Investigación sobre tecnología de control del ruido de motores de automóviles
Prefacio
El ruido es un subproducto de la sociedad industrial, junto con la contaminación del aire y del agua, se considera. uno de los tres principales problemas del mundo actual. En comparación con los otros dos grandes peligros públicos, el ruido tiene el impacto más amplio, es el que se siente más directamente y es el que más refleja la gente. Como medio de transporte importante, los automóviles son cada vez más populares y potentes, por lo que la contaminación ambiental causada por el ruido de los automóviles es cada vez más grave. Dado que el ruido generado por el motor representa una gran parte del ruido del automóvil, es particularmente importante estudiar el mecanismo del ruido del motor y las medidas de control del ruido en el control del ruido del automóvil.
1 Control del ruido del motor
Pertenece al ruido del motor el sonido transmitido directamente desde el cuerpo del motor y sus principales accesorios al espacio. El ruido del motor varía según los diferentes tipos estocásticos, rpm, carga y condiciones de funcionamiento. Por ejemplo, a la misma velocidad, el ruido de un motor diésel es mayor que el de un motor de gasolina. Según la naturaleza del ruido, el ruido del motor se puede dividir en ruido de combustión, ruido mecánico y ruido aerodinámico. A continuación se presentan principalmente las causas de varios ruidos y algunas medidas específicas de reducción de ruido.
1.1 Ruido de combustión
1.1.1 Mecanismo del ruido de combustión
El ruido de combustión es causado por el cambio periódico de la presión del gas en el cilindro. Depende principalmente de la forma y velocidad de combustión. En un motor de gasolina, si se produce una combustión anormal, como deflagración o ignición superficial, se producirá un ruido de combustión mayor. El ruido de combustión de los motores diésel es provocado por el aumento repentino de la presión del aire en la cámara de combustión, lo que provoca vibraciones en diversas partes del motor. En términos generales, el ruido de los motores diésel es mucho mayor que el de los motores de gasolina, por lo que aquí utilizamos principalmente los motores diésel como ejemplo para explicar cómo reducir el ruido de la combustión.
1.1.2 Estrategia de control del ruido de combustión
En los motores de automóviles, el ruido de combustión supone una gran proporción del ruido total, por lo que es de gran importancia estudiar cómo reducir su combustión. ruido. Las medidas de reducción de ruido formuladas actualmente incluyen principalmente:
En el sistema de combustión de atomización espacial, (1) se utiliza un pistón aislado para aumentar la temperatura de la pared de la cámara de combustión, acortar el período de retardo de encendido y reducir la combustión de gases directos. Ruido de motores diesel de inyección.
(2) Aumentar la relación de compresión y aplicar tecnología de recirculación de gases de escape también puede reducir el ruido de combustión de los motores diésel. Pero la relación de compresión determina principalmente la carga mecánica y el nivel de carga térmica del motor diésel. Al reducir la presión máxima del cilindro, la tecnología de recirculación de gases de escape no sólo suprime la producción de óxidos de nitrógeno, sino que también reduce el ruido de la combustión.
(3) La válvula de inyección de combustible de doble resorte se utiliza para realizar la preinyección. Es decir, el combustible que debía inyectarse una vez en un ciclo se inyecta dos veces. Inyectar una pequeña porción por primera vez e iniciar la reacción previa al encendido antes de la inyección principal puede reducir la acumulación de mezcla combustible durante el período de retardo del encendido. Esta es la medida más eficaz para reducir el ruido de combustión de los motores diésel de inyección directa. Al reducir la presión de apertura inicial del inyector de doble resorte y la elevación previa de la válvula de aguja, se puede suprimir la formación de la mezcla, afectando así el ruido de combustión en condiciones de ralentí. Al diseñar un elevador de dos etapas, el dispositivo de inyección piloto se utiliza para suprimir el ruido de la combustión en una amplia gama de velocidades y aceleraciones.
(4) * *El sistema de inyección de combustible ferroviario es un prometedor sistema de inyección de combustible de alta presión controlado electrónicamente con motor diésel de automóvil de inyección directa, que puede reducir la cantidad de inyección de combustible durante el período de retardo de encendido, especialmente para reducir Ruido de combustión.
(5) Utilizar sobrealimentación. Después de sobrealimentar el motor diésel, la densidad, temperatura y presión del aire que ingresa al cilindro aumentan, mejorando así las condiciones de ignición de la mezcla y acortando el período de retardo de ignición. Aunque la presión máxima de estallido del motor diésel sobrealimentado ha aumentado, su tasa de crecimiento de presión dp/dφ y la relación de impulso λ han disminuido, lo que hace que el motor diésel funcione sin problemas y reduzca el ruido. Además, en general, la potencia nominal máxima de un motor diésel turboalimentado es inferior a la de un motor diésel no turboalimentado del mismo cilindro, lo que resulta beneficioso para reducir el ruido de la combustión. Después de que el aire sobrealimentado se interenfría, la temperatura del aire disminuye y la eficiencia de sobrealimentación aumenta, pero al mismo tiempo, se debilita el efecto de la sobrealimentación en la reducción del ruido de la combustión.
(6) Selección y diseño de cámara de combustión. Para las cámaras de combustión divididas, los canales de inyección de combustible precisos, el aumento del área del canal, el control de la dirección de inyección y la optimización del radio de turbulencia de entrada de la cámara de precombustión pueden suprimir la combustión premezclada y promover la combustión por difusión, operando así con cargas bajas a altas, reduciendo el ruido de la combustión y el combustible. consumo y emisiones de hollín en un amplio rango.
Para las cámaras de combustión de inyección directa, un diseño razonable puede hacer que tengan una alta energía cinética turbulenta bajo suficiente vórtice, fortalecer la difusión de combustible y aire, mejorando así el proceso de combustión y logrando un bajo consumo de combustible y un bajo consumo de combustible. Motores diésel. Bajo nivel sonoro y bajas emisiones.
La estructura de la cámara de combustión superior del pistón tiene una gran influencia en el ruido de la combustión. Si los orificios de inyección son más pequeños y profundos, el ruido de la combustión será mucho más silencioso y las emisiones serán significativamente mejores. Junto con la forma reducida, el efecto de reducción de ruido mejorará. Por lo tanto, es mejor elegir una cámara de combustión en forma de ω con una constricción al diseñar y hacerla lo más profunda posible dentro del rango permitido por el cambio.
(7) Reducir el ángulo de avance del suministro de combustible. El ángulo de avance del suministro de combustible es pequeño, el tiempo de inyección de combustible se retrasa, la temperatura y la presión en el cilindro son altas durante la inyección de combustible, el combustible se atomiza tan pronto como se inyecta y alcanza el punto de ignición instantáneamente, acortando el retardo de ignición. período. El combustible inyectado primero explotará y arderá, mientras que el combustible inyectado después no arderá inmediatamente debido a la falta de oxígeno. De esta manera, dado que la cantidad de combustible quemado en la etapa inicial es pequeña y la tasa de aumento de presión es baja, se puede reducir el ruido de la combustión. El ruido de combustión de la mayoría de los motores diésel disminuye a medida que disminuye el ángulo de avance del suministro de combustible.
(8) Cuando se selecciona combustible con un alto índice de cetano, el período de retardo de encendido es corto, lo que afecta la formación de mezcla combustible durante el período de retardo de encendido, reduce la tasa de aumento de presión y reduce el ruido de combustión. .
1.2 Ruido mecánico
El ruido mecánico es causado por movimientos mecánicos periódicos entre partes móviles y entre partes móviles y partes fijas. Está relacionado con el tamaño de la fuerza de excitación y las partes móviles. .estructura y otros factores. Incluye principalmente el ruido de golpe del pistón y el ruido mecánico de la válvula.
1.2.1 Sonido de golpe del pistón
Cuando el motor está en marcha, el pistón se mueve lateralmente de un lado a otro bajo la acción de una fuerza lateral cerca de los puntos muertos superior e inferior. Un lado, lo que provoca un fuerte golpe del pistón contra la pared del cilindro, lo que provoca un ruido de golpe del pistón. Las principales causas de los golpes son la separación entre el pistón y la camisa del cilindro y la presión del gas que actúa sobre el pistón.
Las medidas para reducir el ruido de golpe del pistón incluyen:
(1) El orificio del pasador del pistón está desplazado, es decir, el orificio del pasador del pistón está desplazado adecuadamente entre 1 y 2 mm hacia el empuje principal. superficie.
(2) El faldón del pistón tiene una ranura transversal de aislamiento térmico, el asiento del pasador del pistón está incrustado con una pieza de acero de ajuste y el faldón está incrustado con un cilindro de acero. Se utiliza un faldón cónico elíptico para reducir. el juego del cilindro del pistón a 40°C.
(3) Aumentar la rigidez de la camisa del cilindro no solo puede reducir el sonido de golpe del pistón, sino también reducir el ruido causado por la fricción entre el pistón y la pared del cilindro. Para aumentar la rigidez de la camisa de cilindro, se puede aumentar el espesor de la camisa de cilindro o se pueden prever nervaduras de refuerzo.
(4) Mejore la lubricación entre el pistón y la pared del cilindro, aumente la amortiguación cuando el pistón golpea la pared del cilindro y también reduzca el ruido de golpe del pistón. Por ejemplo, en una máquina de prueba de un solo cilindro D=180 mm, se utiliza aceite lubricante especial para rociar aceite de motor en la pared del cilindro y la vibración del cuerpo del motor se reduce en 6 dB(A). Evidentemente, esta medida es limitada en la práctica. Recientemente, Nippon Maru Energy Company desarrolló con éxito un nuevo lubricante que contiene partículas cerámicas, que forma una "película cerámica" sobre la superficie metálica del cilindro para evitar el contacto directo entre los metales. Por lo tanto, al tiempo que reduce el ruido de fricción, también puede mejorar el rendimiento de la lubricación, ahorrar combustible y prolongar la vida útil.
1.2.2 Ruido del engranaje de transmisión
El ruido del engranaje de transmisión es causado por el impacto y la fricción entre los dientes durante el proceso de engrane de los engranajes. En un motor de combustión interna, el engranaje está sujeto a cargas variables alternas, lo que deformará el eje y provocará cargas dinámicas en los cojinetes a través del eje. Las cargas dinámicas en los cojinetes se transmitirán a la carcasa del motor y a la carcasa de la cámara de engranajes, provocando. la carcasa para excitar el ruido. Además, la vibración torsional del cigüeñal también destruirá el engrane normal de los engranajes y estimulará el ruido. El ruido de los engranajes de transmisión está relacionado con los parámetros de diseño, el tipo estructural, la precisión del procesamiento, la coincidencia de materiales de los engranajes, la estructura de la cámara de engranajes y el estado operativo de los engranajes.
Las medidas para reducir el ruido de los engranajes de transmisión son las siguientes:
(1) Controlar la forma de los dientes del engranaje, mejorar la precisión del procesamiento de los engranajes y reducir el espacio de engrane de los engranajes, es decir, reducir la energía. cuando los engranajes chocan entre sí, reduciendo así el ruido de transmisión del engranaje.
(2) Utilizando nuevos materiales, como engranajes de plástico de ingeniería de alta amortiguación y reemplazando los engranajes de acero originales con engranajes de plástico de ingeniería, el ruido de toda la máquina se reduce en aproximadamente 0,5 dB(A), y el efecto es obvio.
(3) Disponga razonablemente la posición del sistema de transmisión de engranajes. Por ejemplo, disponer el engranaje de distribución en el extremo del volante puede reducir eficazmente el impacto de la vibración torsional del sistema del cigüeñal sobre la vibración del engranaje.
(4) El uso de una transmisión por correa síncrona con dientes de distribución en lugar de la rotación del engranaje de distribución puede reducir significativamente el ruido.
1.2.3 Reducir el ruido del tren de válvulas
La mayoría de los motores de combustión interna utilizan trenes de levas y válvulas, que incluyen árboles de levas, taqués, varillas de empuje, balancines, válvulas y otras piezas. . El mecanismo de la válvula tiene muchas piezas y poca rigidez, lo que fácilmente provoca vibraciones y ruidos durante el movimiento, incluido el impacto entre la válvula y el asiento de la válvula, el impacto de la transmisión causado por la holgura de la válvula, la fricción y la vibración entre el empujador y la superficie de trabajo de la leva. y velocidades altas irregulares de la válvula. Ruido causado por el movimiento. El ruido del mecanismo de válvula está relacionado con el tipo de mecanismo de válvula, la holgura de la válvula, la velocidad del asiento de la válvula, el material, el perfil de la leva, el estado de lubricación de la leva y el empujador, la velocidad del motor de combustión interna y otros factores.
Las medidas para reducir el ruido del tren de válvulas incluyen principalmente:
(1) Una buena lubricación puede reducir la fricción y el ruido. Se recomienda que el espesor mínimo de la película de aceite entre la leva y el elevador sea de 2 Lm al ralentí y de 3 Lm a 1000 r/min. Cuanto mayor sea la velocidad de la leva, más espesa será la película de aceite. Por lo tanto, cuando el motor de combustión interna funciona a alta velocidad, la vibración de fricción y el ruido del tren de válvulas no son prominentes.
(2) Reducir la holgura de la válvula puede reducir el impacto entre el balancín y la válvula, pero no puede hacer que la holgura de la válvula sea demasiado pequeña. El uso de columnas de soporte hidráulico puede eliminar fundamentalmente la holgura de las válvulas y reducir el ruido. En los últimos años también han aparecido sistemas de accionamiento hidráulico de válvulas, que son menos ruidosos.
(3) Acortar la longitud de la varilla de empuje es una medida eficaz para reducir el peso del sistema y mejorar la rigidez. El árbol de levas en cabeza elimina la varilla de empuje, lo que resulta especialmente beneficioso para reducir el ruido.
1.3 Ruido aerodinámico
El ruido causado por la perturbación del gas y la interacción entre el gas y otros objetos se denomina ruido aerodinámico, incluido el ruido de admisión, el ruido de escape y el ruido del ventilador del motor.
1.3.1 Ruido de admisión
Cuando el motor está funcionando, el flujo de aire a alta velocidad ingresa al cilindro a través del filtro de aire, el tubo de admisión y la válvula, lo que producirá un fuerte ruido aerodinámico, a veces. más fuerte que el motor. El ruido en sí es de unos 5 dB(A), lo que lo convierte en la principal fuente de ruido después del ruido de escape. El ruido aumenta con la velocidad del motor, independientemente de los cambios de carga. Sus componentes principales incluyen: ruido de pulsación de presión periódica, ruido de corrientes parásitas, ruido de vibración de Helmholtz del cilindro y ruido de vibración de la columna de aire del tubo de admisión.
Las principales estrategias de control del ruido de admisión incluyen:
(1) Diseño y selección razonables de filtros de aire. El diseño adecuado del tubo de admisión de la culata y del conducto de admisión puede reducir la intensidad de las pulsaciones de presión en el sistema de admisión y la intensidad del flujo de vórtice en el paso de la válvula.
(2)Introducir medidas de eliminación del ruido.
1.3.2 Ruido de escape
El ruido de escape se produce principalmente al inicio del escape. Los gases de escape se descargan desde el espacio de la válvula de escape en forma de pulsos y se precipitan rápidamente hacia la atmósfera desde el puerto de escape, formando un ruido de alta energía y frecuencia compleja, incluida la frecuencia fundamental y sus componentes armónicos más altos. Este tipo de ruido es la fuente de ruido más grande e importante en automóviles y motores, y su ruido suele ser entre 10 dB (a) y 15 dB (a) más alto que el ruido de todo el motor. Además del ruido de frecuencia fundamental y su ruido armónico más alto, el ruido de escape también incluye ruido de vibración del colector de escape y de la columna de aire en el colector, ruido de remolinos en la parte posterior del vástago de la válvula, ruido de turbulencia en la pared interior del sistema de escape. tubería, etcétera. Además, el ruido de escape también incluye la inyección de gases de escape y el ruido de impacto.
Las estrategias de control del ruido del escape incluyen principalmente:
(1) Comenzar con el diseño del sistema de escape, como diseñar racionalmente la longitud y la forma del tubo de escape para evitar el flujo de aire. Vibración y reducción del vórtice.
(2) La aplicación de turbocompresores de gases de escape puede reducir el ruido del escape, pero el método más eficaz es adoptar tecnología de alto silenciamiento y utilizar silenciadores de escape con una pequeña pérdida de potencia y un amplio rango de frecuencia de silenciamiento.
1.3.3 Ruido del ventilador
El ruido del ventilador es una fuente de ruido que no se puede ignorar en el motor, especialmente en motores refrigerados por aire. El ruido es incluso comparable al del escape a alta velocidad. Velocidad y ruido del aire. Principalmente ruido aerodinámico, compuesto por ruido de rotación y ruido de corrientes parásitas. El ruido de rotación se produce por pulsaciones de presión de aire causadas por el impacto periódico de las palas giratorias sobre las partículas de aire. El ruido de remolino es causado por vórtices en el aire circundante a medida que gira el ventilador. Debido a fuerzas viscosas, estos vórtices se dividen en una serie de pequeños vórtices independientes. Estos vórtices y la división de los vórtices perturbarán el aire y crearán fluctuaciones de presión, estimulando así el ruido. El ruido de las corrientes de Foucault es generalmente ruido de banda ancha.
El ruido del ventilador del motor está dominado por el ruido de remolinos a bajas velocidades y el ruido de rotación a altas velocidades. Cuanto mayor sea la velocidad y el diámetro del ventilador, mayor será el volumen de aire del ventilador y mayor será el ruido.
Cuanto menor sea la eficiencia del ventilador, mayor será el consumo de energía y mayor será el ruido del ventilador.
Las principales estrategias para controlar el ruido del ventilador son:
(1) Controlar adecuadamente la velocidad del ventilador A medida que aumenta la velocidad del ventilador, el ruido del ventilador es mucho mayor que otros ruidos. Cuando los requisitos de refrigeración permanecen sin cambios, para reducir la velocidad de rotación, el diámetro del ventilador o el número de aspas se pueden aumentar adecuadamente dentro del rango de tamaño estructural; la aplicación completa de la teoría de la mecánica de fluidos para diseñar un ventilador eficiente puede reducir la velocidad de rotación y al mismo tiempo garantizar. el volumen de aire de refrigeración y la presión del aire.
(2) El uso de un ventilador con una distribución desigual de las aspas a menudo producirá algunos componentes con niveles de presión sonora más altos. Cuando las aspas están dispuestas de manera desigual, los componentes prominentes del espectro de líneas en el ventilador generalmente se pueden reducir para suavizar el espectro de ruido.
(3) El uso de ventiladores de plástico en lugar de ventiladores de acero puede reducir el ruido del ventilador y el consumo de energía, pero el costo actual es ligeramente mayor que el de los ventiladores de acero. Los ventiladores de plástico se han utilizado ampliamente en motores de combustión interna de pequeña y mediana potencia en el extranjero. También están disponibles "ventiladores flexibles" cuyo ángulo de instalación se puede cambiar. Las aspas de este ventilador están hechas de acero o plástico muy fino. Cuando la velocidad del ventilador aumenta, debido al efecto de la fuerza aerodinámica, las aspas giran y se vuelven planas (el ángulo de instalación se vuelve más pequeño), por lo que se reduce el consumo de energía y el ruido del ventilador. Cuando la velocidad de rotación disminuye, debido al pequeño efecto aerodinámico, la torsión de las palas se vuelve menor, lo que garantiza un volumen de aire suficiente.
(4) El embrague automático del ventilador se utiliza en motores de combustión interna de vehículos. Las pruebas muestran que cuando el vehículo está en marcha, el tiempo necesario para que funcione el ventilador es generalmente inferior al 10%. Por lo tanto, el embrague del ventilador no sólo puede hacer que el motor de combustión interna funcione a una temperatura adecuada y reducir el consumo de energía, sino también lograr una reducción del ruido.
(5) Diseñar razonablemente el sistema de ventilador y radiador. Como la distancia entre el motor y el ventilador, la distancia entre el ventilador y el radiador, la posición y forma del ventilador y la cubierta del ventilador, la resistencia del aire que pasa a través del radiador, etc. , tendrá un impacto en la utilización total del volumen de aire de refrigeración. La disposición y el diseño razonables pueden lograr el propósito de reducir la velocidad del ventilador.
2Conclusión
En resumen, hay muchos factores que afectan el ruido de los motores de los automóviles y es difícil reducirlo significativamente mediante el uso de ciertos métodos de reducción de ruido. Para reducir el ruido de los motores de los automóviles, debemos partir de las fuentes de ruido y los canales de transmisión del ruido del motor y aclarar los objetivos y objetivos de la reducción del ruido. Mediante una consideración integral y diversos medios técnicos, el ruido de combustión, el ruido mecánico y el ruido aerodinámico se pueden controlar y reducir eficazmente hasta cierto punto, logrando así el propósito de reducir el ruido del motor del automóvil.