敲缸

气缸内压力升高率太大时出现金属敲击声的现象

敲缸是一种气缸内压力升高率太大时出现金属敲击声的现象。敲缸分为燃烧敲缸和机械敲缸。由于燃烧原因在上止点附近发出尖锐的金属敲击声称为燃烧敲缸或热敲缸。此时若继续运行，则发动机的最高燃烧压力异常增高，各部件热应力增大，机械负荷亦增大，在冲击力的作用下，运动部件将过快磨损并导致损坏。因为运动部件和轴承间隙不正常引起钝重敲击声或摩擦声，是发生在上、下止点或越过上、下止点时及经过中部时，这种现象称为机械敲缸或冷敲缸。

敲缸噪声研究

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。

国内外对活塞总成本身结构导致的噪声研究很多：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；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；但是鲜有文献报冷却喷嘴以及油膜形成对活塞系统噪声的影响，仅SunaoTeraguchi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。

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。不同噪活塞销与连杆小头撞击产生的噪声一般称为，活塞销 Ticking 是活塞销在压缩行程上止Ticking点附近时，撞击连杆小头产生，怠速无负荷情况下，对应的曲轴600～1000rmin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）活塞次推力面敲缸噪声

活塞次推力面敲击缸壁产生的噪声称为 Rat－tling，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。Rattling异响基本发生在冷机、中低负荷且转速高时。通过在缸体上安装加速传2500rmin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15°到点火上止点后5° 。

3）活塞主推力面敲缸噪声

活塞主推力面敲击缸壁产生的噪声称为或者，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。

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

噪声确认

本研究所选用的发动机排量为1．4L，缸径为73．8mm，活塞偏心量为0．4mm。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：在缸壁上安装缸体振动加速度传感器，实际测量振动加速度和点火上止点信号，最大加速度发生时刻为点火后左右，可以认为该噪声是16° 4活塞在点火上止点后换向导致，属于活塞主推力面敲击缸壁噪声，属于Crocking异响。一般活塞Crocking噪声产生原因大致有3个：活塞销孔偏心不足；润滑不足，油膜厚度不足；活塞与缸壁配合间隙过大。由于减小活塞与缸壁配合间

影响因素

3．1 活塞偏心量的影响

活塞偏心量是指活塞设计时将活塞销孔的中心线相对于活塞中心线向主推力面方向偏离的距离。该偏心量会根据发动机的缸径、连杆长度、燃烧压力等参数作调整，一般在0．3～1．0mm。在上止点处最高燃烧压力时，活塞会在侧向力作用下完成从次推力面到主推立面的强制换向，活塞主推力面严重敲击缸壁造成敲缸噪声。活塞偏心可以使活塞换向存在过渡过程，与缸壁软接触，并且使活塞在上止点前就完成换向动作，避免活塞在极大的燃烧压力产生的侧向力作用下撞击缸壁，有效缓解活塞敲击缸壁的噪声。

3．2 连杆大头油孔的影响

连杆大头油孔的设计主要是为了冷却活塞底部以及润滑活塞与缸壁。发动机主油道的润滑油会通过曲轴连杆颈上的油孔输送到连杆大头油孔内，润滑油会直接喷至活塞底部以及缸壁上对活塞进行冷却和润滑。该发动机原始设计没有大头油孔，本研究更改了连杆设计，在大头增加了1个直径为2mm的油孔，并且经过有限元计算确认连杆强度不受影响。

将新连杆安装在发动机上，进行噪声振动测量，结果见图8。由图可见，振动加速度由原来的最大50m/s左右减小至7m/s左右，可知，噪声从原来的35dB减小至17dB连杆大头油孔喷射的机油可图7连杆大头油孔示意以在活塞与缸壁之间形成油膜，大大缓冲了活塞的换向敲击。

3．3 活塞冷却喷嘴的影响

活塞冷却喷嘴通常用来冷却活塞，以保证在燃烧室高温高压作用下活塞能够安全运行。本研究发现冷却喷嘴对活塞与缸壁间的润滑与噪声也起到了关键作用。该发动机设计的冷却喷嘴开启压力为270kPa，但是实际测量发现，在怠速时由于主油道油压较低，冷却喷嘴无法开启，活塞敲缸噪声严重。将活塞冷却喷嘴的开启压力调整至180kPa，保证怠速时冷却喷嘴可以开启，测量得到的噪声振动加速度降到2m/s左右，噪声降低为6dB左右。

由此可以看出，活塞冷却喷嘴的作用与连杆大头油孔的作用类似，均为在活塞与缸壁之间形成了油膜，可以有效地降低活塞敲缸噪声。但是对于本身没有冷却喷嘴配置的发动机，如果为了解决怠速噪声而增加冷却喷嘴，会导致缸体结构改变、油泵重新设计、成本增加等问题。

3．4 以上3种措施同时应用的降噪效果

振动加速度值为2m/s左右，与活塞冷却喷嘴开启时测量的振动加速度相同，由此推断，这时主要是活塞冷却喷嘴开启后在缸壁和活塞之间形成的油膜在起作用，所以活塞冷却喷嘴对改善活塞敲缸噪声起关键作用。高性能增压发动机一般都设计有活塞冷却喷嘴，如果出现怠速活塞敲缸噪声，首要的手段可以考虑降低活塞冷却喷嘴的开启压力。因为成本和发动机结构等因素，一般自然吸气发动机没有活塞冷却喷嘴，如果出现活塞怠速敲缸噪声，只能选择调整活塞偏心量或者连杆上增加油孔的手段来消除噪声。

结论

通过对活塞敲缸噪声的研究，归纳总结了活塞系统噪声的类型和特点，并且研究了活塞偏心量、连杆大头油孔以及活塞冷却喷嘴对活塞敲缸噪声的影响，明确了影响活塞敲缸噪声的关键因素，为解决噪声问题提供了方向。

a）活塞偏心设计对活塞敲缸噪声有较好的改善，由于其不需要重新设计、开模、制造，只需要调整机加工参数即可实现，成本低，是解决该类噪声的首选方式；

b）连杆大头油孔对活塞敲缸噪声也有较大的改善，但是该方案会增加油孔的机加工费用，需要增加相应的工序和设备，增加了成本；

c）调整活塞冷却喷嘴的开启压力，保证其在怠速时打开，可以基本消除怠速敲缸噪声，但是该方案仅对带活塞冷却喷嘴的发动机有效；

d）3种措施同时应用的效果与仅采用活塞冷却喷嘴开启措施的效果相当，冷却喷嘴喷出的机油在缸壁上形成油膜对消除活塞怠速敲缸噪声的作用最明显。

全国各地天气预报查询

上海市

市辖区

云南省

临沧市

云南省