車用汽油發(fā)動機減振降噪改進開發(fā)

ainet.cn 2009年05月05日

我國政府繼對車輛排放強制限值之后，又對汽車噪聲、油耗等指標提出了強制性限值標準。GB1495-2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》，規(guī)定在2005年1月1日起，對新認證車型將實施第二階段噪聲限值，M1類乘用車須達74dB(A)。新頒布的GB19578-2004《乘用車燃料消耗量限值》，規(guī)定各型車輛也應(yīng)分階段達到Ⅰ、Ⅱ階段油耗限值。這對當前國產(chǎn)的M1類第二類車（下稱：輕型車），存在挑戰(zhàn)，須進行改進和優(yōu)化。

歐、美等汽車大國已遠遠走在我國前面。歐洲經(jīng)濟委員會，加大了對各類車輛噪聲排放的限制，在過去20年，乘用車降低了8分貝，卡車降低了11分貝。這些發(fā)達國家測試手段、評估流程先進，在設(shè)計上，已經(jīng)使用虛擬設(shè)計軟件進行噪聲、振動預測和改進，同時通過對聲音品質(zhì)研究，開發(fā)出不同聲音品質(zhì)車型，一適應(yīng)不同國家和地區(qū)需求。在歐洲，柴油機的噪聲振動已經(jīng)控制在可以配裝到乘用車的水平，且柴油機配裝比例已超過40%。

我國在80年代就認識到配裝發(fā)動機噪聲水平是決定整車噪聲水平的關(guān)鍵因素。但由于種種原因，其噪聲水平和低噪聲技術(shù)能力與先進國家的差距越來越大。究其原因有：（1）執(zhí)行車輛和發(fā)動機的噪聲法規(guī)力度不夠，噪聲控制的行政管理制度比國外寬，降噪的研究工作的動力性不夠；（2）創(chuàng)造性的關(guān)鍵技術(shù)研究不夠，僅滿足于跟蹤和達標的治理；（3）研究隊伍和研究條件薄弱，在振動、噪聲方面的研究機構(gòu)缺乏相應(yīng)的資金、項目支持。由此，造成了我國輕型汽車、發(fā)動機及相關(guān)零部件在噪聲、振動、嘯叫或振動舒適性（下稱：NVH）研究手段落后、成果轉(zhuǎn)化率低的局面。

本文針對國內(nèi)外目前在減振降噪方面的現(xiàn)狀和差距，借鑒歐美汽車發(fā)達國家的降噪設(shè)計和試驗方法、技術(shù)措施和數(shù)值仿真分析技術(shù)，結(jié)合企業(yè)實際，探索建立了提高減振降噪水平的發(fā)動機產(chǎn)品改進開發(fā)技術(shù)路線。

1 車用發(fā)動機噪聲分類及評價指標

發(fā)動機噪聲可以按噪聲輻射的方式分為兩類：直接向大氣輻射的空氣動力噪聲和通過發(fā)動機表面向大氣輻射的表面輻射噪聲。進氣噪聲、排氣噪聲、風扇噪聲屬于空氣動力噪聲。發(fā)動機內(nèi)部燃燒爆發(fā)壓力產(chǎn)生的燃燒噪聲和內(nèi)部零件在運動機械力作用下產(chǎn)生的機械噪聲,是通過發(fā)動機的外表面的振動向大氣輻射傳播的，叫做發(fā)動機表面輻射噪聲。

表1列出了歐洲整車通過噪聲限值及發(fā)動機1米噪聲控制指標。對乘用車而言，發(fā)動機在標定條件下，其1米噪聲一般控制在94～96dB(A)，不超過96 dB(A)。若整車未采取額外的屏蔽措施，則發(fā)動機1米噪聲還應(yīng)控制在94～95 dB(A)或以下。

表1 當前歐洲整車通過噪聲限值及發(fā)動機噪聲推薦控制指標

國內(nèi)發(fā)動機1米噪聲水平與國外同類機型存在一定差異。以2L～3L發(fā)動機為例：汽油機一般在95～97dB（A）；柴油機一般在98～103 dB（A）。單純降低發(fā)動機1米噪聲并不難，難點在于在降噪的同時，還必須降低油耗、排放，而改進油耗、排放的一些措施，如提高壓縮比可以提高熱效率，降低油耗，但燃燒噪聲會增加。隨著國Ⅱ、國Ⅲ排放及Ⅰ、Ⅱ階段油耗限值的相繼實施，發(fā)動機降噪設(shè)計必須在動力性、經(jīng)濟性、排放等指標之間進行綜合平衡和折中。

2 某汽油機原機噪聲測試分析結(jié)果

通過采用1米噪聲測量、燃燒噪聲測量、近場聲強測量、階次跟蹤測量、振動測量等多種方法對某4缸多點噴射汽油機進行全面測試，發(fā)動機原機1米噪聲94.8dB（A），搭載為原整車的加速通過噪聲76.7dB（A）。發(fā)動機主要噪聲源在：發(fā)動機前端，底部及汽缸體裙部等。對應(yīng)的發(fā)動機主要部位為前端輪系（輔件）、排氣、油底殼等。

控制表面噪聲一般有三個途徑：（1）噪聲源的控制和優(yōu)化，如優(yōu)化燃燒激勵、活塞拍擊等；（2）通過改變結(jié)構(gòu)，改變發(fā)動機零件的剛度和阻尼，增加噪聲和振動在向發(fā)動機表面?zhèn)鞑ミ^程中的衰減；（3）采取屏蔽措施，發(fā)動機表面噪聲阻隔在屏蔽空間內(nèi)。本課題主要從發(fā)動機激勵、結(jié)構(gòu)傳遞進行降噪開發(fā)。發(fā)動機前端主要布置有助力轉(zhuǎn)向泵、空調(diào)壓縮機、風扇等附件，因其改進可納入整車改進內(nèi)容。

3 汽油機改進開發(fā)數(shù)值仿真

3.1 改進約束邊界、目標及主要改進方向

燃燒噪聲優(yōu)化必須兼顧油耗指標，根據(jù)對原發(fā)動機測試水平、結(jié)合當前零部件制造現(xiàn)狀，對發(fā)動機噪聲優(yōu)化、改進提出如下邊界條件：即燃燒室結(jié)構(gòu)形式不做大的改進；最高爆發(fā)壓力在60bar以內(nèi)；氣門機構(gòu)不做大的調(diào)整。

3.2 油耗約束下的燃燒噪聲優(yōu)化改進

根據(jù)以上約束條件，為同時滿足油耗指標和燃燒噪聲條件，優(yōu)化改進以進氣道長度、壓縮比、進氣開啟相位、排氣關(guān)閉相位為可變因素，以比油耗、最高爆發(fā)壓力為約束條件，并參考活塞力、軸承力等參量的變化，針對滿足功率、扭矩、燃燒噪聲指標進行多目標優(yōu)化。數(shù)值仿真過程采用各可變因素逐一代入經(jīng)標定的整機熱力學模型，遍歷計算出各可變因素的參數(shù)改變對比油耗、最高爆發(fā)壓力、活塞力-速度-加速度、連桿軸承力、主軸承力等評價指標的影響趨勢，篩選出各可變因素的優(yōu)化參數(shù)值。

3.2.1 整機熱力學模型

采用美國GT-POWER發(fā)動機熱力學CAE分析軟件，建立該被評估發(fā)動機整機熱力學模型如圖1所示。整機熱力學模型建立后，對該模型進行參數(shù)輸入和調(diào)整，模型中涉及配裝整車的進氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，如空氣濾清器、排氣消聲器及其管路，參照某研究車型實際參數(shù)設(shè)置，然后根據(jù)原機試驗數(shù)據(jù)進行模型標定?？紤]到模擬與試驗本身存在一定的差異以及全工況標定工作量太大，因此對該模型僅按原機外特性的扭矩、功率和比油耗試驗數(shù)據(jù)進行了標定。

標定結(jié)果表明，在外特性上，模型仿真計算值與實測值的均方相對誤差不大于3%，達到工程設(shè)計允許的精度要求。可以用于對樣機改進設(shè)計的數(shù)值仿真試驗評價和優(yōu)化分析。為在評價前述可變因素對整機動力性、經(jīng)濟性能影響的同時，考察各因素對進排氣噪聲影響，在模型的進氣口和排氣口模塊插入了麥克風模塊，將進氣口和排氣口作為點聲源，兩麥克風與點聲源距500mm,并成45°夾角。

圖1 被評估發(fā)動機整機熱力學模型

3.2.2 數(shù)值仿真計算結(jié)果

數(shù)值仿真過程采用各可變因素逐一代入經(jīng)標定的整機熱力學模型，遍歷計算出各可變因素的參數(shù)改變對比油耗、最高爆發(fā)壓力、活塞力-速度-加速度、連桿軸承力、主軸承力等評價指標的影響趨勢，然后分析比較篩選出各可變因素的優(yōu)化參數(shù)值。數(shù)值仿真計算結(jié)果匯總列于表2中。