工程機械內(nèi)燃機減噪降溫設計分析

尤勇 李巖 艾國政

摘要： 在化工業(yè)、制造業(yè)、軍工業(yè)、運輸業(yè)等領域，內(nèi)燃機都是運輸工具和工程機械的主要動力源，其安全運轉在保證社會經(jīng)濟效益，甚至是維持社會的穩(wěn)定發(fā)展上有著舉足輕重的位置。若內(nèi)燃機出現(xiàn)溫度過高或噪音過大的問題，則會縮減其使用壽命，嚴重影響相關作業(yè)的進行。為了延長內(nèi)燃機的使用壽命、提升其使用質(zhì)量、保證經(jīng)濟社會效益，必須不斷地提升內(nèi)燃機的性能和質(zhì)量，對其進行科學、有效地設計，這對我國工業(yè)發(fā)展有非常重大的意義。基于此，本文開展工程機械內(nèi)燃機減噪降溫的設計分析，分別分析內(nèi)燃機的振動噪聲、傳熱過高這兩個問題，并有針對性地提出相應的設計分析，期以為我國工業(yè)的接續(xù)發(fā)展提供有參考價值的意見。

Abstract： In the chemical industry， manufacturing， military industry， transportation and other fields， the internal combustion engine is the main source of power for transportation and construction machinery. Its safe operation plays an important role in ensuring social and economic benefits， and even maintaining the stable development of society Location. If the internal combustion engine suffers from excessive temperature or excessive noise， its service life will be shortened and related operations will be seriously affected. In order to prolong the service life of internal combustion engines， improve its quality of use， and ensure economic and social benefits， it is necessary to continuously improve the performance and quality of internal combustion engines， and to design them scientifically and effectively. This is of great significance to the development of my country's industry. Based on this， this article carries out the design analysis of noise reduction and temperature reduction of construction machinery internal combustion engines， respectively analyzes the two problems of internal combustion engine vibration and noise， excessive heat transfer， and puts forward corresponding design analysis in a targeted manner， hoping to provide reference for the continued development of China industry.

關鍵詞： 工程機械;內(nèi)燃機;減噪;降溫;設計分析

Key words： construction machinery;internal combustion engine;noise reduction;cooling;design analysis

中圖分類號：U262.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0070-02

0? 引言

目前，內(nèi)燃機的應用非常廣泛，經(jīng)過不斷地更新?lián)Q代，其減噪、降溫系統(tǒng)也得到了很大的發(fā)展。但我國工業(yè)的發(fā)展也對內(nèi)燃機提出了更高的要求，這就需要工程師和科研人員在內(nèi)燃機設計工作中不斷地加以優(yōu)化和改進。作為內(nèi)燃機不可或缺的兩大重要部件，減噪、降溫系統(tǒng)起著減少噪音、減振，以及維持內(nèi)部溫度平衡的作用，能夠保證整個工程機械的運轉質(zhì)量和工作效率。所以，應當在不改變內(nèi)燃機整體的前提下，對其進行新一代技術的改造，使其能夠更高效地運轉。

1? 內(nèi)燃機振動噪聲問題

由于內(nèi)燃機轉速以及功率和提高，其系統(tǒng)振動和整機輻射噪聲問題日益突出，這兩大問題直接影響到內(nèi)燃機的使用壽命、運行安全以及工作效率。所以，深入研究內(nèi)燃機噪聲的分布規(guī)律及其相應的降噪技術措施的實踐意義和價值都相當重大。振動和噪聲的問題也一直都是各國所關注的焦點，并對其開展了大量的研究，提出了不同的處理和控制方法。但是，隨著技術的發(fā)展，噪聲和振動的問題也在不斷地變化，需要對其進行更加全面地分析，才能優(yōu)化、提升控制效果，真正實現(xiàn)降噪目標。內(nèi)燃機減噪技術可以分為噪聲源識別以及減振降噪這兩個部分。噪聲源識別是指通過捕獲表面振動的方式識別噪聲發(fā)生的位置，從而得到非常精確的信息。噪聲源識別還在后續(xù)的設計中考慮到了散熱和潤滑的問題，為減噪、降溫系統(tǒng)的設計提供了完備的數(shù)據(jù)支持。減振降噪技術包括使用阻尼材料、扭矩縱耦合振動設計、耦合強迫振動設計。這三種方法均可達到降噪、把振動控制在一定范圍內(nèi)、有效提高控制輻射聲場的效果。

2? 內(nèi)燃機減噪設計分析

2.1 減少機械噪聲的技術

在內(nèi)燃機的實際運行中，氣缸活塞在運動的過程中受側向力的作用逐漸向另一面靠攏，對氣缸壁有著較強的敲擊作用。活塞與氣缸壁之間的撞擊，究其原因是它們之間存在一定的間隙。為了減少活塞敲擊所產(chǎn)生的噪音，就要進一步減小氣缸與活塞之間的距離。可以對活塞裙部進行水平切槽和縱向切槽的處理;采用熱脹冷縮系數(shù)小的共晶鋁硅合金活塞、不銹鋼片活塞、橢圓鼓式活塞等，減小柱塞與缸體之間的距離;也可將活塞孔中心置于氣缸的三分之一的位置，都可以將活塞與氣缸壁之間的撞擊噪音減小。齒輪傳動噪音是齒間咬合時摩擦和沖擊而產(chǎn)生的主要噪聲。內(nèi)燃機的變速器通常需要進行可變負載，可變負載傳導至軸承上時會使軸承發(fā)生形變，進一步導致齒輪室外殼以及發(fā)動機外殼振動，使內(nèi)燃機整體產(chǎn)生大量的噪聲。針對齒輪傳動的降噪措施包括這幾個方面：①確定齒輪類型及各項參數(shù)，采用科學的加工方法，提高齒輪的實際加工精度;②用斜齒輪代替直齒輪，并且減小齒輪之間的側向縫隙;③齒輪材料要適配，盡可能選擇外隔振、高的材料，齒輪體表面應該涂上具有優(yōu)異阻尼性能的高分子材料。

2.2 減少空氣動力噪聲的技術

進氣門周期性的開關閉合會導致壓力起伏變化程度大，這就導致了進氣噪聲。進氣噪聲與發(fā)動機進氣技術、進氣門的尺寸、凸輪輪廓線、氣缸直徑等參數(shù)密切相關。其降噪措施包括：①降低進氣管中壓力脈動的實際強度以及氣門經(jīng)過橫截面位置的渦流強度，進氣管可以選用波紋管;②選擇功率大的進氣口消聲器，并把進氣口消聲器和空氣過濾器結合起來。排氣噪聲的產(chǎn)生與進氣噪聲類似，對內(nèi)燃機排氣噪聲進行控制，排氣管也要合理選用波紋管，以免產(chǎn)生共振，減小渦流強度。風扇噪聲是內(nèi)燃機噪聲的主要來源，主要為渦流噪聲以及旋轉噪聲，受運轉功率以及轉速的影響。風扇直徑越大，轉速越高，則風扇風量就會越大，噪音也會越高。所以，要選擇風扇頁面最佳的風機，合理配置安裝角度，以降低軸流風機的噪聲。也可增大工作輪與靜輪間的距離，改變?nèi)~片數(shù)，有效減少風機噪聲。

2.3 減少燃燒噪聲的技術

減少燃燒噪聲方面，可以選擇半開式的低噪聲燃燒室，也可以改變發(fā)動機的整體結構，確保噪聲有效衰減，包括：采用小口徑的氣缸，減少曲柄與連桿的間隙，提升內(nèi)燃機整體的的剛性，采取噪聲與振動隔離措施;提高燃燒室內(nèi)渦流強度，改善燃燒條件，使燃料與空氣充分混合，燃燒更徹底;采用更小的燃料提前角，充分達到柔性燃燒。

3? 內(nèi)燃機溫控問題

實施節(jié)能減排政策后，針對內(nèi)燃機的主要科研任務就是節(jié)能降耗和提高效率，要保證內(nèi)燃機能在短時間內(nèi)達到設計的工作溫度范圍，并能在運行中快速、有效地冷卻內(nèi)燃機，保證其正常運轉，以此達到降低能量損耗，提高工作效率的目的。內(nèi)燃機運行一段時間后，溫度會因燃油的燃燒而急劇上升，在這種情況要使內(nèi)燃機能正常運轉，設計冷卻裝置就顯得十分地重要。但由于內(nèi)燃機在低溫和高溫下運行而產(chǎn)生的能量完全不同，且在低溫條件下的工作效率低，因此，除了散熱功能外，還需設計出可以優(yōu)化溫控的裝置。

4? 內(nèi)燃機降溫系統(tǒng)優(yōu)化設計分析

發(fā)動機降溫系統(tǒng)的首要任務是確保發(fā)動機在適當?shù)臏囟认逻\轉，以保證燃料燃燒質(zhì)量，并為部件創(chuàng)造適當?shù)沫h(huán)境，從而有效地延長其使用壽命。鑄件材料制造商可利用常用的碳鋼材料，防止低溫凍裂;氣缸氣體可以帶走大量的熱量，因此也可以優(yōu)化排氣門的設計，增加排氣量，進一步提高其排氣性能，充分優(yōu)化降溫系統(tǒng)。舉例來說，用內(nèi)外扣錐面接觸開閉閥來替換球形尼龍接口，進一步提升其冷卻性能。由于水的比熱容較大，可以帶走非常大的熱量，因此大部分的內(nèi)燃機都與水冷卻系統(tǒng)相配合。水冷系統(tǒng)一次性最多能散發(fā)600千瓦的熱量，但是這個數(shù)值還不夠，內(nèi)燃機的溫度仍舊較高，還需要在這個標準上最多可以減少30%的熱量。根據(jù)對內(nèi)燃機工作效率的實驗結果來看，內(nèi)燃機的工作溫度控制到80～90℃之間，其運轉效率以及燃料燃燒程度都是比較理想的。因此，考慮到水的流體性質(zhì)，其溫度較為不穩(wěn)定，可將水冷系統(tǒng)的進水溫度設置略低于目標溫度，為70℃;而預熱系統(tǒng)溫度應大幅低于目標溫度，設置在40℃左右。一旦水溫低于70°C，單控閥自動開啟輔助閥，使熱水能流入泵內(nèi)，由泵的推力引導至內(nèi)燃機。若水溫上升到70°C以上，溫度控制閥則會再次自動開啟，使熱水流入主換熱器，并利用風冷系統(tǒng)降溫;降溫后的冷卻水回流溫控閥中，實現(xiàn)水溫的調(diào)節(jié)。簡單來說，將70℃設定為溫度閾值，溫度高于閾值時水流就進入附加換熱器，而低于閾值時則會進入泵，從而實現(xiàn)恒溫冷卻的水循環(huán)。在實際工作中，舊式換熱器換熱能力不足以滿足內(nèi)燃機工作環(huán)境的要求，因此不需要對其進行部分優(yōu)化。因為制冷機組自身的散熱面積很小，所以附加換熱器的尺寸必須慎重考慮，根據(jù)換熱器管長和閥門連接方式的不同，板翅式換熱器最為有效。板翅式換熱器所占體積小巧，空間緊湊，性能優(yōu)良;并且可以通過對信道參數(shù)的優(yōu)化，解決運行時能量不足的問題。在降溫系統(tǒng)中，經(jīng)大量的計算，筆者認為15條水冷管搭配30條風冷通道最佳，可以使其達到最大的傳熱效果。此外，進水口水的溫度以及流量的控制也是影響進水門性能的重要因素。例如，當水溫低于40℃時，燃料的油粘度增大，油缸潤滑性能變差，最終將降低內(nèi)燃機的性能并損害其零部件。如前文所述，一般控制到80℃的閾值，通過循環(huán)冷卻溫控系統(tǒng)，可有效地避免水溫偏低的問題，提高內(nèi)燃機運行的可靠性和穩(wěn)定性。

5? 定時開展故障排查工作

借助在本文之前的章節(jié)中對內(nèi)燃機表面振動特性和溫控優(yōu)化的分析，可以對內(nèi)燃機發(fā)生運行問題背后的原因進行初步探究，并針對內(nèi)燃機的振動、過熱問題進內(nèi)燃機養(yǎng)護技術上的分析。

內(nèi)燃機過熱故障所產(chǎn)生的危害很大，極易引起缸體變形、活塞融化、齒輪卡死、脫缸拉缸等問題，從而導致油耗上升、動力輸出下降，嚴重時還可能引起內(nèi)燃機故障、報廢。發(fā)動機過載、長時間的高溫和冷卻系統(tǒng)故障、長時間超負荷運行是導致內(nèi)燃機過熱的主要原因，當出現(xiàn)過熱故障后，應盡快查明導致故障發(fā)生的原因，并根據(jù)具體情況進行維修以及優(yōu)化設計，包括①查看冷卻水位，如果液面位置低，則冷卻液量不夠，需要加入足夠的冷卻液。②若內(nèi)燃機在添加冷卻液后恢復正常，并在短時間內(nèi)再一次出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，則冷卻系統(tǒng)發(fā)生冷卻液泄漏，必須找出冷卻液泄漏的具體位置，并采取補救措施。③對水泵和氣泵、散熱器進行檢查，維修或更換有故障的零部件，確保泵、散熱器能正常運轉。④檢查其它零部件，排查過熱的原因，包括燃油噴嘴開裂、排氣門泄露、機油散熱器故障。

6? 結束語

總的來說，內(nèi)燃機運行環(huán)境日趨復雜，傳統(tǒng)的減噪、降溫系統(tǒng)已不能解決內(nèi)燃機日益嚴重的振動和過熱的問題，因此要設計一種新型的減噪和降溫系統(tǒng)，實現(xiàn)冷卻液溫度和流量的控制，解決散熱與振動問題，充分滿足內(nèi)燃機安全運行的要求。

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