增压发动机活塞总成系统的噪声研究

增压发动机活塞总成系统的噪声研究

随着能源和污染日益严重，排放法律法规逐渐严格，近年来，减压发动机得到了广泛应用。进气增压有效地提高了发动机的进气量、功率、扭矩以及燃油热效率,但是随着进气量和进气压力的增加,发动机的燃烧压力大幅度提高,活塞总成所受气体力越来越大,在上下止点换向时所受的侧向力也急剧增大,极易产生敲缸噪声。同时,燃烧压力的增加和燃烧温度的提高对活塞的冷却也提出了更高的要求,而活塞冷却喷嘴作为低成本的最有效的活塞冷却方式被广泛应用于增压发动机。尽管增压发动机对于燃油消耗的改善起到了积极作用,但是由燃烧压力和温度提高导致的噪声以及冷却问题也亟待优化。怠速噪声产生的原因复杂,涉及的零件多,包括活塞、活塞销、连杆、缸体、冷却喷嘴等。国内外对活塞总成本身结构导致的噪声研究很多:文献阐述了产生活塞销与连杆小头敲击噪声的两种机制,即由于活塞销与连杆小头间隙过大以及连杆小头圆度、圆柱度等不当引起的噪声;文献对活塞以及活塞销产生的所有噪声进行了较全面的研究和归类;但是到目前为止,鲜有文献报道冷却喷嘴以及油膜形成对活塞系统噪声的影响,仅SunaoTeraguchi等人通过特殊的试验装置精确控制活塞与缸壁之间的润滑油量,研究了润滑油量对活塞敲缸噪声的影响。本研究通过对某增压发动机的研究,明确了活塞偏心量、连杆大头油孔以及冷却喷嘴对怠速敲缸噪声的影响。1杆小头撞击、4合直井中杆小头撞击的噪声一般活塞系统的噪声主要包括活塞销与连杆小头撞击产生的噪声、活塞次推力面敲击缸壁产生的噪声、活塞主推力面敲击缸壁产生的噪声。不同噪声产生的示意见图1。1撞击连锁时的噪声活塞销与连杆小头撞击产生的噪声一般称为Ticking,活塞销Ticking是活塞销在压缩行程上止点附近时,撞击连杆小头产生,一般发生在转速为600～1000r/min,怠速无负荷情况下,对应的曲轴转角为压缩上止点前30°。一般倒拖工况下也存在该噪声,并且该噪声对温度很敏感,冷起动时最明显。活塞销Ticking产生原因主要是由于活塞销与连杆小头的配合间隙过大或者二者间的润滑不足,油膜厚度不足。2活性缸壁噪声活塞次推力面敲击缸壁产生的噪声称为Rattling,一般是指活塞头部或者裙部在压缩上止点前由于惯性力作用由主推力面接触缸壁转换到次推力面接触缸壁,转换时横向撞击缸壁导致。图2示出了活塞推力面敲击缸壁噪声发生时刻。通过图2有限元动力学分析也可以看到,活塞次推力面敲击缸壁的侧向力在压缩上止点前达到最大,此时极易导致次推力面敲击缸壁产生噪声。Rattling异响基本发生在冷机、中低负荷且转速高于2500r/min时。通过在缸体上安装加速传感器测量缸壁加速度信号,可知Rattling基本发生在点火上止点前15°到点火上止点后5°。3插装过线引起噪声活塞主推力面敲击缸壁产生的噪声称为Crocking或者Slapping,一般是指点火上止点后近活塞裙部在气体力的作用下,活塞所受侧向气体力从次推力面转向主推力面,导致活塞绕裙部旋转,主推力面侧向敲击缸壁造成。点火后,缸压急剧增大,活塞换向所受的侧向力很大,活塞敲击缸壁的噪声很大,这是活塞敲缸的主要关注点。通过图2有限元动力学分析也可以看到,活塞主推力面敲击缸壁的侧向力在点火上止点后达到最大,此时极易导致主推力面敲击缸壁产生噪声。Crocking声音比较低沉,一般发生在转速低于2000r/min时。通过在缸体上安装加速传感器测量到的缸壁加速度信号,可以看出Crocking基本发生在点火上止点后(FireATDC)10°～25°。2缸壁噪声测量本研究所选用的发动机排量为1.4L,缸径为73.8mm,活塞偏心量为0.4mm。该发动机怠速时存在严重的缸内噪声,在驾驶室内噪声明显。如果直接采集活塞敲缸噪声的声级,会被背景噪声和发动机正常运转的声音干扰,影响测量的精度和数据分析结果。因此,在缸体上安装振动加速度传感器,通过测量活塞敲击缸壁引起缸壁振动来评价噪声的强度。根据式(1)可对噪声声级与缸体振动加速度相互转换:Lp=20lga。(1)式中:Lp为噪声声级;a为振动加速度。由图3可以看出,该发动机怠速时缸体振动加速度最大达50m/s2左右。通过式(1)可换算得到敲缸噪声大概为35dB。在缸壁上安装缸体振动加速度传感器,实际测量振动加速度和点火上止点信号,最大加速度发生时刻为点火后16°左右(见图4),可以认为该噪声是活塞在点火上止点后换向导致,属于活塞主推力面敲击缸壁噪声,属于Crocking异响。一般活塞Crocking噪声产生原因大致有3个:活塞销孔偏心不足;润滑不足,油膜厚度不足;活塞与缸壁配合间隙过大。由于减小活塞与缸壁配合间隙会大大增加活塞与缸壁间的摩擦,增加整机燃油消耗量,故本研究不对活塞与缸体的配缸间隙作调整,而主要从活塞偏心量以及润滑与油膜方面作研究。3影响激活锁的噪声的因素3.1振动加速度的影响活塞偏心量是指活塞设计时将活塞销孔的中心线相对于活塞中心线向主推力面方向偏离的距离(见图5)。该偏心量会根据发动机的缸径、连杆长度、燃烧压力等参数作调整,一般在0.3～1.0mm。在上止点处最高燃烧压力时,活塞会在侧向力作用下完成从次推力面到主推立面的强制换向,活塞主推力面严重敲击缸壁造成敲缸噪声。活塞偏心可以使活塞换向存在过渡过程,与缸壁软接触,并且使活塞在上止点前就完成换向动作,避免活塞在极大的燃烧压力产生的侧向力作用下撞击缸壁,有效缓解活塞敲击缸壁的噪声。本研究中发动机原始设计的活塞偏心量为0.4mm,将之调整至0.6mm进行试验,结果见图6。由图可见,振动加速度由原来的最大50m/s2左右减小至12m/s2左右,通过式(1)换算可知,噪声从原来的35dB减小至20dB。在整车驾驶室内人耳基本无法感知到该噪声。3.2发动机噪声振动连杆大头油孔(见图7)的设计主要是为了冷却活塞底部以及润滑活塞与缸壁。发动机主油道的润滑油会通过曲轴连杆颈上的油孔输送到连杆大头油孔内,润滑油会直接喷至活塞底部以及缸壁上对活塞进行冷却和润滑。该发动机原始设计没有大头油孔,本研究更改了连杆设计,在大头增加了1个直径为2mm的油孔,并且经过有限元计算确认连杆强度不受影响。将新连杆安装在发动机上,进行噪声振动测量,结果见图8。由图可见,振动加速度由原来的最大50m/s2左右减小至7m/s2左右,通过式(1)换算可知,噪声从原来的35dB减小至17dB。连杆大头油孔喷射的机油可以在活塞与缸壁之间形成油膜,大大缓冲了活塞的换向敲击。3.3调整冷却喷嘴开启压力活塞冷却喷嘴通常用来冷却活塞,以保证在燃烧室高温高压作用下活塞能够安全运行。本研究发现冷却喷嘴对活塞与缸壁间的润滑与噪声也起到了关键作用。该发动机设计的冷却喷嘴开启压力为270kPa,但是实际测量发现,在怠速时由于主油道油压较低,冷却喷嘴无法开启,活塞敲缸噪声严重。将活塞冷却喷嘴的开启压力调整至180kPa,保证怠速时冷却喷嘴可以开启,测量得到的噪声振动加速度降到2m/s2左右,噪声降低为6dB左右(见图9)。由此可以看出,活塞冷却喷嘴的作用与连杆大头油孔的作用类似,均为在活塞与缸壁之间形成了油膜,可以有效地降低活塞敲缸噪声。但是对于本身没有冷却喷嘴配置的发动机,如果为了解决怠速噪声而增加冷却喷嘴,会导致缸体结构改变、油泵重新设计、成本增加等问题。3.4基于插装阀的机构设计同时实施3种措施的试验结果见图10。振动加速度值为2m/s2左右,与活塞冷却喷嘴开启时测量的振动加速度相同,由此推断,这时主要是活塞冷却喷嘴开启后在缸壁和活塞之间形成的油膜在起作用,所以活塞冷却喷嘴对改善活塞敲缸噪声起关键作用。高性能增压发动机一般都设计有活塞冷却喷嘴,如果出现怠速活塞敲缸噪声,首要的手段可以考虑降低活塞冷却喷嘴的开启压力。因为成本和发动机结构等因素,一般自然吸气发动机没有活塞冷却喷嘴,如果出现活塞怠速敲缸噪声,只能选择调整活塞偏心量或者连杆上增加油孔的手段来消除噪声。4长丝环制作了现行的活敲缸噪声通过对活塞敲缸噪声的研究,归纳总结了活塞系统噪声的类型和特点,并且研究了活塞偏心量、连杆大头油孔以及活塞冷却喷嘴对活塞敲缸噪声的影响,明确了影响活塞敲缸噪声的关键因素,为解决噪声问题提供了方向。a)活塞偏心设计对活塞敲缸噪声有较好的改善,由于其不需要重新设计、开模、制造,只需要调整机加工参数即可实现,成本低,是解决该类噪声的首选方式;b)连杆