前言

    噪聲是工業(yè)社會(huì)帶來(lái)的副產(chǎn)品，它與大氣污染和水污染一起被認(rèn)為是當(dāng)今世界三大公害。與其他兩個(gè)公害相比，噪聲的影響面最廣，感覺最直接，人們反映也最多。汽車作為一種主要的交通工具日益普及和增長(zhǎng)，因而汽車噪聲所造成的環(huán)境污染也日益嚴(yán)重。汽車噪聲中由于發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲占很大一部分，因此研究發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理以及噪聲控制的措施在汽車噪聲控制中顯得尤為重要。

    1 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲控制

    直接從發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體及其主要附件向空間傳出的聲音，都屬于發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲隨機(jī)型、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及運(yùn)行情況等的不同而有差異，如在轉(zhuǎn)速相同的條件下，柴油機(jī)的噪聲要比汽油機(jī)高。按噪聲產(chǎn)生的性質(zhì)，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲可分為燃燒噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲。下面主要介紹各種噪聲產(chǎn)生的成因以及一些具體的降噪措施。

    1.1燃燒噪音

    1.1.1燃燒噪聲產(chǎn)生機(jī)理

    燃燒噪聲是由于氣缸內(nèi)周期變化的氣體壓力的作用而產(chǎn)生的。它主要取決于燃燒的方式和燃燒的速度。在汽油機(jī)中，如果發(fā)生爆燃和表面點(diǎn)火等不正常燃燒時(shí)，將產(chǎn)生較大的燃燒噪聲。柴油機(jī)的燃燒噪聲是由于燃燒室內(nèi)氣壓急劇上升，致使發(fā)動(dòng)機(jī)各部件振動(dòng)而引起的噪聲。一般來(lái)說(shuō)，柴油機(jī)噪聲比汽油機(jī)的噪聲高得多，因此在這里主要以柴油機(jī)為例來(lái)說(shuō)明如何降低燃燒噪聲。

    1.1.2燃燒噪聲的控制策略

    在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒噪聲在總噪聲中占有很大比例，研究如何降低其燃燒噪聲具有特別重要的意義。目前所研究出的降噪措施主要有：

    (1)采用隔熱活塞以提高燃燒室壁溫度，縮短滯燃期，降低空間霧化燃燒系統(tǒng)的直噴式柴油機(jī)的燃燒噪聲。

    (2)提高壓縮比和應(yīng)用廢氣再循環(huán)技術(shù)也可降低柴油機(jī)的燃燒噪聲。但壓縮比主要決定了柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷與熱負(fù)荷水平。廢氣再循環(huán)技術(shù)通過降低氣缸最高壓力，在抑制NOx產(chǎn)生的同時(shí)，也降低了燃燒噪聲。

    (3)采用雙彈簧噴油閥實(shí)現(xiàn)預(yù)噴。即將原本打算一個(gè)循環(huán)一次噴完的燃油分兩次噴。第一次先噴入其中的小部分，提前在主噴之前就開始進(jìn)行著火的預(yù)反應(yīng)，這樣可減少滯燃期內(nèi)積聚的可燃混合氣數(shù)量。這是降低直噴式柴油機(jī)燃燒噪聲的最有效措施。通過降低雙彈簧噴油器初次開啟壓力和針閥的預(yù)升程來(lái)抑制空氣和燃料混合氣的形成，以此對(duì)怠速工況的燃燒噪聲產(chǎn)生影響。通過設(shè)計(jì)兩段升程裝置，采用引燃噴射裝置在較大的轉(zhuǎn)速范圍及加速情況下來(lái)抑制燃燒噪聲。

    (4)共軌噴油系統(tǒng)是一種很有前途的直噴式轎車柴油機(jī)電子控制高壓燃油噴射系統(tǒng)，它能減少滯燃期內(nèi)噴入的燃油量，特別有利于降低燃燒噪聲。

    (5)采用增壓。柴油機(jī)增壓后進(jìn)入氣缸的空氣充量密度、溫度和壓力增加，從而改善了混合氣的著火條件，使著火延遲期縮短。雖然增壓柴油機(jī)最大爆發(fā)壓力有所增加，但其壓力增長(zhǎng)率dp/dφ和壓力升高比λ卻變小，使柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲降低。此外，一般來(lái)說(shuō)，渦輪增壓柴油機(jī)最大額定功率的轉(zhuǎn)速要比同樣氣缸尺寸的非增壓柴油機(jī)低，有利于降低燃燒噪聲。增壓空氣中間冷卻后，空氣溫度降低，充氣效率得以提高，但同時(shí)也削弱了增壓對(duì)降低燃燒噪聲的作用。

    (6)燃燒室的選擇和設(shè)計(jì)。對(duì)于分開式燃燒室，精確的噴油通道、擴(kuò)大通道面積、控制噴射方向和預(yù)燃室進(jìn)氣渦流半徑的優(yōu)化，均能抑制預(yù)混合燃燒，促進(jìn)擴(kuò)散燃燒，從而降低由低負(fù)荷到高負(fù)荷較寬范圍的燃燒噪聲、燃油消耗和碳煙排放。

    對(duì)于直噴式燃燒室，可以通過合理設(shè)計(jì)，使其在保證足夠的渦流下具有高紊動(dòng)能，強(qiáng)化燃料與空氣之間的擴(kuò)散，以此來(lái)改善燃燒過程，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)低油耗、低噪聲和低排放。

    活塞頂燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒噪聲有很大影響。孔口較小、深度較深者，燃燒噪聲就小得多，排放也明顯較好。再加上縮口形，減噪效果就更趨好轉(zhuǎn)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)在變動(dòng)許可范圍內(nèi)，最好選用縮口并盡可能加深些的ω形燃燒室。

    (7)減小供油提前角。供油提前角小，噴油時(shí)間延遲，氣缸內(nèi)溫度和壓力在燃油噴入時(shí)較高，燃油一經(jīng)噴入即霧化，瞬間達(dá)到著火點(diǎn)，縮短了滯燃期。最先噴入的燃油爆發(fā)燃燒，而后續(xù)噴入火焰中的燃油因氧氣不足而不會(huì)立即燃燒，這樣，由于初期燃燒的燃油量少，壓力升高率低，可使燃燒噪聲減小。大多數(shù)柴油機(jī)的燃燒噪聲隨供油提前角的減小而有所降低。

    (8)選用十六烷值高的燃料，著火延遲期較短，從而影響在著火延遲期內(nèi)形成的可燃混合氣數(shù)量，使壓力升高率降低和減小燃燒噪聲。

    1.2機(jī)械噪聲

    機(jī)械噪聲是由于運(yùn)動(dòng)件之間以及運(yùn)動(dòng)件與固定件之間周期性變化的機(jī)械運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，它與激發(fā)力的大小、運(yùn)動(dòng)件的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。主要有活塞敲擊噪聲和氣門機(jī)械噪聲。

    1.2.1活塞敲擊噪聲

    發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，活塞在上、下止點(diǎn)附近受側(cè)向力作用產(chǎn)生一個(gè)由一側(cè)向另一側(cè)的橫向移動(dòng)，從而形成活塞對(duì)缸壁的強(qiáng)烈敲擊，產(chǎn)生了活塞敲擊噪聲。產(chǎn)生敲擊的主要原因是活塞與氣缸套之間存在間隙，以及作用在活塞上的氣體壓力。

    降低活塞敲擊噪聲的措施有：

    (1)采取活塞銷孔偏置，即將活塞銷孔適當(dāng)?shù)爻魍屏γ嫫?～2mm。

    (2)采用在活塞裙部開橫向隔熱槽，活塞銷座鑲調(diào)節(jié)鋼件，裙部鑲鋼筒，采用橢圓錐體裙等方式來(lái)減小活塞40℃冷態(tài)配缸間隙。

    (3)增加缸套的剛度，不僅可以降低活塞的敲擊聲，也可以降低因活塞與缸壁摩擦而產(chǎn)生的噪聲。為了增加缸套的剛度，可采用增加缸套厚度或帶加強(qiáng)肋的方法。

    (4)改進(jìn)活塞和氣缸壁之間的潤(rùn)滑狀況，增加活塞敲擊缸壁時(shí)的阻尼，也可以減小活塞敲擊噪聲。例如在D=180mm單缸試驗(yàn)機(jī)上，采用專用潤(rùn)滑油噴向氣缸壁上供給機(jī)油，結(jié)果使機(jī)體的振動(dòng)降低6dB(A)。顯然，這種措施在實(shí)用上是受到限制的。近來(lái)，日本丸能源公司研制成功含有陶瓷微粒的新型潤(rùn)滑劑，在氣缸金屬表面上形成“陶瓷薄膜”，防止金屬直接接觸。因此在降低摩擦噪聲的同時(shí)，還可改善潤(rùn)滑性能，節(jié)約燃料，提高使用壽命。

    1.2.2傳動(dòng)齒輪噪聲

    傳動(dòng)齒輪的噪聲是齒輪嚙合過程中齒與齒之間的撞擊和摩擦產(chǎn)生的。在內(nèi)燃機(jī)上，齒輪承載著交變的動(dòng)負(fù)荷，這種動(dòng)負(fù)荷會(huì)使軸產(chǎn)生變形，并通過軸在軸承上引起動(dòng)負(fù)荷，軸承的動(dòng)負(fù)荷又傳給發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和齒輪室殼體，使殼體激發(fā)出噪聲。此外，曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)也會(huì)破壞齒輪的正常嚙合而激發(fā)出噪聲。傳動(dòng)齒輪噪聲與齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)型式、加工精度、齒輪材料配對(duì)、齒輪室結(jié)構(gòu)以及運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)有關(guān)。

    降低傳動(dòng)齒輪噪聲的措施有：

    (1)控制齒輪齒形，提高齒輪加工精度，減小齒輪嚙合間隙，即降低齒輪嚙合時(shí)相互撞擊的能量，從而降低齒輪嚙合傳動(dòng)噪聲。

    (2)采用新材料，如高阻尼的工程塑料齒輪，采用工程塑料齒輪代替原鋼制齒輪后，整機(jī)噪聲降低約0.5dB(A)左右，效果明顯。

    (3)合理布置齒輪傳動(dòng)系位置，如將正時(shí)齒輪布置在飛輪端，可有效減少曲軸系扭振對(duì)齒輪振動(dòng)的影響。

    (4)采用正時(shí)齒形同步帶傳動(dòng)代替正時(shí)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，可明顯降低噪聲。

    1.2.3降低配氣機(jī)構(gòu)噪聲

    內(nèi)燃機(jī)大都采用凸輪、氣門配氣機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)中包括凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂、氣門等零件。配氣機(jī)構(gòu)中零件多、剛度差，在運(yùn)動(dòng)中易于激起振動(dòng)和噪聲，包括氣門和氣門座的撞擊，由氣門間隙引起的傳動(dòng)撞擊，挺柱和凸輪工作面之間的摩擦振動(dòng)，高速時(shí)氣門不規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的噪聲。配氣機(jī)構(gòu)噪聲與氣門機(jī)構(gòu)的型式、氣門間隙、氣門落座速度、材料、凸輪型線、凸輪和挺柱的潤(rùn)滑狀態(tài)、內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。

    降低配氣機(jī)構(gòu)噪聲的措施主要有：

    (1)良好的潤(rùn)滑能減少摩擦，降低摩擦噪聲。推薦怠速時(shí)凸輪與挺柱間的最小油膜厚度2Lm，1000r/min時(shí)最小油膜厚度為3Lm。凸輪轉(zhuǎn)速越高，油膜越厚。所以內(nèi)燃機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，配氣機(jī)構(gòu)的摩擦振動(dòng)和噪聲就不突出了。

    (2)減少氣門間隙可減少搖臂與氣門之間的撞擊，但不能使氣門間隙太小。采用液力挺柱可以從根本上消除氣門間隙，降低噪聲。近年來(lái)還出現(xiàn)了氣門液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其噪聲更低。

    (3)縮短推桿長(zhǎng)度是減輕系統(tǒng)重量、提高剛度的有效措施，頂置式凸輪軸取消了推桿，對(duì)減少噪聲特別有利。

    1.3空氣動(dòng)力噪聲

    由于氣體擾動(dòng)以及氣體和其他物體相互作用而產(chǎn)生的噪聲稱為空氣動(dòng)力噪聲，在發(fā)動(dòng)機(jī)中，它包括進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲和風(fēng)扇噪聲。

    1.3.1進(jìn)氣噪聲

    發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，高速氣流經(jīng)空氣濾清器、進(jìn)氣管、氣門進(jìn)入氣缸、在此氣流流動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生一種強(qiáng)烈的空氣動(dòng)力噪聲，有時(shí)比發(fā)動(dòng)機(jī)本身噪聲高出5 dB(A)左右，成為僅次于排氣噪聲的主要噪聲源。該噪聲隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而增強(qiáng)，與負(fù)荷的變化無(wú)關(guān)，其成分主要包括：周期性壓力脈動(dòng)噪聲、渦流噪聲、氣缸的玄姆霍茲共振噪聲和進(jìn)氣管的氣柱共振噪聲。

    進(jìn)氣噪聲的控制策略主要是：

    (1)合理的設(shè)計(jì)和選用空氣濾清器。合理設(shè)計(jì)進(jìn)氣管道和氣缸蓋進(jìn)氣通道，減少進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)壓力脈動(dòng)的強(qiáng)度和氣門通道處的渦流強(qiáng)度。

    (2)引進(jìn)消聲措施。

    1.3.2排氣噪聲

    排氣噪聲主要在排氣開始時(shí)，廢氣以脈沖形式從排氣門縫隙排出，并迅速?gòu)呐艢饪跊_入大氣，形成能量很高、頻率很復(fù)雜的噪聲，包括基頻及其高次諧波的成分。該噪聲是汽車及發(fā)動(dòng)機(jī)中能量最大最主要的噪聲源，它的噪聲往往比發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲高10dB(A)～15dB(A)。除基頻噪聲及其高次諧波噪聲外，排氣噪聲還包括排氣總管和排氣歧管中存在的氣柱共振噪聲、氣門桿背部的渦流噪聲、排氣系統(tǒng)管道內(nèi)壁面的紊流噪聲等，此外，排氣噪聲還包括廢氣噴射和沖擊噪聲。
排氣噪聲的控制策略主要是：

    (1)從排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面入手，如合理設(shè)計(jì)排氣管的長(zhǎng)度與形狀，以避免氣流產(chǎn)生共振和減少渦流。

    (2)廢氣渦輪增壓器的應(yīng)用可降低排氣噪聲，但最有效的方法還是采用高消聲技術(shù)，使用低功率損耗和寬消聲頻率范圍的排氣消聲器。

    1.3.3風(fēng)扇噪聲

    風(fēng)扇噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)中不可忽視的噪聲源，尤其風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)更為突出，在高速全負(fù)荷時(shí)甚至和進(jìn)排氣噪聲不相上下。它主要是空氣動(dòng)力噪聲，由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流聲所組成。旋轉(zhuǎn)噪聲是由旋轉(zhuǎn)葉片周期性地打擊空氣質(zhì)點(diǎn)，引起空氣的壓力脈動(dòng)所產(chǎn)生的。渦流噪聲是由于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)使周圍的空氣產(chǎn)生渦流，這些渦流又因粘滯力的作用分裂成一系列獨(dú)立的小渦流，這些渦流和渦流的分裂會(huì)使空氣發(fā)生擾動(dòng)，形成壓力波動(dòng)，從而激發(fā)出的噪聲，渦流噪聲一般是寬頻帶噪聲。

    發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇噪聲在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)渦流噪聲占優(yōu)勢(shì)，高速時(shí)旋轉(zhuǎn)噪聲占優(yōu)勢(shì)，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越高，直徑越大，風(fēng)扇的扇風(fēng)量就越大，其噪聲也越高；風(fēng)扇的效率越低，消耗功率越大，風(fēng)扇噪聲越大。

    風(fēng)扇噪聲的控制策略主要是：

    (1)適當(dāng)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，風(fēng)扇噪聲隨轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)遠(yuǎn)比其他噪聲大。在冷卻要求已定的條件下，為降低轉(zhuǎn)速，可在結(jié)構(gòu)尺寸允許的范圍內(nèi)，適當(dāng)加大風(fēng)扇直徑或者增加葉片數(shù)目；充分運(yùn)用流體力學(xué)理論設(shè)計(jì)高效率的風(fēng)扇，就可能在保證冷卻風(fēng)量和風(fēng)壓的前提下降低轉(zhuǎn)速。

    (2)采用葉片不均勻分布的風(fēng)扇，葉片均勻分布往往會(huì)產(chǎn)生一些聲壓級(jí)很高的有調(diào)節(jié)器成分。當(dāng)葉片不均勻布置后，一般可降低風(fēng)扇中那些突出的線狀頻譜成分，使噪聲頻譜較為平滑。

    (3)用塑料風(fēng)扇代替鋼板風(fēng)扇，能達(dá)到降低噪聲和減少風(fēng)扇消耗功率的效果，但目前成本還稍高于鋼板風(fēng)扇。國(guó)外中小功率內(nèi)燃機(jī)已普遍采用塑料風(fēng)扇。還可采用一種安裝角可以變化的“柔性風(fēng)扇”，這種風(fēng)扇葉片用很薄的鋼板或塑料制造，當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速提高后，由于空氣動(dòng)力的作用，葉片扭轉(zhuǎn)變平(安裝角變小)，于是風(fēng)扇消耗功率和噪聲都減小；轉(zhuǎn)速降低時(shí)，由于空氣動(dòng)力作用小，葉片的扭轉(zhuǎn)變小，保證了足夠的風(fēng)量。

    (4)在車用內(nèi)燃機(jī)上采用風(fēng)扇自動(dòng)離合器，試驗(yàn)表明，在汽車行駛中，需要風(fēng)扇工作的時(shí)間一般不到10％。因此，裝用風(fēng)扇離合器不僅可使內(nèi)燃機(jī)經(jīng)常處在適宜溫度下工作和減少功率消耗，同時(shí)還能達(dá)到降噪的效果。

    (5)風(fēng)扇和散熱器系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)。諸如發(fā)動(dòng)機(jī)和風(fēng)扇的距離、風(fēng)扇與散熱器的距離、風(fēng)扇和風(fēng)扇護(hù)罩的位置及護(hù)罩的形狀、空氣通過散熱器的阻力等都會(huì)對(duì)冷卻風(fēng)量的充分利用產(chǎn)生影響。合理布置和設(shè)計(jì)都有可能達(dá)到降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的目的。

    2 結(jié)束語(yǔ)

    綜上所述，影響汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的因素多種多樣，單靠采用某一種降噪方法很難大幅度地把噪聲降低下來(lái)，要降低汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，應(yīng)從發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的噪聲源、傳播途徑等方面入手，明確降噪的對(duì)象和目標(biāo)，通過綜合考慮，采取各種技術(shù)手段，在一定程度上可有效地控制和降低燃燒噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲，達(dá)到降低汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的目的。

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