活塞偏心量、連桿大頭油孔及活塞冷卻噴嘴對(duì)怠速敲缸噪聲的影響

張昕

【摘要】通過(guò)研究某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速敲缸噪聲，總結(jié)了活塞總成系統(tǒng)的噪聲分類，研究了活塞偏心量、連桿大頭油孔以及活塞冷卻噴嘴對(duì)怠速敲缸噪聲的影響。

【關(guān)鍵詞】怠速；敲缸；噪聲；活塞偏心量；連桿大頭油孔；活塞冷卻噴嘴

Affect the amount of eccentricity piston， connecting rod and piston cooling nozzles bulk hole knocking noise on idle

Zhang Xin

（Hebei Zhicheng Construction Co.， Ltd Handan Hebei 056000）

【Abstract】By studying the idle noise of a supercharged engine knock， summed up the noise classification system piston assembly， piston eccentric amount of research， the impact of the connecting rod and piston cooling nozzle hole knock on idle noise.

【Key words】Idle； knock；Noise；Piston eccentric amount；Connecting rod hole；Piston cooling nozzles

1. 前言

（1）隨著能源與污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重以及排放法規(guī)的逐漸嚴(yán)格，近年來(lái)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。進(jìn)氣增壓有效地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量、功率、扭矩以及燃油熱效率，但是隨著進(jìn)氣量和進(jìn)氣壓力的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒壓力大幅度提高，活塞總成所受氣體力越來(lái)越大，在上下止點(diǎn)換向時(shí)所受的側(cè)向力也急劇增大，極易產(chǎn)生敲缸噪聲。同時(shí)，燃燒壓力的增加和燃燒溫度的提高對(duì)活塞的冷卻也提出了更高的要求，而活塞冷卻噴嘴作為低成本的最有效的活塞冷卻方式被廣泛應(yīng)用于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。盡管增壓發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于燃油消耗的改善起到了積極作用，但是由燃燒壓力和溫度提高導(dǎo)致的噪聲以及冷卻問(wèn)題也亟待優(yōu)化。怠速噪聲產(chǎn)生的原因復(fù)雜，涉及的零件多，包括活塞、活塞銷、連桿、缸體、冷卻噴嘴等。

（2）國(guó)內(nèi)外對(duì)活塞總成本身結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的噪聲研究很多：文獻(xiàn)^[1]闡述了產(chǎn)生活塞銷與連桿小頭敲擊噪聲的兩種機(jī)制，即由于活塞銷與連桿小頭間隙過(guò)大以及連桿小頭圓度、圓柱度等不當(dāng)引起的噪聲；文獻(xiàn)^[2]對(duì)活塞以及活塞銷產(chǎn)生的所有噪聲進(jìn)行了較全面的研究和歸類；但是到目前為止，鮮有文獻(xiàn)報(bào)道冷卻噴嘴以及油膜形成對(duì)活塞系統(tǒng)噪聲的影響，僅Yasuo Miura等人通過(guò)特殊的試驗(yàn)裝置精確控制活塞與缸壁之間的潤(rùn)滑油量，研究了潤(rùn)滑油量對(duì)活塞敲缸噪聲的影響^[3]。

（3）本研究通過(guò)對(duì)某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，明確了活塞偏心量、連桿大頭油孔以及冷卻噴嘴對(duì)怠速敲缸噪聲的影響。

2. 活塞系統(tǒng)噪聲分類

一般活塞系統(tǒng)的噪聲主要包括活塞銷與連桿小頭撞擊產(chǎn)生的噪聲、活塞次推力面敲擊缸壁產(chǎn)生的噪聲、活塞主推力面敲擊缸壁產(chǎn)生的噪聲。不同噪聲產(chǎn)生的示意見(jiàn)圖1。

2.1 活塞銷與連桿小頭撞擊噪聲。

（1）活塞銷與連桿小頭撞擊產(chǎn)生的噪聲一般稱為Ticking，活塞銷Ticking是活塞銷在壓縮行程上止點(diǎn)附近時(shí)，撞擊連桿小頭產(chǎn)生，一般發(fā)生在轉(zhuǎn)速為600～1000r/min，怠速無(wú)負(fù)荷情況下，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為壓縮上止點(diǎn)前30。。一般倒拖工況下也存在該噪聲，并且該噪聲對(duì)溫度很敏感，冷起動(dòng)時(shí)最明顯。

（2）活塞銷Ticking產(chǎn)生原因主要是由于活塞銷與連桿小頭的配合間隙過(guò)大或者二者間的潤(rùn)滑不足，油膜厚度不足。

2.2 活塞次推力面敲缸噪聲。

（1）活塞次推力面敲擊缸壁產(chǎn)生的噪聲稱為Rattling，一般是指活塞頭部或者裙部在壓縮上止點(diǎn)前由于慣性力作用由主推力面接觸缸壁轉(zhuǎn)換到次推力面接觸缸壁，轉(zhuǎn)換時(shí)橫向撞擊缸壁導(dǎo)致。圖2示出了活塞推力面敲擊缸壁噪聲發(fā)生時(shí)刻。通過(guò)圖2有限元?jiǎng)恿W(xué)分析也可以看到，活塞次推力面敲擊缸壁的側(cè)向力在壓縮上止點(diǎn)前達(dá)到最大，此時(shí)極易導(dǎo)致次推力面敲擊缸壁產(chǎn)生噪聲。

（2）Rattling異響基本發(fā)生在冷機(jī)、中低負(fù)荷且轉(zhuǎn)速高于2500 r/min時(shí)。通過(guò)在缸體上安裝加速傳感器測(cè)量缸壁加速度信號(hào)，可知Rattling基本發(fā)生在點(diǎn)火上止點(diǎn)前150到點(diǎn)火上止點(diǎn)后50。

2.3 活塞主推力面敲缸噪聲。

（1）活塞主推力面敲擊缸壁產(chǎn)生的噪聲稱為Crocking或者Slapping，一般是指點(diǎn)火上止點(diǎn)后近活塞裙部在氣體力的作用下，活塞所受側(cè)向氣體力從次推力面轉(zhuǎn)向主推力面，導(dǎo)致活塞繞裙部旋轉(zhuǎn)，主推力面?zhèn)认蚯脫舾妆谠斐?。點(diǎn)火后，缸壓急劇增大，活塞換向所受的側(cè)向力很大，活塞敲擊缸壁的噪聲很大，這是活塞敲缸的主要關(guān)注點(diǎn)。通過(guò)圖2有限元?jiǎng)恿W(xué)分析也可以看到，活塞主推力面敲擊缸壁的側(cè)向力在點(diǎn)火上止點(diǎn)后達(dá)到最大，此時(shí)極易導(dǎo)致主推力面敲擊缸壁產(chǎn)生噪聲^[4]。

（2）Crocking聲音比較低沉，一般發(fā)生在轉(zhuǎn)速低于2000 r/min時(shí)。通過(guò)在缸體上安裝加速傳感器測(cè)量到的缸壁加速度信號(hào)，可以看出Crocking基本發(fā)生在點(diǎn)火上止點(diǎn)后10°～25°。

3. 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及噪聲確認(rèn)

3.1 本研究所選用的發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.4 L，缸徑為73.8 mm，活塞偏心量為0.4 mm。該發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)存在嚴(yán)重的缸內(nèi)噪聲，在駕駛室內(nèi)噪聲明顯。如果直接采集活塞敲缸噪聲的聲級(jí)，會(huì)被背景噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音干擾，影響測(cè)量的精度和數(shù)據(jù)分析結(jié)果。因此，在缸體上安裝振動(dòng)加速度傳感器，通過(guò)測(cè)量活塞敲擊缸壁引起缸壁振動(dòng)來(lái)評(píng)價(jià)噪聲的強(qiáng)度。根據(jù)式（1）可對(duì)噪聲聲級(jí)與缸體振動(dòng)加速度相互轉(zhuǎn)換：endprint