工程机械内燃机减噪降温设计分析

尤勇 李岩 艾国政

摘要： 在化工业、制造业、军工业、运输业等领域，内燃机都是运输工具和工程机械的主要动力源，其安全运转在保证社会经济效益，甚至是维持社会的稳定发展上有着举足轻重的位置。若内燃机出现温度过高或噪音过大的问题，则会缩减其使用寿命，严重影响相关作业的进行。为了延长内燃机的使用寿命、提升其使用质量、保证经济社会效益，必须不断地提升内燃机的性能和质量，对其进行科学、有效地设计，这对我国工业发展有非常重大的意义。基于此，本文开展工程机械内燃机减噪降温的设计分析，分别分析内燃机的振动噪声、传热过高这两个问题，并有针对性地提出相应的设计分析，期以为我国工业的接续发展提供有参考价值的意见。

Abstract： In the chemical industry， manufacturing， military industry， transportation and other fields， the internal combustion engine is the main source of power for transportation and construction machinery. Its safe operation plays an important role in ensuring social and economic benefits， and even maintaining the stable development of society Location. If the internal combustion engine suffers from excessive temperature or excessive noise， its service life will be shortened and related operations will be seriously affected. In order to prolong the service life of internal combustion engines， improve its quality of use， and ensure economic and social benefits， it is necessary to continuously improve the performance and quality of internal combustion engines， and to design them scientifically and effectively. This is of great significance to the development of my country's industry. Based on this， this article carries out the design analysis of noise reduction and temperature reduction of construction machinery internal combustion engines， respectively analyzes the two problems of internal combustion engine vibration and noise， excessive heat transfer， and puts forward corresponding design analysis in a targeted manner， hoping to provide reference for the continued development of China industry.

关键词： 工程机械;内燃机;减噪;降温;设计分析

Key words： construction machinery;internal combustion engine;noise reduction;cooling;design analysis

中图分类号：U262.0                      文献标识码：A                  文章编号：1674-957X（2021）17-0070-02

0  引言

目前，内燃机的应用非常广泛，经过不断地更新換代，其减噪、降温系统也得到了很大的发展。但我国工业的发展也对内燃机提出了更高的要求，这就需要工程师和科研人员在内燃机设计工作中不断地加以优化和改进。作为内燃机不可或缺的两大重要部件，减噪、降温系统起着减少噪音、减振，以及维持内部温度平衡的作用，能够保证整个工程机械的运转质量和工作效率。所以，应当在不改变内燃机整体的前提下，对其进行新一代技术的改造，使其能够更高效地运转。

1  内燃机振动噪声问题

由于内燃机转速以及功率和提高，其系统振动和整机辐射噪声问题日益突出，这两大问题直接影响到内燃机的使用寿命、运行安全以及工作效率。所以，深入研究内燃机噪声的分布规律及其相应的降噪技术措施的实践意义和价值都相当重大。振动和噪声的问题也一直都是各国所关注的焦点，并对其开展了大量的研究，提出了不同的处理和控制方法。但是，随着技术的发展，噪声和振动的问题也在不断地变化，需要对其进行更加全面地分析，才能优化、提升控制效果，真正实现降噪目标。内燃机减噪技术可以分为噪声源识别以及减振降噪这两个部分。噪声源识别是指通过捕获表面振动的方式识别噪声发生的位置，从而得到非常精确的信息。噪声源识别还在后续的设计中考虑到了散热和润滑的问题，为减噪、降温系统的设计提供了完备的数据支持。减振降噪技术包括使用阻尼材料、扭矩纵耦合振动设计、耦合强迫振动设计。这三种方法均可达到降噪、把振动控制在一定范围内、有效提高控制辐射声场的效果。

2  内燃机减噪设计分析

2.1 减少机械噪声的技术

在内燃机的实际运行中，气缸活塞在运动的过程中受侧向力的作用逐渐向另一面靠拢，对气缸壁有着较强的敲击作用。活塞与气缸壁之间的撞击，究其原因是它们之间存在一定的间隙。为了减少活塞敲击所产生的噪音，就要进一步减小气缸与活塞之间的距离。可以对活塞裙部进行水平切槽和纵向切槽的处理;采用热胀冷缩系数小的共晶铝硅合金活塞、不锈钢片活塞、椭圆鼓式活塞等，减小柱塞与缸体之间的距离;也可将活塞孔中心置于气缸的三分之一的位置，都可以将活塞与气缸壁之间的撞击噪音减小。齿轮传动噪音是齿间咬合时摩擦和冲击而产生的主要噪声。内燃机的变速器通常需要进行可变负载，可变负载传导至轴承上时会使轴承发生形变，进一步导致齿轮室外壳以及发动机外壳振动，使内燃机整体产生大量的噪声。针对齿轮传动的降噪措施包括这几个方面：①确定齿轮类型及各项参数，采用科学的加工方法，提高齿轮的实际加工精度;②用斜齿轮代替直齿轮，并且减小齿轮之间的侧向缝隙;③齿轮材料要适配，尽可能选择外隔振、高的材料，齿轮体表面应该涂上具有优异阻尼性能的高分子材料。

2.2 减少空气动力噪声的技术

进气门周期性的开关闭合会导致压力起伏变化程度大，这就导致了进气噪声。进气噪声与发动机进气技术、进气门的尺寸、凸轮轮廓线、气缸直径等参数密切相关。其降噪措施包括：①降低进气管中压力脉动的实际强度以及气门经过横截面位置的涡流强度，进气管可以选用波纹管;②选择功率大的进气口消声器，并把进气口消声器和空气过滤器结合起来。排气噪声的产生与进气噪声类似，对内燃机排气噪声进行控制，排气管也要合理选用波纹管，以免产生共振，减小涡流强度。风扇噪声是内燃机噪声的主要来源，主要为涡流噪声以及旋转噪声，受运转功率以及转速的影响。风扇直径越大，转速越高，则风扇风量就会越大，噪音也会越高。所以，要选择风扇页面最佳的风机，合理配置安装角度，以降低轴流风机的噪声。也可增大工作轮与静轮间的距离，改变叶片数，有效减少风机噪声。

2.3 减少燃烧噪声的技术

减少燃烧噪声方面，可以选择半开式的低噪声燃烧室，也可以改变发动机的整体结构，确保噪声有效衰减，包括：采用小口径的气缸，减少曲柄与连杆的间隙，提升内燃机整体的的刚性，采取噪声与振动隔离措施;提高燃烧室内涡流强度，改善燃烧条件，使燃料与空气充分混合，燃烧更彻底;采用更小的燃料提前角，充分达到柔性燃烧。

3  内燃机温控问题

实施节能减排政策后，针对内燃机的主要科研任务就是节能降耗和提高效率，要保证内燃机能在短时间内达到设计的工作温度范围，并能在运行中快速、有效地冷却内燃机，保证其正常运转，以此达到降低能量损耗，提高工作效率的目的。内燃机运行一段时间后，温度会因燃油的燃烧而急剧上升，在这种情况要使内燃机能正常运转，设计冷却装置就显得十分地重要。但由于内燃机在低温和高温下运行而产生的能量完全不同，且在低温条件下的工作效率低，因此，除了散热功能外，还需设计出可以优化温控的装置。

4  內燃机降温系统优化设计分析

发动机降温系统的首要任务是确保发动机在适当的温度下运转，以保证燃料燃烧质量，并为部件创造适当的环境，从而有效地延长其使用寿命。铸件材料制造商可利用常用的碳钢材料，防止低温冻裂;气缸气体可以带走大量的热量，因此也可以优化排气门的设计，增加排气量，进一步提高其排气性能，充分优化降温系统。举例来说，用内外扣锥面接触开闭阀来替换球形尼龙接口，进一步提升其冷却性能。由于水的比热容较大，可以带走非常大的热量，因此大部分的内燃机都与水冷却系统相配合。水冷系统一次性最多能散发600千瓦的热量，但是这个数值还不够，内燃机的温度仍旧较高，还需要在这个标准上最多可以减少30%的热量。根据对内燃机工作效率的实验结果来看，内燃机的工作温度控制到80～90℃之间，其运转效率以及燃料燃烧程度都是比较理想的。因此，考虑到水的流体性质，其温度较为不稳定，可将水冷系统的进水温度设置略低于目标温度，为70℃;而预热系统温度应大幅低于目标温度，设置在40℃左右。一旦水温低于70°C，单控阀自动开启辅助阀，使热水能流入泵内，由泵的推力引导至内燃机。若水温上升到70°C以上，温度控制阀则会再次自动开启，使热水流入主换热器，并利用风冷系统降温;降温后的冷却水回流温控阀中，实现水温的调节。简单来说，将70℃设定为温度阈值，温度高于阈值时水流就进入附加换热器，而低于阈值时则会进入泵，从而实现恒温冷却的水循环。在实际工作中，旧式换热器换热能力不足以满足内燃机工作环境的要求，因此不需要对其进行部分优化。因为制冷机组自身的散热面积很小，所以附加换热器的尺寸必须慎重考虑，根据换热器管长和阀门连接方式的不同，板翅式换热器最为有效。板翅式换热器所占体积小巧，空间紧凑，性能优良;并且可以通过对信道参数的优化，解决运行时能量不足的问题。在降温系统中，经大量的计算，笔者认为15条水冷管搭配30条风冷通道最佳，可以使其达到最大的传热效果。此外，进水口水的温度以及流量的控制也是影响进水门性能的重要因素。例如，当水温低于40℃时，燃料的油粘度增大，油缸润滑性能变差，最终将降低内燃机的性能并损害其零部件。如前文所述，一般控制到80℃的阈值，通过循环冷却温控系统，可有效地避免水温偏低的问题，提高内燃机运行的可靠性和稳定性。

5  定时开展故障排查工作

借助在本文之前的章节中对内燃机表面振动特性和温控优化的分析，可以对内燃机发生运行问题背后的原因进行初步探究，并针对内燃机的振动、过热问题进内燃机养护技术上的分析。

内燃机过热故障所产生的危害很大，极易引起缸体变形、活塞融化、齿轮卡死、脱缸拉缸等问题，从而导致油耗上升、动力输出下降，严重时还可能引起内燃机故障、报废。发动机过载、长时间的高温和冷却系统故障、长时间超负荷运行是导致内燃机过热的主要原因，当出现过热故障后，应尽快查明导致故障发生的原因，并根据具体情况进行维修以及优化设计，包括①查看冷却水位，如果液面位置低，则冷却液量不够，需要加入足够的冷却液。②若内燃机在添加冷却液后恢复正常，并在短时间内再一次出现过热现象，则冷却系统发生冷却液泄漏，必须找出冷却液泄漏的具体位置，并采取补救措施。③对水泵和气泵、散热器进行检查，维修或更换有故障的零部件，确保泵、散热器能正常运转。④检查其它零部件，排查过热的原因，包括燃油喷嘴开裂、排气门泄露、机油散热器故障。

6  结束语

总的来说，内燃机运行环境日趋复杂，传统的减噪、降温系统已不能解决内燃机日益严重的振动和过热的问题，因此要设计一种新型的减噪和降温系统，实现冷却液温度和流量的控制，解决散热与振动问题，充分满足内燃机安全运行的要求。

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