SC9D型柴油機(jī)降噪措施的研究與應(yīng)用

黃風(fēng)清，姜鋒（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

SC9D型柴油機(jī)降噪措施的研究與應(yīng)用

黃風(fēng)清，姜鋒
（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

一款SC9D型柴油機(jī)配套應(yīng)用于輪式裝載機(jī)，整車測試噪聲未能達(dá)到GB 16710第二階段限值的要求。為協(xié)助裝載機(jī)廠家降低整車噪聲，分別從柴油機(jī)噴油提前角、有效輸出功率、齒輪室罩蓋、曲軸減振器、冷卻風(fēng)扇及速比等6個方面對柴油機(jī)噪聲進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，采用經(jīng)過降噪設(shè)計的柴油機(jī)的裝載機(jī)整車噪聲由114.9 dB(A)降低至112.7 dB(A)，滿足了噪聲標(biāo)準(zhǔn)的要求。

裝載機(jī)柴油機(jī)噪聲

1 前言

內(nèi)燃機(jī)機(jī)動車對環(huán)境的影響，除了人們熟知的尾氣排放以外，噪聲也是一個不可忽視的因素，因此世界各國政府機(jī)構(gòu)或者行業(yè)組織都在不斷地制定、修訂相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，以降低噪聲對環(huán)境的影響。自20世紀(jì)50、60年代起，發(fā)達(dá)國家為滿足消費(fèi)者對舒適性的要求，降低車輛和發(fā)動機(jī)噪聲對城市環(huán)境造成的污染，就已制定了完善的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)來控制整車噪聲[1]。國內(nèi)關(guān)于道路用機(jī)動車和非道路用機(jī)械也多次發(fā)布相關(guān)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行過多次修訂，目前裝載機(jī)執(zhí)行的噪聲標(biāo)準(zhǔn)是2010年發(fā)布的GB 16710《土方機(jī)械噪聲限值》。

由于工程機(jī)械常在野外進(jìn)行施工作業(yè)以及駕駛?cè)藛T對噪聲要求不高，生產(chǎn)廠家往往對降噪設(shè)計投入的精力不夠，造成目前很多產(chǎn)品無法滿足新的噪聲標(biāo)準(zhǔn)的要求。柴油機(jī)作為整車的一個主要噪聲源，為了協(xié)助整車進(jìn)行降噪設(shè)計并達(dá)到噪聲標(biāo)準(zhǔn)的要求，本文將以一款配套50型裝載機(jī)的SC9D型柴油機(jī)為研究對象，展開降噪設(shè)計的應(yīng)用研究工作。

2 研究對象與目標(biāo)

本文研究的柴油機(jī)是為50型裝載機(jī)精心打造的一款專用動力裝置，具有動力強(qiáng)、油耗低、噪聲低、零部件集成化程度高等優(yōu)點(diǎn)，柴油機(jī)和裝載機(jī)的基本參數(shù)如表1和表2所示。

表1 柴油機(jī)基本參數(shù)

表2 50輪式裝載機(jī)基本參數(shù)

本文研究的輪胎式裝載機(jī)優(yōu)化前測得噪聲為114.9 dB(A)，根據(jù)目前執(zhí)行的噪聲標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，自2015年1月1日起土方機(jī)械執(zhí)行GB 16710第二階段的噪聲限值，該型裝載機(jī)對應(yīng)的噪聲限值為113 dB(A)，以此為目標(biāo)配合整車進(jìn)行降噪設(shè)計。

3 柴油機(jī)降噪設(shè)計與研究

柴油機(jī)的噪聲按輻射方式不同，可分為表面輻射噪聲和氣體動力噪聲。表面輻射噪聲包括燃燒噪聲和機(jī)械噪聲；氣體動力噪聲包括進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲和風(fēng)扇噪聲[2]。本文綜合考慮技術(shù)方案的成本、可靠性、替代便捷性等因素，將主要從以下幾個方面對柴油機(jī)噪聲進(jìn)行研究：（1）燃燒噪聲主要考慮不同噴油提前角及有效功率的影響；（2）機(jī)械噪聲主要考慮前齒輪室罩蓋及曲軸減振器的影響；（3）氣體動力噪聲主要考慮風(fēng)扇及其速比（速比=風(fēng)扇轉(zhuǎn)速/柴油機(jī)轉(zhuǎn)速）對噪聲的影響，其中進(jìn)氣噪聲和排氣噪聲不在本文的研究范圍內(nèi)。

原機(jī)及各降噪改進(jìn)方案的噪聲測量首先在半消聲噪聲試驗(yàn)臺架上按照GB/T 1859-2000《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測量工程法及簡易法》的要求進(jìn)行，然后綜合所有的降噪改進(jìn)方案構(gòu)造降噪型柴油機(jī)，將降噪優(yōu)化后的柴油機(jī)安裝至裝載機(jī)上進(jìn)行整車噪聲測試，并與原機(jī)測試結(jié)果進(jìn)行對比。圖1為柴油機(jī)噪聲測試臺架照片。

3.1 降低燃燒噪聲的改進(jìn)措施

（1）噴油提前角對柴油機(jī)噪聲的影響

燃燒噪聲來源于柴油在燃燒室中的壓縮著火與滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣的突然燃燒。燃燒噪聲與氣缸內(nèi)壓力急劇上升期間的壓力升高率有密切關(guān)系，壓力升高率越高則燃燒噪聲越大。對于直噴式柴油機(jī)而言，減小噴油提前角可以縮短著火延遲期，使得壓力升高率下降，進(jìn)而使燃燒噪聲降低。從柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動力性方面考慮，噴油提前角的減小有可能會使柴油機(jī)的油耗惡化及動力性變差。綜合考慮各項性能指標(biāo)的要求，本文分別選定柴油機(jī)噴油提前角為17.5℃A、14.5℃A和11.5℃A進(jìn)行研究，測試結(jié)果見表3。

圖1 柴油機(jī)半消聲試驗(yàn)臺架

表3 不同噴油提前角的噪聲結(jié)果比較

在額定工況，噴油提前角由17.5℃A減小至11.5℃A時，柴油機(jī)聲功率級噪聲降低0.9 dB(A)，降噪效果較為明顯。

（2）有效輸出功率對柴油機(jī)噪聲的影響

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)及其他同行的研究成果[3]，柴油機(jī)的噪聲大小與柴油機(jī)有效輸出功率存在正比的關(guān)系。結(jié)合本文研究的對象應(yīng)用在裝載機(jī)上的常用的功率范圍，確定了4個功率檔次進(jìn)行柴油機(jī)噪聲的測試與研究，標(biāo)定功率分別為150～177 kW，測試結(jié)果見表4。

由表中結(jié)果可見，當(dāng)柴油機(jī)功率從150 kW升高至177 kW時，柴油機(jī)噪聲增加了1.7 dB(A)，研究結(jié)果表明，柴油機(jī)功率對噪聲的影響較大。在噪聲要求越來越嚴(yán)格的現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，生產(chǎn)過程中需要加強(qiáng)對柴油機(jī)功率一致性進(jìn)行控制，這樣才能保證柴油機(jī)噪聲的一致性。

表4 不同柴油機(jī)功率的噪聲結(jié)果比較

3.2 降低機(jī)械噪聲的改進(jìn)措施

（1）前齒輪室罩蓋對柴油機(jī)噪聲的影響

對柴油機(jī)外圍薄壁零件進(jìn)行覆蓋屏蔽是降低柴油機(jī)噪聲的一種簡單有效的方法，對此國內(nèi)科研院校及企業(yè)均有較多的研究。如對齒輪室罩蓋、缸蓋罩殼、油底殼等零部件附加自由阻尼與復(fù)合阻尼進(jìn)行噪聲輻射的研究[4]；對薄壁零件增加加強(qiáng)筋進(jìn)行噪聲的研究[5-8]；對不同材料制成的缸蓋罩殼進(jìn)行噪聲的研究[9]等。本文從前齒輪室罩蓋材料選擇上進(jìn)行降噪優(yōu)化，罩蓋材料選用復(fù)合鋼板，在兩層鋼板之間增加橡膠涂層。采用復(fù)合鋼板罩蓋前后的柴油機(jī)外特性噪聲測試結(jié)果見表5。

表5 齒輪室罩蓋對柴油機(jī)噪聲的影響

試驗(yàn)時噴油提前角為14.5℃A，試驗(yàn)結(jié)果表明，僅更換復(fù)合鋼板齒輪室罩蓋后，柴油機(jī)額定工況的噪聲降低了0.5 dB(A)。

（2）曲軸減振器對柴油機(jī)噪聲的影響

柴油機(jī)曲軸扭振會導(dǎo)致機(jī)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生噪聲[10]，而加裝扭振減振器是降低曲軸扭振的主要方法之一。本文將分別選用橡膠減振器和硅油減振器對柴油機(jī)的噪聲進(jìn)行對比試驗(yàn)研究。橡膠減振器的減振作用是利用橡膠的阻尼來達(dá)到的，而硅油減振器的減振則是利用硅油的壓縮彈性進(jìn)行減振緩沖來達(dá)到的，其作用機(jī)理均為利用阻尼把扭振動能量轉(zhuǎn)變成熱能，從而抑制扭振。兩種減振器方案的測試結(jié)果見表6。

除減振器不一致以外，柴油機(jī)其他參數(shù)均相同。測試結(jié)果表明，更換硅油減振器后，額定工況的噪聲降低了0.6 dB(A)。

3.3 降低風(fēng)扇噪聲的改進(jìn)措施

表6 不同減振器對柴油機(jī)噪聲的影響

對于工程機(jī)械，氣動噪聲以往受到的關(guān)注較小，但是近年來受到噪聲標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格以及提升產(chǎn)品綜合性能需求的影響，氣動噪聲也越來越被重視。實(shí)踐表明，工程機(jī)械的柴油機(jī)艙內(nèi)冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的噪聲最為明顯。冷卻風(fēng)扇噪聲中最主要的成分是由于空氣流動而產(chǎn)生的空氣動力噪聲，因此從風(fēng)扇葉型與葉片數(shù)量的設(shè)計優(yōu)化以及風(fēng)扇速比降低等兩個方面開展噪聲優(yōu)化工作，優(yōu)化后風(fēng)扇葉片更符合空氣動力學(xué)的要求，風(fēng)扇葉片數(shù)量由10片調(diào)整至9片，風(fēng)扇速比也由0.87降低至0.76，以降低冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的空氣動力噪聲，但是風(fēng)扇的風(fēng)量并不下降。風(fēng)扇優(yōu)化前后的照片見圖2。

圖2 風(fēng)扇優(yōu)化前后實(shí)物對比圖

由于噪聲傳感器對風(fēng)速的影響比較敏感，風(fēng)扇的臺架噪聲測試無法按照GB/T 1859-2000的要求進(jìn)行測試。風(fēng)扇噪聲將按照J(rèn)B/T 6723.4-2008《內(nèi)燃機(jī)冷卻風(fēng)扇第4部分：冷凝式內(nèi)燃機(jī)冷卻風(fēng)扇試驗(yàn)方法》中的規(guī)定進(jìn)行測試。測試點(diǎn)布置如圖3所示，其中r＝1m，測點(diǎn)高度與風(fēng)扇中心等高。

針對不同的風(fēng)扇及風(fēng)扇速比進(jìn)行試驗(yàn)對比研究，柴油機(jī)外特性上不同點(diǎn)的臺架測試結(jié)果見表7。

測試結(jié)果表明，（1）在原機(jī)基礎(chǔ)上，只對風(fēng)扇進(jìn)行改進(jìn)，如表7中的方案1，額定工況的風(fēng)扇噪聲平均下降1.6 dB(A)；（2）在原機(jī)基礎(chǔ)上，優(yōu)化風(fēng)扇并降低風(fēng)扇速比，額定工況的風(fēng)扇噪聲平均下降4.0 dB(A)。

4 柴油機(jī)與裝載機(jī)噪聲綜合測試與研究

依據(jù)本文第3小節(jié)的研究成果，柴油機(jī)噴油提前角設(shè)定為11.5℃A、標(biāo)定功率調(diào)整至160kW、采用新齒輪室罩蓋和硅油減振器等措施后，按照GB/T 1859-2000的要求進(jìn)行柴油機(jī)臺架噪聲測試（注：試驗(yàn)時柴油機(jī)未安裝風(fēng)扇），測試結(jié)果見表8。

臺架噪聲測量結(jié)果表明，在未安裝風(fēng)扇的情況下，改進(jìn)優(yōu)化措施使柴油機(jī)標(biāo)定工況的噪聲降低了1.1 dB(A)。

將柴油機(jī)安裝至裝載機(jī)上，按照GB/T 25614-2010標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對裝載機(jī)整車噪聲進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表9。

圖3 風(fēng)扇噪聲測點(diǎn)布置圖

表7 不同風(fēng)扇及風(fēng)扇速比對柴油機(jī)噪聲的影響

表8 柴油機(jī)優(yōu)化前后臺架測試噪聲對比

表9 裝載機(jī)噪聲測試結(jié)果

5 結(jié)論

對柴油機(jī)采取了一系列降噪措施，柴油機(jī)（未安裝風(fēng)扇）的臺架測試噪聲由114.3 dB(A)降低至113.2 dB(A)，降低了1.1 dB(A)；采用降噪柴油機(jī)后，裝載機(jī)整車噪聲由114.9 dB(A)降至112.7dB(A)，減小了2.2 dB(A)，符合國標(biāo)GB16710－2010中第二階段噪聲限值的要求，達(dá)到降噪設(shè)計的目的。另外，研究結(jié)果表明，冷卻風(fēng)扇造成的氣體動力噪聲是整車噪聲最主要的組成部分，通過優(yōu)化風(fēng)扇及降低風(fēng)扇速比對裝載機(jī)整車噪聲的降低最有效。

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Research and Application ofNoise Reduction Measures for SC9DDieselEngine

Huang Fengqing，Jiang Feng
（ShanghaiDiesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai200438,China)

A SC9D dieselengine is applied to thewheel loader,which can'tmeet the requirements of the phase IInoise limitofGB16710.In order to assist thewheel loader to reduce vehicle noise,this paper willbebased on thisengine to carry outnoise reduction design and experimental research.The dieselengine noise isstudied from the fuel injection timing,outputpower,gear chamber cover,torsionalvibration damper, cooling fan and fan speed ratio.The results show that the noise of thewheel loader,whichmatch the noise reduction diesel engine,is reduced from 114.9dB(A)to 112.7dB(A),which satisfies the requirementof noise standard.

wheel loader,dieselengine,noise

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.03.004

來稿日期：2016-12-21

黃風(fēng)清（1982-），男，高級工程師，主要研究方向?yàn)檎嚺c柴油機(jī)匹配技術(shù)。