預(yù)噴參數(shù)對柴油機燃燒噪聲的影響規(guī)律研究

杜宏飛 李佳星 秦嶺 劉江唯

（一汽解放事業(yè)本部發(fā)動機事業(yè)部，長春 130011）

主題詞：單缸柴油機 預(yù)噴參數(shù) 燃燒噪聲 壓力升高率

1 前言

發(fā)動機是汽車的主要噪聲源，為降低整車噪聲應(yīng)首先以控制發(fā)動機噪聲為目標(biāo)。發(fā)動機噪聲包括燃燒噪聲和機械噪聲，由于工作方式的不同，汽油機的噪聲源主要是進排氣噪聲和配氣機構(gòu)噪聲，而柴油機的主要噪聲源是燃燒噪聲。燃燒噪聲經(jīng)過機體的衰減而輻射出去成為整機噪聲，因此研究燃燒噪聲對于降低整機噪聲具有重要意義[1-2]。

柴油機燃燒噪聲是當(dāng)發(fā)動機工作時，氣缸內(nèi)周期性變化的氣體壓力的作用而產(chǎn)生的[3]。燃燒噪聲與燃燒室的形狀、噴油系統(tǒng)參數(shù)以及缸內(nèi)燃燒狀態(tài)有著密切聯(lián)系[4]。研究表明，預(yù)噴射是降低柴油機燃燒噪聲的最有效措施，預(yù)噴射的燃油對主噴射燃料的燃燒起到了活化作用使得主噴燃料的滯燃期縮短，從而使滯燃期內(nèi)形成的可燃燃料減少，從而降低燃燒噪聲[5-6]。本文以一臺單缸柴油機為研究對象，通過測量柴油機缸內(nèi)壓力，對定負(fù)荷和變轉(zhuǎn)速工況下的缸內(nèi)壓力聲壓級進行分析，獲得不同預(yù)噴參數(shù)對燃燒噪聲及壓力升高率的影響規(guī)律。

2 試驗設(shè)備與數(shù)據(jù)采集

試驗用柴油機參數(shù)如表1所列。為保證試驗邊界條件的一致性，分別采用冷卻水外循環(huán)控制系統(tǒng)、機油外循環(huán)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)冷卻液及潤滑油溫度的穩(wěn)定，試驗時控制冷卻液溫度為85±3℃，機油溫度為85±5℃。為滿足進氣增壓要求，采用空氣壓縮機模擬進氣增壓系統(tǒng)，利用進氣穩(wěn)壓罐保持進氣壓力穩(wěn)定，并結(jié)合溫度控制系統(tǒng)控制進氣溫度為30±3℃。試驗臺架安裝有高壓共軌噴射系統(tǒng)，最大燃油噴射壓力達(dá)300 MPa，由發(fā)動機電控單元控制燃油噴射壓力和噴油角度。為保證各工況噴油角度的一致性，利用電流鉗測量噴油器驅(qū)動信號，并將信號接入AVL公司的燃燒分析儀中實現(xiàn)噴油角度在線同步監(jiān)測，同時利用該分析儀測量缸內(nèi)壓力，并利用其自帶的燃燒噪聲分析模塊分析缸內(nèi)壓力，獲得缸內(nèi)壓力聲壓級以表征燃燒噪聲。

表1 單缸柴油機主要參數(shù)

3 試驗工況

為考察單一因素對缸內(nèi)壓力聲壓級和最大壓力升高率的影響，首先設(shè)定發(fā)動機在參考工況點，然后單一改變預(yù)噴角度、預(yù)噴油量、噴射壓力。參考工況點參數(shù)如表2所列。為考察轉(zhuǎn)速的影響，在參考點基礎(chǔ)上設(shè)定了變轉(zhuǎn)速試驗。

表2 參考工況點設(shè)定參數(shù)

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 預(yù)噴角度對燃燒噪聲影響

在參考點基礎(chǔ)上依次改變預(yù)噴角度（分別為-16℃A、-14℃A、-12℃A和-10℃A），其它參數(shù)保持不變，利用燃燒分析儀記錄缸內(nèi)壓力聲壓級、聲壓級頻譜分布及最大和平均壓力升高率結(jié)果，圖1為30個循環(huán)試驗結(jié)果。從圖1a可看出，預(yù)噴角度為-14℃A時聲壓級最小，預(yù)噴角度為-10℃A時聲壓級最大。從圖1b、圖1c、圖1d可看出，預(yù)噴角度對最大壓力升高率和聲壓級頻譜分布影響較小，單循環(huán)內(nèi)的平均壓力升高率差別不明顯。

由于此時燃油預(yù)噴量僅占總油量的2.5%，預(yù)噴燃油放熱量較少，對滯燃期影響小，因此無論預(yù)噴提前角為多少，此工況下壓力升高率均變化不明顯[7]。

圖1 預(yù)噴角度對燃燒噪聲影響

4.2 預(yù)噴油量對燃燒噪聲影響

在參考點基礎(chǔ)上改變預(yù)噴油量比例為7%、11%和20%，分析結(jié)果如圖2所示。由圖2a可看出，隨預(yù)噴油量的增加缸內(nèi)壓力聲壓級升高，預(yù)噴油量比例為2.5%時缸內(nèi)壓力最小，為20%時最大；由圖2b可看出，隨預(yù)噴油量的改變，最大壓力升高率變化趨勢與壓力聲壓級相同，均隨預(yù)噴量的增加而增大；而由圖3c可看出，聲壓級頻譜分布仍然一致，在各頻率區(qū)間上隨預(yù)噴油量增加缸內(nèi)壓力聲壓級增大，油量的變化對于低頻段影響較小，主要影響中高頻率段。

通過上述分析可知，當(dāng)預(yù)噴油量比例為20%時，無論是基于循環(huán)的最大壓力升高率還是基于曲軸轉(zhuǎn)角的平均壓力升高率都高于其它情況。由圖2d可看出，與預(yù)噴油量比例為2.5%相比，其它3種情況下在上止點前均出現(xiàn)缸內(nèi)壓力急劇上升。這是因為當(dāng)預(yù)噴油量比例為2.5%時，預(yù)噴油量較少，前期反應(yīng)量較少，而隨比例的增加先期反應(yīng)燃料較多，且已經(jīng)發(fā)生了充分燃燒放熱，而此時活塞還在壓縮過程中，缸內(nèi)體積急劇縮小，導(dǎo)致缸內(nèi)壓力升高率明顯上升，聲壓級明顯增大。預(yù)噴油量越多先期反應(yīng)越劇烈，當(dāng)主噴燃油進入缸內(nèi)后迅速燃燒，缸內(nèi)壓力會急劇上升，由圖2c可看出，在聲壓級頻率為2 000 Hz時缸內(nèi)聲壓級升高明顯。

圖2 預(yù)噴油量對燃燒噪聲影響

4.3 預(yù)噴壓力對燃燒噪聲影響

分別改變噴射壓力為 105 MPa、95 MPa、85 MPa、75 MPa，分析結(jié)果如圖3所示。由圖3a、圖3b可知，缸內(nèi)壓力聲壓級、最大壓力升高率均隨著噴射壓力的提高而增大。噴射壓力為105 MPa時，在各循環(huán)下的聲壓級和最大壓力升高率最大，噴射壓力為75 MPa時聲壓級和最大壓力升高率最低。由圖3c可看出，在頻率為2 000 Hz以下時聲壓級沒有變化，在高于2 000 Hz以上的中、高頻率段有較大變化。從圖3d可看出，噴射壓力為105 MPa時的平均壓力升高率最大，在上止點后迅速達(dá)到峰值，而噴射壓力為75 MPa時，平均壓力升高率只在上止點前有小幅度升高，在上止點后壓力升高率比較平穩(wěn)，總體來看，與噴射壓力為105MPa時相比，平均壓力升高率均處于較低水平。

圖3 預(yù)噴壓力對燃燒噪聲影響

噴射壓力對燃油霧化有重要影響，而燃油霧化又影響燃燒過程。綜合圖3可知，隨噴射壓力提高，前期噴射油量霧化改善，反應(yīng)放熱速度加快，導(dǎo)致壓力升高率迅速增加，當(dāng)主噴燃油進入后會迅速燃燒，噴射壓力的增大使燃燒速度提高，缸內(nèi)氣體動力載荷明顯增強，氣體沖擊波加強，從而導(dǎo)致中高頻率段的聲壓級明顯改變。預(yù)噴壓力提高使得最大壓力升高率提高，壓力升高率的改變對于低頻段聲壓級影響較小，主要影響中高頻段聲壓級。

4.4 不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下預(yù)噴參數(shù)對燃燒噪聲影響

為考察發(fā)動機轉(zhuǎn)速對缸內(nèi)壓力聲壓級的影響規(guī)律，通過改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行了多組試驗，獲得了缸內(nèi)壓力聲壓級變化趨勢。圖4為不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下各種噴射策略對于燃燒噪聲的影響。由圖4a可看出，隨著轉(zhuǎn)速的提高，缸內(nèi)壓力聲壓級呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。聲壓級最高點出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速為1 100～1 200 r/min內(nèi)。在各種預(yù)噴角度下缸內(nèi)壓力聲壓級整體變化趨勢相同。由圖4b可看出，缸內(nèi)壓力聲壓級先增大后減小，當(dāng)預(yù)噴量為7%時，缸內(nèi)壓力聲壓級最低，預(yù)噴油量曲線隨轉(zhuǎn)速提高而呈上升趨勢。在轉(zhuǎn)速大于1 200 r/min時，預(yù)噴量為20%和2.5%時的聲壓級接近，在轉(zhuǎn)速低于1 200 r/min時，預(yù)噴量為20%時的壓力聲壓級較大。由此可知，在變轉(zhuǎn)速情況下，預(yù)噴量對于聲壓級具有重要影響。由圖4c可看出，噴射壓力為105 MPa時缸內(nèi)壓力聲壓級最大，并且隨著轉(zhuǎn)速提高呈先增大后減小趨勢。在其它較低噴射壓力下，聲壓級隨轉(zhuǎn)速變化不明顯。

圖4 轉(zhuǎn)速對燃燒噪聲影響

綜合圖4可知，合理設(shè)計和優(yōu)化發(fā)動機轉(zhuǎn)速能有效降低發(fā)動機燃燒噪聲。

5 結(jié)束語

在某單缸柴油機上，分析了預(yù)噴參數(shù)對燃燒噪聲的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在穩(wěn)態(tài)工況下，隨著預(yù)噴油量增加燃燒噪聲增大；預(yù)噴角度對燃燒噪聲影響較小；噴射壓力對燃燒噪聲有較大影響，隨預(yù)噴壓力提高缸內(nèi)壓力聲壓級提高，最大壓力升高率提高。在高噴射壓力下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，缸內(nèi)壓力聲壓級呈先增大后減小趨勢，但在低噴射壓力下變化不明顯。采用較小的預(yù)噴量、優(yōu)化預(yù)噴角度、低的預(yù)噴壓力、合理控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速是降低燃燒噪聲的有效措施。