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柴油发电机的噪声源类别与特征 |
摘要：柴油发电机房噪音通常可轻易穿透墙体的阻挡辐射到机房外，它除了设备本身运转发出的噪声，还有就是噪声在机房内反射形成的噪声场。其主要噪声源包括柴油发电机的排气噪声、进气噪声、冷却风扇噪声、燃烧噪声、机械噪声、电磁噪声以及地基振动的传递所产生的噪声等。
一、噪声源分析
1、排气噪声
柴油发电机工作时，气缸内的高温高压废气随排气口间断开闭周期性地喷射到排气管内，排气管口排出高温高速的脉动气流，由此产生周期性的排气噪声。排气噪声是柴油发电机最主要的声源，频谱特性为低频为主的宽频带噪声，噪声级高达95——105dB（A），峰值一般为63——250Hz。排气噪声的主要频率f（Hz）：
f = 2K•n / 60T（HZ）
式中
K——发动机的气缸数；
n——发动机的每分钟转速（r/min）；
T——发动机的冲程数。
柴油发电机排气噪声的强度与发动机的功率、转速等因素有关，并随发动机的转速及负荷的变化而变化。一般柴油机排气噪声的总声压级（dB）可用下式近似估算：
Lp = 12logN+30logn-9（dB）
式中
n——柴油机主轴转速（r/min）；
N——柴油机功率（HP）。
对发电机组的排烟噪声处理通常是在原配的标准消声器后串联二级消声器，常用的二级消声器有以下几种：
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消声箱（阻-抗复合式）
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中高频（SL_A）
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共振式（抗性）
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低频（SL_B）
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膨胀式（抗性）
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低中频（SL_C）
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迷途式（阻性）
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宽频（SL_D）
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复合式（阻-抗复合式）
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宽频（SL_F）
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声流式（阻性）
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宽 频（SLE）
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通常使用的两种排烟消声器外型如图1，消声器实际应用的外型尺寸是根据各种不同型号的发电机组和具体的噪声要求而定。
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图1 阻抗式消声器结构图 |
2、进气噪声
对于非增压柴油机，进气噪声比排气噪声低，接近柴油发电机运动部件产生的机械噪声水平。
① 空气在进气管中的压力脉动产生低频噪声；
② 空气以高速流经进气门流通截面时形成涡流产生高频噪声；
③ 气缸内气体在一定压力下的受迫振动、气门落座声音及进气管的振动等
3、排风和风扇噪声
风扇噪声是由旋转的叶片周期性地打击空气质点，引起空气的压力脉动产生噪声。当柴油发电机的进排气管安装消声器后，用于冷却循环水的风扇便成为重要的噪声源。风扇噪声一般可达100dB（A）左右。
① 风扇噪声是由涡流噪声和旋转噪声组成的，旋转噪声由风扇的叶片切割空气流产生周期性扰动而引起；
② 排风的涡流噪声是气流在旋转的叶片截面上分离时，由于气体的粘性引起的旋涡流，辐射一种非稳定的流动噪声。
排风噪声、气流噪声、风扇噪声、机械噪声均是通过排风的通道辐射出去的。
4、燃烧噪声
燃烧噪声是由于气缸内周期变化的气体压力的作用而产生的，它主要取决于燃烧的方式和燃烧的速度。
当柴油机压缩行程终了时，燃烧室内被压缩的可燃混合气被电火花点燃，可燃混合气燃烧后，放出大量的热能，燃气的压力和温度迅速增加，最高压力约为3—5MPa，相应的温度为2200——2800K，在燃烧作功的同时，致使发动机各部件振动而引起的噪声。
5、机械噪声
机械噪声是由于运动件之间以及运动件与固定件之间周期性变化的机械运动而产生的，它与激发力的大小、运动件的结构等因素有关。例如活塞、连杆、气门等零件的上下运动，曲轴、齿轮组旋转运动而产生的。
（1）发动机运转时，活塞在上、下止点附近受侧向力作用产生一个由一侧向另一侧的横向移动，从而形成活塞对缸壁的强烈敲击，产生了活塞敲击噪声。产生敲击的主要原因是活塞与气缸套之间存在间隙，以及作用在活塞上的气体压力。
（2）传动齿轮的噪声是齿轮啮合过程中齿与齿之间的撞击和摩擦产生的。在柴油机上，齿轮承载着交变的动负荷，这种动负荷会使轴产生变形，并通过轴在轴承上引起动负荷，轴承的动负荷又传给发动机壳体和齿轮室壳体，使壳体激发出噪声。此外，曲轴的扭转振动也会破坏齿轮的正常啮合而激发出噪声。传动齿轮噪声与齿轮的设计参数和结构型式、加工精度、齿轮材料配对、齿轮室结构以及运转状态有关。
（3）柴油机大都采用凸轮、气门配气机构，机构中包括凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、气门等零件。配气机构中零件多、刚度差，在运动中易于激起振动和噪声，包括气门和气门座的撞击，由气门间隙引起的传动撞击，挺柱和凸轮工作面之间的摩擦振动，高速时气门不规则运动引起的噪声。配气机构噪声与气门机构的型式、气门间隙、气门落座速度、材料、凸轮型线、凸轮和挺柱的润滑状态、柴油机的转速等因素有关。
6、 电磁噪声
发电机的转子和定子在电磁场中高速旋转产生电磁噪声以及滚动轴承旋转所发生的机械噪声。
发电机中的磁噪声也称“电磁”或“电”噪声，由磁化部件在其交变磁场中的吸引力和排斥力产生的机械力（如压力）引起的。交变磁场以两倍的线频（如嗡嗡声）激发振动和噪声，仅在电机通电时，如果断电后噪音立即停止，则其来源是磁噪声。
磁噪声通常是二极和四极电机的第二大噪声源（风阻是第一大噪声源），也可能是六极或更多极电机的主要噪声源。这主要是因为低速磁芯的定子残留硅钢片的深度比极数较少的高速磁芯的定子深度小（见图3），2极和6极定子铁芯中的残留硅钢片，这使得它们更容易变形，并因较小的力产生更大的振幅振动。由于气隙较小以及轴承和壳体配合超差的偏心效应，具有六个或更多极的低速电机容易产生更高的噪声级。
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图2 发电机内部结构解剖图 |
图3 发电机高速旋转的噪声 |
7、地基振动噪声
柴油机强烈的机械振动可通过地基远距离传播到室外各处，然后通过地面再幅射噪声。柴油发电机房降噪处理的原则是，在确保柴油发电机组通风条件即不降低输出功率的前提下，采用高效吸音材料和降噪消声装置对进、排风通道和排气系统进行降噪处理，使之噪声排放达到国家标准。
综上所述，机房内柴油机组运行时，考虑柴油机壳体、排烟管道及机房冷却风机的叠加噪声，在机房内形成一个混响声场，其机房内噪声一般将大于100dB（A）。
二、柴油机噪音的控制措施
1、改进燃烧室结构
燃烧室的结构形状与混合气的形成和燃烧密切相关，燃烧室的结构决定着燃烧室空腔的声模态和压力高频振荡的频率，所以选择合适的燃烧室或对燃烧室结构，将能优化燃烧过程，降低压力升高率和削弱压力高频振荡。因此可以选择分隔式的燃烧室。在涡流室式内燃机中，喷油嘴的喷油方向偏离涡流室中心而指向下游，附着于缸壁面的燃料就越多，燃烧越平静，噪声就会越小。
2、增压
柴油机增压后可使进入气缸的空气充量密度增加，进气温度增加，使得压缩终了的温度和压力增高，滞燃期缩短，所以可以降低燃烧噪声。
3、废气再循环
废气再循环主要引入的初衷是用来降低NOx污染物，但废气再循环使得进气温度升高，减少燃烧率，使发动机获得平稳的运转，所以可以有效降低燃烧噪声。
4、压缩比
提高压缩比可以提高压缩终了的压力和温度，因此缩短滞燃期，使燃烧噪声降低。但是压缩比的提高会使气缸压力增加，活塞敲击声增大，所以通过提高压缩比降低燃烧噪声应综合考虑其对活塞敲击声的影响。
5、燃料
不同的燃料，喷人气缸后，其物理、化学准备过程不同，从而导致不同的滞燃期。十六烷值高的燃料滞燃期短，压力升高率降低，燃烧噪声降低。另外新的代用燃料，如生物制气，乙醇等有利于柴油机燃烧噪声的降低。
6、预喷射降低噪音
预喷就是将一个循环一次喷完的燃油分成两次喷。先喷入的一小部分提前在主喷之前就开始进行点燃的预反应，如此可以减少在滞燃期内积聚的可燃油量。这是降低直喷式柴油机燃烧噪声的最有效措施。
7、延迟喷油定时控制噪音
由于气缸内压缩温度和压力是随曲轴转角而变化的，喷油时间将通过影响压缩温度和压缩压力而对滞燃期起作用。适当推迟喷油，进入缸内气体温度和压力升高，滞燃期缩短，所以使得燃烧噪声降低。但是如果过早和过迟喷油，进入缸内气体的压力和温度都反而会低，从而是滞燃期延长，燃烧噪声增大，因此有一个最佳喷油延迟时间。
8、电子控制技术
电子控制的柴油机能根据转速、负荷、进气温度、EGR率、增压压力、燃气温度、冷却液温度等精确控制喷油定时，选择合适的喷油策略，进而控制燃烧噪声，并能兼顾经济性和排放。共轨式喷油装置是柴油机电子控制使用广泛和成熟的装置。其优点除喷油压力可独立于发动机的负荷和转速外，还能实现喷油率波形的自由选择，使用该装置后的噪声水平得到很大的改善。
9、隔热活塞控制
采用隔热活塞可提高燃烧室壁温度，缩短滞燃期，降低空间雾化燃烧系统的柴油机的燃烧噪声。
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