某发动机机械噪声分解
摘要：本文通过对某国六汽油机进行机械噪声分解试验，提出了较为通用的发动机机械噪声分解方法，得到了各运动件占整机噪声的占比和频谱，为发动机机械噪声研究积累了相应的经验以及发动机的机械噪声优化指明了方向。随着顾客对整车舒适性的要求越来越严苛，整车噪声表现的好坏已成为评价整车性能的一项重要指标。而发动机作为整车的核心部件，对整车噪声的综合表现起到决定性的作用，因此做好发动机噪声的评价和优化，是各大主机厂的基础工作和核心工作。发动机的噪声主要分为燃烧噪声、机械噪声和空气动力噪声[1]。空气动力噪声主要有风扇噪声、进排气噪声等，而工程上在对发动机噪声评价时，一般是将发动机的风扇拆除、进排气噪声进行屏蔽，所以研究发动机的噪声一般只包括两个方面：燃烧噪声与机械噪声[2]。燃烧噪声是指气缸内燃烧所形成的压力振动通过缸盖、活塞—连杆—曲轴—机体向外辐射的噪声，与燃烧的恶劣程度强相关[3]。机械噪声主要是活塞敲击噪声、配气机构气门回弹噪声、附件噪声、正时系统噪声、机油泵系统噪声等，与发动机的转速呈正相关，转速越高机械噪声越大[3]。由某国六汽油机噪声map 图可知：该发动机80%负荷以下，机械噪声能量占总噪声能量70%以上。机械噪声占比过大，会导致发动机噪声频率复杂，声音嘈杂，尤其是整车在低负荷、轻油门状态运行时，发动机噪声由以机械噪声为主，严重影响声品质和乘客主观感受，引起顾客抱怨。本文以该款小排量国六汽油机为例，对其机械噪声进行分解、研究，为发动机机械噪声研究积累相应的经验，为机械噪声优化打下基础。发动机机械件结构、噪声测试示意图，如图1、图2所示。通过表1 所示步骤，依次拆除前端附件、削凸轮轴桃尖、拆正时链条、拆活塞连杆等方式，试验测试、计算得到各运动件的噪声贡献，可实现关键零部件噪声的分离。通过试验1，获得0%负荷完整状态下发动机四方平均噪声声压值，记为P1。通过试验2，获得0%负荷，附件系统不工作状态下发动机四方平均噪声声压值，记为P2。通过试验3，获得0%负荷，附件系统、配气机构系统不工作状态下发动机四方平均噪声声压值，记为P3。通过试验4，获得0%负荷，附件系统、配气机构系统、正时系统不工作状态下发动机四方平均噪声声压值，记为P4。通过试验5，获得0%负荷，附件系统、配气机构系统、正时系统、活塞连杆系统不工作状态下发动机四方平均噪声声压值，记为P5。以某国六小排量汽油机为例，通过以上方法试验后，得到各状态下，整机噪声值，如图3 所示；计算得到各系统噪声值能量贡献，如图4 所示。由图4 可知，发动机机械噪声中，活塞连杆、前端附件、配气机构、正时系统、机油泵等运动件工作噪声较突出，运动件噪声贡献占机械噪声90%以上。其中，活塞连杆噪声占比20-50%、配气机构噪声占比0-40%、附件噪声占比10-25%、机油泵噪声占比10-15%；低转速段活塞连杆、配气机构噪声对整机噪声影响较大。如图5 所示，拆除附件皮带，发动机噪声平均降低0-1.5dB（A），附件噪声对前方、进气侧噪声影响较大。附件噪声主要为发电机噪声：发电机爪极（15.78/31.56/47.34/63.12）阶次噪声、前风扇气流阶次噪声（28.93）、后风扇气流阶次噪声（26.3）。如图6 所示，配气机构不工作，能有效降低发动机四方平均噪声0-2dB（A），配气机构噪声对发动机中低转速段（1000-3500rpm）噪声影响较大。如图7 和图8 所示，配气机构噪声主要为0.5 倍谐阶次噪声和气门撞击缸盖产生的宽频结构共振辐射噪声。从图9 可以看出，气门撞击缸盖产生的宽频结构共振辐射噪声是配气机构的主要噪声源；配气机构产生的0.5倍谐阶次噪声对发动机总噪声基本无影响。如图10 所示，拆除正时链条，正时驱动系统不工作，能有效降低发动机四方平均噪声0-2dB（A），正时系统噪声对发动机中低转速段（1000-3500rpm）噪声影响较大。如图11 所示，正时链条噪声主要为宽频摩擦噪声，无明显阶次噪声（23 阶次）。如图12 所示，拆除活塞连杆，能有效降低发动机四方平均噪声5-7dB（A），活塞连杆运动噪声对四方噪声贡献较大，是发动机机械噪声的主要噪声源。如图13 和图14 所示，活塞连杆噪声主要包括阶次噪声和活塞运动激励起的缸体共振辐射噪声；3300rpm 以下以共振辐射噪声为主，3300rpm 以上以阶次噪声为主。如图15 所示，机油泵阶次噪声较突出（基频10），机油泵噪声对发动机前方、进气侧噪声影响较大。由上文研究可知，该国六小型汽油机机械噪声分解结论如下：淤发动机机械噪声中，活塞连杆、前端附件、配气机构、正时系统、机油泵等运动件工作噪声较突出，运动件噪声占机械噪声的90%以上。于活塞连杆噪声占比20-50%，对发动机四方噪声贡献均较大，影响发动机噪声5-7dB（A），是机械噪声的主要噪声源。3300rpm 以下以共振辐射噪声为主，3300rpm 以上以阶次噪声为主。盂配气机构噪声占比0-40%，对上方噪声贡献较大，影响发动机噪声0-2dB（A），是发动机中低转速段（1000-3500rpm）的主要噪声源之一，为气门落座敲击缸盖产生的宽频噪声。榆附件噪声占比10-25%，对前方、进气侧噪声贡献较大，影响发动机噪声0-1.5dB（A），主要为发电机风噪。虞正时系统噪声占比0-15%，对发动机中低转速段（1000-3500rpm）噪声影响较大，主要为宽频摩擦噪声，无明显阶次噪声（23阶次）。愚机油泵噪声占比10-15%，对发动机前方、进气侧噪声影响较大，主要表现为阶次噪声（基频10）。参考本文方法，可对该发动机外特性噪声进行分解，得到燃烧噪声与各子系统噪声的能量占比，为发动机整机噪声的声压级的优化提供方向，如图16 所示。作者单位：（中国汽车技术研究中心有限公司，天津300300）
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首次发布时间：2023-04-15
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