高等內(nèi)燃機學

內(nèi)燃機噪聲與控制_、前言隨著人類社會工業(yè)的不斷發(fā)展，噪聲這種公害日趨嚴重，對人類活動和環(huán)境造成了嚴重的影響。對城市環(huán)境噪聲影響最大的是各種聲強起伏很大的非穩(wěn)態(tài)噪聲，起主要影響作用的是交通噪聲，而內(nèi)燃機作為各種交通運輸工具的主要動力，是城市環(huán)境噪聲的主要來源。內(nèi)燃機的噪聲污染不同程度地危害和影響了人們的健康、休息和正常工作，已成為世界各國城市和工礦企業(yè)一種嚴重的環(huán)境污染。因此，國內(nèi)外都制定了許多有關噪聲控制的標準和法規(guī)，噪聲控制已成為保證內(nèi)燃機產(chǎn)品的一項重要的質(zhì)量標準，并直接影響到創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品以及產(chǎn)品在市場的競爭力。所以內(nèi)燃機噪聲控制問題日益受到人們的重視。二、 內(nèi)燃機的噪聲源根據(jù)內(nèi)燃機的工作原理、工作狀態(tài)及聲學理論，可將內(nèi)燃機的主要噪聲源分為3種：空氣動力性噪聲、機械噪聲、燃燒噪聲?？諝鈩恿υ肼曋饕ㄟM氣噪聲；排氣噪聲是內(nèi)燃機中最大的噪聲源；風扇噪聲在風冷內(nèi)燃機中也是主要噪聲之一。而機械噪聲又有活塞敲擊噪聲、配氣機構噪聲、齒輪噪聲和噴油泵噪聲等。通常把機械噪聲和燃燒噪聲又合稱為表面輻射噪聲。三、 內(nèi)燃機噪聲及控制主要措施聲源控制是降低噪聲的最直接有效的方法，因此降低內(nèi)燃機噪聲的主要措施要從噪聲的聲源入手，首先要查明各噪聲源中最大的噪聲成分和特性，然后通過相關技術有針對性的采取相關措施將噪聲盡可能降至最低程度。1燃燒噪聲及控制燃燒噪聲主要是由于氣缸在燃燒過程產(chǎn)生的結(jié)構震動和氣缸內(nèi)氣體壓力劇烈變化引起的，包括動力載荷變化及沖擊波引起的高頻振動。影響因素及控制燃燒室結(jié)構：內(nèi)燃機的燃燒室結(jié)構形式及整個燃燒系統(tǒng)的設計對燃燒室壓力升高率，最高燃燒壓力和氣缸壓力頻譜曲線都有明顯影響，對燃燒噪聲的影響很大，柴油機影響效果更大。由此可見降低氣缸壓力為有效控制燃燒噪聲的方法之一，資料表明采用低噪聲的燃燒室即半開式燃燒室為優(yōu)選。壓縮溫度和壓力：提高壓縮比可以提高壓縮終了的溫度和壓力，從而縮短滯燃期，降低壓力升高率，使燃燒噪聲降低。但壓縮比的增高會使氣缸壓力增大，導致活塞撞擊噪聲增加，不會降低內(nèi)燃機的總噪聲。點火提前角：大多數(shù)柴油機的燃燒噪聲歲點火天前角的減少有所降低，但是燃油消耗率會增加。如果缸套等結(jié)構的剛性大，自振頻率超過高頻振動頻率時，此時點火提前角變化對柴油機的燃燒噪聲影響不大。正常燃燒時汽油機的點火提前角對汽油機噪聲影響較復雜，有時大，有時小。負荷的影響：隨著負荷的增加，每循環(huán)放熱量增加，最大燃燒壓力及壓力比升高比(柴油機)升高噪聲增強。但隨著負荷的在增加燃燒室壁溫度升高，氣缸與活塞間隙減小，有時噪聲減輕，所以負荷對內(nèi)燃機噪聲影響不大。所以應從激勵源和傳播途徑兩方面來考慮降低噪聲。從傳播途徑上可以通過改變發(fā)動機結(jié)構來提高燃燒噪聲的衰減量，例如選用較小的氣缸直徑，減小曲柄連桿機構各部分的間隙等，提高缸套和機體剛性以及采用隔聲及隔振措施；從產(chǎn)生原因考慮應該降低氣缸壓力級例如，選用低噪聲燃燒室；合理組織供油過程，縮短著火延遲期，降低壓力升高率使燃燒噪聲降低；提高燃燒室壁溫等措施。機械噪聲主要是內(nèi)燃機各運動零部件在運轉(zhuǎn)過程中受氣體壓力和運動慣性力的周期變化所引起的振動或互相沖擊而產(chǎn)生的，機械噪聲主要包括活塞敲擊、齒輪噪聲、配氣機構噪聲、軸承噪聲、高壓油泵噪聲、不平衡慣性力和慣性力矩引起的機體振動噪聲。零部件有活塞、氣缸套、氣缸體、連桿、曲軸、配氣機構、傳動齒輪及噴油泵等。影響機械噪聲的因素有結(jié)構剛度、零件加工精度和表面粗糙度、零件材料、運動件間隙及運轉(zhuǎn)速度等。2.1活塞噪聲活塞對氣缸壁的敲擊是內(nèi)燃機最大的機械噪聲源。內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)時，活塞在上、下止點附近受側(cè)向力作用產(chǎn)生由一側(cè)向另一側(cè)的橫向移動，從而形成活塞對缸壁的強烈敲擊。活塞對缸壁的敲擊主要是由于它們之間存在著間隙。影響活塞敲擊噪聲的因素有活塞間隙、活塞質(zhì)量、活塞高度、活塞銷偏移、活塞環(huán)數(shù)量。降低活塞的敲擊噪聲可適當減小活塞和氣缸間的間隙，活塞裙部開橫向絕熱槽和縱向斜切槽，或采用橢圓鼓形活塞、鑲鋼片活塞、熱膨脹系數(shù)小的（過）共品鋁硅合金活塞都可以達到減少活塞配缸間隙的目的。還可采用將活塞銷孔中心偏置氣缸中心線來減輕活塞對缸壁的敲擊噪聲。2.2配氣機構噪聲四沖程內(nèi)燃機常采用氣門一凸輪式配氣機構，由于該機構環(huán)節(jié)多、剛度差的原因，易激發(fā)振動噪聲。配氣機構產(chǎn)生噪聲的主要原因是氣門在周期性開啟、關閉的各個過程中產(chǎn)生撞擊，從而形成振動。在高速時又伴隨著氣門的跳動，更加劇了撞擊的次數(shù)和強度，使振動增加。配氣機構噪聲與氣門機構的型式、氣門間隙、氣門落座速度、材料、凸輪型線、凸輪和挺柱的潤滑狀態(tài)、內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速等因素有關?？刂婆錃鈾C構噪聲的主要措施有以下幾方面：選用性能良好的凸輪型線。常用的緩沖曲線形式有等加速一等速緩沖曲線、余弦型緩沖曲線、擺線型緩沖曲線。提高配氣機構的剛度。剛度提高后可使機構的固有頻率提高，減小振動，縮小氣門運動的不規(guī)則變化。采用液力挺柱可使配氣機構的噪聲顯著降低。2.3傳動噪聲傳動齒輪的噪聲是齒輪嚙合過程中齒與齒之間的撞擊和摩擦產(chǎn)生的。在內(nèi)燃機上，齒輪承載著交變的動負荷，這種動負荷會使軸產(chǎn)生變形，并通過軸在軸承上引起動負荷，軸承的動負荷又傳給發(fā)動機殼體和齒輪室殼體，使殼體激發(fā)出噪聲。此外，曲軸的扭轉(zhuǎn)振動也會破壞齒輪的正常嚙合而激發(fā)出噪聲。傳動齒輪噪聲與齒輪的設計參數(shù)和結(jié)構型式、加工精度、齒輪材料配對、齒輪室結(jié)構以及運轉(zhuǎn)狀態(tài)有關。降低傳動齒輪的噪聲可采取以下措施。合理選擇和確定齒輪型式及齒輪參數(shù)，選擇合適的加工方法，適當提高齒輪加工精度，都可以降低齒輪工作時的噪聲。如采用斜齒輪代替直齒輪。適當減小齒輪的側(cè)向間隙，有助于減小噪聲，但同時要考慮加工成本。合理選用齒輪材料及其配對，盡量采用高內(nèi)阻的材料或采用外部阻尼隔振；或在輪輻上裝以橡皮墊圈；或在齒輪體表面上涂敷阻尼性能良好的高分子材料，以有效地抑制噪聲。采用正時皮帶傳動代替正時齒輪傳動，可明顯降低噪聲。3內(nèi)燃機表面輻射噪聲及控制由于內(nèi)燃機燃燒激振力和機械激振力通過內(nèi)燃機各結(jié)構零件傳遞到內(nèi)燃機的外表面上，形成表面的振動響應，表面上的振動又激發(fā)空氣質(zhì)點的振動而形成聲波向外輻射。要控制內(nèi)燃機噪聲，最終還要使表面輻射噪聲減小。若降低內(nèi)燃機表面振動和表面輻射噪聲達不到預定要求時，則應采取表面振動阻尼和隔振、隔聲的措施。內(nèi)燃機中傳遞振動和構成聲輻射表面的外部結(jié)構主要包括：氣缸體、曲軸箱、氣缸蓋、排氣歧管和各種蓋板（齒輪室蓋、機體側(cè)蓋等）、各種罩殼（油底殼、飛輪罩殼、氣缸蓋罩、風冷內(nèi)燃機的導風罩等），以及各種附件如噴油泵、空氣濾清器、消聲器等。研究內(nèi)燃機結(jié)構響應、表面振動和輻射噪聲以及內(nèi)燃機表面噪聲的分布狀況，可有針對性地采取措施，控制內(nèi)燃機表面輻射噪聲。降低內(nèi)燃機結(jié)構振動和表面輻射噪聲的基本措施主要有：（1） 提高內(nèi)燃機結(jié)構剛度，加強氣缸體、曲軸箱、氣缸蓋、油底殼和齒輪室蓋的剛度能改變固有頻率，有效減小振動而降低表面輻射噪聲?？赏ㄟ^增加壁厚或局部加肋、整體式軸承梁、氣缸蓋與機體鑄成一體等方法增強內(nèi)燃機結(jié)構剛度。（2） 增加表面振動的阻尼，在齒輪室蓋、油底殼、曲軸皮帶輪、氣缸蓋罩、機體狽四蓋、進氣管等振動體的表面上涂敷粘彈性阻尼材料，如瀝青、橡膠以及某些高分子材料，可達到使物體減振和減小輻射噪聲的目的。采取阻尼材料制成正時齒輪蓋、氣門室蓋、油底殼等零件，也可取到良好的減噪效果。（3） 減少輻射噪聲表面的面積，盡可能減小氣缸體、氣缸蓋等基本結(jié)構的輻射表面面積，可降低表面噪聲。（4） 對齒輪室蓋、氣門室蓋、油底殼等零件除了采用尼阻措施之外，采用橡膠、復合材料隔振亦可以獲得較好的減噪效果。采用彈性軟管隔離排氣歧管傳。（5） 在噪聲輻射較強的表面上裝設隔聲裝置，如在油底殼、齒輪室蓋、氣缸蓋罩、排氣管等輻射表面上裝隔聲罩殼，可進一步隔離輻射表面噪聲。在解決通風冷卻問題的條件下，將整臺內(nèi)燃機用隔聲罩殼完全罩起來，并在隔聲罩殼內(nèi)面襯以吸聲材料能取得良好的降噪效果。（6） 表面噪聲屏蔽，這是對發(fā)動機進行降噪一個直接的方法，分整體屏蔽和局部屏蔽。4氣體動力噪聲和消聲器內(nèi)燃機空氣動力噪聲主要包括進氣噪聲、排氣噪聲和風扇噪聲。它是由于氣體的非穩(wěn)態(tài)過程或者氣體流動以及氣體與物體的相互作用而產(chǎn)生的。4.1進、排氣噪聲及控制進氣噪聲是內(nèi)燃機的主要噪聲源之一。進、排氣噪聲是由于進、排氣門的開閉，使在管道中氣體周期性地產(chǎn)生壓力和速度的波動，導致氣流柱振動而發(fā)出低頻噪聲，同時氣流高速流經(jīng)進、排氣門處的截面，產(chǎn)生大量的渦流，形成強烈的高頻渦流噪聲。進、排氣噪聲的大小與內(nèi)燃機的進排氣方式、進排氣門結(jié)構、缸徑、轉(zhuǎn)速、負荷、凸輪型線等因素有關。降低進、排氣噪聲主要采用消聲器，消聲器分為分阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復合式消聲器。阻性消聲器主要利用多空吸聲材料增大聲阻來消減噪聲，具有良好的中、高頻消聲效果，特別適宜消減增壓內(nèi)燃機的進氣噪聲?？剐韵暺魇抢貌煌螤畹墓艿篮凸舱袂贿m當組合，借助于管道截面和形狀的變化而引起聲傳播時阻抗失配，達到消減噪聲的目的。其中、低頻消聲效果良好，在汽車、拖拉機中應用較普遍。阻抗復合式消聲器兼有阻性和抗性的作用，使消聲頻帶寬，主要用于聲級很高的低、中頻寬帶消聲，在高要求的內(nèi)燃機中采用此種消聲器。對于進氣噪聲消聲器還應與空氣濾清器結(jié)合，以達到空氣濾清和消聲的雙重作用。此外，通過合理設計進、排氣系統(tǒng)，減小壓力脈動強度及渦流強度，并避免發(fā)生共振，也是降低進、排氣噪聲的有效措施。4.2風扇噪聲隨著內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速的不斷提高，風扇噪聲顯得越來越突出。風扇噪聲是由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成的。旋轉(zhuǎn)噪聲是而由風扇葉片旋轉(zhuǎn)引起空氣的壓力脈動而激發(fā)的噪聲。渦流噪聲是風扇旋轉(zhuǎn)時擾動周圍空氣產(chǎn)生渦流形成空氣壓力波動而輻射出的一種非穩(wěn)定的流動噪聲。影響風扇噪聲的因素有風扇的運轉(zhuǎn)參數(shù)（如轉(zhuǎn)速、風量、風壓、效率等）、風扇的結(jié)構參數(shù)（如葉型尺寸、葉片數(shù)目、材料等X內(nèi)燃機冷卻方式以及冷卻系統(tǒng)的布置等。風扇風量越大，風扇的噪聲越大；風扇的效率越低，消耗功率越大，其噪聲也越大；轉(zhuǎn)速對風扇噪聲影響很大，轉(zhuǎn)速提高，風扇噪聲增加。降低風扇噪聲的措施是合理地設計發(fā)動機冷卻系統(tǒng)和選用合適的風扇及驅(qū)動系統(tǒng)。即在保證冷卻強度的前提下應盡可能降低風扇轉(zhuǎn)速?？砂惭b冷卻風扇自動離合器，隨內(nèi)燃機的熱負荷自動調(diào)節(jié)風扇轉(zhuǎn)速，也可采用點擊驅(qū)動風扇，在冷卻水溫達到一定值后才驅(qū)動風扇。此外，還可采取流線型風扇葉片、盡可能減小風扇葉輪外徑、改善風扇葉片的迎風角、合理選擇葉片數(shù)、采用不等間距分布的葉片和流線型導風罩等措施來降低風扇噪聲。4.3消聲器研制高性能的消聲器是目前減低排氣噪聲最有效的措施。消聲器的結(jié)構形式很多，一般有兩類，即無源消聲器和有源消聲器。常用傳統(tǒng)的無源消聲器主要有抗式消聲器、阻式消聲器和阻抗復合式消聲器。針對排氣噪聲聲壓級高、排氣速度高的特點，在選用排氣消聲器時，要注意消聲器能否既大大降低排氣速度，又不使排氣壓力降低過大。有資料表明消聲器的結(jié)構材料，國外已大量使用鋁鋼雙層復合板或覆鋁鋼板以及不銹鋼板等，既提高了消聲量又大大延長了使用壽命。日本最近正在研究一種殼體用樹脂和隔熱陶瓷復合材料制成的全新結(jié)構消聲器，與鋼板制消聲器相比，可提高消聲量為A聲級5dB?8dB，且功率損失大大減小，耐腐蝕性提高，重量只有鋼板制消聲器的1/4。傳統(tǒng)的無源消聲器對中高頻噪聲易取得較好的消聲效果，但對低頻的消聲效果差。而新型的有源控制技術的原理就是一個可被控制的次級聲源產(chǎn)生次級聲場，使之與噪聲場相位相反而抵消噪聲場。有源控制技術具有良好的低頻性能，對周期性及類周期性