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第27卷第4期 2 0 0 6年7月 兵 工 学 报 VO1.27 NO.4 ACTA ARMAMENTARII Ju1. 2006 柴油机噪声源的识别及降噪研究 梁兴雨.舒歌群 (天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072) 摘要:采用部分缸熄火的方法对机械噪声和燃烧噪声进行了分离,在表面辐射噪声源的识别 上,通过表面振动识别,找到了噪声辐射的主要部件。针对现有柴油机的燃烧状况,对供油提前角 进行了调整,降低了燃烧噪声。通过加装扭振减振器,使得曲轴扭振明显减小。改进油底壳对柴油 机辐射噪声起到了很好的抑制作用。 关键词:动力机械工程;柴油机;噪声源;噪声;降噪 中图分类号:TK421.6 文献标志码:A 文章编号:1000—1093(2006)04—0587—05 Noise Source Identification and Noise Reduction for Diesel Engine LIANG Xing—yu,SHU Ge—qun (State Key Laboratory of Engines,Tianjin University,Tianjin 300072,China) Abstract:Partial cylinder misfiring method is used to separate machinery noise and combustion noise. The radiating noise sources are identified with near field scan technique and the main part of surface ra— diating noise can be found.By modifying the advanced angle of fuel supply,combustion noise is re— duced.In order to decrease torsional vibration of the crankshaft,a new—designed torsional vibration damper is applied to the free—end of crankshaft.By altering the shape of oil pan,radiation noise can al— SO be suppressed to a certain extent. Key words:power mechanical engineering;engine;diesel engine;noise source;noise;noise reduction 噪声和振动是评价柴油机的一个重要指标。作 声强测量方法是近年来应用比较多的方法,由于声 为车辆系统中的动力部件,柴油机是主要噪声源和 激振力,柴油机噪声和振动对整车的噪声特征有着 强是矢量,一个部件在某一方向上的声强不受其它 声源的影响,其测量简便快捷,但是声强测量设备价 格昂贵,对测试技术的要求高,在一定程度上了 该方法在工程实际中的广泛应用。振动测量法是根 决定性的影响。因此降低柴油机本身的振动和噪声 就是降低整车噪声的主要措施-1 J,而进行噪声源识 别是降噪研究的前提。 通常发动机的噪声识别方法包括对表面辐射噪 声源的识别和内部激励噪声源的识别。识别发动机 表面辐射噪声源的方法有铅覆盖技术、声强测试技 术、表面振动测量技术以及近年来出现的激光全息 据发动机的表面振动速度来估计表面辐射声功率, 需要测量较多的数据和进行大量的计算,它的主要 困难在于发动机零部件辐射比的确定,需要有大量 的试验资料数据作为基础。激光全息技术是近年来 在噪声识别领域中出现的新方法,它能够得到具有 技术及信号处理技术等。铅覆盖技术是内燃机噪声 源识别的传统方法,要求在消声室中进行测量,在覆 盖时必须做到覆盖完全,即使部件表面有少量面积 没有被覆盖,也会对测量结果产生显著影响。表面 收稿日期:2005—10—30 基金项目:云南省省校合作基金资助项目(2003HBBAA02A049) 相当精度的声场辐射图谱,但由于这项技术费用昂 贵,使得其在传统工业中的应用很困难。信号处理 技术是利用在噪声测量中所测录的声源信号时域 值,再使用某种信号处理方法,按照声源信号时、频 维普资讯 http://www.cqvip.com
588 兵 工 学 报 第27卷 域的某种特性分解出主声源信号的方法。发动机内 部激励噪声源的识别主要是对燃烧噪声与机械噪声 进行识别,其识别有多种方法,如倒拖法、应用相关 Spectra Plus.在发动机转速为2 400 r/rain。120 N・m 情况下对各缸分别停止供油所测量的噪声如表1 所示。 技术分析法、喷油(点火)提前角试验法、气缸压力频 谱计算法以及部分缸熄火法等,但是由于二者的关 联性,要得到绝对准确的结果是很难的。同时针对 机械噪声方面的活塞拍击噪声,齿轮噪声,曲轴振动 表1各缸熄火噪声记录表 Tab.1 Results of noise measurement 噪声等的识别也逐渐成为研究热点。 通过对柴油机进行单缸熄火,分离了燃烧噪声 和机械噪声,解决降噪方向的问题。针对表面辐射 问题,通过近场扫描来判断整机噪声分布情况,从而 识别出各主要噪声源及辐射部件,为降噪做准备。 采取降噪措施首先从内部激励开始进行改进,所以 对供油提前角进行了合理的调整,降低内部激励力, 然后针对扭振情况进行了扭振减振器的实验研究, 降低了轴系扭振;在控制表面辐射噪声方面,主要对 油底壳进行了结构改进,降低其辐射噪声。 l柴油机的噪声源识别 1.1机械噪声和燃烧噪声的分离 设发动机在某一工况下正常运转时的噪声声功 率级为Lw,由 缸共同发出的功率为w .当发动 机中有1缸或m个缸发生熄火时,要保持原来的转 速和其他各缸工作状态不变,就要使总的负荷发生 变化。所以部分缸熄火就相当于工作的缸数减少。 那么总的输出功率就会变小,相当于原来的W × ( 一1)/ 或W ×( —m)/ ,这时发动机所发出 的噪声声功率级为L 1或L ,这部分噪声包括机 械噪声和着火燃烧各缸所激发出的燃烧噪声。所以 断油熄火缸所激发出的燃烧噪声就可以通过总噪声 和熄火后的噪声能量之差来求出,以第一缸为例。 即: Lw1=Lw一101gl 【f 1+— 1 10 一] 一1 J1. (1) 求出单缸或m个缸的燃烧噪声后,其它缸的燃 烧噪声就可以按此方法依次求出,最后通过各缸燃 烧噪声加和求出总的燃烧噪声。 研究所用发动机是4100QB型柴油机,为直列、 水冷、四冲程、直喷式发动机,额定功率为66.2 h, 额定转速为3 200 r/min,最大扭矩及其所对应的转 速分别为230 N・m和2 000~2 200 r/min.试验是 在半消声室内进行的,测试系统主要包括声级计、 V5302N双通道声学分析仪和相应的频谱分析软件 通过上述内容可以得到各缸燃烧噪声的大小分 别为: Lw1=99.65 dB(A);Lw2=97.38 dB(A); Lw3=98.48 dB(A);Lw4=97.05 dB(A). 则总的燃烧噪声和机械噪声可以得到: 燃烧噪声为Lw =104.28 dB(A),机械噪声为 Lw =105.66 dB(A). 这样燃烧噪声和机械噪声便通过部分缸熄火求 得。在总噪声中,根据能量关系,燃烧噪声占 42.1%,而机械噪声占57.8%.可见在中速中负荷 的工作状态下,机械噪声要比燃烧噪声大,通过下面 所进行的表面辐射噪声扫描也能看出来。 1.2近场扫描噪声源识别 在表面辐射噪声源识别技术中,比较成熟的是 声强测量技术。但进行声强测量需要专业的声强测 试设备,而且测试后的数据处理也比较繁琐。本次 对柴油机表面噪声进行扫描测试的实验是在消声室 中进行,可以采用声压代替声强进行表面辐射噪声 的识别_2 J。测试设备与进行整机声功率测量所用 的设备相同。在距发动机尽可能近的表面上对前、 左、右和顶四个面进行扫描测试。测量时发动机在 额定工况下运转,用探头逐点从左至右,从下至上拾 取发动机表面的噪声信号,将所测量的数据存到其 计算机硬盘里,然后用分析软件进行数据处理。通 过测试和处理,各测量面的等声级图用2D软件绘 制后示于图1的(a),(b),(C),(d)中。 从图中可以看出,在排气侧噪声最大的部位出 现在油底壳部位,其中油底壳中间部位噪声级达到 106.4 dB(A),而在油底壳深裙部噪声级达到106.7 dB(A),其它部位的噪声级与油底壳相比较小。缸 盖罩由于暴露在侧面的面积较小,所以噪声不是很 维普资讯 http://www.cqvip.com
第4期 柴油机噪声源的识别及降噪研究 589 (a)排气侧等声级图 (a)Sound pressure level(SPL)map ofexhaust side 1 0 1 .4-""7/ \103・8 l、104.2 一 (b)进气侧等声级图 (b)SPL map ofadmission side (C)前端面等声级图 (c)SPL map ofengine front {§l : 105 .8_== 三二土 ;1o§.4 (d)顶面等声级图 (d)SPL map ofengine top 图1各侧面扫描等声级图(单位:dB(A)) Fig.1 Sound pressure levd maps of engine sides(unit:dB(A)) 突出。 在进气侧,最大噪声出现在油底壳辐射部位,其 噪声声压级达到106.2 dB(A),而其他部位的噪声, 如机体,油泵及进气管等,要比油底壳噪声级小很 多,不是主要噪声辐射部位。 在前端,由于齿轮室罩属薄壁件,而且在曲轴自 由端与皮带轮连接处存在空隙,导致齿轮啮合噪声 很大。在噪声辐射最大处达到107.4 dB(A),这里 正是曲轴齿轮与惰轮啮合处。 在发动机顶面,缸盖罩同样属于薄壁件,其内部 还有配气机构,所以辐射的噪声也较大。 通过声压法对表面辐射噪声的识别可知,发动 机主要辐射噪声源是油底壳、缸盖罩和齿轮室罩,它 们的声压值高出其它噪声源很多。而在三者之中, 油底壳的表面积相对较大,在表面辐射噪声源中“贡 献”最大,所以要对这些部件进行改进才能使得整机 的噪声降低。 2柴油机降噪措施研究 针对噪声源识别结果,本次降噪研究从以下几 方面着手:调整供油提前角进行降低燃烧噪声的研 究;加装扭振减振器降低轴系激振力;改进油底壳以 抑制表面辐射噪声。 2.1供油提前角的调整 燃烧噪声起源于燃油在燃烧室中的压缩着火与 滞燃期内形成的可燃混合气的突然燃烧。燃烧噪声 与气缸内压力开始急剧上升期间的压力升高率有密 切关系,压力升高率愈高则燃烧噪声愈大l3]。对于 直喷式柴油机而言,减小供油提前角可以推迟供油, 缩短着火延迟期,使压力升高率下降,从而也可以使 燃烧噪声降低。在本次研究进行之初,进行了供油 提前角的选优工作,通过一系列试验,最终将供油提 前角由原来的上止点前(BTDC)17。曲轴转角(CA) 调整为BTDC 13。CA,并且动力性能并未发生变化, 噪声水平比较低。在低于BTDC13。CA的供油提前 角下,噪声水平低,但动力性能却发生很大变化。图 2为试验过程中不同供油提前角的噪声情况比较。 从图2中可以发现,减小供油提前角可以减小 噪声,不过这种减小不是无的,当供油提前角减 小到一定大小的时候,噪声不会再下降。所以对供 油提前角必须综合考虑噪声,动力性能以及排放特 性等进行合理的调整。 2.2降低轴系扭振 内燃机曲轴扭振能够导致机体结构噪声 J,而 维普资讯 http://www.cqvip.com
590 兵 工 学 报 第27卷 号 \ 槲 髁 粗 图2不同供油提前角的噪声结果比较 Fig.2 Noise comparison among different advanced angles 加装扭振减振器是降低轴系扭振的主要方法之一。 橡胶减振器的减振作用是利用橡胶的阻尼来达到 的,其作用机理为利用阻尼把扭转振动能量转变成 热能,从而抑制扭振 J。 本次试验就是将橡胶扭振减振器安装在曲轴自 由端,测量了曲轴自由端的扭振以及整机噪声,以辐 射噪声最小为目标寻找最优的扭振减振器。安装减 振器后,整个转速范围内可以降低噪声1~1.5 dB(A). 两者1/3倍频程的频谱比较见图3. 图3安装3号减振器前后的噪声1/3倍频程比较 Fig.3 1/3 octave SPL spectra with and without damper No.3 在图3中可以发现,两者100 I--Iz、160 t-Iz、200 Hz 等几个频率有较大差别,说明安装减振器后.能在某 些频率显著的降低扭振,从而使得辐射出的噪声也 变小了。 2.3改进油底壳 通过噪声源分析可以知道,噪声主要是通过油 底壳和齿轮室罩等薄壁件辐射出去的,所以对这些 薄壁件要重点研究[ 。原有油底壳侧面及底面有 加强筋,本次研究主要针对油底壳中间的平支撑板 进行了改进,将平支撑板形状改变为s形,并将其焊 接在油底壳四周,目的是增加对油底壳侧面的支撑, 增强整体刚度,提高模态频率,进而抑制油底壳呼吸 运动向外辐射的噪声。 改进油底壳前后整机噪声对比结果列于图4 中。从图中可以看出,改进后的油底壳取得了较好的 降噪作用,在3 200 r/min时,降噪量达到0.85 dB(A), 随着转速的下降,降噪量也变得比较大,最大的时候 能达到近1.5 dB(A)的降噪量,能够满足降噪的要 求,而且成本不会增加,达到经济又实用的目的。 § 鲁 \ 料 髁 粗 图4改进油底壳前后整机噪声对比 Fig.4 Compariosn of engine noise between before and after improving the shape of oil pan 3综合降噪效果评价 经过以上各种方法的试验,将各种改进全部在 机器上实现,并进行最终的噪声测试。所测得的噪 声与原机的比较列于图5中。 § 要 褂 粗 图5改进前后的噪声比较图 Fig.5 Noise compariosn between before and after all Of modifications 从图5中可以看出,改进前后噪声相差平均在 2 dB(A)左右,最大差值为2.24 dB(A).而通过倍频 程分析可知,改进后的整机噪声在各个频率段都取 得了一定的降噪效果,而两次试验的柴油机动力性 维普资讯 http://www.cqvip.com
第4期 柴油机噪声源的识别及降噪研究 591 能相差不大,改进前后扭矩测量值见图6所示。 通过以上比较可以发现,降噪所采取的各种措 施是得力的,能够满足降噪的要求。 芎 转速/(r・min- ) 图6改进前后的动力性能结果比较 Fig.6 Torque comparison between before and after all of modIfications 4结论 1)通过噪声源识别可以发现,中速中负荷情况 下,机械噪声要高于燃烧噪声,是降噪的重点;而通 过表面辐射噪声识别发现油底壳、缸盖罩等薄壁件 是降噪的重点。 2)降低柴油机内部激励可以从降低燃烧噪声 角度出发进行供油提前角的调整和采用合适的扭振 减振器,从而降低柴油机噪声。 3)对薄壁件进行改进可以抑制表面振动的发 生,从而使柴油机噪声得到降低。 4)综合采取以上各种降噪措施,能够使柴油机 整机噪声降低,但各种降噪措施单独所取得的降噪 量并不能够综合起来进行线性叠加,各种方法综合 应用涉及到参数匹配的问题,这在降噪研究中尤为 重要。 参考文献(References) [1]LIU Yue—hui.HAO Zhi.yong.BI Feng—rong,et a1.Engine noise source identification with different methods[J].Transaction of Tianjin University。2002。8:174—177. [2]陈步达。王诗思,周孔亢.车辆主要噪声源识别方法的研究 [J].机械工程学报。1999。33(6):77~80. CHEN Bu.da。WANG Shi—si。ZHOU Kong—kang.Study of iden— tification methods of main noise sources of a vehicle[J].Journal of Mechanical Engineering。1999.33(6):77—80.(in Chinese) [3]French C C J.Advanced techniques for engine research and design [J].Proc Instn Mechs Engrs,1989。203(D2):169—183. [4]薛冬新。宋希庚.曲轴扭转振动导致的内燃机噪声[J].大连理 工大学学报.1996。36(5):576—580. XUE Dong—xin。SONG Xi—geng.Engine noise resulting from crankshaft torsional vibrations[J].Journal of Dahan University of Technology,1996,36(5):576—580.(inChinese) [5]张.船舶柴油机装置扭转振动事故及预防[M].北京:人 民交通出版社。1985. ZHANG Gong—an.Axial vibration of motorship shaft[M].Bei— jing:People’S Communication Press.1985.(in Chinese) [6]Shigehiro Usuda.Masaya Otsuka。Masahisa Nagat.Noise and vi- bration reduction of newly developed 3.01 direct injection diesel engine[J].JSAE Review。2002。23:285—289.