柴油機工作噪聲的機理與防治

陳銀平

柴油機由于壓縮比高、壓力升高率大等原因，其噪聲比汽油機高得多。柴油機噪聲直接影響到其動力性、經濟性及可靠性，也影響到柴油機的使用壽命和周邊環境。一般柴油機的噪聲分為四類：機械噪聲、進排氣噪聲、風扇噪聲和燃燒噪聲。下面分別介紹這四類噪聲的產生機理及防治方法。

一、機械嗓音的機理及防治

機械噪聲是指零部件相對運動時產生振動、撞擊而發出的聲音，柴油機的機械噪聲主要包括活塞運動對缸套的敲擊聲、齒輪嚙合噪聲、凸輪式配氣機構振動撞擊聲、以及軸承振動發出的噪聲等。

1．選擇合理的汽缸間隙，減小活塞缸套敲擊噪音

活塞對汽缸壁的敲擊，通常是發動機的最大機械噪聲源。由于活塞與汽缸壁之間有間隙存在，作用在活塞上的氣體壓力、慣性力和摩擦力的方向又呈周期性變化，使活塞在往復運動過程中與汽缸壁的接觸從一個側面到另一個側面也相應地發生周期性的變化。從而形成活塞對汽缸壁的強烈沖擊。特別在冷起動時，由于活塞與缸壁之間的間隙較大，噪聲尤為明顯。這種沖擊振動一方面從汽缸壁傳給曲軸箱，另一方面經連桿、曲軸、再從皮帶輪等處傳播出去。

活塞的敲擊聲主要取決于汽缸的最大爆發壓力和活塞與缸壁之間的間隙，所以這種噪聲既與燃燒有關，又與發動機的具體結構有關。設計中可以采用合理的活塞結構(如銷孔向主推力面偏置從而消減活塞對汽缸的拍擊、在活塞裙部鑲鋼片以減小其高溫變形等)、采用熱膨脹系數小的活塞材料等措施，都能有效降低活塞敲擊缸套產生的噪聲。

2．減小配氣機構的噪聲

配氣機構噪聲是由于氣門開啟和關閉產生的撞擊及系統振動而形成的噪聲。影響氣門開、關噪聲的主要因素是氣門的運動速度。氣門在高速運動時呈現不規則運動，由于慣性力過大，以致超出了氣門彈簧的彈力而引起的。因此控制慣性力所激發的振動，如合理設計凸輪線形、提高配氣機構的剛度、減輕配氣機構零件的質量等都可以降低配氣機構的噪聲。另外減小配氣機構間隙，減小氣門尾部的撞擊聲，采用液壓挺桿也可以有效降低氣門開、關噪聲。

如果能采用頂置凸輪軸，就可以在不使用推桿情況下大幅度減少運動質量，提高配氣系統剛性和固有振動頻率，也是降低噪聲的一種有效途徑。特別是對于高速柴油機其效果更加明顯。

3．消除齒輪傳動機構噪聲

齒輪噪聲是柴油機噪聲的主要來源。齒輪噪聲比較復雜，它主要取決于齒輪的嚙合狀況。由于柴油機齒輪承受交變載荷，齒輪本身又存在著設計加工誤差，就很容易使齒輪軸產生變形，加重了軸承的負荷，并傳到齒輪室蓋及殼體。再加上曲軸振動破壞了齒輪的正常嚙合，使噪聲加劇。據試驗資料表明，一對嚙合齒輪的線速度增加一倍，噪聲將增加6dB；單位齒寬上的負荷提高一倍，噪聲將增加3dB。

防治齒輪嚙合噪聲的主要措施有：

(1)在進行齒輪設計時，盡量選取小的參數。如小的模數、壓力角、外徑、齒側間隙等，并盡量增大齒寬。

(2)選擇合理的齒輪加工工藝，提高其加工精度。

(3)從結構上選用整體式結構，增加齒輪室蓋的厚度。采用加強筋、齒輪修緣、皮帶或鏈傳動代替齒輪傳動等。

二、進排氣噪聲的機理及防治

進氣噪聲的來源是空氣在進氣管中的壓力脈動。產生低頻噪聲；空氣高速流經進氣門流通截面時，形成渦流，產生高頻噪聲。由于進氣門流通截面是變化的，這種渦流噪聲具有一定寬度的頻率分布。

減小進氣噪聲的方法有兩種。一種是采用波紋管作為進氣管可以減小壓力脈動的強度及氣門通過截面處的渦流強度。另一種是匹配合適的空氣濾清器。實際上幾乎所有的空氣濾清器安裝之后都可以降低柴油機的噪聲，但只有通過試驗匹配才能選出降幅最大的、最適合的空氣濾清器。

排氣噪聲的來源與進氣噪聲相似。為了降低排氣噪聲應合理選擇排氣管以免氣流共振，匹配排氣消聲器降噪效果也是很明顯的。排氣消聲器既要減小噪聲，又要使氣流順利通過。因此，一個好的消聲器除了具有好的消聲性能外，還需要有較好的空氣動力性能和結構性能。

此外，在使用過程中，要注意進、排氣系統的緊固和接頭的密封狀況，以減小表面輻射噪聲和漏氣噪聲。

三、風扇噪聲機理及防治

風扇噪聲主要是由旋轉噪聲和渦流噪聲構成。旋轉噪聲由旋轉風扇葉片周期性地切割空氣引起空氣的壓力脈動產生的，以葉片通過頻率為基頻，并伴有高次諧波。渦流噪聲是由于風扇旋轉時葉片周圍產生的空氣渦流。這些渦流又因粘滯力的作用分裂成一系列獨立的小渦流，從而使空氣發生擾動，形成壓縮和稀疏過程，產生噪聲。風扇噪聲與風扇轉速有很大關系。為了減小高速時發動機的風扇噪聲，汽車發動機普遍使用不等距葉片、變葉片扭角的風扇來減小風扇噪聲。在冷卻條件滿足的情況下，增加風扇直徑、降低轉速、改變風扇葉片材料、采用非金屬材料對降低噪聲都有一定效果。

另外采用風扇電磁離合器效果也非常明顯。由于在汽車加速行駛噪聲測試時對發動機冷卻水溫沒有具體規定，因此，在冷車狀況下進行測試時，采用風扇電磁離合器就可以使風扇處于不工作狀態，就可以把風扇噪聲降到最低。

四、燃燒噪聲的機理及防治

燃燒噪聲是燃料燃燒引起汽缸內壓力升高，產生高頻振動的沖擊波，并經活塞、連桿等傳動件擴散出去。其噪聲發生在燃燒四個階段中的速燃期，即燃油在汽缸內燃燒，而且是在活塞接近上止點(此時汽缸容積很小)時發生。此時汽缸內壓力迅速上升，并以很大的沖擊力激發柴油機零件產生振動，發出強烈的噪聲。雖然速燃期是噪聲的主要來源，但著火落后期是產生噪聲的關鍵時期，所以防治措施應從這個階段控制：

一是通過采用分隔式燃燒室及特殊供油裝置，減少著火落后期噴油量和混合氣形成量。

二是通過提高壓縮終了溫度、壓力以及使用高質量的燃料(如高十六烷值)、合理的供油系統來縮短若火落后期。使燃燒開始提前，噴入燃料少，混合氣少等來減慢著火后壓力的增長，也可以減小燃燒噪聲。

從柴油機設計角度來降低噪聲必須是在保持原有其他性能指標不變的情況下來進行，以此來提高產品的綜合性能水平。隨著人們對生活和工作環境的要求的不斷提高以及國家對噪聲污染的不斷嚴格控制，低噪聲汽車產品的產品競爭力和市場占有率必將大大提高，所能帶來的經濟效益不言自明，而為人類所帶來的社會效益則更是無法估量的。