车用汽油发动机减振降噪改进开发

陈兴元

摘要：本文将开发新的两冲程汽油发动机。本项目旨在满足二冲程发动机研制过程中的噪声和振动要求。目的是在不影响高功率比、低排放、低油耗和多平台应用标准的前提下，采用目前在噪声、重量和减振方面的最新技术。对现有发动机进行了整体振动，确定了主要频率范围和振动水平。对所提出的新型发动机进行了有限元振动仿真，并提出了改进措施。并对所提出的和改进的发动机模型进行了噪声辐射仿真，以保证噪声的均匀分布。

关键词：车用汽油;发动机;减振降噪;改进开发

中图分类号：S219.031                                  文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）10-0009-02

0  引言

本文分析了三种发动机的平衡计算。还包括排气系统背压、催化转化器的使用和新材料对发动机部件的影响、发动机表面热损失的计算。新发动机的排气和进气设计用于完成系统。对进气和排气进行了参数分析。最后，利用声强技术对发动机进行了噪声辐射测试，确定了可能的主要噪声辐射源。

1  车用汽油发动机材料

发动机噪声的主要因素，特别是非常麻烦的中高频部件，是支撑曲轴的主轴承舱壁和盖的纵向振动。气缸内的燃烧气体力使这些零件移动，进而使缸体裙座和油底壳振动，从而产生噪音。通过用横梁将轴承盖牢固地连接在一起，主轴承舱壁和轴承盖的纵向振动得到抑制，缸体抗扭转和横向弯曲的刚度也得到提高。这使我们开发了集成的主轴承盖和横梁。

通过振动台试验、全息干涉分析和发动机台架试验，对发动机降噪效果进行了定量评价。通过对阀门系统振动和噪声产生机理的研究，发现阀门系统的异常运动即跳跃和弹跳现象是振动和噪声源的主要因素，系统各部件之间的碰撞成为一个问题。用FC 200模拟了材料对曲轴箱振动特性的影响。刚度随曲轴轴套和曲轴轴套厚度的增加或减小而变化。阐明了圆柱体的刚度在高频范围内对固有频率的影响最大，重量对低频范围内的固有频率影响较大。因此，在测量频率范围内，曲轴箱和曲轴轴颈的刚度越高，重量越轻，可以减小缸体的振动应力。

通过单独处理，可以降低发动机表面的噪声。组件或通过修改辐射表面。消除或消除噪音。通过改变翅片的特性，使谐振频率消除。采用有限元模型和试验模态分析方法对改进型水头进行了简谐分析。通过微调结构来降低曲轴箱总成的噪声，从而消除与噪音有关的频率。

对整个噪声系统进行了详细的分析。它包括噪声源分析、传输路径分析和辐射表面分析。利用声学测量了辐射表面的贡献。结果表明，从辐射源到辐射面的最大力传递路径是通过连杆到曲柄轴，主轴承到缸体。连杆或曲轴的修改并不容易，因为它们的固有刚度受到了严重的限制。因此，主要的工作是对主要承重结构进行改造。这些阶段是概念和设计阶段、燃烧和机械发展阶段以及NVH发展和细化阶段。[1]

2  车用汽油发动机减震降噪改进开发

通过增加阻尼和降低热辐射效率对正时罩进行了改进。对不同厚度的有机玻璃、铝板、橡胶阻尼层和复合橡胶/钢板阻尼层进行了测试。塑料薄板輻射效率低，可降低噪声排放。在概念设计阶段的早期，发动机结构的噪声特性可以通过以下方法进行优化：振动模拟这种方法确保了第一代引擎硬件已经在结构上对噪声进行了优化。采用具有高刚度的蜂窝状结构来容纳颗粒填充物，这为设计颗粒材料的分布提供了可能性。

作为一个具体的应用实例，以某型内燃机油底壳为例，研究了油底壳对振动特性和声发射的影响。采用激光扫描测振法研究了蜂窝结构以及颗粒质量、分布和类型对结构振动特性的影响。在此基础上，确定了一种优化的填充方式，并在发动机台架上通过声学阵列的测量验证了其噪声抑制水平。利用有限元方法对结构振动进行了数值模拟。固有频率和模态形状可用于验证目的。然而，重点是发动机结构的受迫振动和载荷。边界条件尽可能切合实际。在布局设计阶段，对整个工程进行建模。模拟的目的是最终得出一个结构，显示出在外部表面均匀分布的振动水平。[2]

2.1 在发展阶段，典型的噪声发展工作由四个部分组成

阶段：修改的分析、测试和开发、修改硬件的采购、最终测试和改进。得出了两阶段模拟的结论，需要处理。第一阶段侧重于趋势预测;第二阶段在设计阶段意味着在考虑所有显著噪声的情况下进行模拟。研究了各种结构，对噪声进行了控制测试。设计并测试了两个加劲肋，以降低发动机低端、单缸框架的振动，在曲轴箱法兰和一个轴承梁上引入刚度。在主轴承盖处引入刚度。加劲肋通过声强测量和移动性测量进行了评估。阶梯架的降噪效果很好，但轴承梁只引起轴承模态的频移。油底壳的解耦导致了巨大的噪音和振动。一种略为改进的辐射计算模型提出了小不规则板的效率建议。降低噪音源，通过更平滑的气缸压力开发，小活塞孔间隙或缓冲装置纳入活塞。通过加劲和划分铸造曲轴箱和水套板来降低发动机结构薄外表面的振动，将刚性罩的噪声辐射区与曲轴箱和缸体铸件的振动隔离开来。Shigehoro降低了直列4缸的往复惯性质量。发动机减振33%，使发动机振动降低4dB。降低发动机噪音的活塞二次运动和活塞通过改变发动机的运行和设计参数。提前定时，提高内衬温度，提高速度，增加环张力，增加活塞摩擦，使活塞冲击强度增加。[3]

2.2 柴油机的降噪工作主要集中在结构

以及发动机的辐射表面。燃烧强迫函数多年来受到了广泛的关注，产生了两个弹簧喷油器和先导喷油器等特点。活塞拍击和头顶间隙也是降低噪音努力的主题。燃油系统扭转阻尼器、曲柄齿轮隔离器和后齿轮传动系统可以降低齿轮冲击噪声。由于曲轴的振动，汽油机的噪声来源被确定为在主轴承区域。燃烧噪声是燃烧噪声的主要来源。发动机噪声在较低的转速范围内（约45Hz），机械噪声是发动机较高转速范围内的主要噪声源。一种新的单缸步进活塞发动机，因此，需要对发动机的振动和噪声动态行为进行预测。减振降噪主机开发问题为新发动机的成功设计提供了依据。为了克服设计初期建造原型所需的时间和成本过高的问题，仿真方法已成为当今工程师的主要工具。在发动机中，由振动质量和振动引起的主要激励力。通过曲轴的主轴承，将燃烧过程引入缸体和气缸盖。传递到发动机表面的能量导致表面振动导致这些表面的噪声辐射。前一章对现有单缸发动机的研究表明，单缸发动机的振动频率范围可达2.5kHz。这意味着有限元模型的工程和部件应该能够描述这些部件的动态行为，频率为2.5kHz，采用有限元法对二冲程汽油机的振动特性进行了研究。特征模与主观模式描述的关联是基于特征向量的计算机动画。结果表明，气缸盖的模态主要由气缸盖控制。[4]

2.3 研究模型

该方法所特有的简化无法量化。假设经常在结构动力学实践中遇到的问题包括：节点约束的近似值、节点刚度、集总质量特性等，因为通常采用有限元模型。由众多的参数组成的最优选择是一项最困难的任务，为了获得良好的响应而对其进行修改。但是，随着FEMtools软件，它将提供辅助选择参数的工具。灵敏度表示响应值（例如共振频率）的大小。受参数值修改的影响。这些值存储在敏感矩阵中。分析此矩阵提供了有关结构的敏感和不敏感区域的信息。图形化工具允许对这些不同的区域和快速优化的参数选择。由此产生的参数变化被用来重新计算质量和刚度矩阵，产生新的共振频率和特征向量。然后可以继续迭代过程，直到满足收敛准则。有限元模型将用于灵敏度分析，以确定合适的为减少共振引起的振动，应对部分进行修改（加劲）频率，或者，如果可能的话，将结构的固有频率从工作频率移开。结构的改造是在不影响结构的主要功能和参数的情况下，通过增加厚度和肋数或使用阻尼器来进行的。这两种模式是完全相同的。位移图显示鳍底部有较高的应力。灵敏度分析表明，为了降低振动振幅，需要加筋的区域。为了减小气缸盖的振动，有一些需要作出修改。从前三个频率可以看出，气缸盖的振动会在气缸盖底部引起很大的应力。它发生在底部和鳍之间的连接处。为了减少这种振动，我们需要增加底部的厚度。红色表示气缸盖底部的附加质量。需要注意的是，底座系在缸体顶部。这种振动模式发生在Tlange。一个由于翼缘较长，悬臂效应比较明显。法兰的自由端具有很高的位移，而另一端的位移较低。我们可以假设，在身体和法兰连接处的应力相当高。灵敏度分析还表明，连接区域具有高度的连通性。对第一种模式有显著影响。改变面积会导致频率漂移，降低振动幅度。这里可以得出结论，连接是成功的加筋。修改已经完成，但要记住，目标是轻量级和高刚性曲轴箱。因此，高灵敏度的区域应该被筛选，而低灵敏度的区域应该通过减小厚度或质量来增强。然而，不加强的过程应该考虑到这一事实，即它不会产生其他问题，如应力失效、疲劳和其他问题。

在这种情况下，修改只能根据模式进行，因为它位于可以在不干扰其他主要部分的情况下进行修改的区域，满足几个约束的发动机，如性能，低重量，耐用性，成本和可接受的低噪音水平在运行期间。数值模拟的使用变得越来越多，更重要的是，帮助工程师在设计过程中，减少物理原型的数量，将不得不建造和测试。因此，在汽车设计中，可用的、简单而准确的建模工具已经成为必不可少的。在运行过程中，考虑到燃烧压力和轴承负荷等相关影响。结合发动机的结构有限元模型，对发动机的结构响应进行了评估。[5]

3  结束语

结果表明，样机在空载条件下产生了可接受的噪声辐射量。研究了材料的固有频率特性、固有频率与振动模态的关系、刚度对固有频率的影响、材料对刚度和重量的影响。主要强调的是增加发动机的刚度，同时也要减轻发动机的重量。

参考文献：

[1]王立伟，杨照中.车用汽油发动机电子控制系统现状研究[J].科教导刊-电子版（中旬），2016（3）：155.

[2]李泉胜.车用汽油发动机综合测控系统研究[J].华章，2012（11）：322.

[3]徐政，龚伟国，ScholtenI， et al.车用1.5 L涡轮增压直喷汽油发动机开发[J].汽车安全与节能学报，2018，9（3）：339-351.

[4]郭瑞莲，鲍晓峰，岳欣，等.车用乙醇汽油对发动机进气系统沉积物的影响[C].中国汽车工程学会.2007年中国汽车工程学会年会论文集，2007：73.

[5]盧银，蒋昌林，卢国华.车用汽油发动机控制模块台架标定开发[J].汽车实用技术，2020（5）：47-48，75.

[6]张林辉.醇汽油混合燃料与车用汽油对发动机排放性能试验分析[J].装备制造技术，2012（12）：10-11，53.

[7]马捷，王亚丛，苏永康.燃氢发动机与汽油机的车用性能对比和分析[J].能源技术，2001，22（6）：229-231，235.