汽车发动机噪声控制技术研究
前言
噪声是工业社会带来的副产品，它与大气污染和水污染一起被认为是当今世界三大公害。与其他两个公害相比，噪声的影响面最广，感觉最直接，人们反映也最多。汽车作为一种主要的交通工具日益普及和增长，因而汽车噪声所造成的环境污染也日益严重。汽车噪声中由于发动机产生的噪声占很大一部分，因此研究发动机噪声产生的机理以及噪声控制的措施在汽车噪声控制中显得尤为重要。
1 发动机噪声控制
直接从发动机机体及其主要附件向空间传出的声音，都属于发动机噪声。发动机噪声随机型、转速、负荷及运行情况等的不同而有差异，如在转速相同的条件下，柴油机的噪声要比汽油机高。按噪声产生的性质，发动机噪声可分为燃烧噪声、机械噪声和空气动力噪声。下面主要介绍各种噪声产生的成因以及一些具体的降噪措施。
1.1燃烧噪音
1.1.1燃烧噪声产生机理
燃烧噪声是由于气缸内周期变化的气体压力的作用而产生的。它主要取决于燃烧的方式和燃烧的速度。在汽油机中，如果发生爆燃和表面点火等不正常燃烧时，将产生较大的燃烧噪声。柴油机的燃烧噪声是由于燃烧室内气压急剧上升，致使发动机各部件振动而引起的噪声。一般来说，柴油机噪声比汽油机的噪声高得多，因此在这里主要以柴油机为例来说明如何降低燃烧噪声。
1.1.2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)采用双弹簧喷油阀实现预喷。即将原本打算一个循环一次喷完的燃油分两次喷。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。
(4)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。柴油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/dφ和压力升高比λ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动能，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ω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
机械噪声是由于运动件之间以及运动件与固定件之间周期性变化的机械运动而产生的，它与激发力的大小、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
发动机运转时，活塞在上、下止点附近受侧向力作用产生一个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，产生了活塞敲击噪声。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。
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1～2mm。
(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40℃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肋的方法。
(4)改进活塞和气缸壁之间的润滑状况，增加活塞敲击缸壁时的阻尼，也可以减小活塞敲击噪声。例如在D=180mm单缸试验机上，采用专用润滑油喷向气缸壁上供给机油，结果使机体的振动降低6dB(A)。显然，这种措施在实用上是受到限制的。近来，日本丸能源公司研制成功含有陶瓷微粒的新型润滑剂，在气缸金属表面上形成“陶瓷薄膜”，防止金属直接接触。因此在降低摩擦噪声的同时，还可改善润滑性能，节约燃料，提高使用寿命。
1.2.2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0.5dB(A)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降低配气机构噪声
内燃机大都采用凸轮、气门配气机构，机构中包括凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、气门等零件。配气机构中零件多、刚度差，在运动中易于激起振动和噪声，包括气门和气门座的撞击，由气门间隙引起的传动撞击，挺柱和凸轮工作面之间的摩擦振动，高速时气门不规则运动引起的噪声。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。
降低配气机构噪声的措施主要有：
(1)良好的润滑能减少摩擦，降低摩擦噪声。推荐怠速时凸轮与挺柱间的最小油膜厚度2Lm，1000r/min时最小油膜厚度为3Lm。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
由于气体扰动以及气体和其他物体相互作用而产生的噪声称为空气动力噪声，在发动机中，它包括进气噪声、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5 dB(A)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：
(1)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。
(2)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，并迅速从排气口冲入大气，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紊流噪声等，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，这些涡流和涡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，其噪声也越高；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，就可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。
(3)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。
2 结束语
综上所述，影响汽车发动机噪声的因素多种多样，单靠采用某一种降噪方法很难大幅度地把噪声降低下来，要降低汽车发动机噪声，应从发动机噪声的噪声源、传播途径等方面入手，明确降噪的对象和目标，通过综合考虑，采取各种技术手段，在一定程度上可有效地控制和降低燃烧噪声、机械噪声和空气动力噪声，达到降低汽车发动机噪声的目的。
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