車用汽油發動機減振降噪改進開發

陳興元

摘要：本文將開發新的兩沖程汽油發動機。本項目旨在滿足二沖程發動機研制過程中的噪聲和振動要求。目的是在不影響高功率比、低排放、低油耗和多平臺應用標準的前提下，采用目前在噪聲、重量和減振方面的最新技術。對現有發動機進行了整體振動，確定了主要頻率范圍和振動水平。對所提出的新型發動機進行了有限元振動仿真，并提出了改進措施。并對所提出的和改進的發動機模型進行了噪聲輻射仿真，以保證噪聲的均勻分布。

關鍵詞：車用汽油;發動機;減振降噪;改進開發

中圖分類號：S219.031? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0009-02

0? 引言

本文分析了三種發動機的平衡計算。還包括排氣系統背壓、催化轉化器的使用和新材料對發動機部件的影響、發動機表面熱損失的計算。新發動機的排氣和進氣設計用于完成系統。對進氣和排氣進行了參數分析。最后，利用聲強技術對發動機進行了噪聲輻射測試，確定了可能的主要噪聲輻射源。

1? 車用汽油發動機材料

發動機噪聲的主要因素，特別是非常麻煩的中高頻部件，是支撐曲軸的主軸承艙壁和蓋的縱向振動。氣缸內的燃燒氣體力使這些零件移動，進而使缸體裙座和油底殼振動，從而產生噪音。通過用橫梁將軸承蓋牢固地連接在一起，主軸承艙壁和軸承蓋的縱向振動得到抑制，缸體抗扭轉和橫向彎曲的剛度也得到提高。這使我們開發了集成的主軸承蓋和橫梁。

通過振動臺試驗、全息干涉分析和發動機臺架試驗，對發動機降噪效果進行了定量評價。通過對閥門系統振動和噪聲產生機理的研究，發現閥門系統的異常運動即跳躍和彈跳現象是振動和噪聲源的主要因素，系統各部件之間的碰撞成為一個問題。用FC 200模擬了材料對曲軸箱振動特性的影響。剛度隨曲軸軸套和曲軸軸套厚度的增加或減小而變化。闡明了圓柱體的剛度在高頻范圍內對固有頻率的影響最大，重量對低頻范圍內的固有頻率影響較大。因此，在測量頻率范圍內，曲軸箱和曲軸軸頸的剛度越高，重量越輕，可以減小缸體的振動應力。

通過單獨處理，可以降低發動機表面的噪聲。組件或通過修改輻射表面。消除或消除噪音。通過改變翅片的特性，使諧振頻率消除。采用有限元模型和試驗模態分析方法對改進型水頭進行了簡諧分析。通過微調結構來降低曲軸箱總成的噪聲，從而消除與噪音有關的頻率。

對整個噪聲系統進行了詳細的分析。它包括噪聲源分析、傳輸路徑分析和輻射表面分析。利用聲學測量了輻射表面的貢獻。結果表明，從輻射源到輻射面的最大力傳遞路徑是通過連桿到曲柄軸，主軸承到缸體。連桿或曲軸的修改并不容易，因為它們的固有剛度受到了嚴重的限制。因此，主要的工作是對主要承重結構進行改造。這些階段是概念和設計階段、燃燒和機械發展階段以及NVH發展和細化階段。[1]

2? 車用汽油發動機減震降噪改進開發

通過增加阻尼和降低熱輻射效率對正時罩進行了改進。對不同厚度的有機玻璃、鋁板、橡膠阻尼層和復合橡膠/鋼板阻尼層進行了測試。塑料薄板輻射效率低，可降低噪聲排放。在概念設計階段的早期，發動機結構的噪聲特性可以通過以下方法進行優化：振動模擬這種方法確保了第一代引擎硬件已經在結構上對噪聲進行了優化。采用具有高剛度的蜂窩狀結構來容納顆粒填充物，這為設計顆粒材料的分布提供了可能性。

作為一個具體的應用實例，以某型內燃機油底殼為例，研究了油底殼對振動特性和聲發射的影響。采用激光掃描測振法研究了蜂窩結構以及顆粒質量、分布和類型對結構振動特性的影響。在此基礎上，確定了一種優化的填充方式，并在發動機臺架上通過聲學陣列的測量驗證了其噪聲抑制水平。利用有限元方法對結構振動進行了數值模擬。固有頻率和模態形狀可用于驗證目的。然而，重點是發動機結構的受迫振動和載荷。邊界條件盡可能切合實際。在布局設計階段，對整個工程進行建模。模擬的目的是最終得出一個結構，顯示出在外部表面均勻分布的振動水平。[2]

2.1 在發展階段，典型的噪聲發展工作由四個部分組成

階段：修改的分析、測試和開發、修改硬件的采購、最終測試和改進。得出了兩階段模擬的結論，需要處理。第一階段側重于趨勢預測;第二階段在設計階段意味著在考慮所有顯著噪聲的情況下進行模擬。研究了各種結構，對噪聲進行了控制測試。設計并測試了兩個加勁肋，以降低發動機低端、單缸框架的振動，在曲軸箱法蘭和一個軸承梁上引入剛度。在主軸承蓋處引入剛度。加勁肋通過聲強測量和移動性測量進行了評估。階梯架的降噪效果很好，但軸承梁只引起軸承模態的頻移。油底殼的解耦導致了巨大的噪音和振動。一種略為改進的輻射計算模型提出了小不規則板的效率建議。降低噪音源，通過更平滑的氣缸壓力開發，小活塞孔間隙或緩沖裝置納入活塞。通過加勁和劃分鑄造曲軸箱和水套板來降低發動機結構薄外表面的振動，將剛性罩的噪聲輻射區與曲軸箱和缸體鑄件的振動隔離開來。Shigehoro降低了直列4缸的往復慣性質量。發動機減振33%，使發動機振動降低4dB。降低發動機噪音的活塞二次運動和活塞通過改變發動機的運行和設計參數。提前定時，提高內襯溫度，提高速度，增加環張力，增加活塞摩擦，使活塞沖擊強度增加。[3]

2.2 柴油機的降噪工作主要集中在結構

以及發動機的輻射表面。燃燒強迫函數多年來受到了廣泛的關注，產生了兩個彈簧噴油器和先導噴油器等特點。活塞拍擊和頭頂間隙也是降低噪音努力的主題。燃油系統扭轉阻尼器、曲柄齒輪隔離器和后齒輪傳動系統可以降低齒輪沖擊噪聲。由于曲軸的振動，汽油機的噪聲來源被確定為在主軸承區域。燃燒噪聲是燃燒噪聲的主要來源。發動機噪聲在較低的轉速范圍內（約45Hz），機械噪聲是發動機較高轉速范圍內的主要噪聲源。一種新的單缸步進活塞發動機，因此，需要對發動機的振動和噪聲動態行為進行預測。減振降噪主機開發問題為新發動機的成功設計提供了依據。為了克服設計初期建造原型所需的時間和成本過高的問題，仿真方法已成為當今工程師的主要工具。在發動機中，由振動質量和振動引起的主要激勵力。通過曲軸的主軸承，將燃燒過程引入缸體和氣缸蓋。傳遞到發動機表面的能量導致表面振動導致這些表面的噪聲輻射。前一章對現有單缸發動機的研究表明，單缸發動機的振動頻率范圍可達2.5kHz。這意味著有限元模型的工程和部件應該能夠描述這些部件的動態行為，頻率為2.5kHz，采用有限元法對二沖程汽油機的振動特性進行了研究。特征模與主觀模式描述的關聯是基于特征向量的計算機動畫。結果表明，氣缸蓋的模態主要由氣缸蓋控制。[4]

2.3 研究模型

該方法所特有的簡化無法量化。假設經常在結構動力學實踐中遇到的問題包括：節點約束的近似值、節點剛度、集總質量特性等，因為通常采用有限元模型。由眾多的參數組成的最優選擇是一項最困難的任務，為了獲得良好的響應而對其進行修改。但是，隨著FEMtools軟件，它將提供輔助選擇參數的工具。靈敏度表示響應值（例如共振頻率）的大小。受參數值修改的影響。這些值存儲在敏感矩陣中。分析此矩陣提供了有關結構的敏感和不敏感區域的信息。圖形化工具允許對這些不同的區域和快速優化的參數選擇。由此產生的參數變化被用來重新計算質量和剛度矩陣，產生新的共振頻率和特征向量。然后可以繼續迭代過程，直到滿足收斂準則。有限元模型將用于靈敏度分析，以確定合適的為減少共振引起的振動，應對部分進行修改（加勁）頻率，或者，如果可能的話，將結構的固有頻率從工作頻率移開。結構的改造是在不影響結構的主要功能和參數的情況下，通過增加厚度和肋數或使用阻尼器來進行的。這兩種模式是完全相同的。位移圖顯示鰭底部有較高的應力。靈敏度分析表明，為了降低振動振幅，需要加筋的區域。為了減小氣缸蓋的振動，有一些需要作出修改。從前三個頻率可以看出，氣缸蓋的振動會在氣缸蓋底部引起很大的應力。它發生在底部和鰭之間的連接處。為了減少這種振動，我們需要增加底部的厚度。紅色表示氣缸蓋底部的附加質量。需要注意的是，底座系在缸體頂部。這種振動模式發生在Tlange。一個由于翼緣較長，懸臂效應比較明顯。法蘭的自由端具有很高的位移，而另一端的位移較低。我們可以假設，在身體和法蘭連接處的應力相當高。靈敏度分析還表明，連接區域具有高度的連通性。對第一種模式有顯著影響。改變面積會導致頻率漂移，降低振動幅度。這里可以得出結論，連接是成功的加筋。修改已經完成，但要記住，目標是輕量級和高剛性曲軸箱。因此，高靈敏度的區域應該被篩選，而低靈敏度的區域應該通過減小厚度或質量來增強。然而，不加強的過程應該考慮到這一事實，即它不會產生其他問題，如應力失效、疲勞和其他問題。

在這種情況下，修改只能根據模式進行，因為它位于可以在不干擾其他主要部分的情況下進行修改的區域，滿足幾個約束的發動機，如性能，低重量，耐用性，成本和可接受的低噪音水平在運行期間。數值模擬的使用變得越來越多，更重要的是，幫助工程師在設計過程中，減少物理原型的數量，將不得不建造和測試。因此，在汽車設計中，可用的、簡單而準確的建模工具已經成為必不可少的。在運行過程中，考慮到燃燒壓力和軸承負荷等相關影響。結合發動機的結構有限元模型，對發動機的結構響應進行了評估。[5]

3? 結束語

結果表明，樣機在空載條件下產生了可接受的噪聲輻射量。研究了材料的固有頻率特性、固有頻率與振動模態的關系、剛度對固有頻率的影響、材料對剛度和重量的影響。主要強調的是增加發動機的剛度，同時也要減輕發動機的重量。

參考文獻：

[1]王立偉，楊照中.車用汽油發動機電子控制系統現狀研究[J].科教導刊-電子版（中旬），2016（3）：155.

[2]李泉勝.車用汽油發動機綜合測控系統研究[J].華章，2012（11）：322.

[3]徐政，龔偉國，ScholtenI， et al.車用1.5 L渦輪增壓直噴汽油發動機開發[J].汽車安全與節能學報，2018，9（3）：339-351.

[4]郭瑞蓮，鮑曉峰，岳欣，等.車用乙醇汽油對發動機進氣系統沉積物的影響[C].中國汽車工程學會.2007年中國汽車工程學會年會論文集，2007：73.

[5]盧銀，蔣昌林，盧國華.車用汽油發動機控制模塊臺架標定開發[J].汽車實用技術，2020（5）：47-48，75.

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