发动机噪声及其控制

1、发动机噪声及其控制（仅供内部使用，请勿外传）发动机是汽车的主要噪声源，在我国，发动机噪声约占汽车总噪声的 55%以上，因此为降低汽车噪声总水平，应以控制发动机噪声为主要目标。1 一. 分类：按噪声辐射的方式分：发动机噪声源分为直接大气辐射和发动机表面向外辐射的两大类。进、排气噪声和风扇噪声。发动机表面噪声是发动机内部的燃烧过程和结构产生的噪声发动机外表面向大气辐射的。按发动机表面噪声产生的机理，又分为燃烧噪声和机械噪声。连杆曲轴 （）机械噪声：把活塞对缸套的敲击，正时齿轮、配气机构、喷油系统等运动件之间机构撞击（性变化的力等因素有关）二. 评价方法除考虑其辐射噪声能量总水平外，应考察以下噪声特

2、性： 噪声级及其发动机工作状态的变化关系 发动机周围空间各点噪声级数值的分布状态 空间各点的噪声频谱以及发动机工作过程阶段的瞬时声压级2 发动机燃烧噪声及其控制一. 燃烧噪声的特性仅讨论柴油机的燃烧噪声。补燃期来分别研究它。滞燃期 燃料未燃烧，尚在进行燃烧前必要的物理和化学准备，气缸中的压力和温度变化都很小，因此对噪声的直接影响甚微，但间接影响重大。速燃期 燃料迅速燃烧，气缸内压力迅速增加，直接影响发动机的振动和噪声。 压力增长率燃料越多，压力增长率越高，则柴油机的冲击载荷大，柴油机内零件敲击严重，增加了柴 油机的结构频率和所辐射的噪声。缓燃期 气缸内压力有所增长，但增长率小，能激发一定程度的

3、燃烧噪声，但对噪声的影响不显著。补燃期 活塞下行且绝大多数燃料已在前两个时期内燃烧完毕，对燃烧噪声影响不大。综上所述，燃烧过程的激发的噪声主要集中在速燃期，其次是缓燃期。燃烧噪声主要表现在两方面 由缸内压力急剧变化引起的动力负荷，由此产生结构振动和噪声，其频率相当于各传声零件的自振频率。 由气缸内气体的冲击波引起的高频振动和噪声，其频率为气缸内气体的自振频率。燃烧噪声的根源是气缸内气体压力的变化。 柴油机产生高声调（高频）噪声的原因：可视为一个复杂的振动系统，大多数零件的自振频率处在中、高频率范围内 ，因此，由结内。由气体动力载荷引起的噪声，主要取决于压力增长率及最大压力增长率持续的时间 ，压

4、力增长越快，持续高增长率时间越长，则噪声就越大 。在燃烧过程中，随着气缸内气体压。 气缸压力曲线（在时域上）描述了压力变化规律，可以得到燃烧噪声与着火延迟期、压力增长率等因素的关系。 气缸压力谱（在频域上气缸压力曲线所包含的频率结构传播途径的关系。气缸压力谱（暂略）由气缸压力谱知，气缸压力曲线实质上是由不同频率、不同幅值的一系列谐波叠加而成 。发动机的结构振动问题可按线性系统来处理，因此据线性系统的叠加原理，气缸压力的总作用等于这一系列谐波单独激发的总和。一般认为，这一系列谐波，由两条途径从气缸内传播出去： 经气缸盖和气缸套 经。由于发动机结构中大多数零件的刚性较高，而中、高频率的压力级易于传

5、出，即发动机的 二. 燃烧噪声控制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 ，因此下： 延迟喷油定时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。 改进燃烧室结构形状和参数柴油机工作过程的好坏主要取决于燃油喷射、气流运动和燃烧室形状 三方面的配合是否合性能，而且影响着火延迟期、压力升高率，从而影响燃烧噪声。根据混合气的形成及燃烧精通结构的特点，柴油机的燃烧室分为直喷式和分隔式两大类：等。在其它条件相同

6、的情况下，直喷式燃烧室中的球形和斜置圆桶形燃烧室的燃烧噪声最低， 。而 形直喷式燃烧室（半分开式）（开式）的燃烧噪声最大。涡流室喷孔面积比也可减少噪声。 调节喷油系喷油率对燃烧噪声的影响非常大，试验表明，喷油率提高一倍，燃烧噪声就会增加 6dB， 因此用减少喷油泵供油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。 提高废气再循环率和进气节流提高废气再循环率可减小燃烧率，使发动机运转平稳，因此对降低燃烧噪声起到明显作用。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

7、缸的空气充量密度增加，使压缩终了时气缸内的温度和压力增高，改 善了混合气的着火条件，使着火延迟期缩短 。增压压力越高，着火延迟期越短，使压力升高 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， 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。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S/D 值改变薄壁零件（如油底壳）。3 发动机的机械噪声一活塞敲击噪声及控制活塞对气缸壁的敲击

8、,通常是发动机最大的机械噪声源。敲击的强度主要取决于气缸的最高爆发压力之间的间隙。因此该噪声既和燃烧有关，又和发动机活塞的具体结构有关。动的活塞所承受的侧向力发生方向突变。如下图所示：将受到一个呈周期性变化的侧向力的作用，此力在上、下止点改变方向，从一侧向另一侧作横向运动，在上止点由右向左，在下止点方向相反。在发动机的高速运转时，活塞的这。由于活塞与缸壁这间有间隙，就形成了对缸壁的强烈冲击。 影响活塞敲击噪声的因素：很多，如活塞间隙、活塞销孔的偏移、活塞高度、活塞环数、缸套厚度、润滑条件、发动机转速和气缸直径等。 降低活塞敲击噪声的措施：根据影响其因素，常采用以下几点措施：减小活塞与缸壁的间隙

9、 减小甚至消除活塞横向运动的位移量，减轻或避免活塞对缸壁的冲击碰撞，达到降噪目的。活塞销孔中心偏移 如上图 b 。在压缩行程终了时，活塞靠在气缸的右侧壁，由于中心左偏量i 的存在，在压力F 绕活塞销旋转，使裙部下端先靠到左侧缸壁上，进而再以左下端点为支点 ，绕其旋转并逐增加活塞表面的振动阻尼活塞裙部表面覆盖一层可塑性材料，增加振动阻尼，从而缓冲和吸收活塞敲击的能量，降低活塞高击噪声。二配气机构噪声及控制发动机配气机构也是重要的机械噪声源。不规则运动、摇臂撞击气杆尾部以及气门落座时的冲击等均会发出噪声。产生噪声的原因：发动机低转速时，气门机构的惯性力不高，可将其视为多刚体系统， 噪声主要源于刚体

10、间的摩擦和碰撞。大的噪声出现在凸轮顶部上推从动杆的时刻，在气门开启和关闭附近亦有较大的噪声。气门开启噪声主要是由施加于气门机构上的撞击力造成的 ，而。（弹性系统）工作时各零件的弹性变形会使位于传动链末端气门处的运动产生很大的畸变，造成气门运动飞脱”和反 弹等不规则运动现象。 影响因素：主要是凸轮型线、气门杆间隙和配气机构的刚度。 应采取的措施： 减小气门间隙 减小间隙可减小因间隙存在而产生的撞击，从而减小噪声 提高凸轮加工精度和减小表面粗糙度值 提高配气机构刚度 提高配气机构传动链的各元件的及其支承座的刚度，可使其固有频率增高，减小振动，缩小气门运动的畸变，达到降噪目的。 减轻驱动元件重量 在

11、相同发动机转速下，减轻驱动元件重量就减小了其惯性力降低了配气机构所激发的振动和噪声。 选用性能优良的凸轮型线 设计凸轮型线时，除保证气门最大升程、气门运动规律升或落座时的速度，降低因撞击而产生的噪声。三供油系噪声高频些部位，人耳对它们往往清晰可辨，它也是发动机噪声不可忽略的噪声源。 产生原因：是由喷油泵和高压油管系统的振动引起的，主要是由 周期性变化的柱塞上部的燃油压力、高压油管内的燃油压力以及发动机往复运动惯性力激发泵体自身振动而引起的 ，其大小与发动815dB0 150MPa 34dB，说明供油量对喷可分为流体噪声和机械噪声。A流体噪声包括： 液压泵压力脉动激发的噪声燃油产生很大的加速度，

12、从而冲击管壁而激发噪声。 空穴现象激发的噪声。当油路中高压力急速脉动的情况下，油中含有空气会不断地形成气泡又破灭，形成所谓空穴噪声。 油压力脉动的频率管道系统的固有频率时，引起共振，激发噪声。 B有频率和这种周期性的冲击接近时，会产生共振，使噪声加剧。4 发动机的空气动力噪声发动机空气动力噪声包括：进气噪声、排气噪声和风扇噪声。一 进气噪声及其控制 进气噪声：进气噪声有时比发动机本体噪声高出 5dB 噪声的主要声源。 产生原因：当进气阀突然关闭时，必将引起进气管道中空气压力和速度的波动，这种波动由气 门处以压缩波和稀疏波的形式沿着管道向远方传播 ，并在管道开口端和固定壁面端（关闭的气门活塞由上

13、止点下行吸气25m/s 邻近活塞的气体分子必然以同样的速度运动 ，在进气管内会产生一个压力脉冲，从而形成强烈的脉冲噪声。另一方面，在进气进程中气流高速流过进气门流通截面，会形成强烈的涡流噪声，其主要频率成分在 10002000Hz 范围内。 进气噪声的大小与进气方式、进气门结构、缸径、凸轮型线等设计因素有关。对同一台发动机而言，进气噪声主要受转速影响，转速增加一倍，进气噪声增加 1018dB。其原因在于：转速增加使进气管道中的气流速度增加 ，同时使上述的波动噪声、脉冲噪声和涡流噪声加剧。采取的措施： AB二 排气噪声及其控制排气噪声：当发动机的排气阀门突然开启后 ，废气会以很高的速度冲出，经排

14、气管冲入大气，是一十分复杂而不稳定的过程。在此进程中产生噪声为排气噪声。其中以废气通过气阀时产生的涡流噪声最强烈。排气噪声的基频是发动机的发火频率 ，在整个排气噪声频谱中呈现出基频及其高次谐波的延伸。发动机排气噪声的频率（Hz）按下式计算：fGn60j其中谐波次；气缸数； 发动机曲轴转速 r/min=1=2根据周期性信号展开为付立叶级数的一般规律知，随着谐波次数千 k 值的增加，其幅值将迅速降低，即高谐次的排气噪声声级将迅速降低。 除上述噪声外，排气噪声与进气噪声类似，还包括排气总管和排气歧管中存在的气柱共振噪声、气门杆背部的涡流噪声、排气系统管道内壁面处的紊流噪声 等，此外，排气噪声还包括废

15、气喷注和冲出噪声。在同等条件下，柴油机的排气噪声比汽油机的大 ，二冲程发动机的比四冲程发动机的大。发动机排气噪声呈明显的低频特性 ，噪声级的大小与发动机功率、排量、转速、平均有对同一台发动机来说，影响排气噪声最重要的因素是发动机转速及负荷 。试验表明， 空负荷排气噪声增加 全负荷的仅增加 59dB与发动机转速、平均有效压力和排量的关系为：四冲程柴油机L=28lg n + 20lg pme + 15lg VH + K1四冲程汽油机L=25lg n + 20lg pme + 13lg VH + K2其中：n发动机转速，r/min；pme平均有效压力，100kPa；VH发动机排量， L； K1、K2

16、与发动机结构有关的常数。控制排气噪声的措施：对排气系统作大改动的前提下，采取措施： 改进排气歧管的布置，使吹过管口的气流方向与该管的轴线夹角保持在最不易策动该管发生共振的角度范围内。 合理设计各歧管的长度，使管的声共振频率错开。 使各排气歧管管口及各管之间连接处都有较大的过渡圆角，减小断面突变，避免管口存在尖锐的边缘，以减弱声共振作用。 降低排气门杆、气门、歧管和排气道内壁面的表面粗糙度值，以减小紊流附面层中的涡流强度。 在保证排气门刚度和强度和条件下，尽可能减小排气门杆直径。采用排气消声器和减小由排气歧管传来的结构振动： 排气消声器是普遍采用的最有效的降噪手段。 为控制排气歧管的结构振动，可

17、改进排气歧管结构以获得适宜的振动传递特性，或对排气歧管采取隔振措施，均可控制振动、降低噪声。三 风扇噪声风扇噪声由旋转噪声和涡流噪声组成。 旋转噪声（又叫叶片噪声）是由于旋转着的叶片周期性地切割空气，引起空气的压力脉动而产生的。其基频（Hz）为：Fl其中风扇转速叶片数 涡流噪声：离的小涡流。这些涡流及其分裂过程使空气发生扰动，形成压缩与稀疏过程，从而产生涡 流噪声其中：v风扇圆周速度，m/s； d叶片在气流入射方向上的厚度，m；k=0.150.22常数与V 涡流噪声呈明显的连续谱特征。风扇噪声随转速增加而迅速提高，转速提高一倍，声级增加 1117dB。通常在低转速时，风扇噪声比发动机本体噪声低

18、得多，但在高转速时，风扇噪声往往成主要甚至最大的噪声源。 控制风扇噪声的措施： 选择适当的。一般取 100200 ，能很好地发挥风扇的冷却能力，又能使噪声最小。 改进风扇叶片形状，使之有较好的流线型和合适的弯曲角度，降低其附近的涡流强度，达到控制噪声的目的。 试验表明，叶片材料对其噪声有一定的影响，铸铝叶片比冲压钢板的噪声小，而有机合成材料叶片比金属的噪声小。 设置风扇离合器，使之在必要的时候工作，不仅可减少发动机功率损耗和使发动机经常处在适宜的温度下工作，而且起到降噪的作用。 令叶片非均匀分布。由于叶片均匀分布的风扇，往往会产生一些声压级很高的有调成分，采用非均匀分布，可避免这种情形。例如：

19、四叶片风扇的叶片间周夹角布置为 70 和 110，则可有效降低风扇噪声谱中那些突出的线状尖峰，使噪声谱变得较为平坦，从而起到降噪作用。5 发动机表面辐射噪声及其控制通过各个结构零件传递到发动机的外表面上面的振动响应。发动机表面的振动又激发相邻空气介质质点的振动，形成声波向外辐射， 即发动机的表面辐射噪声。为使发动机表面辐射噪声减小除了在燃烧激振力和机械激振力的产生根源上采取措施 之外，还要在这此激振力的传递途径上和表面辐射噪声的效率效控制发动机噪声的目的。为此，需要研究激振力和结构响应之间的关系、射噪声之间的关系以及发动机表面噪声的分布状况等方面的问题。发动机结构为一复杂的机械系统，可视为多自

20、由度振动系统，其激振力和结构响应之动机结构的主要阶次模态参数，其中，固有频率和振型对控制发动机和噪声有特别重要的 意义。因为结构以某一阶模态振动时，将在其辐射噪声频谱上出现下一个峰值。若峰值过 高，则将对整个结构辐射噪声的强度产生较大影响 ，此时可考虑根据该阶振动的形状采取相应的措施，以改变该阶模态的固有频率、阻尼、刚度和质量分配 等，使结构的固有频率向不易策动共振的区域。表面辐射噪声可用表面振动速度或速度平均均方值来表示，在近似关系Lp=20lg（0c0）+10lgv2+10lg+10lg -10lgp0其中：LP测量表面声压级，dB；0c0空气介质的特性阻抗，Pas/mv2表面振动的时间空

21、间平均速度的均方值，m2/s2=WR/WP辐射系数，与辐射表面的结构型式、振动频率及振型等有关；WPS、A规定声场中的表面积和振动表面积，m2； P0=210-5Pa参考声压。由于控制发动机表面噪声受发动机工作原理和性能要求方面的限制下面是发动机表面辐射噪声的几个结构响应和控制措施： 缸体曲轴箱 其刚度较差，振动较大，是表面噪声辐射的主要部分，同时其。因而是控制表面辐射噪声的基本途径。缸体从而产生噪声。控制措施：通过增加壁厚、加肋、改进曲轴箱结构、增加中隔板及采用整体式轴承梁 或轴承座等方法来提高其刚度，使结构固有频率升高到结构衰减系数较大的区域 到降噪的目的。 罩壳类零件 具有壁薄和表面平而

22、大的特点，是主要的表面辐射噪声源。控制措施： 增强其刚度，提高其固有频率。 敷贴阻尼材料。 固定在发动机上的各种盖板控制措施： 隔振：在其间使用隔振层 涂加阻尼材料。除以上措施之外，还可对发动机整机或部分构件采用隔声 措施，以满足日益严格的噪声控制法规的要求。常用的隔声方法有局部隔声、全封闭整体隔声罩和隧道式隔声罩等。6 发动机噪声的预估影响发动机噪声的因素很多，但它主要决定于发动机的转速和缸径。发动机噪声的A 声级有以下估算公式：四冲程、自然吸气柴油机LA= 30 lg N + 50 lg B51.5dB四冲程、涡轮增压柴油机LA= 40 lg N + 50 lg B86.5dB二冲程柴油机

23、LA= 40 lg N + 50 lg B80dB对置活塞式发动机LA= 40 lg N + 50 B）80dB汽油机 LA= 50 lg N + KdBN）（ 常数注：上述声压级的测点与发动机表面的距离约为 1m首先来看看发动机：为直接向大气辐射和通过发动机表面向外辐射两大类。表面噪声。发动机的表面噪声，根据产生的机理，可分为燃烧噪声和机械噪声。燃烧噪声，是发动机工作时，气缸内周期性变化的气体压力的作用而产生的。它主要由发动机的燃烧方式和燃烧速度来决定。作用力的作用而产生的。它与激发力的大小、运动件的结构等因素有关。应该指出的是，燃烧噪声和机械噪声是很难严格区分的。 部分机械噪声也是发动机气缸内。燃烧噪声，汽油机的主要噪声源是进、排气噪声和配气机构噪声；风扇噪声在风冷汽油机 中是主要噪声源之一。l）燃烧噪声快速燃烧冲击和燃烧压力振荡构成了气缸内压力谱的中高 频分量柴油机缸内压力较高，且压力增长率最大值远高于汽油机，所以柴油机的燃烧噪声 远高于汽油机。进气噪声它是由进气门的周期性开启与闭合而产其噪声频率成分主要集中在 200 HZ。与此同时，当气流