重型柴油機(jī)燃燒噪聲優(yōu)化

胡宇寧 趙鳳君

摘 ?要：柴油機(jī)本體噪聲主要由機(jī)械噪聲、燃燒噪聲、空氣噪聲組成，本文對(duì)柴油機(jī)噪聲分類和發(fā)生機(jī)理做了深入分析，通過在臺(tái)架試驗(yàn)中測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)1缸缸壓，測(cè)得缸內(nèi)燃燒壓力。通過氣缸壓力測(cè)量和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)衰減量可進(jìn)行燃燒噪聲計(jì)算，經(jīng)過調(diào)整噴油量、間隔角、噴油正時(shí)等關(guān)鍵電控參數(shù)的方式改變發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀態(tài)，從而優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲水平，在兼顧經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的前提下改善舒適性。研究表明，中小負(fù)荷工況下的進(jìn)行燃燒噪聲優(yōu)化所帶來(lái)的效果最為明顯，此時(shí)通過預(yù)噴量、軌壓、燃燒相位的精細(xì)化調(diào)整能夠取得明顯的燃燒噪聲優(yōu)化結(jié)果。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);NVH;燃燒噪聲

中圖分類號(hào)：U467 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2021）03-0110-06

Combustion Noise Optimization For A Heavy Duty Diesel Engine

HU Yu-ning， ZHAO Feng-jun

（ China FAW Group Co.，Ltd. Changchun 130013， China ）

Abstract： In order to solve the problem of noise of a certain diesel engine in this project， the paper analyzes the noise classification and mechanism of diesel engine in the paper. By measuring the cylinder pressure of the engine in the bench test， the combustion pressure in the cylinder is measured. Combustion noise calculation can be carried out by cylinder pressure measurement and engine structure attenuation. The engine combustion state can be changed by adjusting the key electronic control parameters such as fuel injection amount， interval angle and injection timing to optimize engine noise level. Improve comfort with dynamics. The research shows that the effect of combustion noise optimization under medium and small load conditions is the most obvious. At this time， the refined combustion noise can be obtained through the fine adjustment of pre-spray quantity， rail pressure and combustion phase.

Keywords： Diesel Engine; NVH; Combustion Noise

胡宇寧

畢業(yè)于吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，學(xué)士學(xué)歷，現(xiàn)就職于中國(guó)第一汽車股份有限公司，研發(fā)總院NVH研究所，任動(dòng)力單元NVH試驗(yàn)開發(fā)員。

前 ? ?言

依照柴油機(jī)的工作原理和特征，從力學(xué)、聲學(xué)的理論解析，普遍認(rèn)為柴油機(jī)的噪聲可定義為下面幾類[1]：

（1）機(jī)械噪聲：由氣體壓力做功導(dǎo)致的慣性力、不平衡力、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)摩檫力共同作用于機(jī)體產(chǎn)生的撞擊振動(dòng)而輻射出的噪聲。

（2）燃燒噪聲：由柴油機(jī)氣缸內(nèi)燃料燃燒而引發(fā)的氣體爆發(fā)力在工作過程中經(jīng)氣缸蓋、活塞、連桿、曲軸、機(jī)體向外輻射出的噪聲。

（3）空氣動(dòng)力性噪聲（氣流噪聲）：由柴油機(jī)進(jìn)、排氣道中氣流沿著管路流動(dòng)的能量撞擊管道振動(dòng)從而向外輻射的噪聲。

發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源典型示意圖如圖1所示：

作為機(jī)械噪聲后的又一個(gè)主要噪聲[2]。燃燒噪聲發(fā)生的原因是氣缸內(nèi)燃燒燃料時(shí)，因?yàn)榧眲∩邭飧變?nèi)壓力而發(fā)生的動(dòng)載荷和沖擊波的高頻振動(dòng)，在經(jīng)由活塞、連桿、曲軸、主軸承和氣缸蓋以及缸套側(cè)壁而傳到機(jī)體外表面，激勵(lì)柴油機(jī)多種的固有頻率的零件發(fā)生振動(dòng)，從而輻射很大的燃燒噪聲噪聲級(jí)出來(lái)。

相較于汽油機(jī)，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的缸壓較高，且壓力增長(zhǎng)率最大值遠(yuǎn)高于汽油機(jī)，則就導(dǎo)致燃燒噪聲在柴油機(jī)中遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于汽油機(jī)。而柴油機(jī)中，又以直噴柴油機(jī)的缸內(nèi)壓力和增長(zhǎng)率最大，因而本文重點(diǎn)研究直噴式柴油機(jī)的噪聲。

1 ? ?燃燒噪聲識(shí)別

為了得到燃燒噪聲，首先在動(dòng)力總成全消聲室（自由場(chǎng)）進(jìn)行整機(jī)噪聲測(cè)量，對(duì)臺(tái)架連接部分及進(jìn)、排氣系統(tǒng)進(jìn)行聲學(xué)屏蔽。采用五點(diǎn)聲壓法，在距柴油機(jī)前、后、左、右、上、下一米處放置麥克風(fēng)進(jìn)行測(cè)量。依照如下公式進(jìn)行整機(jī)噪聲計(jì)算：

Lp：整機(jī)一米噪聲，Li：1-5測(cè)點(diǎn)噪聲。

在發(fā)動(dòng)機(jī)一缸缸蓋上加裝壓力傳感器，測(cè)試缸內(nèi)燃燒壓力。經(jīng)由氣缸壓力測(cè)量和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)衰減量可進(jìn)行燃燒噪聲計(jì)算。

燃燒噪聲與機(jī)械噪聲分離及發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)衰減量計(jì)算：燃燒噪聲的大小不但與氣缸壓力頻譜有關(guān)，還與發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)衰減特征這一主要指標(biāo)有關(guān)，這是因?yàn)樵肼暿怯烧駝?dòng)而發(fā)生，振動(dòng)取決于激振力特征和振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

衰減量的是作為氣缸壓力級(jí)與發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲壓級(jí)之差。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)一定，那么衰減系數(shù)就是一定的。發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)衰減特征與激振力的特質(zhì)無(wú)關(guān)，即氣缸壓力譜不影響發(fā)動(dòng)機(jī)衰減特征。因而改變發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)如轉(zhuǎn)速、負(fù)荷以及供油系統(tǒng)等對(duì)它們不會(huì)發(fā)生根本性的影響。

利用平均自由場(chǎng)缸壓衰減法可以進(jìn)行燃燒噪聲源的識(shí)別與優(yōu)化，也可以用來(lái)對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲和機(jī)械噪聲進(jìn)行分離[3] [4]，典型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲計(jì)算過程如圖2所示：

燃燒噪聲與爆發(fā)壓力有很大關(guān)系，考慮頻域方面，則要進(jìn)行頻譜分析，使用快速傅里葉變更這一工具將氣缸壓力曲線轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號(hào)。設(shè)一個(gè)以T為任意周期的時(shí)域信號(hào)x（t），做變更展開成以簡(jiǎn)諧函數(shù)表示的傅立葉級(jí)數(shù)。

使用歐拉公式，將式（2）中三角函數(shù)進(jìn)行指數(shù)變更得到指數(shù)形式復(fù)系數(shù)的傅里葉級(jí)數(shù)計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上經(jīng)傅式變更得到頻域數(shù)

氣缸壓力幅值Y（f）的模|Y（f）|含有密度的意義，也稱為時(shí)域值x（t）的幅值密度。

以頻率為橫坐標(biāo)，以2×10-5Pa為參考?jí)毫Φ臍飧讐毫?jí)幅值為縱坐標(biāo)，就能夠得到氣缸壓力頻譜曲線。

在動(dòng)力總成全消聲室進(jìn)行噪聲試驗(yàn)，可排除空氣動(dòng)力噪聲和背景噪聲。可以假定這時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲是由機(jī)械噪聲和燃燒噪聲構(gòu)成?，F(xiàn)在，對(duì)燃燒噪聲和機(jī)械噪聲的分離方式有許多，嚴(yán)格來(lái)講，每種方式都有其使用價(jià)值和存在局限性，都不能達(dá)到完美的將機(jī)械噪聲和燃燒噪聲分離。

燃燒噪聲的簡(jiǎn)單而且實(shí)用識(shí)別方式為：

其中，Lp ，總聲壓級(jí);Lpc ，燃燒噪聲;Lpb ，機(jī)械噪聲;Au ，機(jī)體結(jié)構(gòu)衰減;H（ f ），結(jié)構(gòu)傳遞; [ ?]，對(duì)數(shù)計(jì)算; p（ f ） ，氣缸壓力級(jí)。

依照以上理論和方式可以對(duì)噪聲頻譜分析，也就能夠用發(fā)動(dòng)機(jī)反拖噪聲來(lái)取代機(jī)械噪聲，并分離出燃燒噪聲級(jí)。

2 ? ?燃燒噪聲測(cè)試

本文以某款直列六缸大排量柴油機(jī)為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方式分別直接獲得發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和缸壓結(jié)果，結(jié)合之前理論按照一定的方案對(duì)噴油控制進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，并驗(yàn)證噪聲達(dá)標(biāo)效果。試驗(yàn)臺(tái)架在發(fā)動(dòng)機(jī)全消聲室內(nèi)搭建，針對(duì)不同的工況，通過微小調(diào)整點(diǎn)火提前角、預(yù)噴量、軌壓及噴射正時(shí)等參數(shù)得到了多組相對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，燃燒噪聲結(jié)果經(jīng)由計(jì)算得出，為優(yōu)化該款發(fā)動(dòng)機(jī)NVH表現(xiàn)提供了策略參考。

2.1 ? 臺(tái)架測(cè)試主要試驗(yàn)設(shè)備

消聲室內(nèi)為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的測(cè)功機(jī)為AVL公司AFA-T 440，試驗(yàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)為AVL公司配套的 PUMA OPEN 1.3.2，能夠同時(shí)采集包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、油溫、水溫、燃油壓力、機(jī)油壓力等參數(shù)到控制電腦，保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。

測(cè)試使用BBM振動(dòng)噪聲測(cè)量系統(tǒng)，前端序列號(hào)：908MM4880，活塞發(fā)聲器：B&K4231，序列號(hào)：1859151;缸壓傳感器采用預(yù)埋式缸內(nèi)壓力傳感器。并且在曲軸前端安裝編碼器一邊測(cè)量曲軸扭振和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行角度域分析。

試驗(yàn)在一汽集團(tuán)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)動(dòng)機(jī)消聲試驗(yàn)室進(jìn)行，聲學(xué)環(huán)境為全消聲，其內(nèi)部?jī)艨臻g：9m×8m×7m，平板式吸聲材料，聲學(xué)特征符合ISO 3745標(biāo)準(zhǔn)要求，在國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)屬于領(lǐng)先水平。試驗(yàn)在25±3℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。

2.2 ? 試驗(yàn)方式以及測(cè)量工況

發(fā)動(dòng)機(jī)按規(guī)定工況運(yùn)行，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)上面、下面、左面、右面、前面距離參考體一米遠(yuǎn)處的五個(gè)麥克風(fēng)的聲壓級(jí)以及一缸缸壓，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測(cè)試臺(tái)架布置如圖3所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)一米噪聲測(cè)試：在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速800 r/min-1800 r/min之間選取有代表性轉(zhuǎn)速做穩(wěn)速測(cè)量，測(cè)量三次，測(cè)量時(shí)間為20s，負(fù)荷分別為0%、25%、50%;缸壓測(cè)試：發(fā)動(dòng)機(jī)按規(guī)定工況運(yùn)行，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)一缸的缸壓，然后對(duì)其進(jìn)行1/3倍頻譜分析，經(jīng)由缸壓測(cè)試結(jié)果和衰減曲線計(jì)算出燃燒噪聲。

燃燒噪聲影響因素分析：在一定范圍內(nèi)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，測(cè)量穩(wěn)定工況下發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架噪聲和缸壓。發(fā)動(dòng)機(jī)初始控制參數(shù)見表1、表2。

3 ? ?燃燒噪聲影響因素研究

長(zhǎng)久以來(lái)的研究表明，通過改變柴油機(jī)的噴油規(guī)律，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化柴油機(jī)的燃燒過程，從而獲得低的燃燒噪聲和NOx 排放。

燃油預(yù)噴是解決柴油機(jī)燃燒噪聲的關(guān)鍵[5]。電子控制的高壓共軌噴射和預(yù)噴的泵噴嘴技術(shù)已經(jīng)可以成功解決這一難題。目前國(guó)際上已經(jīng)發(fā)展為可以將少部分燃油預(yù)先噴進(jìn)氣缸，這樣便大幅度降低了燃燒噪聲，隨著高速電磁閥以及噴油器的不斷更新進(jìn)化，使得每個(gè)工作循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)5次以上的噴射，有大量文獻(xiàn)表明，“預(yù)噴+主噴+后噴”以及類似這樣的噴射組合方式能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)在任何工況下都保持最佳工作狀態(tài)， 并且排放控制效果最佳。

預(yù)噴射就是在主噴射之前先噴入燃油的一小部分，提前進(jìn)行點(diǎn)燃的預(yù)反應(yīng)，預(yù)噴射使主噴射燃油噴入前的燃燒室壁面溫度升高，導(dǎo)致主噴射的滯燃期明顯縮短，使滯燃期內(nèi)形成的可燃燃油量明顯減少。從而降低直噴式柴油機(jī)燃燒噪聲。但需要注意的是，固定的預(yù)噴射油量和主預(yù)噴間隔不是對(duì)所有的工況都有比較理想的效果，所以針對(duì)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)仍需要對(duì)預(yù)噴射量和主預(yù)噴間隔進(jìn)行優(yōu)化，另外預(yù)噴射在降低燃燒噪聲和NOx 的同時(shí)，會(huì)引起煙度和燃油消耗率增加，所以應(yīng)對(duì)不同工況的預(yù)噴射參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在盡量降低燃燒噪聲和NOx的同時(shí)，又保證不使煙度和燃油消耗率顯著增加。本章以一汽某高壓共軌柴油機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，結(jié)合具體試驗(yàn)結(jié)果來(lái)研究預(yù)噴射控制燃燒噪聲的機(jī)理，在改善燃燒噪聲的同時(shí)兼顧其他性能表現(xiàn)。

3.1 ? 預(yù)噴量對(duì)噪聲影響

本小節(jié)主要說(shuō)明預(yù)噴量對(duì)燃燒噪聲影響，其中，圖4、圖5表征利用平均自由場(chǎng)缸壓衰減法進(jìn)行的燃燒噪聲分離計(jì)算結(jié)果，圖6、圖7表征相同工況不同預(yù)噴量噪聲結(jié)果。由結(jié)果可知：

①預(yù)噴射的設(shè)置很明顯的改善了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲;

②調(diào)整預(yù)噴量主要影響高頻燃燒噪聲貢獻(xiàn)量，對(duì)于燃燒噪聲總值和低速中小負(fù)荷一米噪聲改善明顯，相同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲最多優(yōu)化2.7dBA;

③在高轉(zhuǎn)速工況下，預(yù)噴量對(duì)改善燃燒噪聲仍有很大貢獻(xiàn)，調(diào)整預(yù)噴量能夠改善高頻噪聲幅值，特定頻率下最多優(yōu)化13dB，因此有助于改善此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)。

3.2 ? 軌壓對(duì)噪聲影響

圖8、圖9表征軌壓對(duì)噪聲影響，由結(jié)果可知，在提供預(yù)噴后，燃燒噪聲幅值和軌壓大小呈正相關(guān)，但是變化情況不如調(diào)整預(yù)噴量明顯。

3.3 ? 噴油相位對(duì)噪聲影響

圖10 800r/min穩(wěn)速工況下噴油正時(shí)

對(duì)噪聲影響（相對(duì)值）

圖11 1600r/min穩(wěn)速工況下噴油正時(shí)

對(duì)噪聲影響（相對(duì)值）

圖12 800r/min穩(wěn)速工況下噴油間隔

對(duì)噪聲影響（相對(duì)值）

圖13 1600r/min穩(wěn)速工況下噴油間隔

對(duì)噪聲影響（相對(duì)值）

圖10-圖13表征噴油正時(shí)對(duì)噪聲影響，可以看出，不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷工況下，噴油正時(shí)對(duì)噪聲影響不大，低速工況下， 減小噴油間隔角對(duì)燃燒噪聲有一定改善。

4 ? ?結(jié)論

調(diào)整預(yù)噴量主要影響高頻燃燒噪聲貢獻(xiàn)量，特定頻率段燃燒噪聲貢獻(xiàn)量?jī)?yōu)化可以超過10dB，對(duì)于燃燒噪聲總值和低速中小負(fù)荷整機(jī)噪聲改善明顯，考慮到燃油經(jīng)濟(jì)性等因素，該機(jī)型設(shè)置3mg預(yù)噴量較為適宜;

燃燒噪聲幅值由于軌壓增大以及供油提前導(dǎo)致的缸內(nèi)氣體爆發(fā)壓力、最大壓力升高率而增大，但是軌壓的調(diào)整需要考慮排放、動(dòng)力、油耗等指標(biāo);

低轉(zhuǎn)速工況下，可以縮短噴油間隔，即選用較小的間隔角。

柴油機(jī)保持轉(zhuǎn)速不變，負(fù)荷增大，一米噪聲聲壓級(jí)呈逐漸增大趨勢(shì)，燃燒噪聲噪聲級(jí)卻呈先升高后降低規(guī)律，25%負(fù)荷工況下是各個(gè)轉(zhuǎn)速燃燒噪聲最大的工況，應(yīng)該選擇最優(yōu)的噴油方案從而使得此時(shí)的柴油機(jī)燃燒噪聲達(dá)到最低。

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