內(nèi)燃機(jī)機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的識(shí)別分離

張巍 楊慧明 劉曉慶 劉永根

摘要： 噪聲污染已經(jīng)變成和大氣污染、固體污染、水污染并列的一種影響城市環(huán)境和居民工作生活的一種污染源。而舷外機(jī)作為現(xiàn)在人們生活水上出行最重要的交通工具，其噪聲污染源占到總噪聲污染的比重很大，因此對(duì)舷外機(jī)噪音的控制尤為重要。而內(nèi)燃機(jī)噪聲中不同的噪聲污染識(shí)別分離，對(duì)于整個(gè)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)及舷外機(jī)整體構(gòu)造具有重要的意義，本文以機(jī)械噪聲和燃燒噪聲為切入點(diǎn)，對(duì)其具體的識(shí)別分離方法進(jìn)行分析，并提出對(duì)應(yīng)的噪聲控制措施。

Abstract： Noise pollution has become a pollution source that affects the urban environment and residents' work and life in parallel with air pollution， solid pollution and water pollution. As the most important means of transportation for people to travel on water， the noise pollution source of outboard aircraft accounts for a large proportion of the total noise pollution. Therefore， the control of outboard aircraft noise is particularly important. The identification and separation of different noise pollution in internal combustion engine noise is of great significance for the whole internal combustion engine design and the overall structure of outboard engine. Taking mechanical noise and combustion noise as the starting point， this paper analyzes the specific identification and separation methods， and puts forward the corresponding noise control measures.

關(guān)鍵詞： 內(nèi)燃機(jī);機(jī)械噪聲;燃燒噪聲;識(shí)別分離

Key words： internal combustion engine;mechanical noise;combustion noise;recognition separation.

中圖分類號(hào)：TK421????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0050-02

0? 引言

當(dāng)前，國家對(duì)于生態(tài)文明建設(shè)頂層設(shè)計(jì)不斷重視，各地方政府也相繼出臺(tái)一系列的政策強(qiáng)化生態(tài)環(huán)境的保護(hù)管理。城市噪聲污染越來越被人們重視和關(guān)注，尤其是隨著舷外機(jī)及大型工程機(jī)械數(shù)量的不斷增加，噪音的污染源不斷擴(kuò)散。舷外機(jī)噪聲不僅嚴(yán)重影響人們的工作生活環(huán)境，同時(shí)機(jī)械噪聲和燃燒噪聲等如果過大，會(huì)嚴(yán)重影響駕駛?cè)藛T的駕駛環(huán)境，可能會(huì)導(dǎo)致注意力不集中，發(fā)生安全事故。另外過大的噪聲會(huì)影響舷外機(jī)內(nèi)部機(jī)械電子元件的性能，不能保證合理的使用壽命。所以現(xiàn)在舷外機(jī)的機(jī)械噪聲和燃燒噪聲等，已經(jīng)作為舷外機(jī)生產(chǎn)出廠的重要參數(shù)指標(biāo)之一。近年來，很多學(xué)者和內(nèi)燃機(jī)企業(yè)工程技術(shù)人員對(duì)內(nèi)燃機(jī)噪聲方面進(jìn)行了很多實(shí)質(zhì)性的研究，內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的識(shí)別分離，可以對(duì)噪聲源進(jìn)行精準(zhǔn)分類，然后因材施教策對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的噪聲控制，這樣可以有效的降低噪聲的污染，同時(shí)提高了舷外機(jī)的使用性能，并且可以為內(nèi)燃機(jī)的節(jié)能排放問題提供數(shù)據(jù)支撐。

1? 內(nèi)燃機(jī)噪聲產(chǎn)生機(jī)理及分類

對(duì)于內(nèi)燃機(jī)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，首先就必須要從內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)入手。內(nèi)燃機(jī)是一種動(dòng)力機(jī)械裝置，主要油氣缸活塞、曲柄連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣門裝置、機(jī)體和進(jìn)氣排氣系統(tǒng)等部分組成，內(nèi)燃機(jī)的噪聲主要跟自身的內(nèi)部構(gòu)造、運(yùn)行時(shí)的功率、排氣量和轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)系，會(huì)產(chǎn)生多種噪聲源。主要是由機(jī)械傳動(dòng)構(gòu)建構(gòu)件、燃燒時(shí)空氣動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散和進(jìn)排氣引起的，按照來源主要分類機(jī)械噪聲、燃燒噪聲和空氣噪聲等。因?yàn)檫M(jìn)氣、排期等噪聲，這些聲輻射源空間的具體位置相隔距離較遠(yuǎn)，在工程上很容易對(duì)其進(jìn)行識(shí)別分離。但是機(jī)械噪聲和燃燒噪聲都發(fā)生于內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部并經(jīng)過內(nèi)燃機(jī)外表面輻射，兩者在發(fā)生的時(shí)間、空間、傳播的途徑和信號(hào)的基本頻率特征等方面都基本重疊在一起，所以本文主要就機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的識(shí)別分離進(jìn)行專門研究。

1.1 機(jī)械噪聲? 因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中通常是周期性的，然后在內(nèi)部的不同機(jī)械零部件之間都是留有配合間隙的。這兩個(gè)因素導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行的時(shí)候，主體和零部件之間，各零部件之間可能會(huì)產(chǎn)生碰撞產(chǎn)生噪聲，如在點(diǎn)火排期過程中，氣門和底部的氣門底座會(huì)發(fā)生碰撞摩擦，氣動(dòng)循環(huán)時(shí)活塞會(huì)和氣缸內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦，各曲柄連桿及齒輪之間也會(huì)產(chǎn)生碰撞摩擦。這些噪聲在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部各零部件之間產(chǎn)生，然后通過內(nèi)燃機(jī)外表面?zhèn)鞑サ江h(huán)境之中。因?yàn)檫@種噪聲主要是由機(jī)械零部件碰撞產(chǎn)生的，所以在工程上把這類噪聲稱為機(jī)械噪聲。

1.2 燃燒噪聲? 燃燒噪聲主要是燃油、燃?xì)獾热剂显趦?nèi)燃機(jī)燃燒時(shí)，會(huì)使得氣缸內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高溫高壓的氣流。這些氣體震蕩會(huì)通過伯努利等空氣動(dòng)力學(xué)的傳播對(duì)氣缸內(nèi)部不斷地產(chǎn)生沖擊，然后經(jīng)過氣缸的外表面擴(kuò)散到內(nèi)燃機(jī)直至車外產(chǎn)生噪聲。因?yàn)樵摲N噪聲主要是由于燃燒狀態(tài)下產(chǎn)生的，所以稱之為燃燒噪聲。燃燒噪聲又可根據(jù)燃燒的具體過程進(jìn)行分段研究。首先是，在點(diǎn)火預(yù)燃燒期間內(nèi)，大量的氣體卷吸到火焰外圍產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生爆發(fā)式的燃燒噪聲。另外一方面，內(nèi)燃機(jī)經(jīng)過多個(gè)燃燒工作周期后，上會(huì)產(chǎn)生積碳吸附在汽缸內(nèi)壁上，每次燃燒時(shí)這些積碳會(huì)產(chǎn)生碳化過程會(huì)發(fā)生氣化反應(yīng)，也會(huì)產(chǎn)生氣體沖擊氣缸內(nèi)部，造成內(nèi)燃機(jī)的燃燒噪聲。

1.3 空氣噪聲? 空氣動(dòng)力噪聲主要有進(jìn)氣噪聲、風(fēng)扇噪聲和排氣噪聲3類。進(jìn)氣噪聲是由進(jìn)氣門不斷開啟和關(guān)閉，導(dǎo)致進(jìn)氣管壓力不斷變化而產(chǎn)生的。排氣噪聲是內(nèi)燃機(jī)噪音的最大來源，也是首要的控制目標(biāo)。風(fēng)扇噪音主要分為葉片切割空氣形成的旋轉(zhuǎn)噪聲和葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)周圍氣體形成的渦流噪聲。而排氣噪聲音是當(dāng)排氣門打開時(shí)，廢氣從間隙中沖出，形成的一個(gè)高能量噪聲。空氣噪聲在整個(gè)識(shí)別過程中相對(duì)簡單。

2? 內(nèi)燃機(jī)機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的識(shí)別分離方法

2.1 內(nèi)燃機(jī)噪聲測量方法? 內(nèi)燃機(jī)噪聲的的測量要通過專門的噪聲試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)的定量測量，試驗(yàn)臺(tái)由發(fā)動(dòng)機(jī)、電渦流測功機(jī)、壓力傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器等硬件設(shè)備組成，然后將測量結(jié)果通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，可以具體到測試不同轉(zhuǎn)速、功率等工況下的噪聲數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲中存在干擾噪聲時(shí)，在不同位置測出的混疊噪聲中包含了機(jī)械噪聲、燃燒噪聲和干擾噪聲3種信號(hào);從混疊信號(hào)中將這3種信號(hào)分離出來是一種新的測試方法。

2.2 內(nèi)燃機(jī)機(jī)械噪聲和燃燒噪聲識(shí)別分離方法? 內(nèi)燃機(jī)機(jī)械噪聲和燃燒噪聲識(shí)別分離過程要將前期試驗(yàn)臺(tái)測試的噪聲結(jié)果經(jīng)過具體的程序后進(jìn)行處理后，才能進(jìn)行噪聲的識(shí)別分離。首先將不同工況下的缸壓曲線和總噪聲曲線經(jīng)過降噪變化后導(dǎo)入到識(shí)別分離程序中，然后將傳遞函數(shù)帶入到具體工況下的噪聲，由此來實(shí)現(xiàn)機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的識(shí)別分離。

具體的內(nèi)燃機(jī)噪聲識(shí)別方法也各有不同。

①分別運(yùn)行法。當(dāng)前舷外機(jī)制造業(yè)的技術(shù)不斷發(fā)展，其各零部件配件的數(shù)量布局也不斷復(fù)雜。分別運(yùn)行法就是將內(nèi)燃機(jī)的不同部件獨(dú)立于整體之外，進(jìn)行分別運(yùn)行進(jìn)行噪聲的測量，然后對(duì)比整體的噪聲測量值，就可以識(shí)別出該零部件噪聲在整個(gè)噪聲中所占的比例，同時(shí)可以根據(jù)這個(gè)比例估算出內(nèi)燃機(jī)配件的單體噪聲值。這個(gè)識(shí)別方法具有操作簡單、不需要復(fù)雜的理論計(jì)算，只需要噪聲試驗(yàn)臺(tái)即可進(jìn)行。但是由于內(nèi)燃機(jī)的零部件很多，拆開分別測量需要耗費(fèi)大量的時(shí)間精力，而且部分零件的拆開可能會(huì)產(chǎn)生共振，也大大的增加了測量的誤差，不能真實(shí)的反應(yīng)噪聲的水平及識(shí)別分離，所以這個(gè)只是最基礎(chǔ)的測試方法。

②聲強(qiáng)識(shí)別法。聲強(qiáng)識(shí)別法是一種新型的噪聲識(shí)別方法，主要是通過對(duì)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)出噪聲的聲強(qiáng)進(jìn)行測量，由此進(jìn)行機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的識(shí)別分離。主要實(shí)現(xiàn)方式是通過安裝聲強(qiáng)探頭，在不同方向進(jìn)行不同噪聲的聲強(qiáng)。因?yàn)槁晱?qiáng)矢量特征參數(shù)，當(dāng)聲強(qiáng)探頭和噪聲波段的夾角為90°角時(shí)，探頭的靈敏性最低，測出的聲強(qiáng)數(shù)據(jù)接近于0;當(dāng)聲強(qiáng)探頭和噪聲波段的夾角小于90°角時(shí)，測量輸出的聲強(qiáng)值為正，且聲強(qiáng)值隨角度的增大而變小;當(dāng)聲強(qiáng)探頭和噪聲波段的夾角大于90°角時(shí)，測量輸出的聲強(qiáng)值為負(fù)，且聲強(qiáng)絕對(duì)值值隨角度的增大而增大;聲強(qiáng)識(shí)別法不僅可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)近距離的測量，同時(shí)也可以遠(yuǎn)距離的測量，而且對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境要求較低，不需要單獨(dú)的進(jìn)行環(huán)境消聲處理，所以當(dāng)前該技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛。

③基于EEMD與廣義S變換的內(nèi)燃機(jī)噪聲源識(shí)別

研究。集總平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法（EEMD）與廣義S變換進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)噪聲源識(shí)別方法的基本原理是用一種自適應(yīng)信號(hào)處理方法。該方法可以對(duì)非穩(wěn)態(tài)的信號(hào)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的自適應(yīng)模態(tài)分解，然后對(duì)各個(gè)本征模態(tài)函數(shù)（IMF）分量采用廣義S變換（GST）并在時(shí)域中進(jìn)行分析，該方法可以準(zhǔn)確識(shí)別內(nèi)燃機(jī)不同噪聲源的位置及其大小。

3? 內(nèi)燃機(jī)噪聲的控制方法

對(duì)內(nèi)燃機(jī)機(jī)械噪聲和燃燒噪聲進(jìn)行識(shí)別分離后，要對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的噪聲控制，這樣可以有效的降低噪聲的污染，同時(shí)提高了舷外機(jī)的使用性能，并且可以為內(nèi)燃機(jī)的節(jié)能排放問題提供數(shù)據(jù)支撐。這樣才達(dá)到了噪聲識(shí)別分離的根本目的。當(dāng)前由不同的噪聲來源及傳播途徑的不同，可以從控制噪聲源及控制傳播途徑兩個(gè)方面進(jìn)行噪聲的控制。

3.1 控制噪聲源

3.1.1 機(jī)械噪聲。因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造、機(jī)械零件的加工精度、不同的鍛造材料和運(yùn)行工況都會(huì)產(chǎn)生不同來源的機(jī)械噪聲，所以要想控制機(jī)械噪聲，就必須要提高內(nèi)燃機(jī)配件的平衡穩(wěn)定性，可以有效的減少機(jī)械零部件的震動(dòng)，即控制了噪聲來源。例如，在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)中極易產(chǎn)生機(jī)械噪聲，可以減小活塞和氣缸內(nèi)壁的摩擦來實(shí)現(xiàn)減少噪聲的目的，在設(shè)計(jì)制造中，可以讓活塞銷孔中心和氣缸中心線進(jìn)行偏心設(shè)置的方法，以此降低了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的摩擦和撞擊，國際上很多大型的內(nèi)燃機(jī)制造企業(yè)都采用這一方法。另外可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)減少活塞環(huán)的數(shù)量，使得整個(gè)活塞的重量減輕，也可以有效的減少機(jī)械噪聲，還有就是要充分利用潤滑油的潤滑性能，減少整個(gè)內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造的摩擦。

3.1.2 燃燒噪聲。燃燒噪聲主要是燃油、燃?xì)獾热剂显趦?nèi)燃機(jī)燃燒時(shí)，會(huì)使得氣缸內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高溫高壓的氣流。這些氣體震蕩會(huì)通過伯努利等空氣動(dòng)力學(xué)的傳播對(duì)氣缸內(nèi)部不斷地產(chǎn)生沖擊，然后經(jīng)過氣缸的外表面擴(kuò)散到內(nèi)燃機(jī)直至車外產(chǎn)生噪聲。所以要對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化改善，首先對(duì)于燃料的選擇，要選擇高熱值的燃料，燃料的含硫量等雜質(zhì)要進(jìn)行有效控制，要采取辦法對(duì)內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部進(jìn)行積碳清理。還有就是通過提高內(nèi)燃機(jī)的壓縮比可以使得燃燒狀態(tài)更加優(yōu)化，渦輪增壓系統(tǒng)也可以有效的減少燃燒噪聲的來源。

3.2 控制傳播途徑

當(dāng)對(duì)噪聲源的控制進(jìn)行優(yōu)化了后，也可以通過控制噪聲的傳播途徑達(dá)到降低噪聲的目的，主要的方法的在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部安裝降噪消聲結(jié)構(gòu)，有效的阻斷噪聲的外部傳播。另外可以在內(nèi)燃機(jī)外表面包裹具有吸聲特性的材料，實(shí)現(xiàn)噪聲的隔離。還有就是通過合理的配置彈簧及橡膠等隔振元器件進(jìn)行減震處理，也可以實(shí)現(xiàn)減少噪聲的目的。

4? 結(jié)束語

當(dāng)今社會(huì)舷外機(jī)保有量越來越多，這也導(dǎo)致了舷外機(jī)噪聲對(duì)環(huán)境污染越來越嚴(yán)重。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的有效識(shí)別分離，可以使得噪聲的控制獲得定量的數(shù)據(jù)測試分析，為內(nèi)燃機(jī)減噪控制提供基礎(chǔ)研究的保證。各舷外機(jī)制造業(yè)要將內(nèi)燃機(jī)噪聲參數(shù)性能加入到舷外機(jī)設(shè)計(jì)制造的過程中，以此來提高舷外機(jī)的各項(xiàng)性能。

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