降低CO2排放和噪声的发动机包覆技术

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　　通过研究安装在车身、发动机上的热声发动机包覆系统，欧拓研发了一种高性能的复合材料——Theta-FiberCell，该材料质量轻，成功地解决了声学特性、热特性和机械特性目标之间的冲突，实现了降噪和CO2减排之间的协同作用。
　　更为严苛的排放法规
　　欧洲议会和理事会第443/2009号条例明确规定：到2015年，欧洲车队CO2平均排放量降低到130g/km，到2020年降低到95g/km。为了满足ISO362标准规定的噪声限值，汽车厂商不得不寻求新的声学解决方案。而作为汽车声学和热量管理解决方案的全球技术领导者，欧拓在车身和发动机包覆系统的基础上，研发出了一种符合该用途的最佳新型材料，成功地解决了声学特性、热特性和机械特性目标之间的冲突，实现了降噪和CO2减排之间的协同作用。
　　发动机包覆设计理念
　　研究表明，发动机包覆系统安装在发动机上的设计理念就动力系统的热量保存而言非常有效。这需要有一种材料解决方案，可以满足隔热能力、温度限值和耐久性方面的最严苛要求。针对一辆越野车进行的测量和1D模拟均已表明其热量保存能力，换句话说，CO2减排性能很大程度上依赖于动力系统的覆盖率。
　　发动机表面高覆盖率的百分比是保证良好热量存储能力的一个必要条件。这意味着接近热源（像涡轮增压器或催化器）的发动机也需要进行覆盖，以取得好的效果。因此，需要一种具有长/短期温度高稳定性和极高可自燃性温度的组合材料。此外，适用材料还必须具有抗强烈振动性能，因为包覆层直接安装在发动机和变速器上。
　　发动机包覆安装在车身上的设计理念已应用在目前设置在发动机舱中的几种部件（如发动机包覆衬垫、外部仪表板隔热装置或发动机下护板）。通过为此类声学元件增加热力特性，安装在车身上的发动机包覆就可实现具备几种新部件的目标。而其中的大部分部件不仅需要具有良好的声学特性，还需要具有良好的隔热能力，所以需要一种材料技术来满足这两个方面的要求。
　　对不同车身安装包覆的试验证明，发动机左边和右边的包覆侧壁极大地优化了热量存储性能。与侧处理装置安装在挡泥板内侧的设计理念相比，该设计提供了更好的密封性，以避免由于发动机舱外自然对流导致的热损失。侧壁还减少了发动机包覆的相关散热面积，从而保证了更好的热量存储性能。
　　适用于发动机包覆的材料
　　为了实现发动机包覆的最大有效性，以及优良的隔热性能和声学特性，所采用的材料必须满足耐久性、热安全性和尺寸稳定性要求。基于该背景，欧拓研发出了一种名为“Theta-FiberCell”的复合材料，该材料以一种特殊的方式将质量轻、声学特性、坚固性和热保护功能集于一体，使得发动机包覆拥有出色的吸音效果和隔热性能。
　　Theta-FiberCell是由用作载体材料的半结构式针刺毛毡（Theta-Fiber）和低密度聚氨酯泡沫（Theta-Cell）混合而成，两层模压在一起形成了复杂的成形部件，而Theta-Fiber具有很强的吸音作用和隔热性能，且Theta-Fiber提供了一个在高温下具有坚固性和耐久性的载体。鉴于其微孔结构，这两种材料的结合使得其热导率非常低，20℃时的热导率大约为0.035W/mK（当然这也取决于最终的压缩比）。
　　欧拓研发的复杂模拟工具可以准确地预测映射在整个发动机包覆几何结构上的有效隔热性能。按照ISO6721-4，温度限值可采用动态机械分析（DMA）测量值进行确定。试验表明，在温度为150℃时，Theta- Fiber保留了初始材料刚性的73%。吸音作用以及第一模式共振性在整个运行温度范围内保持稳定。振动试验已经证明了Theta-Fiber材料的优良耐久性，在其首个共振频率下，该材料成功地抵制了部件振动，在10个Mio循环期间，加速度输入值为4g。同时，这些材料大大降低了模态响应时间。
　　根据燃烧试验FMVSS302（水平）规定，Theta-FiberCell被归类为“B型”，也就是“自熄性材料”。
　　PV3357规范的垂直燃烧试验表明，该材料在此类条件下不会点燃。
　　另外，欧拓发明了一种火灾试验方法，通过该方法可确定受试材料的固有自燃温度。该试验确定了与热源（像涡轮增压器、催化器或排气管）非常接近的部件的热阻性。经测量，Theta-FiberCell的自燃温度处于470～510℃范围之内，而基于天然纤维和PP胶结料的发动机包覆材料的自燃温度范围仅为340～390℃。
　　发动机包覆技术的优异性能
　　两种发动机包覆设计理念在降噪和降低CO2排放方面均表现出了优异的热量存储能力。为此，工程师对经历了一个NEDC循环的降温情况进行测量，发现将其置于冷却液12h之后，与5～10K的基准相比，温度有所增加。在提供了发动机包覆的情况下，也可实现2%的CO2减排。在某试验台上测得的结果甚至表明，在7h冷却之后，CO2减排可达5%。
　　通过不同的发动机包覆设计理念，在发动机舱内设置附加热声处理装置可减少外部噪声（鉴于新的通过噪声限值和测量程序，这一点很有意义）和内部噪声。发动机包覆系统的有效性可通过将一辆装有SI发动机的越野车在一个滚轴试验台上进行的声学试验进行验证，该试验评估了4种不同的配置。4个内部麦克风和6个外部麦克风用做声学试验的接收器。这4个内部麦克风分别置于驾驶员和前排乘客的内耳和外耳位置。这6个外部麦克风置于距车辆侧1.5m处（每侧3个），离地高度为30cm。就运转条件而言，考虑了空档缓慢加速，以关注发动机的噪声。
　　试验结果显示：内部麦克风的清晰度指数（AI ）得以优化，该指数被作为分析4种配置的发动机速度的一个函数。在所有情况下，发动机包覆的应用均使AI得到了极大提高（10%～12%）。
　　本文采用3个被分析发动机包覆配置获得的平均声压级（SPL）与车辆左侧外部麦克风位置处的参考值对比，试验结果显示：发动机包覆的影响相对较低，为500Hz以下。另一方面，高频率下获得的声压级提高也是非常重要的，对安装在发动机上的情况为7～8dB（A），对安装在车身上的情况为4～5dB（A）。油底壳绝缘包覆件的影响较为明显，在1kHz以下。
　　所有这些结果均表明，发动机包覆对提高车辆整体音响效果有着很大的作用。预期高频率下安装在发动机上的发动机包覆具有更高的性能，前提是这种发动机包覆以一种更紧密、更直接和局部的方式作用于噪声源。然而，需要提及的是，这将使得设计的复杂度更高（构成发动机包覆部件的数量和外形），而设计复杂度又取决于覆盖尽可能多的发动机表面。经验表明，要做到真正有效，安装在发动机上的发动机包覆应覆盖整个发动机表面的至少80%。
　　总结与展望
　　通过缩短冷起动时间，发动机包覆系统可同时改善车辆音响效果和减少CO2排放。这些系统要达到最佳有效性，在很大程度上依赖于技术及正确的材料解决方案，以及对发动机舱中的发动机包覆和动力系统设计进行集成，以此来保证最佳热力特性和声学特性。利用Theta-FiberCell，欧拓还研发了一种组合材料，该材料满足更加苛刻的条件，是一种可适用于目前及未来汽车市场的发动机包覆解决方案。