工程機(jī)械內(nèi)燃機(jī)減噪降溫設(shè)計(jì)研究

王成 陳花

摘要：內(nèi)燃機(jī)是汽車和工程機(jī)械的主要?jiǎng)恿υ?，過(guò)熱或者振動(dòng)噪聲過(guò)大，都會(huì)對(duì)正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，但可能導(dǎo)致這兩個(gè)問(wèn)題的因素較多，需要進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)，以此提高內(nèi)燃機(jī)的使用壽命。在介紹了內(nèi)燃機(jī)傳熱問(wèn)題和振動(dòng)噪聲問(wèn)題的發(fā)展現(xiàn)狀后，分別提出具體的噪聲控制技術(shù)和過(guò)熱控制技術(shù)，以供參考。

Abstract： The internal combustion engine is the main power source of automobiles and construction machinery. Overheating or excessive vibration and noise will affect the normal operation， but there are many factors that may cause these two problems. Specific design is required to improve the performance of the internal combustion engine. Service life. After introducing the current development status of internal combustion engine heat transfer problems and vibration and noise problems， specific noise control technologies and overheating control technologies are respectively proposed for reference.

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械;內(nèi)燃機(jī);減噪降溫;工作環(huán)境

Key words： construction machinery;internal combustion engine;noise reduction and temperature reduction;working environment

0? 引言

現(xiàn)如今，內(nèi)燃機(jī)得到了大范圍的普及應(yīng)用，相應(yīng)的減噪降溫系統(tǒng)也得到了很好的發(fā)展，但在實(shí)際使用過(guò)程中還需要進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。作為內(nèi)燃機(jī)的重要部件，減噪降溫系統(tǒng)具有維護(hù)溫度平衡、減少噪音振動(dòng)等作用，可以保證整體工程機(jī)械效率。因此，要在不改變內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的情況下，實(shí)現(xiàn)技術(shù)更新，保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

1? 內(nèi)燃機(jī)傳熱問(wèn)題和振動(dòng)噪聲問(wèn)題發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 傳熱過(guò)高問(wèn)題

節(jié)能減排政策推出后，內(nèi)燃機(jī)的首要任務(wù)就是降低耗能、提高效率，就是說(shuō)讓內(nèi)燃機(jī)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)好的運(yùn)行溫度范圍內(nèi)，同時(shí)保證內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過(guò)程中可以進(jìn)行有效的降溫，保證工作正常。前者可以減少能量損失，后者可以保證運(yùn)行效率，二者都是非常重要的環(huán)節(jié)。內(nèi)燃機(jī)在工作一段時(shí)間后，溫度也會(huì)隨之提高，在這樣的情況下，保證內(nèi)燃機(jī)正常工作，就必須要專門設(shè)計(jì)出散熱器。但內(nèi)燃機(jī)在低溫和高溫下運(yùn)行所產(chǎn)生的能量完全不一樣，低溫下運(yùn)行效率較低，因此，除了散熱功能之外，還需要設(shè)計(jì)出可優(yōu)化的溫度設(shè)備。目前較為常用設(shè)計(jì)方法為數(shù)值方陣，可以更加準(zhǔn)確高效的完成對(duì)內(nèi)燃機(jī)傳熱過(guò)高問(wèn)題的研究，此外流固耦合技術(shù)也是目前較為先進(jìn)的一種有限元計(jì)算方法，可以同時(shí)建立模型，采用離散方法，得到最終的計(jì)算結(jié)果，從而有效改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)上存在的設(shè)計(jì)缺陷。不僅如此，傳熱問(wèn)題計(jì)算得到的信息數(shù)據(jù)可以為內(nèi)燃機(jī)噪聲振動(dòng)問(wèn)題的處理提供參考和依據(jù)。

1.2 振動(dòng)噪聲問(wèn)題

相比較內(nèi)燃機(jī)傳熱過(guò)大的問(wèn)題，振動(dòng)噪聲問(wèn)題始終都是國(guó)家的重點(diǎn)，并且提出了不同的處理控制方式，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，還需要對(duì)噪聲控制問(wèn)題進(jìn)行全面的分析和優(yōu)化，從而提高控制效果，真正實(shí)現(xiàn)降噪目標(biāo)。內(nèi)燃機(jī)噪聲控制技術(shù)可以分為噪聲源識(shí)別和噪聲降低這兩個(gè)方面展開。采用表面振動(dòng)的方式，捕捉聲輻射，以此得到的信息準(zhǔn)確性極高，而且這種方式考慮到了熱傳遞和潤(rùn)滑油等問(wèn)題，為后續(xù)減噪降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。振動(dòng)噪聲的控制技術(shù)可以分為四個(gè)方面，分別為：通過(guò)增加阻尼材料的方法、進(jìn)行不規(guī)則阻力矩和外界反力的設(shè)計(jì)優(yōu)化、扭矩縱耦合振動(dòng)方案、耦合強(qiáng)迫振動(dòng)模型。這些方法都能夠?qū)崿F(xiàn)降低噪音目的，將振動(dòng)控制在一定范圍內(nèi)，有效改善輻射聲場(chǎng)[1]。

2? 內(nèi)燃機(jī)過(guò)熱問(wèn)題控制技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 及時(shí)排除故障

通過(guò)前文對(duì)內(nèi)燃機(jī)表面振動(dòng)輻射效率以及傳熱問(wèn)題的分析研究，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行情況有了一定的認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)內(nèi)燃機(jī)過(guò)熱問(wèn)題控制技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。內(nèi)燃機(jī)過(guò)熱故障危害很大，容易變形、融化、卡死、拉缸等現(xiàn)象，嚴(yán)重情況下，還會(huì)導(dǎo)致燃油消耗增加，輸出功率降低等故障。導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)過(guò)熱的原因有很多，主要包括負(fù)荷過(guò)大、外界環(huán)境溫度較高、冷卻系統(tǒng)故障、長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載運(yùn)行等。在出現(xiàn)過(guò)熱故障后，第一時(shí)間查找故障原因，根據(jù)具體的原因展開系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和處理。首先檢查冷卻液面，如果位置較低，那么則證明冷卻水量不足，要按照要求補(bǔ)足冷卻液，如果內(nèi)燃機(jī)在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到正常，那么則證明問(wèn)題得到妥善解決，如果再次出現(xiàn)了過(guò)熱情況，則證明冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)了滲漏問(wèn)題，則要確定具體的滲漏位置，展開進(jìn)一步處理。其次，檢查水泵和散熱器的工作狀況，及時(shí)更換故障設(shè)備，確保水泵和散熱器可以正常工作。最后，檢查其他部位，找出過(guò)熱原因。比如，機(jī)油散熱器、燃燒室、柴油機(jī)、排氣門等方面的故障，都會(huì)威脅到設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.2 冷卻系統(tǒng)改造優(yōu)化設(shè)計(jì)

內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)中最為主要的任務(wù)就是保證其在適宜的溫度下運(yùn)行，保障機(jī)油品質(zhì)，為零部件創(chuàng)造一個(gè)合適的環(huán)境，切實(shí)提高使用壽命。在鑄造材料商，可以采用普通碳素鋼材料，避免出現(xiàn)遇冷凍裂的情況，也可以對(duì)排氣閥進(jìn)行改造，以此進(jìn)一步提高工作效率和排氣性能，全面優(yōu)化冷卻系統(tǒng)。

比如，將球形尼龍接口改為內(nèi)外扣錐面接觸開閉閥，能夠進(jìn)一步提高冷卻系統(tǒng)。絕大部分內(nèi)燃機(jī)采用水冷作為冷卻方法，最多可以帶走600kW的熱量，但在此基礎(chǔ)上還需要進(jìn)一步降低25-30%的熱量。根據(jù)具體的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)情況來(lái)看，內(nèi)燃機(jī)的工況溫度控制在80-90℃時(shí)，工作效率較高。因此，進(jìn)口水溫控制在80℃，預(yù)熱系統(tǒng)溫度值則設(shè)定在40℃。當(dāng)水溫低于70℃時(shí)，一號(hào)溫控閥就會(huì)自動(dòng)開啟副閥門，將高溫水引入水泵，利用水泵推力送入內(nèi)燃機(jī)。當(dāng)水溫高于80℃時(shí)，二號(hào)溫控閥會(huì)自動(dòng)開啟，將高溫水引入主換熱器，并且利用風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，冷卻水進(jìn)入二號(hào)溫控閥中，實(shí)現(xiàn)水溫控制?？偟膩?lái)說(shuō)，就是將80℃打造為臨界值，高于臨界值則會(huì)進(jìn)入附加的換熱器，低于臨界值則會(huì)進(jìn)入水泵，以此實(shí)現(xiàn)一個(gè)恒溫冷卻循環(huán)。

傳統(tǒng)的換熱器在實(shí)際工作過(guò)程中存在換熱能力不足的情況，無(wú)法滿足內(nèi)燃機(jī)的工況需要，因此，要對(duì)其進(jìn)行一定的優(yōu)化。冷卻系統(tǒng)自身空間較小，附加換熱器的尺寸需要經(jīng)過(guò)慎重考慮，綜合考慮換熱器的管道閥門銜接處的長(zhǎng)短來(lái)看，板翅式換熱器最為合理，其體積較小、空間緊湊、性能較高?？梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化通道參數(shù)的方式解決實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在的能量不足問(wèn)題。冷卻系統(tǒng)可以分為風(fēng)冷和水冷兩種，經(jīng)過(guò)綜合計(jì)算后，最終設(shè)計(jì)了15個(gè)水通道和30個(gè)空氣通道，達(dá)到的傳熱效果最優(yōu)。

除了上述內(nèi)容之外，進(jìn)水溫度和進(jìn)水流量的控制非常關(guān)鍵，進(jìn)口水溫度如果低于40℃，那么會(huì)出現(xiàn)機(jī)油黏度增大的現(xiàn)象，導(dǎo)致汽缸潤(rùn)滑性能出現(xiàn)大幅度降低，最終對(duì)內(nèi)燃機(jī)的部件造成損壞。冷卻系統(tǒng)中水溫臨界值在80℃，通過(guò)恒溫冷卻循環(huán)設(shè)置，可以有效避免水溫過(guò)低的問(wèn)題，最大程度保證了內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行的可靠性和平穩(wěn)性。從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，當(dāng)進(jìn)水溫度≥82.6℃時(shí)，冷卻水會(huì)進(jìn)入到附加換熱器中，將水溫降低2.6℃，以此避免達(dá)到最大的換熱負(fù)荷值，為內(nèi)燃機(jī)在高溫爬坡或者長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行創(chuàng)造更好的空間環(huán)境，避免出現(xiàn)警戒高溫現(xiàn)象，為工作人員創(chuàng)造了處理時(shí)機(jī)。

3? 內(nèi)燃機(jī)噪聲問(wèn)題控制技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 及時(shí)排除故障

如果想要有效控制噪聲污染，就要在明確噪聲法規(guī)的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)的噪聲控制方法進(jìn)行優(yōu)化，現(xiàn)如今常見的噪聲控制方法可以分為控制噪聲源和限制噪聲傳播途徑這兩種方式。從控制噪聲源的角度入手，內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)剛度、零件加工精度、表面粗糙度、零件材料、運(yùn)動(dòng)件間隙等因素都會(huì)導(dǎo)致機(jī)械噪聲的產(chǎn)生，可以通過(guò)提高運(yùn)動(dòng)件的平衡性能、減少扭振等方式，來(lái)保持低噪音。以曲柄連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲為例，適當(dāng)改善活塞和缸壁之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件，如，減少活塞和缸壁的間隙或者設(shè)計(jì)出合理的活塞裙部結(jié)構(gòu)等方式，都可以有效減小噪音?？梢圆捎脵E圓鼓型活塞減少活塞和配缸之間的間隙，還可以采用活塞銷孔中心偏置氣缸中性線的方式降低活塞對(duì)缸壁的敲擊噪聲。美國(guó)的福特、雪弗蘭、克萊斯勒以及德國(guó)的奔馳汽車的汽油機(jī)都應(yīng)用了這種中心偏置的方式。在內(nèi)燃機(jī)中齒輪是產(chǎn)生噪聲的主要材料之一，可以采用控制齒輪彈性剛度和齒輪誤差的方式來(lái)控制噪聲[2]。

如，合理選擇齒輪型式、改進(jìn)齒輪參數(shù)、減小齒輪側(cè)向間隙、采用正時(shí)皮帶傳動(dòng)代替正時(shí)齒輪傳動(dòng)。從限制傳播途徑入手，可以采用吸聲、隔聲、消聲、隔振、減振、屏障設(shè)立等方式。以隔聲為例，可以采用隔聲壁板、隔聲罩等內(nèi)容，常見的形式包括全隔聲罩、半隔聲罩以及局部隔聲罩，內(nèi)燃機(jī)常用最后一種隔聲罩模式。

3.2 噪聲預(yù)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)

除了前文提及的內(nèi)容之外，想要有效控制噪聲問(wèn)題，就要對(duì)在內(nèi)燃機(jī)噪聲機(jī)理進(jìn)行全面的研究和控制。從內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)和聲學(xué)理論入手，建立形成內(nèi)燃機(jī)噪聲以及特征因素分析模型，打造出噪聲符合振動(dòng)傳遞函數(shù)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，借助圖紙對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)，做出詳細(xì)的噪聲評(píng)價(jià)，優(yōu)化零部件，實(shí)現(xiàn)噪聲控制。除此之外，引入全新的材料和工藝，盡可能選擇重量輕、體積小、吸聲隔聲效果好的復(fù)合聲學(xué)材料來(lái)降低噪聲。

比如，結(jié)構(gòu)聲振動(dòng)控制技術(shù)，借助控制邊界面振動(dòng)的方式，解決有界空間聲傳入問(wèn)題?；蛘呤褂锰厥獠牧先缧螤钣洃浐辖稹弘娡繉拥冗M(jìn)行有緣動(dòng)態(tài)控制，也能夠改變?cè)肼曊駝?dòng)問(wèn)題。目前，國(guó)家對(duì)噪聲污染管控的程度逐漸加深，相應(yīng)的噪聲法規(guī)陸續(xù)發(fā)布，內(nèi)燃機(jī)行業(yè)面臨著巨大的調(diào)整，加強(qiáng)對(duì)內(nèi)燃機(jī)噪聲控制是現(xiàn)階段重點(diǎn)。尤其是在降溫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用扭矩減震器可以有效環(huán)節(jié)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的沖擊力。比如，根據(jù)實(shí)際情況科學(xué)調(diào)節(jié)減振器對(duì)應(yīng)參數(shù)，讓其吸收主振系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)噪音[3]。

4? 總結(jié)

綜上所述，內(nèi)燃機(jī)工況環(huán)境復(fù)雜程度不斷加深，傳統(tǒng)的減噪降溫系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的溫度升高、噪音增大的問(wèn)題。想要在有限的空間內(nèi)，打造出全新減噪降溫系統(tǒng)難度較大，充分研究減噪降溫系統(tǒng)，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)溫度、流量控制等多種手段，解決散熱問(wèn)題和振動(dòng)問(wèn)題，切實(shí)滿足內(nèi)燃機(jī)安全運(yùn)行需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉明明，黃大偉.內(nèi)燃機(jī)熱傳遞和振動(dòng)噪聲問(wèn)題研究簡(jiǎn)述[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（003）：56-57.

[2]劉亮，曹航.內(nèi)燃機(jī)熱傳遞和振動(dòng)噪聲問(wèn)題研究簡(jiǎn)述[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018，261（09）：74.

[3]伍川輝，周燦，靳行.振動(dòng)譜與ODS分析在內(nèi)燃機(jī)車降噪研究中的應(yīng)用[J].中國(guó)測(cè)試，2019，045（006）：131-137.

[4]王媛文，董大偉，孫梅云，等.多級(jí)扭振減振器在降低車內(nèi)噪聲中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2017，38（3）：123-130.

[5]康強(qiáng)，顧鵬云，李潔，等.電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)總成噪聲傳遞特性測(cè)試和分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2018，38（6）：109-112.

[6]郭亞敏.二維周期阻尼薄板結(jié)構(gòu)隔聲特性的研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（22）：14-15.