改善发动机噪声辐射满足车辆新噪声法规

【法】　G.Nghiem　S.Wang

噪声振动

改善发动机噪声辐射满足车辆新噪声法规

【法】G.NghiemS.Wang

摘要：近期，车辆通过噪声法规将发生变化，噪声限值将明显收紧。这种变化要求改进发动机噪声辐射。另一方面，在现有燃油经济性压力下，未来发动机将越来越注重轻量化，这对发动机噪声排放有负面影响。因此，在新的动力系统设计过程中，需要考虑车辆新通过噪声法规的相关要求。在某些情况下，需要开发新的解决方案，在减轻发动机质量的同时改善发动机噪声水平。1种有效方法是优化发动机关键部件设计，如曲轴和发动机底部结构。过去一直采用原始方法进行研究，可以看出发动机零部件对动力系统辐射噪声产生多大影响，此外找出曲轴刚度和动力系统辐射噪声之间的定量关系。实际上，通过改善曲轴刚度，能够使发动机辐射噪声降低1～2dB。而发动机底部结构对辐射噪声的影响可达到3dB。改善噪声辐射的另一种有效方法是加装发动机隔声罩。对3种类型的隔声罩进行了研究：发动机顶部隔声罩、发动机底部隔声罩，以及排气端隔声罩。对于整个动力系统的噪声辐射，每个隔声罩能够降低噪声约1dB。关于发动机顶部隔声罩，Renault公司开发了1款轻量化产品，在保持令人满意的发动机声学性能的同时，隔声罩质量至少减轻50%。Renault公司还提出了隔热-隔声罩新概念，为发动机排气端表面提供隔热和噪声衰减功能。隔热-隔声罩由1层薄钢板和1层厚的玻璃纤维制成。采用这种类型的屏蔽罩，可获得与发动机顶部隔声罩相媲美的噪声衰减功能。此外，与简单的层压钢板隔热罩相比，新的解决方案无需额外增加质量，甚至更轻。

关键词：噪声辐射隔热-隔声罩新噪声法规

0前言

从1970年起，欧洲环境噪声政策主要包括制定车辆、飞机和机器最高噪声级的法规。最近的1份关于降低车辆噪声限值的法规是1995年引入的(图1)。由于这项法规和车辆技术进步，使私家车辆的噪声自1970年以来降低了近90%。然而多项研究证明，根据该指令的规定，现在使用的测试方法已经不能如实反映城市交通环境下真实的驾驶行为。在1996年发布的关于未来噪声政策欧盟的绿皮书[1]中已经指出，在车辆型式认证程序中，严重低估了轮胎滚动噪声对总噪声排放的影响。因此，为了更好地反映城市交通环境下真实的驾驶行为，必须修订测量程序[2]。

新的噪声法规旨在从源头进一步降低道路交通噪声，包括新定义的基本测量程序(R51-03)和更低的噪声限值，但该法规在政策上尚未确定。新程序中规定的部分油门加速比现有的全油门(WOT)加速更具有城市交通代表性。因此，在车辆上降低噪声排放也将降低城市噪声污染。

在内燃机驱动的现代车辆上，通过噪声主要来自轮胎、动力系统和进排气系统。每种噪声源的影响随着测量条件而变化。图2为采用程序R51-03测量的通过噪声源的典型分布情况。由此可见，轮胎为主要的噪声源，其次为动力系统的噪声辐射[3]。

图1　欧洲乘用车通过噪声法规的发展历程

图2　车辆通过噪声的主要来源

动力系统也是通过噪声的重要来源(约占30%)。因此，更低的通过噪声限值要求进一步降低动力系统的噪声辐射。另一方面，在当前燃油经济性的高要求下，未来发动机的质量将越来越轻，如果没有采取噪声-振动-平顺性(NVH)应对措施，将引起噪声的升高。在新型动力系统设计中，整车厂应考虑如何满足通过新噪声法规的相关要求。在某些情况下，需要开发创新解决方案，从而在减轻发动机质量的同时改善发动机噪声。

1动力系统噪声辐射分析

动力系统的噪声辐射是指在特定运行工况下动力系统全部表面的辐射噪声。在动力系统的6个表面分别放置麦克风(声压级，SPL)或测量动力系统全部表面的声功率(声功率级，SWL)，并进行噪声量化。动力系统辐射声功率来源于动力系统全部表面的振动，这些振动是由发动机激励(燃烧、运动件，以及气流激振)产生的，并由动力系统结构传递。

1.1发动机激励+动力系统结构传递+动力系统表面辐射

在动力系统上激励源不计其数，可产生噪声辐射的结构零部件是很重要的辐射源，控制及预知整个动力系统的辐射噪声相当复杂及困难。本文主要分析发动机辐射噪声和发动机基本结构之间的关系。而曲轴不仅传递燃烧激励振动，而且由于其形状和特征振型成为振动源。

就发动机结构而言，确定发动机辐射噪声最重要的来源对改进发动机设计十分关键。如图3所示，给出了1台1.5L柴油机运行在3000r/min全负荷工况时，动力系统不同部件的声功率级。由图3可见，发动机底部是动力系统整个噪声功率级的最重要来源，其次是柴油机排气端的主要后处理部件。一般来说，无论柴油机或汽油机，发动机底部都是最重要的辐射噪声源。因此，降低发动机辐射噪声有必要优化发动机底部结构设计。

图3　动力系统不同部位对整个声功率级的影响(示例为1.5L柴油机在3000r/min全负荷工况下运行)

2通过发动机结构设计改善噪声辐射

2.1发动机底部结构的影响

一般来说，刚性底部结构比柔性底部结构的辐射噪声更大，但从量化上看，很少有结果表明底部结构设计对发动机辐射噪声产生的影响[4-5]。在Renault动力NVH系统部门，技术人员试图采用基于基准数据的原始方法，量化发动机底部结构对辐射噪声的影响。通过数据分析，发现发动机辐射噪声取决于扭矩和排量，决定参数为发动机升扭矩，即发动机最大扭矩和排量的比值。因此，我们选择发动机升扭矩作为比较不同发动机辐射噪声的基准值。

如图4所示，不同发动机(汽油机)声功率级为发动机升扭矩的函数。通过这种方式，我们能够清晰地看到以下趋势：(1)整体上，发动机声功率级随升扭矩的增长而升高；(2)在相同升扭矩下，不同发动机之间有较大的分散性；(3)低水平发动机为1组(第1组)，这组发动机在声功率级和升扭矩之间存在线性关系；(4)其他发动机形成另一组(第2组)，这组发动机比第1组有较高的噪声辐射。由此可见，第1组和第2组平均水平相差3dB。

图4　发动机底部结构对辐射噪声的影响(0～10kHz)

若分析发动机底部结构，我们能够发现第1组发动机为刚性底部结构，采用机座或者梯形框架与油底壳相连，或者采用刚性油底壳。第1组的底部结构以图5为例。

图5　第1组刚性底部结构示例(梯形框架+油底壳)

第2组发动机为柔性底部结构，主要采用整体铝制油底壳和短裙缸体相连接。第2组发动机底部结构以图6为例。在噪声辐射方面，这种底部结构有2个缺点：(1) 刚度较低，除非设置许多加强肋；(2) 可以形成放大声辐射的较大平坦表面。

图6　第2组柔性底部结构示例(大平面)

通过这种统计方法，可以推断出发动机底部结构对辐射噪声的潜在影响接近3 dB。当然，发动机还有其他重要设计参数对噪声辐射产生影响，这对确保发动机底部结构刚度与其他部分的刚度一致性很重要。

2.2曲轴刚度的影响

众所周知，曲轴对发动机的振动和噪声有很大影响。一方面，由于曲轴的弯曲和扭转模态使其在高转速下成为重要的振动源。另一方面，曲轴将全部燃烧激励振动传递给动力系统所有零部件，尤其向底部结构传递。到目前为止，公开发表的发动机辐射噪声和曲轴设计之间关系的研究结果较少[6-7]。事实上，在不影响发动机其他零部件的条件下，很难明显改变1款发动机的曲轴结构设计。

为了证明曲轴的影响，技术人员采用统计方法为不同尺寸的发动机建立发动机噪声辐射和曲轴刚度之间的经验关系。对于曲轴刚度和发动机辐射噪声，尝试了不同的准则。通过“归一化发动机声功率”(其为相同转速、恒定扭矩下辐射声功率)获得最佳相关性。通过这种方式绘制了不同汽油机的辐射噪声基准测试结果(图7)。由此可见，归一化发动机声功率级和曲轴刚度之间有相当好的相关性。据统计，曲轴刚度每增加100N/μm，发动机声功率降低大约1dB。

图7　归一化发动机声功率和曲轴刚度之间的关系

因此，对于发动机辐射噪声而言，曲轴刚度是非常重要的设计参数。然而，刚度较强的曲轴意味着需要较大的轴颈或曲柄销直径，这会加大摩擦、增加燃油消耗。应分别考虑整体燃油消耗和通过噪声限制，寻找1种折中方法。实际上，对于4缸发动机，通过曲轴设计，预计发动机辐射噪声可以有1～2dB的改善潜力。

3利用隔声罩改善噪声辐射

对于汽油机，为实现良好的发动机噪声辐射水平，改进曲轴及其底部刚度即可。然而，对于柴油机，由于大量增加的燃烧激励及大容积的排气后处理装置，需要额外采取应对措施，如采用噪声吸收材料的隔声罩。但增加隔声罩将增加车辆质量，不利于改善燃油消耗。因此，为了在保持相似声衰减率的同时，减轻车辆质量，应开发1种采用新材料的新概念隔声罩。

3.1轻型发动机盖罩

通常采用的隔声罩是发动机装饰盖罩。隔声罩采用注入高密度泡沫的塑料盖，将其安装在接近发动机气缸盖的部件上。根据表面覆盖情况，对于1台4缸发动机，这个零件的质量为1～2kg，其中包括所有减振固定点。在发动机前盖高频条件下，这种隔声罩的声学性能(噪声排放衰减)约为4～6dB。

然而，这种盖罩质量大、成本高，将占用发动机和发动机盖之间更大空间。因此，必需在质量、厚度、成本和声学性能之间找出1种较好的折中方案。Renault公司及其供应商合作开发出1种改进型发动机盖罩。为了优化声吸收系数，采用不同密度的多层玻璃纤维，而薄塑料层具有较好的隔声作用。使用玻璃纤维材质的盖罩更轻，质量减轻50%以上。其质量轻和几乎完全柔性的结构将不需要减振固定，从而降低成本。

就声学性能而言，结果相当令人满意。如图8所示，以轻质盖罩为例，给出了发动机噪声辐射的衰减结果。测试结果是通过测量发动机在全负荷运行时有无隔声罩2种情况下发动机顶部的声压获得的。将麦克风固定在距发动机顶部表面1m的位置。在高于800Hz的所有频率范围内，玻璃纤维材质盖罩噪声均匀衰减。总体来说，声学性能略低于传统前盖设计。

安装这种盖罩的动力系统，发动机前端噪声排放能够降低3dB(A)，整个动力系统的声功率降低0.5～1.0dB(A)。

图8　发动机盖罩对辐射噪声的影响

3.2发动机油底壳的隔声罩

如图3所示，发动机底部是动力系统全部噪声辐射最重要的噪声源。事实上，发动机底部是机油泵噪声和平衡轴轰鸣噪声，以及柴油燃烧噪声排放的主要来源。此外，由于车辆底部的噪声衰减低于顶部，发动机底部辐射噪声对通过噪声影响更大。降低发动机底部噪声排放的有效方法是在油底壳上加装隔声罩。

与顶部隔声罩一样，油底壳隔声罩采用不同厚度和密度的多层吸收材料制造，如玻璃纤维、木质纤维或聚氨酯。利用增加隔声层提高减振性能。通过选择吸收材料、厚度和几何形状，可以将油底壳的声学性能调整为隔声罩缺点及NVH目标的函数。

如图9所示，以发动机底部隔声罩为例，其设计目的为减少高频燃烧噪声。测试结果是通过在全负荷运行时测量有无隔声罩2种情况下发动机底部的声压获得的。将麦克风固定在距发动机底部表面20cm的位置。在高于2000Hz的频率范围内，隔声罩具有良好的噪声衰减效果。在低于2000Hz的频率范围内，隔声罩对噪声排放几乎没有影响。当然，通过改变材料和厚度，在低频范围内可获得更好的衰减效果。

图9　　　　发动机油底壳隔声罩的作用(为高频噪声而设计)

3.3发动机排气端隔声罩新概念

发动机排气端是整个动力系统噪声辐射的主要来源之一，尤其是带柴油机排气后处理系统：包括满足欧6排放标准的催化器、催化型颗粒捕集器(CPF)、NOx吸附-还原法催化器(NOxtrap)或选择性催化还原器(SCR)。在机体和排气脉动的激励下，这些薄壁结构的大体积部件产生较大噪声。这些噪声占整个动力系统辐射声功率的10%～20%。另一方面，由于高温废气，应利用隔热罩隔离排气后处理系统部件以保护周围零部件。一般来说，发动机排气端加装传统隔热罩(复合钢板制成)的降噪作用极小，甚至没有作用。相反，由于其平面较大和厚度较小，可能放大排气端辐射的噪声。因此，为了满足热保护要求并改善动力系统噪声辐射，需要开发新的隔离概念。

过去，开发的解决方案是通过添加多孔金属层和薄玻璃纤维层增强隔热罩隔热效果。采用多孔技术可以减少部分噪声，但这一技术无法减少宽频范围内噪声。因此，Renault公司在供应商的支持下进行研究，开发出1种新型隔热-隔声罩，以确保所有部件可在排气端高温下运行，如涡轮增压器、催化器、排气歧管等。

新型隔热-隔声罩由外层和内层组成，以0.1～0.2mm厚度的不锈钢薄板作为外层，5mm及以上厚度的压缩玻璃纤维作为内层，内层接触热部件。不锈钢薄板耐高温，厚度较薄，质地柔软，因而没有任何能量特征振型。压缩玻璃纤维层具有良好的吸声作用，同时相比传统层压钢板隔热罩，隔热性能可得到改善。

可以将这种隔热-隔声罩设计封装在整个排气端。这种解决方案具有最佳声学性能，但可能占用更多发动机舱空间，难以固定在发动机上。也可以为每个组件单独设计隔热-隔声罩。在这种情况下，隔热-隔声罩设计应与所覆盖部件形状相匹配。这种设计由2个半壳体组成，易于使用金属夹具装配。

图10为催化器隔热-隔声罩示例，图11为发动机辐射噪声衰减结果。将麦克风放置在距发动机排气表面1m的位置，在全负荷运行时，测量有无隔 热- 隔声罩2种情况下获得的结果。即使隔热-隔声罩表面积受到催化器的限制，整个排气端也有明显噪声衰减。如图11所示，排气端在3000Hz以下辐射噪声降低2～4dB。

当然，如果增加隔热-隔声罩表面积，或在排气端放置若干隔热-隔声罩，可以在发动机排气端获得更好的降噪效果。事实上，这种隔热-隔声罩对整个动力系统辐射噪声的影响类似于发动机顶部隔声罩。

图10　排气端隔热-隔声罩(由2个半壳体夹紧后封装催化器)

图11　隔热-隔声罩对辐射噪声的影响

就质量而言，相比于传统层压钢板隔热罩，隔 热- 隔声罩的设计提出了1种不额外增加质量的方案，原因在于减小钢板厚度和固定件。

此外，新概念隔热-隔声罩的其他优势体现在对催化器的隔热效果更好，利于热管理系统运行；不直接接触发动机，其可靠性更高，因而降低了金属层的振动和可承受的压力。

4结论

本文针对最新欧洲通过噪声法规，提出了降低动力系统噪声辐射的解决方案。1种有效方法是优化某些发动机关键零部件的设计，如曲轴和发动机底部结构。通过原始方法分析了这些发动机部件对动力系统辐射噪声的影响程度，并找出曲轴刚度和动力系统辐射噪声间的定量关系。实际上，通过改善曲轴刚度，能够使发动机辐射噪声降低1～2dB。对于发动机底部结构而言，对辐射噪声的影响可能达到3dB。

另1种改善噪声辐射的有效方法是加装发动机隔声罩。研究了3种隔声罩：发动机顶部隔声罩、发动机底部隔声罩，以及排气端隔声罩。对于整个动力系统的噪声辐射，每个隔声罩能够降低约1dB噪声。针对发动机顶部隔声罩，Renault公司开发了1款轻质产品。隔声罩质量至少减少50%，同时保持了令人满意的发动机声学性能。在供应商的支持下，Renault公司还开发了新概念隔热-隔声罩，为发动机排气端提供隔热和声衰减功能。隔热-隔声罩由1层薄钢板和1层厚的玻璃纤维制成。采用这种类型的屏蔽罩，可获得与发动机顶部隔声罩相媲美的声衰减功能。此外，相比于简单的层压钢板隔热罩，提出的新解决方案无需增加质量，甚至更轻。

参考文献

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[2] Gruber A, Bohlen S. New noise regulations for passenger cars[J]. ATZ,2013.

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[7] Grasso C, Zappala A, Nehl J,et al. Optimization of dynamic crankshaft behavior for sound quality improvement[C]. Aachener Kolloquium Fahrzeug,1999.

王晓滕李研芳译自SAE2014-01-2074

张然治校

虞展编辑

(收稿时间：2015-07-06)