某國V發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲優(yōu)化研究

李凱，王金立，范習(xí)民

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

某國V發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲優(yōu)化研究

李凱，王金立，范習(xí)民

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

國V柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)過程中，通過標(biāo)定優(yōu)化改善了燃燒噪聲，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械噪聲的試驗(yàn)分解，對(duì)存在問題的零部件進(jìn)行了CAE優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終使整機(jī)輻射噪聲降低了2-4dBA。

燃燒噪聲；機(jī)械噪聲

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.018

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-53-03

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的噪聲主要有三種類型：燃燒噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲[1]。燃燒噪聲和機(jī)械噪聲，是通過發(fā)動(dòng)機(jī)的外表面向外輻射，而空氣動(dòng)力噪聲主要是在進(jìn)氣和排氣過程產(chǎn)生，直接向大氣輻射。發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，燃燒噪聲是主要噪聲源；高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲是主要噪聲源。本文分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲、機(jī)械噪聲進(jìn)行研究，最終降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)噪聲，提高了聲品質(zhì)。

1、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲產(chǎn)生機(jī)理及特征

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)氣缸壓力通過活塞、連桿、曲軸、主軸承傳至機(jī)體，以及通過氣缸缸等引起發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)而輻射出來的噪聲稱為燃燒噪聲。一般而言，汽油機(jī)燃燒柔和，其燃燒噪聲不突出；柴油機(jī)由于燃燒方式為壓燃，因此最大爆發(fā)壓力、壓力升高率等較大，所以其柴油機(jī)燃燒噪聲較為突出。降低燃燒噪聲的方式有很多，最根本的措施是降低燃燒時(shí)的壓力升高率。壓力升高率取決于著火延遲期和著火延遲期內(nèi)形成的可燃混合氣的數(shù)量和質(zhì)量。如無預(yù)噴的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲高于有預(yù)噴的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲。

機(jī)械噪聲是指在氣體壓力和慣性力的作用下，運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)而激發(fā)的噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，由于沖擊、摩擦、旋轉(zhuǎn)不均勻和不平衡力作用等原因，激起零部件的機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲，比較典型的包括活塞敲擊噪聲、燃油噴射噪聲、正時(shí)驅(qū)動(dòng)噪聲等。

控制發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲除了從根源上降低激勵(lì)外，還要考慮零部件自身模態(tài)響應(yīng)和增加阻尼隔音材料等。發(fā)動(dòng)機(jī)罩殼類零部件，包括油底殼、缸蓋護(hù)罩和正時(shí)蓋板等，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮部件的模態(tài)響應(yīng)，如增加壁厚、加肋、曲面結(jié)構(gòu)等，同時(shí)可以考慮增加阻尼隔音部件，隔絕部件輻射噪聲。

2、噪聲優(yōu)化及結(jié)果分析

2.1 燃燒噪聲優(yōu)化

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲進(jìn)行優(yōu)化首先需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲進(jìn)行分離[2]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)內(nèi)燃機(jī)噪聲分離做了很多研究，目前采用較多的時(shí)分別運(yùn)行法和盲源分離技術(shù)等。本文是以某國Ⅴ柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行燃燒噪聲與機(jī)械噪聲分離。

燃燒噪聲和機(jī)械噪聲的聲源不同，可視為不相干噪聲，其試驗(yàn)分離可采用能量的疊加消去法進(jìn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)的總的噪聲可以認(rèn)為是機(jī)械噪聲和燃燒噪聲，而發(fā)動(dòng)機(jī)的總的噪聲可通過試驗(yàn)直接測(cè)量。

共軌壓力對(duì)燃燒噪聲影響比較大，對(duì)燃燒噪聲具有定性和定量的影響，即噴油壓力越小，燃燒噪聲越小[4]。預(yù)噴可以平緩發(fā)動(dòng)機(jī)初期的燃燒壓力，從而降級(jí)了最大爆發(fā)壓力，也就是降低了壓力升高率，從而可以降低燃燒噪聲；預(yù)噴油量的多少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壓力升高率的影響也較大，具體噴油量的多少要根據(jù)試驗(yàn)來進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。預(yù)噴與主噴的時(shí)間間隔對(duì)壓力升高率也有一定的影響，時(shí)間間隔對(duì)壓力升高率的影響并非單純的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最小的噪聲與最佳的噴油時(shí)刻是我們所需要的。現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，所以在進(jìn)行上述發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒參數(shù)調(diào)整的同時(shí)都是以滿足排放為前提的。

通過調(diào)整共軌壓力、預(yù)噴模式、預(yù)噴量、預(yù)噴間隔等標(biāo)定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)燃燒噪聲的優(yōu)化。

優(yōu)化前，燃燒噪聲MAP存在孤島現(xiàn)象，且在發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況區(qū)間，這會(huì)造成加速時(shí)，燃燒噪聲突然增大，影響駕乘體驗(yàn)，見圖1。

優(yōu)化后，發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況區(qū)間孤島現(xiàn)象消失，加速時(shí)，噪聲變化較為平穩(wěn)；且燃燒噪聲均降低，1500-2500rpm中間負(fù)荷區(qū)間燃燒噪聲2dBA以上，優(yōu)化效果明顯，見圖2。

2.2 機(jī)械噪聲優(yōu)化

根據(jù)噪聲分離理論可知，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)總的機(jī)械噪聲認(rèn)為是各個(gè)零部件噪聲之和。本次試驗(yàn)是通過逐一去除發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的方法計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)零部件機(jī)械噪聲。

2.2.1 機(jī)械噪聲分解試驗(yàn)

根據(jù)上述理論分析，可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)某些零部件不工作來得到其噪聲，但是某些零部件不工作將會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以采用倒拖的方法來進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械噪聲的分解，即逐漸剝離發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件，運(yùn)用的倒拖的方法可得到各個(gè)零部件的機(jī)械噪聲。

機(jī)械噪聲分解時(shí)，零部件拆解的順序很重要，必須逐步剝離部件，且不增加額外噪聲。一般先剝離簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)的零部件，后剝離復(fù)雜的部件。本次機(jī)械噪聲分解為了保證試驗(yàn)時(shí)邊界條件的統(tǒng)一，剝離發(fā)動(dòng)機(jī)的某些零部件后將不再進(jìn)行恢復(fù)，試驗(yàn)順序如下表1。

機(jī)油泵噪聲占主要部分，基本上占整個(gè)機(jī)械噪聲的40%以上，活塞連桿的噪聲占整個(gè)機(jī)械噪聲的30%左右，見圖3。

機(jī)油泵為直齒輪驅(qū)動(dòng)，主動(dòng)齒輪在曲軸上，齒數(shù)為47齒，在發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲頻譜中47階及其諧次噪聲較為明顯，較背景噪聲高出10dBA以上，見圖4。

2.2.2 機(jī)械噪聲優(yōu)化

對(duì)機(jī)油泵優(yōu)化之前對(duì)主從動(dòng)齒輪的齒輪法向間隙進(jìn)行了檢測(cè)，法向間隙的結(jié)果為0.3-0.4mm，超過了工程一般要求的0.1-0.25mm[5]。根據(jù)齒輪法向間隙與噪聲的關(guān)系可知，當(dāng)齒輪間隙大于0.25時(shí)齒輪噪聲急劇增加，見圖5。

對(duì)機(jī)油泵驅(qū)動(dòng)齒輪進(jìn)行修緣，同時(shí)嚴(yán)格控制齒輪及發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等定位孔的加工精度，保證裝配后齒輪副的法向側(cè)隙在0.25mm以下。機(jī)油泵驅(qū)動(dòng)齒輪副的47階次噪聲降低5-10dBA，優(yōu)化達(dá)到了預(yù)期的目的，見圖6。

2.3 表面輻射噪聲優(yōu)化

發(fā)動(dòng)機(jī)前方噪聲存在兩處明顯的共振噪聲，中心頻率分別為1015Hz、1740Hz，見圖7。

2.3.1 噪聲源識(shí)別

發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別的方法很多[6]，如近場(chǎng)測(cè)量法，表面振動(dòng)測(cè)量法，Beamforming聲源識(shí)別法。

試驗(yàn)表明1015Hz頻帶噪聲主要是由上正時(shí)蓋罩輻射產(chǎn)生，見圖8；1740Hz頻帶噪聲主要是下正時(shí)蓋罩輻射產(chǎn)生，圖9。

2.3.2 正時(shí)蓋板優(yōu)化

上正時(shí)蓋板在原蓋板的基礎(chǔ)上采用滿布式方形加強(qiáng)筋，同時(shí)在蓋板的中心位置添加了固定螺栓，下正時(shí)蓋罩增加加強(qiáng)筋，如圖10。CAE分析顯示一階模態(tài)頻率提高到了1698Hz，提高了70%，下蓋罩模態(tài)頻率提高到2000Hz以上，較原正時(shí)蓋板模態(tài)明顯提高。

2.3.3 優(yōu)化驗(yàn)證

裝配優(yōu)化后的正時(shí)蓋板，發(fā)動(dòng)機(jī)前方噪聲平均降低1-2dBA，見圖11。

3、結(jié)論

本文論述了發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理及控制方法，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的優(yōu)化：

1）通過優(yōu)化標(biāo)定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的降低和加速噪聲的優(yōu)化。

2）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械噪聲進(jìn)行了分解，識(shí)別了機(jī)油泵等驅(qū)動(dòng)噪聲占比較大，通過零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效降低了機(jī)油泵驅(qū)動(dòng)噪聲。

3）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前方正時(shí)蓋板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，試驗(yàn)表明提高正時(shí)蓋板的剛度以及增加固定約束，可大大蓋板輻射噪聲。

通過以上試驗(yàn)研究，最終使發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)輻射噪聲降低了2-4dBA，圓滿完成了該發(fā)動(dòng)機(jī)的NVH開發(fā)。

[1] 陳楠.汽車振動(dòng)與噪聲控制[M].北京 人民交通出版社.2005. p1-190.

[2] 魏凱,畢鳳榮.發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲與機(jī)械噪聲對(duì)整機(jī)貢獻(xiàn)度的研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車.2007.20-24.

[3] 岳長(zhǎng)智,郭曉平.燃燒分析儀去除燃燒噪聲的研究[J].內(nèi)燃機(jī).2006.42-44.

[4] 劉祥宇,王向軍,佟亞娟.發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的影響淺析[J].工業(yè)技術(shù).2001.124.

[5] 楊慶佛.內(nèi)燃機(jī)與噪聲控制[M].山西人民出版社,153-160.

[6] 武艷波.發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源識(shí)別及控制技術(shù)[J].中北大學(xué)碩士論文.2007.5 2-35.

Study on noise optimization of a State-V engine

Li Kai, Wang Jinli, Fan Ximin
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Technical Center, Anhui Hefei 230601 )

The development process of a State-V diesel engine,by optimized calibration and improves the combustion noise.At the same time,the mechanical noise of the factorization is the existence of parts of CAE optimization and test validation ultimately enable radiation noise of the whole machine to reduce 2-4dB(A).

Combustion noise; Mechanical noise

U467.3

A

1671-7988(2016)10-53-03

李凱，（1986.8-)，男，本科，畢業(yè)于安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，材料成型及控制工程專業(yè) 。就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，任職發(fā)動(dòng)機(jī)性能開發(fā)主管。目前主要從事動(dòng)力總成NVH開發(fā)相關(guān)工作。