柴油機(jī)燃用小桐子油燃燒噪聲分析*

梁 昱，周立迎，王子玉，程秀圍

(1.貴陽(yáng)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550005;2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，大同 037036)

前言

柴油機(jī)噪聲由多種聲源發(fā)出的噪聲組合而成，主要包括空氣動(dòng)力噪聲、機(jī)械噪聲和燃燒噪聲3部分［1］。燃燒噪聲是從發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體表面輻射出的噪聲，其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)最為突出［2］。

識(shí)別與分析燃燒噪聲常用的方法有:利用發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力，通過(guò)傅里葉變換或小波包變換從時(shí)域、頻域信號(hào)直接提取和分析燃燒噪聲;采用聲強(qiáng)測(cè)試技術(shù)，通過(guò)多元回歸分析對(duì)氣動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲、燃燒噪聲進(jìn)行分離、識(shí)別;應(yīng)用相干輸出功率譜函數(shù)法從發(fā)動(dòng)機(jī)總噪聲中直接識(shí)別燃燒噪聲;通過(guò)獨(dú)立成分分析方法進(jìn)行燃燒噪聲識(shí)別。傳統(tǒng)的評(píng)估燃燒噪聲的方法是對(duì)氣缸壓力級(jí)進(jìn)行頻譜分析，用氣缸壓力級(jí)頻譜與A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)評(píng)定燃燒噪聲［3］。

小桐子是小油桐的種子［4］，經(jīng)脫殼、除雜、烘干、壓榨、沉淀和過(guò)濾后制得小桐子油。小桐子油直接或深加工后可作為柴油機(jī)的代用燃料，但其異于柴油的理化特性直接影響了噴射、霧化、蒸發(fā)、混合以至整個(gè)燃燒過(guò)程，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和運(yùn)行參數(shù)有較大的影響［5-6］。

本文中測(cè)錄柴油機(jī)燃用小桐子油的瞬時(shí)氣缸壓力，通過(guò)與原柴油機(jī)對(duì)比，從最高燃燒壓力、壓力升高率、壓力升高加速度、氣缸壓力頻譜曲線和A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，對(duì)柴油機(jī)燃用小桐子油的燃燒噪聲進(jìn)行分析，以期進(jìn)一步了解小桐子油的使用特性。

1 試驗(yàn)油料

1.1 小桐子油

試驗(yàn)采用的油料為0#柴油、體積分?jǐn)?shù)20%小桐子油與80%0#柴油配制的柴油-小桐子摻混油(簡(jiǎn)稱B20)、小桐子油(簡(jiǎn)稱B100)和利用可控恒溫油浴將100%小桐子油加熱至150℃的高溫小桐子油(簡(jiǎn)稱HB100)。

1.2 油料理化特性

油料的重要理化特性見(jiàn)表1。

表1 油料的理化特性

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 試驗(yàn)裝置與臺(tái)架

試驗(yàn)所用機(jī)型為ZH1115單缸直噴水冷四沖程柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)、臺(tái)架布置、試驗(yàn)儀器和測(cè)試方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)［7］。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到正常工作狀況，切換燃油管路的過(guò)程中，采用怠速運(yùn)行，燃用不同油料后，均須運(yùn)行一段時(shí)間，確保管路中之前試驗(yàn)殘留的燃油耗盡。每個(gè)工況連續(xù)測(cè)錄100個(gè)循環(huán)的瞬時(shí)缸內(nèi)壓力，以其平均值進(jìn)行分析。

(1)燃用柴油相繼運(yùn)行額定工況:功率14.01kW，轉(zhuǎn)速2 200r/min;最大轉(zhuǎn)矩工況:轉(zhuǎn)矩68.1N·m，轉(zhuǎn)速1 760r/min;準(zhǔn)全負(fù)荷工況:轉(zhuǎn)速2 000和1 400r/min，轉(zhuǎn)矩60.8N·m。

(2)不待發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻，切換燃油管路，相繼燃用B20、B100和HB100運(yùn)行額定工況，功率14.01kW，轉(zhuǎn)速2 200r/min。

(3)燃用 HB100運(yùn)行最大轉(zhuǎn)矩工況:轉(zhuǎn)矩68.1N·m，轉(zhuǎn)速1 760r/min;準(zhǔn)全負(fù)荷工況:轉(zhuǎn)速2 000和1 400r/min，轉(zhuǎn)矩60.8N·m;負(fù)荷特性工況:轉(zhuǎn)速2 200r/min，負(fù)荷75%，50%，10%。

(4)將供油提前角由18°CA調(diào)整為21°CA，燃用HB100相繼運(yùn)行額定工況、最大轉(zhuǎn)矩工況、準(zhǔn)全負(fù)荷工況和負(fù)荷特性工況(各工況參數(shù)同上)。

(5)燃用B100和B20運(yùn)行額定工況。

(6)燃用柴油運(yùn)行額定工況、最大轉(zhuǎn)矩工況、準(zhǔn)全負(fù)荷工況和負(fù)荷特性工況(各工況參數(shù)同上)。

2.3 燃燒噪聲的評(píng)價(jià)方法

燃燒噪聲的評(píng)價(jià)方法最常用的是從氣缸壓力的時(shí)域和頻域特性兩方面進(jìn)行分析。時(shí)域特性利用瞬時(shí)氣缸壓力獲得有關(guān)燃燒噪聲的主要信息，包括最大氣缸壓力、最大氣缸壓力升高率和最大氣缸壓力升高率加速度及3者對(duì)應(yīng)的相位［8］。頻域特性是利用瞬時(shí)氣缸壓力獲取氣缸壓力頻譜來(lái)分析燃燒噪聲，包括氣缸壓力級(jí)頻譜和由頻譜各中心頻率聲壓級(jí)加權(quán)計(jì)算的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)［9］。

氣缸壓力值通過(guò)快速傅里葉變換為復(fù)數(shù)形式，各諧次復(fù)數(shù)的模即為該諧次的振幅，也就是頻譜［10］，取基準(zhǔn)壓力 2 ×10-5Pa，得到氣缸壓力級(jí)，再由1/1倍頻帶或1/3倍頻帶聲壓級(jí)合成A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)［11］。計(jì)算方法如下:

式中:x(n)為第n個(gè)離散點(diǎn)的氣缸壓力值，MPa;k為諧次;X(k)為k諧次的傅里葉變換;L(k)為k諧次的氣缸壓力級(jí)，dB;LA為A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，dB;Lj為第j個(gè)1/1倍頻帶或1/3倍頻帶聲壓級(jí)，dB;Cj為A計(jì)權(quán)修正量，dB。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 額定工況燃燒噪聲分析

圖1～圖4分別為18°CA和21°CA供油提前時(shí)額定工況分別燃用柴油、B20、B100、HB100的氣缸壓力、壓力升高率、壓力升高加速度和氣缸壓力級(jí)的對(duì)比分析曲線。

從圖1～圖3中可以看出，在兩種供油提前角下，燃用不同油料燃燒始點(diǎn)、最高燃燒壓力對(duì)應(yīng)相位、最大壓力升高率對(duì)應(yīng)相位和最大壓力升高加速度對(duì)應(yīng)相位的順序均為HB100、B100、B20和柴油。小桐子油主要由油酸、亞油酸和棕櫚酸等組成，雖然它們都是大分子量的不飽和脂肪酸，但是沸點(diǎn)卻相對(duì)較低，易于揮發(fā)形成可燃混合氣［5］，在額定工況，噴油量較大，小桐子油密度較高，黏度大，噴油壓力較高，將燃油噴注到更為廣泛的區(qū)域，加之小油桐氧含量高，易于達(dá)到著火的氧濃度，這都對(duì)小桐子油在柴油機(jī)中的迅速著火有利。

雖然小桐子油易于著火，但相對(duì)柴油而言，其噴霧錐角小、顆粒大，滯燃期短，不易形成大量可燃混合氣，因此，預(yù)混燃燒的小桐子油只占很小的比例，大部分則靠擴(kuò)散燃燒。供油提前角為18°CA時(shí)，對(duì)比 HB100、B100、B20，著火較早，速燃期較靠近上止點(diǎn)，HB100與B100和B20最大壓力升高率基本相同，因而HB100的最高燃燒壓力較大，對(duì)應(yīng)相位靠前。柴油雖然著火較遲，但在較長(zhǎng)的滯燃期內(nèi)，形成的可燃混合氣量較大，著火開(kāi)始后，盡管速燃期離上止點(diǎn)較遠(yuǎn)，但較大的壓力升高率和壓力升高加速度仍使得其最高燃燒壓力最高。

供油提前角增大為21°CA后，著火始點(diǎn)位于上止點(diǎn)之前，此時(shí)活塞仍處于上行階段，缸內(nèi)氣體被進(jìn)一步壓縮，本就處于壓力上升時(shí)期，加上燃燒放出的熱量使得壓力升高率的值比18°CA時(shí)提高了約0.2MPa/°CA。由于急速燃燒期更加靠近上止點(diǎn)，因而HB100、B100有較高的最高燃燒壓力、壓力升高率和壓力升高加速度。

低頻域(低于300Hz)氣缸壓力級(jí)最大，主要由最高燃燒壓力和壓力曲線的形狀決定;中頻域(300～2 000Hz)氣缸壓力級(jí)以對(duì)數(shù)規(guī)律線性遞減，該頻域燃燒噪聲主要由壓力升高率決定;高頻域(2 000Hz以上)反映了缸內(nèi)氣體的高頻振動(dòng)，壓力升高加速度越大則高頻域聲壓級(jí)越高［12］。

從圖4可以看出，氣缸壓力級(jí)基本上隨頻率的增高而下降，總體來(lái)說(shuō)各燃料的氣缸壓力級(jí)頻譜差別并不明顯，這主要是由于氣缸壓力曲線形態(tài)相似，趨勢(shì)基本相同，最高燃燒壓力、壓力升高率和壓力升高加速度的值相差較小所致。

供油提前角為18°CA時(shí)，低頻域的氣缸壓力級(jí)基本相同;300～1 500Hz頻域上，柴油的壓力升高率大，因而其氣缸壓力級(jí)較大;高頻域的氣缸壓力級(jí)已經(jīng)較低，在最高氣缸壓力級(jí)一半以下，因而其對(duì)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的貢獻(xiàn)較小，高頻域氣缸壓力級(jí)的波動(dòng)較大，3 000～5 000Hz頻域上，HB100、B100的壓力級(jí)較高，更高頻域內(nèi)，柴油和B20的壓力級(jí)較低。

供油提前角為21°CA時(shí)，低頻域的氣缸壓力級(jí)基本相同;由于氣缸壓力曲線更為相似，因而氣缸壓力級(jí)頻譜曲線差別更小，HB100的壓力升高率略小，在500～1 400Hz頻域內(nèi)HB100的壓力級(jí)較小;高頻域內(nèi)壓力級(jí)波動(dòng)較大，柴油的壓力升高加速度略小，其壓力級(jí)比HB100與B100稍低，7 500Hz以上的頻域內(nèi)，氣缸壓力級(jí)相差較小。

圖5為額定工況不同燃料的氣缸壓力A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。供油提前角為18°CA時(shí)，由于柴油的最高燃燒壓力、壓力升高率、壓力升高加速度均較大，因而其A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)最高，B20、B100、HB100依次略有減小，相差不大。供油提前角為21°CA時(shí)，B100、HB100的最高燃燒壓力大，但B100和B20的壓力升高率和壓力升高加速度大，因而B(niǎo)100和B20的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)略高。與柴油相比，HB100的最高燃燒壓力較大，兩者的最大壓力升高率和壓力升高加速度基本相同，但值得注意的是HB100的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)卻比柴油要低，原因是HB100燃燒始點(diǎn)較早，最大壓力升高率和壓力升高加速度對(duì)應(yīng)的相位靠前，在中頻域內(nèi)HB100的壓力級(jí)較小，在中高頻域A計(jì)權(quán)修正值為正，對(duì)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)貢獻(xiàn)較大。氣缸壓力曲線形態(tài)和最高燃燒壓力相差較小的情況下，燃燒噪聲主要由最大壓力升高率及其對(duì)應(yīng)相位決定，壓力升高率大，對(duì)應(yīng)相位靠后，則燃燒噪聲大。

供油提前角由18°CA提前至21°CA后，燃燒始點(diǎn)提前，速燃期更接近上止點(diǎn)，使得最大壓力升高率與壓力升高加速度增大，燃用小桐子油的燃燒噪聲明顯升高。

3.2 準(zhǔn)全負(fù)荷工況不同轉(zhuǎn)速的燃燒噪聲

圖6和圖7分別為不同轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)全負(fù)荷工況下燃用柴油與HB100時(shí)的最高燃燒壓力、最大壓力升高率和A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)對(duì)比。

轉(zhuǎn)速升高，單位曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的時(shí)間縮短，因而滯燃期對(duì)應(yīng)的時(shí)間也相應(yīng)縮短，在滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣較少，燃燒始點(diǎn)和急速燃燒期對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角靠后，因此，從圖6中可以看出，最高燃燒壓力和最大壓力升高率均隨轉(zhuǎn)速升高而降低。

四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力級(jí)頻譜所采用的基頻為

式中:f0為基頻，Hz;T為發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)周期，s;n為轉(zhuǎn)速，r/min。

發(fā)動(dòng)機(jī)基頻隨轉(zhuǎn)速升高而升高。轉(zhuǎn)速越高，單位時(shí)間內(nèi)工作的循環(huán)次數(shù)越高，因機(jī)體表面振動(dòng)而向外輻射的能量越大，因此，隨轉(zhuǎn)速升高，A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)升高，如圖7所示。為了對(duì)比最高燃燒壓力和最大壓力升高率對(duì)燃燒噪聲的影響，在各轉(zhuǎn)速采用了與2 200r/min相同的基頻進(jìn)行處理，可以看出，雖然最高燃燒壓力和最大壓力升高率隨轉(zhuǎn)速升高而降低，但是最大壓力升高率對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨轉(zhuǎn)速升高而靠后，因此，按相同基頻處理后的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)并不明顯，差值也較小。這也說(shuō)明燃燒噪聲主要由最大壓力升高率及其對(duì)應(yīng)相位決定，最大壓力升高率大，燃燒噪聲大，最大壓力升高率對(duì)應(yīng)相位越遲，燃燒噪聲越大。

對(duì)比柴油與HB100，HB100著火較早，其最大壓力升高率對(duì)應(yīng)的相位靠前，供油提前角18°CA時(shí)，柴油的最大壓力升高率大于HB100，高轉(zhuǎn)速時(shí)最高燃燒壓力也大于HB100，因而柴油的燃燒噪聲大于HB100。

供油提前角為21°CA后，速燃期更接近上止點(diǎn)，HB100的最大壓力升高率與柴油相當(dāng)，在中高轉(zhuǎn)速還大于柴油，最高燃燒壓力均大于柴油，只是由于最大壓力升高率相位較早，緩解了其燃燒噪聲的升高，結(jié)果是在中高轉(zhuǎn)速1 760和2 000r/min，HB100的燃燒噪聲高于柴油。

3.3 2 200r/min不同負(fù)荷的燃燒噪聲

圖8和圖9為2 200r/min不同負(fù)荷工況燃用柴油與HB100時(shí)的最高燃燒壓力、最大壓力升高率和A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的對(duì)比。

隨負(fù)荷的減小，循環(huán)供油量減小，最大壓力升高率和最高燃燒壓力均降低，A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)也隨之降低。

對(duì)比柴油與HB100，HB100在額定點(diǎn)轉(zhuǎn)速各負(fù)荷下的燃燒噪聲均小于柴油;供油提前角增大后，HB100的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)增大，且在中高負(fù)荷增大較為明顯;柴油的則在中小負(fù)荷A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)增大。

4 結(jié)論

從最高燃燒壓力、最大壓力升高率、最大壓力升高加速度、氣缸壓力級(jí)頻譜和A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)等參數(shù)對(duì)比分析了ZH1115柴油機(jī)燃用柴油和小桐子油的燃燒噪聲，可以得到以下結(jié)論。

(1)燃用柴油和小桐子油的氣缸壓力曲線形態(tài)相似，趨勢(shì)基本相同，最高燃燒壓力、壓力升高率和壓力升高加速度的值相差不大，氣缸壓力級(jí)頻譜差別并不明顯。

(2)氣缸壓力曲線形態(tài)和最高燃燒壓力相差較小的情況下，燃燒噪聲主要由最大壓力升高率及其對(duì)應(yīng)相位決定，最大壓力升高率大，燃燒噪聲大，最大壓力升高率對(duì)應(yīng)相位越遲，燃燒噪聲越大。

(3)轉(zhuǎn)速越高，單位時(shí)間內(nèi)工作的循環(huán)次數(shù)越高，因機(jī)體表面振動(dòng)而向外輻射的能量越大，隨轉(zhuǎn)速升高，A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)升高。

(4)隨負(fù)荷的減小，循環(huán)供油量減小，最大壓力升高率和最高燃燒壓力均降低，A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)也隨之降低。

(5)供油提前角由18°CA提前至21°CA后，燃燒始點(diǎn)提前，速燃期更接近上止點(diǎn)，使得最大壓力升高率與壓力升高加速度增大，燃用小桐子油的燃燒噪聲明顯升高。

(6)供油提前角為18°CA時(shí)，除1 400r/min準(zhǔn)全負(fù)荷工況外，燃用高溫小桐子油的燃燒噪聲低于柴油;供油提前角為21°CA時(shí)，1 760和2 000r/min的準(zhǔn)全負(fù)荷工況，燃用高溫小桐子油的燃燒噪聲高于柴油。

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