工程機械內燃機減噪降溫設計研究

王成 陳花

摘要：內燃機是汽車和工程機械的主要動力源，過熱或者振動噪聲過大，都會對正常運行產生影響，但可能導致這兩個問題的因素較多，需要進行具體的設計，以此提高內燃機的使用壽命。在介紹了內燃機傳熱問題和振動噪聲問題的發展現狀后，分別提出具體的噪聲控制技術和過熱控制技術，以供參考。

Abstract： The internal combustion engine is the main power source of automobiles and construction machinery. Overheating or excessive vibration and noise will affect the normal operation， but there are many factors that may cause these two problems. Specific design is required to improve the performance of the internal combustion engine. Service life. After introducing the current development status of internal combustion engine heat transfer problems and vibration and noise problems， specific noise control technologies and overheating control technologies are respectively proposed for reference.

關鍵詞：工程機械;內燃機;減噪降溫;工作環境

Key words： construction machinery;internal combustion engine;noise reduction and temperature reduction;working environment

0? 引言

現如今，內燃機得到了大范圍的普及應用，相應的減噪降溫系統也得到了很好的發展，但在實際使用過程中還需要進行改進優化。作為內燃機的重要部件，減噪降溫系統具有維護溫度平衡、減少噪音振動等作用，可以保證整體工程機械效率。因此，要在不改變內燃機系統的情況下，實現技術更新，保證系統平穩運行。

1? 內燃機傳熱問題和振動噪聲問題發展現狀

1.1 傳熱過高問題

節能減排政策推出后，內燃機的首要任務就是降低耗能、提高效率，就是說讓內燃機在短時間內達到設計好的運行溫度范圍內，同時保證內燃機運行過程中可以進行有效的降溫，保證工作正常。前者可以減少能量損失，后者可以保證運行效率，二者都是非常重要的環節。內燃機在工作一段時間后，溫度也會隨之提高，在這樣的情況下，保證內燃機正常工作，就必須要專門設計出散熱器。但內燃機在低溫和高溫下運行所產生的能量完全不一樣，低溫下運行效率較低，因此，除了散熱功能之外，還需要設計出可優化的溫度設備。目前較為常用設計方法為數值方陣，可以更加準確高效的完成對內燃機傳熱過高問題的研究，此外流固耦合技術也是目前較為先進的一種有限元計算方法，可以同時建立模型，采用離散方法，得到最終的計算結果，從而有效改進內燃機結構上存在的設計缺陷。不僅如此，傳熱問題計算得到的信息數據可以為內燃機噪聲振動問題的處理提供參考和依據。

1.2 振動噪聲問題

相比較內燃機傳熱過大的問題，振動噪聲問題始終都是國家的重點，并且提出了不同的處理控制方式，但隨著科學技術的發展，還需要對噪聲控制問題進行全面的分析和優化，從而提高控制效果，真正實現降噪目標。內燃機噪聲控制技術可以分為噪聲源識別和噪聲降低這兩個方面展開。采用表面振動的方式，捕捉聲輻射，以此得到的信息準確性極高，而且這種方式考慮到了熱傳遞和潤滑油等問題，為后續減噪降溫系統的設計奠定了良好的數據基礎。振動噪聲的控制技術可以分為四個方面，分別為：通過增加阻尼材料的方法、進行不規則阻力矩和外界反力的設計優化、扭矩縱耦合振動方案、耦合強迫振動模型。這些方法都能夠實現降低噪音目的，將振動控制在一定范圍內，有效改善輻射聲場[1]。

2? 內燃機過熱問題控制技術設計

2.1 及時排除故障

通過前文對內燃機表面振動輻射效率以及傳熱問題的分析研究，對內燃機的運行情況有了一定的認識。在此基礎上，針對內燃機過熱問題控制技術進行設計分析。內燃機過熱故障危害很大，容易變形、融化、卡死、拉缸等現象，嚴重情況下，還會導致燃油消耗增加，輸出功率降低等故障。導致內燃機過熱的原因有很多，主要包括負荷過大、外界環境溫度較高、冷卻系統故障、長時間過載運行等。在出現過熱故障后，第一時間查找故障原因，根據具體的原因展開系統的設計和處理。首先檢查冷卻液面，如果位置較低，那么則證明冷卻水量不足，要按照要求補足冷卻液，如果內燃機在短時間內恢復到正常，那么則證明問題得到妥善解決，如果再次出現了過熱情況，則證明冷卻系統出現了滲漏問題，則要確定具體的滲漏位置，展開進一步處理。其次，檢查水泵和散熱器的工作狀況，及時更換故障設備，確保水泵和散熱器可以正常工作。最后，檢查其他部位，找出過熱原因。比如，機油散熱器、燃燒室、柴油機、排氣門等方面的故障，都會威脅到設備的正常運行。

2.2 冷卻系統改造優化設計

內燃機冷卻系統中最為主要的任務就是保證其在適宜的溫度下運行，保障機油品質，為零部件創造一個合適的環境，切實提高使用壽命。在鑄造材料商，可以采用普通碳素鋼材料，避免出現遇冷凍裂的情況，也可以對排氣閥進行改造，以此進一步提高工作效率和排氣性能，全面優化冷卻系統。

比如，將球形尼龍接口改為內外扣錐面接觸開閉閥，能夠進一步提高冷卻系統。絕大部分內燃機采用水冷作為冷卻方法，最多可以帶走600kW的熱量，但在此基礎上還需要進一步降低25-30%的熱量。根據具體的統計數據情況來看，內燃機的工況溫度控制在80-90℃時，工作效率較高。因此，進口水溫控制在80℃，預熱系統溫度值則設定在40℃。當水溫低于70℃時，一號溫控閥就會自動開啟副閥門，將高溫水引入水泵，利用水泵推力送入內燃機。當水溫高于80℃時，二號溫控閥會自動開啟，將高溫水引入主換熱器，并且利用風冷系統進行冷卻，冷卻水進入二號溫控閥中，實現水溫控制。總的來說，就是將80℃打造為臨界值，高于臨界值則會進入附加的換熱器，低于臨界值則會進入水泵，以此實現一個恒溫冷卻循環。

傳統的換熱器在實際工作過程中存在換熱能力不足的情況，無法滿足內燃機的工況需要，因此，要對其進行一定的優化。冷卻系統自身空間較小，附加換熱器的尺寸需要經過慎重考慮，綜合考慮換熱器的管道閥門銜接處的長短來看，板翅式換熱器最為合理，其體積較小、空間緊湊、性能較高。可以通過優化通道參數的方式解決實際運行過程中存在的能量不足問題。冷卻系統可以分為風冷和水冷兩種，經過綜合計算后，最終設計了15個水通道和30個空氣通道，達到的傳熱效果最優。

除了上述內容之外，進水溫度和進水流量的控制非常關鍵，進口水溫度如果低于40℃，那么會出現機油黏度增大的現象，導致汽缸潤滑性能出現大幅度降低，最終對內燃機的部件造成損壞。冷卻系統中水溫臨界值在80℃，通過恒溫冷卻循環設置，可以有效避免水溫過低的問題，最大程度保證了內燃機運行的可靠性和平穩性。從實際應用效果來看，當進水溫度≥82.6℃時，冷卻水會進入到附加換熱器中，將水溫降低2.6℃，以此避免達到最大的換熱負荷值，為內燃機在高溫爬坡或者長時間運行創造更好的空間環境，避免出現警戒高溫現象，為工作人員創造了處理時機。

3? 內燃機噪聲問題控制技術設計

3.1 及時排除故障

如果想要有效控制噪聲污染，就要在明確噪聲法規的基礎上，對傳統的噪聲控制方法進行優化，現如今常見的噪聲控制方法可以分為控制噪聲源和限制噪聲傳播途徑這兩種方式。從控制噪聲源的角度入手，內燃機結構剛度、零件加工精度、表面粗糙度、零件材料、運動件間隙等因素都會導致機械噪聲的產生，可以通過提高運動件的平衡性能、減少扭振等方式，來保持低噪音。以曲柄連桿機構產生的噪聲為例，適當改善活塞和缸壁之間的相對運動條件，如，減少活塞和缸壁的間隙或者設計出合理的活塞裙部結構等方式，都可以有效減小噪音。可以采用橢圓鼓型活塞減少活塞和配缸之間的間隙，還可以采用活塞銷孔中心偏置氣缸中性線的方式降低活塞對缸壁的敲擊噪聲。美國的福特、雪弗蘭、克萊斯勒以及德國的奔馳汽車的汽油機都應用了這種中心偏置的方式。在內燃機中齒輪是產生噪聲的主要材料之一，可以采用控制齒輪彈性剛度和齒輪誤差的方式來控制噪聲[2]。

如，合理選擇齒輪型式、改進齒輪參數、減小齒輪側向間隙、采用正時皮帶傳動代替正時齒輪傳動。從限制傳播途徑入手，可以采用吸聲、隔聲、消聲、隔振、減振、屏障設立等方式。以隔聲為例，可以采用隔聲壁板、隔聲罩等內容，常見的形式包括全隔聲罩、半隔聲罩以及局部隔聲罩，內燃機常用最后一種隔聲罩模式。

3.2 噪聲預測技術設計

除了前文提及的內容之外，想要有效控制噪聲問題，就要對在內燃機噪聲機理進行全面的研究和控制。從內燃機燃燒學和聲學理論入手，建立形成內燃機噪聲以及特征因素分析模型，打造出噪聲符合振動傳遞函數。在實際設計過程中，借助圖紙對結構進行預測，做出詳細的噪聲評價，優化零部件，實現噪聲控制。除此之外，引入全新的材料和工藝，盡可能選擇重量輕、體積小、吸聲隔聲效果好的復合聲學材料來降低噪聲。

比如，結構聲振動控制技術，借助控制邊界面振動的方式，解決有界空間聲傳入問題。或者使用特殊材料如形狀記憶合金、壓電涂層等進行有緣動態控制，也能夠改變噪聲振動問題。目前，國家對噪聲污染管控的程度逐漸加深，相應的噪聲法規陸續發布，內燃機行業面臨著巨大的調整，加強對內燃機噪聲控制是現階段重點。尤其是在降溫系統的基礎上，采用扭矩減震器可以有效環節內燃機產生的沖擊力。比如，根據實際情況科學調節減振器對應參數，讓其吸收主振系統產生的振動噪音[3]。

4? 總結

綜上所述，內燃機工況環境復雜程度不斷加深，傳統的減噪降溫系統已經無法應對日益嚴峻的溫度升高、噪音增大的問題。想要在有限的空間內，打造出全新減噪降溫系統難度較大，充分研究減噪降溫系統，利用優化設計，實現溫度、流量控制等多種手段，解決散熱問題和振動問題，切實滿足內燃機安全運行需求。

參考文獻：

[1]劉明明，黃大偉.內燃機熱傳遞和振動噪聲問題研究簡述[J].內燃機與配件，2018（003）：56-57.

[2]劉亮，曹航.內燃機熱傳遞和振動噪聲問題研究簡述[J].內燃機與配件，2018，261（09）：74.

[3]伍川輝，周燦，靳行.振動譜與ODS分析在內燃機車降噪研究中的應用[J].中國測試，2019，045（006）：131-137.

[4]王媛文，董大偉，孫梅云，等.多級扭振減振器在降低車內噪聲中的應用[J].內燃機工程，2017，38（3）：123-130.

[5]康強，顧鵬云，李潔，等.電動汽車電驅動總成噪聲傳遞特性測試和分析[J].噪聲與振動控制，2018，38（6）：109-112.

[6]郭亞敏.二維周期阻尼薄板結構隔聲特性的研究[J].內燃機與配件，2019（22）：14-15.