內(nèi)燃機工況對氣缸敲擊振動的影響探究

張艷艷

摘要：在我國工業(yè)發(fā)展過程中，為了保障其自身得到有效成長，必須對工業(yè)領(lǐng)域進行全面優(yōu)化。其中，在內(nèi)燃機工與氣缸敲擊振動關(guān)系當中，可以通過建立相關(guān)的數(shù)學模型，完成有效測試，以根據(jù)其相關(guān)的計算模式，分析出其內(nèi)部的相關(guān)比值。并通過有效的方程式，對其發(fā)動機轉(zhuǎn)速、動力、扭矩等信息完成有效的平衡。因此，本文將就內(nèi)燃機工況對氣缸敲擊振動的影響探究展開討論，闡述內(nèi)燃機的基本概述，分析內(nèi)燃機的振動以及噪聲，研究如何通過合理有效的方式對其進行有效優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機工;氣缸敲擊;振動分析;影響探究

中圖分類號：TH113.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0034-02

0? 引言

內(nèi)燃機在設(shè)計過程中，為了保障其相關(guān)的內(nèi)部組件，例如活塞組件等與氣缸完成正常裝配，通常會留有一定的間隙。在氣缸內(nèi)進行活塞運動時，其活塞軸線以及氣缸軸線存在夾角，缸內(nèi)氣體在爆發(fā)時具有強大的沖擊力，會在活塞側(cè)面推動活塞撞擊氣缸壁，造成氣缸敲擊現(xiàn)象?；钊c氣缸套之間其磨損加大，敲擊現(xiàn)象會更為嚴重，不僅會對活塞組件以及氣缸壁造成嚴重損壞，同時還會降低內(nèi)燃機的使用性能，降低其自然生命周期。因此，為了有效研究內(nèi)燃機不同工況下氣缸敲擊震動的特征變化，可以對其內(nèi)燃機故障完成在線預(yù)警。

1? 內(nèi)燃機的基本概述

為了保障對內(nèi)燃機工況對氣缸敲擊振動影響分析，就必須對內(nèi)燃機完成全面認知。內(nèi)燃機是一種動力機械，在使用過程中通過相關(guān)燃料轉(zhuǎn)化為驅(qū)動力，將其熱能轉(zhuǎn)化為動力。內(nèi)燃機不僅包含了活塞式內(nèi)燃機、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動機以及自由活塞式發(fā)動機等，其也包含了噴氣式發(fā)動機[1-2]?；钊絻?nèi)燃機在使用過程中，可以將燃料與空氣混合，使其在氣缸內(nèi)進行充分燃燒。對于釋放出的熱能，可以使氣缸內(nèi)部產(chǎn)生高溫的燃氣，以推動內(nèi)部零件活塞做功。并通過曲線連桿機構(gòu)，推動內(nèi)部活塞做功，完成機械功率的輸出。作為工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用范圍較廣且使用規(guī)模較大的器械，內(nèi)燃機在我國擁有明顯的發(fā)展趨勢。

在運行過程中，內(nèi)燃機分為不同類型，根據(jù)不同領(lǐng)域的應(yīng)用，內(nèi)燃機的類型可以實現(xiàn)一定程度的轉(zhuǎn)換。內(nèi)燃機可以將引擎性能作為綜合指數(shù)，引擎的自身指標在業(yè)內(nèi)通常被稱為產(chǎn)業(yè)的重要決策。內(nèi)燃機需要通過吸氣、壓縮、燃爆、排氣等四個動作，完成整體動作流程。在活塞連桿機構(gòu)與曲軸往復之間呈現(xiàn)一定的慣力系統(tǒng);在曲軸平衡重在圓周循環(huán)中，因其平衡差造成的慣性離心慣性力;不同壓縮比帶來的氣缸壓力;三缸機的抖動大于四缸機。

2? 內(nèi)燃機的內(nèi)部零件分析

了解內(nèi)燃機的內(nèi)部零件，可以對內(nèi)燃機氣缸敲擊振動現(xiàn)象產(chǎn)生有效了解，內(nèi)燃機的內(nèi)部系統(tǒng)包含了七大結(jié)構(gòu)，是一種多機構(gòu)以及多系統(tǒng)組成的復雜儀器。

其一，內(nèi)燃機內(nèi)部的曲柄連桿機構(gòu)。內(nèi)燃機內(nèi)部的曲柄連桿機構(gòu)可以保證發(fā)動機實現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換，是一種基本且重要的運動零件[3]。其自身由機體組活塞連桿組以及曲軸飛輪組等組成，進行運動做功。在此過程中，其活塞承受燃氣壓力，在氣缸內(nèi)作直線運動。通過連桿轉(zhuǎn)換，對外輸出相關(guān)動力。而在進氣、壓縮、排氣等形成中，可以將其旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為活塞的直線運動;

其二，配氣機構(gòu)。配氣機構(gòu)的使用功能可以根據(jù)發(fā)動機的整體工作順序以及工作過程完成，起到定時開啟、關(guān)閉氣門或排氣門，使可燃的混合空氣進入氣缸，并將燃后的空氣由氣缸內(nèi)排出，實現(xiàn)換氣。配氣機構(gòu)大多采用了頂置頂氣門，一般由氣門組、氣門傳動組、氣門驅(qū)動組等組成;

其三，燃料供給系統(tǒng)。內(nèi)燃機的驅(qū)動力為燃料驅(qū)動，因此可以根據(jù)發(fā)動機的需求配置相關(guān)數(shù)量以及濃度的混合氣體，使其進入氣缸內(nèi)[4]。并在燃燒后，轉(zhuǎn)化為動力。柴油機燃料供給系統(tǒng)在燃燒室內(nèi)形成混合氣體，實現(xiàn)燃燒;

其四，潤滑系統(tǒng)。潤滑系統(tǒng)可以保證運動的零件表面完成有效的活塞做功，對其表面輸送清潔潤滑油，可以減小摩擦力，避免機件磨損。并對零件表面進行必要的清洗以及冷卻，潤滑系統(tǒng)通常由潤滑油道、機油泵、機油過濾器等組成;

其五，冷卻系統(tǒng)。內(nèi)燃機在運作過程中，將會產(chǎn)生大量的熱能。因此，冷卻系統(tǒng)非常重要，冷卻系統(tǒng)的功能可以將受熱零件吸收的部分熱量及時發(fā)散，保證發(fā)動機以最適宜的溫度工作。水冷發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)包含了水泵、風扇、水箱、節(jié)溫器等;

其六，點火系統(tǒng)。點火系統(tǒng)在氣缸內(nèi)，靠電火花進行點燃。在汽油機的氣蓋當中，裝有火花塞，在使用中火花塞頭部伸入燃燒室內(nèi)，可以對火花塞產(chǎn)生電極，點燃混合氣體。點火系統(tǒng)通常由蓄電池、發(fā)電機、點火線圈、火花塞等組成;

其七，啟動系統(tǒng)。在發(fā)動機由發(fā)動到靜止——再由靜止轉(zhuǎn)到工作狀態(tài)當中，必須實現(xiàn)啟動系統(tǒng)。啟動系統(tǒng)可以使活塞做往復運動，對氣缸內(nèi)的可燃氣體進行混合燃燒，以實現(xiàn)必要的動力，驅(qū)動發(fā)動機實現(xiàn)運轉(zhuǎn)。因此，曲軸在外力作用下，可以完成轉(zhuǎn)換，保證發(fā)動機平穩(wěn)運行，工程循環(huán)可以有效開展。曲軸在外力作用下，可以轉(zhuǎn)化為發(fā)動機動力，完成啟動過程所需的全部裝置。汽油機由兩大機構(gòu)以及五大系統(tǒng)組成，分為曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、點火系統(tǒng)等。由此可見，內(nèi)燃機作為一種精密的器件，其密封氣缸是實現(xiàn)工作循環(huán)動力的源頭，對不同氣缸的作用可以實現(xiàn)往復運動，形成規(guī)律變化的密封空間燃料。在此空間內(nèi)燃燒，可以產(chǎn)生充足的動力。

3? 內(nèi)燃機振動以及噪聲分析

3.1 內(nèi)燃機噪聲分類

內(nèi)燃機的整體噪聲可以按照其產(chǎn)生機理，分為“結(jié)構(gòu)振動式噪聲”以及“空氣噪聲”兩大種類。內(nèi)燃機的相關(guān)機械零件在使用過程中，都會在震動作用下產(chǎn)生振動噪聲，其結(jié)構(gòu)表面不同，所產(chǎn)生的噪聲音色也不同[5-7]。在混合氣體燃燒動力當中，其產(chǎn)生的噪聲可以分為燃燒噪聲，而將傳遞氣體的曲柄連桿機構(gòu)產(chǎn)生的噪聲，歸為機械噪聲。且由于燃燒機理不同，汽油機以及柴油機的噪聲比例也不相同，據(jù)我國相關(guān)研究表明，柴油機的缸內(nèi)壓力較高，且壓力增長率遠高于汽油機。因此，柴油機的燃燒噪聲遠高于汽油機噪聲。此外，柴油機噴射系統(tǒng)的壓力比汽油機噴射較高，其帶來的液體動力噪聲也比汽油機嚴重。內(nèi)燃機的機械噪聲與內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速有密切聯(lián)系，在高速運轉(zhuǎn)時，其機械噪聲是重要的噪聲源頭，結(jié)構(gòu)振動噪聲通過相關(guān)的振動系統(tǒng)引起結(jié)構(gòu)振動，隨后伴隨空氣振動而產(chǎn)生?？諝鈩恿υ肼暸c結(jié)構(gòu)振動噪聲不同，其由于空氣動力學的原因，在進氣、排氣過程中，均會產(chǎn)生一定的排氣噪聲，在噪聲分類當中排氣造成影響最大。

3.2 內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)振動噪聲傳播路徑分析

內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)振動以及噪聲傳遞是一個較為復雜的流程，由各內(nèi)部整體的機械零件以及震擊力所產(chǎn)生。因此，必須認清其傳播路徑，才可進行后續(xù)結(jié)構(gòu)振動以及噪聲研究。因此，本文將就內(nèi)燃機主要結(jié)構(gòu)振動噪聲進行分析，在噪聲分析當中，內(nèi)燃機在工作時，氣缸內(nèi)會產(chǎn)生脈動壓力，通過兩條途徑對外進行噪聲傳播。其一，途徑經(jīng)過氣缸蓋以及氣缸套、氣缸體等直接傳播;其二，通過活塞連桿、曲軸等進行傳播?；钊脫粼肼曉趬嚎s點附近過程中，其通過活塞橫向撞擊，通過氣缸套、氣缸體外擴散噪聲。而配氣機構(gòu)的主要噪聲傳播途徑，通過氣門傳播。當齒輪進行作用力時，齒輪噪聲便會產(chǎn)生。齒輪通過相關(guān)的輸出裝置，在摩擦力當中完成噪聲傳播。而在液體動力噪聲當中，由于噴油壓力周期變化，可以引起液體振動，可以傳給燃油箱、油底殼等。

4? 機體表面振動以及試驗研究

在機體表面振動試驗研究當中，可以對缸內(nèi)壓力信號進行采集，使用壓力傳感器在采集前進行校準。在實驗當中，壓力傳感器在實驗前兩小時進行布置，同時標記氣缸蓋加工傳感器安裝后，使其可以與燃燒室內(nèi)的燃氣直接接觸。加速傳感器可以測量機體表面的振動速度，根據(jù)傳感器的靈敏度進行調(diào)節(jié)，完成匹配，以保證電荷放大器到適當位置，完成后續(xù)測試以及試驗。在機體前端、后端以及底部當中，選取適當?shù)陌惭b位置。根據(jù)測量位置的不同，以保證柴油機運轉(zhuǎn)速度。需要注意的是，在電荷放大器的使用過程中，必須注重整體的傳感效果，以防止被放大器擊穿。

5? 內(nèi)燃機體表面振動試驗結(jié)果分析

內(nèi)燃機機體表面振動試驗結(jié)果當中，根據(jù)震動信號的相關(guān)分析，可以得知在相關(guān)的函數(shù)領(lǐng)域當中，利用相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，可以有效判斷機體表面振動信號與活塞敲擊作用的關(guān)系。將缸內(nèi)壓力進行獲取，通過震動速度信號進行函數(shù)曲線分析。通過函數(shù)曲線可以得知，在絕大多數(shù)頻率段內(nèi)，機體表面的振動速度、信號與壓力相干性極好，表明這些頻率振動主要由氣缸內(nèi)部壓力造成。在585Hz、644Hz、742Hz、2560Hz等頻段速度，與燃氣壓力的相關(guān)性較差，表明此頻段的振動有可能由活塞敲擊力或其他原因所引起的。

例如，在400-1000Hz范圍內(nèi)，即可以根據(jù)活塞敲擊所引起的振動速度以及振動實驗值進行比較，以表明在此頻段內(nèi)，活塞敲擊力對基體表面振動幅度貢獻較大，占據(jù)主導地位;

在1000-2500Hz范圍內(nèi)，其整體振動曲線較遠，甚至達到20dB，表明在頻帶內(nèi)活塞敲擊對機體表面振動率影響較小，機體表面振動影響因素可分為主軸承載荷力以及缸蓋螺旋力;

在400Hz以下的頻段內(nèi)，其由活塞敲擊力計算機體表面振動速度比綜合試驗結(jié)果還要大。因此，此頻段內(nèi)的預(yù)測結(jié)果不可取，也證明了統(tǒng)計能量分析方法在低頻段預(yù)測中，不具備使用效果。

針對三缸機而言，三缸機的振動程度可以導致在振動中曲軸圓周率過程離心力不平衡的主要問題。應(yīng)對此類方法，通常可以采取增加平衡重的重量。由于三缸機所面對的平衡重彼此間隔超過180°，三缸機在設(shè)計中，可以將兩個同步缸設(shè)置為180°，另外一個與二者互為90°，在相關(guān)運作情況下，過重的平衡會消除離心慣性力。而另一種方法則可以讓平衡對彼此形成240°角度，添加平衡軸的方式完成過渡。

6? 結(jié)束語

綜上所述，在內(nèi)燃機工況對氣缸敲擊振動影響探究當中，根據(jù)不同數(shù)字的數(shù)值分析，可以明顯得知敲擊振動峰值以及其內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速、負載與敲擊震動峰值的關(guān)系。

參考文獻：

[1]崔雁清，劉海峰，易文韜，等.提高內(nèi)燃機氣缸壓力的研究現(xiàn)狀與展望[J].小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)，2019，48（02）：86-94.

[2]紀常偉，白曉鑫，汪碩峰，等.點火角對氫內(nèi)燃機冷起動燃燒與排放特性的影響[J].北京工業(yè)大學學報，2019，45（09）：95-101.

[3]S.K.KANDREEGULA， J.TIKOLIYA， H.NISHAD.利用氣缸蓋與進氣歧管集成實現(xiàn)動力裝置小型化和輕量化的模擬研究[J].國外內(nèi)燃機，2019，002（004）：36-40.

[4]宋兆哲，高鋒軍，寧志堅，等.基于氣缸壓力和振動傳遞函數(shù)的缸體優(yōu)化[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2020，049（002）：59-64.

[5]王瑞，許可，衛(wèi)洋洋.氣缸燃燒對船舶推進軸系扭振的影響[J].艦船科學技術(shù)，2019（9）.

[6]蔡艷平，范宇，陳萬，等.內(nèi)燃機缸蓋振動信號建模與仿真[J].武漢科技大學學報，2020（1）：44-49.

[7]沈穎剛，和志高，郭宇辰，等.內(nèi)部EGR對柴油機NOX排放影響的模擬研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2020，58（03）：88-90.