（动力机械及工程专业论文）轿车柴油发动机及整车配装的nvh试验研究.pdf

中文摘要 从国际汽车发展趋势来看，轿车动力柴油化已成为轿车发展的趋势，人们逐 步认识到柴油机轿车是当今保持汽车大批量、低成本生产中解决环保与节能双重 压力的最实际、最有效的手段之一。本论文研究的丰要目的是使搭载广西玉柴机 器股份有限公司的y c 4 w - 3l 柴油机的天津一汽夏利汽车股份有限公司v e l a 轿车 的n v h 特性满足高级轿车有关标准。 本文对汽车n v h 性能研究主要从汽车加速行驶车外噪声、匀速行驶车内噪 声、行驶平顺性、定置噪声等方面进行评价。以y c 4 w - 3 1 柴油机为主要研究对 象，进行整机噪声、排气噪声测试评价，噪声源分析，并与丰田8 a 汽油机整机 噪声测试结果进行比较分析；对y c 4 w - 3 1 柴油机的噪声分析为进一步控制柴油 机整机噪声提出了改进的方向和目标。对搭载y c 4 w - 3 1 柴油机的v e l a 轿车进行 改进研究，对排气消声器进行设计与产品试验，对动力总成悬置系统( 包括悬置 点位置、悬置刚度和阻尼等参数) 进行优化设计，使整车能够满足n v h 性能的 要求。本文同时对搭载丰田5 a 的v e l a 轿车和搭载柴油机的j e t t a 轿车n v h 性能 测试结果进行比较分析。 通过研究工作可知，柴油动力v e l a 轿车的加速行驶车外噪声、行驶平顺性 满足国标要求，柴油机噪声及整车配装还有大量改进工作需要继续研究。 关键词：柴油机轿车n v h a b s t r a c t f r o mt h ei n t e m a t i o n a la u t o m o b i l ed e v e l o p m e n t , t h ed i e s e lp o w e rc a r sh a v e b e c o m et h ev e h i c l e st r e n d p e o p l eh a v eg r a d u a l l yc o m et or e a l i z et h a tp r o d u c i n g d i e s e lc a r si so n eo ft h em o s t p r a c t i c a la n dm o s te f f e c t i v em e a n st o r e d u c e e n v i r o n m e n t a lp r e s s u r e sa n de n e r g yc o n s e r v a t i o np r e s s u r e si nc o n d i t i o no fv e h i c l e m a s s ，l o w - c o s tp r o d u c t i o n t h en v hc h a r a c t e r i s t i c so fv e l aw i t hy c 4 w 一31d i e s e l e n g i n eo fg u a n g x iy u c h a ie n g i n ec o l t d ，p r o d u c e db yt i a n j i ny i q ix i a l i a u t o m o b i l ec o l t d ，h a sb e e ns t u d i e di nt h ep a p e rt ob ei na c c o r dw i t ht h es t a n d a r d s o f h i g h - r a n k i n g s e d a n s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e ss u c hv e h i c l en v h p r o p e r t i e sa st h en o i s eo u t s i d et h e a c c e l e r a t e dc a r , t h en o i s ei n s i d et h ea v e r a g e d r i v i n gc a r , i t sf i d ec o m f o r ta n dt h es e t n o i s e d i e s e lt oy c 4 w - 31i ss e l e c t e da st h em a i nr e s e a r c ho b j e c t t h ep a p e rd o e s r e s e a r c ho ni t sp i e c eo fn o i s e ，e x h a u s tn o i s ee v a l u a t i o na n dt h es o u r c e so fn o i s e ，a n d m a k e sc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft e s tr e s u l t so ft o y o t a8 ag a s o l i n ee n g i n en o i s e y c 4 w 一31n o i s ea n a l y s i so fd i e s e le n g i n eg i v e su st h ed i r e c t i o na n dg o a li nf u r t h e r i m p r o v i n gn o i s ec o n t r 0 1 t h ep a p e ra l s os t u d i e so nh o wt oi m p r o v ev e l ao fd i e s e lc a r s c a r r y i n gy c 4 w 一31 ，d e s i g n sa n dt e s t st h ee x h a u s tm u f f l e rp r o d u c t s ，g i v e st h eo p t i m a l d e s i g nf o rt h ep o w e rm o u n t i n gs y s t e m ( i n c l u d i n gt h em o u n tp o s i t i o n ，m o u n ts t i f f n e s s a n dd a m p i n gp a r a m e t e r s ) a n dm a k e st h ev e h i c l em e e tt h er e q u i r e m e n t sf o rn v h p e r f o r m a n c e t h i sp a p e rf i n a l l ya n a l y z e s o nt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nn v h p e r f o r m a n c et e s tr e s u l t so f t h ev e l ac a r r y i n g5 at o y o t aa n dj e t t ac a r sc a r r y i n gd i e s e l t h r o u g hr e s e a r c h ，w ec a ns e et h a tt h en o i s eo u t s i d et h ea c c e l e r a t e dc a ra n di t s r i d i n go ft h ed i e s e le n g i n ev e l am e e tt h en a t i o n a ls t a n d a r d h o w e v e r , al o to fw o r k a n ds t u d yn e e dt ob ed o n ea b o u td i e s e lv e h i c l ec o m p a t i b i l i t ya n dn o i s e k e yw o r d s - d i e s e lc a r sn v h 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，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机 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：土翻 签字日期：j 一7 年月乡e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权墨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：j 二 阳 签字日期：少叩年月3 日 ：哳ui 晰 。v l 签字日期：卅年f 月归 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 汽车问世百年来，特别是从汽车产品的大批量生产及汽车工业的大发展以 来，汽车已为世界经济的发展、为人类进入现代生活，产生了无法估量的巨大影 响，为人类社会的进步做出了不可磨灭的巨大贡献，汽车工业现在已经发展成为 一个庞大的产业，成为全球经济的支柱。汽车的应用也相当普遍，在美国平均每 1 3 人有一辆汽车，1 8 人有一辆轿车；在加拿大平均每1 6 人有一辆汽车，每2 2 人有一辆轿车；在澳大利亚平均每1 7 人有一辆汽车，每2 2 人有一辆轿车；在 德国平均每1 9 人有一辆汽车，每2 1 人有一辆轿车。近三十年来，发展中国家 的汽车工业也得到迅速的发展，印度、巴西、东南亚联盟国家等成为快速发展的 新兴市场，汽车销售增长8 0 ，生产增长9 3 。在中国，最近2 0 年，汽车行业 发展十分迅速。 据不完全统计，截止到2 0 0 0 年，世界汽车保有量为8 亿辆。近些年，发达 国家对国内汽车生产开发进行结构调整，压缩一般汽车产量，向高档次汽车发展； 与此同时，发展中国家成为了一般汽车的主要生产基地，汽车销量在这些国家也 保持很高的增长速度，印度、墨西哥、中国等广大发展中国家汽车生产及需求增 长强劲，2 0 0 6 年9 月，伊朗开始全面开放国内汽车市场，成为各大汽车公司在 中东投资的新热点。在可预见的未来，预计全球汽车保有量将会持续增长。图 卜1 显示了近几年全球汽车总产量的增长趋势。 图1 1 全球汽车总产量 第一章绪论 自上世纪8 0 年代中期以来，中国汽车工业在政府宏观调控下加大了资金投 入和科研力度，特别是9 0 年代下半期以来，国外汽车工业巨头纷纷在中国开展 生产销售业务，极大的提升了国内汽车行业的生产率和竞争力。与此同时，中国 的汽车保有量也迅速增加，截止到2 0 0 0 年，中国汽车保有量为15 7 2 万辆i l j ；2 0 0 4 年，中国汽车保有量为2 7 4 2 万辆，近些年，一直保持1 0 一1 5 的增长率。据 预测，到2 0 1 0 年，中国市场将成为仅次子美国的全球第二大汽车市场，年销量 将超过日本，达到5 0 0 - - 6 0 0 万辆。 1 2 车辆噪声控制标准的发展 尽管汽车工业已经是一个国家乃至全球经济的支柱，但从七十年代起汽车工 业受到越来越严重的挑战：全球能源危机的爆发，使节能成为一个永恒的主题； 全球温室效应的加剧，使汽车有害气体排放成为“众矢之的”；作为一种新环境 污染，汽车噪声也逐渐为人们所关注。 噪声污染，与大气污染、水污染一道，并称为当今世界的三大污染。从表 1 1 中可以看出噪声对人类的危害。 表1 1 噪声对人类的危害 影响内容危害 长期生活在8 0 d b 以上环境的人5 0 耳聋，经常戴耳机听音乐会导致永 听觉 久性耳聋。 经常处于噪声环境中，使人眼的敏感性降低、瞳孔散大、色觉和视野异 视觉 常，产生眼花、视力下降、反应迟钝现象，会导致交通事故的发生。 消化系统 噪声能使唾液、胃液分泌下降，造成食欲呆滞而引发消化道疾病。 在吵闹环境中生活的儿童智力发育要比安静环境中低2 0 ，营养学家发 儿童成长发育现噪声使人体的维生素b l 、b 2 、b 6 、氨基酸、谷氨酸、赖氨酸等营养 物质耗量增加，对儿童生长发育影响很大。 噪声会使大脑神经调节功能出现失控现象，造成呼吸加快、心脏跳动剧 心脑血管 烈、血压升高、血管痉挛、引发高血压等心脑血管疾病。 长时问的噪声使免疫系统功能紊乱，使人容易受病原微生物感染，引发 免疫系统 皮肤病或其他疾病、甚至癌症。 噪声影响人的睡眠质量和数量。连续噪声加快熟睡到轻睡的回转，使熟 睡眠 睡时间缩短。突然的噪声4 0 d b 时，使1 0 的人惊醒；6 0 d b 时7 0 人 惊醒。睡眠不好将严重影响人的健康和工作。 第章绪论 在我国工业比较集中、交通运输业比较发达的大中城市噪声已经成为危害 人民群众身心健康的主要公害之口】。各种测量和调查结果表明城市变通噪声 是目前城市环境的主要噪声源p ，因此降低机动车本身的噪声是减少城市王f = 境噪 声的主要途径之。 我国的小汽车、吉普车噪声平均为8 2 9 0 d b a ，载重汽车、公共汽车的噪声 平均为8 9 9 2 d b a ，汽车的喇叭声则高达1 0 5 d b a 。据有关部门调查全国太中城 f h 有三分之二普遍存在噪声超标问题。北京2 0 0 0 年关丁噪声的投诉案件就有1 0 0 多起：天津市2 0 0 0 年所有与环境有关的公民投诉中，6 0 的投诉与噪声有关， 在全国的其他各地关于噪声的投诉襄件也有增加的趋势。上海市城市道路连续5 年监测资料表明，城市变通噪音占市区环境噪音声源的4 17 。可以说由千汽车 保有量的大幅度增加，汽车噪声成为危害人们生活健康的一个重要污染源。 随着人们生活水平的不断提高和环境保护意识的逐步加强，保护人类赖以生 存的自然环境，改善人 l i r a 作和生活的周围环境，走人与自然和谐发展的道路， 已经成为世界各国人民的普遍意识。目前我国和世界上许多发达国家为有效地 控制机动车辆的辐射噪声都根据本国的实际情况制定了机动车辆噪声限制法规 和相应的试验规范。随着新的汽车噪声控制法规的出台，我国对车辆和内燃机噪 声的控制也提上了议事日程，而且将成为今后汽车和内燃机行业的一个重要研究 课题。 a v l 认为就发动机的发展问题而言，屉具有挑战性的要求是解决排污控制， 噪声、振动和行驶平顺性( n v h ) 以及为取得满意的性能所耗成本与所需技术 间的协调关系。德国a u d i 公司在探讨汽车技术的发展时认为近年来和汽车工 业发展有关的热点是：排放法规，降低燃油耗，噪声法规，降低成本和税收政策。 因此汽车设计中，不仅追求动力性、经济性等性能指标，也把噪声作为一个重要 指标加以考虑。 9 5 i 鬲 ；j j 氲 陆啸陪陆啸鱼啸隅 碡爹尹尹芦扩， 阿i - 2 畎盟幽家汽车噪声限值标准的艇展趋势 第一章绪论 近几十年来国外汽车噪声法规有逐渐收紧的趋势。图1 2 为欧共体近3 0 年 来的噪声标准，从中可以看出国外汽车噪声的标准日趋严格，而中国也于2 0 0 2 年颁布了新的汽车及发动机噪声法规，并作为强制执行标准予以实施。因此可以 说“低噪声”目标与“低能耗”目标、“低排放”目标一样成为推动发动机技术 发展的原动力之一。 表i 2 国内外车辆行驶噪声限值标准的比较( d b a ) 国内7 9 年标准国内0 2 年标准欧盟标准 汽车分类 8 5 年前8 5 年后0 5 年前 0 5 年后 9 0 年9 6 年 生产生产生产生产 r 5 i 0 1r 5 i 0 2 m i 8 48 27 77 47 77 4 m 2 ( g v m 3 5 0 或 g v m 受t 8 88 37 87 67 87 6 n i ( g v m 3 5 02 t g v m 【5 3 5 t8 9 8 47 97 7 7 9 7 7 m 2 ( 3 5 g v m 5 0 p s t ) p 2 1 5 0 k w 8 58 38 38 0 p 7 5 k w9 08 68 38 l8 l7 7 n 2 ( 3 5 t g v m 1 2 0 或7 5 k w _ 9 ) ；s 载客量： 我国汽车及发动机工业的产品质量与西方先进工业发达国家相比，存在着一 定的差距，尤其在噪声性能指标中，差距尤为突出，这一点从表1 2 中可以体现 出来。我国一直执行到2 0 0 2 年底的标准g b l 4 9 5 7 9 4 j 机动车辆允许噪声与 欧盟1 9 9 0 年的r 5 i 0 1 法规对于噪声限值的标准差别较大。我国现行标准是2 0 0 2 年新公布的g b l 4 9 5 2 0 0 2 1 5 】汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法，新的噪 声限值标准对从2 0 0 2 年1 2 月3 0 日到2 0 0 4 年1 2 月3 0 日，和2 0 0 5 年1 月1 日 后生产的车辆规定了不同的噪声限值。通过和国外标准对比可以看出，对于载重 量小于3 5 吨的轿车、小客车和小货车，我国从2 0 0 2 年1 2 月3 0 日到2 0 0 4 年1 2 月3 0 日的噪声限值实际上照搬了欧盟1 9 9 0 年的噪声限值标准r 5 i 0 1 ，而将2 0 0 5 年1 月1 日后的噪声限值则是照搬欧盟1 9 9 6 年的噪声限值标准r 5 i 0 2 。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1 9 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 第一章绪论 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。 汽车的噪声包括发动机噪声、轮胎噪声和传动机构噪声等，发动机是车辆行 驶噪声的一个最主要的噪声源，车辆行驶噪声限值标准的降低必然要求更安静的 发动机。根据8 0 年代a v l 的大量统计研究，发动机在标定工况下的l 米声压级 与轿车或卡车的行驶噪声之间有一个经验的平均衰减差值：发动机标定工况下的 l 米声压级必须控制在9 5 9 7 d b a 之内才能可靠地满足欧盟9 0 年噪声法规r 5i 0 1 规定的轿车为7 7 d b a 和卡车为8 3 8 4 d b a 的要求，而为了满足欧盟9 6 年的噪声 法规r 5 i 0 2 规定的轿车7 4 d b a 和卡车7 9 8 0 d b a 的要求，即便在考虑了车辆本 身的各种降噪措施后，发动机标定工况下的l 米声压级必须控制在9 3 9 5 d b a 之 内。 f 我国2 0 0 2 年执行的g b l 4 9 5 - 2 0 0 2 是依据欧盟9 0 和9 6 年的标准制定的，对 我国的现有发动机来产品来说，不管发动机的尺寸大小和燃烧形式( 柴油机或汽 油机，自然吸气或增压) 如何，用于载重量小于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9 5 9 7 d b a 之内才能可靠地满足2 0 0 5 年前的车辆行驶 噪声的要求，为了满足2 0 0 5 年以后的车辆行驶噪声要求，即便车辆本身采取了 各种降噪措施后，这些发动机标定工况下的1 米声压级也必须控制在9 3 9 5 d b a 之内。而对于用于载重量大于3 5 吨车辆的发动机来说标定工况下的l 米声压级 则必须控制在9 5 - 9 7 d b a 之内才能可靠地满足将2 0 0 5 年以后的车辆行驶噪声要 求。 1 3 国内外柴油机降噪研究进展及国内中小功率柴油机现状 合理地控制柴油机噪声，首先应了解柴油机振动噪声的产生原因，即对振源 和振源的产生部位，声源的特性( 包括声源的类别、声级的大小、频率特性、变 化规律和传播规律等) 进行准确的测量和分析，然后根据振动噪声的大小，结合 内燃机的具体特点，采取相应的措施，降低主要噪声源所产生的噪声。 准确分离柴油机这样复杂的机器的噪声源是比较困难的，传统的试验方法如 铅覆盖法、分别运转法由于它们或是测量周期长，对场地要求较高，或是精度较 差难以得到普遍应用。近年来由于高速计算机、信号处理技术、计算技术、现代 测试技术的发展，一些新的测试手段如声强法、声全息、激光全息摄影、小波分 析、试验模态分析等测试新方法不断发展并逐渐应用到内燃机振动噪声分析中， 极大地推动了内燃机噪声源识别分析技术的发展。 国外对柴油机降噪研究早有认识。在六十年代初英国南安普敦大学的 第一章绪论 t p r i e d e 在机械工程会议上发表了柴油机气缸压力谱形式和噪声之间的关系的文 章，1 9 7 3 年英国的南安普敦的另一位学者n l a l o r 发表了关于低噪声柴油机设计 综述的文犁6 。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个直列柴油机机体表面振动和辐射噪声之间的 关系1 7 j 。1 9 8 8 年英国南安普顿大学的w i l c o x c l a r e 完成了有关低噪声发动机结构 形状优化的博士论文博j 。他在文中描述了如何用有限元法和时间积分技术来完成 一个发动机设计总体噪声的预测。汽油机方面，1 9 9 2 年奥地利的b e i l d c h r i s t i a n 完成了题为“通过结构优化减小小排量火花点火式内燃机的噪声”的博士论文1 9 】。 作者用有限元方法计算了发动机的结构辐射噪声，并讨论了发动机不同部件结构 刚度和阻尼参数对发动机结构辐射噪声的影响。 近十几年来，为了满足更为严格的噪声法规，欧洲各研究机构纷纷加快了开 展低噪声发动机的研究开发工作的步伐，除了试验方面的研究以外，模拟分析技 术也是一个重要而且非常活跃的方面，其中采用有限元和边界元相结合方法进行 发动机噪声模拟分析方面已经取得了众多的研究成果。国外一些著名的发动机研 究机构如a v l 、f e v 、砌c a r d o 等都建立了自己的商业化的发动机结构振动和 噪声预测分析系统。除了研究机构外，一些著名的发动机厂家如b m w 、f o r d 、 i s u z u 、h o n d a 、h y d a i 也开展了发动机结构振动和噪声优化分析的研究， 他们或是建立起自己的噪声分析预测系统或是和其他研究机构合作进行发动机 噪声方面的研究。 有限元法计算发动机噪声虽然比较直接，但也存在着其局限性，即在高频区 域由于结构模态的密集性，各个模态相互重叠耦合，在某一频带上可能有大量的 共振模态，当出现这种情况时有限元计算方法已经不在适用。英国南安普敦大学 的n l a l o r 等认为f e m 用于高频的强迫振动响应预测时存在一定困难，而采用 统计能量法( s e a ) 更为有效，他们在简单的悬臂平板上作了有关s e a 方法的 研列1 们。 统计能量分析法在国外目前已经得到重视，目前国外许多单位都在进行这方 面的研究，除英国南安普敦大学的n l a l o r 在这方面做了大量工作外，美国 m i c h i g a n 大学、麻省理工学院，瑞典的k u n g l i g at e k n i s k ah o g s k o l a n d 大学，比 利时的k a t h o l i e k eu n i v e r s i t yl e u v e n 大学，近年来也在这方面进行大量的研究。 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，尤其是长 期以来产品型号和生产线的引进，严重制约了我国内燃机工业创造性的科技开发 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与国外先进水 平的差距，究其原因：国内在发动机噪声方面的研究起步较晚，而且我国执行的 第一章绪论 车辆和发动机的噪声法规要求比国外低，噪声控制的行政管理制度比国外宽松， 从而导致国产车辆和发动机降低噪声的研究工作的开展不如国外活跃，研究队伍 和研究条件薄弱，尤其是创造性的关键技术的研究不够，仅满足于跟踪和达标的 治理，以低噪声为目的的内燃机设计开发工作几乎是空白。因此，加强这方面的 研究十分必要。 国内对发动机噪声方面的研究主要集中在个别的发动机部件的表面噪声源 识别和相应的结构改进方面，采用模拟分析的手段系统进行发动机噪声研究的文 献很少，在仅有的文献中，对于如何利用有限元计算表面振动的过程没有详细表 述j1 1 2 1 。在国内内燃机行业关于统计能量法的研究还没有开始，探索统计能量 法在内燃机噪声分析中的应用、研究统计能鼍法模型的建立以及基于统计能量分 析法模型的能量流控制策略，将会促进我困在内燃机噪声研究方面的进展。 柴油机由于其较高的热效率、较低的燃油消耗率、良好的低速扭矩性而广泛 应用做载重车辆、工程机械、船舶机车等的动力装置。由于受能源危机与全球温 室效应的压力，轿车柴油化日益普遍，特别是在汽车工业比较发达的欧洲，其柴 油轿车的比例已高达3 0 以上，在未来的几年里，这一比例将上升到5 0 以上。 在日本和美国及其他汽车工业较为发达的国家，柴油汽车所占的比重也日趋升 高。但是由于柴油机的噪声较高和可见微粒排放较差，因而柴油机的使用在很多 地方受到一定的限制，柴油机噪声对环境的污染，正日益引起各方面的重视。 英国南安普顿的振动与声学研究所( i s t ) 的学者对国外一些主要发动机 制造公司所生产的大量的发动机噪声经过多年的统计研究，在1 9 7 5 年提出了当 时的典型发动机噪声预测统计公式f i3 1 ，这些公式总结出基于发动机转速，气缸直 径和行程为参数的噪声预测公式。 - 自然吸气4 行程直接喷射柴油机： d b a = 3 0 1 9 n + 5 0 1 9 b - 1 0 1 4 涡轮增压直喷式或非直喷式柴油机： 汽油机： d b a = 4 0 1 9 n + 5 0 1 9 b 一1 3 8 0 d b a = 5 0 1 9 n + 5 0 1 9 b 一1 8 0 ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) 经过近二十年的发展，英国的r i c a r d o 公司在1 9 9 2 年根据当时发动机噪 声统计数据对上述公式进行了改进。 第一章绪论 自然吸气4 行程直接喷射柴油机： d b a = 3 0 1 9 n + 5 0 i g b i 0 6 涡轮增压直喷式柴油机： d b a = 4 0 l g n + 5 0 1 9 b 1 4 1 汽油机： d b a = 5 0 1 9 n + 6 0 i g b 一2 0 3 4 ( 1 5 ) ( 1 6 ) 以上公式中：为标定转速( r m i n ) ，b 为气缸直径( m m ) 。 运用上面的几个公式来对国内的几个中小型柴油机的噪声做一个预测，结果 如下： 表1 3 国内几种发动机的噪声水平预测值和实测值( d b a ) y c 6 1 0 8 g c y 4 1 0 2 b qc y 4 1 0 2 b z qj x 4 9 3 z qt j 3 7 6 q e 按1 9 7 5 年公式预测 1 0 0 51 0 3 31 0 1 51 0 2 71 0 2 6 按1 9 9 2 年公式预测 9 5 99 8 7 9 7 3 9 8 59 8 4 1 米声压级实测值 1 0 0 01 0 4 41 0 1 89 9 59 8 5 在2 0 0 0 年到2 0 0 3 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。 通过对y c 6 1 0 8 g 柴油机机声压级测试，其l 米平均声压级为1 0 0 0 ，正好和 国外1 9 7 5 的平均噪声水平相卦h 】；c y 4 1 0 2 b q 柴油机的l 米平均声压级为1 0 4 4 ， 其值比1 9 7 5 年的预测值还要大；c y 4 1 0 2 b z q 柴油机的l 米平均声压级为1 0 1 8 ， 比用1 9 7 5 年公式的预测值还要大，可见国内为数不少的发动机在噪声指标方面 是相当落后的，有较大的改进余地。而江铃引进的日本9 0 年代的机型j x 4 9 3 实 测噪声l 米平均声压级为9 9 5d b a ，噪声指标明显优于1 9 7 5 年的国外平均水平， 但是要比国外9 2 年的噪声水平略差一些。 为了满足噪声法规g b l 4 9 5 2 0 0 2 规定的2 0 0 5 年后生产汽车的噪声限值标 准，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9 3 9 5 d b a 之，用于大于3 5 吨车辆的发动机标定工况下的l 米声压级也必须控制在 9 5 9 7 d b a ，由此可见我国发动机行业目前在噪声指标方面满足国家强制法规的 方面面临前所未有的压力。 第一章绪论 1 4 柴油动力轿车的噪声控制进展 从国际汽车发展趋势来看，轿车动力柴油化已成为轿车发展的必然趋势。早 在1 9 2 0 年，德国人就已经生产出了柴油机轿车。1 9 7 6 年，德国大众首先在高尔 夫轿车上采用了柴油机。1 9 9 0 年以后，随着柴油机轿车技术的日趋成熟，柴油 机轿车开始大批量投人生产，在欧洲等许多发达国家得到了迅速发展。2 0 0 4 年， 欧洲柴油轿车在新车销售的比例已超过4 5 ，法国、西班牙等国更高达5 0 以 上。人们逐步认识到柴油机是当今保持汽车大批量、低成本生产中解决环保与节 能双重压力的最实际、最有效的手段之一。 与汽油机相比，柴油机具有工作粗暴、振动及噪音大等特点。目前，国内大 多数消费者对柴油车的认识还停留在2 0 世纪7 0 年代黑烟滚滚、噪音令人无法忍 受的传统概念上，对柴油轿车有很大的抵触情绪。日本尼桑公司认为：柴油机作 为降低c 0 2 的有力手段，在轿车市场占有率上将有大的发展。至于柴油机上存 在的功率和黑烟等方面的缺点，由于燃烧、喷油系统和增压技术的提高，几乎已 经达到与汽油机相当的水平。但振动噪声的缺点依然不能忽视，这也是柴油动力 轿车推广的最大障碍【1 4 l 。 针对汽车的振动噪声特性，主要从发动机动力总成的减振降噪两方面来考 虑：一方面是从减小发动机结构的激励力，如燃烧脉冲力、曲柄连杆机构的惯性 力以及二次激振力等方面着手；另一方面则从改进发动机动力总成结构的动态特 性，以降低由于上述激励力而引起的发动机动力总成结构的振动着手。对于发动 机动力总成的减振降噪，以往主要采用的是燃烧优化、提高加工精度、增大结构 强度等措施，如：降低燃烧噪声，主要通过优化燃烧室结构，选择最佳喷油方式 和喷油时间，以降低燃烧初期气缸压力升高率来实现【1 5 1 ；减小惯性力和二次激振 力，主要通过减轻活塞重量，减小活塞与气缸壁间的间隙，加强曲轴刚度，提高 曲轴平衡率，降低主轴承座刚度等来实现【1 6 1 ；改进发动机结构的动态特性，主要 通过结构优化使负荷均匀分散，增加机体刚度，某些部位加筋加垫，某些结构表 面敷设阻尼材料等手段来实现【1 7 】。但经过多年的发展和优化，这些方法己很难使 发动机的振动、噪声更进一步显著提高。为此，为了减轻发动机动力总成振动对 车内振动噪声的影响，国外一般采取发动机整体封包技术，而为了衰减发动机动 力总成振动向车体内的传递则一般应用先进的发动机液压弹性支承元件和驾驶 室液压弹性支承元件等来减少振动的传递【l 引。 关于汽车n v h 问题，国内学者对汽油机振动噪声问题进行过大量的研究。 但针对搭载柴油机的微型轿车的n v h 问题还没有见过国内有过报道。 第一章绪论 1 5 本文研究内容 在轿车动力柴油化已成为轿车发展的必然趋势的情况下，广西玉柴机器股份 有限公司推出了拥有自主知识产权的我国第一款铝结构轻量化新型轿车柴油机。 这款面向轻型乘用车市场的y c 4 w 3 1 发动机达到欧山排放标准，采用了电控 高压共轨燃油喷射系统，机身采用全铝结构，直列4 缸，同时还应用了带中冷废 气再循环、可变截面涡轮增压等技术。广西玉柴机器股份有限公司、天津大学、 天津一汽夏利汽车股份有限公司产品开发中心三方就“搭载y c 4 w 3 l 柴油机的 v e l a 轿车n v h 性能研究”项目开展合作，对搭载y c 4 w 3 1 柴油机的v e l a 轿车 的n v h 特性进行研究，使其整车n v h 指标达到车外加速通过噪声 7 4 d b ( a ) 、 匀速行驶车内噪声_ 6 5 d b ( a ) 、平顺性评价指标加速度加权均方根值 o t w _ 0 6 8 3 3 m s 2 。 主要研究内容如下： 1 对y c 4 w - 3 1 轿车柴油机进行振动噪声评价，包括对发动机的整机噪声、 排气噪声进行测试评价和噪声源分析； 2 对丰田8 a 汽油机的整机噪声进行测试评价，并与y c 4 w 3 l 柴油机比较分 析； 3 对柴油动力v e l a 轿车的排气消声器进行设计并对设计产品进行试验验证、 对动力总成悬置系统( 包括悬置点位置、悬置刚度和阻尼等参数) 进行优化设计， 使整车能够满足、r v h 性能的要求； 4 对同类车型n v h 性能进行测试评价，包括搭载丰田5 a 汽油机的v e l a 轿车和柴油动力的j e t t a 轿车； 5 对柴油动力v e l a 轿车、汽油动力v e l a 轿车、柴油动力j e t t a 轿车的测试结果 进行比较分析。 第二章柴油发动机及轿车n v h 评价的内容及依据 第二章柴油发动机及轿车n v h 评价的内容及依据 本章详细介绍了搭载y c 4 w 3 1 柴油机的v e l a 轿车n v h 性能研究课题的主 要工作内容以及对轿车进行n v h 评价的标准依据。 2 1 本课题研究的工作内容与目标 2 1 1 工作内容 本课题主要包括以下工作： 1 按照国家标准g b i8 5 9 2 0 0 0 1 1 9 1 往复式内燃机辐射的空气噪声测量工程 法及简易法、g b t7 1 8 4 1 9 8 7 1 2 0 】中小功率柴油机振动测量方法的要求，对 y c 4 w - 3 1 柴油机和v e l a 轿车原搭载的丰田5 a 汽油机的同一系列发动机丰田8 a 汽油机的振动、噪声特性进行测试评价和对比，进行噪声源识别等工作。 2 对v e l a 轿车搭载玉柴y c 4 w - 3 1 轿车柴油发动机的n v h 性能测试评价。 按照国家标准g b1 4 9 5 2 0 0 2 汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法、q c i 4 7 4 - 1 9 9 9 【2 l j 客车平顺性评价指标及限值的要求，对v e l a 轿车搭载y c 4 w - 3 1 柴油机的整车的加速行驶噪声、车内噪声、以及整车的行驶平顺性进行测试评价； 对冷怠速、热怠速状态的车内噪声、平顺性和舒适性进行测试评价。对v e l a 轿 车搭载丰田5 a 汽油机和柴油动力j e t t a 轿车进行上述相同内容的测试评价；对三 种不同的搭载发动机的整车n v h 特性进行比较分析。 3 搭载y c 4 w - 3 1 柴油机的v e l a 轿车的悬置系统优化设计研究，对y c 4 w - 3 1 柴油机安装在v e l a 轿车上的悬置系统进行优化设计与评价，包括支撑位置、隔 振垫材料的阻尼特性、刚度等进行研究和评价。 4 搭载y c 4 w - 3 1 柴油机的v e l a 轿车的进排气系统、冷却系统优化研究， 对排气消声器、进气消声器、冷却风扇以及进排气管件等悬挂件等进行优化设计 与评价。 5 y c 4 w - 3 1 柴油机的降噪研究，在天津大学内燃机噪声实验室对y c 4 w - 3 1 柴油机开展降噪方法的研究，对多种方案进行评价，并提出进一步改进，以达到 国家标准g b l 4 0 9 7 1 9 9 9 i 2 2 】中小功率柴油机噪声限值所规定的声功率小于 l1 4 d b ( a ) 的要求。 6 搭载y c 4 w - 3 1 柴油机的v e l a 轿车的屏蔽技术研究，对搭载y c 4 w - 3 1 柴 第二章柴油发动机及轿车n v h 评价的内容及依据 油机的v e l a 轿车，开展发动机屏蔽技术的研究，包括发动机部件的屏蔽技术、 屏蔽材料、屏蔽效果评价等工作；开展v e l a 轿车车内屏蔽技术的研究，包括仪 表盘下部、地板、内饰等部件和部位的屏蔽技术、屏蔽材料、屏蔽效果评价等工 作。 7 搭载y c 4 w 二3 l 柴油机的v e l a 轿车的变速箱系统的优化设计，对变速箱 与发动机的动力总成的结构进行优化设计；变速箱速比的优化等。 截至目前，上述工作内容的1 、2 两项已经全部完成，3 、4 两项完成了部分 内容，其他内容因课题进度关系尚未完成，还有待于进一步研究。 2 1 2 工作目标 对搭载y c 4 w 3 1 柴油机的v e l a 轿车的n v h 特性进行研究，使其整车n v h 指标达到： 1 车外加速通过噪声_ 7 4 d b ( a ) ，( 采用经3 0 0 0 k m 走合的车辆) ； 2 5 0 k m h 速度匀速行驶车内噪声s 6 5d b ( a ) ； 3 平顺性指标以国家标准q c t4 7 4 1 9 9 9 客车平顺性评价指标及限值中 规定的轻型客车( 高级) 加速度加权均方根值a w 0 6 8 3 3 m s 2 ( 试验车速均为 5 0 k m h ，测点均为左侧最接近后桥正上方处的座椅) 的要求为准： 4 噪声和振动的主观评价，以广西玉柴机器股份有限公司、天津大学、天 津一汽夏利汽车股份有限公司技术人员共同感受，与原搭载汽油机的感受接近为 基本要求。 2 2n v h 评价的标准依据 轿车n v h 评价是指对轿车的噪声、振动、行驶平顺性等方面进行评价。主 要从加速行驶车外噪声、匀速行驶车内噪声、定置噪声、行驶平顺性等方面对汽 车n v h 性能进行评价。 2 2 1 汽车加速行驶车外噪声的测量 我国目前在汽车加速行驶车外噪声的测量中所执行的国家标准为g b 1 4 9 5 - 2 0 0 2 汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法，该标准根据中华人民共 和国环境噪声污染防治法并参考联合国欧洲经济委员会法规e c er e g n o 5 1 关于在噪声方面汽车( 至少有4 个车轮) 型式认证的统一规定，结合我国汽 车产品的实际情况制定。在该标准中，对于测量仪器、测量条件、测量方法、测 第二章柴油发动机及轿车n v h 评价的内容及依据 量记录等做了详细要求。 测量场地( 见图2 1 ) 应达到的声场条件是：在该场地的中心( o 点) 放置 一个无指向小声源时，半球面上各方向的声级偏差不超过l d b 。 图2 1 测量场地和测量区及传声器的布置 以测量场地中心( o 点) 为基点、半径为5 0 m 的范围内没有大的声反射物， 如围栏、岩石、桥梁或建筑物等；试验路面和其余场地表面干燥，没有积雪、高 草、松土或炉渣之类的吸声材料：传声器附近没有任何影响声场的障碍物，并且 声源与传声器之间没有任何人站留。进行测量的观察者也应站在不致影响仪器测 量值的位置。 测量场地应基本上水平、坚实、平整，并且试验路面不应产生过大的轮胎噪 声。该路面应符合噪声测量试验路面的要求的有关规定。 加速行驶测量区域按图2 一l 确定。o 点为测量区的中心，加速段长度为2 ( 1 0m 0 0 5 m ) ，从，线为加速始端线、b b 线为加速终端线，c c 为行驶中心线。 传声器应布置在离地面高1 2 m 0 0 2 m ，距行驶中心线c c 7 5 m 0 0 5 m 处， 其参考轴线必须水平并垂直指向行驶中心线c c 。 本课题所研究内容的搭载y c 4 w - 3 1 柴油机v e l a 轿车、搭载丰田5 a 汽油机 v e l a 轿车、柴油动力j c t t a 轿车均为手动变速器，有5 个前进档。对应此种情况， 在测量加速行驶噪声时，接近速度应为5 0 k m h ，分别用第二档和第三档进行测 量。 汽车应以5 0 k m h 的速度分别以第二档和第三档接近从，线，其速度变化应 控制在l k m h 之内。 第二章柴油发动机及轿车n v h 评价的内容及依据 ， 当汽车前端到达从，线时，必须尽可能地迅速将加速踏板踩到底( 即节气门 或油门全开) ，并保持不变，直到汽车尾端通过b b 线时再尽快地松开踏板( 即 节气门或油门关闭) 。 汽车应直线加速行驶通过测量区，其纵向中心平面应尽可能接近中心线 c c 。 在汽车每一侧至少应测量四次。应测量汽车加速驶过测量区的最大声级。每 一次测得的读数值应减去i d b ( a ) 作为测量结果。如果在汽车同侧连续四次测量 结果相差不大于2 d a ( a ) ，则认为测量结果有效。将每一档位( 或接近速度) 条 件下每一侧的四次测量结果进行算术平均，然后取两侧平均值中较大的作为中间 结果。 第二档和第三档测量中间结果的算术平均值作为最大噪声级。 根据国标要求，对于轿车的加速行驶车外噪声限值为7 4 d b ( a ) 。 2 2 2 汽车匀速行驶车内噪声的测量 我国目前在汽车匀速行驶车内噪声的测量中所执行的国家标准为g b t 1 8 6 9 7 - 2 0 0 2 1 2 3 j 声学汽车车内噪声测量方法，该标准等效采用i s 0 5 1 2 8 ：1 9 8 0 声学汽车车内噪声测量方法，由i s o t c4 3 声学技术委员会制定，并根据我 国汽车产品的实际情况制定。在该标准中，对于试验类型、测试量、测量仪器、 声学环境、气象条件、背景噪声、试验道路条件、车辆条件、传声器位置等做了 详细说明。 由于汽车车内