧噪声也最高；若采用预喷技术，控制初期 放热量很小，大部分热量是在活塞离开上止点较远的较大容积下释放出来的，压 力升高率和最高嫩烧压力都很低，燃烧噪声可以控制到较低的水平。 而对于使用机械式喷油泵的柴油机上，喷油率对燃烧噪声的影响也很大，试 验表明，喷油率提高一倍，燃烧噪声就会增加6 d b ，因此用减少喷油泵供油速率 的方法来减少燃烧噪声，但应注意高速性能的恶化和增加怠速噪声的问题。 改进燃烧室结构形状和参数 燃烧噪声与内燃机的燃烧过程有直接的关系，然而燃烧过程相当复杂，它和 燃料的性质、压缩比、供油系统各参数( 如供油提前角、供油规律、喷油器孔径 和孔数及喷油压力等) 、内燃机结构型式( 如风冷、水冷) 、燃烧室的形状( 如国 型、盆型燃烧室、球型燃烧室、涡流室和预燃室燃烧室) 、内燃机的进气状态( 进 气温度和压力) 及内燃机运转工况等各种因素均有密切关系口1 2 3 】。 柴油机的燃烧室分为直喷式和分隔式两大类：( a ) 直喷式又分开式、半分 开式和球形燃烧室等。( b ) 分隔式分涡流室和预燃室。以工作的柔和程度来说， 球型、涡流室和预燃室较好，属于低噪声燃烧室。在其它条件相同的情况下，半 开式的直喷式燃烧室，如球形燃烧室及斜置圆筒形燃烧室的燃烧噪声最低；分隔 室式燃烧室的燃烧噪声也较低；不分开的直喷式燃烧室，如浅盆形和d 形燃烧室 的燃烧噪声最大。 对涡流室式柴油机，调节燃烧室结构参数也可降低燃烧噪声。例如：在涡流 室式发动机中喷油嘴的喷油方向越偏离涡流室中心而指向涡流下游，附着于燃烧 室壁面的燃料就越多，燃烧也越柔和；另外增加涡流室喷孔面积比也可减少噪声。 在现代柴油机设计中，出于燃油经济性考虑，多倾向于使用直接喷射式燃烧 系统。即在活塞头部设计一特殊形状的凹坑作燃烧室。一般从侧面剖视看，有浅 盆形、浅形、深形、缩口形等多种。而从顶面看，一般有圆形、方形、四瓣 6 第一章绪论 梅花形等几种形状。然而，根据长期的研究与试验，有着一个大致的规律：孔口 直径越大，深度越浅的燃烧室，燃烧噪声就越大。反之，孔口较小，深度较深者， 燃烧噪声就小得多，排放也明显好转，再加上缩口形，减噪趋势就更趋好转。因 此，在新设计时，在变动许可范围内，最好选用缩口、尽可能加深的d 形燃烧室 为佳。而方形、四瓣梅花形燃烧室，对改善排放和降低烟度略有好处。 提高废气再循环率和进气节流 提高废气再循环率可降低燃烧速率，使发动机运转平稳，对降低燃烧噪声有 明显作用。而进气节流可使气缸内的压力降低和着火时间推迟，因此进气节流不 但能降低噪声，而且还能减少柴油机所特有的角速度波动和横向摆振。 采用增压技术 柴油机增压后进入气缸的空气充量密度增加，压缩终了时气缸内气体的温度 和压力增高，改善了混合气的着火条件，使着火延迟期缩短。虽然增压柴油机最 大爆发压力有所增加但其压力增长率d p dv 和压力升高比变小，使柴油机运转 平稳，噪声降低。增压后气缸压力低频部分可能有所提高，但在中、高频部分其 气缸压力级明显降低，因此增压可明显降低噪声。试验证明，增压可使直喷式柴 油机燃烧噪声降低2 - - - 3 d b 。 提高压缩比 提高压缩比可提高压缩终了的温度和压力，使燃料着火的物理、化学准备阶 段得以改善，从而缩短着火延迟期，降低压力升高率，降低燃烧噪声；但压缩比 增大使气缸内压力增加，会让活塞敲击声增大，因此，提高压缩比不会使发动机 的总噪声有很大的降低。 改善燃油品质 降低柴油机燃烧噪声的根本措施是降低压力增长率。而压力增长率取决于着 火延迟期和在着火延迟期内形成的可燃混合气的数量和质量，因此可通过选用十 六烷值高的燃料，合理组织喷油过程及选用良好的燃烧室来实现。燃油品质不同， 喷入燃烧室后所进行着火前的物理、化学准备过程就不同，导致着火延迟时间不 同。十六烷值高的燃料着火延迟较短，压力升高率低，燃烧过程柔和。故而，应 采用十六烷值高的燃料 降低机械激励。 通过采用多气门系统以及可变进气门定时装置等新技术，控制进排气配气 机构的噪声【2 4 】；采用活塞销偏置来控制活塞形态以及缩小活塞与气缸套间的间 隙等控制活塞排击噪声；对于齿轮噪声，有利用小模数化使啮合率增加，利用 人字齿轮和摩擦齿轮等使齿隙减小，采用阻尼环等使齿轮固有振动减小以及将 齿轮系后置来降低噪声的对策【2 5 1 。 第一章绪论 有源噪声与振动控制( 舢w c ) 。 它是指使用人为的、有目的地产生二次声或振动信号控制原有的噪声或振 动。a n v c 源于2 0 世纪3 0 年代e l e n g 提出的“源消声”专利，经过几十年的 发展，已确立了它在噪声与振动控制领域中的地位，成为多学科交叉、渗透及延 伸的一个典范和国内外竞相研究的热点【2 6 1 。 优化内燃机结构3 _ 刀 7 内燃机噪声控制是一个复杂的系统工程，它既可以通过改进燃烧过程得到改 善，也可以通过结构优化设计得到改善，例如在燃烧激励力的辐射和传播途径上 采取措施，增加发动机结构对燃烧噪声的衰减，尤其是对中、高频成分的衰减。 具体的措施有：提高机体及缸套的刚性，采用隔振隔声措施，减少活塞、曲柄连 杆机构各部分的间隙，增加油膜厚度，在保持功率的前提下采用较小的缸径，增 加缸数或采用较大的s d 值，改变薄壁零件( 如油底壳) 的材料和附加阻尼。 车辆与发动机组合优化技术【2 引。降低整车的振动和行驶噪声，提高行驶平顺性， 就要求不仅是发动机需要降噪，而且要考虑整车的总体结构布置、整车屏蔽技术 以及排气消声器的结构位置等对汽车的行驶噪声的影响，而且对于发动机与车体 之间的悬置系统要进行优化设计，使悬置系统的固有频率应具有合理的分布，通 过对系统固有频率的合理安排，使系统容易避开共振区，减少发动机激励使整车 产生的振动响应，以利于提高汽车的行驶平顺性。 现代内燃机降噪研究已经进入多元化的时代，全方面，多层次，跨领域的新 技术应用已经成为降低内燃机噪声的必然趋势。以印度t a m 公司在对一台排量3 升直喷自然吸气柴油机的降噪改进设计为例，其采取了多种改进措施。研究人 员通过在齿轮室盖板处增加阻尼涂层，在皮带轮处增加隔声罩，降低发动机前端 面的噪声辐射；通过增强喷油泵支架的刚度以降低其噪声辐射；在挺杆室盖板使 用复合钢板，使用橡胶隔振垫和垫圈降低了挺杆室盖的噪声；在气门罩框外面增 加泡沫吸声材料；在排气管增加隔热、隔声罩。通过这些措施，将整车的通过噪 声降低2d b ( a ) 。在此基础上又对机体结构进行优化，将裙部处理成波浪形的曲 面同时增加横向的加强筋；通过减小齿轮的模数、增大齿数，提高齿轮加工精度 等措施降低了齿轮啮合的冲击噪声；将活塞销偏移以改善了怠速的噪声，油底壳 使用了复合阻尼材料钢板。通过采取上述诸多改进措施，使改进的发动机l m 声 压级在怠速时降低了2 7 d b ( a ) ，标定工况时降低了2 6 d b ( a ) 。 内燃机结构再设计的降噪方法，即通过修改结构动态参数来降低内燃机噪声 的方法是当前降噪领域的重点。而我国内燃机工业长期以来产品更新周期长，科 技开发资金投入少，尤其是产品型号和生产线的引进，严重制约了我国内燃机工 业的科技开发活动。对于内燃机的噪声问题，无论是企业还是科研单位都认识到 第一章绪论 与国外先进水平的差距，但是在我国内燃机工业中，低噪声内燃机设计的研究工 作仍处于起步阶段。因此，加强这方面的相关研究十分必要。 1 3 内燃机噪声机理及噪声传递的研究现状 1 3 1 噪声产生的机理及其分类 经过多年研究，目前研究人员对内燃机噪声产生的机理已有较完备的认识， 一般将发动机噪声按产生的机理分为结构振动噪声和空气动力噪声瞳3 1 。 ( 1 ) 结构振动噪声 发动机的每一个零件都有各自的结构特点，都会在激励力的作用下发生振 动。振动的结构表面会辐射噪声，故结构振动噪声又称为表面辐射噪声。根据 激励力的不同，这种噪声又可以分为： 燃烧噪声 在发动机噪声中，燃烧噪声是最主要的噪声源之一，它产生的主要原因是由 于燃料在气缸内燃烧时，气缸压力急剧上升产生的动载荷，经活塞、连杆、曲轴 主轴承传至机体表面以及通过气缸盖等传递而引起发动机的结构表面振动，并辐 射出来噪声。燃烧噪声主要决定于燃烧方式和燃烧开始初期的燃烧速度。 气缸压力谱决定了发动机辐射噪声的强度和频率范围的宽度，研究缸内压力 的频谱特性就是进行降噪研究的最主要源头。图1 - 2 是某柴油机在不同转速和负 荷情况下的缸内压力频谱曲线。 ( a ) 不同负荷( b ) 不同转速 图l 一2 不同转速和负荷情况下的缸内压力频谱曲线 从中可以了解柴油机燃烧噪声的特性，大体上分为三段：( a ) 低频段包括由 气缸压力基频开始的头几个谐波频率。在这些频段内，气缸压力级达到最大值， 9 第一章绪论 它的数值由气缸压力最大值及压力曲线的形状所决定。( b ) 中间频段的特点是气 缸压力级以对数规律作线性递减相( 当于图中的斜线段) ，其斜率取决于压力增 长率。( c ) 最后频段出现的一个压力级的峰值是由气缸内气体的高频震荡引起的。 机械噪声 主要包括活塞对缸套的敲击，正时齿轮、配气机构、喷油系统等运动件之 间撞击所产生的噪声。是发动机工作时各运动件之间以及运动件与固定件之间的 周期性变化的力所引起的，它与发动机的运行工况及发动机结构动态特性等因素 有关。 液体动力噪声 这是发动机中液体流动产生的力激振发动机结构产生的噪声。燃油喷射系 统的中产生的部分噪声就属于液体动力噪声。 ( 2 ) 空气动力噪声 上述的各种噪声都是首先激振发动机结构引起结构振动，然后使空气振动而 产生的。空气动力噪声则不同，它不是由发动机结构振动引起，而是由于空气动 力学的原因直接使空气质点振动产生，可分成： 进气噪声。这是进气过程中发生的空气动力噪声 排气噪声。这是排气过程中发生的空气动力噪声。 风扇或风机噪声。这是冷却系统风扇或风机产生的空气动力噪声。 1 3 2 内燃机结构振动噪声的传播途径 发动机结构振动噪声的产生和传播由两个过程组成。第一个过程是结构受 力产生振动，这个振动的传播就是噪声，不过是固体声。第二个过程是由固体声 变成空气声，就是振动表面辐射噪声的过程。 发动机燃烧过程中的压力波动可以通过三条途径传递到发动机外表面而辐 射出噪声田一。第一条途径是通过活塞、连杆、曲轴、主轴承传至机体外表面； 第二条途径是经过气缸盖传播出来；第三条途径是经缸套侧壁传到机体外表面。 由于导致发动机压力急剧升高的速燃期燃烧主要发生在上止点附近，所以燃烧噪 声也主要发生在这段时间内，而此时活塞接近上止点，缸内气体和气缸壁接触面 积很小，因此通过气缸壁传到机体外也就是第三条途径辐射出的燃烧噪声十分有 限，因此，大多情况下可以仅考虑前两个传播途径。其中最重要的是第一条传递 途径，气缸内燃料燃烧产生的大部分振动能量是通过活塞、连杆、曲轴、主轴承 传至机体外表面，使机体尤其机体裙部产生强烈的结构振动，从而辐射出噪声， 大约有8 0 的燃烧噪声是通过第一条途径传播的，而约2 0 燃烧噪声通过第 二条途径即气缸盖传递出来啤】。 1 0 第一章绪论 a v l 经过试验研究认为在研究2 5 0 0 h z 以下，发动机表面辐射噪声可以仅考 虑第一条途径；只有考虑频率范围高于2 5 0 0 h z 以上的噪声时，才需要考虑经过 燃烧噪声经过气缸盖的传播口3 1 。发动机的辐射噪声最主要频率范围的是5 0 0 3 0 0 0 h z 内，考虑到这一点，一般对燃烧噪声传播途径的研究重点放在通过活塞、 连杆、曲轴、主轴承、机体表面的振动传递途径上。 燃烧激励首先要使得传递路径中的零部件受激励产生振动响应，最终使机体 产生结构振动而从机体表面辐射出噪声。因此燃烧噪声受传递路径中的传声零件 本身动态特性的影响很大，使得所辐射出的噪声在不同的频段受到不同程度的衰 减，气缸压力级于发动机噪声级之差称为衰减量。衰减量反映了发动机本身结构 上的固有特性。对某一台发动机来说，其结构是一定的，则衰减系数也是一定的。 发动机机的结构衰减特性表征了结构对激振力响应特性，它与激励力的性质即气 缸压力谱无关，因而发动机的有关运转参数如负荷、转速以及供油系统的调整等 对它们不会产生根本性的影响。图1 3 为典型发动机的结构衰减特性。 结构衰减大，噪声就小。不同 发动机的衰减量曲线可能在不同 频率点有1 0 d b 差异，衰减曲线大 ”。 致可分三个区域；晏1 1 0 1 0 0 0 h z 以下的结构衰减量很 袭1 0 0