发动机试验室噪声控制设计

- 1 - 典型发动机试验室的设计内容 发动机测试台架系统，涵盖了测功，排放，标定，燃烧分析几大功能，几乎可以完成发动机及动力系统所有的测试试验。 通过建设发动机试验室，可以进一步提高发动机的研制开发能力，设计制造能力、检测能力。可以深入研究汽车动力系统的功率、振动噪声的匹配控制技术研究、汽车动力系统的电子控制技术、研究开发汽车燃油经济性控制及试验研究、汽车尾气排放控制技术研究等。为企业的技术需求提供强有力的支撑。典型的AVL测功设备主要由以下几个部分组成： a) 动态交流电力测功机系统； b) 发动机排放分析系统； c) 发动机标定工具； d) 发动机燃烧分析系统； 随着国际间能源和环境压力俱增，当代汽车技术的发展将围绕着节能、环保及安全三大核心主题不断取得突破，在具备舒适性、操控性、多功能、个性化等方面性能的同时，进一步降低成本，增强竞争力。 本着与时俱进和持久发展的理念，紧跟国际汽车主流技术发展的脚步，通过掌握发动机节能、环保、以及电子信息技术等关键技术，以期形成较强的研究能力。为建设高水平的发动机试验室提出了很高的要求。 在工厂发动机生产装配完成后，全部需要进行磨合试验，然后通常再按照1%的比例进行性能试验。典型试验室一般按照如下要求进行设计。

- 2 - 1.设计内容和范围 发动机试验室建设内容 序号 建设内容 数量 参考面积m2备 注 1 发动机试验间 1间 35-40 框架抗爆墙和顶面结构顶面泄爆孔或侧面泄爆试验间四面墙和顶面安装吸音材料层及孔板 2 控制间 1间 20-25 吊顶高3.6米 3 准备间 1间 60-80 可以不吊顶 4 CO2气瓶间 1间 10-12 可以不吊顶 5 隔离变压器间 1间 15-25 可以不吊顶 6 水泵房+冷却塔 1间 20-25 可以不吊顶 7 油料间 1间 15-18 可以不吊顶 8 空压机室 1间 10-20 可以不吊顶 9 标气间 2间 12-15 可以不吊顶 10 暖通设备间 1间 150 可以不吊顶 2. 设计要求 工艺专业要按照发动机试验室建设的特点，主要负责提出围绕试验室功能的各个房间之间的关系和位置。 详细布置试验间内各种设备的相对关系，提出各种设备所需的能耗资料。对其他各个专业的要求如下： 2.1 建筑专业 试验室设计等级为中型、使用年限为50年，建筑物耐火等级为二级，火灾危险等级为丁戊类。控制室装修标准一般为简装修。 2.1.1 试验室面积宜为长X宽=6.6米X 6.6米，内部四面和顶面设置厚度为90mm厚的吸音层+轻钢龙骨铝扣板；

机械化工　科技风２０１７年６月下　ＤＯＩ：１０．１９３９２／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７１－７３４１．２０１７１２１２６　汽车发动机噪声及控制的分析研究　郭伟　武汉商学院机电工程与汽车服务学院湖北武汉４３００５６　摘要：汽车乘坐的舒适性已成为考量汽车性能的一个重要指标，发动机噪声是汽车噪声的主要来源，本文重点介绍、分析了　发动机噪声类型及各种形成机理，并在此基础上针对不同的噪声提出了相对的噪声控制或降低噪声的方法，并对此进行了简单的　分析研究。　关键词：发动机；噪声机理分析；降噪控制　目前，汽车已经成为人们生活和工作中最重要的代步交通　工具，而且随着生活水平的提高，人们对汽车的要求是越来越　高，现在已不仅仅局限于代步而已，更多的是偏向于乘坐的舒　适性。发动机的振动噪声是评价汽车舒适性性能的重要指标　之一。同时，据国外有关资料表明，城市交通噪声７０％来源于　汽车，而我国汽车噪声的５５％来源于发动机，因此，对发动机噪　声的分析研究与控制具有重要的意义。发动机的机械噪声源　于发动机零部件的振动，而主要零部件的振动都直接或间接与　曲轴的振动有关。我们一般将发动机噪声分为三种类型：燃烧　噪声、机械噪声和空气动力学噪声。　１振动噪声产生的机理分析　汽车发动机的噪声产生的原因是多方面的、复杂的，他不　仅跟发动机各组成结构有关，还跟各机械结构之间的相对运　动、运动速度有关，而且有时还跟发动机在汽车前擎位置上的　安装情况、位置有关。对汽车发动机噪声的研究也由来已久，　无论是相关科研院所，还是汽车制造企业都在噪声分析与降噪　方面做了大量的并且卓有成效的研究工作。发动机振动噪声　研究从１９５７年开始出现相关研究文献，２０１０年达到最热，至今　共有４９６篇相关论文。以下主要从三方面对噪声的产生作简　要的分析。　１．１燃烧噪声　燃烧噪声顾名思义就是在混合气体在发动机汽缸体内燃　烧时，内能转化为机械能的过程中产生的振动，它是一种高频　段占比重的噪声，主要方式是混合气体燃烧形成的压力振动并　通过缸盖和活塞一连杆一曲轴一机体的途径向外辐射、传递。　燃烧噪声的高低取决于汽车发动机内混合气体燃烧的方式及　其速度大小。　四冲程发动机的工作循环由进气、压缩、燃烧和排气四个　行程，燃烧噪声主要发生在从点火开始到燃烧结束的这段时间　内，压力中高频分量的主要来源是缸筒内混合气体的燃烧冲击　与燃烧压力振荡。同时，在燃烧室内发生的急速的、高温、高压　的燃烧也必将引起发动机有关结构的不稳。这些因素共同构　成了发动机的燃烧噪声。　１．２机械噪声　机械噪声主要是发动机机体及其组成机械结构之间的相　互运动、碰撞而造成的，主要的元素包括活塞敲击缸套，曲轴运　动，配气机构运动，皮带轮、正时齿轮等运转造成的噪声，喷油　嘴喷油噪声等，机械噪声具有周期性，不可消失性等特点，他的　大小跟发动机的机械结构的动态特性等因素有关。　１．２．１活塞噪声　．　发动机结构中主要有活塞跟曲轴两大运动构件，其中动力　的来源是活塞的往复运动，活塞在上下往复运动时，由于其与　缸筒有一定的间隙，这样就会对缸筒壁产生一定的冲击力、敲　击，并产生了振动，这个振动噪声通常是发动机最大的机械噪　声来源。　活塞对起港通壁的冲击，主要是由于活塞跟缸壁之间的间　隙噪声的，同时为了密封，在活塞上面又安装了两道气环和一　道油环，这样就噪声活塞与缸壁之间的接触不是一个整体的面　接触，同时在曲柄连杆机构运动过程中，连杆所受的力的方向　不是垂直方向的，甚至侧向力的方向在活塞从上止点到下止点　与活塞从下止点到上止点上都是变化的。这样就造成了变化　的交变力。这个交变力跟气体压力、摩擦力、惯性力的大小与　方向有关。　１．２．２配气机构噪声分析　发动机配气机构也是重要的机械噪声来源。而且配气机　构的零件多、刚性差、相对运动频繁，因此就易于激发振动和噪　声。在这些零件中主要包括：凸轮轴上摇臂与挺杆之间的往复　“摇头”敲击运动，气门开、关时的与气缸盖的碰撞声，推杆跟挺　杆之间的摩擦碰撞声，凸轮和挺杆间的摩擦振动等。　在发动机运转时时，由于速度较快，进、排气的速率也比较　快，因此，气门的开、闭频率就会比较高，同时发动机凸轮轴上　的摇臂、推杆和挺杆的运动速度都比较大，因此这些机械机构　的运动惯性就会很大，这样在机构运动停止时就会产生比较大　的冲击，使整个机构产生振动。而且在振动过程中还有可能产　生气门开闭不正常、传动链脱节、正时齿轮啮合不稳、产生“飞　脱”和“反弹”等不规则运动现象。　１．２．３供油系噪声分析　喷油系统也是柴油机噪声的来主要来源之一，其主要是由　喷油泵和高压油管系统的振动引起的，主要是由周期性变化的　柱塞上部的燃油压力、高压油管内的燃油压力以及发动机往复　运动惯性力激发泵体自身振动而引起的。该部分噪声根据产　生物体的不同可以分为机械噪声和流体噪声。　很明显，机械噪声就是供油系统机械运动机构之间的相对　运动产生的冲击及摩擦，主要有齿轮泵、高压油泵、进油管路、　回油管路、喷油泵凸轮、喷油嘴等结构，这些机械结构在重复运　行的过程中会产生周期性的交变力冲击。而流体噪声主要是　燃油在管路里流动过程中，由于震荡和惯性的作用从而会产生　脉动的波形冲击力，激发振动嘬声，它冲击管壁从而激发出大　量振动噪声。　１．３空气动力学噪声分析　空气动力学噪声是按照噪声辐射的方式来分，是直接向大　气辐射的噪声源，主要有进、排气噪声和风扇噪声。在这几个　中，排气系统是主要的噪声源。　排气噪声按产生的原因分为三种：排气门在打开过程中产　生的周期性排气噪声；在管路里由于气体涡流而；排气系统各　组成构件之间以及其与尾气之间产生的共鸣噪声。　２降低噪声的方法分析　发动机噪声作为汽车噪声的主要来源，为了提高汽车的舒　适性，必须适当地控制并降低噪声。噪声控制的方法主要有从　机械原理出发的噪声控制、从声学原理出发的噪声控制等。　２．１从机械原理出发的噪声控制措施　

2011年第10卷第1

期

2011.10.1Industrial

&ScienceTribune发动机噪声控制策略浅析

□王向军佟亚娟刘祥宇

【

摘要】

本文通过阐述柴油发动机的结构、

使用和设计，

进而分析柴油发动机噪声的成因，

提出柴油发动机噪声的控制策略。

【

关键词】

柴油发动机；

噪声；

控制【

作者单位】

王向军，

佟亚娟，

刘祥宇；

保定长城内燃机制造有限公司

由于工程机械所面临的工作环境相对恶劣，

而且负荷的

变化范围较大，

所以一般工程机械的动力源都选用柴油发动

机，

这主要是因为柴油发动机具有动力性好以及故障率低等

方面的优点，

但是柴油发动机的振动噪声较大，

噪声导致的

环境污染较为严重，

容易导致操作人员的不适和疲劳，

这也

带来了很大麻烦和不便。

因此只有充分了解柴油发动机机

噪声的产生原因，

才能更好的控制和降低柴油发动机的噪

声，

改善工程机械的操作和控制性能，

提高工程机械的工作

效率和舒适程度。

一、

发动机产生噪声的成因分析

柴油发动机从噪声和振动的角度来说，

是一个作用在刚

性、

阻尼和响应特性变化的复杂结构上的运动力相互作用的

高度复杂的非线性系统。

在柴油发动机中，

各个系统中的振

动是由气流、

燃烧和机械等引起的，

这些振动直接或间接的

转变成传播在空气中的噪声。

具体来讲，

柴油发动机产生噪

声的原因有以下几点：

（

一）

气流引发。

柴油发动机的进气和排气系统气流引

发的噪声是和进气、

排气以及冷却风扇相关联的。

进气、

排

气噪声主要位于低频范围，

通常气流引发的噪声频谱中耦合

有周期性频率成分，

在排气噪声中该频率是柴油发动机的发

火频率并在排气口和排气系统中引发气柱产生噪声。

在进

气的噪声中，

进气通道中气体引起的压力脉冲会产生周期性

噪声成分。

柴油发动机机的附属装置也是产生气流噪声的原因之

一。

比如风扇噪声主要就是由旋转噪声和涡流噪声等组成。

旋转噪声是由于风扇叶片周期性的击打空气质点，

引起空气

的压力脉冲，

从而引发噪声。

旋转噪声的大小取决于叶片单

位时间内击打空气质点的次数，

也就是与风扇转速和叶片数

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｍｔ　汽车发动机试验室通风系统设计　孙永滨李景学　（中国第一汽车股份有限公司技术中心发动机部。吉林长春１３００１　１）　【摘要】汽车发动机试验室的通风系统对于发动机试验有重　要作用，本文介绍了一种发动机试验室通风系统设计方案，分析了　试验室的总体布局、热负荷，说明了通风系统的工艺要求、设计原　理和控制逻辑。　【关键词】发动机；自动控制；空调系统；混风；微负压　１前言　发动机是汽车的心脏，开发出质量好性能优的发动机一直是我　们的追求。本文以中国第一汽车股份有限公司技术中心发动机试验　室为例，介绍通风系统的设计原理和特点。为保证发动机试验室处　于设定的温度范围内，同时保证室内空气新鲜，试验技术人员自主　设计并订制了试验室通风系统设备。　２工程概况　中国第一汽车股份有限公技术中心发动机试验室共分为三层，　一层为台架基础和排风设施，二层为试验间，三层为试验设备。试　验区共有发动机试验间３５个，其中常规试验间的尺寸为　４７００　６５００｝４２００，体积为１２８　。试验间内每小时至少换气３Ｏ次，　则每小时的最小新风量为１２８ｍ。＊３０＝３８４０ｍ３。为防止试验间内有害气　体溢入控制间，要求试验间气压低于控制间气压１０－３５Ｐａ，形成试　验间内的微负压状态。为保证试验间内的仪器设备正常工作，温度　要求控制在５＂Ｃ一３５℃之间。由于试验室电负荷有限，所以机组的电　加热功率不可以超过８０ｋＷ。　３通风系统结构　通风系统由过滤段、混风段、加热段、表冷段和送风段组成。　通风系统过滤段设计为二级过滤，初效过滤器和中效过滤器。　混风段在过滤段之后，供新风和回风混合，然后进入试验间。混风　段设有检修门。加热段使用管状电加热器，表冷段使用冷冻水做冷　媒。加热段和表冷段设有观察窗口。送风机可以进行变频控制，设　计送风机最大风量为２３０００　ｍｓ／ｈ，即满足试验间一１０Ｐａ～一３５Ｐａ的微　负压要求。送风段设有检修门。　４空调系统负荷说明（极限工况）　发动机试验室原有通风设备不能控制试验室温度和压力，在夏　季，室外高温新风直接吹入试验间，且试验间内发动机散热量很大，　导致试验间内夏季超温。冬季时为避免室外冷空气吹入试验间冻坏　试验设备，所以试验间从楼内取气，这就导致冬季楼内负压严重。　在发动机试验中，最主要的热量来自发动机工作时的散热。假　设发动机额定功率为１６０ｋＷ，则燃烧总能量；Ｎ＝Ｐ／０．３１＝５１６．１３ｋＷ；　发动机工作时在试验间内最大散热量：Ｑ＝　（０．０３ｉ＋０．０３＋０．ｉ＋０．０７）　≈ｌ２０ｋＷ。　４．１冬季以最小新风模式运行　假设冬季试验问设定室内温度为１８℃，长春地区室外进风温度　为一２６℃，平均大气压力Ｐ＝９９６５０　Ｐａ。通风系统以最小新风模式运　行，则此时的新风体积流量ｖ＝４ＯＯＯｍ３／ｈ，完全可以保证试验间内每　小时的最小换气次数　由于试验间是独立建设在厂房内的，所以不　考虑试验间与厂房内部的换热。冬季若只使用电加热管加热新风，　由计算可知电加热功率约为７０ｋＷ。即当冬季新风温度为一２６＂Ｃ，新　风流量为４０００ｍ　／ｈ时，电加热功率达到７Ｏ　ｋｗ，即可使新风温度提　高到１８℃。　发动机试验过程中会不断向试验间内散发大量热量，而试验间　内还有照明系统和试验设备在散热，所以若要保证试验间内温度为　１８℃，并不需要７０ｋＷ的电加热功率，甚至可以不使用电加热就可以　满足要求。可是如果关闭电加热的话，试验间进风口位置的局部温　度将会与室外温度接近，为避免试验初期室内温度过低、试验间局　部温度过低，或试验结束后未关闭通风系统可能导致的温度过低，　电加热系统必不可少。　与此同时，为了进一步降低电加热功率，减少能源消耗，在设　３０６　ｌ华东科技　计通风系统的过程中，特别设计了混风功能段。混风功能段就是把　室外新风和试验间内空气在通风机组中进行混合，达到预热新风的　目的。这样不仅能利用发动机试验散发的热量，也能显著的降低电　加热的功率，同时达到降低试验室内温度的目的。　４．２夏季以全新风模式运行：　试验间内散热量Ｑ＝１２７．５ｋＷ，其中发动机散热量１２０ｋＷ，风机散　热７．５　ｋｗ，其余散热均不计。为了把试验间内的热量快速带走，应　提高换气次数。所以把送风量和排风量都调至最大。　设定室外温度ｔ１＝３０．１℃，湿度为６７％，长春夏季平均大气压力　Ｐ＝９７６８０Ｐａ，室外空气密度：ｐ＝１．１２３ｋｇ／ｍ３　以全新风模式运行，关　闭回风阀，送风机以最大频率工作，新风体积流量为ｖ＝２３０００ｍ３／ｈ，　新风质量流量Ｇ＝２５８２９ｋｇ／ｈ。若要求送入试验间内的新风ｔ２＝１８￣Ｃ，　则可以计算出通风机组制冷量Ｑ＝９０．８ｋＷ。　通风系统使用温度为７℃的冷冻水为冷媒，设备的制冷量大于　９５　ｋｗ即可使３Ｏ℃新风降温至１８℃，全新风模式下，试验间内温度　每分钟至少可以换气两次，这样就解决了夏季发动机试验间温度经　常过高的问题。　５自动控制策略　通风系统的控制模式分为自动控制模式和手动控制模式。自动　模式下启动，通风系统将测量室外温度以自动选择季节模式，自动　控制试验室温度和压力。手动模式下可以设置所有变量，根据试验　室实际情况调节试验室内温度、负压、送风速度、混风比例等参数，　使通风系统有更强的适应能力，不受房间大小和试验类型的限制。　通风系统ＰＩＤ控制出现报警或故障时，蜂鸣器报警，触摸屏上　显示出故障位置、　故障原因等信息。若系统定义需要设备急停的报　警信号出现，系统将自动关闭通风系统，并在２０ｓ内完成急停动作　执行。　自动模式下，根据室外温度选择季节模式，＜５℃时按照冬季模　式运行，≥５℃时按照夏季模式运行，通风系统全新风循环，提高换　气次数，带走室内热量，夏季如果室外温度＞１８℃，回风阀关闭，　冷冻水开始循环，冷却进气。　在冬季模式下，新风阀开度３０％，回风阀开度７０％，如果试验间　内温度高时，新风比例调节阀开度增大，回风比例调节阀开度减小，　就可以降低送风的温度，从而使试验室温度下降；当试验室内温度　低时，新风比例调节阀调节至最小开度，回风比例调节阀开度增大，　就可以更多利用发动机试验的散热，从而使试验室温度上升。试验　间内温度报警，温度过低有防冻报警，温度过高有火灾报警。　６总结　（１）试验室通风系统应包括以下基本功能段，即过滤段、混风　段、加热段、表冷段和送风段，在设计各功能段的尺寸和技术参数　时要充分考虑现场环境因素。　（２）发动机试验和试验设备在工作时会散发出大量的热能，所　以在冬季应考虑尽量利用这部分热量减少电加热的使用，在夏季要　提高试验室换气次数，将热量带出试验间。　（３）自动控制系统是整个通风系统的核心，该系统设计了自动　模式和手动模式以满足不同的使用需求，合理地定义了开机和关机　顺序，根据温度、压力和风速进行ＰＩＤ调节，设计了故障报警和紧　急停止程序，达到了控制试验室温度和压力的目的。　（４）通风系统成功地应用在汽车发动机试验室内，将来可以考　虑把该系统推广到其他种类的非密闭性的试验室。　参考文献：　『１］１宋进桂等译．发动机试验理论与实践ｆＭ１．北京：机械工业出版　社．２００９．　【２］康健．汽车发动机试验室的空调设计『ｌ１．制冷技术，２００４．　［３】徐蓉．内燃机试验室空调通风系统设计Ⅱ】．小型内燃机与摩托　车．２００７．