敲缸

隨著能源與污染問題的日益嚴重以及排放法規的逐漸嚴格，近年來增壓發動機已經得到了廣泛應用。進氣增壓有效地提高了發動機的進氣量、功率、扭矩以及燃油熱效率，但是隨著進氣量和進氣壓力的增加，發動機的燃燒壓力大幅度提高，活塞總成所受氣體力越來越大，在上下止點換向時所受的側向力也急劇增大，極易產生敲缸雜訊。同時，燃燒壓力的增加和燃燒溫度的提高對活塞的冷卻也提出了更高的要求，而活塞冷卻噴嘴作為低成本的最有效的活塞冷卻方式被廣泛應用於增壓發動機。儘管增壓發動機對於燃油消耗的改善起到了積極作用，但是由燃燒壓力和溫度提高導致的雜訊以及冷卻問題也亟待優化。怠速雜訊產生的原因複雜，涉及的零件多，包括活塞、活塞銷、連桿、缸體、冷卻噴嘴等。

國內外對活塞總成本身結構導致的雜訊研究很多：闡述了產生活塞銷與連桿小頭敲擊雜訊的兩種機制，即由於活塞銷與連桿小頭間隙過大以及連 桿 小 頭 圓 度、圓 柱 度 等 不 當 引 起 的 噪 聲；對活塞以及活塞銷產生的所有雜訊進行了較全面的研究和歸類；但是到目前為止，鮮有文獻報冷卻噴嘴以及油膜形成對活塞系統雜訊的影響，僅SunaoTeraguchi等人通過特殊的試驗裝置精確控制活塞與缸壁之間的潤滑油量，研究了潤滑油量對活塞敲缸雜訊的影響本研究通過對某增壓發動機的研究，明確了活塞偏心量、連桿大頭油孔以及冷卻噴嘴對怠速敲缸雜訊的影響。

一般活塞系統的雜訊主要包括活塞銷與連桿小頭撞擊產生的雜訊、活塞次推力面敲擊缸壁產生的雜訊、活塞主推力面敲擊缸壁產生的雜訊。不同噪活塞銷與連桿小頭撞擊產生的雜訊一般稱為，活塞銷 Ticking 是活塞銷在壓縮行程上止Ticking點附近時，撞擊連桿小頭產生，怠速無負荷情況下，對應的曲軸600～1000rmin轉角為壓縮上止點前 30°。一般倒拖工況下也存在該雜訊，並且該雜訊對溫度很敏感，冷起動時最明活塞銷Tickin產生原因主要是由於活塞銷與連桿小頭的配合間隙過大或者二者間的潤滑不足，油膜厚度不足。

2）活塞次推力面敲缸雜訊

活塞次推力面敲擊缸壁產生的雜訊稱為 Rat－tlin，一般是指活塞頭部或者裙部在壓縮上止點前由於慣性力作用由主推力面接觸缸壁轉換到次推力面接觸缸壁，轉換時橫向撞擊缸壁導致。圖2示出了活塞推力面敲擊缸壁雜訊發生時刻。通過圖2有限元動力學分析也可以看到，活塞次推力面敲擊缸壁的側向力在壓縮上止點前達到最大，此時極易導致次推力面敲擊缸壁產生雜訊。Rattling異響基本發生在冷機、中低負荷且轉速高時。通過在缸體上安裝加速傳2500rmin感器測量缸壁加速度信號，可知 Rattling 基本發生在點火上止點前15°到點火上止點后5° 。

3）活塞主推力面敲缸雜訊

活塞主推力面敲擊缸壁產生的雜訊稱為或者，一般是指點火上止點后近活塞裙部在氣體力的作用下，活塞所受側向氣體力從次推力面轉向主推力面，導致活塞繞裙部旋轉，主推力面側向敲擊缸壁造成。點火后，缸壓急劇增大，活塞換向所受的側向力很大，活塞敲擊缸壁的雜訊的側向力在點火上止點后達到最大，此時極易導致主推力面敲擊缸壁產生雜訊。

Crockin聲音比較低沉，一般發生在轉速低於2000r/min時。通過在缸體上安裝加速感測器測量到的缸壁加速度信號，可以看出Crockin基本發生在點火上止點后（FireATDC）10°～25°。

本研究所選用的發動機排量為1．4L，缸徑為73．8mm，活塞偏心量為0．4mm。該發動機怠速時存在嚴重的缸內雜訊，在駕駛室內雜訊明顯。如果直接採集活塞敲缸雜訊的聲級，會被背景雜訊和發動機正常運轉的聲音干擾，影響測量的精度和數據分析結果。因此，在缸體上安裝振動加速度感測器，通過測量活塞敲擊缸壁引起缸壁振動來評價雜訊的強度。根據式（1）可對雜訊聲級與缸體振動加速度相互轉換：在缸壁上安裝缸體振動加速度感測器，實際測量振動加速度和點火上止點信號，最大加速度發生時刻為點火后 左右，可以認為該雜訊是16° 4活塞在點火上止點后換嚮導致，屬於活塞主推力面敲擊缸壁雜訊，屬於Crocking異響。一般活塞Crocking雜訊產生原因大致有3個：活塞銷孔偏心不足；潤滑不足，油膜厚度不足；活塞與缸壁配合間隙過大。由於減小活塞與缸壁配合間

3．1 活塞偏心量的影響

活塞偏心量是指活塞設計時將活塞銷孔的中心線相對於活塞中心線向主推力面方向偏離的距離。該偏心量會根據發動機的缸徑、連桿長度、燃燒壓力等參數作調整，一般在0．3～1．0mm。在上止點處最高燃燒壓力時，活塞會在側向力作用下完成從次推力面到主推立面的強制換向，活塞主推力面嚴重敲擊缸壁造成敲缸雜訊。活塞偏心可以使活塞換向存在過渡過程，與缸壁軟接觸，並且使活塞在上止點前就完成換向動作，避免活塞在極大的燃燒壓力產生的側向力作用下撞擊缸壁，有效緩解活塞敲擊缸壁的雜訊。

3．2 連桿大頭油孔的影響

連桿大頭油孔的設計主要是為了冷卻活塞底部以及潤滑活塞與缸壁。發動機主油道的潤滑油會通過曲軸連桿頸上的油孔輸送到連桿大頭油孔內，潤滑油會直接噴至活塞底部以及缸壁上對活塞進行冷卻和潤滑。該發動機原始設計沒有大頭油孔，本研究更改了連桿設計，在大頭增加了1個直徑為2mm的油孔，並且經過有限元計算確認連桿強度不受影響。

將新連桿安裝在發動機上，進行雜訊振動測量，結果見圖8。由圖可見，振動加速度由原來的最大50m/s左右減小至7m/s左右，可知，雜訊從原來的35dB減小至17dB連桿大頭油孔噴射的機油可 圖7連桿大頭油孔示意以在活塞與缸壁之間形成油膜，大大緩衝了活塞的換向敲擊。

3．3 活塞冷卻噴嘴的影響

活塞冷卻噴嘴通常用來冷卻活塞，以保證在燃燒室高溫高壓作用下活塞能夠安全運行。本研究發現冷卻噴嘴對活塞與缸壁間的潤滑與雜訊也起到了關鍵作用。該發動機設計的冷卻噴嘴開啟壓力為270kPa，但是實際測量發現，在怠速時由於主油道油壓較低，冷卻噴嘴無法開啟，活塞敲缸雜訊嚴重。將活塞冷卻噴嘴的開啟壓力調整至180kPa，保證怠速時冷卻噴嘴可以開啟，測量得到的雜訊振動加速度降到2m/s左右，雜訊降低為6dB左右。

由此可以看出，活塞冷卻噴嘴的作用與連桿大頭油孔的作用類似，均為在活塞與缸壁之間形成了油膜，可以有效地降低活塞敲缸雜訊。但是對於本身沒有冷卻噴嘴配置的發動機，如果為了解決怠速雜訊而增加冷卻噴嘴，會導致缸體結構改變、油泵重新設計、成本增加等問題。

3．4 以上3種措施同時應用的降噪效果

振動加速度值為2m/s左右，與活塞冷卻噴嘴開啟時測量的振動加速度相同，由此推斷，這時主要是活塞冷卻噴嘴開啟后在缸壁和活塞之間形成的油膜在起作用，所以活塞冷卻噴嘴對改善活塞敲缸雜訊起關鍵作用。高性能增壓發動機一般都設計有活塞冷卻噴嘴，如果出現怠速活塞敲缸雜訊，首要的手段可以考慮降低活塞冷卻噴嘴的開啟壓力。因為成本和發動機結構等因素，一般自然吸氣發動機沒有活塞冷卻噴嘴，如果出現活塞怠速敲缸雜訊，只能選擇調整活塞偏心量或者連桿上增加油孔的手段來消除雜訊。

通過對活塞敲缸雜訊的研究，歸納總結了活塞系統雜訊的類型和特點，並且研究了活塞偏心量、連桿大頭油孔以及活塞冷卻噴嘴對活塞敲缸雜訊的影響，明確了影響活塞敲缸雜訊的關鍵因素，為解決雜訊問題提供了方向。

a）活塞偏心設計對活塞敲缸雜訊有較好的改善，由於其不需要重新設計、開模、製造，只需要調整機加工參數即可實現，成本低，是解決該類雜訊的首選方式；

b）連桿大頭油孔對活塞敲缸雜訊也有較大的改善，但是該方案會增加油孔的機加工費用，需要增加相應的工序和設備，增加了成本；

c）調整活塞冷卻噴嘴的開啟壓力，保證其在怠速時打開，可以基本消除怠速敲缸雜訊，但是該方案僅對帶活塞冷卻噴嘴的發動機有效；

d）3種措施同時應用的效果與僅採用活塞冷卻噴嘴開啟措施的效果相當，冷卻噴嘴噴出的機油在缸壁上形成油膜對消除活塞怠速敲缸雜訊的作用最明顯。