工程机械内燃机减噪降温设计研究

王成 陈花

摘要：内燃机是汽车和工程机械的主要动力源，过热或者振动噪声过大，都会对正常运行产生影响，但可能导致这两个问题的因素较多，需要进行具体的设计，以此提高内燃机的使用寿命。在介绍了内燃机传热问题和振动噪声问题的发展现状后，分别提出具体的噪声控制技术和过热控制技术，以供参考。

Abstract： The internal combustion engine is the main power source of automobiles and construction machinery. Overheating or excessive vibration and noise will affect the normal operation， but there are many factors that may cause these two problems. Specific design is required to improve the performance of the internal combustion engine. Service life. After introducing the current development status of internal combustion engine heat transfer problems and vibration and noise problems， specific noise control technologies and overheating control technologies are respectively proposed for reference.

关键词：工程机械;内燃机;减噪降温;工作环境

Key words： construction machinery;internal combustion engine;noise reduction and temperature reduction;working environment

0  引言

现如今，内燃机得到了大范围的普及应用，相应的减噪降温系统也得到了很好的发展，但在实际使用过程中还需要进行改进优化。作为内燃机的重要部件，减噪降温系统具有维护温度平衡、减少噪音振动等作用，可以保证整体工程机械效率。因此，要在不改变内燃机系统的情况下，实现技术更新，保证系统平稳运行。

1  内燃机传热问题和振动噪声问题发展现状

1.1 传热过高问题

节能减排政策推出后，内燃机的首要任务就是降低耗能、提高效率，就是说让内燃机在短时间内达到设计好的运行温度范围内，同时保证内燃机运行过程中可以进行有效的降温，保证工作正常。前者可以减少能量损失，后者可以保证运行效率，二者都是非常重要的环节。内燃机在工作一段时间后，温度也会随之提高，在这样的情况下，保证内燃机正常工作，就必须要专门设计出散热器。但内燃机在低温和高温下运行所产生的能量完全不一样，低温下运行效率较低，因此，除了散热功能之外，还需要设计出可优化的温度设备。目前较为常用设计方法为数值方阵，可以更加准确高效的完成对内燃机传热过高问题的研究，此外流固耦合技术也是目前较为先进的一种有限元计算方法，可以同时建立模型，采用离散方法，得到最终的计算结果，从而有效改进内燃机结构上存在的设计缺陷。不仅如此，传热问题计算得到的信息数据可以为内燃机噪声振动问题的处理提供参考和依据。

1.2 振动噪声问题

相比较内燃机传热过大的问题，振动噪声问题始终都是国家的重点，并且提出了不同的处理控制方式，但随着科学技术的发展，还需要对噪声控制问题进行全面的分析和优化，从而提高控制效果，真正实现降噪目标。内燃机噪声控制技术可以分为噪声源识别和噪声降低这两个方面展开。采用表面振动的方式，捕捉声辐射，以此得到的信息准确性极高，而且这种方式考虑到了热传递和润滑油等问题，为后续减噪降温系统的设计奠定了良好的数据基础。振动噪声的控制技术可以分为四个方面，分别为：通过增加阻尼材料的方法、进行不规则阻力矩和外界反力的设计优化、扭矩纵耦合振动方案、耦合强迫振动模型。这些方法都能够实现降低噪音目的，将振动控制在一定范围内，有效改善辐射声场[1]。

2  内燃机过热问题控制技术设计

2.1 及时排除故障

通过前文对内燃机表面振动辐射效率以及传热问题的分析研究，对内燃机的运行情况有了一定的认识。在此基础上，针对内燃机过热问题控制技术进行设计分析。内燃机过热故障危害很大，容易变形、融化、卡死、拉缸等现象，严重情况下，还会导致燃油消耗增加，输出功率降低等故障。导致内燃机过热的原因有很多，主要包括负荷过大、外界环境温度较高、冷却系统故障、长时间过载运行等。在出现过热故障后，第一时间查找故障原因，根据具体的原因展开系统的设计和处理。首先检查冷却液面，如果位置较低，那么则证明冷却水量不足，要按照要求补足冷却液，如果内燃机在短时间内恢复到正常，那么则证明问题得到妥善解决，如果再次出现了过热情况，则证明冷却系统出现了渗漏问题，则要确定具体的渗漏位置，展开进一步处理。其次，检查水泵和散热器的工作状况，及时更换故障设备，确保水泵和散热器可以正常工作。最后，检查其他部位，找出过热原因。比如，機油散热器、燃烧室、柴油机、排气门等方面的故障，都会威胁到设备的正常运行。

2.2 冷却系统改造优化设计

内燃机冷却系统中最为主要的任务就是保证其在适宜的温度下运行，保障机油品质，为零部件创造一个合适的环境，切实提高使用寿命。在铸造材料商，可以采用普通碳素钢材料，避免出现遇冷冻裂的情况，也可以对排气阀进行改造，以此进一步提高工作效率和排气性能，全面优化冷却系统。

比如，将球形尼龙接口改为内外扣锥面接触开闭阀，能够进一步提高冷却系统。绝大部分内燃机采用水冷作为冷却方法，最多可以带走600kW的热量，但在此基础上还需要进一步降低25-30%的热量。根据具体的统计数据情况来看，内燃机的工况温度控制在80-90℃时，工作效率较高。因此，进口水温控制在80℃，预热系统温度值则设定在40℃。当水温低于70℃时，一号温控阀就会自动开启副阀门，将高温水引入水泵，利用水泵推力送入内燃机。当水温高于80℃时，二号温控阀会自动开启，将高温水引入主换热器，并且利用风冷系统进行冷却，冷却水进入二号温控阀中，实现水温控制。总的来说，就是将80℃打造为临界值，高于临界值则会进入附加的换热器，低于临界值则会进入水泵，以此实现一个恒温冷却循环。

传统的换热器在实际工作过程中存在换热能力不足的情况，无法满足内燃机的工况需要，因此，要对其进行一定的优化。冷却系统自身空间较小，附加换热器的尺寸需要经过慎重考虑，综合考虑换热器的管道阀门衔接处的长短来看，板翅式换热器最为合理，其体积较小、空间紧凑、性能较高。可以通过优化通道参数的方式解决实际运行过程中存在的能量不足问题。冷却系统可以分为风冷和水冷两种，经过综合计算后，最终设计了15个水通道和30个空气通道，达到的传热效果最优。

除了上述内容之外，进水温度和进水流量的控制非常关键，进口水温度如果低于40℃，那么会出现机油黏度增大的现象，导致汽缸润滑性能出现大幅度降低，最终对内燃机的部件造成损坏。冷却系统中水温临界值在80℃，通过恒温冷却循环设置，可以有效避免水温过低的问题，最大程度保证了内燃机运行的可靠性和平稳性。从实际应用效果来看，当进水温度≥82.6℃时，冷却水会进入到附加换热器中，将水温降低2.6℃，以此避免达到最大的换热负荷值，为内燃机在高温爬坡或者长时间运行创造更好的空间环境，避免出现警戒高温现象，为工作人员创造了处理时机。

3  内燃机噪声问题控制技术设计

3.1 及时排除故障

如果想要有效控制噪声污染，就要在明确噪声法规的基础上，对传统的噪声控制方法进行优化，现如今常见的噪声控制方法可以分为控制噪声源和限制噪声传播途径这两种方式。从控制噪声源的角度入手，内燃机结构刚度、零件加工精度、表面粗糙度、零件材料、运动件间隙等因素都会导致机械噪声的产生，可以通过提高运动件的平衡性能、减少扭振等方式，来保持低噪音。以曲柄连杆机构产生的噪声为例，适当改善活塞和缸壁之间的相对运动条件，如，减少活塞和缸壁的间隙或者设计出合理的活塞裙部结构等方式，都可以有效减小噪音。可以采用椭圆鼓型活塞减少活塞和配缸之间的间隙，还可以采用活塞销孔中心偏置气缸中性线的方式降低活塞对缸壁的敲击噪声。美国的福特、雪弗兰、克莱斯勒以及德国的奔驰汽车的汽油机都应用了这种中心偏置的方式。在内燃机中齿轮是产生噪声的主要材料之一，可以采用控制齿轮弹性刚度和齿轮误差的方式来控制噪声[2]。

如，合理选择齿轮型式、改进齿轮参数、减小齿轮侧向间隙、采用正时皮带传动代替正时齿轮传动。从限制传播途径入手，可以采用吸声、隔声、消声、隔振、减振、屏障设立等方式。以隔声为例，可以采用隔声壁板、隔声罩等内容，常见的形式包括全隔声罩、半隔声罩以及局部隔声罩，内燃机常用最后一种隔声罩模式。

3.2 噪声预测技术设计

除了前文提及的内容之外，想要有效控制噪声问题，就要对在内燃机噪声机理进行全面的研究和控制。从内燃机燃烧学和声学理论入手，建立形成内燃机噪声以及特征因素分析模型，打造出噪声符合振动传递函数。在实际设计过程中，借助图纸对结构进行预测，做出详细的噪声评价，优化零部件，实现噪声控制。除此之外，引入全新的材料和工艺，尽可能选择重量轻、体积小、吸声隔声效果好的复合声学材料来降低噪声。

比如，结构声振动控制技术，借助控制边界面振动的方式，解决有界空间声传入问题。或者使用特殊材料如形状记忆合金、压电涂层等进行有缘动态控制，也能够改变噪声振动问题。目前，国家对噪声污染管控的程度逐渐加深，相应的噪声法规陆续发布，内燃机行业面临着巨大的调整，加强对内燃机噪声控制是现阶段重点。尤其是在降温系统的基础上，采用扭矩减震器可以有效环节内燃机产生的冲击力。比如，根据实际情况科学调节减振器对应参数，让其吸收主振系统产生的振动噪音[3]。

4  总结

综上所述，内燃机工况环境复杂程度不断加深，传统的减噪降温系统已经无法应对日益严峻的温度升高、噪音增大的问题。想要在有限的空间内，打造出全新减噪降温系统难度较大，充分研究减噪降温系统，利用优化设计，实现温度、流量控制等多种手段，解决散热问题和振动问题，切实满足内燃机安全运行需求。

参考文献：

[1]刘明明，黄大伟.内燃机热传递和振动噪声问题研究简述[J].内燃机与配件，2018（003）：56-57.

[2]刘亮，曹航.内燃机热传递和振动噪声问题研究简述[J].内燃机与配件，2018，261（09）：74.

[3]伍川辉，周灿，靳行.振动谱与ODS分析在内燃机车降噪研究中的应用[J].中国测试，2019，045（006）：131-137.

[4]王媛文，董大偉，孙梅云，等.多级扭振减振器在降低车内噪声中的应用[J].内燃机工程，2017，38（3）：123-130.

[5]康强，顾鹏云，李洁，等.电动汽车电驱动总成噪声传递特性测试和分析[J].噪声与振动控制，2018，38（6）：109-112.

[6]郭亚敏.二维周期阻尼薄板结构隔声特性的研究[J].内燃机与配件，2019（22）：14-15.