浅析内燃机零部件结构的降噪设计及应用

宋欣钢 丁祎 李晓娟

摘要：随着工业技术的革新与发展，内燃机得以在汽车、船舶、机械等现代仪器设备中广泛应用，并趋向大功率、高效率发展，但是，这也增加了其高频运转时的振动及噪声，影响了能源利用效率、造成了噪声污染，故而，面临着节能降噪的现实要求。针对此，本文将以降噪为核心引领，从内燃机噪声污染的现状出发，梳理其主要的结构噪声源特征，并针对缸体-曲轴箱、油底壳、齿轮室盖等零部件结构进行降噪设计及应用要点分析，以为内燃机整体的优化发展提供有效支撑。

关键词：内燃机;零部件;结构设计;降噪

中图分类号：TK403                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）14-0119-02

0  引言

随着科技的进步，内燃机得以取代蒸汽机成为新生的技术产物之一，其工作原理是将燃料燃烧所生成的热能转换为一种机械能，为机械设备提供动力源，其在汽车、工程机械、农林设备、船舶、航空及军事装备等各领域均有广泛应用。而当前，绿色环保的发展趋势下，因为噪声作为主要的环境污染源备受各界关注，各国均投入了大量的资金及技术用以减控噪声源及对环境的负面影响，而内燃机作为多种机械设备的动力机，因为其在长期、高效运行，存在频繁的燃烧、机械、液体动力等噪声，噪声污染较为严重，亟待进行降噪设计，为此，如何根据内燃机的噪声源，进行针对性的降噪设计及应用是未来发展的必然趋势。而内燃机降噪设计是一个系统、复杂的工程，可以通过改善燃油品质、促进废气再循环、优化燃烧室结构形态、改进供油系统等予以实现，但是，这些仅一定程度上提升燃烧效率，并不能从根本上解决问题，而从内燃机各零部件的噪声源出发，把控问题本质，通过结构性的降噪设计，是有效减控噪声的基本方法。

1  内燃机各零部件结构降噪设计的现实需求

大功率、高效率的内燃机在工作运转过程中，常伴随频繁的振动及噪声，给社会生产生活带来了极大的噪声污染，而绿色、可持续性发展要求，内燃机噪声受到了普遍性的关注，尤其，随着汽车保有数量的急速上升，内燃机的使用量也随之上升，其带来的噪声污染更为严峻，虽然早在20世纪70年代，美国、欧盟、日本等各国已经关注该问题，并相继在1967年、1969年、1971年出台了噪声法规[1]，设置了轿车、厢式车、卡车等各类汽车噪声限值，均在80kW以下，而对比而言，我国汽车噪声限值控制在84kW以下，与之存在既定差距，且在1979年才开始着眼于控制机动车噪声，出台了GB 1495—79、GB 1496—79等标准，噪声管控发展存在一定的滞后性[2]。目前，我国噪声限值多直接照搬欧盟标准，并在GB1495-2002新的车辆噪声法规中明确规定：“自2005年1月1日后将3.5吨以下、以上的车辆发动机标定工况下的1米声压级应该分别控制在93-95dB（A）、95-97dB（A）”[3]，如此，对于作为各车辆动力机的内燃机各部件结构设计及减噪应用效果提出了更高的要求，可见，内燃机的降噪设计存在现实紧迫性。

2  内燃机各零部件结构的噪声源分析

内燃机各零部件噪声的产生，与其声源密切相关，为此，在阐释内燃机各零部件结构降噪设计方法之前，首要的任务就是分析其噪声源。而结合以往研究及实践经验，内燃机噪声源分为结构振动噪声、空气动力噪声，因本文主要研究结构设计，故而，集中分析其结构振动噪声源，因内燃机各零部件的结构特征各异，在激励力的影响下会产生不同程度的振动，振动的结构表层会辐射噪声，据此，该类噪声可分为如下几类：

内燃机的燃烧噪声：该类噪声是内燃机结构噪声的最重要形式之一， 其衍生的根源在于燃料在气缸内燃烧时，因其内置压力迅速上升生成动载荷，并通过活塞连杆、曲轴主轴承传递给集体表层，或是经由汽缸盖及缸套侧壁等方式传递，造成内燃机发动机的结构表面振动[4]，进而辐射出噪声。该类型的噪声取决于燃烧方式及初始燃烧速率，其造成内燃机压力急速上升多邻近上止点，为此，燃烧噪声多发于该时间段，而这时，活塞趋近上止点，缸内气体与气缸壁接触面较小，为此，通过缸套测侧壁传递噪声的情况较少;同时，辐射噪声的强度、频率范围宽带则由气缸压力决定，为此，准确认知气缸压力的频谱特征是降噪设计的关键。

内燃机的机械噪声：该类噪声涵盖活塞对缸套的敲击，以及正时齿轮、配气机构、喷油系统等内燃机运动部件之间冲撞生成的噪声，多源于发动机工作过程中不同运动部件之间以及各运动部件与固定部件之间定期性循环的力，机械噪声与内燃机的运行工况及各部件结构动态特性等密切相关。

内燃机的液体动力噪声：该类噪声是指内燃机中液体流动引发的力激振而带来的噪声，该类型噪声中，最常见的是燃油喷射系统中因为流动快速流动冲击内燃机的气缸，要控制该种噪聲，尚未有标准的方法，通常是改进液体流动性或噪声隔离。

3  内燃机零部件结构的降噪设计及应用

结合上述分析，内燃机各零部件结构上的噪声源呈现多样性，而要单一控制燃烧噪声、机械噪声等会影响内燃机的整体应用性能，且稍有不慎，容易顾此失彼，在控制燃烧噪声的同时，可能引发机械噪声的增大，使得降噪效果受限。而从结构上采取优化设计方法可以从整机性能出发，把控噪声源特质，针对性的降噪，以最大限度的减少内燃机整体噪声。通过分析，内燃机噪声零部件主要包含缸体-曲轴箱侧壁、正时齿轮盖、油底壳等，为此，本文着眼于内燃机各零部件的噪声源特征，进行结构性的降噪设计，并分析其实际的应用潜能。

3.1 缸體-曲轴箱侧壁结构的降噪设计及应用要点

通常，内燃机各零部件降噪设计多集中在激振力的传播方式和表面辐射噪声的效率等层面上，而实践中最常用的方法是通过刚度和阻尼的增加，来减少表面振动，而且，在相同的激振力作用下，通过结构表面响应的控制也可实现降噪设计的目的。曲轴箱因为刚度较弱、振动较强，成为表面辐射噪声的多发零部件，而且，曲轴箱的振动可继续传播给重要的噪声辐射面罩壳，加剧其振动，据此，根据该零部件的噪声源特征，通过减弱或消除缸体-曲轴箱的表面响应是实现控制其表面辐射噪声的关键所在;同时，还可以通过结构刚度的提升来达到减控曲轴箱表面辐射噪声的目的，通过刚度的增加可适度的提升结构的固有频率，让其趋近结构衰减系数最大值的频率区域，而结构刚度、固有频率提升的路径多集中在壁厚增加、引入整体式轴承梁、曲轴箱结构优化设计、在缸体振动最大部位加筋等方法之上，采用这些措施能够让结构固有频率额增至曲轴箱结构衰减系数较大的区域，以有效脱离1000-2000Hz的噪声峰值[5]，且板结构的固有频率与板厚近似正比，为此，壁厚的增加可显著达到减控表面辐射噪声的目的，而缸体-曲轴箱结构上部分的刚度较强，下部分刚度较弱，表面辐射噪声大，若假装整体式轴承结构，相当于在下部“开口箱”增设了一个梁，提升了其刚度，自然就会控制表面噪声。

3.2 齿轮盖结构的降噪设计及应用

齿轮盖表面辐射噪声是内燃机主要的噪声源，为实现其结构的降噪设计，可根据国标GB/T 1895-2000《往复式内燃机辐射的空气噪声测量工程法及简易法》的方法[6]，通过在半自由声场的无噪声式内测量内燃机的噪声，经过测试发现，前端面测点的噪声值较其他测点要高出很多，也即内燃机齿轮盖前端面的噪声占据更大的比值。而精准把控齿轮盖前端表面辐射噪声的分布特征，以650r/min、1500r/min、2200r/min的转速利用环形声阵列对前端面进行声场扫描[7]，得出减震器、皮带轮为齿轮盖前端面辐射噪声的主要来源。而因为齿轮室为存在一定壁厚的铸件，需要在控制齿轮室罩盖重要的同时，利用拓扑及形状完成齿轮盖结构的降噪设计，其中，拓扑优化是在预设载荷条件下，探究控制齿轮盖表面辐射噪声的结构材料最佳分布的优化技术，因为齿轮盖双侧的空间狭窄，且外面配设张紧轮、皮带，内部设置齿轮部件，为此，设定齿轮盖的凹陷区域、双侧面的翻边区域分别为拓扑空间1、2，结构材料可否保留，取决于拓扑空间优化结果，保留其区域内的高密度单元、剔除低密度单元即可完成降噪设计;形状优化则是通过调整内燃机齿轮盖的结构外形，来控制应力、增加频率，其多采用非参数化的设计方法，通过将不同形状优化设计空间划分不同的降噪控制区域，并将其简化为关键控制节点位置，基于这些关键节点的响应移动，即可改变内燃机齿轮盖的结构形状，以达到降噪的目的。

3.3 油底壳结构降噪设计及应用

内燃机油底壳作为一种薄壁冲压件，在未经过多次模拟及实验数据支持的情况下，通过增加结构刚度以减控外部声发射表面的振动是首选的结构降噪设计方法。因为通常，油底壳多为2mm壁厚的冲压薄钢板，刚度欠佳，为此，实现降噪设计的关键是增加其结构刚度及固有频率，而针对该零部件的结构特征，增加结构刚度最有效的方法是加压痕筋，形貌优化技术提供了压痕筋自动寻找的方法，为此，可采用该方法对油底壳结构进行降噪设计。在具体应用中，在进行形貌优化之前应预设设计区域，可通过处理原始油底壳的集合模型，来剔除油底壳的加强筋，而后，将提出加强筋的油底壳优先模型划分为侧板、底板、侧壁等不同设计区域，在这些设计区域内设置筋的凹陷及延伸方向，而根据油底壳冲压工艺要求，其底面及侧立面的凹陷方向、侧面筋的延伸方向，应该分别为表面的内法先方向、油底壳安装后竖直向下的方向，且在加压痕筋时需使用宽度相同、高度为10mm及拔模斜度为70°的压痕筋。

4  结束语

内燃机作为汽车、农林及工程机械的动力机，在纯电动、氢燃料、太阳能等新能源因为核心技术短板、基础设施滞后等尚未全面推行下，其仍是各类机械设备的动力支撑，具有广泛应用性，但也因此成为绿色动力改革下关注的焦点。尤其随着内燃机向高速、大功率、高效率方向发展，如何控制或减少其噪声污染成为最紧迫之需，为此，上述研究围绕减噪，通过内燃机各零部件声学特性的分析，把控结构设计的要点及方法，并分析其应用性能，对于内燃机节能降噪发展具有重要的现实指导意义。

参考文献：

[1]葛毅，邹洪富，张静.内燃机零部件结构设计及应用研究[J].内燃机与配件，2021（07）：188-189.

[2]林翔.内燃机零部件结构设计及应用[J].内燃机与配件，2020（21）：20-21.

[3]殷满华.内燃机零部件结构设计及应用研究[J].时代汽车，2020（21）：128-129.

[4]刘志坚，张力，杨洁.内燃机零部件结构设计及应用[J].内燃机与配件，2020（20）：12-13.

[5]陆安宇.内燃机零部件结构设计及应用[J].内燃机与配件，2019（06）：21-22.

[6]Koji M . Fuel injection control apparatus and fuel injection control method for internal combustion engine[J]. Journal of Organic Chemistry， 2011， 65（21）：7055-7058.

[7]Saigakov E A ，  Gorshkalev A A ，  Kayukov S S ， et al. Strength Analysis of the Internal Combustion Engine Elements by Using CAD/CAE-Systems[J]. Research Journal of Applied Sciences， 2014， 9（10）：669-673.