內(nèi)燃機機械噪聲和燃燒噪聲的識別分離

張巍 楊慧明 劉曉慶 劉永根

摘要： 噪聲污染已經(jīng)變成和大氣污染、固體污染、水污染并列的一種影響城市環(huán)境和居民工作生活的一種污染源。而舷外機作為現(xiàn)在人們生活水上出行最重要的交通工具，其噪聲污染源占到總噪聲污染的比重很大，因此對舷外機噪音的控制尤為重要。而內(nèi)燃機噪聲中不同的噪聲污染識別分離，對于整個內(nèi)燃機設(shè)計及舷外機整體構(gòu)造具有重要的意義，本文以機械噪聲和燃燒噪聲為切入點，對其具體的識別分離方法進行分析，并提出對應(yīng)的噪聲控制措施。

Abstract： Noise pollution has become a pollution source that affects the urban environment and residents' work and life in parallel with air pollution， solid pollution and water pollution. As the most important means of transportation for people to travel on water， the noise pollution source of outboard aircraft accounts for a large proportion of the total noise pollution. Therefore， the control of outboard aircraft noise is particularly important. The identification and separation of different noise pollution in internal combustion engine noise is of great significance for the whole internal combustion engine design and the overall structure of outboard engine. Taking mechanical noise and combustion noise as the starting point， this paper analyzes the specific identification and separation methods， and puts forward the corresponding noise control measures.

關(guān)鍵詞： 內(nèi)燃機;機械噪聲;燃燒噪聲;識別分離

Key words： internal combustion engine;mechanical noise;combustion noise;recognition separation.

中圖分類號：TK421????????????????????????????????????? 文獻標(biāo)識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0050-02

0? 引言

當(dāng)前，國家對于生態(tài)文明建設(shè)頂層設(shè)計不斷重視，各地方政府也相繼出臺一系列的政策強化生態(tài)環(huán)境的保護管理。城市噪聲污染越來越被人們重視和關(guān)注，尤其是隨著舷外機及大型工程機械數(shù)量的不斷增加，噪音的污染源不斷擴散。舷外機噪聲不僅嚴(yán)重影響人們的工作生活環(huán)境，同時機械噪聲和燃燒噪聲等如果過大，會嚴(yán)重影響駕駛?cè)藛T的駕駛環(huán)境，可能會導(dǎo)致注意力不集中，發(fā)生安全事故。另外過大的噪聲會影響舷外機內(nèi)部機械電子元件的性能，不能保證合理的使用壽命。所以現(xiàn)在舷外機的機械噪聲和燃燒噪聲等，已經(jīng)作為舷外機生產(chǎn)出廠的重要參數(shù)指標(biāo)之一。近年來，很多學(xué)者和內(nèi)燃機企業(yè)工程技術(shù)人員對內(nèi)燃機噪聲方面進行了很多實質(zhì)性的研究，內(nèi)燃機的機械噪聲和燃燒噪聲的識別分離，可以對噪聲源進行精準(zhǔn)分類，然后因材施教策對其進行針對性的噪聲控制，這樣可以有效的降低噪聲的污染，同時提高了舷外機的使用性能，并且可以為內(nèi)燃機的節(jié)能排放問題提供數(shù)據(jù)支撐。

1? 內(nèi)燃機噪聲產(chǎn)生機理及分類

對于內(nèi)燃機噪聲的產(chǎn)生機理，首先就必須要從內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)入手。內(nèi)燃機是一種動力機械裝置，主要油氣缸活塞、曲柄連桿傳動機構(gòu)、氣門裝置、機體和進氣排氣系統(tǒng)等部分組成，內(nèi)燃機的噪聲主要跟自身的內(nèi)部構(gòu)造、運行時的功率、排氣量和轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)系，會產(chǎn)生多種噪聲源。主要是由機械傳動構(gòu)建構(gòu)件、燃燒時空氣動力學(xué)擴散和進排氣引起的，按照來源主要分類機械噪聲、燃燒噪聲和空氣噪聲等。因為進氣、排期等噪聲，這些聲輻射源空間的具體位置相隔距離較遠(yuǎn)，在工程上很容易對其進行識別分離。但是機械噪聲和燃燒噪聲都發(fā)生于內(nèi)燃機內(nèi)部并經(jīng)過內(nèi)燃機外表面輻射，兩者在發(fā)生的時間、空間、傳播的途徑和信號的基本頻率特征等方面都基本重疊在一起，所以本文主要就機械噪聲和燃燒噪聲的識別分離進行專門研究。

1.1 機械噪聲? 因為內(nèi)燃機在運轉(zhuǎn)的過程中通常是周期性的，然后在內(nèi)部的不同機械零部件之間都是留有配合間隙的。這兩個因素導(dǎo)致了發(fā)動機在運行的時候，主體和零部件之間，各零部件之間可能會產(chǎn)生碰撞產(chǎn)生噪聲，如在點火排期過程中，氣門和底部的氣門底座會發(fā)生碰撞摩擦，氣動循環(huán)時活塞會和氣缸內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦，各曲柄連桿及齒輪之間也會產(chǎn)生碰撞摩擦。這些噪聲在內(nèi)燃機內(nèi)部各零部件之間產(chǎn)生，然后通過內(nèi)燃機外表面?zhèn)鞑サ江h(huán)境之中。因為這種噪聲主要是由機械零部件碰撞產(chǎn)生的，所以在工程上把這類噪聲稱為機械噪聲。

1.2 燃燒噪聲? 燃燒噪聲主要是燃油、燃?xì)獾热剂显趦?nèi)燃機燃燒時，會使得氣缸內(nèi)部會產(chǎn)生高溫高壓的氣流。這些氣體震蕩會通過伯努利等空氣動力學(xué)的傳播對氣缸內(nèi)部不斷地產(chǎn)生沖擊，然后經(jīng)過氣缸的外表面擴散到內(nèi)燃機直至車外產(chǎn)生噪聲。因為該種噪聲主要是由于燃燒狀態(tài)下產(chǎn)生的，所以稱之為燃燒噪聲。燃燒噪聲又可根據(jù)燃燒的具體過程進行分段研究。首先是，在點火預(yù)燃燒期間內(nèi)，大量的氣體卷吸到火焰外圍產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象，會產(chǎn)生爆發(fā)式的燃燒噪聲。另外一方面，內(nèi)燃機經(jīng)過多個燃燒工作周期后，上會產(chǎn)生積碳吸附在汽缸內(nèi)壁上，每次燃燒時這些積碳會產(chǎn)生碳化過程會發(fā)生氣化反應(yīng)，也會產(chǎn)生氣體沖擊氣缸內(nèi)部，造成內(nèi)燃機的燃燒噪聲。

1.3 空氣噪聲? 空氣動力噪聲主要有進氣噪聲、風(fēng)扇噪聲和排氣噪聲3類。進氣噪聲是由進氣門不斷開啟和關(guān)閉，導(dǎo)致進氣管壓力不斷變化而產(chǎn)生的。排氣噪聲是內(nèi)燃機噪音的最大來源，也是首要的控制目標(biāo)。風(fēng)扇噪音主要分為葉片切割空氣形成的旋轉(zhuǎn)噪聲和葉片旋轉(zhuǎn)時周圍氣體形成的渦流噪聲。而排氣噪聲音是當(dāng)排氣門打開時，廢氣從間隙中沖出，形成的一個高能量噪聲?？諝庠肼曉谡麄€識別過程中相對簡單。

2? 內(nèi)燃機機械噪聲和燃燒噪聲的識別分離方法

2.1 內(nèi)燃機噪聲測量方法? 內(nèi)燃機噪聲的的測量要通過專門的噪聲試驗臺進行噪聲數(shù)據(jù)的定量測量，試驗臺由發(fā)動機、電渦流測功機、壓力傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器等硬件設(shè)備組成，然后將測量結(jié)果通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，可以具體到測試不同轉(zhuǎn)速、功率等工況下的噪聲數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)動機噪聲中存在干擾噪聲時，在不同位置測出的混疊噪聲中包含了機械噪聲、燃燒噪聲和干擾噪聲3種信號;從混疊信號中將這3種信號分離出來是一種新的測試方法。

2.2 內(nèi)燃機機械噪聲和燃燒噪聲識別分離方法? 內(nèi)燃機機械噪聲和燃燒噪聲識別分離過程要將前期試驗臺測試的噪聲結(jié)果經(jīng)過具體的程序后進行處理后，才能進行噪聲的識別分離。首先將不同工況下的缸壓曲線和總噪聲曲線經(jīng)過降噪變化后導(dǎo)入到識別分離程序中，然后將傳遞函數(shù)帶入到具體工況下的噪聲，由此來實現(xiàn)機械噪聲和燃燒噪聲的識別分離。

具體的內(nèi)燃機噪聲識別方法也各有不同。

①分別運行法。當(dāng)前舷外機制造業(yè)的技術(shù)不斷發(fā)展，其各零部件配件的數(shù)量布局也不斷復(fù)雜。分別運行法就是將內(nèi)燃機的不同部件獨立于整體之外，進行分別運行進行噪聲的測量，然后對比整體的噪聲測量值，就可以識別出該零部件噪聲在整個噪聲中所占的比例，同時可以根據(jù)這個比例估算出內(nèi)燃機配件的單體噪聲值。這個識別方法具有操作簡單、不需要復(fù)雜的理論計算，只需要噪聲試驗臺即可進行。但是由于內(nèi)燃機的零部件很多，拆開分別測量需要耗費大量的時間精力，而且部分零件的拆開可能會產(chǎn)生共振，也大大的增加了測量的誤差，不能真實的反應(yīng)噪聲的水平及識別分離，所以這個只是最基礎(chǔ)的測試方法。

②聲強識別法。聲強識別法是一種新型的噪聲識別方法，主要是通過對內(nèi)燃機運行時發(fā)出噪聲的聲強進行測量，由此進行機械噪聲和燃燒噪聲的識別分離。主要實現(xiàn)方式是通過安裝聲強探頭，在不同方向進行不同噪聲的聲強。因為聲強矢量特征參數(shù)，當(dāng)聲強探頭和噪聲波段的夾角為90°角時，探頭的靈敏性最低，測出的聲強數(shù)據(jù)接近于0;當(dāng)聲強探頭和噪聲波段的夾角小于90°角時，測量輸出的聲強值為正，且聲強值隨角度的增大而變小;當(dāng)聲強探頭和噪聲波段的夾角大于90°角時，測量輸出的聲強值為負(fù)，且聲強絕對值值隨角度的增大而增大;聲強識別法不僅可以實現(xiàn)內(nèi)燃機近距離的測量，同時也可以遠(yuǎn)距離的測量，而且對于內(nèi)燃機的實驗測試環(huán)境要求較低，不需要單獨的進行環(huán)境消聲處理，所以當(dāng)前該技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛。

③基于EEMD與廣義S變換的內(nèi)燃機噪聲源識別

研究。集總平均經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法（EEMD）與廣義S變換進行內(nèi)燃機噪聲源識別方法的基本原理是用一種自適應(yīng)信號處理方法。該方法可以對非穩(wěn)態(tài)的信號進行較為準(zhǔn)確的自適應(yīng)模態(tài)分解，然后對各個本征模態(tài)函數(shù)（IMF）分量采用廣義S變換（GST）并在時域中進行分析，該方法可以準(zhǔn)確識別內(nèi)燃機不同噪聲源的位置及其大小。

3? 內(nèi)燃機噪聲的控制方法

對內(nèi)燃機機械噪聲和燃燒噪聲進行識別分離后，要對其進行針對性的噪聲控制，這樣可以有效的降低噪聲的污染，同時提高了舷外機的使用性能，并且可以為內(nèi)燃機的節(jié)能排放問題提供數(shù)據(jù)支撐。這樣才達到了噪聲識別分離的根本目的。當(dāng)前由不同的噪聲來源及傳播途徑的不同，可以從控制噪聲源及控制傳播途徑兩個方面進行噪聲的控制。

3.1 控制噪聲源

3.1.1 機械噪聲。因為內(nèi)燃機的內(nèi)部構(gòu)造、機械零件的加工精度、不同的鍛造材料和運行工況都會產(chǎn)生不同來源的機械噪聲，所以要想控制機械噪聲，就必須要提高內(nèi)燃機配件的平衡穩(wěn)定性，可以有效的減少機械零部件的震動，即控制了噪聲來源。例如，在曲柄連桿機構(gòu)的運轉(zhuǎn)中極易產(chǎn)生機械噪聲，可以減小活塞和氣缸內(nèi)壁的摩擦來實現(xiàn)減少噪聲的目的，在設(shè)計制造中，可以讓活塞銷孔中心和氣缸中心線進行偏心設(shè)置的方法，以此降低了曲柄連桿機構(gòu)的摩擦和撞擊，國際上很多大型的內(nèi)燃機制造企業(yè)都采用這一方法。另外可以通過優(yōu)化設(shè)計減少活塞環(huán)的數(shù)量，使得整個活塞的重量減輕，也可以有效的減少機械噪聲，還有就是要充分利用潤滑油的潤滑性能，減少整個內(nèi)燃機構(gòu)造的摩擦。

3.1.2 燃燒噪聲。燃燒噪聲主要是燃油、燃?xì)獾热剂显趦?nèi)燃機燃燒時，會使得氣缸內(nèi)部會產(chǎn)生高溫高壓的氣流。這些氣體震蕩會通過伯努利等空氣動力學(xué)的傳播對氣缸內(nèi)部不斷地產(chǎn)生沖擊，然后經(jīng)過氣缸的外表面擴散到內(nèi)燃機直至車外產(chǎn)生噪聲。所以要對內(nèi)燃機燃燒系統(tǒng)進行性能優(yōu)化改善，首先對于燃料的選擇，要選擇高熱值的燃料，燃料的含硫量等雜質(zhì)要進行有效控制，要采取辦法對內(nèi)燃機內(nèi)部進行積碳清理。還有就是通過提高內(nèi)燃機的壓縮比可以使得燃燒狀態(tài)更加優(yōu)化，渦輪增壓系統(tǒng)也可以有效的減少燃燒噪聲的來源。

3.2 控制傳播途徑

當(dāng)對噪聲源的控制進行優(yōu)化了后，也可以通過控制噪聲的傳播途徑達到降低噪聲的目的，主要的方法的在內(nèi)燃機內(nèi)部安裝降噪消聲結(jié)構(gòu)，有效的阻斷噪聲的外部傳播。另外可以在內(nèi)燃機外表面包裹具有吸聲特性的材料，實現(xiàn)噪聲的隔離。還有就是通過合理的配置彈簧及橡膠等隔振元器件進行減震處理，也可以實現(xiàn)減少噪聲的目的。

4? 結(jié)束語

當(dāng)今社會舷外機保有量越來越多，這也導(dǎo)致了舷外機噪聲對環(huán)境污染越來越嚴(yán)重。對于內(nèi)燃機機械噪聲和燃燒噪聲的有效識別分離，可以使得噪聲的控制獲得定量的數(shù)據(jù)測試分析，為內(nèi)燃機減噪控制提供基礎(chǔ)研究的保證。各舷外機制造業(yè)要將內(nèi)燃機噪聲參數(shù)性能加入到舷外機設(shè)計制造的過程中，以此來提高舷外機的各項性能。

參考文獻：

[1]劉瑞燕，葉文婷.內(nèi)燃機噪聲識別及控制技術(shù)研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（13）：163-164.

[2]王子宇.基于噴油策略的柴油機燃燒噪聲及聲品質(zhì)性能優(yōu)化研究[D].江蘇大學(xué)，2019.

[3]居述妹.工程機械噪聲原理與控制策略[J].建材與裝飾，2018（48）：199-200.