汽油直喷系统的结构
汽车发动机噪声控制技术研究
序
噪音是工业社会的副产品，与空气污染、水污染一起被认为是当今世界的三大公害。与其他两大公害相比，噪声影响最广，感受最直接，被人们反映最多。汽车作为一种主要的交通工具，越来越普及，越来越壮大，因此汽车噪声造成的环境污染也越来越严重。由于发动机产生的噪声占汽车噪声的很大一部分，所以在汽车噪声控制中，研究发动机噪声的机理和噪声控制的措施就显得尤为重要。
1发动机的噪声控制
直接从发动机机体及其主要附件传到空间的声音属于发动机噪声。发动机噪声随不同的随机类型、转速、负载和运行条件而变化。比如，在相同转速下，柴油机的噪音比汽油机高。根据噪声的性质，发动机噪声可分为燃烧噪声、机械噪声和气动噪声。下面主要介绍各种噪音产生的原因以及一些具体的降噪措施。
1.1燃烧噪音
1.1.1燃烧噪声的机理
燃烧噪音是由气缸中周期性变化的气体压力引起的。主要看燃烧的方式和速度。在汽油机中，如果发生爆燃、表面点火等异常燃烧，会产生较大的燃烧噪声。柴油机的燃烧噪声是由于燃烧室内空气压力突然升高，引起发动机各部分的振动。一般来说，柴油机的噪音要比汽油机高很多，所以这里主要以柴油机为例来说明如何降低燃烧噪音。
1.1.2燃烧噪声控制策略
在汽车发动机中，燃烧噪声占总噪声的很大比例，因此研究如何降低其燃烧噪声具有重要意义。目前制定的降噪措施主要有:
在空间雾化燃烧系统中，采用(1)隔热活塞来提高燃烧室壁温，缩短着火延迟期，降低直喷式柴油机的燃烧噪声。
(2)提高压缩比和应用废气再循环技术也可以降低柴油机的燃烧噪声。但压缩比主要决定柴油机的机械负荷和热负荷水平。通过降低最大气缸压力，废气再循环技术不仅可以抑制氮氧化合物的产生，还可以降低燃烧噪声。
(3)采用双弹簧喷油阀实现预喷射。也就是说，原本打算在一个循环中喷射一次的燃料被喷射两次。第一次先喷射一小部分，在主喷射之前开始点火的预反应，可以减少点火延迟期可燃混合气的积累量。这是降低直喷式柴油机燃烧噪声的最有效措施。通过降低双弹簧喷油器的初始开启压力和针阀的预升程，可以抑制混合气的形成，从而影响怠速工况下的燃烧噪声。通过设计两级提升装置，引燃喷射装置用于在较大的速度范围和加速度下抑制燃烧噪声。
(4) * *轨式燃油喷射系统是一种很有前途的直喷式轿车柴油机电控高压燃油喷射系统，可以减少点火延迟期的喷油量，特别是对于降低燃烧噪声。
(5)采用增压。柴油机增压后，进入气缸的充气密度、温度和压力增加，从而改善混合气的点火条件，缩短点火延迟期。增压柴油机最大爆发压力虽有所提高，但其压力增长率dp/dφ和增压比λ有所下降，使柴油机运转平稳，噪声降低。另外，一般来说，涡轮增压柴油机的最大额定功率低于同缸非涡轮增压柴油机，有利于降低燃烧噪声。增压空气中冷后，空气温度降低，增压效率提高，但同时增压降低燃烧噪声的效果减弱。
(6)燃烧室的选择和设计。对于分体式燃烧室，精确的燃油喷射通道、增大的通道面积、控制喷射方向和优化预燃室进口旋流半径，都可以抑制预混燃烧，促进扩散燃烧，从而在低负荷到高负荷的较宽范围内降低燃烧噪声、油耗和碳烟排放。
对于直喷式燃烧室，合理的设计可以使其在足够的涡流下具有较高的湍流动能，加强燃油与空气的扩散，从而改善燃烧过程，实现柴油机的低油耗、低噪声、低排放。
活塞顶燃烧室的结构对燃烧噪声有很大影响。如果喷孔更小更深，燃烧噪音小很多，排放明显更好。再加上缩口形状，降噪效果会变好。因此，设计时最好选择有缩口的ω形燃烧室，并在变动允许的范围内尽可能深。
(7)减小供油提前角。供油提前角小，喷油时间延迟，喷油时缸内温度和压力高，燃油一喷就雾化，瞬间到达着火点，缩短了点火延迟期。先喷入的燃料爆炸燃烧，后喷入火焰的燃料由于缺氧不会马上燃烧。这样，由于在初始阶段燃烧的燃料量少且压力上升率低，所以可以降低燃烧噪声。大多数柴油机的燃烧噪声随着供油提前角的减小而降低。
(8)选择十六烷值高的燃料时，着火延迟期短，从而影响着火延迟期内可燃混合气的形成量，降低压力上升率，降低燃烧噪声。
1.2机械噪音
机械噪声是由运动部件之间、运动部件与固定部件之间的周期性机械运动引起的，与激振力的大小、运动部件的结构等因素有关。主要有活塞敲击噪声和气门机械噪声。
1.2.1活塞敲击声
发动机运转时，活塞在上、下止点附近，在侧向力的作用下，从一侧侧向移动到另一侧，从而形成活塞对气缸壁的强烈敲击，产生活塞敲击噪声。爆震的主要原因是活塞和气缸套之间的间隙以及作用在活塞上的气体压力。
降低活塞敲击噪音的措施有:
(1)活塞销孔偏置，即活塞销孔向主推力面适当偏置1 ~ 2mm。
(2)活塞裙部开横向隔热槽，活塞销座内嵌调整钢片，裙部内嵌钢筒，采用椭圆锥裙，降低活塞40℃时的缸隙。
(3)增加缸套的刚度不仅可以降低活塞的敲击声，还可以降低活塞与缸壁摩擦产生的噪声。为了增加气缸套的刚度，可以采用增加气缸套厚度或设置加强筋的方法。
(4)改善活塞与缸壁之间的润滑，增加活塞敲击缸壁时的阻尼，也可以降低活塞的敲击噪声。比如在D=180mm单缸试验机上，用专用润滑油将机油喷在缸壁上，发动机机体的振动降低了6dB(A)。显然，这一措施在实践中是有限的。近日，日本丸能源公司成功研发出一种含有陶瓷颗粒的新型润滑剂，在汽缸金属表面形成一层“陶瓷膜”，防止金属之间的直接接触。因此在降低摩擦噪音的同时，还能改善润滑性能，节省燃油，延长使用寿命。
1.2.2变速器齿轮噪音
传动齿轮的噪声是由齿轮啮合过程中齿间的冲击和摩擦引起的。在内燃机上，齿轮承受交变动载荷，会使轴变形，通过轴在轴承上引起动载荷，轴承的动载荷会传递到发动机壳体和齿轮室壳体上，使壳体激发噪声。此外，曲轴的扭转振动还会破坏齿轮的正常啮合，激发噪声。传动齿轮的噪声与齿轮的设计参数、结构类型、加工精度、齿轮材料匹配、齿轮室结构和运行状态有关。
降低变速器齿轮噪声的措施如下:
(1)控制齿轮齿形，提高齿轮加工精度，减小齿轮啮合间隙，即减少齿轮相互碰撞时的能量，从而降低齿轮啮合传动噪声。
(2)采用新材料，如高阻尼的工程塑料齿轮，用工程塑料齿轮代替原钢制齿轮，整机噪声降低约0.5dB(A)，效果明显。
(3)合理布置齿轮传动系统的位置，如将正时齿轮布置在飞轮端，可有效降低曲轴系统扭振对齿轮振动的影响。
(4)用正时齿同步带传动代替正时齿轮转动可以明显降低噪声。
1.2.3降低配气机构的噪音
大多数内燃机都使用凸轮和气门机构，它包括凸轮轴、挺杆、推杆、摇臂、气门等零件。配气机构零件多，刚性差，在运动过程中容易引起振动和噪声，包括气门与气门座之间的冲击，气门间隙引起的传动冲击，挺杆与凸轮工作面的摩擦振动，气门高速不规则运动引起的噪声。配气机构的噪声与配气机构的类型、气门间隙、气门落座速度、材料、凸轮轮廓、凸轮和挺杆的润滑状态、内燃机转速等因素有关。
降低配气机构噪声的措施主要包括:
(1)良好的润滑可以减少摩擦和噪音。建议凸轮和挺杆之间的最小油膜厚度在怠速时为2Lm，在1000r/min时为3Lm。凸轮转速越高，油膜越厚。因此，当内燃机高速运转时，配气机构的摩擦振动和噪声并不突出。
(2)减小气门间隙可以减小摇臂与气门之间的冲击，但不能使气门间隙过小。使用液压支撑柱可以从根本上消除气门间隙，降低噪声。近几年也出现了阀门液压驱动系统，噪音更低。
(3)缩短推杆长度是减轻系统重量、提高刚度的有效措施。顶置凸轮轴取消了推杆，特别有利于降低噪音。
1.3空气动力噪音
气体扰动以及气体与其他物体相互作用产生的噪声称为气动噪声，包括发动机中的进气噪声、排气噪声和风扇噪声。
1.3.1进气噪音
发动机工作时，高速气流通过空气滤清器、进气管和气门进入气缸，会产生很强的气动噪声，有时比发动机本身的噪声高5 dB(A)左右，成为仅次于排气噪声的主要噪声源。噪声随着发动机转速的增加而增加，与负荷的变化无关。其主要成分包括:周期性压力脉动噪声、涡流噪声、气缸亥姆霍兹振动噪声和进气管气柱振动噪声。
进气噪声的控制策略主要有:
(1)空气滤清器的合理设计和选择。气缸盖进气管和进气道的合理设计可以降低进气系统中的压力脉动强度和气门通道处的涡流强度。
(2)引入噪音消除措施。
1.3.2排气噪音
排气噪声主要在排气开始时。废气以脉冲的形式从排气阀间隙排出，从排气口迅速冲入大气，形成能量高、频率复杂的噪声，包括基频及其高次谐波的成分。这种噪声是汽车和发动机中最大、最重要的噪声源，其噪声往往比整个发动机的噪声高10 dB (a) ~ 15 dB (a)。排气噪声除基频噪声及其高次谐波噪声外，还包括排气歧管和歧管内空气柱的振动噪声、阀杆背面的涡流噪声、排气系统管路内壁的湍流噪声等。此外，排气噪声还包括废气喷射和冲击噪声。
排气噪声的控制策略主要有:
(1)从排气系统的设计入手，比如合理设计排气管的长度和形状，避免气流振动，减少涡流。
(2)废气涡轮增压器的应用可以降低排气噪声，但最有效的方法是采用高消声技术，使用功率损失小、消声频率范围宽的排气消声器。
1.3.3风扇噪音
风扇噪声是发动机中不可忽视的噪声源，尤其是在风冷发动机中，其噪声甚至堪比高速满负荷时的进排气噪声。主要是气动噪声，由旋转噪声和涡流噪声组成。旋转噪声是由旋转叶片对空气颗粒的周期性冲击引起的空气压力脉动产生的。涡流噪声是由风扇旋转时周围空气产生的涡流引起的，由于粘滞力的作用，这些涡流分裂成一系列独立的小涡流。这些涡流和涡流的分裂将扰动空气并形成压力波动，从而激发噪声。涡流噪声一般是宽带噪声。
发动机的风扇噪声由低速时的涡流噪声和高速时的旋转噪声所主导。风扇的转速和直径越高，风扇的风量就越大，噪音也就越高。风扇效率越低，耗电量越大，风扇噪音也越大。
风机噪声的控制策略主要有:
(1)适当控制风扇的转速，风扇的噪音随着转速的增加远大于其他噪音。在冷却要求不变的情况下，为了降低转速，可在结构尺寸范围内适当增加风扇直径或叶片数；充分应用流体力学理论设计高效风机，可以在保证冷却风量和风压的前提下降低转速。
(2)使用叶片分布不均匀的风机，叶片分布均匀往往会产生一些声压级较高的部件。当叶片排列不均匀时，一般可以减少风机中突出的线谱成分，使噪声谱更加平滑。
(3)用塑料风扇代替钢板风扇，可以达到降低风扇噪音和功耗的效果，但目前成本略高于钢板风扇。塑料风扇在国外中小功率内燃机上已得到广泛应用。也可以使用安装角度可以改变的“柔性风扇”。这台风扇的叶片是由非常薄的钢板或塑料制成的。当风扇转速增加时，由于空气动力的作用，叶片扭曲变平(安装角度变小)，因此风扇的功耗和噪音降低。转速降低时，由于气动效应小，叶片的扭转变小，保证了足够的风量。
(4)风扇自动离合器用于车辆内燃机。测试表明，车辆运行时，风扇工作所需时间一般小于10%。因此，风扇离合器不仅可以使内燃机在合适的温度下工作，降低功耗，还可以达到降噪的效果。
(5)合理设计风扇和散热器系统。如发动机与风扇的距离、风扇与散热器的距离、风扇与风扇罩的位置和形状、空气通过散热器的阻力等。，会对冷却风量的充分利用产生影响。合理的布置和设计可以达到降低风机转速的目的。
2结论
综上所述，影响汽车发动机噪声的因素很多，采用某种降噪方法很难大幅度降低噪声。降低汽车发动机噪声，应从发动机噪声的噪声源和传播途径入手，明确降噪的对象和目标。通过综合考虑和各种技术手段，可以在一定程度上有效地控制和降低燃烧噪声、机械噪声和气动噪声，从而达到降低汽车发动机噪声的目的。