浅谈发动机机械噪声的产生、测试及控制

浅谈发动机机械噪声的产生、测试及控制

摘要

随着现代化进程的加快以及汽车.匚业和交通运输的发展，城市机动车辆拥有

量日益增加。据国外资料统计，机动车辆所包括的总功率，比其他各种动刀（飞

机、船舶、电站等）的总和大20倍以上。它们所辐射的噪声，约占整个环境噪声

能量的75%。各种调研和测量的结果也表明，城市交通噪声，是目前城市环境

中最主要的噪声源。因此，降低机动车辆本身的噪声，是减少城市环境噪声的最

根本途径。而且行驶汽车噪声有发动机噪声、底盘噪声、车身噪声以及汽车附件

和电气系统的噪声，发动机噪声是汽车的主要噪声源。本文通过对汽车发动机噪

声、地盘噪声、车身噪声的产生机理的了解以及对它们进行检测，从而进行一定

的降噪等减小汽车噪声措施。

1.发动机机械噪声的产生机理及控制策略

发动机发出的噪声主要有三种类型：燃烧噪声、机械噪声和空气动力噪声。

燃烧噪声和机械噪声，是通过发动机的外表面向外辐射，而空气动力噪声主要是

在进气和排气过程产生，直接向大气辐射。发动机低速运转时，燃烧噪声是主要

噪声源；高速运转时，机械噪声和空气动力噪声是主要噪声源。

L1燃烧噪声

燃烧噪声产生原理

通常把燃烧时气缸压力通过活塞、连杆、曲轴、主轴承传至机体，以及通过

气缸盖等引起发动机结构表面振动而辐射出来的这部分噪声称为燃烧噪声。发动

机的燃烧噪声，是在气缸中产生的。燃烧过程中，气缸内的压力波冲击燃烧室壁，

气体自身产生的振动，这种振动及辐射噪声呈高频特性。气缸内压力在一个工作

循环内呈周期变化，激起气缸内部机件的振动，其频率与发动机转速有关，通过

发动机机体向外辐射噪声，这种振动及辐射噪声呈低频特性。其强弱程度，取决

于压力增长率及最高压力增长率的持续时间。

燃烧噪声的特性

汽油机燃烧柔和、噪声小，与柴油机相比，其燃烧噪声不突出，因此研究发

动机噪声以柴油机为主。因为这种噪声与燃烧过程有关，所以可以从柴油机燃烧

过程的四个阶段一一滞燃期、速燃期、缓燃期和补燃期来分别研究它。

在滞燃期内燃料并未燃烧，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，但滞燃期对燃烧过程的

进展有很大影响，因此对发动机燃烧噪声起着间接的重大影响作用。

在速燃期内燃料迅速燃烧，气缸内压力迅速增加，直接影响发动机的振动和

噪声。影响速燃期压力增长率的主要因素是着火延迟期的长短和供油规律。着火

延迟期越长，在此期间喷入气缸的燃料越多压力噌长率就越高。压力增长率大，

意味着柴油机的冲击载荷大，使柴油内零件敲击严重，从而增加了柴油的结构振

动和所辐射的噪声。

在缓燃期内，气缸内压力有所增长，但增长率较小，因此能激发起一定程度

的燃烧噪声，但对噪声的影响不显著。这个阶段主要对柴油机的动力性和经济性

有很大影响。

在补燃期内，因活塞卜行且绝大多数燃料已在前两个时期内燃烧完毕，所以

对燃烧噪声影响不大。

综上所述，燃烧过程所激发的噪声主要集中在速燃期内，其次是缓燃期。燃

烧噪声主要表现在两个方面，一是由气缸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；二是由气缸内气体的

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。

在速燃期内产生的气体动力载荷，使柴油机内相应零件受到一种敲击。由于

柴油机的结构可视为一个复杂的振动系统，大多数零件的自振频率处中、高频率

范围内，因此，由结构传声而向外辐射的燃烧噪声频率也处在中、高频率范围内。

由动力载荷引起的噪声，主要取决于压力增长率及最高压力增长率持续的时间，

压力增长越快，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

内气体压力的剧变，与火焰传播的同时，冲击性质的压力波也随着传播，当冲击

波达到燃烧室壁面后将进行多次反射，从而形成了气体的高频振动，这就是柴油

机产生高调噪声的原因。

燃烧噪声的控制策略

在汽车发动机中，燃烧噪声在总噪声中占有很大比例，研究如何降低其燃烧

噪声具有特别重要的意义。目前所研究出的降噪措施主要有：

(1)采用隔热活塞以提高燃烧室壁温度，缩短滞燃期，降低空间雾化燃烧系

统的直喷式柴油机的燃烧噪声。

(2)提高压缩比和应用废气再循环技术也可降低柴油机的燃烧噪声。但压缩

比主要决定了柴油机的机械负荷与热负荷水平。废气再循环技术通过降低气缸最

高压力，在抑制NOx产生的同时，也降低了燃烧噪声。

(3)采用双弹簧喷汨阀实现预喷。即将原本打算一个循环一次喷完的燃泊分

两次喷。第一次先喷入其中的小部分，提前在主喷之前就开始进行着火的预反应,

这样可减少滞燃期内积聚的可燃混合气数量。这是降低直喷式柴油机燃烧噪声的

最有效措施。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，以此对怠速工况的燃烧噪声产生影响。通过设计两段升程装

置，采用引燃喷射装置在较大的转速范围及加速情况下来抑制燃烧噪声。

⑷共轨喷油系统是一种很有前途的直喷式轿车柴油机电子控制高压燃油喷

射系统，它能减少滞燃期内喷入的燃油量，特别有利于降低燃烧噪声。

(5)采用增压。柴汨机增压后进入气缸的空气充量密度、温度和压力增加，

从而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dp/d<i)和压力升高比人却变小，使柴油机运转平

稳，噪声降低。此外，一般来说，涡轮增压柴油机最大额定功率的转速要比同样

气缸尺寸的非增压柴油机低，有利于降低燃烧噪声。增压空气中间冷却后，空气

温度降低，充气效率得以提高，但同时也削弱了增压对降低燃烧噪声的作用。

(6)燃烧室的选择和设计。对于分开式燃烧室，精确的喷油通道、扩大通道面

积、控制喷射方向和预燃室进气涡流半径的优化，均能抑制预混合燃烧，促进扩

散燃烧，从而降低由低负荷到高负荷较宽范围的燃烧噪声、燃油消耗和碳烟排放。

对于直喷式燃烧室，可以通过合理设计，使其在保证足够的涡流下具有高紊功能,

强化燃料与空气之间的扩散，以此来改善燃烧过程，实现柴油机低油耗、低噪声

和低排放。活塞顶燃烧室结构对燃烧噪声有很大影响。孔口较小、深度较深者,

燃烧噪声就小得多，排放也明显较好。再加上缩口形，减噪效果就更趋好转。因

此，设计时在变动许可范围内，最好选用缩口并尽可能加深些的3形燃烧室。

(7)减小供油提前角。供油提前角小，喷油时间延迟，气缸内温度和压力在

燃油喷入时较高，燃油一经喷入即雾化，瞬间达到着火点，缩短了滞燃期。最先

喷入的燃油爆发燃烧，而后续喷入火焰中的燃油因氧气不足而不会立即燃烧，这

样，由于初期燃烧的燃油量少，压力升高率低，可使燃烧噪声减小。大多数柴油

机的燃烧噪声随供油提前角的减小而有所降低。

(8)选用十六烷值高的燃料，着火延迟期较短，从而影响在着火延迟期内形

成的可燃混合气数量，使压力升高率降低和减小燃烧噪声。

1.2机械噪声

发动机的机械噪声，是指在气体压力和惯性力的作用下，使运动部件产生冲

击和振动而激发的噪声。主要有活塞敲击噪声、供油系噪声、配气机构噪声、正

时系统噪声、辅机系统噪声、轴承噪声、不平衡惯性力引起的机体振动和噪声等。

发动机工作时，由于冲击、摩擦、旋转不均匀和不平衡力作用等原因，激起零部

件的机械振动而产生噪声。特别是当激振力频率与零部件的固有频率相一致时、

会引起激烈的共振和噪声。发动机的机械噪声随转速的提高而迅速增加。机械噪

声与激发力的大小、运动件的结构等因素有关。主要有活塞敲击噪声和气门机械

噪声。

1.2.1活塞敲击噪声

活塞对汽缸壁的敲击，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和活塞与缸套之间的间隙。因此，这种噪声概和燃烧

有关，又和发动机活塞的具体结构有关。在大功率柴油机上，这种敲击力可达数

吨，能激发出很强的噪声。在冷起动后以及怠速工况下，由于活塞和缸壁的旬隙

较大，这种敲击噪声也相当突出。活塞对缸壁的敲击，根本原因在于它们之间存

在间隙并且往复运动的活塞所承受的侧向力发生方向突变。

影响活塞敲击噪声的因素很多，且活塞产生敲击的主要原因是活塞与气缸

套之间存在间隙，以及作用在活塞上的气体压力有关。

降低活塞敲击噪声的措施有：

(1)采取活塞销孔偏置，即将活塞销孔适当地朝主推力面偏移l-2mm。

(2)采用在活塞裙部开横向隔热槽，活塞销座镶调节钢件，裙部镶钢筒，采用

椭圆锥体裙等方式来减小活塞冷态配缸间隙。

(3)增加缸套的刚度，不仅可以降低活塞的敲击声。也可以降低因活塞与缸壁

摩擦而产生的噪声。为了增加缸套的刚度，可采用增加缸套厚度或带加强筋为方

法。

(4)改进活塞和气缸壁之问的润滑状况，增加活塞敲击缸壁时的阻尼，也可以

减小活塞敲击噪声。

L2.2传动齿轮噪声

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，轴承的动负荷乂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。

降低传动齿轮噪声的措施有：

(1)控制齿轮齿形，提高齿轮加工精度，减小齿轮啮合间隙，即降低齿轮啮合

时相互撞击的能量，从而降低齿轮啮合传动噪声。

(2)采用新材料，如高阻尼的工程塑料齿轮，采用工程塑料齿轮代替原钢制齿

轮后。整机噪声降低约().5dB左右，效果明显。

(3)合理布置齿轮传动系位置，如将正时齿轮布置在飞轮端，可有效减少曲轴

系扭振对齿轮振动的影响。

(4)采用正时齿形同步带传动代替正时齿轮转动，可明显降低噪声。

1.2.3配气机构噪声

发动机配气机构也是重要的机械噪声源。由于配气机构的零件多、刚度差,

因而易于激发起振动和噪声。在配气机构中，凸轮和挺杆间的摩擦振动、气门的

不规则运动、摇臂撞击气门杆尾部以及气门落座时的撞击等均会发出噪声。

发动机低转速时，气门机构的惯性力不高，可将其看成多刚体系统，噪声主

要源于刚体间的摩擦和碰撞。大的噪声出现早凸轮顶部上推从动杆的时刻，在气

门开启和关闭时刻附近亦有较大的噪声口气门开启的噪声主要是由施加于气门落

座时的冲击产生的，气门的噪声级和气门运动的速度成正比。

在发动机高速运转时，气门机构的惯性力相当大，使得整个机构产生振动。

气门机构实际上是一个弹性系统，工作时各零件的弹性变形会使位于链末端气门

处运动产生的运动产生很大的畸变，造成去门的运动有时迟后于挺杆，有时又超

前于挺杆，使传动链出现脱节，气门开闭不正常,，产生“飞脱”和“反弹”等不

规则运动现象。严重时还会使发动机的正常佛年工作遭受到破坏。因此高速时配

气机构的噪声主要与气门的不规则运动有关。

降低配气机构噪声的措施主要有：

(I)良好的润滑能减少摩擦，降低摩擦噪声。凸轮转速越高，油膜越厚。所以

内燃机高速运转时，配气机构的摩擦振动和噪声就不突出了。

(2)减少气门间隙可减少摇臂与气门之间的撞击，但不能使气门间隙太小。采

用液力挺柱可以从根本上消除气门间隙，降低噪声。近年来还出现了气门液压驱

动系统，其噪声更低。

(3)缩短推杆长度是减轻系统重量、提高刚度的有效措施，顶置式凸轮轴取消

了推杆，对减少噪声特别有利。

1.3空气动力噪声

空气动力噪声，是气体流动(如周期性进气、排气)或物体在空气中运动，空

气与物体撞击，引起空气产生的涡流，或者由于空气发生压力突变，形成空气扰

动与膨胀(如高压气体向空气中喷射)等而产生的噪声。一般说来，空气动力噪声

是直接向大气辐射的。主要分成进气噪声、排气噪声和风扇噪声。

1.3.1进气噪声

发动机工作时，高速气流经空气滤清器、进气管、气门进入气缸、在此气流

流动过程中会产生一种强烈的空气动力噪声。有时比发动机本身噪声高出5dB

左右，成为仅次于排气噪声的主要噪声源。该噪声随着发动机转速的提高而增强,

与负荷的变化无关，其成分主要包括：周期性压力脉动噪声、涡流噪声、气缸的

玄姆霍兹共振噪声和进气管的气柱共振噪声。

进气噪声的控制策略主要是：

⑴合理的设计和选用空气滤清器。合理设计进气管道和气缸盖进气通道，减

少进气系统内压力脉动的强度和气门通道处的涡流强度。

⑵引进消声措施。

1.3.2排气噪声

排气噪声主要在排气开始时。废气以脉冲形式从排气门缝隙排出.并迅速从

排气口冲人大气，形成能量很高、频率很复杂的噪声，包括基频及其高次谐波的

成分。该噪声是汽车及发动机中能量最大最主要的噪声源,它的噪声往往比发动

机整机噪声高10dB(A)〜15dB(A)。除基频噪声及其高次谐波噪声外，排气噪声

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

气系统管道内壁面的素流噪声等，此外，排气噪声还包括废气喷射和冲击噪声。

排气噪声的控制策略主要是：

(1)从排气系统的设计方面入手，如合理设计排气管的长度与形状.以避免气

流产生共振和减少涡流。

(2)废气涡轮增压器的应用可降低排气噪声。但最有效的方法还是采用高消声

技术，使用低功率损耗和宽消声频率范围的排气消声器。

1.3.3风扇噪声

风扇噪声是发动机中不可忽视的噪声源，尤其风冷发动机更为突出，在高速

全负荷时甚至和进排气噪声不相上下。它主要是空气动力噪声，由旋转噪声和涡

流声所组成。旋转噪声是由旋转叶片周期性地打击空气质点，引起空气的压力脉

动所产生的。涡流噪声是由于风扇旋转时使周围的空气产生涡流，这些涡流又因

粘滞力的作用分裂成一系列独立的小涡流.这些涡流和泯流的分裂会使空气发生

扰动，形成压力波动，从而激发出的噪声，涡流噪声一般是宽频带噪声。发动机

的风扇噪声在低速运转时涡流噪声占优势.高速时旋转噪声占优势.风扇的转速

越高，直径越大，风扇的扇风量就越大，其噪声乜越高；风扇的效率越低，消耗

功率越大，风扇噪声越大。

风扇噪声的控制策略主要是：

(1)适当控制风扇转速，风扇噪声随转速的增长远比其他噪声大。在冷却要求

已定的条件下，为降低转速，可在结构尺寸允许的范围内，适当加大风扇直径或

者增加叶片数目；充分运用流体力学理论设计高效率的风扇，就口」能在保证冷却

风量和风压的前提下降低转速。

(2)采用叶片不均匀分布的风扇，叶片均匀分布往往会产生一些声压级很高的

有调节器成分。当叶片不均匀布置后，一般可降低风扇中那些突出的线状频谱成

分，使噪声频谱较为平滑。

⑶用塑料风扇代替钢板风扇，能达到降低噪声和减少风扇消耗功率的效果但

目前成本还稍高于钢板风扇。国外中小功率内燃机已普遍采用塑料风扇还可采用

一种安装角可以变化的“柔性风扇”.这种风扇叶片用很薄的钢板或塑料制造.当

风扇转速提高后，由于空气动力的作用，叶片扭转变平(安装角变小)，于是风扇

消耗功率和噪声都减小；转速降低时，由于空气动力作用小，叶片的扭转变小,

保证了足够的风量。

(4)在车用内燃机上采用风扇自动离合器，试验表明.在汽车行驶中，需要风

扇工作的时间一般不到10%。因此.装用风扇离合器不仅可使内燃机经常处在

适宜温度下工作和减少功率消耗.同时还能达到降噪的效果。

(5)风扇和散热器系统的合理设计。诸如发动机和风扇的距离、风扇与散热器

的距离、风扇和风扇护罩的位置及护罩的形状、空气通过散热器的阻力等都会对

冷却风量的充分利用产生影响。合理布置和设计都有可能达到降低风扇转速的目

的。

1.4发动机表面辐射噪声及其控制

发动机的燃烧激振力和机械激振力通过各个结构零件传递到发动机的外表

面上,形成表面的振动响应。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方面采

取措施，最终达到有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、表面振动与辐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•复杂的机械系统，可视为多自由度振动系统，其激振力和结

构响应之间的关系可通过脉冲响应函数来确定，也可通过有限元计算或试验模态

分析的方法来确定发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，将在其幅射

噪声频谱上出现卜一个峰值。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。

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，在技术上难

以采取降噪措施，即使采取措施，降噪也很有限。实践表明，在结构.上阻断激振

力的传递或降低表面声辐射效率，可大幅度地降低表面辐射噪声，有效控制发动

机噪声。其具体措施为增加结构刚度和阻尼，减少辐射表面面积。

发动机表面辐射噪声的几个结构响应和控制措施：

⑴缸体一曲轴箱其刚度较差，振动较大，是表面噪声辐射的主要部分，同时其

振动乂传给壳体等重要的辐射噪声表面，使振动加剧。因而是控制表面辐射噪声

的基本途径。

产生辐射噪声的具体原因：当缸体一曲轴箱按某阶振型振动时.，其壁面呈弯

曲状的振动，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，从而达到降噪的目的。

⑵罩壳类零件具有壁薄和表面平而大的特点，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。

2.发动机机械噪声测试

发动机噪声是车内噪声的主要声源，其恶化了车辆的运行环境和车内的乘坐

环境，因而有效地识别发动机的噪声源是噪声控制的重要主题。发动机在工作过

程中，会导致各种各样的振动和噪声，其发生机理各不相同，传递途径也非常复

杂。在目前的技术水平和条件下，实现整机的低噪声的优化设计技术是不成熟的，

所以，发动机噪声控制的最初步骤仍然是用试验方法进行噪声源识别，确定噪声

的主要来源，引起噪声的机理及传递途径。

通过噪声试验，测得噪声的时域响应，应用频谱分析法、相干函数法进行数

据处理，将机械噪声和燃烧噪声识别出来，并得出其传递函数，在其传递途径上

采取措施，取得良好的控制和降低噪声的效果。

机械噪声测试

噪声的测量主要是声压级、声功率级及其噪声频谱的测量。一套声压级测量

仪器包括传声器、声级计、频率分析仪、校准器等