高等內(nèi)燃機(jī)學(xué)

內(nèi)燃機(jī)噪聲與控制_、前言隨著人類社會(huì)工業(yè)的不斷發(fā)展，噪聲這種公害日趨嚴(yán)重，對(duì)人類活動(dòng)和環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響。對(duì)城市環(huán)境噪聲影響最大的是各種聲強(qiáng)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(jī)作為各種交通運(yùn)輸工具的主要?jiǎng)恿?，是城市環(huán)境噪聲的主要來(lái)源。內(nèi)燃機(jī)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(guó)城市和工礦企業(yè)一種嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，國(guó)內(nèi)外都制定了許多有關(guān)噪聲控制的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，噪聲控制已成為保證內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的一項(xiàng)重要的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并直接影響到創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品以及產(chǎn)品在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。所以內(nèi)燃機(jī)噪聲控制問(wèn)題日益受到人們的重視。二、 內(nèi)燃機(jī)的噪聲源根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的工作原理、工作狀態(tài)及聲學(xué)理論，可將內(nèi)燃機(jī)的主要噪聲源分為3種：空氣動(dòng)力性噪聲、機(jī)械噪聲、燃燒噪聲?？諝鈩?dòng)力噪聲主要包括進(jìn)氣噪聲；排氣噪聲是內(nèi)燃機(jī)中最大的噪聲源；風(fēng)扇噪聲在風(fēng)冷內(nèi)燃機(jī)中也是主要噪聲之一。而機(jī)械噪聲又有活塞敲擊噪聲、配氣機(jī)構(gòu)噪聲、齒輪噪聲和噴油泵噪聲等。通常把機(jī)械噪聲和燃燒噪聲又合稱為表面輻射噪聲。三、 內(nèi)燃機(jī)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(jī)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(guò)相關(guān)技術(shù)有針對(duì)性的采取相關(guān)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(guò)程產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)震動(dòng)和氣缸內(nèi)氣體壓力劇烈變化引起的，包括動(dòng)力載荷變化及沖擊波引起的高頻振動(dòng)。影響因素及控制燃燒室結(jié)構(gòu)：內(nèi)燃機(jī)的燃燒室結(jié)構(gòu)形式及整個(gè)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)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(duì)燃燒噪聲的影響很大，柴油機(jī)影響效果更大。由此可見(jiàn)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(kāi)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(huì)使氣缸壓力增大，導(dǎo)致活塞撞擊噪聲增加，不會(huì)降低內(nèi)燃機(jī)的總噪聲。點(diǎn)火提前角：大多數(shù)柴油機(jī)的燃燒噪聲歲點(diǎn)火天前角的減少有所降低，但是燃油消耗率會(huì)增加。如果缸套等結(jié)構(gòu)的剛性大，自振頻率超過(guò)高頻振動(dòng)頻率時(shí)，此時(shí)點(diǎn)火提前角變化對(duì)柴油機(jī)的燃燒噪聲影響不大。正常燃燒時(shí)汽油機(jī)的點(diǎn)火提前角對(duì)汽油機(jī)噪聲影響較復(fù)雜，有時(shí)大，有時(shí)小。負(fù)荷的影響：隨著負(fù)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(jī))升高噪聲增強(qiáng)。但隨著負(fù)荷的在增加燃燒室壁溫度升高，氣缸與活塞間隙減小，有時(shí)噪聲減輕，所以負(fù)荷對(duì)內(nèi)燃機(jī)噪聲影響不大。所以應(yīng)從激勵(lì)源和傳播途徑兩方面來(lái)考慮降低噪聲。從傳播途徑上可以通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)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(jī)構(gòu)各部分的間隙等，提高缸套和機(jī)體剛性以及采用隔聲及隔振措施；從產(chǎn)生原因考慮應(yīng)該降低氣缸壓力級(jí)例如，選用低噪聲燃燒室；合理組織供油過(guò)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(jī)械噪聲主要是內(nèi)燃機(jī)各運(yùn)動(dòng)零部件在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中受氣體壓力和運(yùn)動(dòng)慣性力的周期變化所引起的振動(dòng)或互相沖擊而產(chǎn)生的，機(jī)械噪聲主要包括活塞敲擊、齒輪噪聲、配氣機(jī)構(gòu)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(jī)體振動(dòng)噪聲。零部件有活塞、氣缸套、氣缸體、連桿、曲軸、配氣機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)齒輪及噴油泵等。影響機(jī)械噪聲的因素有結(jié)構(gòu)剛度、零件加工精度和表面粗糙度、零件材料、運(yùn)動(dòng)件間隙及運(yùn)轉(zhuǎn)速度等。2.1活塞噪聲活塞對(duì)氣缸壁的敲擊是內(nèi)燃機(jī)最大的機(jī)械噪聲源。內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，活塞在上、下止點(diǎn)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(dòng)，從而形成活塞對(duì)缸壁的強(qiáng)烈敲擊。活塞對(duì)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(xiāo)偏移、活塞環(huán)數(shù)量。降低活塞的敲擊噪聲可適當(dāng)減小活塞和氣缸間的間隙，活塞裙部開(kāi)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(guò)）共品鋁硅合金活塞都可以達(dá)到減少活塞配缸間隙的目的。還可采用將活塞銷(xiāo)孔中心偏置氣缸中心線來(lái)減輕活塞對(duì)缸壁的敲擊噪聲。2.2配氣機(jī)構(gòu)噪聲四沖程內(nèi)燃機(jī)常采用氣門(mén)一凸輪式配氣機(jī)構(gòu)，由于該機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)多、剛度差的原因，易激發(fā)振動(dòng)噪聲。配氣機(jī)構(gòu)產(chǎn)生噪聲的主要原因是氣門(mén)在周期性開(kāi)啟、關(guān)閉的各個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生撞擊，從而形成振動(dòng)。在高速時(shí)又伴隨著氣門(mén)的跳動(dòng)，更加劇了撞擊的次數(shù)和強(qiáng)度，使振動(dòng)增加。配氣機(jī)構(gòu)噪聲與氣門(mén)機(jī)構(gòu)的型式、氣門(mén)間隙、氣門(mén)落座速度、材料、凸輪型線、凸輪和挺柱的潤(rùn)滑狀態(tài)、內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)?？刂婆錃鈾C(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的剛度。剛度提高后可使機(jī)構(gòu)的固有頻率提高，減小振動(dòng)，縮小氣門(mén)運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則變化。采用液力挺柱可使配氣機(jī)構(gòu)的噪聲顯著降低。2.3傳動(dòng)噪聲傳動(dòng)齒輪的噪聲是齒輪嚙合過(guò)程中齒與齒之間的撞擊和摩擦產(chǎn)生的。在內(nèi)燃機(jī)上，齒輪承載著交變的動(dòng)負(fù)荷，這種動(dòng)負(fù)荷會(huì)使軸產(chǎn)生變形，并通過(guò)軸在軸承上引起動(dòng)負(fù)荷，軸承的動(dòng)負(fù)荷又傳給發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)也會(huì)破壞齒輪的正常嚙合而激發(fā)出噪聲。傳動(dòng)齒輪噪聲與齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)型式、加工精度、齒輪材料配對(duì)、齒輪室結(jié)構(gòu)以及運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)有關(guān)。降低傳動(dòng)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(dāng)提高齒輪加工精度，都可以降低齒輪工作時(shí)的噪聲。如采用斜齒輪代替直齒輪。適當(dāng)減小齒輪的側(cè)向間隙，有助于減小噪聲，但同時(shí)要考慮加工成本。合理選用齒輪材料及其配對(duì)，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(shí)皮帶傳動(dòng)代替正時(shí)齒輪傳動(dòng)，可明顯降低噪聲。3內(nèi)燃機(jī)表面輻射噪聲及控制由于內(nèi)燃機(jī)燃燒激振力和機(jī)械激振力通過(guò)內(nèi)燃機(jī)各結(jié)構(gòu)零件傳遞到內(nèi)燃機(jī)的外表面上，形成表面的振動(dòng)響應(yīng)，表面上的振動(dòng)又激發(fā)空氣質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)而形成聲波向外輻射。要控制內(nèi)燃機(jī)噪聲，最終還要使表面輻射噪聲減小。若降低內(nèi)燃機(jī)表面振動(dòng)和表面輻射噪聲達(dá)不到預(yù)定要求時(shí)，則應(yīng)采取表面振動(dòng)阻尼和隔振、隔聲的措施。內(nèi)燃機(jī)中傳遞振動(dòng)和構(gòu)成聲輻射表面的外部結(jié)構(gòu)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(jī)體側(cè)蓋等）、各種罩殼（油底殼、飛輪罩殼、氣缸蓋罩、風(fēng)冷內(nèi)燃機(jī)的導(dǎo)風(fēng)罩等），以及各種附件如噴油泵、空氣濾清器、消聲器等。研究?jī)?nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)響應(yīng)、表面振動(dòng)和輻射噪聲以及內(nèi)燃機(jī)表面噪聲的分布狀況，可有針對(duì)性地采取措施，控制內(nèi)燃機(jī)表面輻射噪聲。降低內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)和表面輻射噪聲的基本措施主要有：（1） 提高內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)剛度，加強(qiáng)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(dòng)而降低表面輻射噪聲?？赏ㄟ^(guò)增加壁厚或局部加肋、整體式軸承梁、氣缸蓋與機(jī)體鑄成一體等方法增強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)剛度。（2） 增加表面振動(dòng)的阻尼，在齒輪室蓋、油底殼、曲軸皮帶輪、氣缸蓋罩、機(jī)體狽四蓋、進(jìn)氣管等振動(dòng)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(dá)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(shí)齒輪蓋、氣門(mén)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(gòu)的輻射表面面積，可降低表面噪聲。（4） 對(duì)齒輪室蓋、氣門(mén)室蓋、油底殼等零件除了采用尼阻措施之外，采用橡膠、復(fù)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(qiáng)的表面上裝設(shè)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(jìn)一步隔離輻射表面噪聲。在解決通風(fēng)冷卻問(wèn)題的條件下，將整臺(tái)內(nèi)燃機(jī)用隔聲罩殼完全罩起來(lái)，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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行降噪一個(gè)直接的方法，分整體屏蔽和局部屏蔽。4氣體動(dòng)力噪聲和消聲器內(nèi)燃機(jī)空氣動(dòng)力噪聲主要包括進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲和風(fēng)扇噪聲。它是由于氣體的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程或者氣體流動(dòng)以及氣體與物體的相互作用而產(chǎn)生的。4.1進(jìn)、排氣噪聲及控制進(jìn)氣噪聲是內(nèi)燃機(jī)的主要噪聲源之一。進(jìn)、排氣噪聲是由于進(jìn)、排氣門(mén)的開(kāi)閉，使在管道中氣體周期性地產(chǎn)生壓力和速度的波動(dòng)，導(dǎo)致氣流柱振動(dòng)而發(fā)出低頻噪聲，同時(shí)氣流高速流經(jīng)進(jìn)、排氣門(mén)處的截面，產(chǎn)生大量的渦流，形成強(qiáng)烈的高頻渦流噪聲。進(jìn)、排氣噪聲的大小與內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)排氣方式、進(jìn)排氣門(mén)結(jié)構(gòu)、缸徑、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、凸輪型線等因素有關(guān)。降低進(jìn)、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(fù)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(lái)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(jī)的進(jìn)氣噪聲。抗性消聲器是利用不同形狀的管道和共振腔適當(dāng)組合，借助于管道截面和形狀的變化而引起聲傳播時(shí)阻抗失配，達(dá)到消減噪聲的目的。其中、低頻消聲效果良好，在汽車(chē)、拖拉機(jī)中應(yīng)用較普遍。阻抗復(fù)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(jí)很高的低、中頻寬帶消聲，在高要求的內(nèi)燃機(jī)中采用此種消聲器。對(duì)于進(jìn)氣噪聲消聲器還應(yīng)與空氣濾清器結(jié)合，以達(dá)到空氣濾清和消聲的雙重作用。此外，通過(guò)合理設(shè)計(jì)進(jìn)、排氣系統(tǒng)，減小壓力脈動(dòng)強(qiáng)度及渦流強(qiáng)度，并避免發(fā)生共振，也是降低進(jìn)、排氣噪聲的有效措施。4.2風(fēng)扇噪聲隨著內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷提高，風(fēng)扇噪聲顯得越來(lái)越突出。風(fēng)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(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)引起空氣的壓力脈動(dòng)而激發(fā)的噪聲。渦流噪聲是風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)擾動(dòng)周?chē)諝猱a(chǎn)生渦流形成空氣壓力波動(dòng)而輻射出的一種非穩(wěn)定的流動(dòng)噪聲。影響風(fēng)扇噪聲的因素有風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)（如轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、風(fēng)壓、效率等）、風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如葉型尺寸、葉片數(shù)目、材料等X內(nèi)燃機(jī)冷卻方式以及冷卻系統(tǒng)的布置等。風(fēng)扇風(fēng)量越大，風(fēng)扇的噪聲越大；風(fēng)扇的效率越低，消耗功率越大，其噪聲也越大；轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)扇噪聲影響很大，轉(zhuǎn)速提高，風(fēng)扇噪聲增加。降低風(fēng)扇噪聲的措施是合理地設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)和選用合適的風(fēng)扇及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。即在保證冷卻強(qiáng)度的前提下應(yīng)盡可能降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速?？砂惭b冷卻風(fēng)扇自動(dòng)離合器，隨內(nèi)燃機(jī)的熱負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，也可采用點(diǎn)擊驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，在冷卻水溫達(dá)到一定值后才驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。此外，還可采取流線型風(fēng)扇葉片、盡可能減小風(fēng)扇葉輪外徑、改善風(fēng)扇葉片的迎風(fēng)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(dǎo)風(fēng)罩等措施來(lái)降低風(fēng)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(gòu)形式很多，一般有兩類，即無(wú)源消聲器和有源消聲器。常用傳統(tǒng)的無(wú)源消聲器主要有抗式消聲器、阻式消聲器和阻抗復(fù)合式消聲器。針對(duì)排氣噪聲聲壓級(jí)高、排氣速度高的特點(diǎn)，在選用排氣消聲器時(shí)，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(guò)大。有資料表明消聲器的結(jié)構(gòu)材料，國(guó)外已大量使用鋁鋼雙層復(fù)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(zhǎng)了使用壽命。日本最近正在研究一種殼體用樹(shù)脂和隔熱陶瓷復(fù)合材料制成的全新結(jié)構(gòu)消聲器，與鋼板制消聲器相比，可提高消聲量為A聲級(jí)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(wú)源消聲器對(duì)中高頻噪聲易取得較好的消聲效果，但對(duì)低頻的消聲效果差。而新型的有源控制技術(shù)的原理就是一個(gè)可被控制的次級(jí)聲源產(chǎn)生次級(jí)聲場(chǎng)，使之與噪聲場(chǎng)相位相反而抵消噪聲場(chǎng)。有源控制技術(shù)具有良好的低頻性能，對(duì)周期性及類周期性