柴油機(jī)燃燒噪聲及其控制研究

劉海亮 孫偉

摘 要：本文主要從柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)和燃料入手，研究了柴油機(jī)燃燒噪聲產(chǎn)生的原理、原因，以及降低燃燒噪聲的幾種途徑。

關(guān)鍵詞：燃燒噪聲；燃燒室；噴油提前角

1 燃燒噪聲產(chǎn)生的原理

因為柴油機(jī)噪聲與燃燒過程有關(guān)，所以可以從柴油機(jī)燃燒過程的四個階段——滯燃期、速燃期、緩燃期和補(bǔ)燃期來研究。在滯燃期內(nèi)燃料并未燃燒，尚在進(jìn)行燃燒前必要的物理和化學(xué)準(zhǔn)備，氣缸中的壓力和溫度變化都很小，因此對噪聲的直接影響甚微，但滯燃期對燃燒過程的進(jìn)展有很大影響，因此對發(fā)動機(jī)燃燒噪聲起著間接的重大影響作用。在速燃期內(nèi)燃料迅速燃燒，氣缸內(nèi)壓力迅速增加，直接影響發(fā)動機(jī)的振動和噪音，影響速燃期內(nèi)壓力增長率的主要因素是著火延遲期的長短和供油規(guī)律。著火延遲期越長，在此期間噴人氣缸的燃料越多，壓力增長率就越高。壓力增長率大，意味著柴油機(jī)的沖擊載荷大，使柴油機(jī)內(nèi)零件敲擊嚴(yán)重，從而增加了柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)震動和所輻射的噪聲。在緩燃期內(nèi)，氣缸內(nèi)壓力有所增長，但增長率較小，因此能激發(fā)起一定程度的燃燒噪聲，但對噪聲的影響不顯著。這個階段主要對柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性有很大影響。在補(bǔ)燃期內(nèi)，因活塞下行且絕大多數(shù)燃料已在前兩個時期內(nèi)燃燒完畢，所以對燃燒噪音影響不大。

2 氣缸壓力頻譜與噪聲的關(guān)系

氣缸壓力頻譜曲線的微小變化，對內(nèi)燃機(jī)的功率不會產(chǎn)生顯著的影響，但對其噪聲卻有很大的影響。這是因為內(nèi)燃機(jī)的功率是由許多循環(huán)平均的壓力曲線所決定的，而燃燒噪聲則與每一循環(huán)中氣缸內(nèi)瞬時壓力變化的實際曲線有關(guān)。

氣缸壓力曲線實際上是氣缸內(nèi)氣體壓力變化的一種時域信號圖形，從時域里觀察只能獲得與燃燒噪聲有關(guān)的部分特征，而無法更詳細(xì)地考查與燃燒噪聲有著密切關(guān)系的有關(guān)信息----氣缸壓力曲線所包含的頻率結(jié)構(gòu)和每種頻率成分上壓力強(qiáng)度的大小。如果能找到這些信息，那么燃燒氣體的壓力所激發(fā)的振動和噪聲以及它在內(nèi)燃機(jī)中的傳遞情況就可以有比較清楚的認(rèn)識，從而可以從燃燒方式以及傳遞途徑上設(shè)法對燃燒噪聲加以控制，我們可以從頻率域去觀察并找到氣缸壓力曲線在頻率域內(nèi)的圖形，可以進(jìn)一步了解燃燒噪聲源的特性，氣缸壓力頻譜曲線可分三段：曲線的低頻區(qū)域，氣缸壓力級達(dá)到最大值，它的數(shù)值主要是由氣缸內(nèi)的最大壓力值及壓力曲線的形狀所決定的。氣缸壓力的最大值越高，頻譜曲線的低頻峰值越高。曲線中間部分的特點，是氣缸壓力級對數(shù)規(guī)律作線形遞減；其斜度受氣缸壓力增長率所控制。增長率越大，直線部分就越平坦，反之，直線部分就越陡。最后區(qū)域出現(xiàn)另一個壓力級的峰值是由于燃燒開始時缸內(nèi)局部地區(qū)壓力急劇上升，引起氣缸高頻振動而產(chǎn)生的。氣缸壓力曲線實質(zhì)是由不同頻率，不同幅值的一系列諧波的疊加結(jié)果。根據(jù)線形系統(tǒng)的性質(zhì)可知，氣缸壓力的總的作用等于這一系列諧波單獨作用的總和。因此燃燒氣體對內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)各零件振動的激發(fā)可以認(rèn)為是這一系列諧波單獨激發(fā)的總和。這一系列諧波在氣缸內(nèi)可以通過三條途徑傳遞到內(nèi)燃機(jī)外表面形成表面的振動而輻射出噪聲。首先是通過活塞、連桿、曲軸、主軸承傳至機(jī)體外表面；第二條途徑是經(jīng)氣缸蓋傳到機(jī)體外表面；第三條途徑是經(jīng)缸套側(cè)壁傳向缸體外表面。實驗表明，由燃燒產(chǎn)生的大部分振動能量是通過連桿大端和主軸承進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)激發(fā)表面振動輻射出噪聲的。

3 影響燃燒噪聲的主要因素

⑴燃燒室。開式燃燒室（如淺盆形），由于不組織空氣渦流運動，主要靠油束的擴(kuò)展促使燃油與空氣混合。因此在滯然期間形成的可燃混合氣較多，一旦著火便促使氣缸壓力急劇上升，使壓力升高率和最高爆發(fā)壓力都較高，故工作粗暴，燃燒噪聲大。半開式燃燒室（如ω型）一方面依靠一定的燃燒噴射霧化質(zhì)量，一方面又利于用合理組織進(jìn)行渦流和擠流，促使混合氣的形成和燃燒。燃燒大部分是噴在空間混合，少部分是噴在壁面蒸發(fā)混合。由于不完全是空間混合，因此在滯然期內(nèi)形成的可燃混合氣略少于分開式燃燒室，故燃燒噪聲也較分開式燃燒室略低。

⑵壓縮溫度和壓力。隨著壓縮溫度和壓力的增加，由于燃料著火的物理、化學(xué)準(zhǔn)備階段得到改善，因而著火延遲期減小。壓縮終了的溫度主要取決于壓縮比，此外，還與冷卻水溫度、活塞溫度、汽缸蓋溫度、進(jìn)氣溫度等有關(guān)，由于提高壓縮比可以提高壓縮終了的溫度和壓力，從而縮短滯燃期，降低壓力升高率，所以能使燃燒噪聲降低，但壓縮比增高又使汽缸壓力增大，活塞撞擊噪聲增加，因此不會使內(nèi)燃機(jī)總的噪聲有很大的降低。

⑶噴油（點火）提前角。當(dāng)噴油或點火提前角變化時，滯燃期、壓力增長率、壓力升高比和最大燃燒壓力等都隨之發(fā)生變化，因而對內(nèi)燃機(jī)的低、中、高頻燃燒噪聲都有影響。最佳噴油（點火）提前角必須綜合考慮內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，排氣和噪聲這三個方面的要求。

4 降低燃燒噪聲的途徑

通過以上討論，應(yīng)從下述兩方面降低內(nèi)燃機(jī)燃燒噪聲：

⑴從產(chǎn)生的根源上，降低汽缸壓力頻譜曲線，特別是降低中、高頻的頻率成分。為此可采取縮短滯燃期或減少滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣量。這些措施包括：提高壓縮壓力和溫度；采用較高十六烷值的燃料；組織適當(dāng)強(qiáng)度的氣流運動，選用噪聲低的燃燒室；合理組織供油，適當(dāng)延遲供油時間；采用增壓等措施。⑵從傳播途徑上，增加發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)對燃燒室噪聲的衰減，特別是中、高頻頻率成分的衰減。為此可采取：提高機(jī)體及缸套的剛性及采用隔振及隔聲措施；減小活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)各部分的間隙，增加油膜厚度等，較小的汽缸直徑，相應(yīng)增加缸數(shù)，以保持輸出功率不變；改變薄壁零件（油底殼等）的材料和附加阻尼等方法。

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