汽车发动机噪声产生的原因及控制对策研究

万继武等

【摘 要】城市噪聲污染源主要来自汽车噪声，其中汽车发动机噪声是汽车噪声的主要部分。本文结合当前对汽车发动机噪声的研究，分析了汽车发动机噪声产生的原因及其分类，并针对不同噪声提出了有效的控制措施，并阐述了汽车发动机噪声控制技术的发展趋势。

【关键词】发动机噪声；噪声原因；噪声控制

1前言

欧洲环境署近日公布了欧盟首份噪声评估报告，称超过1.25亿欧洲人承受着超过法定指导水平的交通噪声污染，导致每年高达1万人过早死亡。报告指出，公路交通是最主要的噪声源，其中汽车噪声占交通噪声的75%。在我国，噪声被称为“无形的暴力”，由此带来的噪声污染严重影响着人们正常的工作、学习和健康的生活。我国制定了噪声控制的标准《GB/T 18697-2002汽车车内噪声测量方法》、《GB-1495-2002汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》，其中GB-1495-2002中规定的小汽车车外噪声限值为74dB，而日本汽车发动机噪声已降到仅占车外总噪声的30%，大大超过了我国目前的水平。

据研究，汽车的噪声源主要来自发动机、排气系统、进气系统、轮胎与路面间的摩擦等，其所占的比例如表1所示。

由表1我们可以看出发动机噪声所占的比重最大，为汽车噪声的主要来源，由此汽车发动机噪声控制就显得尤为重要。据研究，汽车噪声受发动机转速的影响很大，一般来说，发动机转速上升，汽车噪声也随着变大。发动机排气系统噪声，即发动机排气歧管内及排气管口气体压力发生剧烈变化，在空气中和排气管内产生压力差由此而向外辐射的噪声。进气系统噪声指的是在汽车进气口处产生的噪声。轮胎与路面摩擦噪声通常是指轮脂在与路曲接触时会形成空胫的过程中，在汽车高速行驶阶段，空气会在空胫中产生摩擦发生共振从而发出噪声。发动机噪声是汽车噪声的主要来源，发动机是由曲柄连杆机构组成的以往复运动为特点的热力机械。发动机在进行燃烧过程时的每次工作循环过程中，发动机的主要零部件均承受周期性交变载荷的扭距作用，引发发动机振动，由此产生发动机噪声。发动机的振动主要包括曲轴扭转振动、结构弹性振动、系统部件振动（配气系统、缸套）、整机振动等。本文对汽车发动机噪声产生的原因及其噪声控制对策进行重点分析，并阐述了当前汽车发动机噪声控制技术，以期对汽车发动机噪声控制提供一定借鉴。

2 汽车发动机噪声产生原因

汽车发动机运转过程中发出噪声是由多种声源发出的声音组合而成，按照噪声辐射方式的不同，主要分为表面辐射噪声和空气动力性噪声，发动机噪声组成的分类如图1所示。其中表面辐射噪声包括燃烧噪声和机械噪声两大类，主要通过与发动机相连的零部件和外表面振动，由发动机表面间接向外产生辐射噪声，燃烧噪声与机械噪声联系紧密，较难区分，其中燃烧噪声的大小对机械噪声相互影响；而空气动力性噪声主要包括进气噪声、排气噪声和风扇噪声，主要是由于气流振动而产生的，属于直接向外辐射的噪声。

2.1 燃烧噪声

燃烧噪声是发动机的主要噪声源。关于燃烧噪声的机理，至今研究的尚不很深入。通常把汽车发动机内燃料燃烧时，气缸内压力的急剧变化产生高频冲击波和动载荷，经机体和气缸盖等引起发动机整机表面振动，通过气缸盖、气缸套和活塞一连杆一曲轴、主轴承传播辐射出来的噪声称为燃烧噪声。发动机的燃烧噪声和燃烧过程的进程是密切相关的，燃烧噪声主要决定于燃烧方式和燃烧初期时的速度。一般来说，汽油机与柴油机燃烧噪声还是有一定差距的，在汽油机中半球形燃烧室燃烧速率大，噪声也最大，而浴盆形燃烧室燃烧速率较低，噪声也较低。燃烧噪声主要集中于速燃期，在速燃期内，压力增长率较大，能够产生较为强烈的动力冲击，因此相较于缓燃期会产生较大的噪声。一般来讲，发动机燃烧噪声与发动机转速相关性较大，发动机转速增加时，考虑到散热损失减少，致使压缩温度和压力增高，燃烧室内空气混合剧烈，混合气的形成速度加快，由此产生较大的燃烧噪声。燃烧噪声一般是以1000Hz以上的较高频率的噪声为主。

燃烧噪声主要表现在两个方面：一是由气缸内压力急剧变化引起的动力负荷，由此产生结构振动和噪声，其频率相当于各传声零件的自振频率；二是由气缸内气体的冲击波引起的高频振动和噪声，其频率为气缸内气体的自振频率。

2.2 机械噪声

机械噪声的产生是发动机运转时，因各部件存在间隙而发生撞击及部件受内部应力作用产生弹性变形导致发动机表面振动而发出噪声。一般来说，发动机在低转速时，燃烧噪声占主导地位，在高转速时，机械噪声就占主导地位。此外，机械噪声还与发动机制造工艺水平有着直接的关系。机械噪声主要包括活塞的敲击噪声、配气机构噪声、齿轮噪声等，轴承引起的噪声较小，不予考虑。活塞敲击噪声是由于活塞与缸壁等发动机构件间运作时存在间隙，在周期性高速运转过程中对缸壁进行剧烈的撞击产生噪声；配气机构作为一个弹性系统，工作时各零件的弹性变形会造成气门的不规则运动，撞击程度加大，从而产生强烈的噪声；齿轮噪声是配气机构和喷油泵驱动转矩发生变化的结果。

2.3 空气动力性噪声

发动机空气动力噪声包括进气噪声、排气噪声和风扇噪声。它是由于气体的非稳定流动，或者说气体的扰动以及气体与物体的相互作用而产生的。进气噪声主要是由于进气门周期性的开闭，在管道中气体产生压力和速度急剧变化，气流高速流经进气门处的截面，产生涡流，从而形成强烈的噪声。排气噪声是发动机最主要的噪声源，废气以很高的速度向外冲出排气门，表现为一个复杂的非稳态过程，产生强烈的排气噪声。据研究，风扇噪声与汽车发动机转速相关性较大。

3 汽车发动机噪声控制对策

目前噪声测试的方法趋向于声压法、声强法和声振测量法等方法的综合应用。计算机软件应用有限元法、多体动力学建模、噪声主动控制等方法已经起到了较好的发展，神经网络识别技术对噪声识别起到了较大作用。

从發动机结构振动噪声的组成、产生的机理的分析可以看出，降低发动机噪声的措施大致可以从三个方面着手：一是减小振动和噪声激励，包括改善燃烧特性减小活塞与缸套间隙，减小运动件的质量等措施；二是合理设计结构，采用合理的刚度分布，各零部件合适的振动模态，采用隔振措施等以减小振动响应和振动传播；三是采用阻尼、隔声等措施来减小噪声辐射。

3.1 燃烧噪声控制

控制燃烧噪声的关键是控制燃烧最高压力升高率，形成较为缓和的升高机制。

通常采用降低燃烧噪声的方法有减小供油提前角、优化活塞燃烧室的设计、废气再循环采用增压技术、采用双弹簧喷油器等，另外采用隔热活塞以提高燃烧室壁温度，缩短滞燃期，降低空间雾化燃烧系统的直喷式柴油机也能够显著降低燃烧噪声。

3.2 机械噪声控制

降低活塞敲击噪声的方法最常用的方法是活塞销偏置，涉及到具体的偏置尺寸要根据发动机的几何尺寸、活塞间隙及试验中的噪声情况来考虑。降低发动机配气机构噪声，可以通过减小气门问隙、提高凸轮加工精度和减小表面粗糙度、选用性能优良的凸轮型线、提高机构件的刚度来实现。另外汽车发动机齿轮噪声控制可以通过优化齿形、提高齿轮制造精度和改变齿轮传动系统参数来实现。

3.3 空气动力性噪声控制

考虑到空气动力性噪声产生的原因，可以通过对空气滤清器、进气通道进行合理的设计，降低压力脉动的强度与通道处涡流强度，同时采用消声措施也能起到较好的作用。另外对汽车发动机排气管的长度与形状进行合理设计参照，以避免气流产生共振和减少涡流噪声，采用较为合理的排气消声器来降低排气噪声。

4 总结

综上所述，汽车发动机噪声污染引起了全社会的广泛关注，而考虑到影响汽车发动机噪声的因素多种多样，要降低汽车发动机噪声，应从发动机噪声产生的原因、传播途径等方面入手，明确降噪的对象和目标，综合考虑各方面的效果，采取有效的降噪技术手段，将汽车发动机噪声控制在合理的范围内。另外我们也要看到我国在汽车降噪方面与西方等发达国家的差距，要不断完善相关的法律法规，加大科技投入，汽车发动机降噪任重而道远。

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