内燃机噪声与降噪技术.doc

内燃机噪声与降噪技术冯雷（上海师范大学 2012级环境工程 120193475）摘要：环境污染已经影响到人类的生存与进一步的发展，一个一个的污染事件不断地给人类敲响了警钟，使人们不得不驻足思考自己的生活方式。噪声污染作为环境污染当中的一支，虽不及大气污染、水污染那么迫在眉睫，当也有着不可小觑的危害。控制噪声污染首先要控制噪声源，而内燃机是一大噪声源，本文阐述内燃机噪声产生的机理，并针对其产生机理，概述了几种控制内燃机噪声的方向，以供读者研究和学习。关键词：噪声污染；噪声源；内燃机；降噪技术Internal combustion engine noise and noise reduction technologyFenglei(Shanghai normal university 2012 level environmental engineering 120193475)Abstrast: Environmental pollution has influence to humans survival and further development. More and more pollution incidents is constantly a wake-up call to humans, so that people have to stop thinking about his way of life.As one of the pollution of the environment noise pollution .Although it is the less important than air pollution,water pollution. It is also a serious pollution.First,to control noise must control pollution noise source.Internal combustion engine is a big noise source.This paper describes the mechanism of internal combustion engine noise.summarizes the several directions of control the internal combustion engine noise, for readers to study and learn.Key words: Noise pollution;Noise source;Internal combustion engine;The noise reduction technology1. 前言日益严重的环境问题使人们认识到自身生活和生产方式的不足，为了保护环境和提高自身生活质量，人们积极地去寻找解决目前各种环境问题的方法。噪声是那些人们在生活过程中不需要的声音，它干扰着人们的工作、学习和休息，给人们的生体健康造成危害【1】。曾几何时，当人们生活在山林之中，白天除了鸟叫声、水声、风声和动物的声音之外，没有其他多余的声音，晚上，四周寂静一片，偶尔听到几声虫鸣。而如今，现代工业产品充斥着人们的生活，各种电子产品、交通工具、生产机器等，它们在为人们带来便捷的同时，也产生了很多令人厌烦的噪声。在经济飞速发展的今天，城市化的步伐加快，人们都进入了城市，那种虫叫鸟鸣的生活已经一去不复返了，有的只是噪声污染严重的生活和工作环境。图1 内燃机示意图控制噪声污染首先要考虑的就是如何控制噪声源，降低噪声，当在噪声源处无计可施的时候，就开始考虑在传播途径上去降低噪声，如果前两种方式都不行，就只好保护噪声的接收者，甚至有时使用几种方式来降噪。内燃机是十九世纪最伟大的发明，它在推动人类社会发展进程的同时，带来了严重的空气和噪声污染，在我们的生活当中，汽车、工厂的机器等都用到内燃机，在噪声污染中，内燃机是一种要的噪声源。如何降低内燃机产生的噪声，近年来，一直受到世界各发达国家的重视。控制内燃机的噪声，首先要识别内燃机的那些结构容易产生噪声，如图1所示是内燃机的结构示意图，内燃机噪声识别方法有：近场声压法、封闭法、表面震动法、近场测量法、分别运转法、声全息法、声强测量法、神经网络法和信号处理法【2】。然后研究其产生噪声的机理，最后针对产生的机理采取一些降噪技术，常用的几个降噪技术有动力吸振、振动隔离、阻尼减振、吸声和隔声技术【3】。2.内燃机的噪声产生机理内燃机的噪声源一般分为三种，分别为燃烧噪声、空气动力噪声和机械噪声，三种内燃机噪声不仅其发声的原理不同，而且各有各的传播途径，但又互相作用、不可分割。2.1 燃烧噪声通常在内燃机工作时。气缸内压力急剧上升产生的动载荷和冲击波引起高频振动，高频振动经气缸盖、气缸套、活塞、连杆、曲轴及主轴承传至机体以及通过气缸盖等引起内燃机结构表面振动而辐射出来的这部分噪声被称为燃烧噪声。气缸内气体压力的剧变是内燃机产生燃烧噪声的根源，压力剧变使得气缸及其连接的所有部件受到强烈的冲击性载荷传到内燃机的整体，导致各部件的结构振动。首先着火点处的局部压力急剧升高，火焰向邻近区域传播，在火焰传播的同时，也传播着具有冲击性质的压力波，这种冲击波在燃烧室内来回反射，形成气体的高频振动，辐射出高频噪声。对直喷式柴油机不同曲轴转角下燃烧室空腔进行声模态的有限元计算和测试分析，发现缸内压力的高频振荡是由燃烧室空腔共鸣引起的，使得在燃烧压力高频振荡的共振频率处辐射的燃烧噪声能量较大， 成为燃烧噪声的主要成分。占燃烧压力总能量5%左右的缸内压力高频振荡，激励的燃烧噪声能量占燃烧噪声总能量的80%。一般认为燃烧噪声经由两条路径传播并辐射出来，一是经过气缸盖及气缸套经由气缸体上部向外辐射，另一条路径是经过曲柄连杆机构，即活塞、连杆、曲轴和主轴承经由气缸体下部向外辐射。下面分别论述。2.2空气动力噪声空气动力噪声主要包括进、排气噪声和风扇噪声，进气噪声是发动机的主要空气动力噪声源之一，它是由进气门周期性开、闭而产生的压力变化起伏所形成的周期性进气噪声，它包含有进气管内压力脉冲形成的噪声，一般频率在2000Hz 以下的低频噪声和部分高次谐波噪声以及气流在气门流通截面形成涡流，产生1000Hz以上频率的涡流噪声。对于增压发动机由于增压器转速较高，一般进气噪声明显高于非增压发动机，其主要能量分布在500-1000Hz范围。发动机的空气滤清器对进气噪声有大幅度的消减。排气噪声主要是由于发动机做功冲程结束，排气门打开时排出废气的压力脉动引起的能量很高、宽频的周期性噪声。从声源特性来看，在排气总管处它接近于单源。周期性的压力脉动引起周围媒质的周期性变化，从而产生噪声，在发动机噪声源中，排气噪声占有相当大的比例，也是内燃机降噪控制的首要目标。风扇噪声在水冷式发动机的噪声中并不占突出地位，而风冷发动机的风扇噪声往往是主要噪声源，从产生机理来看，风扇噪声包括旋转噪声和涡流噪声。2.3机械噪声机械噪声主要是内燃机各运动零、部件在运转过程中受气体压力和运动惯性力的周期变化所引起的振动或互相冲击而产生的，这些零部件有活塞、气缸套、气缸体、连杆、曲轴、配气机构、传动齿轮及喷油泵等。影响机械噪声的因素有结构刚度、零件加工精度和表面粗糙度、零件材料、运动件间隙及运转速度等。在发动机空气动力噪声（主要是排气噪声)得到有效控制后，高速运转时的机械噪声常常是最主要的噪声源，这些噪声通常包括：活塞敲击噪声、传动噪声、配气机构噪声【4】。3. 内燃机降噪技术降低内燃机噪声的主要措施是从噪声的声源入手，查明多种噪声源中的最大噪声成分及其频率特性，采取有关技术措施将噪声减至尽可能低的程度，再就是通过减振和隔声措施限制振动和噪声传播的途径。内燃机降噪还要和其它技术要求如内燃机动力性、经济性、可靠性、当前的技术水平、成本等多种因素综合起来考虑。3.1燃烧噪声地控制降低柴油机的燃烧噪声需从两方面着手。从产生根源上说，应降低气缸压力级，其措施有选用噪声低的燃烧室等，如选用半开式燃烧室。改变发动机结构提高燃烧噪声衰减量的措施有：选用较小的气缸直径、减小曲柄连杆机构各部分的间隙、提高缸套和机体的刚性以及采用隔振及隔声措施等。增加燃烧室中涡流强度，可改善燃烧条件，加速燃油与空气的混合。采用较小的供油提前角，可使燃烧柔和，降低燃烧噪声。内燃机的表面辐射噪声是由内部产生的机械噪声和燃烧噪声引起的，其对生产影响较小。3.2空气动力噪声地控制进气噪声是由进气门周期性开闭而产生的压力起伏变化所引起的。进气噪声的大小与发动机进气方式（增压或自然吸气）、进气门结构尺寸、缸径、凸轮型线等设计因素有关。降低进气噪声的方法是减小进气管内压力脉动的强度及在气门通过截面处的涡流强度,如采用波纹管作为进气管，能使压力脉动得到缓冲; 但一般采用进气消声器是最有效和常用的方法。进气消声器与空气滤清器通常是合为一体的。排气噪声的来源与进气噪声相似，对内燃机排气噪声的控制，首先应从排气系统的设计方面着手，合理选择排气管以避免发生共振，并减少涡流。虽然内燃机的转速、缸数、排气背压、排气门开启时间及燃烧室设计对排气噪声均有很大影响，但这些因素更大程度上由其它因素决定。因此，仅从噪声源本身采取措施，其降噪量很有限，最有效和常用的降噪措施是采用排气消声器。风扇噪声在内燃机噪声源中也占较大比重，尤其是风冷内燃机中，风扇噪声可能是重要的噪声源。风扇噪声主要由旋转噪声和涡流噪声组成。其主要受转速、工作能力、直径及效率的影响。风扇效率越低、风扇直径越大、转速越高，风扇的风量就越大，噪声也就越高。通过选择适当的风扇断面及安装角，设计高效的风扇,改用后置静轮，是轴流风扇降低噪声的一种有效措施。增加静轮与工作轮的间距，并通过改变叶片数，可使风扇的噪声成分降低。3.3机械噪声的控制内燃机运转时，活塞在上、下止点附近受侧向力作用产生由一侧向另一侧的横向移动，从而形成活塞对缸壁的强烈敲击。活塞对缸壁的敲击主要是由于它之间存在着间隙。降低活塞的敲击噪声可适当减小活塞和气缸间的间隙，活塞裙部开横向绝热槽和纵向斜切槽，或采用椭圆鼓形活塞、镶钢片活塞、热膨胀系数小的共晶铝硅合金活塞都可以达到减少活塞配缸间隙的目的。还可采用将活塞销孔中心偏置气缸中心线来减轻活塞对缸壁的敲击噪声。传动齿轮的噪声是齿轮啮合过程中齿与齿之间的撞击和摩擦产生的。在内燃机上，齿轮承载着交变的动负荷，这种动负荷会使轴产生变形，并通过轴在轴承上引起动负荷，轴承的动负荷又传给发动机壳体和齿轮室壳体，使壳体激发出噪声。此外，曲轴的扭转振动也会破坏齿轮的正常啮合而激发出噪声。传动齿轮噪声与齿轮的设计参数和结构型式、加工精度、齿轮材料配对、齿轮室结构以及运转状态有关。降低传动齿轮的噪声可采取以下措施。1) 合理选择和确定齿轮型式及齿轮参数，选择合适的加工方法，适当提高齿轮加工精度，都可以降低齿轮工作时的噪声。如采用斜齿轮代替直齿轮。2) 适当减小齿轮的侧向间隙，有助于减小噪声，但同时要考虑加工成本。3) 合理选用齿轮材料及其配对，尽量采用高内阻的材料或采用外部阻尼隔振; 或在轮辐上装以橡皮垫圈;或在齿轮体表面上涂敷阻尼性能良好的高分子材料,以有效地抑制噪声。4) 采用正时皮带传动代替正时齿轮传动，可明显降低噪声。配气机构噪声与气门机构的型式、气门间隙、气门落座速度、材料、凸轮型线、凸轮和挺柱的润滑状态、内燃机的转速等因素有关。控制配气机构噪声的主要措施有以下几方面:1) 选用性能良好的凸轮型线。常用的缓冲曲线形式有等加速等速缓冲曲线、余弦型缓冲曲线、摆线型缓冲曲线。2) 提高配气机构的刚度。刚度提高后可使机构的固有频率提高，减小振动，缩小气门运动的不规则变化。3) 采用液力挺柱可使配气机构的噪声显著降低【5】。4. 结语除了上述的各种针对性的降噪技术外，还要辅助性的采取一些其他的措施，比如制定相关的标准和法律法规，规定内燃机的生产标准，严格管理，保护受害者，不准噪声不达标的内燃机流入市场；鼓励相关技术人员去开发低噪声内燃机，鼓励人们去买低噪声内燃机产品。只要妥善解决好了内燃机噪声问题，这个世界将会变得安静一些，人们想了很多方法去解决内燃机的噪声问题，但只能在目前所