内燃机机械噪声和燃烧噪声的识别分离

张巍 杨慧明 刘晓庆 刘永根

摘要： 噪声污染已经变成和大气污染、固体污染、水污染并列的一种影响城市环境和居民工作生活的一种污染源。而舷外机作为现在人们生活水上出行最重要的交通工具，其噪声污染源占到总噪声污染的比重很大，因此对舷外机噪音的控制尤为重要。而内燃机噪声中不同的噪声污染识别分离，对于整个内燃机设计及舷外机整体构造具有重要的意义，本文以机械噪声和燃烧噪声为切入点，对其具体的识别分离方法进行分析，并提出对应的噪声控制措施。

Abstract： Noise pollution has become a pollution source that affects the urban environment and residents' work and life in parallel with air pollution， solid pollution and water pollution. As the most important means of transportation for people to travel on water， the noise pollution source of outboard aircraft accounts for a large proportion of the total noise pollution. Therefore， the control of outboard aircraft noise is particularly important. The identification and separation of different noise pollution in internal combustion engine noise is of great significance for the whole internal combustion engine design and the overall structure of outboard engine. Taking mechanical noise and combustion noise as the starting point， this paper analyzes the specific identification and separation methods， and puts forward the corresponding noise control measures.

關键词： 内燃机;机械噪声;燃烧噪声;识别分离

Key words： internal combustion engine;mechanical noise;combustion noise;recognition separation.

中图分类号：TK421                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）21-0050-02

0  引言

当前，国家对于生态文明建设顶层设计不断重视，各地方政府也相继出台一系列的政策强化生态环境的保护管理。城市噪声污染越来越被人们重视和关注，尤其是随着舷外机及大型工程机械数量的不断增加，噪音的污染源不断扩散。舷外机噪声不仅严重影响人们的工作生活环境，同时机械噪声和燃烧噪声等如果过大，会严重影响驾驶人员的驾驶环境，可能会导致注意力不集中，发生安全事故。另外过大的噪声会影响舷外机内部机械电子元件的性能，不能保证合理的使用寿命。所以现在舷外机的机械噪声和燃烧噪声等，已经作为舷外机生产出厂的重要参数指标之一。近年来，很多学者和内燃机企业工程技术人员对内燃机噪声方面进行了很多实质性的研究，内燃机的机械噪声和燃烧噪声的识别分离，可以对噪声源进行精准分类，然后因材施教策对其进行针对性的噪声控制，这样可以有效的降低噪声的污染，同时提高了舷外机的使用性能，并且可以为内燃机的节能排放问题提供数据支撑。

1  内燃机噪声产生机理及分类

对于内燃机噪声的产生机理，首先就必须要从内燃机的结构入手。内燃机是一种动力机械装置，主要油气缸活塞、曲柄连杆传动机构、气门装置、机体和进气排气系统等部分组成，内燃机的噪声主要跟自身的内部构造、运行时的功率、排气量和转速等因素有关系，会产生多种噪声源。主要是由机械传动构建构件、燃烧时空气动力学扩散和进排气引起的，按照来源主要分类机械噪声、燃烧噪声和空气噪声等。因为进气、排期等噪声，这些声辐射源空间的具体位置相隔距离较远，在工程上很容易对其进行识别分离。但是机械噪声和燃烧噪声都发生于内燃机内部并经过内燃机外表面辐射，两者在发生的时间、空间、传播的途径和信号的基本频率特征等方面都基本重叠在一起，所以本文主要就机械噪声和燃烧噪声的识别分离进行专门研究。

1.1 机械噪声  因为内燃机在运转的过程中通常是周期性的，然后在内部的不同机械零部件之间都是留有配合间隙的。这两个因素导致了发动机在运行的时候，主体和零部件之间，各零部件之间可能会产生碰撞产生噪声，如在点火排期过程中，气门和底部的气门底座会发生碰撞摩擦，气动循环时活塞会和气缸内壁产生摩擦，各曲柄连杆及齿轮之间也会产生碰撞摩擦。这些噪声在内燃机内部各零部件之间产生，然后通过内燃机外表面传播到环境之中。因为这种噪声主要是由机械零部件碰撞产生的，所以在工程上把这类噪声称为机械噪声。

1.2 燃烧噪声  燃烧噪声主要是燃油、燃气等燃料在内燃机燃烧时，会使得气缸内部会产生高温高压的气流。这些气体震荡会通过伯努利等空气动力学的传播对气缸内部不断地产生冲击，然后经过气缸的外表面扩散到内燃机直至车外产生噪声。因为该种噪声主要是由于燃烧状态下产生的，所以称之为燃烧噪声。燃烧噪声又可根据燃烧的具体过程进行分段研究。首先是，在点火预燃烧期间内，大量的气体卷吸到火焰外围产生爆燃现象，会产生爆发式的燃烧噪声。另外一方面，内燃机经过多个燃烧工作周期后，上会产生积碳吸附在汽缸内壁上，每次燃烧时这些积碳会产生碳化过程会发生气化反应，也会产生气体冲击气缸内部，造成内燃机的燃烧噪声。

1.3 空气噪声  空气动力噪声主要有进气噪声、风扇噪声和排气噪声3类。进气噪声是由进气门不断开启和关闭，导致进气管压力不断变化而产生的。排气噪声是内燃机噪音的最大来源，也是首要的控制目标。风扇噪音主要分为叶片切割空气形成的旋转噪声和叶片旋转时周围气体形成的涡流噪声。而排气噪声音是当排气门打开时，废气从间隙中冲出，形成的一个高能量噪声。空气噪声在整个识别过程中相对简单。

2  内燃机机械噪声和燃烧噪声的识别分离方法

2.1 内燃机噪声测量方法  内燃机噪声的的测量要通过专门的噪声试验台进行噪声数据的定量测量，试验台由发动机、电涡流测功机、压力传感器和转速传感器等硬件设备组成，然后将测量结果通过数据采集系统传输到数据处理系统中，可以具体到测试不同转速、功率等工况下的噪声数据。当发动机噪声中存在干扰噪声时，在不同位置测出的混叠噪声中包含了机械噪声、燃烧噪声和干扰噪声3种信号;从混叠信号中将这3种信号分离出来是一种新的测试方法。

2.2 内燃机机械噪声和燃烧噪声识别分离方法  内燃机机械噪声和燃烧噪声识别分离过程要将前期试验台测试的噪声结果经过具体的程序后进行处理后，才能进行噪声的识别分离。首先将不同工况下的缸压曲线和总噪声曲线经过降噪变化后导入到识别分离程序中，然后将传递函数带入到具体工况下的噪声，由此来实现机械噪声和燃烧噪声的识别分离。

具体的内燃机噪声识别方法也各有不同。

①分别运行法。当前舷外机制造业的技术不断发展，其各零部件配件的数量布局也不断复杂。分别运行法就是将内燃机的不同部件独立于整体之外，进行分别运行进行噪声的测量，然后对比整体的噪声测量值，就可以识别出该零部件噪声在整个噪声中所占的比例，同时可以根据这个比例估算出内燃机配件的单体噪声值。这个识别方法具有操作简单、不需要复杂的理论计算，只需要噪声试验台即可进行。但是由于内燃机的零部件很多，拆开分别测量需要耗费大量的时间精力，而且部分零件的拆开可能会产生共振，也大大的增加了測量的误差，不能真实的反应噪声的水平及识别分离，所以这个只是最基础的测试方法。

②声强识别法。声强识别法是一种新型的噪声识别方法，主要是通过对内燃机运行时发出噪声的声强进行测量，由此进行机械噪声和燃烧噪声的识别分离。主要实现方式是通过安装声强探头，在不同方向进行不同噪声的声强。因为声强矢量特征参数，当声强探头和噪声波段的夹角为90°角时，探头的灵敏性最低，测出的声强数据接近于0;当声强探头和噪声波段的夹角小于90°角时，测量输出的声强值为正，且声强值随角度的增大而变小;当声强探头和噪声波段的夹角大于90°角时，测量输出的声强值为负，且声强绝对值值随角度的增大而增大;声强识别法不仅可以实现内燃机近距离的测量，同时也可以远距离的测量，而且对于内燃机的实验测试环境要求较低，不需要单独的进行环境消声处理，所以当前该技术的应用范围越来越广泛。

③基于EEMD与广义S变换的内燃机噪声源识别

研究。集总平均经验模态分解法（EEMD）与广义S变换进行内燃机噪声源识别方法的基本原理是用一种自适应信号处理方法。该方法可以对非稳态的信号进行较为准确的自适应模态分解，然后对各个本征模态函数（IMF）分量采用广义S变换（GST）并在时域中进行分析，该方法可以准确识别内燃机不同噪声源的位置及其大小。

3  内燃机噪声的控制方法

对内燃机机械噪声和燃烧噪声进行识别分离后，要对其进行针对性的噪声控制，这样可以有效的降低噪声的污染，同时提高了舷外机的使用性能，并且可以为内燃机的节能排放问题提供数据支撑。这样才达到了噪声识别分离的根本目的。当前由不同的噪声来源及传播途径的不同，可以从控制噪声源及控制传播途径两个方面进行噪声的控制。

3.1 控制噪声源

3.1.1 机械噪声。因为内燃机的内部构造、机械零件的加工精度、不同的锻造材料和运行工况都会产生不同来源的机械噪声，所以要想控制机械噪声，就必须要提高内燃机配件的平衡稳定性，可以有效的减少机械零部件的震动，即控制了噪声来源。例如，在曲柄连杆机构的运转中极易产生机械噪声，可以减小活塞和气缸内壁的摩擦来实现减少噪声的目的，在设计制造中，可以让活塞销孔中心和气缸中心线进行偏心设置的方法，以此降低了曲柄连杆机构的摩擦和撞击，国际上很多大型的内燃机制造企业都采用这一方法。另外可以通过优化设计减少活塞环的数量，使得整个活塞的重量减轻，也可以有效的减少机械噪声，还有就是要充分利用润滑油的润滑性能，减少整个内燃机构造的摩擦。

3.1.2 燃烧噪声。燃烧噪声主要是燃油、燃气等燃料在内燃机燃烧时，会使得气缸内部会产生高温高压的气流。这些气体震荡会通过伯努利等空气动力学的传播对气缸内部不断地产生冲击，然后经过气缸的外表面扩散到内燃机直至车外产生噪声。所以要对内燃机燃烧系统进行性能优化改善，首先对于燃料的选择，要选择高热值的燃料，燃料的含硫量等杂质要进行有效控制，要采取办法对内燃机内部进行积碳清理。还有就是通过提高内燃机的压缩比可以使得燃烧状态更加优化，涡轮增压系统也可以有效的减少燃烧噪声的来源。

3.2 控制传播途径

当对噪声源的控制进行优化了后，也可以通过控制噪声的传播途径达到降低噪声的目的，主要的方法的在内燃机内部安装降噪消声结构，有效的阻断噪声的外部传播。另外可以在内燃机外表面包裹具有吸声特性的材料，实现噪声的隔离。还有就是通过合理的配置弹簧及橡胶等隔振元器件进行减震处理，也可以实现减少噪声的目的。

4  结束语

当今社会舷外机保有量越来越多，这也导致了舷外机噪声对环境污染越来越严重。对于内燃机机械噪声和燃烧噪声的有效识别分离，可以使得噪声的控制获得定量的数据测试分析，为内燃机减噪控制提供基础研究的保证。各舷外机制造业要将内燃机噪声参数性能加入到舷外机设计制造的过程中，以此来提高舷外机的各项性能。

参考文献：

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