內燃機機械噪聲和燃燒噪聲的識別分離

張巍 楊慧明 劉曉慶 劉永根

摘要： 噪聲污染已經變成和大氣污染、固體污染、水污染并列的一種影響城市環境和居民工作生活的一種污染源。而舷外機作為現在人們生活水上出行最重要的交通工具，其噪聲污染源占到總噪聲污染的比重很大，因此對舷外機噪音的控制尤為重要。而內燃機噪聲中不同的噪聲污染識別分離，對于整個內燃機設計及舷外機整體構造具有重要的意義，本文以機械噪聲和燃燒噪聲為切入點，對其具體的識別分離方法進行分析，并提出對應的噪聲控制措施。

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.

關鍵詞： 內燃機;機械噪聲;燃燒噪聲;識別分離

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

中圖分類號：TK421????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0050-02

0? 引言

當前，國家對于生態文明建設頂層設計不斷重視，各地方政府也相繼出臺一系列的政策強化生態環境的保護管理。城市噪聲污染越來越被人們重視和關注，尤其是隨著舷外機及大型工程機械數量的不斷增加，噪音的污染源不斷擴散。舷外機噪聲不僅嚴重影響人們的工作生活環境，同時機械噪聲和燃燒噪聲等如果過大，會嚴重影響駕駛人員的駕駛環境，可能會導致注意力不集中，發生安全事故。另外過大的噪聲會影響舷外機內部機械電子元件的性能，不能保證合理的使用壽命。所以現在舷外機的機械噪聲和燃燒噪聲等，已經作為舷外機生產出廠的重要參數指標之一。近年來，很多學者和內燃機企業工程技術人員對內燃機噪聲方面進行了很多實質性的研究，內燃機的機械噪聲和燃燒噪聲的識別分離，可以對噪聲源進行精準分類，然后因材施教策對其進行針對性的噪聲控制，這樣可以有效的降低噪聲的污染，同時提高了舷外機的使用性能，并且可以為內燃機的節能排放問題提供數據支撐。

1? 內燃機噪聲產生機理及分類

對于內燃機噪聲的產生機理，首先就必須要從內燃機的結構入手。內燃機是一種動力機械裝置，主要油氣缸活塞、曲柄連桿傳動機構、氣門裝置、機體和進氣排氣系統等部分組成，內燃機的噪聲主要跟自身的內部構造、運行時的功率、排氣量和轉速等因素有關系，會產生多種噪聲源。主要是由機械傳動構建構件、燃燒時空氣動力學擴散和進排氣引起的，按照來源主要分類機械噪聲、燃燒噪聲和空氣噪聲等。因為進氣、排期等噪聲，這些聲輻射源空間的具體位置相隔距離較遠，在工程上很容易對其進行識別分離。但是機械噪聲和燃燒噪聲都發生于內燃機內部并經過內燃機外表面輻射，兩者在發生的時間、空間、傳播的途徑和信號的基本頻率特征等方面都基本重疊在一起，所以本文主要就機械噪聲和燃燒噪聲的識別分離進行專門研究。

1.1 機械噪聲? 因為內燃機在運轉的過程中通常是周期性的，然后在內部的不同機械零部件之間都是留有配合間隙的。這兩個因素導致了發動機在運行的時候，主體和零部件之間，各零部件之間可能會產生碰撞產生噪聲，如在點火排期過程中，氣門和底部的氣門底座會發生碰撞摩擦，氣動循環時活塞會和氣缸內壁產生摩擦，各曲柄連桿及齒輪之間也會產生碰撞摩擦。這些噪聲在內燃機內部各零部件之間產生，然后通過內燃機外表面傳播到環境之中。因為這種噪聲主要是由機械零部件碰撞產生的，所以在工程上把這類噪聲稱為機械噪聲。

1.2 燃燒噪聲? 燃燒噪聲主要是燃油、燃氣等燃料在內燃機燃燒時，會使得氣缸內部會產生高溫高壓的氣流。這些氣體震蕩會通過伯努利等空氣動力學的傳播對氣缸內部不斷地產生沖擊，然后經過氣缸的外表面擴散到內燃機直至車外產生噪聲。因為該種噪聲主要是由于燃燒狀態下產生的，所以稱之為燃燒噪聲。燃燒噪聲又可根據燃燒的具體過程進行分段研究。首先是，在點火預燃燒期間內，大量的氣體卷吸到火焰外圍產生爆燃現象，會產生爆發式的燃燒噪聲。另外一方面，內燃機經過多個燃燒工作周期后，上會產生積碳吸附在汽缸內壁上，每次燃燒時這些積碳會產生碳化過程會發生氣化反應，也會產生氣體沖擊氣缸內部，造成內燃機的燃燒噪聲。

1.3 空氣噪聲? 空氣動力噪聲主要有進氣噪聲、風扇噪聲和排氣噪聲3類。進氣噪聲是由進氣門不斷開啟和關閉，導致進氣管壓力不斷變化而產生的。排氣噪聲是內燃機噪音的最大來源，也是首要的控制目標。風扇噪音主要分為葉片切割空氣形成的旋轉噪聲和葉片旋轉時周圍氣體形成的渦流噪聲。而排氣噪聲音是當排氣門打開時，廢氣從間隙中沖出，形成的一個高能量噪聲?？諝庠肼曉谡麄€識別過程中相對簡單。

2? 內燃機機械噪聲和燃燒噪聲的識別分離方法

2.1 內燃機噪聲測量方法? 內燃機噪聲的的測量要通過專門的噪聲試驗臺進行噪聲數據的定量測量，試驗臺由發動機、電渦流測功機、壓力傳感器和轉速傳感器等硬件設備組成，然后將測量結果通過數據采集系統傳輸到數據處理系統中，可以具體到測試不同轉速、功率等工況下的噪聲數據。當發動機噪聲中存在干擾噪聲時，在不同位置測出的混疊噪聲中包含了機械噪聲、燃燒噪聲和干擾噪聲3種信號;從混疊信號中將這3種信號分離出來是一種新的測試方法。

2.2 內燃機機械噪聲和燃燒噪聲識別分離方法? 內燃機機械噪聲和燃燒噪聲識別分離過程要將前期試驗臺測試的噪聲結果經過具體的程序后進行處理后，才能進行噪聲的識別分離。首先將不同工況下的缸壓曲線和總噪聲曲線經過降噪變化后導入到識別分離程序中，然后將傳遞函數帶入到具體工況下的噪聲，由此來實現機械噪聲和燃燒噪聲的識別分離。

具體的內燃機噪聲識別方法也各有不同。

①分別運行法。當前舷外機制造業的技術不斷發展，其各零部件配件的數量布局也不斷復雜。分別運行法就是將內燃機的不同部件獨立于整體之外，進行分別運行進行噪聲的測量，然后對比整體的噪聲測量值，就可以識別出該零部件噪聲在整個噪聲中所占的比例，同時可以根據這個比例估算出內燃機配件的單體噪聲值。這個識別方法具有操作簡單、不需要復雜的理論計算，只需要噪聲試驗臺即可進行。但是由于內燃機的零部件很多，拆開分別測量需要耗費大量的時間精力，而且部分零件的拆開可能會產生共振，也大大的增加了測量的誤差，不能真實的反應噪聲的水平及識別分離，所以這個只是最基礎的測試方法。

②聲強識別法。聲強識別法是一種新型的噪聲識別方法，主要是通過對內燃機運行時發出噪聲的聲強進行測量，由此進行機械噪聲和燃燒噪聲的識別分離。主要實現方式是通過安裝聲強探頭，在不同方向進行不同噪聲的聲強。因為聲強矢量特征參數，當聲強探頭和噪聲波段的夾角為90°角時，探頭的靈敏性最低，測出的聲強數據接近于0;當聲強探頭和噪聲波段的夾角小于90°角時，測量輸出的聲強值為正，且聲強值隨角度的增大而變小;當聲強探頭和噪聲波段的夾角大于90°角時，測量輸出的聲強值為負，且聲強絕對值值隨角度的增大而增大;聲強識別法不僅可以實現內燃機近距離的測量，同時也可以遠距離的測量，而且對于內燃機的實驗測試環境要求較低，不需要單獨的進行環境消聲處理，所以當前該技術的應用范圍越來越廣泛。

③基于EEMD與廣義S變換的內燃機噪聲源識別

研究。集總平均經驗模態分解法（EEMD）與廣義S變換進行內燃機噪聲源識別方法的基本原理是用一種自適應信號處理方法。該方法可以對非穩態的信號進行較為準確的自適應模態分解，然后對各個本征模態函數（IMF）分量采用廣義S變換（GST）并在時域中進行分析，該方法可以準確識別內燃機不同噪聲源的位置及其大小。

3? 內燃機噪聲的控制方法

對內燃機機械噪聲和燃燒噪聲進行識別分離后，要對其進行針對性的噪聲控制，這樣可以有效的降低噪聲的污染，同時提高了舷外機的使用性能，并且可以為內燃機的節能排放問題提供數據支撐。這樣才達到了噪聲識別分離的根本目的。當前由不同的噪聲來源及傳播途徑的不同，可以從控制噪聲源及控制傳播途徑兩個方面進行噪聲的控制。

3.1 控制噪聲源

3.1.1 機械噪聲。因為內燃機的內部構造、機械零件的加工精度、不同的鍛造材料和運行工況都會產生不同來源的機械噪聲，所以要想控制機械噪聲，就必須要提高內燃機配件的平衡穩定性，可以有效的減少機械零部件的震動，即控制了噪聲來源。例如，在曲柄連桿機構的運轉中極易產生機械噪聲，可以減小活塞和氣缸內壁的摩擦來實現減少噪聲的目的，在設計制造中，可以讓活塞銷孔中心和氣缸中心線進行偏心設置的方法，以此降低了曲柄連桿機構的摩擦和撞擊，國際上很多大型的內燃機制造企業都采用這一方法。另外可以通過優化設計減少活塞環的數量，使得整個活塞的重量減輕，也可以有效的減少機械噪聲，還有就是要充分利用潤滑油的潤滑性能，減少整個內燃機構造的摩擦。

3.1.2 燃燒噪聲。燃燒噪聲主要是燃油、燃氣等燃料在內燃機燃燒時，會使得氣缸內部會產生高溫高壓的氣流。這些氣體震蕩會通過伯努利等空氣動力學的傳播對氣缸內部不斷地產生沖擊，然后經過氣缸的外表面擴散到內燃機直至車外產生噪聲。所以要對內燃機燃燒系統進行性能優化改善，首先對于燃料的選擇，要選擇高熱值的燃料，燃料的含硫量等雜質要進行有效控制，要采取辦法對內燃機內部進行積碳清理。還有就是通過提高內燃機的壓縮比可以使得燃燒狀態更加優化，渦輪增壓系統也可以有效的減少燃燒噪聲的來源。

3.2 控制傳播途徑

當對噪聲源的控制進行優化了后，也可以通過控制噪聲的傳播途徑達到降低噪聲的目的，主要的方法的在內燃機內部安裝降噪消聲結構，有效的阻斷噪聲的外部傳播。另外可以在內燃機外表面包裹具有吸聲特性的材料，實現噪聲的隔離。還有就是通過合理的配置彈簧及橡膠等隔振元器件進行減震處理，也可以實現減少噪聲的目的。

4? 結束語

當今社會舷外機保有量越來越多，這也導致了舷外機噪聲對環境污染越來越嚴重。對于內燃機機械噪聲和燃燒噪聲的有效識別分離，可以使得噪聲的控制獲得定量的數據測試分析，為內燃機減噪控制提供基礎研究的保證。各舷外機制造業要將內燃機噪聲參數性能加入到舷外機設計制造的過程中，以此來提高舷外機的各項性能。

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