关于通过控制活塞振动降低柴油机燃烧噪声的方案设计

现在，乘用车柴油机需要满足各种不同的要求，如低噪声、低燃油耗、低排放，以及高输出功率。改善噪声的关键是降低燃烧噪声，也就是降低柴油机敲缸噪声。降低柴油机敲缸的传统方法是减少由燃油预喷射引起的燃烧激振力、附加发动机机体加强筋或利用隔声罩改善噪声传递特性。然而，这些方法都有负面影响，如燃油经济性恶化、成本/质量增加。     因此，需要依靠改进发动机结构来降低噪声。通过发动机试验分析了从活塞、连杆、曲轴到发动机机体的噪声传递路径和振动特性，认定活塞共振是噪声源。为了吸收活塞垂直运动产生的共振能量，设计了带有动态阻尼器的新型活塞销结构，它能产生与活塞反向的共振。验证了采用这一新技术降低柴油机敲缸的效果。 

在直喷柴油机扩散燃烧过程中，喷油器喷射的燃油会在燃烧室中很快着火，并使气缸压力迅速升高而引发多个区域自燃。由于快速燃烧可获得较高的热效率，未来将会采用预混合压燃着火（PCCI）和均质压燃着火（HCCI）燃烧方式。然而，从噪声和振动角度来看，由于快速燃烧导致作用在发动机部件上的气缸压力迅速升高，引起发动机振动，并会产生间歇性的柴油机敲缸噪声。为了实现最高的热效率并降低柴油机敲缸噪声，必须开发1种不依赖于燃烧控制的发动机新结构，来降低柴油机敲缸噪声。

柴油机敲缸的主频率接近3.15kHz倍频带。因此，以3.15 kHz倍频带为重点，确定了柴油机敲缸的机理，并开发了降低噪声的发动机结构。

1  柴油机敲缸特性

试验采用直列4缸2.2 L直喷柴油机。为了更好地了解柴油机敲缸的频率特性，故意减少了预喷油量并增加燃烧激振力，以产生明显不同的柴油机敲缸。图1为在转速2 000 r/min，平均有效压力0.9 MPa工况下测得的近场发动机辐射噪声频谱。噪声峰值出现在频率3.50 kHz左右。

 图1  发动机敲缸时的近场噪声频谱（2.2 L柴油机）

此外，通过故意增加燃烧激振力复现了1.5 L发动机的柴油机敲缸现象。图2为实测的1.5 L柴油机的近场噪声。噪声峰值也在频率3.50 kHz左右时出现。以下为柴油机敲缸的特征：（1）柴油机敲缸的主频率出现在3.00~4.00 kHz 之间。（2）测量不同规格的发动机时，噪声峰值也出现在3.00~4.00 kHz间。

图2  发动机敲缸时的近场噪声频谱（1.5 L柴油机）

2  柴油机敲缸产生机理

2.1  发动机内部零件特性测量

为了解3.00~4.00 kHz之间出现噪声峰值的产生机理，借助试验手段分析了几种不同的噪声传递路径。图3所示为增大振动峰值的噪声传递的可能路径。

图3  噪声传递的可能路径

首先，分析将激振力从燃烧室传递到气缸盖和机体的外部系统对噪声传递路径的影响。通过对安装好气缸盖和机体的发动机进行锤击试验来验证外部系统产生的影响。如图4所示为利用1个冲击锤对燃烧室施加激振力，而图5所示为测量外部系统若干位置的振动获得的频率响应曲线。由于在3.00~4.00 kHz之间的频率响应曲线（FRF）中未发现明显的振动峰值，因而可以断定外部系统的传递路径没有使振动峰值增大。

 图4  锤击试验图

图5  用锤击试验获得的外部系统振动响应

随后，分析将激振力从活塞连杆、曲轴、轴承传递到机体的内部系统对噪声传递路径的影响。在燃烧过程中，机油在弹性流体动力润滑中起着弹簧和阻尼的作用，并由它将激振力传递给发动机内部零件。由于弹簧和阻尼的状况会随发动机运行工况及曲轴转角而变化，在静态锤击试验下很难复现机油的边界条件。因此在发动机实际运转时可直接测量内部振动性能。

图6为加速度计在活塞和连杆上的安装位置，图7为采用连接臂从往复运动件上获得信号的方法。如图7所示，加速度计的连接导线绑在连接臂上（圆圈所示可移动部位除外），所以连接导线能扭转并连接到发动机外。利用带有内置放大器的加速度计控制连接臂运行时连接导线扭动引起的电阻变化。

图6  加速度计的安装位置

图7  连接臂示意图

图8为实测的第4缸燃烧过程中气缸压力和振动随时间变化的曲线。气缸内发生自燃的那刻，气缸压力开始迅速升高，并导致活塞出现振动。随后振动传递到连杆、曲轴，最后传递到机体。因此可以得出结论，燃烧激振力是从内部系统传递到机体。

 图8  燃烧过程中实测的气缸压力和振动

图9为在燃烧过程中气缸压力和内部零件振动的曲线。气缸压力峰值并不出现在3.00~4.00 kHz之间。然而，活塞和其他内部部零件则在3.00~4.00 kHz之间出现明显的振动峰值。图10所示为3.50 kHz时连杆工作时的形状偏移。振动模式的特征如下：（1）活塞振动最强烈；（2）连杆小头端的振幅大于连杆大头端的振幅，小头端与大头端之间的相对位移差证明，连杆像弹簧一样会伸长和缩短；（3）曲柄销轴颈几乎没有振动。

因此，我们可以推定，由活塞作为质量块、连杆作为弹簧、曲轴作为固定端组成的单自由度系统（图11）是频率3.00~4.00 kHz之间出现振动峰值的原因。

 图9  燃烧过程中气缸压力和内部零件的振动曲线

 图10  3.50 kHz时测得的连杆工作时的形状偏移

 图11  预测的单自由度系统的共振模型

图12所示为活塞质量、连杆刚度与共振频率之间的关系。2.2 L发动机共振频率出现在3.00~4.00 kHz之间。活塞质量和连杆弹簧常数较小的1.5 L发动机，其共振频率也出现在3.00~4.00 kHz之间。只要连杆刚度与活塞质量的比例均衡，即使是不同排量的发动机，共振频率总是会出现在3.00~4.00 kHz之间。

图12  不同活塞质量/连杆弹簧常数下的共振频率

3  通过改进发动机结构降低柴油机敲缸

3.1  通过改变发动机技术规格降低敲缸

为了降低在3.00~4.00kHz之间活塞/连杆产生的共振，研究了内部结构的改进。首先，分析了如何通过改变活塞质量和连杆弹簧常数来降低传递到曲轴的激振力。由于无法明显改变材料阻尼率，本研究不包括这方面的内容。

图13为分析采用的有限元模型（FEM）。活塞、活塞销和连杆小头端均为刚性连接。连杆大头端、轴承和曲柄销中心固定端则通过起弹簧作用的机油膜相互连接，机油膜的稠度调节到与实测的活塞/连杆共振频率相匹配。

 图13  分析采用的FEM模型

图14为改变活塞质量和连杆刚度时传递到曲轴的激振力发生变化的预测结果。当活塞质量减小时，传递的激振力也随之降低。然而，想要显著减小活塞质量是不现实的。即使质量减小10%，传递的激振力仅降低0.4 dB。通过降低连杆刚度同样也能降低传递的激振力。但是，由于柴油机的最大气缸压力很高，为了满足可靠性要求，不能降低连杆的刚度。即使刚度降低10%，传递的激振力也只能降低0.4 dB。因此，可以得出结论，通过改变发动机技术规格来降低传递到曲轴的激振力并非有效的方法。

图14  活塞质量和连杆刚度对传递到曲轴的激振力的影响

3.2  利用活塞阻尼结构降低敲缸

对能降低活塞振动的新型阻尼结构的可行性进行了研究。图15所示为1种阻尼结构示意图，它能在活塞反向产生共振，通过吸收活塞振动能量来降低传递的激振力。

图16所示为用2种动态阻尼器降低传递激振力的预测结果，这两种阻尼器的质量分别为活塞质量的1%和5%。从图中可以看出，由于共振峰值显著降低，因而预期振动能明显降低。随着阻尼器质量的增加，传递激振力会降低。

因此，为了降低柴油机敲缸，应增加动态阻尼器的质量。然而，由于安装空间热损伤和结构布置等要求，动态阻尼器的尺寸受到一定限制。考虑到要满足全部要求，设计了1种安装在活塞销内的质量为活塞质量2.9%～8.7%的新型动态阻尼器（以下简称“销阻尼器”）。图17为销阻尼器的尺寸、工作模式及装配图。由于在3.50 kHz时出现活塞共振，因而必须将阻尼器的工作频率设定在3.50 kHz。借助于环形弹簧区将阻尼器的工作频率调制到3.50 kHz。为了满足应力要求，优化了弹簧的直径和长度。

通过在发动机上安装销阻尼器，验证了在3.50 kHz时共振、内部振动和柴油机敲缸影响的降低。对带或不带销阻尼器时的曲柄销轴颈振动、发动机机体振动和近场发动机噪声进行了比较。图18示出了质量为活塞质量2.9%的销阻尼器的减振效果。正如预测那样，3.50 kHz时曲柄销振动得以降低，因此，传递到曲轴上的激振力也有所降低。由于内部零件的振动降低，发动机机体振动和近场发动机噪声均有所降低。

 图15  活塞振动的阻尼机理

图16  带有动态阻尼器时传递到曲轴的激振力降低

为了验证增加销阻尼器质量的减振效果，还对质量为活塞质量8.7%的销阻尼器进行了测量。图19为测量结果。由图可见，3.50 kHz时曲柄销振动、发动机机体振动和近场发动机噪声都得以进一步降低。振幅绝对值有所降低，销阻尼器的有效工作频率范围从260 Hz增加到460 Hz，这表明噪声能量明显降低。此外，由听觉评估证实，噪声波动得以降低，音质有所改善。

以上结果证实，从噪声角度来看，可以通过改进发动机内部结构（如活塞和连杆）来降低柴油机的敲缸噪声。

图17  销阻尼器的结构、工作模式和装配图

图18  质量为活塞质量2.9%的销阻尼器减振效果

图19  质量为活塞质量8.7%的销阻尼器减振效果

4  结论

在3.00～4.00 kHz之间出现柴油机敲缸特征的噪声峰值，有关结论如下：

（1）对燃烧过程中活塞、连杆和曲轴的振动测量证实，可知剧烈的振动是由活塞振动引起的。

（2）活塞振动的机理是由活塞为质量块、连杆为弹簧和曲轴为固定端组成的单自由度系统共振。

（3）因可靠性要求，活塞质量与连杆刚度必须保持比例均衡，因而不同排量的发动机也会在3.00～4.00 kHz之间发生共振。

（4）试验证明，如果采用1种能在活塞反向产生共振的销阻尼器来吸收振动能量，就能使柴油机的敲缸得到降低。

（5）当销阻尼器与活塞销的质量比例增加时，柴油机敲缸会随之降低。活塞质量越轻，阻尼作用越大。

采用更多的新技术来改善发动机内部系统的振动传递特性和隔振，可以使柴油机敲缸噪声得到明显改善。