发动机噪声来源与控制

9.5　发动机噪声来源与控制

随着国民经济建设事业的迅速发展，城乡内燃机动力装置的数量日益增多，特别是在人口比较集中的大中城市，机动车辆的噪声已成为主要的噪声源，约占城市环境噪声的30%～50%，而其最终源头是发动机。研究结果也已证明，45～50dB的噪声就会影响人们的睡眠; 50dB的噪声能干扰人的思考;60dB的噪声开始令人心烦;长期生活在65dB的噪声中，会使人体的心血管系统、消化系统以及神经系统受到损害;若在90dB以上的噪声环境下连续工作将会使人耳聋。因此，为了保护环境，世界各工业发达国家和我国都已制定了发动机的噪声限制法规。

9.5.1　发动机噪声的来源

噪声源主要包括:燃烧噪声，机械噪声，进、排气噪声和风扇噪声。

1.燃烧噪声

燃烧噪声是在燃烧时，气缸内压力急剧上升的气体冲击而产生的，其中包括由气缸内压力剧烈变化引起的动力载荷，以及冲击波引起的高频振动。一般认为燃烧噪声经由两条路径传播并辐射出来。一条是经过气缸盖及气缸套经由气缸体上部向外辐射;另一条是经过曲柄连杆机构，即活塞、连杆、曲轴和主轴承由气缸体下部向外辐射。由于气缸套、机体、气缸盖这些结构件的刚性较大，自振频率处于中、高频范围，低频成分不能顺利地传出。因此。人耳听到的燃烧噪声的主要成分处于中、高频范围内。

在功率相同的条件下，柴油机由于压缩比高，压力升高率大，其燃烧噪声要比汽油机大得多。柴油机燃烧噪声主要集中在速燃期，其次是缓燃期。

汽油机在压缩比高，汽油品质不良和点火提前角过大时，易引起爆燃，因燃烧室积炭引起表面点火等，都会使燃烧最高压力及压力升高率剧增而产生噪声。柴油机在转速升高、喷油推迟、负荷增大时还会引起工作粗暴产生噪声。在使用过程中，对于结构一定的发动机来说，噪声的强度受发动机转速、负荷、点火或喷油时间、加速运转和不正常燃烧等因素影响。转速升高，负荷加大则噪声增大，点火或喷油推迟噪声减小，加速和不正常燃烧时噪声增大。

2.机械噪声

机械噪声是指内燃机各运动件在工作过程中，由于相互冲击而产生的噪声。内燃机的机械噪声随着转速的提高而迅速增强。随着内燃机的高速化，机械噪声愈来愈显得突出。

(1)活塞敲缸噪声。活塞对气缸壁的敲击往往是内燃机最强的机械噪声源。由于活塞与缸壁之间有间隙，在燃烧时气体压力及运动惯性力的作用下，使活塞对缸壁的侧向推力在上下止点处改变方向，且呈现周期性变化，所产生的侧压力敲击不但在上止点和下止点附近发生，而且也发生在活塞行程的其他位置上，从而形成活塞对缸壁的强烈敲击声。当气缸内的最大压力及缸壁间隙增大，转速及负荷提高、缸壁润滑条件变差，敲击声也随之增大。此外，活塞对气缸壁的敲击还会引起气缸壁的高频振动。

采取减小活塞与气缸壁的间隙(如采用可控膨胀活塞);使活塞销孔向气缸壁的主推力面偏移;加长活塞裙部和减少活塞环数量;增加气缸套的刚度;增加活塞敲击气缸壁时的阻尼，如在裙部外表面增加润滑油的积存等方法可以降低活塞敲击噪声。

(2)配气机构噪声配气机构噪声。包括:气门与气门座的冲击，气门间隙引起的机械冲击，配气机构本身在上述周期性冲击力作用下产生振动。

配气机构产生的噪声，在低速和中速内燃机中，一般并不突出，但对高速内燃机来说，往往会在机械噪声源中占有较高份额。

降低配气机构噪声可采用顶置凸轮;采用液力挺柱以消除气门间隙;采用新型函数凸轮轮廓线以及对缓冲过渡曲线合理设计，使气门升起和落座时的速度控制在较低值，以有效地抑制气门的跳动。

(3)正时齿轮噪声。正时齿轮噪声是在齿轮啮合过程中，齿与齿之间的撞击和摩擦产生的。正时齿轮噪声与齿轮的结构形式、设计参数、制造精度及运转状态有很大关系。

正时齿轮一般都采用斜齿，由于其重叠系数较大，轮齿上分担的载荷较小，故较直齿噪声大为降低。有些汽油机采用夹布胶木作凸轮轴正时齿轮，也可有效地减小齿轮噪声。

(4)不平衡惯性力引起的机械振动及噪声。内燃机中的活塞曲柄连杆机构在运转过程中将产生往复运动惯性力、离心惯性力及其惯性力矩。这些周期性变化的惯性力和惯性力矩将通过曲轴主轴颈传给机体及其支承(或动力装置)，引起振动和噪声。

出于对内燃机运转可靠性、耐久性和动力装置舒适性的考虑，要通过各种平衡措施力求使这些惯性力和惯性力矩尽可能地被减小乃至完全消除，最终达到降低内燃机振动和噪声的目的。

此外，曲轴的扭转振动也会引起机体及其支承的附加振动，激发出噪声。这类噪声的大小与发动机的结构参数(缸径、行程、缸数、缸心距、冲程数)、材料、动力参数(转速、功率)、平衡状况以及支撑隔振措施等多种因素有关。一般而言，在内燃机总体设计规划时就应给予考虑。

(5)喷油泵及其他机械噪声。内燃机还附加有若干种机械装置，诸如喷油泵、压气机、发电机、水泵等，它们在运转时同样会产生机械噪声，除喷油泵外，它们和前述几种机械噪声相比所占份额较小。

除了上述对内燃机各主要噪声源采用降噪措施外，按照低噪声的原则设计发动机或者采用局部或整体隔声罩的方法，都可以在较大幅度内降低发动机噪声。

3.进、排气噪声

进排气噪声是由于发动机在进、排气过程中，气体压力波和气体流动所引起的振动而产生的噪声。主要包括吸气、排气部位放射出的空气声和排气系统的漏气声。对非增压内燃机来说，排气噪声最强。进气噪声通常比排气噪声低8～10dB，对于增压内燃机则进气噪声往往超过排气噪声，而成为最强的噪声源。

进气噪声主要包括空气在进气管中的压力脉动，产生低频噪声;空气以高速通过气门的流通截面，产生高频的涡流噪声;增压内燃机增压器中压气机的噪声。进气噪声在很大程度上受到气门尺寸、转速和气道结构形式的影响。

排气噪声主要包括:排气在排气管中的压力脉动，产生低、中频噪声;排气门流通截面处的高频涡流噪声;排气噪声的强弱与内燃机的排量、转速、平均有效压力以及排气口的截面积等因素直接有关。

进排气噪声都随发动机的转速及负荷状态而变化。随发动机转速提高，进排气噪声增加;随发动机负荷增加，进排气噪声增大。

合理选择进、排气管，减少压力脉动及涡流强度，并避免发生共振;采用性能良好的进、排气消声器。有些轿车内燃机采用2～3个不同类型的消声器串联等措施可大大降低进、排气噪声。

4.风扇噪声

风扇噪声由旋转噪声和涡流噪声组成。旋转噪声是由风扇叶片对空气分子的周期性扰动而产生的，它的强弱与风扇转速和叶片数成正比;涡流噪声是空气在受叶片扰动后产生的涡流所形成的，它的强弱主要与风扇气流速度有关。风扇噪声在空气动力性噪声中，一般都小于进、排气噪声，但由于普遍装设空调系统和排气净化装置，冷却风扇负荷加大，该噪声变得更为严重。

对风扇形式、叶片形状、布置及材料的改进，如采用叶片不均匀分布的风扇、用塑料风扇代替钢板风扇、在车用内燃机上采用风扇自动离合器等措施可取得较好的降低噪声效果。

9.5.2　噪声控制

1.控制燃烧爆发力和减少不正常燃烧

(1)适当推迟喷油或点火时间。喷油或点火时间推迟，使着火延迟期缩短，喷入气缸的燃油量减少，燃烧剧烈程度减弱，燃烧噪声减小。

(2)选用十六烷值较高的柴油和辛烷值较高的汽油。十六烷值高和辛烷值高的燃油，蒸发性好，使着火延迟期缩短。

(3)改变燃烧室形式。采用分开式燃烧室和球形燃烧室都能降低燃烧噪声。因为根据燃烧规律，它们都能降低压力升高率，减小了燃烧噪声。

2.控制转速及减小惯性力

为提高发动机功率，发动机设计转速不断升高。转速加快，在着火延迟期内形成的混合气数量增加，燃烧猛烈，噪声增大的同时，活塞平均速度加快，与其相连的零件一起产生周期性变化的惯性力也会增大，由惯性力激发而引起活塞敲击、轴承撞击、缸盖、机体变形等机械振动，从而使机械噪声加强。此外，配气机构也将因转速升高、惯性力增大而使气门开闭撞击声、振动声加大。因此应合理设计发动机转速、减轻活塞等往复运动零件的质量，采用平衡轴减小惯性力，尽量使发动机平衡，可达到降低噪声的目的。

3.减小配合零件的撞击和振动

由于某些运动件存在着间隙，如活塞与缸壁、气门机构、轴与轴承、齿轮等，在燃烧爆发力和惯性力的作用下，将引起强烈的撞击和振动，并由此引起内部机构的振动，形成较大的机械噪声。减少这些配合零件在运动时的撞击和振动，可降低机械噪声。因此，必须正确的选择运动件间的配合间隙。在维修中，要保持配合副间隙合适、良好的几何精度和尺寸精度，从而减小噪声。

在柴油机供给系中，由于喷油泵、高压油管、喷油器的高压系统的振动引起噪声，可通过提高泵体刚度、减小油泵压力脉动、减小喷油泵凸轮与滚轮体之间的冲击和摩擦等，降低其噪声。

适当增加曲轴刚度、减小曲轴转动惯量、合理排列发火顺序、采用抗扭振性能好的球墨铸铁材料，以及加装扭转减振器等，可减小曲轴的扭转振动，降低机械噪声。

4.采用隔声、防振措施

在机体侧壁加装隔声罩、采用双层油底壳、在壳体表面涂敷减振涂层、进排气管设置防振支承等，可降低噪声。