第一章 发动机振动与噪声控制

第一节 燃烧噪声

一、燃烧噪声的发生原理

1.燃烧室内压力历程和燃烧噪声

活塞式发动机的燃烧为间隙性动作，处于变动状态的压力往复作用于燃烧室壁面上。伴随着燃烧过程，如果压力上升速度增大，有时就会在燃烧壁面处产生类似于敲击的噪声，称为燃烧噪声。

发动机燃烧噪声与燃烧室内的最大压力上升率（dp/dθ）或者最高压力p_max等具有较大的相关性，关于这一点已经发表了大量的研究文献，燃烧过程和发动机噪声的关系已经成为人们开展相关研究的指南。但是，仅从包含上述信息的示功器线图上所表现出来的特性值，定量地说明发动机燃烧噪声是非常困难的。

有研究者指出，在分析燃烧室内的压力过程和发动机噪声之间的关系时，应该先求得压力过程的频率成分，并和噪声进行对比，在频率范围内开展相关的研究工作。

柴油发动机开始工作时的点火延迟期间长，点火后燃烧室内的压力急剧上升，发出类似于金属敲击的声音。这种噪声在燃料喷射时刻过早、过晚，或者使用燃烧不良的燃料时都会发生。另外，与汽油发动机相比，虽然柴油发动机怠速时的燃烧噪声要更大些，但是在高负荷时二者的差异是很小的，基本相当。为了更好地理解上述现象，需要从燃烧室内压力过程、代表压力谱的缸压级L_pc（相对于20μPa，后同）以及发动机噪声的声压级L_pe之间的关系等方面入手。

发动机以2000r/min固定的转速工作，调整燃料喷射时刻及喷射特性以实现各种不同的燃烧室压力过程，缸压级L_pc和发动机噪声声压级L_pe之间的关系如图1-1-1所示。如该图的（a）所示，发动机缸压级L_pc处于较低值的范围时，发动机噪声的声压级L_pe未出现明显的差异，但是当L_pc超过某个值时，声压级L_pe上升。对各个频段的频率成分进行分析，L_pc和L_pe之间的关系如该图的（b）所示。各频段成分中，当L_pc超过某个值时，发动机噪声的声压级L_pe呈现急剧上升趋势。

上述L_pc和L_pe之间的关系可以利用两种具有相异性的噪声之和的原理来加以说明。

与某频段内的缸压能量之和成比例增减的噪声声压p_b和一定的噪声的声压级p_m之和作为发动机噪声p_e辐射出去，后者由旋转速度确定，与缸压级无关。

发动机噪声中，通常将前者称为燃烧噪声，将后者称为机械噪声。关于燃烧噪声和机械噪声的定义，特别是从噪声发生的原理来看，受燃烧过程影响而产生的机械噪声，与燃烧过程密切相关，并不仅仅是机械方面的问题，关于这一点将作为今后相关研究的主要课题。

有学者将这两种噪声声压级相等时的缸压级定义为临界缸压级，此时发动机噪声的声压级如图1-1-1（b）中的标记“●”所示。临界缸压级标示了在发动机噪声的频带成分中，机械噪声和燃烧噪声中哪一个占支配地位，可以由此初步判断燃烧过程是否平缓、安静。图1-1-1（b）中所显示的数值取决于与机械噪声的关联，为了有效降低发动机噪声，需要考虑燃烧噪声和机械噪声二者之间的关系来采取改进措施。

2.发动机构造与燃烧冲击的传递特性

作用于燃烧室壁面的压力向发动机的各部位传递，使外表面产生振动，并产生放射噪声。研究结果表明，发动机构造与燃烧冲击的传递相关，应该将发动机作为一个系统来考察。

该系统受到的激励来自于燃烧室内的压力变动，以发动机侧面一米距离处的声压来考察系统的衰减性能，称为结构衰减率，用缸压级L_pc和发动机噪声声压级L_pc之间的分贝差来表示。该数值表示了燃烧室内压力振动到噪声测试位置处的振动的衰减量，作为考核发动机整体结构与燃烧噪声发生的难易程度的指标。如图1-1-2所示为某款柴油发动机（排量2000mL）结构衰减率的实际案例，该数值虽然因发动机旋转速度、燃料喷射时刻、负荷等因素而在很宽的范围内产生变动，但是基本上呈现出相同的频率值，代表了与发动机结构相关的燃烧噪声发生的难易程度。

以缸压级作为激励输入到发动机结构上，以发动机外表面放射出来的声压级为输出，当考察这一传递函数时，它显示的是结构响应的频率特性。此时，噪声的测试位置为发动机侧面一米远处，结构响应与结构衰减互为倒数关系。

假定作用在燃烧室壁面的压力波功率为P_c，从气缸外表面放射出来的燃烧噪声功率为P_b，从P_c到P_b的辐射传递系数G将是研究的重点。该系数是表示燃烧冲击下发动机结构响应特性的项，可以根据它来判断各发动机的燃烧噪声的发生趋势和幅值大小。

3.燃烧噪声和机械噪声的分离

从发生原理、传递系统来严密地区分燃烧噪声和机械噪声是非常困难的。如前所述，在将发动机噪声视为燃烧噪声和机械噪声之和的基础上，在某种程度上分离燃烧噪声和机械噪声是有可能的。有学者认为，对于缸压级中的各种频率成分，当发动机工作在临界缸压级以下时，发动机噪声以机械噪声为主，可以认为等同于在发动机受外力驱动运转时所发出的机械噪声。另外，发动机着火运转时所发出的噪声，几乎所有频率成分的燃烧噪声均占主导要位，如果求得它与发动机受外力驱动时的机械噪声之间的差，就可以得到燃烧噪声。

还有文献表明，发动机点火运转时所发出来的噪声，是燃烧噪声和机械噪声之和。当发动机旋转速度一定时，后者不会出现变化。而前者与缸压成分成比例，包含各种频率成分。如果在各种缸压条件下求解上述关系，就可以尝试将燃烧噪声与机械噪声加以分离。

不管是哪种音源，为了高精度地将二者加以分离，重要的一点是大幅度地改变缸压历程，并结合燃料喷射时刻、负荷、燃料性状、冷却水温度等参数，在大范围内进行测试相关数据。

作为一种简易的燃烧噪声测试方法，Lucas CAV开发了一种燃烧噪声测试仪。它内置了等价于发动机结构响应的频率特性过滤器，当输入至少100个循环的缸压级数据后，根据A计权特性进行修正，就可以得到以L_eq分贝值表示的燃烧噪声的等价噪声级。使用上述方法时，其前提是测试得到的发动机结构响应频率特性必须与内置过滤器的相关参数一致，总体来说这是一种简易的方法。图1-1-3所示的是利用该仪器和方法测试得到的频率过滤特性，它来自于8种发动机结构响应的平均值。

随着技术的进步，发动机结构响应的平均值在数年间约有7dB的降低，与此相对应，致力于降低燃烧噪声的结构优化方面也取得了显著进步。

4.燃烧冲击噪声的传递路径

因燃烧而导致的压力急剧上升，直接作用在构成燃烧室的气缸盖、气缸套、活塞等零部件的表面上，使其产生振动，最终在发动机外表面产生放射噪声，即为燃烧噪声。此时，外表面因振动而引起的燃烧冲击的传递路径主要有三条，如图1-1-4所示。

（1）路径A：可燃气体激励路径

燃烧室内的高温、高压可燃气体直接作用在缸盖及活塞顶部，从气缸盖到发动机各个部位的外表面，都是辐射噪声的传递路径。

在这个传递路径上，不仅仅只有气缸盖的透射音，同时还要考虑气缸盖螺栓、气缸垫等的影响。

（2）路径B：活塞—缸盖路径

作用于活塞顶部的燃烧气体冲击波，由活塞侧面、活塞环经气缸套、气缸体向发动机各个部位传递的路径。

（3）路径C：活塞—驱动系统路径

燃烧气体冲击波经过活塞、连杆、曲轴、轴承向发动机各部位传递的路径。

通过上述路径传递而产生的燃烧噪声，分别加以明确对于从整体上理解燃烧噪声是极为重要的，对于不同的发动机工作状态，目前还无法对上述现象进行精准的分析。

调查静止状态的发动机进行响应特性，同时显示各个部位的响应波形及其频率特性，确认路径C为与燃烧冲击相关的灵敏度最高的路径。为了获得经过各个传递路径所产生的燃烧噪声的传递放射系数，对发动机的结构进行变更，对每个传递特性逐一加以甄别。图1-1-5所示为不同频率成分、不同传递路径所传递的功率的比例，其中假定作为燃烧噪声所放射出来的声功率为100。根据图中的结果，1kHz以上的高频范围内，传递路径C的贡献量最大；在中、低频范围内，传递路径B的贡献量较大；在500Hz附近的特定频段内，传递路径A的影响更大些。

对于小型发动机来讲，气缸体是包含曲轴箱在内的整体式结构较多。对于这种情况，气缸体是与油底盘等多个零部件坚固在一起的，经过气缸体所传递的振动冲击占比较大，尤其是传递路径B和C。

近年来，飞速发展的有限元法（Finite Element Method，FEM）、边界元法（Boundary El-ement Method，BEM）方法在振动、噪声分析方面得到了广泛的应用，但是在结构的模型化、激振力等边界条件还不能保证与实机的一致性时，今后还需要进一步提升。

5.外表面的振动和辐射噪声

通过设定燃烧室内压力波动和燃烧噪声之间的各种特性值，可以对发动机结构在燃烧冲击下所产生的响应特性进行评价。

例如对于表面放射噪声特性，Stenzel.H等人从很早以前就进行过研究；Wallace.C.E对矩形平板的振动模态和噪声放射效率之间的关系进行了大量的计算，并发表了研究成果；Hawkins.M.G等人对平板构造物放射噪声的计算和测试结果进行了对比；Yorke.P.J将Wal-lace的放射效率加以简化，并尝试着应用于发动机外表面上。除此之外，与外表面放射噪声相关的报告也有很多。

反过来讲，发动机外表面所产生的放射噪声对结构内部的振动传递特性具有很强的影响。如果将上述结论导入传递放射系数G，则系数G等于G_v和σ的积。其中G_v表示从燃烧冲击到发动机外表面振动响应的转换特性的振动传递系数，σ表示从外表面振动到燃烧噪声的转换特性的噪声放射系数。

处于静止状态下的发动机，单一爆发激励时外表面放射出来的燃烧噪声声功率P_b可以用式（1-1-2）求得。

式中 ρc——介质的固有阻抗；

——外表面振动速度的时间空间二次方平均值；

S——振动表面的面积；

σ——噪声放射系数；

P_v——在不损失振动表面的体积速度情况下的放射噪声时的声功率。

因此，相对于作用在燃烧室内表面的声功率P_c的P_v值，显示了发动机结构的振动传递特性，此处，如果用G_v来表示的话，可以用式（1-1-3）求得。

图1-1-6所示是单缸柴油发动机上求得的燃烧噪声的传递放射系数G、振动传递系数G_v以及噪声放射系数σ等的值。对于该发动机，在600Hz以下的中低频范围内，外表面的噪声放射系数主导了燃烧噪声的发生特性，而在600Hz以上的高频范围内，构造的振动传递系数G_v则具有更大的影响。上述结论应该在通过结构优化来改善发动机的燃烧噪声时引起注意。

二、燃烧冲击引起的发动机结构响应的分析方法

处于点火运转状态下的发动机所产生的噪声，除了燃烧噪声以外的机械噪声，会受到运动部件位置关系或连接状态变化、滑润油等多种因素的影响。即使是对于燃烧冲击的传递，各个传递路径的响应通常都是混合在一起的，很难一一加以分离。因此，为了避免上述复杂的分析，在静止状态的发动机上模拟施加燃烧激励，使其产生作用，对响应特性加以调查的方法得到了广泛的应用。下面简要介绍一下这种方法。

1.爆炸法

在燃烧室内，由丙烷、氧气、空气组成的混合气体通过火花点火，使其产生爆炸、燃烧，对此时在燃烧冲击下的发动机结构响应进行调查的方法称为爆炸法。这种方法在Al-cock.J.F首次发表后，Priede.T等人对其进行了改进。利用爆炸法开展过相关研究的人员有Thien.G、Challen.B.J、Crocker.M.D、小林、小鸠等人。

另外，还有与爆炸法类似的激振方法，如在燃烧室内使火药爆炸的方法。

2.液压激励法

液压激励法是指将模拟燃烧压力的液压油注入到燃烧室内，对发动机结构进行激励的方法，高压油由改造过的大型燃油泵提供。Dirson.J等人利用这种方法在多缸发动机上进行过研究，在各个气缸所产生的燃烧冲击激励作用下，对曲轴、轴承，以及气缸体的振动响应进行了分析。

3.敲击法

在调查构造物对外部激励的响应时，应用最多的当属敲击法，该种方法也同样适用于燃烧冲击响应分析。和田等人利用燃烧冲击力对发动机进行激励，在连杆大头位置、气缸套中间位置、气缸盖下方中央位置进行敲击，同时利用双脉冲激光全息法，对发动机外表面过渡响应的变形模式进行了调查。

4.压电积层离子法

压电积层离子法是指将压电积层离子插入到振动的传递路径中，据此对构造物进行激励，并对响应进行分析的方法。白石等人利用压电积层离子法在连杆处插入正弦激励波，对发动机结构本体的固有振动模态进行了测试。

三、降低燃烧噪声的设计方法

1.燃烧过程的控制

为了改善发动机的燃烧效率，从循环理论的角度来讲，压缩比和等容度是非常重要的。针对这些要求，一般来讲要使最大压力上升率（dp/dθ）_max、最大压力p_max增加，但同时作为结构的激励其冲击性也会变大。为了降低发动机燃烧噪声，首先需要缓和因燃烧而引起的缸内压力的冲击，最重要的是保证缸压级较低的压力传递过程。

因此，在不损失发动机输出性能的前提下，为了达到降低燃烧噪声的目的，缩短柴油发动机的点火延迟时期，而且将着火时期划分为几个部分，对初始阶段的热的发生峰值加以控制，利用扩散燃烧来增加发热比例，同时缩短燃烧时期。

为了实现类似的燃烧过程，还可以采用高压缩比、增压、控制燃料喷射率、控制燃烧室内的气体流动、采用废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）等方法。另外从点火前的可燃混合气形成控制的观点来看，利用壁面冲击喷雾等方法也将是今后重点研究的课题。

另一方面，汽油发动机和柴油发动机相比其冲击力度低，通过对燃烧过程的控制可以更大幅度地降低燃烧噪声。

2.构造体内部振动传递的控制

在探求燃烧冲击力作用于发动机外表面低振动特性的结构时，不仅需要考虑燃烧噪声，降低机械噪声也可以从整体上控制发动机噪声。

在改善机械噪声的对策中，利用FEM方法的结构分析，通过结构优化等方法来提高气门室罩、曲轴箱、气缸体、曲轴的刚度，以改善这些结构的振动特性。为了使作用在曲轴轴承处的激励不直接向轴承支撑部位传递，在气缸体上部采取轴承支撑结构的同时，将轴承盖连接到一起，将轴承部位的轴向打开，通过这种结构设计可以有效防止新的振动发生。

另外，如各种罩壳类零件的振动隔断，以及发动机外表面的防振设计等都是重要的课题。

3.外表面噪声放射的控制

如果从发动机外表面噪声放射效率的角度来考察，一般来讲面积较小的曲面在低频段时其声音放射阻抗的实部表现为较低的值，噪声放射性低。另外，板厚较薄或者较软的表面容易产生高阶振动模态，噪声放射性能降低。

但是，上述方法有增加表面振动幅度的风险，采用这种表面结构时，需要对隔振及防振等进行详细论证。