某國V發動機噪聲優化研究

李凱，王金立，范習民

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

某國V發動機噪聲優化研究

李凱，王金立，范習民

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

國V柴油發動機的開發過程中，通過標定優化改善了燃燒噪聲，同時實現了機械噪聲的試驗分解，對存在問題的零部件進行了CAE優化和試驗驗證，最終使整機輻射噪聲降低了2-4dBA。

燃燒噪聲；機械噪聲

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

發動機發出的噪聲主要有三種類型：燃燒噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲[1]。燃燒噪聲和機械噪聲，是通過發動機的外表面向外輻射，而空氣動力噪聲主要是在進氣和排氣過程產生，直接向大氣輻射。發動機低速運轉時，燃燒噪聲是主要噪聲源；高速運轉時機械噪聲和空氣動力噪聲是主要噪聲源。本文分別對發動機燃燒噪聲、機械噪聲進行研究，最終降低了發動機的整機噪聲，提高了聲品質。

1、發動機噪聲產生機理及特征

發動機燃燒時氣缸壓力通過活塞、連桿、曲軸、主軸承傳至機體，以及通過氣缸缸等引起發動機結構表面振動而輻射出來的噪聲稱為燃燒噪聲。一般而言，汽油機燃燒柔和，其燃燒噪聲不突出；柴油機由于燃燒方式為壓燃，因此最大爆發壓力、壓力升高率等較大，所以其柴油機燃燒噪聲較為突出。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形成的可燃混合氣的數量和質量。如無預噴的柴油發動機的燃燒噪聲高于有預噴的發動機的燃燒噪聲。

機械噪聲是指在氣體壓力和慣性力的作用下，運動部件產生沖擊和振動而激發的噪聲。發動機工作時，由于沖擊、摩擦、旋轉不均勻和不平衡力作用等原因，激起零部件的機械振動而產生噪聲，比較典型的包括活塞敲擊噪聲、燃油噴射噪聲、正時驅動噪聲等。

控制發動機輻射噪聲除了從根源上降低激勵外，還要考慮零部件自身模態響應和增加阻尼隔音材料等。發動機罩殼類零部件，包括油底殼、缸蓋護罩和正時蓋板等，設計時需要考慮部件的模態響應，如增加壁厚、加肋、曲面結構等，同時可以考慮增加阻尼隔音部件，隔絕部件輻射噪聲。

2、噪聲優化及結果分析

2.1 燃燒噪聲優化

對發動機的燃燒噪聲進行優化首先需要對發動機的燃燒噪聲進行分離[2]。

國內外學者對內燃機噪聲分離做了很多研究，目前采用較多的時分別運行法和盲源分離技術等。本文是以某國Ⅴ柴油發動機為研究對象，進行燃燒噪聲與機械噪聲分離。

燃燒噪聲和機械噪聲的聲源不同，可視為不相干噪聲，其試驗分離可采用能量的疊加消去法進行。發動機的總的噪聲可以認為是機械噪聲和燃燒噪聲，而發動機的總的噪聲可通過試驗直接測量。

共軌壓力對燃燒噪聲影響比較大，對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]。預噴可以平緩發動機初期的燃燒壓力，從而降級了最大爆發壓力，也就是降低了壓力升高率，從而可以降低燃燒噪聲；預噴油量的多少對發動機壓力升高率的影響也較大，具體噴油量的多少要根據試驗來進行優化調節。預噴與主噴的時間間隔對壓力升高率也有一定的影響，時間間隔對壓力升高率的影響并非單純的對應關系，最小的噪聲與最佳的噴油時刻是我們所需要的。現代發動機排放法規越來越嚴格，所以在進行上述發動機燃燒參數調整的同時都是以滿足排放為前提的。

通過調整共軌壓力、預噴模式、預噴量、預噴間隔等標定參數，實現燃燒噪聲的優化。

優化前，燃燒噪聲MAP存在孤島現象，且在發動機常用工況區間，這會造成加速時，燃燒噪聲突然增大，影響駕乘體驗，見圖1。

優化后，發動機常用工況區間孤島現象消失，加速時，噪聲變化較為平穩；且燃燒噪聲均降低，1500-2500rpm中間負荷區間燃燒噪聲2dBA以上，優化效果明顯，見圖2。

2.2 機械噪聲優化

根據噪聲分離理論可知，發動機機總的機械噪聲認為是各個零部件噪聲之和。本次試驗是通過逐一去除發動機零部件的方法計算發動機零部件機械噪聲。

2.2.1 機械噪聲分解試驗

根據上述理論分析，可以讓發動機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導致發動機不能正常運轉，所以采用倒拖的方法來進行發動機機械噪聲的分解，即逐漸剝離發動機的零部件，運用的倒拖的方法可得到各個零部件的機械噪聲。

機械噪聲分解時，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。一般先剝離簡單容易實現的零部件，后剝離復雜的部件。本次機械噪聲分解為了保證試驗時邊界條件的統一，剝離發動機的某些零部件后將不再進行恢復，試驗順序如下表1。

機油泵噪聲占主要部分，基本上占整個機械噪聲的40%以上，活塞連桿的噪聲占整個機械噪聲的30%左右，見圖3。

機油泵為直齒輪驅動，主動齒輪在曲軸上，齒數為47齒，在發動機噪聲頻譜中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 機械噪聲優化

對機油泵優化之前對主從動齒輪的齒輪法向間隙進行了檢測，法向間隙的結果為0.3-0.4mm，超過了工程一般要求的0.1-0.25mm[5]。根據齒輪法向間隙與噪聲的關系可知，當齒輪間隙大于0.25時齒輪噪聲急劇增加，見圖5。

對機油泵驅動齒輪進行修緣，同時嚴格控制齒輪及發動機缸體等定位孔的加工精度，保證裝配后齒輪副的法向側隙在0.25mm以下。機油泵驅動齒輪副的47階次噪聲降低5-10dBA，優化達到了預期的目的，見圖6。

2.3 表面輻射噪聲優化

發動機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 噪聲源識別

發動機噪聲源識別的方法很多[6]，如近場測量法，表面振動測量法，Beamforming聲源識別法。

試驗表明1015Hz頻帶噪聲主要是由上正時蓋罩輻射產生，見圖8；1740Hz頻帶噪聲主要是下正時蓋罩輻射產生，圖9。

2.3.2 正時蓋板優化

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

2.3.3 優化驗證

裝配優化后的正時蓋板，發動機前方噪聲平均降低1-2dBA，見圖11。

3、結論

本文論述了發動機噪聲產生的機理及控制方法，實現了發動機噪聲的優化：

1）通過優化標定參數，實現發動機燃燒的降低和加速噪聲的優化。

2）對發動機的機械噪聲進行了分解，識別了機油泵等驅動噪聲占比較大，通過零部件的結構優化，有效降低了機油泵驅動噪聲。

3）對發動機前方正時蓋板進行了結構優化，試驗表明提高正時蓋板的剛度以及增加固定約束，可大大蓋板輻射噪聲。

通過以上試驗研究，最終使發動機整機輻射噪聲降低了2-4dBA，圓滿完成了該發動機的NVH開發。

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

[2] 魏凱,畢鳳榮.發動機燃燒噪聲與機械噪聲對整機貢獻度的研究[J].小型內燃機與摩托車.2007.20-24.

[3] 岳長智,郭曉平.燃燒分析儀去除燃燒噪聲的研究[J].內燃機.2006.42-44.

[4] 劉祥宇,王向軍,佟亞娟.發動機標定參數對發動機噪聲的影響淺析[J].工業技術.2001.124.

[5] 楊慶佛.內燃機與噪聲控制[M].山西人民出版社,153-160.

[6] 武艷波.發動機噪聲源識別及控制技術[J].中北大學碩士論文.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，畢業于安徽工程大學機械與汽車工程學院，材料成型及控制工程專業 。就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，任職發動機性能開發主管。目前主要從事動力總成NVH開發相關工作。