新能源汽车与内燃机的汽车噪声特性分析

朱云峰

摘要： 随着我国社会经济不断发展，给汽车行业带来巨大的发展空间，尤其是内燃机汽车和新能源汽车，但随之带来很多方面的问题，如低噪音引发的行人安全问题，为了有效解决这些问题，本文以新能源汽车在中国发展现状和世界各国由新能源汽车带来的低噪音引发行人安全问题为基础，进一步研究了四种汽车在行驶过程当中出现的噪音，来解释在产生噪音后，根据不同速度来判断会引起汽车噪声可能出现的变化，从而判断会不同类型汽车所产生的噪声差异。

Abstract： With the continuous development of China's social economy， it has brought great development space to the automobile industry， especially the internal combustion engines and new energy vehicles， but it has brought many problems， such as pedestrian safety caused by low noise. In order to effectively solve these problems， this paper is based on the development status of new energy vehicles in China and the pedestrian safety problems caused by low noise from new energy vehicles around the world. Furthermore， this paper studies the noises of four kinds of cars in the driving process to explain that after the noises are generated， it can be judged according to different speeds that will cause the possible changes of car noises， so as to judge the differences of noises generated by different types of cars.

關键词： 新能源汽车;内燃机汽车;噪音;分析

Key words： new energy vehicles;internal combustion engine;noise;analyse

中图分类号：U469.7                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）03-0051-03

0  引言

近年来，我国汽车数据正处于直线上升的状态，根据汽车协会专业人员统计发现，在2019年新能源汽车销售量就已经达到120万的销售量，其中纯电动汽车销售量达到100万辆左右;内燃机汽车销售量则为2000多辆;插电式混合动力式则已完成22万的销售量。同时，在次年我国政府在工作报告当中明确指出，要增强新型基础设施的建设工作，提高新一代信息网络的发展力度，全面普及5G应用，构建数据处理中心，增加换电站、充电桩等设施数量，推广新能源汽车的应用范围，刺激消费者使用要求，有利于帮助产业进行优化，从上述信息不难发现，国家政府十分注重新能源汽车产业的发展，给予其大力支持，给新能源汽车带来巨大的发展空间。

1  新能源汽车与内燃机汽车市场现状

目前我国政府正在大力推广新能源汽车，与内燃机汽车相比，新能源汽车得到非常巨大的发展空间，受到各界人士重视，是应对气候变化，促进汽车实现可持续发展的重要措施。现代我国新能源汽车已进入到政策和市场双轮驱动的新阶段。不管是国家还是各个区域，都是全力宣传新能源汽车，消费者对新能源汽车认知程度越来越深，越来越多的人都具有新能源汽车的购买欲望。首先，新能源汽车在降低能源危害、控制环境污染方面效果较高;其次，内燃机汽车从制造到消费，由于受到产业升级的影响，给其增长率造成非常严重的影响;再者，近年来我国颁布了很多与新能源汽车有关的优惠政策，提高了对新能源汽车相关基础设施建设的投资力度;最后，人们对于汽车要求越来越高，对新能源汽车接受率也越来越高，而对内燃机汽车购买欲正在逐渐下降。

虽然目前我国已成为全球新能源汽车第一大市场，但目前由于受到很多方面因素的限制，导致其市场局面十分不稳定。由于新能源汽车通常是由电动机作为主要驱动力，以逐渐普及到各大城市道路之中，尽管新能源汽车给我们日常生活带来极大便利，但其在道路行驶过程当中产生的噪音较低，很容易给行人带来一定的危险性。由于是electric vehicles和hybrid electric vehicles两种新能源汽车在低速行驶过程当中十分明显。根据美国政府对8000多辆electric vehicles和hybrid electric vehicles新能源汽车进行统计发现，这两种新能源汽车很容易在白天、低速区与行人产生安全事故;和ICEVS新能源汽车相比，hybrid electric vehicles汽车的安全事故概率更高;而在倒车、停车等场景内，hybrid electric vehicles汽车和行人发生安全事故的概率甚至是ICVEs的两倍。根据以上这些数据，不难发现要对这两种新能源汽车增加提示音功能，从而提高汽车行驶安全性。

2  各类汽车的概念

传统内燃汽车用英文统称internal combustion engine vehicles，主要是由内燃机为主体，燃烧汽油和柴油来获得动力的车辆。按照SAEJ1715的内容可将电动汽车定义为不管用哪种方式获得电能，推进力完全由电动机完成的汽车。而混合动力汽车是指在车上存储两种不同方式的能量，再通过这两种不同能量来帮助车辆进行行驶。HEVS内具有一个柴油或者汽油发动机，且设置了一个电动机和大电池，HEVS可通过发动机和电动机来共同驱动，发动机一般是两个推进源内比较大的一个，可在车辆高速行驶过程当中，给车辆提供大规模的动力。电动机一般是由两个体型较小推进源构成，能让汽车在行驶时捕获较大能量体，从而应用到低速状态下的汽车运行。插电式混合动力汽车是目前使用最多的HEVS，它主要依靠电池作为电动机所使用的动力，并使用其他燃料作为内燃机的动力。FCEVs fuel cell electric vehicles是指利用氢气作为主要驱动能源，通过空气和氢气等方面来完成发电工作，从而产生大量的电能，有助于汽车进行电能驱动。燃料电池电动汽车的动力系统主要是由氢气、冷却系统、燃料电池堆、锂电池等系统构成。燃料电池电动汽车同样使用这种系统来，但不同之处在于其是由氢气作为主要驱动作用力，以氢储存作为载体，来将燃料电池转变为电能。除此之外，它不会排放大量尾气，仅排放大量热气流和水蒸气（如图1所示）。

3  汽车噪声概述

在信息化时代背景下，人们环保意识越来越强，给新能源汽车带来巨大的发展空间。新能源汽车和传统汽车有着较大的差别，不仅和动力系统有关，和整体构造也有一定关系。由于新能源汽车拥有特殊的动力驱动系统，给新能源汽车带来较高的使用价值以及环保意义，现阶段大部分新能源汽车都是采用混合动力和电能，新能源汽车的排气量较少，从而加强环境保护。汽车噪音主要是由于汽车上某个系统或者部件出现摩擦，从而引起震动所产生的声音。汽车噪声通常是由各种生源构成，如传动系统、内燃机辅助部件、排气系统等方面，其中频谱当中具有不同非时变和时变音调组合而成。而汽车通常具备集中不同噪声源：道路和轮胎之间的相互作用力、车身和车轮振动、空气动力噪声等。由此可看到汽车噪声主要有路面与轮胎摩擦噪声、动力系统振动噪声等。

3.1 内燃机汽车噪音

内燃机汽车噪噪声主要是来自于动力系统和发动机噪声。发动机和动力系统噪声一般分为燃烧噪声、气流噪声、机械噪声等类型。气流噪声一般是通过低频来控制，与排气过程和进气过程具有非常密切的联系，其中包含冷却风扇、涡轮增压器单元。气流噪声则含有排气噪声、风扇噪声、进气噪声等元素。机械噪声是通过气门爆震噪声、活塞敲击噪声、喷油泵噪声等。燃气噪声主要出现的原理是由于气缸内的压力不断提高，导致气缸内压力频率的不连续性和高频区域的电平增加，造成发动机机体出现大幅度振动，从而产生燃烧噪音辐射。惯性力和燃烧力都是造成发动机结构振动，从而诞生噪音排放。由于柴油机内的气体要远超过惯性力，燃烧噪聲要比其他机械带来的噪音排放量更大，其噪音辐射范围甚至能够辐射到几百、几千赫兹的频率范围。在汽油机运行过程当中，会遭遇机械噪声、气流噪声、燃气噪声等，但由于汽油机的燃气噪声要比柴油机的燃气噪声小很多（如图2所示）。比较了电动车、柴油、电机车低速行驶时所产生的噪声水平，现实了当电动汽车、柴油、汽油等汽车低速行驶噪声水平为dB，电动汽车和汽油车的噪声级差别为11.3DB，而柴油车的噪声差为15.2dB。

3.2 电动汽车噪声

电动汽车噪声内拥有非动力和动力两个系统噪声元素。而动力系统噪声来源于车辆行驶所产生的排气噪声、进气噪声。非动力系统噪音则是由刹车噪音和汽车喇叭噪音衍生成。在信息化时代背景下，永磁同步电动机是目前最常用的电动机，该电动机系统是以电池为主要载体，给对系统内各个部件提供大量电压，再经过PWM pulse width modulation逆变器来控制交流电压。由于PWM转换频率长时间在恒定状态，且在很多电动汽车当中都位于5-20kHz范围内，最终会形成电磁噪声，其噪声特征一般是由于电磁谐波所产生的高频音调分量对所构成，其覆盖较广的范围[1]。

3.3 混合动力汽车噪声

在正常情况下，会将混合动力汽车噪声分为两种类型：非预期的声学行为、无掩蔽效应所产生的噪音、特定的声学现象。在车辆内部内燃机关闭时，就不在具备任何遮掩物，所有噪声源就会变得异常明显。而混合动力系统和传统动力系统相比，不仅增添了高压蓄电池、电动机、电子控制单元等部件，同时让这些部件之间出现不同相互作用力，从而产生新型噪音[2]。

4  噪音对比分析

4.1 轮胎噪声简介

轮胎噪声是各种汽车在行驶过程中，经过摩擦和运动所出现的外部噪声，并且该种汽车排放噪声占据总噪声较大部分[4]。除此之外，随着车速不断提高或者减少，轮胎噪声所占比例会出现对应变化。而轮胎噪声往往是代表轮胎在路面上滚动是所造成的噪声，如轮胎振动，当汽车行驶速度在30-100km范围内，其噪声源可达到最大值。轮胎振动是由轮胎和道路之间的相互作用力来产生。由于路面粗糙度和胎面花纹具有较大差异，导致道路和轮胎之间接触面积不同。因此，接触力会随轮胎振动和时间变化而产生一定变化，而轮胎的时变振动会出现一定的声辐射。根据有关研究统计发现，轮胎振动可在较广范围内对辐射声音起到一定作用，其频率一般要超过1kHz[5]。

4.2 车速对汽车噪音特性的影响分析

随着车速不断提高，轮胎噪声会呈现上升趋势，甚至要远超推进噪音。针对这一情况，专业人们可使用专业的Nord2000模型为切入点，来检测出轮胎噪声、推进噪声和汽车总噪声三者之间的联系（如图3所示）。根据目前模型测试的情况来分析，，在低速时汽车噪声以推进噪声为主，在高速行驶时改变成轮胎噪声[6]。同时，混合动力汽车和内燃汽车之间的噪声同样存在较大差异性，当速度不断降低时，其噪声会逐渐提高（如图4所示）。以混合动力汽车的噪声降低水平为例，其中有发动机噪声和轮胎噪声的总噪声排放。当车辆行驶速度为20km/h时，汽车噪声降低3dB，当车速提升到50km/h时，噪声排放会减少到1dB，当车速超过50km/h时，噪声降低数值将会降低到零点，这时轮胎噪声逐渐占据优势，混合动力和非混合动力车辆之间的噪声排放几乎没有任何差异[7]。通过将混合动力汽车和电动汽车噪声排放量进行相互对比可发现，内燃机汽车噪声排放力度明显较低。当车速低于50km/h时，电动汽车比混合动力汽车降噪质量好，因为其用电动机代替内燃机，因此能解决了内燃机所产生的噪音。但车速不断提高，纯电动汽车和混合动力汽车的轮胎和道路摩擦噪声会逐渐提高，当行驶速度超过50km/h时，混合动力汽车和纯电动车、内燃机汽车三者所造成的噪音程度相同，而轮胎噪声会变成噪声主体。另外，但车速低于30km/h时，电动汽车和混合动力汽车噪声会低于内燃机汽车，由于在汽车低速行驶过程当中，混合动力汽车会自动实施电动模式，当其速度达到30km/h以上时，混合动力汽车的降噪音效果加高，这时车辆会从电动模式直接切换到内燃机模式[8]。

5  总结

综上所述，本文通过将内燃机和新能源汽车噪声特征进行分析，发现这几种汽车在行驶过程当中都会出现电磁噪声，而内燃机汽车在行驶中只有发动机噪声，混合动力汽车则具有发动机噪声和电磁噪声两种形式。而车速是决定各种汽车噪声的主要因素，不同速度下车辆噪声特点不同。

参考文献：

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[3]黄杰.新能源汽车制造业中齿轮加工工艺分析及其未来发展趋势探讨[J].数字化用户，2021，27（6）：109-110.

[4]重庆银河为中国汽车工程研究院股份有限公司提供的氢燃料电池发动机高低温环境舱[J].汽车零部件，2021（6）：119.

[5]苏州弈力能源科技有限公司.新能源汽车电驱动总成的高性价比充电功能[J].电动自行车，2020（8）：1-2.

[6]贾彤起，张广利，李彦龙.某新能源车电机控制器高频噪音优化设计研究[C].//第十七届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集，2020：328-330.

[7]金良宽，徐松，谭磊鑫.新能源汽车用轴向磁通电机设计与分析[J].微电机，2020，53（5）：10-14.

[8]张弘韬.基于三维和一维耦合的电动汽车热泵空调系统优化[D].山东：山东大学，2019.