1、長城GW4D20柴油機怠速噪聲改進作者：楊景玲 王振方 孔德芳前言長城GW4D20高壓共軌柴油機，排量2.0L，標(biāo)定（最大）功率110kW，最大扭矩310N.m，最大噴射壓力1800bar。GW4D20發(fā)動機主要搭載轎車和SUV，自2008年開發(fā)開始，憑借其優(yōu)越的性能指標(biāo)，很快確立了它的市場主角地位。為了進一步提高產(chǎn)品競爭力，在樣機階段對該產(chǎn)品的NVH性能進行了改進。為了保證NVH 效果，在改進之初，與標(biāo)桿車進行了噪聲對比，并參照國外同類型產(chǎn)品制定了切實可行的改進目標(biāo)，根據(jù)試驗結(jié)果及發(fā)動機噪聲產(chǎn)生原理，從以下5個方面進行了改進：1）活塞敲擊噪聲優(yōu)化；2）配氣機構(gòu)噪聲優(yōu)化；3）結(jié)構(gòu)輻射噪聲優(yōu)化；

2、4）開發(fā)油軌吸聲罩；5）優(yōu)化正時罩材料；改進后在臺架和整車上進行了驗證，效果較好，達到了標(biāo)桿車水平及改進目標(biāo)。1 標(biāo)桿對比及目標(biāo)設(shè)定1.1 整車狀態(tài)下標(biāo)桿對比GW4D20樣機裝車后，在公司駕評過程中，一致反應(yīng)發(fā)動機噪聲大，尤其是怠速時，存在明顯的“嗒嗒”聲，加速時車內(nèi)噪聲無明顯區(qū)別。為此在整車上與標(biāo)桿機進行了怠速和加速過程噪聲對比，試驗在整車消聲室內(nèi)進行，在整車上發(fā)動機前方、左側(cè)、右側(cè)、上方四個位置分別測量發(fā)動機噪聲，測試結(jié)果如圖1和圖2所示。圖1 GW4D20發(fā)動機與標(biāo)桿發(fā)動機聲壓級對比紅色：GW4D20， 綠色：標(biāo)桿機圖2 整車上怠速時頂面噪聲頻譜測試數(shù)據(jù)表明，怠速時GW4D20發(fā)動機比標(biāo)

3、桿車噪聲大3dB(A)，主要是12007500Hz頻率段噪聲明顯比標(biāo)桿車大。1.2 臺架上發(fā)動機噪聲測試及改進目標(biāo)設(shè)定為了降低該機怠速噪聲，首先在臺架上按照SAE J1074標(biāo)準(zhǔn)進行了怠速、滿載每隔500rpm穩(wěn)態(tài)1米聲壓級測試，測試結(jié)果如圖3所示。圖3 GW4D20臺架上各工況平均1米聲壓級與國外同類型發(fā)動機臺架噪聲測試結(jié)果對比，該機怠速及加速工況都存在噪聲偏大的現(xiàn)象，考慮批產(chǎn)期限及成本的可行性，首先制定了噪聲改善目標(biāo)，如圖4所示。圖4 GW4D20發(fā)動機1米聲壓級改善目標(biāo)可見，要達到改善目標(biāo)，任務(wù)艱巨。為此我們在臺架上進行了一系列診斷工作。2 測試過程及方案確定2.1 怠速時“嗒嗒”聲測試

4、及改善由于該機裝車后，怠速時發(fā)動機“嗒嗒”聲非常明顯，嚴重影響聲音品質(zhì)。所以針對產(chǎn)生類似噪聲的結(jié)構(gòu)進行了排查，主要包括活塞敲擊噪聲和配氣機構(gòu)噪聲。2.1.1 活塞敲擊噪聲改善眾所周知，活塞對氣缸壁的敲擊發(fā)生在上止點和下止點附近，在壓縮上止點附近的敲擊最為嚴重，其敲擊強度主要取決于氣缸內(nèi)的最大爆發(fā)壓力和活塞與缸壁之間的間隙。為了研究活塞敲擊噪聲對整機噪聲影響，首先在臺架上通過角度域測試，對怠速時活塞上止點振動信號，燃燒壓力信號及1米聲壓級信號進行了對比分析，如圖5所示。圖5 活塞敲擊噪聲分析圖6數(shù)據(jù)表明，在一個循環(huán)內(nèi)，211deg曲軸相位角時噪聲最大，活塞在200deg曲軸相位角時振動加速度最大

5、，怠速工況下，聲音傳播1m的距離對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為11.2deg， 因此可以推斷活塞敲擊噪聲在整機噪聲中占有很大比重，為了降低活塞敲擊噪聲，對該機活塞裙部形狀及偏心距進行了調(diào)整并裝機驗證，驗證結(jié)果如圖6所示。圖6 更換活塞前后活塞敲擊噪聲對比圖6數(shù)據(jù)表明，活塞裙部尺寸修改后，噪聲明顯減小。為了驗證活塞敲擊噪聲對整機“嗒嗒”聲的貢獻，利用時頻分析方法對活塞優(yōu)化前后數(shù)據(jù)進行了對比分析，分析結(jié)果如圖7所示。圖7 活塞優(yōu)化前后噪聲時頻分析對比圖8數(shù)據(jù)表明，活塞裙部尺寸優(yōu)化后，1600Hz附近有節(jié)奏的“嗒嗒”聲明顯減小。同時發(fā)動機四面平均1米聲壓級降低了1.7dB（A）。圖8 凸輪軸型線優(yōu)化前后發(fā)動機頂面

6、噪聲對比2.1.2 凸輪軸型線優(yōu)化配氣機構(gòu)包括凸輪軸、挺柱、氣門等零部件，這些零部件彼此相互高速運動會造成嚴重的摩擦和敲擊噪聲。并且配氣機構(gòu)大部分零部件剛度相對較差，因而易激發(fā)振動和噪聲。氣門上下敲擊，由于彈簧產(chǎn)生的氣門撞擊噪聲、凸輪和挺柱之間的摩擦噪聲等都是配氣機構(gòu)的主要噪聲源。解決這些噪聲問題，首先要選用優(yōu)良的凸輪型線，這樣可以保證平滑的加速曲線和良好的配氣機構(gòu)動態(tài)特性，使凸輪對挺柱的沖擊比較平穩(wěn)，從而降低配氣機構(gòu)噪聲。在配氣機構(gòu)噪聲中，氣門落座噪聲是影響整機聲品質(zhì)的一個重要方面，尤其是怠速時能明顯聽到有節(jié)奏的類似“嗒嗒”的聲音，為了改善怠速聲品質(zhì)，對凸輪軸型線進行了優(yōu)化，主要是改變緩沖段

7、長度，降低氣門落座速度（由原來的0.024mm/deg降為0.016mm/deg），同時提高正時齒輪加工精度，減小正時齒輪嚙合間隙。凸輪型線優(yōu)化后發(fā)動機頂面噪聲總聲壓級無明顯變化，但在5002000Hz頻段有明顯改善，而且時頻分析結(jié)果也表明，在5002000Hz附近，這種有節(jié)奏的敲擊聲也有明顯變化，裝機進行主觀評價，能明顯感覺出聲品質(zhì)變好，如圖8、9所示。圖9 凸輪軸型線優(yōu)化前后時頻分析對比2.2 發(fā)動機結(jié)構(gòu)輻射噪聲改善發(fā)動機工作過程中，在各種機械激勵和燃燒激勵的作用下，發(fā)動機及其各部件必然發(fā)生表面振動，并引起其相鄰的空氣質(zhì)點振動，導(dǎo)致噪聲輻射的產(chǎn)生，為了降低結(jié)構(gòu)輻射噪聲，在整車上和臺架上分別

8、進行了聲源識別。2.2.1 整車上發(fā)動機聲源識別在整車怠速情況下，在消聲室內(nèi)利用聲學(xué)成像系統(tǒng)進行了怠速聲源識別，測試時發(fā)現(xiàn)在機艙蓋關(guān)閉時噪聲源主要在地面上，初步判斷噪聲可能是油底殼輻射造成，后在整車下方確定聲源位置時，聲源恰好落在油底殼上，因此斷定油底殼是該機的一個主要噪聲源。如圖10所示。該機油底殼是由上下兩部分組成的，均為大的平板結(jié)構(gòu)，為了降低整機噪聲，對上下油底殼分別進行了模態(tài)分析，根據(jù)模態(tài)分析結(jié)構(gòu)，針對大平面上局部變形較大的模態(tài)分別進行了拓撲優(yōu)化和形貌優(yōu)化。2.2.2 臺架上發(fā)動機噪聲源識別怠速時在發(fā)動機臺架上利用聲強法分別對發(fā)動機進氣、排氣、上部、正時面分別進行了聲源識別，測試結(jié)果表

9、明，對整機輻射噪聲貢獻較大的除油底殼外，進氣歧管表面輻射噪聲也非常明顯，并對聲源輻射部位利用聲振結(jié)合方法進行了驗證，驗證結(jié)果表明， 進氣歧管最大輻射噪聲頻率為3150Hz，測試結(jié)果如圖1113所示。圖11 進氣歧管3150Hz聲源位置測試結(jié)果圖12 振動加速度測點位置圖13 進氣歧管振動測試結(jié)果2.2.3 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析及優(yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化的邊界條件是提高并減少大平面結(jié)構(gòu)局部變形模態(tài)，針對結(jié)構(gòu)輻射的聲源頻率進行優(yōu)化，并盡量保證結(jié)構(gòu)輕量化。（a）上油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化上油底殼主要針對圖14所示三個局部變形較大的頻率和模態(tài)進行優(yōu)化。圖14 上油底殼局部變形較大的模態(tài)上油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后前15階模態(tài)頻率分布如圖1

10、7所示。（b）下油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化下油底殼為鋼板沖壓結(jié)構(gòu)，模態(tài)振型主要集中在兩個側(cè)壁上。選取側(cè)壁上比較典型的模態(tài)進行優(yōu)化，如圖18所示。優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)形狀變化如圖19、20所示。下油底殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后前15階模態(tài)分布如圖21所示。（c）進氣歧管結(jié)構(gòu)優(yōu)化臺架上1米聲壓級及聲源定位測試結(jié)果均表明，進氣歧管是發(fā)動機的一個主要噪聲源，其噪聲輻射頻率主要在3150Hz，進氣歧管模態(tài)計算結(jié)果也表明，在3000Hz附近，進氣歧管確實存在一階模態(tài)，其頻率為2988Hz，如圖22所示，主要表現(xiàn)為上部局部變形。但由于該頻率已經(jīng)很高，因此針對3150Hz進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其避開3150Hz共振會存在一定難度，事實證明，針對薄

11、弱區(qū)域改進的多種方案如其模態(tài)分布效果均不理想，如圖23和圖24所示。圖24 進氣歧管改進方案及改進前后模態(tài)分布圖25 進氣歧管改進方案噪聲預(yù)測通過LMS virtual.lab acoustic對不同改進方案進行輻射噪聲預(yù)測，結(jié)果表明改進后進氣歧管3150Hz輻射噪聲無明顯變化，如圖25所示。（d）開發(fā)油軌及進氣歧管吸聲罩由于進氣歧管本身固有頻率較高，針對進氣歧管3150Hz模態(tài)很難進行優(yōu)化，為了降低3150Hz噪聲，開發(fā)了圖26所示的吸聲罩，在降低進氣歧管噪聲的同時，降低油軌輻射噪聲，對新開發(fā)吸聲罩進行驗證，效果較好，尤其是在1000Hz2000Hz、3000Hz3500Hz頻段，噪聲明顯降

12、低，發(fā)動機頂面1米聲壓級降低1.7dB（A)，整機平均1 米聲壓級降低1.3dB（A)，測試結(jié)果如圖27所示。圖27 加吸聲罩前后3 改善效果驗證除以上主要噪聲改善方案外，還包括正時塑料罩材料更換，正時輪系采用靜音皮帶，提高加工精度等。最終對改進方案裝機，并在臺架和整車上分別進行了效果驗證。3.1 臺架效果驗證GW4D20發(fā)動機怠速噪聲效果如圖28所示，從圖中可以看出，采取上述降噪措施后，噪聲改善效果顯著，基本達到了改進目標(biāo)。改善后，GW4D20發(fā)動機滿載加速噪聲效果如圖29所示，整機加速過程整體降低13dB（A）。3.2 整車狀態(tài)下效果驗證對改善后的發(fā)動機裝車，在發(fā)動機周圍，包括進氣面?zhèn)取⑴艢鈧?cè)、正時側(cè)、頂面進行怠速噪聲效果驗證，測試結(jié)果表明，改善后不僅噪聲達到了標(biāo)桿車噪聲水平，而且12007500Hz頻段噪聲也得到了明顯改善，整車主觀評價效果較好。驗證結(jié)果如圖30、圖31所示。4 結(jié)論對批產(chǎn)階段發(fā)動機噪聲改善建立可