直列四缸柴油机二阶往复惯性力平衡机构开发研究

1、直列四缸柴油机二阶往复惯性力平衡机构开发研究郑忠法 郑国世东风汽康明斯发动机，湖北 襄樊 441004【摘要】本文介绍了二阶往复惯性力平衡机构在EQB140-11直列四缸四冲程柴油机上的试验研究成果。证明二阶往复惯性力平衡机构可以大幅度地降低直列四缸四冲程柴油机的振动和噪声。关键词：二阶往复惯性力 平衡机构 直列四缸四冲程柴油机 振动噪声Development research for inline four cylinders diesel engine with second order reciprocating balancerZheng Zhongfa, Zheng Guoshi(D

2、iesel Engine Company of DongFeng Automobile Corp.Ltd., Xiangfan 441004, China)Abstract: This paper introduces the test results of inline four cylinders and four strokes diesel engine EQB140-11 with two shafts second order reciprocating inertial force balancer which can reduce the engine vibration an

3、d noise satisfactorily.Key words: The second order reciprocating inertial force; Two shafts balancer; Inline four cylinders and four strokes diesel engine; Vibration and noise.1、引 言EQB140-11直列四缸柴油机装配在EQ1061G系列载货车及其变形车上，充分发挥了该柴油机的强劲动力，而且还表现出良好的经济性，为此，EQ1061G系列载货车受到广阔用户的欢送和喜爱。但是，EQB140-11直列四缸柴油机应用于中型豪

4、华客车时，那么出现了发动机本身振动稍大的现象，经过发动机悬置装置传递到客车底盘上，给乘客带来不愉快的感受。因此，有必要研究EQB140-11直列四缸柴油机的振动及其噪声问题，使之降低到满足中型豪华客车的使用要求。2、平衡装置开发2.1 EQB140-11柴油机的根本参数详见表1。表1型 号EQB140-11满足欧1排放法规额定功率/转速kW/r/min103/2600最大扭矩/转速N·m/r/min450/1500最低比油耗g/kW·h210缸径×冲程mm102×120总排量/气缸数L结构特征直列、水冷、四冲程、直喷式、顶置二气门进气方式增压空对空中冷着

5、火顺序1-3-4-2曲柄排列平面布置旋转方向前端看顺时针低怠速r/min750高怠速r/min29002.2 二阶往复惯性力的来源对于直列四缸四冲程曲柄平面布置的柴油机来说，根据内燃机动力学理论可知，发动机的二阶往复惯性力自身不能平衡，发动机平衡特性系数高达4.0，在四冲程直列多缸柴油机中，二阶往复惯性力的平衡特性系数最高。而对外不能平衡的二阶往复惯性力是发动机本身产生低频振动的主要原因之一。2.3 EQB140-11柴油机二阶往复惯性力的平衡方法2.3.1 EQB140-11柴油机的原始参数往复运动质量：活塞和活塞环总质量：1.2 kg活塞销：0.58 kg连杆小头当量质量：0.58 kg往

6、复运动总质量：G=1.2+0.58+0.58 =2.36 kg活塞冲程：S=120 mm曲柄半径：R=60 mm连杆长度：L=192 m曲柄连杆比：发动机额定转速：n=2600 r/min 发动机角速度：=n/30=2600×2.3.2 计算二阶惯性力 往复运动质量惯性力计算公式，二阶以上忽略：PQ=G/g*R*2*Cos+Cos2翻开括弧：PQ=其中：= G/g*R*2*Cos为一阶惯性力= G/g*R*2*Cos2为二阶惯性力二阶往复惯性力的最大值为：P2max= G/g*R*2*2=334.73 kg从1式可见，各缸二阶往复惯性力的相位相同，四缸同时到达最大。 二阶往复惯性力与

7、发动机振动噪声的关系从上面可以看出二阶往复周期性变化的惯性力，单缸最大值到达334.73 kg。因为各缸二阶往复惯性力的相位相同(四缸同时到达最大)，因此，四缸总共的最大值到达4×334.73 = 1338.92 kg，在2600r/min时，垂直方向上将增加峰值振动加速度为1338.92/362 = 3.69 g(EQB140-11柴油机的湿重362 kg)，振动频率为87 Hz，实测峰值振动加速度值是3.23 g，实测值较小的原因是由于在台架上测功机的一局部重量加到发动机上，使台架上测得的发动机加速度较理论值小。由于二阶往复惯性力的振动频率小于100 Hz，其本身辐射的噪声频率低

8、，所以其本身辐射的噪声对发动机噪声没有奉献或被其它噪声淹没；但由于二阶往复惯性力导致的振动通过活塞敲击气缸体，从而使气缸体辐射出高频声，同时通过曲轴传递给正时齿轮，使其辐射出齿轮敲击高频声，以及通过凸轮轴使配气机构辐射出高频声等；可见二阶往复惯性力的振动会导致发动机的噪声增加。2.3.4 平衡二阶往复惯性力的方法目前，消除四冲程直列四缸柴油机二阶往复惯性力的方法是在发动机上直接增加双轴平衡机构。因此，设计了3个方案：方案A，6平衡块；方案B，8平衡块；方案C，8平衡块。上图为6平衡块和8平衡块的示意图。3、整机台架振动噪声试验结果与分析将3个方案分别装配到EQB140-11柴油机上，在发动机台

9、架上进行外特性试验，同时测量气缸体振动幅值。3.1 整机垂直方向二阶振动研究EQB140-11柴油机垂直方向二阶振动峰值加速度m/s2测试结果详见表2和图1。由此可知，在发动机额定转速时，方案A可以降低约50%的振动幅值；方案B可以降低约58%的振动幅值；方案C可以降低约59%的振动幅值。在发动机低速段1400r/min以下，方案A可以降低19%以上的振动幅值；方案B可以降低36%以上的振动幅值；方案C可以降低22%以上的振动幅值。综合考虑，方案B在高速段和低速段降低垂直方向二阶振动效果最好；方案C在中速段效果最好；而方案A的减振效果那么次于方案B和方案C。这说明双轴平衡机构可以有效地降低垂直

10、方向二阶振动，8平衡块比6平衡块的减振效果好。表2单位：m/s2发动机转速r/min原 机无平衡机构方案A6平衡块方案B8平衡块方案C8平衡块10001100120019130014001500160014101700218002519002000210013220023002715240012250026003.2 整机轴向二阶振动研究EQB140-11柴油机轴向二阶振动峰值加速度m/s2测试结果详见表3和图2。由此可知，在发动机额定转速时，方案A使轴向二阶振动幅值增加了64%；在1600r/min时增加了69%；但在1200 r/min时降低了41%。导致这种现象的原因是：6平衡块平衡机构

11、不能完全平衡4个气缸产生的二阶往复惯性力，而且平衡力与被平衡的二阶往复惯性力不在同一条线上，从而产生了附加的轴向弯矩，使发动机的轴向二阶振动在中高速段增加，而在1300r/min以下低速段，那么被平衡的二阶往复惯性力仍然给降低轴向二阶振动带来好处。这一特性对于降低发动机本身产生的低频振动是非常有用的。表3 单位：m/s2发动机转速r/min原 机无平衡机构方案A6平衡块120013001400150016001217001800190020002100220023002400250026003.3 整机横向二阶振动研究EQB140-11柴油机横向二阶振动峰值加速度m/s2测试结果详见表4和图3

12、。由此可知，在发动机额定转速时，方案A可以降低约45%的振动幅值；在发动机低速段1400r/min以下，方案A可以降低25%以上的振动幅值。比拟横向二阶振动曲线可知，6平衡块双轴平衡机构有利于降低整个发动机转速范围内的振动幅值。这对于降低发动机本身产生的低频振动也是毫无疑问的。表4 单位：m/s2发动机转速r/min原 机无平衡机构方案A6平衡块120013001400150016001700111800190020002100220023002400250026003.4 整机噪声研究EQB140-11柴油机的整机噪声测试结果详见表5和图4。由此可见，平衡机构在1700r/min以下降噪效果

13、不明显，在1700r/min以上降噪效果明显，方案B在额定工况使发动机降噪1.5 dBA。表5一米声压级前dBA发动机转速r/min原 机无平衡机构方案A6平衡块方案B8平衡块1000110012001300140010710615001061061600106170018001900200012100110220023002400108250010826004、整车匹配试验结果与分析EQB140-11柴油机匹配到EQ1074T5AD载货车上进行了减振降噪验证试验，试验数据详见表6。由此可见，双轴平衡机构和硅油减振器在整车上的减振降噪效果是比拟明显的。由于整车上的振动加速度是10-1000 Hz范围内的总和；而发动机上只是测量二阶振动加速度，所以整车上的试验结果和发动机上的试验结果有差异。表6测试工程车外加速噪声轴向加速度横向加速度垂直方向加速度计量单位dBAm/s2m/s2m/s2发动机工况 r/min10002600260026002600无平衡机构577295方案C+硅油减振器484858减振降噪量降噪1.8 dBA减振16%减振33%减振39%5、结 论、双轴平衡机构可以有效地降低直列四缸四冲程柴油机的二阶往复惯性力的振动幅值。在EQ