共軌壓力對(duì)柴油機(jī)噪聲及聲品質(zhì)的影響

張慶輝，郝志勇，張煥宇，鄭康

(浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，浙江 杭州，310027)

共軌壓力對(duì)柴油機(jī)噪聲及聲品質(zhì)的影響

張慶輝，郝志勇，張煥宇，鄭康

(浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，浙江 杭州，310027)

以某493型柴油機(jī)為例研究共軌壓力的提高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及聲品質(zhì)的影響機(jī)理。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 600 r/min和2 600 r/min全負(fù)荷工況下不同共軌壓力的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和缸內(nèi)壓力進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，對(duì)比不同軌壓下的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，并通過(guò)燃燒噪聲的分析對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行研究。最后，從發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)衰減和燃燒噪聲方面對(duì)降噪提出方案。研究結(jié)果表明：提高軌壓后，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲增大，高頻范圍更加明顯；噪聲響度、粗糙度和尖銳度升高；主要原因是軌壓的提升使滯燃期內(nèi)產(chǎn)生更多的可燃混合氣，使得缸內(nèi)壓力、高頻振蕩幅值、壓力升高率和放熱率增大，燃燒更劇烈，導(dǎo)致燃燒噪聲變大，主要體現(xiàn)在高頻范圍。

柴油機(jī)；共軌壓力；噪聲；聲品質(zhì)；燃燒噪聲

由于柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和低污染物、低CO2排放等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是柴油機(jī)振動(dòng)噪聲大是不可忽視的問(wèn)題[1?3]。高壓共軌噴油系統(tǒng)通過(guò)靈活、精確地調(diào)節(jié)噴油壓力、噴油時(shí)刻等供油參數(shù)，使柴油機(jī)獲得更好的燃燒特性，達(dá)到降低燃油消耗，減少污染物排放的目的。同時(shí)，提高共軌壓力有利于降低顆粒物與NOx排放，但對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程以及聲學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生影響[4?5]。燃燒噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)主要噪聲源之一，它是氣缸內(nèi)混合氣的燃燒引起壓力劇變從而產(chǎn)生氣體動(dòng)力載荷，通過(guò)結(jié)構(gòu)傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射出的噪聲，主要由燃燒過(guò)程控制[6?7]。因此，研究共軌壓力對(duì)燃燒噪聲的影響機(jī)理對(duì)柴油機(jī)低排放和低噪聲的優(yōu)化具有重要的意義。國(guó)內(nèi)外科研工作者在柴油機(jī)燃燒噪聲的研究方面進(jìn)行了大量的工作[8?14]，但這些工作對(duì)共軌壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲的影響研究欠深入，且都未涉及到聲品質(zhì)的研究。在此，本文作者以某493型柴油機(jī)為研究對(duì)象，研究了共軌壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲和聲品質(zhì)的影響，并從燃燒噪聲方面研究了其影響的機(jī)理，為軌壓提高后發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲和聲品質(zhì)優(yōu)化工作提供參考。

1　試驗(yàn)設(shè)備及條件

選用某國(guó)產(chǎn)493型直噴式增壓中冷柴油機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象。該發(fā)動(dòng)機(jī)配有BOSCH公司高壓共軌噴油系統(tǒng)和電控單元，采用ω型燃燒室，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　某493型柴油機(jī)主要參數(shù)Table 1 Main index of 493 diesel engine

試驗(yàn)裝置如圖1所示。采用瑞士Kistler公司的Kibox燃燒分析儀監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀態(tài)。壓電式缸壓傳感器通過(guò)預(yù)熱塞孔安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)第4缸燃燒室內(nèi)，曲軸轉(zhuǎn)角傳感器安裝在曲軸前端皮帶輪上，兩者信號(hào)經(jīng)放大后輸入到數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)內(nèi)，每隔0.1°曲軸轉(zhuǎn)角采集1次數(shù)據(jù)，每次測(cè)量采集60個(gè)循環(huán)的缸壓信號(hào)，并在其中取50個(gè)循環(huán)的平均信號(hào)進(jìn)行分析。噪聲測(cè)試采用的是丹麥B&K公司3560C型振動(dòng)噪聲測(cè)試前端和pulse8.0分析軟件。柴油機(jī)進(jìn)、排氣側(cè)，前端及頂端距發(fā)動(dòng)機(jī)表面1 m處各布置1個(gè)自由聲場(chǎng)傳聲器，分別用來(lái)測(cè)量柴油機(jī)噪聲及聲品質(zhì)情況。為保證聲學(xué)測(cè)試結(jié)果的可靠性，整個(gè)試驗(yàn)均在半消聲室內(nèi)進(jìn)行，并屏蔽測(cè)功機(jī)及其冷卻水等環(huán)境噪聲，引出進(jìn)氣與排氣避免空氣動(dòng)力噪聲的干擾。

圖1　試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Sketch of experimental setup

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

提高噴油壓力后，燃油的噴射速率加快，油束貫穿率升高，加速了燃油的霧化，從而降低顆粒和NOx排放，但同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程劇烈，噪聲升高。發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1 600和2 600 r/min全負(fù)荷工況下運(yùn)行，改變噴油系統(tǒng)的共軌壓力，并同時(shí)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲和缸內(nèi)壓力信號(hào)。

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及聲品質(zhì)評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)柴油機(jī)改變噴油參數(shù)后的總輻射噪聲，對(duì)試驗(yàn)測(cè)得的聲壓級(jí)按式(1)進(jìn)行平均，得到柴油機(jī)平均聲壓級(jí)：

隨著人們對(duì)舒適性的要求越來(lái)越高，A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)已不能反映人對(duì)聲音的真實(shí)感受，聲品質(zhì)成為評(píng)價(jià)聲音適宜性的主要指標(biāo)。響度、粗糙度、尖銳度、音調(diào)、抖動(dòng)度等都是常見(jiàn)的聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)參量[15?16]。本文選取前3個(gè)參量對(duì)該柴油機(jī)的聲品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

響度(Loudness，單位為sone)是反映人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱主觀感受程度的心理學(xué)參數(shù)。Zwicker響度數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：L為總響度；z為心理學(xué)的臨界頻帶數(shù)；fBark為以特征頻帶為基礎(chǔ)的頻率尺度；L′為臨界頻率的特征響度；LE為修正值；e1=0.25；常數(shù)K1取0.063 5；LHS為靜域值。

尖銳度(Sharpness，單位為acum)反映了聲音的刺耳程度，描述高頻成分在聲音頻譜中所占比例。規(guī)定中心頻率為1 kHz、帶寬為160 Hz的60 dB窄帶噪聲尖銳度為1 acum。Zwicker尖銳度模型為

其中：g(z)為根據(jù)不同臨界頻帶設(shè)置的響度計(jì)權(quán)函數(shù)，

粗糙度(Roughness，單位為asper)用來(lái)描述調(diào)制頻率在20～300 Hz時(shí)聲音的瞬時(shí)變化。其Fast1法數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：fmod為調(diào)制頻率；ΔLE(z)為特征頻帶內(nèi)的激勵(lì)級(jí)差。

圖2所示為所測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和計(jì)算得到的平均聲壓級(jí)隨供油系統(tǒng)共軌壓力升高的變化情況。總的來(lái)看，在轉(zhuǎn)速為1 600和2 600 r/min工況下，整機(jī)平均聲壓級(jí)都隨共軌壓力的升高而增大，且和4個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)變化趨勢(shì)基本一致。發(fā)動(dòng)機(jī)前端測(cè)點(diǎn)聲壓頻譜圖如圖3所示。從圖3(a)可以看出：轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)前端測(cè)點(diǎn)噪聲在共軌壓力升高后，0～10 kHz全頻段范圍內(nèi)的A計(jì)權(quán)聲壓均增大，在1.5 kHz以上的中高頻范圍這種趨勢(shì)更加明顯。而由圖3(b)可見(jiàn)：提高共軌壓力后，轉(zhuǎn)速為2 600 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)前端測(cè)點(diǎn)的噪聲在0～5 kHz范圍內(nèi)變化不是很明顯，但在5 kHz以上的高頻范圍顯著升高。

圖2　發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲聲壓級(jí)Fig. 2 Sound pressure levels of engine noise

圖3　發(fā)動(dòng)機(jī)前端測(cè)點(diǎn)聲壓頻譜圖Fig. 3 Spectrums of sound pressure of engine front side

計(jì)算了各個(gè)測(cè)點(diǎn)的噪聲的聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的噪聲隨共軌壓力改變而變化的規(guī)律一致。圖4所示為發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下前端測(cè)點(diǎn)的噪聲響度、粗糙度和尖銳度隨共軌壓力升高而變化的情況。

響度是基于人耳對(duì)聲音頻譜的掩蔽特性來(lái)反映人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱感知程度的心理學(xué)參量，比A計(jì)權(quán)更能反映人耳的真實(shí)感受[15]。響度越大，人耳聽(tīng)到的聲音越響。從圖4(a)看到：噪聲響度的變化趨勢(shì)和整機(jī)平均A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的趨勢(shì)相同，2個(gè)工況下均隨共軌壓力的升高而增大，人耳聽(tīng)起來(lái)噪聲也更加響亮，人耳感知更不舒適。

粗糙度用來(lái)表示聲音在低頻時(shí)的瞬時(shí)變化情況的參量，粗糙度越大，聲音在低頻時(shí)抖動(dòng)越大，反之，聲音抖動(dòng)越小。由圖4(b)可見(jiàn)：共軌壓力提高后，前端測(cè)點(diǎn)處噪聲粗糙度相應(yīng)升高，噪聲的低頻范圍瞬時(shí)變化波動(dòng)更大，噪聲聽(tīng)起來(lái)更加粗糙，不平順，不飽滿。

從圖4(c)可知：在轉(zhuǎn)速為1 600和2 600 r/min工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的尖銳度隨共軌壓力的提高而升高，噪聲頻譜高頻范圍的噪聲能量與總噪聲能量之比增大，這與圖3(a)和圖3(b)中共軌壓力提升后高頻噪聲升高較大的趨勢(shì)吻合。同時(shí)人耳對(duì)聲音的主管感受也表現(xiàn)為更加尖銳、刺耳。

圖4　發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig. 4 Sound quality objective evaluation parameters of engine

2.2發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲的影響

共軌壓力提高后，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲明顯升高，根據(jù)機(jī)械噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的原理，燃燒噪聲的增加是造成整機(jī)噪聲增大的主要原因。燃燒噪聲同樣以轉(zhuǎn)速為1 600和2 600 r/min全負(fù)荷工況為例進(jìn)行分析。圖5和圖6所示分別為發(fā)動(dòng)機(jī)在2個(gè)工況下不同共軌壓力時(shí)的氣缸壓力、壓力級(jí)頻譜、壓力高頻振蕩、壓力升高率和燃燒放熱率曲線。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)主噴提前角、預(yù)噴提前時(shí)間和預(yù)噴油量分別為?6.5°，1 055 μs和1.52 mg；當(dāng)轉(zhuǎn)速為2600 r/min時(shí)，其值分別為?0.9°，1 750 μs和3.84 mg。

從圖5(a)可以看到：當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)，共軌壓力由100 MPa提高到140 MPa后，上止點(diǎn)附近壓力雖然稍有下降，但缸內(nèi)壓力曲線第1峰值處最大爆壓變化不明顯，但第2峰值處壓力明顯升高。由圖5(b)可見(jiàn)：共軌壓力提高后，低頻段缸內(nèi)壓力級(jí)未升高，但當(dāng)頻率為1.5 kHz以上時(shí)壓力級(jí)顯著升高，且高頻振蕩幅值增大。圖5(c)所示為對(duì)缸壓信號(hào)進(jìn)行4 kHz高通濾波后的壓力高頻振蕩曲線，其中，軌壓100 MPa時(shí)最大幅值為2.23×105Pa，軌壓140 MPa時(shí)最大幅值為4.03×105Pa。壓力升高率對(duì)中高頻燃燒噪聲具有顯著的影響。由圖5(d)可知：軌壓升高后，壓力升高率明顯增大(最大壓力升高率分別為0.64 MPa/(°)和1.10 MPa/(°))，缸內(nèi)壓力升高速度加快，燃燒過(guò)程更加粗暴。由圖5(e)可見(jiàn)：軌壓提高到140 MPa，放熱率升高，放熱速度加快，且放熱率曲線前移，尖峰更窄，說(shuō)明燃燒過(guò)程放熱加快，與壓力升高率變化一致。

由圖6(a)可見(jiàn)：當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 600 r/min時(shí)，共軌壓力從140 MPa提高到160 MPa后，缸內(nèi)壓力稍有升高，壓力級(jí)頻譜在4 kHz以下的低頻段變化不大，高頻振蕩幅值增大，當(dāng)軌壓140 MPa時(shí)，高頻振蕩最大幅值為399 kPa，而軌壓160 MPa時(shí)為502 kPa。壓力升高率和放熱率均增大(最大壓力升高率分別為1.03 MPa/(°)和1.28 MPa/(°))，燃燒過(guò)程更加劇烈，燃燒噪聲增大。

圖5　1 600 r/min發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程參數(shù)Fig. 5 Combustion process parameters of engine at 1 600 r/min

圖6　2 600 r/min發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程參數(shù)Fig. 6 Combustion process parameters of engine at 2 600 r/min

2.3試驗(yàn)結(jié)果討論

柴油機(jī)高壓共軌噴油系統(tǒng)共軌壓力提高后，噴油壓力升高，噴油速度加快，單位時(shí)間內(nèi)噴入氣缸內(nèi)的燃油增多。同時(shí)，噴油壓力的升高有利于提高油束的貫穿率，加速燃油的霧化，導(dǎo)致滯燃期內(nèi)生成更多的可燃混合氣，從而惡化了燃燒過(guò)程，使得缸內(nèi)壓力升高率增大，加劇了壓力的高頻振蕩，燃燒噪聲升高。進(jìn)而引起了發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲頻譜高頻顯著升高，整機(jī)噪聲平均聲壓級(jí)增大，同時(shí)噪聲響度、粗糙度和尖銳度均增大，聲音聽(tīng)起來(lái)更不悅耳。

3　發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲優(yōu)化

為了降低柴油機(jī)油耗和污染物排放，提高共軌壓力是柴油機(jī)開(kāi)發(fā)的必然趨勢(shì)，但軌壓的提高導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的惡化也同樣不能忽視，因此，對(duì)軌壓提高而產(chǎn)生的噪聲增加必須加以優(yōu)化。

把轉(zhuǎn)速1 600 r/min和2 600 r/min時(shí)不同共軌壓力下的缸內(nèi)壓力級(jí)頻譜減去對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)前端噪聲測(cè)點(diǎn)處的噪聲頻譜，得到噪聲衰減曲線，再將相同轉(zhuǎn)速下的各條曲線平均，得到發(fā)動(dòng)機(jī)前端1 m測(cè)點(diǎn)處的噪聲衰減曲線，如圖7所示。從圖7可見(jiàn)：轉(zhuǎn)速2 600 r/min時(shí)噪聲衰減量略大于1 600 r/min時(shí)噪聲衰減量，這是由于高轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)械噪聲在發(fā)動(dòng)機(jī)總噪聲中占的比例較大。同時(shí)，低頻時(shí)，噪聲衰減量最大，隨著頻率的升高，衰減量逐步較小，在1～3 kHz之間達(dá)到最小，頻率繼續(xù)升高，衰減量又逐漸增大，但仍然較小。這也是缸內(nèi)壓力高頻振蕩更容易影響發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的原因之一。因此，從發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)入手，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲進(jìn)行優(yōu)化，提高結(jié)構(gòu)剛度，特別是抑制結(jié)構(gòu)高頻共振，提高缸壓衰減量，從傳遞路徑上減小噪聲。

另一方面，可以從優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程入手，改變噴油參數(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒更加柔和，從根源上降低噪聲，改善聲品質(zhì)。在試驗(yàn)中將1 600 r/min主噴提前角改為?2.5°，預(yù)噴提前時(shí)間改為2 450 μs；2 600 r/min主噴提前角改為5°，預(yù)噴提前時(shí)間改為2 538 μs。表2所示為優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)測(cè)點(diǎn)的噪聲聲品質(zhì)指標(biāo)的變化情況。從表2可知：燃燒噪聲優(yōu)化后，在1 600 r/min工況下整機(jī)平均聲壓級(jí)降低了1.2 dB，在2 600 r/min工況下整機(jī)平均聲壓級(jí)降低了1.5 dB。同時(shí)，2個(gè)工況下的噪聲響度、粗糙度和尖銳度都明顯下降，聲品質(zhì)得到了改善。說(shuō)明調(diào)整噴油規(guī)律后，主噴提前角和預(yù)噴提前時(shí)間達(dá)到了對(duì)燃燒噪聲比較理想的組合，使得缸內(nèi)混合氣著火延遲期縮短，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣量降低，有利于降低壓力升高率，從而降低了燃燒噪聲。

圖7　發(fā)動(dòng)機(jī)衰減曲線Fig. 7 Attenuation curves of engine

表2　發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲優(yōu)化前后噪聲及聲品質(zhì)對(duì)比Table 2 Comparison of noise and sound quality of engine after combustion noise optimization

4　結(jié)論

1) 柴油機(jī)提高共軌壓力后，滯燃期內(nèi)生成了更多的可燃混合氣，燃燒更加粗暴。缸內(nèi)壓力、高頻振蕩幅值、壓力升高率和放熱率增大，使燃燒噪聲升高。

2) 共軌壓力的提升對(duì)柴油機(jī)燃燒噪聲的影響主要體現(xiàn)在高頻范圍。

3) 軌壓升高，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲平均聲壓級(jí)增大，噪聲響度、粗糙度和尖銳度升高，聲音更加不悅耳。

4) 優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及聲品質(zhì)，可以通過(guò)優(yōu)化噴油參數(shù)，改善燃燒過(guò)程對(duì)柴油機(jī)噪聲進(jìn)行優(yōu)化，并改善聲品質(zhì)。

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(編輯 趙俊)

Influence of common rail pressure on noise and sound quality of diesel engine

ZHANG Qinghui, HAO Zhiyong, ZHANG Huanyu, ZHENG Kang
(College of Energy Engineering, Zhengjiang University, Hangzhou 310027, China)

The influence mechanism of common rail pressure on noise and sound quality of diesel engine was studied through taking a 493-type engine as an example. Engine noise and cylinder pressure at 1 600 r/min and 2 600 r/min under full load conditions were measured in the case of different common rail pressures. Then engine noise and sound quality objective evaluation parameters at different common rail pressures were compared. The influence mechanism was discussed by analyzing the combustion noise. Finally, the noise reduction schemes were put forward from the aspects of engine structure attenuation and combustion noise. The results show that the engine noise increases, especially in high frequency range after improving common rail pressure. And the sound loudness, roughness and sharpness of engine noise also increase and the sounds become more discordant. The primary reason is that more combustible mixture is generated when the common rail pressure rises. It causes the cylinder pressure, the amplitude of high-frequency pressure oscillation, the pressure rising rate and the rate of heat release to rise. The combustion process becomes ruder and combustion noise increases, which is mainly showed in the high frequency range.

diesel engine; common rail pressure; noise; sound quality; combustion noise

TK422

A

1672?7207(2016)03?1017?07

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.039

2015?03?05；

2015?05?18

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAE22B05) (Project(2011BAE22B05) supported by the National Science and Technology Pillar Program during the 12th “Five-year” Plan Period)

郝志勇，教授，博士生導(dǎo)師，從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲研究；E-mail: haozy@zju.edu.cn