改善發動機噪聲輻射滿足車輛新噪聲法規

【法】　G.Nghiem　S.Wang

噪聲振動

改善發動機噪聲輻射滿足車輛新噪聲法規

【法】G.NghiemS.Wang

摘要：近期，車輛通過噪聲法規將發生變化，噪聲限值將明顯收緊。這種變化要求改進發動機噪聲輻射。另一方面，在現有燃油經濟性壓力下，未來發動機將越來越注重輕量化，這對發動機噪聲排放有負面影響。因此，在新的動力系統設計過程中，需要考慮車輛新通過噪聲法規的相關要求。在某些情況下，需要開發新的解決方案，在減輕發動機質量的同時改善發動機噪聲水平。1種有效方法是優化發動機關鍵部件設計，如曲軸和發動機底部結構。過去一直采用原始方法進行研究，可以看出發動機零部件對動力系統輻射噪聲產生多大影響，此外找出曲軸剛度和動力系統輻射噪聲之間的定量關系。實際上，通過改善曲軸剛度，能夠使發動機輻射噪聲降低1～2dB。而發動機底部結構對輻射噪聲的影響可達到3dB。改善噪聲輻射的另一種有效方法是加裝發動機隔聲罩。對3種類型的隔聲罩進行了研究：發動機頂部隔聲罩、發動機底部隔聲罩，以及排氣端隔聲罩。對于整個動力系統的噪聲輻射，每個隔聲罩能夠降低噪聲約1dB。關于發動機頂部隔聲罩，Renault公司開發了1款輕量化產品，在保持令人滿意的發動機聲學性能的同時，隔聲罩質量至少減輕50%。Renault公司還提出了隔熱-隔聲罩新概念，為發動機排氣端表面提供隔熱和噪聲衰減功能。隔熱-隔聲罩由1層薄鋼板和1層厚的玻璃纖維制成。采用這種類型的屏蔽罩，可獲得與發動機頂部隔聲罩相媲美的噪聲衰減功能。此外，與簡單的層壓鋼板隔熱罩相比，新的解決方案無需額外增加質量，甚至更輕。

關鍵詞：噪聲輻射隔熱-隔聲罩新噪聲法規

0前言

從1970年起，歐洲環境噪聲政策主要包括制定車輛、飛機和機器最高噪聲級的法規。最近的1份關于降低車輛噪聲限值的法規是1995年引入的(圖1)。由于這項法規和車輛技術進步，使私家車輛的噪聲自1970年以來降低了近90%。然而多項研究證明，根據該指令的規定，現在使用的測試方法已經不能如實反映城市交通環境下真實的駕駛行為。在1996年發布的關于未來噪聲政策歐盟的綠皮書[1]中已經指出，在車輛型式認證程序中，嚴重低估了輪胎滾動噪聲對總噪聲排放的影響。因此，為了更好地反映城市交通環境下真實的駕駛行為，必須修訂測量程序[2]。

新的噪聲法規旨在從源頭進一步降低道路交通噪聲，包括新定義的基本測量程序(R51-03)和更低的噪聲限值，但該法規在政策上尚未確定。新程序中規定的部分油門加速比現有的全油門(WOT)加速更具有城市交通代表性。因此，在車輛上降低噪聲排放也將降低城市噪聲污染。

在內燃機驅動的現代車輛上，通過噪聲主要來自輪胎、動力系統和進排氣系統。每種噪聲源的影響隨著測量條件而變化。圖2為采用程序R51-03測量的通過噪聲源的典型分布情況。由此可見，輪胎為主要的噪聲源，其次為動力系統的噪聲輻射[3]。

圖1　歐洲乘用車通過噪聲法規的發展歷程

圖2　車輛通過噪聲的主要來源

動力系統也是通過噪聲的重要來源(約占30%)。因此，更低的通過噪聲限值要求進一步降低動力系統的噪聲輻射。另一方面，在當前燃油經濟性的高要求下，未來發動機的質量將越來越輕，如果沒有采取噪聲-振動-平順性(NVH)應對措施，將引起噪聲的升高。在新型動力系統設計中，整車廠應考慮如何滿足通過新噪聲法規的相關要求。在某些情況下，需要開發創新解決方案，從而在減輕發動機質量的同時改善發動機噪聲。

1動力系統噪聲輻射分析

動力系統的噪聲輻射是指在特定運行工況下動力系統全部表面的輻射噪聲。在動力系統的6個表面分別放置麥克風(聲壓級，SPL)或測量動力系統全部表面的聲功率(聲功率級，SWL)，并進行噪聲量化。動力系統輻射聲功率來源于動力系統全部表面的振動，這些振動是由發動機激勵(燃燒、運動件，以及氣流激振)產生的，并由動力系統結構傳遞。

1.1發動機激勵+動力系統結構傳遞+動力系統表面輻射

在動力系統上激勵源不計其數，可產生噪聲輻射的結構零部件是很重要的輻射源，控制及預知整個動力系統的輻射噪聲相當復雜及困難。本文主要分析發動機輻射噪聲和發動機基本結構之間的關系。而曲軸不僅傳遞燃燒激勵振動，而且由于其形狀和特征振型成為振動源。

就發動機結構而言，確定發動機輻射噪聲最重要的來源對改進發動機設計十分關鍵。如圖3所示，給出了1臺1.5L柴油機運行在3000r/min全負荷工況時，動力系統不同部件的聲功率級。由圖3可見，發動機底部是動力系統整個噪聲功率級的最重要來源，其次是柴油機排氣端的主要后處理部件。一般來說，無論柴油機或汽油機，發動機底部都是最重要的輻射噪聲源。因此，降低發動機輻射噪聲有必要優化發動機底部結構設計。

圖3　動力系統不同部位對整個聲功率級的影響(示例為1.5L柴油機在3000r/min全負荷工況下運行)

2通過發動機結構設計改善噪聲輻射

2.1發動機底部結構的影響

一般來說，剛性底部結構比柔性底部結構的輻射噪聲更大，但從量化上看，很少有結果表明底部結構設計對發動機輻射噪聲產生的影響[4-5]。在Renault動力NVH系統部門，技術人員試圖采用基于基準數據的原始方法，量化發動機底部結構對輻射噪聲的影響。通過數據分析，發現發動機輻射噪聲取決于扭矩和排量，決定參數為發動機升扭矩，即發動機最大扭矩和排量的比值。因此，我們選擇發動機升扭矩作為比較不同發動機輻射噪聲的基準值。

如圖4所示，不同發動機(汽油機)聲功率級為發動機升扭矩的函數。通過這種方式，我們能夠清晰地看到以下趨勢：(1)整體上，發動機聲功率級隨升扭矩的增長而升高；(2)在相同升扭矩下，不同發動機之間有較大的分散性；(3)低水平發動機為1組(第1組)，這組發動機在聲功率級和升扭矩之間存在線性關系；(4)其他發動機形成另一組(第2組)，這組發動機比第1組有較高的噪聲輻射。由此可見，第1組和第2組平均水平相差3dB。

圖4　發動機底部結構對輻射噪聲的影響(0～10kHz)

若分析發動機底部結構，我們能夠發現第1組發動機為剛性底部結構，采用機座或者梯形框架與油底殼相連，或者采用剛性油底殼。第1組的底部結構以圖5為例。

圖5　第1組剛性底部結構示例(梯形框架+油底殼)

第2組發動機為柔性底部結構，主要采用整體鋁制油底殼和短裙缸體相連接。第2組發動機底部結構以圖6為例。在噪聲輻射方面，這種底部結構有2個缺點：(1) 剛度較低，除非設置許多加強肋；(2) 可以形成放大聲輻射的較大平坦表面。

圖6　第2組柔性底部結構示例(大平面)

通過這種統計方法，可以推斷出發動機底部結構對輻射噪聲的潛在影響接近3 dB。當然，發動機還有其他重要設計參數對噪聲輻射產生影響，這對確保發動機底部結構剛度與其他部分的剛度一致性很重要。

2.2曲軸剛度的影響

眾所周知，曲軸對發動機的振動和噪聲有很大影響。一方面，由于曲軸的彎曲和扭轉模態使其在高轉速下成為重要的振動源。另一方面，曲軸將全部燃燒激勵振動傳遞給動力系統所有零部件，尤其向底部結構傳遞。到目前為止，公開發表的發動機輻射噪聲和曲軸設計之間關系的研究結果較少[6-7]。事實上，在不影響發動機其他零部件的條件下，很難明顯改變1款發動機的曲軸結構設計。

為了證明曲軸的影響，技術人員采用統計方法為不同尺寸的發動機建立發動機噪聲輻射和曲軸剛度之間的經驗關系。對于曲軸剛度和發動機輻射噪聲，嘗試了不同的準則。通過“歸一化發動機聲功率”(其為相同轉速、恒定扭矩下輻射聲功率)獲得最佳相關性。通過這種方式繪制了不同汽油機的輻射噪聲基準測試結果(圖7)。由此可見，歸一化發動機聲功率級和曲軸剛度之間有相當好的相關性。據統計，曲軸剛度每增加100N/μm，發動機聲功率降低大約1dB。

圖7　歸一化發動機聲功率和曲軸剛度之間的關系

因此，對于發動機輻射噪聲而言，曲軸剛度是非常重要的設計參數。然而，剛度較強的曲軸意味著需要較大的軸頸或曲柄銷直徑，這會加大摩擦、增加燃油消耗。應分別考慮整體燃油消耗和通過噪聲限制，尋找1種折中方法。實際上，對于4缸發動機，通過曲軸設計，預計發動機輻射噪聲可以有1～2dB的改善潛力。

3利用隔聲罩改善噪聲輻射

對于汽油機，為實現良好的發動機噪聲輻射水平，改進曲軸及其底部剛度即可。然而，對于柴油機，由于大量增加的燃燒激勵及大容積的排氣后處理裝置，需要額外采取應對措施，如采用噪聲吸收材料的隔聲罩。但增加隔聲罩將增加車輛質量，不利于改善燃油消耗。因此，為了在保持相似聲衰減率的同時，減輕車輛質量，應開發1種采用新材料的新概念隔聲罩。

3.1輕型發動機蓋罩

通常采用的隔聲罩是發動機裝飾蓋罩。隔聲罩采用注入高密度泡沫的塑料蓋，將其安裝在接近發動機氣缸蓋的部件上。根據表面覆蓋情況，對于1臺4缸發動機，這個零件的質量為1～2kg，其中包括所有減振固定點。在發動機前蓋高頻條件下，這種隔聲罩的聲學性能(噪聲排放衰減)約為4～6dB。

然而，這種蓋罩質量大、成本高，將占用發動機和發動機蓋之間更大空間。因此，必需在質量、厚度、成本和聲學性能之間找出1種較好的折中方案。Renault公司及其供應商合作開發出1種改進型發動機蓋罩。為了優化聲吸收系數，采用不同密度的多層玻璃纖維，而薄塑料層具有較好的隔聲作用。使用玻璃纖維材質的蓋罩更輕，質量減輕50%以上。其質量輕和幾乎完全柔性的結構將不需要減振固定，從而降低成本。

就聲學性能而言，結果相當令人滿意。如圖8所示，以輕質蓋罩為例，給出了發動機噪聲輻射的衰減結果。測試結果是通過測量發動機在全負荷運行時有無隔聲罩2種情況下發動機頂部的聲壓獲得的。將麥克風固定在距發動機頂部表面1m的位置。在高于800Hz的所有頻率范圍內，玻璃纖維材質蓋罩噪聲均勻衰減。總體來說，聲學性能略低于傳統前蓋設計。

安裝這種蓋罩的動力系統，發動機前端噪聲排放能夠降低3dB(A)，整個動力系統的聲功率降低0.5～1.0dB(A)。

圖8　發動機蓋罩對輻射噪聲的影響

3.2發動機油底殼的隔聲罩

如圖3所示，發動機底部是動力系統全部噪聲輻射最重要的噪聲源。事實上，發動機底部是機油泵噪聲和平衡軸轟鳴噪聲，以及柴油燃燒噪聲排放的主要來源。此外，由于車輛底部的噪聲衰減低于頂部，發動機底部輻射噪聲對通過噪聲影響更大。降低發動機底部噪聲排放的有效方法是在油底殼上加裝隔聲罩。

與頂部隔聲罩一樣，油底殼隔聲罩采用不同厚度和密度的多層吸收材料制造，如玻璃纖維、木質纖維或聚氨酯。利用增加隔聲層提高減振性能。通過選擇吸收材料、厚度和幾何形狀，可以將油底殼的聲學性能調整為隔聲罩缺點及NVH目標的函數。

如圖9所示，以發動機底部隔聲罩為例，其設計目的為減少高頻燃燒噪聲。測試結果是通過在全負荷運行時測量有無隔聲罩2種情況下發動機底部的聲壓獲得的。將麥克風固定在距發動機底部表面20cm的位置。在高于2000Hz的頻率范圍內，隔聲罩具有良好的噪聲衰減效果。在低于2000Hz的頻率范圍內，隔聲罩對噪聲排放幾乎沒有影響。當然，通過改變材料和厚度，在低頻范圍內可獲得更好的衰減效果。

圖9　　　　發動機油底殼隔聲罩的作用(為高頻噪聲而設計)

3.3發動機排氣端隔聲罩新概念

發動機排氣端是整個動力系統噪聲輻射的主要來源之一，尤其是帶柴油機排氣后處理系統：包括滿足歐6排放標準的催化器、催化型顆粒捕集器(CPF)、NOx吸附-還原法催化器(NOxtrap)或選擇性催化還原器(SCR)。在機體和排氣脈動的激勵下，這些薄壁結構的大體積部件產生較大噪聲。這些噪聲占整個動力系統輻射聲功率的10%～20%。另一方面，由于高溫廢氣，應利用隔熱罩隔離排氣后處理系統部件以保護周圍零部件。一般來說，發動機排氣端加裝傳統隔熱罩(復合鋼板制成)的降噪作用極小，甚至沒有作用。相反，由于其平面較大和厚度較小，可能放大排氣端輻射的噪聲。因此，為了滿足熱保護要求并改善動力系統噪聲輻射，需要開發新的隔離概念。

過去，開發的解決方案是通過添加多孔金屬層和薄玻璃纖維層增強隔熱罩隔熱效果。采用多孔技術可以減少部分噪聲，但這一技術無法減少寬頻范圍內噪聲。因此，Renault公司在供應商的支持下進行研究，開發出1種新型隔熱-隔聲罩，以確保所有部件可在排氣端高溫下運行，如渦輪增壓器、催化器、排氣歧管等。

新型隔熱-隔聲罩由外層和內層組成，以0.1～0.2mm厚度的不銹鋼薄板作為外層，5mm及以上厚度的壓縮玻璃纖維作為內層，內層接觸熱部件。不銹鋼薄板耐高溫，厚度較薄，質地柔軟，因而沒有任何能量特征振型。壓縮玻璃纖維層具有良好的吸聲作用，同時相比傳統層壓鋼板隔熱罩，隔熱性能可得到改善。

可以將這種隔熱-隔聲罩設計封裝在整個排氣端。這種解決方案具有最佳聲學性能，但可能占用更多發動機艙空間，難以固定在發動機上。也可以為每個組件單獨設計隔熱-隔聲罩。在這種情況下，隔熱-隔聲罩設計應與所覆蓋部件形狀相匹配。這種設計由2個半殼體組成，易于使用金屬夾具裝配。

圖10為催化器隔熱-隔聲罩示例，圖11為發動機輻射噪聲衰減結果。將麥克風放置在距發動機排氣表面1m的位置，在全負荷運行時，測量有無隔 熱- 隔聲罩2種情況下獲得的結果。即使隔熱-隔聲罩表面積受到催化器的限制，整個排氣端也有明顯噪聲衰減。如圖11所示，排氣端在3000Hz以下輻射噪聲降低2～4dB。

當然，如果增加隔熱-隔聲罩表面積，或在排氣端放置若干隔熱-隔聲罩，可以在發動機排氣端獲得更好的降噪效果。事實上，這種隔熱-隔聲罩對整個動力系統輻射噪聲的影響類似于發動機頂部隔聲罩。

圖10　排氣端隔熱-隔聲罩(由2個半殼體夾緊后封裝催化器)

圖11　隔熱-隔聲罩對輻射噪聲的影響

就質量而言，相比于傳統層壓鋼板隔熱罩，隔 熱- 隔聲罩的設計提出了1種不額外增加質量的方案，原因在于減小鋼板厚度和固定件。

此外，新概念隔熱-隔聲罩的其他優勢體現在對催化器的隔熱效果更好，利于熱管理系統運行；不直接接觸發動機，其可靠性更高，因而降低了金屬層的振動和可承受的壓力。

4結論

本文針對最新歐洲通過噪聲法規，提出了降低動力系統噪聲輻射的解決方案。1種有效方法是優化某些發動機關鍵零部件的設計，如曲軸和發動機底部結構。通過原始方法分析了這些發動機部件對動力系統輻射噪聲的影響程度，并找出曲軸剛度和動力系統輻射噪聲間的定量關系。實際上，通過改善曲軸剛度，能夠使發動機輻射噪聲降低1～2dB。對于發動機底部結構而言，對輻射噪聲的影響可能達到3dB。

另1種改善噪聲輻射的有效方法是加裝發動機隔聲罩。研究了3種隔聲罩：發動機頂部隔聲罩、發動機底部隔聲罩，以及排氣端隔聲罩。對于整個動力系統的噪聲輻射，每個隔聲罩能夠降低約1dB噪聲。針對發動機頂部隔聲罩，Renault公司開發了1款輕質產品。隔聲罩質量至少減少50%，同時保持了令人滿意的發動機聲學性能。在供應商的支持下，Renault公司還開發了新概念隔熱-隔聲罩，為發動機排氣端提供隔熱和聲衰減功能。隔熱-隔聲罩由1層薄鋼板和1層厚的玻璃纖維制成。采用這種類型的屏蔽罩，可獲得與發動機頂部隔聲罩相媲美的聲衰減功能。此外，相比于簡單的層壓鋼板隔熱罩，提出的新解決方案無需增加質量，甚至更輕。

參考文獻

[1] Europeancommission[R]. Future noise policy, green paper, 1996.

[2] Gruber A, Bohlen S. New noise regulations for passenger cars[J]. ATZ,2013.

[3] Locqueteau C, Salem J F. Point of view of automotive OME for new pass-by noise regulation R51-03, challenges and new deployment of radiation sources[C]. SIA 2012.

[4] Leclére Q, Polac L, Launagnet B, et al. Vibro-acoustique des moteurs automobile[M]. Techniques de l'lngénieur.

[5] Gupta N, Bathiry N S, Patade V. Hybridoil sump for CI engine[C]. SAE Paper 2011-24-0135.

[6] Zhou M, Lepi S. Powerplantblock-crank dynamic interaction and radiated noise prediction[C]. SAE Paper 2003-01-1735.

[7] Grasso C, Zappala A, Nehl J,et al. Optimization of dynamic crankshaft behavior for sound quality improvement[C]. Aachener Kolloquium Fahrzeug,1999.

王曉滕李研芳譯自SAE2014-01-2074

張然治校

虞展編輯

(收稿時間：2015-07-06)