活塞偏心量、连杆大头油孔及活塞冷却喷嘴对怠速敲缸噪声的影响

张昕

【摘要】通过研究某增压发动机的怠速敲缸噪声，总结了活塞总成系统的噪声分类，研究了活塞偏心量、连杆大头油孔以及活塞冷却喷嘴对怠速敲缸噪声的影响。

【关键词】怠速；敲缸；噪声；活塞偏心量；连杆大头油孔；活塞冷却喷嘴

Affect the amount of eccentricity piston， connecting rod and piston cooling nozzles bulk hole knocking noise on idle

Zhang Xin

（Hebei Zhicheng Construction Co.， Ltd Handan Hebei 056000）

【Abstract】By studying the idle noise of a supercharged engine knock， summed up the noise classification system piston assembly， piston eccentric amount of research， the impact of the connecting rod and piston cooling nozzle hole knock on idle noise.

【Key words】Idle； knock；Noise；Piston eccentric amount；Connecting rod hole；Piston cooling nozzles

1. 前言

（1）随着能源与污染问题的日益严重以及排放法规的逐渐严格，近年来增压发动机已经得到了广泛应用。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。

（2）国内外对活塞总成本身结构导致的噪声研究很多：文献^[1]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^[2]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Yasuo Miura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^[3]。

（3）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。

2. 活塞系统噪声分类

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。

2.1 活塞销与连杆小头撞击噪声。

（1）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。

（2）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。

2.2 活塞次推力面敲缸噪声。

（1）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。

（2）Rattling异响基本发生在冷机、中低负荷且转速高于2500 r/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150到点火上止点后50。

2.3 活塞主推力面敲缸噪声。

（1）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^[4]。

（2）Crocking声音比较低沉，一般发生在转速低于2000 r/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10°～25°。

3. 发动机参数及噪声确认

3.1 本研究所选用的发动机排量为1.4 L，缸径为73.8 mm，活塞偏心量为0.4 mm。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：endprint