风冷柴油机噪声分析

罗哲 夏余平 杨文佳

摘要：针对风冷柴油机噪声问题，本文以德国道依茨公司生产的柴油机为例，详细分析了风冷柴油机噪声产生的原因，以及探讨了噪声的有效降低方法，并就风冷柴油机与水冷柴油机的特点进行了比较。通过文本的分析，以期为风冷柴油机噪声问题的研究提供参考依据与技术借鉴。

关键词：风冷柴油机;噪声分析;结构特点;降噪技术

1 引言

我国是农业生产大国，在许多农用机械方面多采用的是小型单缸柴油机，而单缸柴油機又多以风冷机型为主[1]。小型风冷柴油机具有结构简单、使用方便、操作安全、携带轻巧、动力性好等诸多特点，因此广泛使用于小型农业机械[2-3]。但由于结构、设计等原因，噪声问题一直是困扰风冷柴油机使用过程中的突出问题[4]，本文立足风冷柴油机的特点，以德国道依茨公司生产的风冷柴油机为例，分析了风冷柴油机噪声产生的原因以及有效解决方法，以期为风冷柴油机的噪声分析研究提供参考依据与设计借鉴。

2 风冷柴油机的特点

风冷柴油机与水冷柴油机相比较，主要包含如下几个方面的特点：

（1）冷却方式简单

风冷较之水冷不需要附加的一些散热器，可以直接通过冷却风扇将外部空气强制性压入柴油机中各需要冷却部件周围，并将热量带出，不需要额外的传热装置。

（2）故障发生率小

由于风冷发动机直接通过空气冷却柴油机各部件，因此不需要使用冷却水，进而更不会导致结冰、沸腾等现象，而且不需要使用密封元件、冷却水泵等部件。据调查表明水冷发动机40%的故障是发生在冷却系统中，风冷柴油机便很好的避免了这些问题。

（3）结构紧凑且温度使用范围广

由于具有整机冷却系统，因此风冷柴油机具有较好的功率重量比，减少了水冷柴油机中冷却水、蜂巢式散热器等部件的重量。

水冷柴油机是通过冷却水将其冷却的，而水在正常气压下100℃的高温时便会沸腾，且水冷发动机的温度差随着外界温度的升高而减少。而风冷柴油机的汽缸壁与外界温度之间是恒定温差，所以风冷柴油机可以适应温度范围就更加的广泛。

另外，还有经济性能好、使用寿命较长、质量高等特点。

3 风冷柴油机的噪声分析

风冷柴油机产生噪音的原因较多，其中包括各种发动机表面辐射的噪音、发动机传动齿轮系所发出的机械噪音、发动机燃烧气体所发出的燃烧噪音等，其中最为主要的便是柴油机冷却风扇所产生的气流噪音，研究表明柴油机冷却风扇产生的气流噪音是风冷柴油机噪音的重要组成部分。

针对这些噪音的问题，以德国道依茨公司生产的柴油机为例进行分析，该公司在风冷柴油机降噪方面取得了一系列的成果。

（1）对于发动机表面辐射的噪音可通过提高总体机构的紧凑性，从而减少噪音的辐射面积，也可以通过选择发动机适当的转速进而减少噪音。

（2）在传动齿轮系方面，则通过设计良好的传动发案，选择良好的传动齿轮，例如可以减少齿轮数目等。这样不仅可以缩小发动机齿轮箱的整体尺寸，而且对于降低齿轮传动过程中噪音具有良好的效果。

（3）对于降低燃烧气体所造成的燃烧噪音，针对其噪音产生的主要方式是由于汽缸内部气体燃烧时，由于缸体压力迅速变化所激发的结果，因此可通过降低压力的升高率和选择合适的燃烧方式进而有利于噪音的减少。

道依茨有直接喷射式和二级燃烧室两种燃烧方式，其在降低燃烧系统的噪音上的特点是：

1）采用中等强度涡流比的螺旋进气道。通过涡流和压缩产生的挤流作用，提高了燃气混合的均匀性，为柔和燃烧创造了条件。

2）采用长型多孔式喷油器。其中增压喷油泵带有烟度限制器，使齿杆受增压空气压力的控制，保持最佳匹配。

二级燃烧式，由于燃烧过程是分成两次完成的，故其噪音的水平比直喷式低，且污染性小。

（4）在风扇设计方面，研究表明在风量保持不变时，适当的加大风扇的直径或者减低风扇的转速，对于降低风扇的噪音具有良好的效果，但由于发动机整体设计尺寸的限定，所以在折中取得交合风扇直径、工作转速的前提下，应改进风扇形状，改善冷却风的流动状态等，进而达到既确保冷却性能又减少噪音的目的。

道依茨公司的风冷柴油机其中有利于提高效率减低噪音的设计特点如下：

1）风扇为轴流式。风扇壳体的入口处以大的圆角过渡，这样可以防止产生气流脱离现象。

风扇的动、静叶片均设计为翼型，并按不同的安装角安装，风扇动、静叶片数目采取了优化效果，不仅提高了效率，而且降低了噪音。

2）风扇动叶片边缘和壳体内壁间间隙对风扇效率影响很大，所以对于风扇动叶片边缘和壳体内壁间间隙进行了严格的控制。

3）风扇驱动采用液力偶合器，橡胶滚珠联轴节轴传动，减少驱动冲击噪音。

4）根据各种机型规范，设计了各种挡风板，保证风压室有效的密封，减少了风压损失。

4 总结

风冷柴油机广泛应用于国内外农业生产中，且风冷柴油机较水冷柴油机具有结构紧凑、性能良好、工作可靠、油耗较低、维修方便、使用寿命长等特点，而噪声问题一直是困扰风冷柴油机应用的重点问题所在，本文以德国道依茨公司生产的风冷柴油机为例，详细探讨了风冷柴油机噪声产生的原因以及有效降噪的方法与设计要点。通过本文的研究，期待为风冷柴油机的噪声处理提供可行性的理论参考与实践借鉴。

参考文献：

[1]刘胜吉，赵宇超，刘荣利，王建，孙永福.基于排放特性的小型风冷柴油机燃烧过程研究[J].兵工学报，2017，38（12）：2480-2487.

[2]袁银南，王忠，孙平，陈笃红.小缸径风冷柴油机热负荷的研究[J].农业机械学报，2005（06）：16-19.

[3]赵伟敏，杨超珍.小型风冷柴油机机体特性和结构[J].江苏理工大学学报（自然科学版），2000（01）：41-43.

[4]张学龙，王奔，王亚军，付艳丽.柴油机发动机噪声测试与分析[J].内燃机，2019（03）：33-37+40.

项目基金：湖南省教育厅科学研究项目（19C0815）;永州市科技计划项目（2019-yzkj-03）

作者简介：罗哲（1988-），男（汉族），湖南省永州市人，硕士，湖南科技学院讲师，主要研究方向为优化算法与智能制造。