（动力机械及工程专业论文）预喷射参数控制柴油机燃烧噪声研究.pdf

预喷射参数控制柴油机燃烧噪声研究 摘要 本课题围绕预喷射影响柴油机燃烧噪声展开探索。利用高压共轨电控 直喷系统精确地控制预喷射参数，使预喷射成为了控制内燃机燃烧噪声一 种有效手段。 首先，在柴油机试验台架上对a 6 0 0 0 柴油机进行噪声试验和爆压试验， 采用噪声测试设备、博世高压共轨电子控制系统及相应试验设备对柴油机 的1 米平均噪声、燃烧噪声、最大压力升高率、缸压曲线、放热率曲线、 排放指标、燃油消耗率等进行测试。试验的数据表明：对于单次喷射来讲， 在不同负荷和转速下，柴油机的噪声均有较大变化。随着负荷的增大燃烧 噪声呈先增大后减小的变化趋势，在2 5 负荷时燃烧噪声最大，而在不同 负荷下转速的变化对燃烧噪声的影响变化不一致。共轨压力和喷油提前角 亦对柴油机燃烧噪声产生影响，随着共轨压力的提高和喷油提前，燃烧噪 声、最大压力升高率、缸内气体爆发压力以及放热率峰值均不同程度地增 大，喷油提前角的变化对上述指标的影响相对较大；预喷射下，加入预喷 射后怠速工况可以降低燃烧噪声值达1 0 d b ( a ) 。但改变预喷射参数对燃烧 噪声的改变量低于采用预喷射对柴油机燃烧噪声的改变量。加预喷射后， 缸内最大爆发压力、最大压力升高率、放热率峰值都明显降低。对于不同 工况预喷射参数有一个最佳值使得燃烧噪声取得最小。对比加预喷射前后 的其他性能指标，预喷射不仅可以明显降低燃烧噪声，而且也有效改善氮 氧化物的排放，并对烟度和燃油消耗率影响不大。 t 其次，应用发动机仿真分析软件a v l b o o s t 对该柴油机的燃烧噪声进 行模拟计算。建立a 6 0 0 0 柴油机仿真模型，在不同的工况下，分单次喷射 和预喷射两种情况，分别模拟计算喷油参数和负荷的变化对最大爆发压力、 最大压力升高率、放热率的影响。计算结果表明：单次喷射时，共轨压力 和喷油提前角变化对最大压力升高率、最大爆发压：匀、放热率均有较大影 响，喷油提前角的变化相对影响较大。在不同工况下，推迟喷油，最大压 力升高率、最大爆发压力、放热率峰值呈下降的趋势，存在着一个合理的 喷油提前角使得上述三指标取得最优值；相对于单次喷射，引入预喷射可 以大幅度的降低最大压力升高率，改变主喷定时、预喷定时、预喷油量都 给燃烧噪声带来一定的影响，对预喷参数的优化从而找出最佳的预喷策略 可以更好改善燃烧噪声。在相同的预喷参数下，随着负荷的变化，最大压 力升高率呈先增大后减小的变化趋势，2 5 负荷时取得最大。对比试验和仿 真结果，两者在变化趋势上基本保持一致。 最后，在柴油机试验台架上对a 6 0 0 0 柴油机进行声音品质试验，利用 德国h e a d a c o u s t i c 开发的“人工头”和相应测试设备对心理学客观量化 参数粗糙度、响度和尖锐度进行测试计算。结果表明：加预喷射后，发动 机的声音品质明显改善，不同工况存在着较好的预喷参数策略使声音品质 取得较好。相同工况下，对比声音品质和l m 平均噪声，并不是噪声值越小， 声音品质就越好，评价噪声不能单纯以噪声值来决定，还要结合人的主观 评价。 关键词：预喷射柴油机燃烧噪声最大压力升高率声音品质b o o s t s t u d yo nco m b u s t i o nn o i s eo fd i e s e le n g i n e co n t r o lw i t hp i l o ti n j e ct i o np a r a m e t e r s a b s t r a c t t h i sp a p e rr e s e a r c ha r o u n dt h ei m p a c tt oc o m b u s t i o nn o i s eo fd i e s e le n g i n e w i t hp i l o ti n je c t i o n i tu s e st h eh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i le l e c t r o n i c - c o n t r o ld i r e c t in ie c t i o nt oc o n t r o t h eo i l o t n ie c t i o nr a m e t e r s ) r e c i s e l , 儿w h i c hmakenj e c t i o ns y s t e m n t r o lt h ep i l o tl n je c t l o np a r a m e t e r sp r e c t s e l w l l l c f lm a k e l y ， t h e p i l o ti n je c t i o nb e c o m e ak i n do fe f f e c t i v em e t h o dt od o m i n a t et h ec o m b u s t i o n n o i s eo fe n g i n e f i r s to fa l l ，t h en o i s et e s ta n dt h em a x i m u m b r e a k o u tp r e s s u r et e s th a db e e n o p e r a t e di na ne n g i n et e s tb e n c h w i t ha na 6 0 0 0d i e s e le n g i n e ，a n du s et h eb o s c h h i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i le l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ，t h en o i s et e s te q u i p m e n t a n do t h e rc o r r e s p o n d i n gt e s te q u i p m e n tt ot e s t1m e t r ea v e r a g en o i s e ，c o m b u s t i o n n o i s e ，t h em a x i m u mp r e s s u r er i s er a t e ，c y l i n d e rp r e s s u r ec u r v e ，h e a tr e l e a s er a t e c u r v e ，e m i s s i o n sa n df u e lc o n s u m p t i o n f r o mt h er e s u l t so ft e s ts h o wt h a t ，f o r t h es i n g l ei n je c t i o n ，d i f f e r e n tl o a d sa n ds p e e d sh a v et h eg r e a ti n f l u e n c et ot h e n o i s eo fd i e s e le n g i n e a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo f t h ee n g i n el o a dt h ec o m b u s t i o n n o i s ei n c r e a s e sf i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s e s ，w h i c hr e a c h e sm a x i m u m i n2 5 l o a d b u ti nd i f f e r e n tl o a dt h ec h a n g e so fs p e e dt ot h ec o m b u s t i o nn o i s e sl a w i sn o t u n i f o r m i t y t h er a i lp r e s s u r ea n di n j e c t i o na n g l e a l s oh a v ee f f e c to nt h ec o m b u s t i o n n o i s e a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo ft h er a i lp r e s s u r ea n di n j e c t i o na d v a n c e d ，t h e i i i m a x i m u m p r e s s u r er i s er a t e ，t h em a x i m u mb r e a k o u tp r e s s u r ea n dt h en o i s eh a v e b e e n n f l u e n c e d l e s s ，w h i c h i n f l u e n c e d l , yt h e j e c t i o ngleforbeen i n t l u e n c e dm o r eo r e s s l sm o r ei n f l u e n c e db yt h ei n j e c t i o na n g l ef o r l 。 t h ep i l o ti n j e c t i o n ，a d d i n gt h ep i l o ti n j e c t i o nc a nr e d u c et h ec o m b u s t i o nn o i s ef o r l o d b t h ec h a n g e so fc o m b u s t i o nn o i s ev a l u eb yt h ec h a n g e so f p i l o ti n j e c t i o n p a r a m e t e r si ss m a l l e rt h a nt h ec h a n g e si na d d i n gp i l o ti n je c t i o n a f t e ra d d i n g p i l o ti n j e c t i o n ，t h eb i g g e s tb r e a k o u tp r e s s u r e ，t h em a x i m u mp r e s s u r er i s er a t e ， a n dt h ep e a ko ft h er a t eo fh e a tr e l e a s ei sd e c r e a s e do b v i o u s l y i tc a ng e tt h e o p t i m a lv a l u eo fc o m b u s t i o nn o i s eb yc h a n g i n gt h ep i l o ti n je c t i o np a r a m e t e r si n d i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s c o m p a r e dw i t ho t h e rp e r f o r m a n c eo ft h ed i e s e l e n g i n eb e f o r ea n da f t e rp i l o ti n je c t i o n ，t h ep i l o ti n je c t i o nn o to n l yc a nc u td o w n o b v i o u s l yc o m b u s t i o nn o i s e ，b u ta l s oi m p r o v et h en i t r o g e no x i d ee m i s s i o n sa n d l i t t l ei n f l u e n c et or u l ec o n s u m p t i o na n df s n s e c o n d l y ，i tu s e st h ee n g i n es i m u l a t i o na n a l y s i ss o t h v a r ea v l b o o s tt o s i m u l a t et h ed i e s e lc o m b u s t i o nn o i s e e s t a b l i s ha 6 0 0 0d i e s e le n g i n em a t h e m a t i c m o d e l ，a n dt h e ni ns i n g l ei n je c t i o na n dp i l o ti n je c t i o n ，s i m u l a t ea n dc a l c u l a t et h e i n f l u e n c eo ft h eb i g g e s tb r e a k o u tp r e s s u r e ，t h em a x i m u m p r e s s u r er i s er a t e ，a n d t h ep e a ko ft h er a t eo fh e a tr e l e a s ew i t ht h ec h a n g e so f i n j e c t i o np a r a m e t e r sa n d l o a di nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：i ns i n g l e i n je c t i o n ，t h ec h a n g e so fc o m m o nr a i lp r e s s u r ea n di n je c t i o na n g l eh a v eg r e a t l y a f f e c t e dt h et h r e et a r g e t sa b o v e i nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，d e l a y e di n j e c t i o n ，t h e m a x i m u m p r e s s u r er i s er a t e ，t h em a x i m u mb r e a k o u tp r e s s u r ea n dt h er a t eo fh e a t r e l e a s eb e c o m ed o w n t r e n d s oi tc a ng e tt h eb e s ti n je c t i o na n g l et om a k et h e i v t h r e et a r g e t sa b o v eh a v et h eo p t i m a lv a l u e s c o m p a r e dw i t ht h es i n g l ei n je c t i o n ， a d d i n gp i l o ti n je c t i o nc a ng r e a t l yr e d u c et h em a x i m u mp r e s s u r er i s er a t e i tc a n b r i n gc e r t a i ne f f e c tt ot h ec o m b u s t i o nn o i s eb yc h a n g i n gt h em a i ni n je c t i o n p i l o t n i e c t k 。 a n dp i l o ti n j e c t i o nu a l i t y s o t 1 t h eb esttimingd i l o tl n l e c t l o nt i m i n ga n ap h o t e c t l o nq u a l i t y oi tc a ns e e km eo e s t 1 j n i e c t i o ns t r a t e g i e so fo i l o t n i e c t k c o m b u s t i o nn o i s e a l s of o rt heniections t r a t e 9 1 e so fp i l o ti n j e c t l o nt oi m p r o v ec o m d u s t l o nn o i s e i s oi o rt h e 1 s a m ep i l o ti n je c t i o np a r a m e t e r s ，t h ec h a n g e so ft h el o a dh a v ea ni m p a c to nt h e m a x i m u m p r e s s u r er i s er a t e t h em a x i m u mp r e s s u r er i s er a t eb e c o m e r i s ef i r s t l y a n dt h e nd o w n t r e n dw i t ht h ec h a n g e so fl o a d b a s e do nt h et e s ta n ds i m u l a t i o n r e s u l t sc o n t r a s t ，b o t hh a v eg o o du n i f o r m i t yi nt h et r e n d f i n a l l y ，t h es o u n dq u a l i t yt e s th a d b e e no p e r a t e di nae n g i n et e s tb e n c hw i t h aa 6 0 0 0d i e s e le n g i n e ，a n dm a k et h eu s eo ft h ea r t i f i c i a lh e a dm a n u f a c t u r e db y g e r m a nh e a d a c o u s t i cc o r p o r a t i o na n do t h e rc o r r e s p o n d i n gt e s te q u i p m e n tt o t e s ta n dc a l c u l a t er o u g h n e s s ，l o u d n e s sa n ds h a r p n e s s t h et e s tr e s u l t ss h o w t h a t ： a d d i n gp i l o ti n je c t i o n ，e n g i n es o u n dq u a l i t yi m p r o v e do b v i o u s l y i nd i f f e r e n t w o r k i n gc o n d i t i o ni t c a ns e e kt h eb e s ti n je c t i o ns t r a t e g i e so fp i l o ti n je c t i o nt o m a k et h es o u n dq u a l i t yg e tt h eo p t i m a lp a r a m e t e r s i nt h es a m ec o n d i t i o n ， c o n t r a s t i n gs o u n dq u a l i t ya n d 1m e t r ea v e r a g en o i s e ，i tk n o w st h a tn o tt h es m a l l e r n o i s ev a l u e ，t h es o u n dq u a l i t yi sb e t t e r s o i tm u s tc o m b i n et h es u b je c t i v e e v a l u a t i o nt oe v a l u a t et h ew h o l en o i s eo ft h ee n g i n e ，n o tj u s tt h en o i s ev a l u e k e yw o r d s ：p i l o ti n je c t i o n ；d i e s e le n g i n e ；c o m b u s t i o nn o i s e ；m a x i m u m p r e s s u r er i s er a t e ；s o u n dq u a l i t y ；b o o s t v 预喷射参数控制柴油机燃烧噪声研究 第一章绪论 帚一早三百v 匕 1 1 引言 随着社会的不断进步，人们生活水平的提高和汽车工业的不断发展使得我国的车辆 拥有量不断增多，机动车所产生的废气和噪声污染也越来越严重。对此国内外都根据各 自的国情建立了法律法规来控制噪声和废气排放。目前所谈论的四大环境污染除了空气 污染、水污染和废气污染，就是噪声污染。据统计，装载内燃机的机动车产生的噪声占 城市环境噪声污染的7 5 【1 ，并且内燃机未来发展技术趋势是向大功率、速度高和轻巧 型方向发展，可以看出未来内燃机噪声将受到更多的关注，其要求也越来越严格。噪声 影响着人的听力、生理健康和心理健康，其影响主要表现如下： 1 、影响人的听力 人如果长期处在一个高分贝的环境下，轻者会出现听力衰退，重者会造成耳聋。研 究表明生活经常处在8 0 分贝以上噪声环境中的人们，其耳聋的机率可达到5 0 。 2 、影响人体生理健康 噪声会影响着人的大脑神经中枢系统，使人的生理机理失常，让人感到不舒服，使 人的工作效率降低。研究表明，人长期处在超过8 5 分贝的环境噪声中，会使人感到心 跳加速、心烦意乱、头痛、头晕眼花、食欲不振。噪声也会影响着人的神经系统功能、 内分泌，使人的生理机理产生紊乱，精神分裂甚至造成事故。噪声还是癌症的诱发因素 之一，损害人的免疫功能，使免疫系统出现紊乱，利于病毒的活动，导致癌细胞亢奋， 诱发癌症。 3 、影响人心理健康 噪声会使人的内心不安，造成心理障碍，食欲不振。长期在恶劣的噪声环境下，会 使人疲劳不堪，不能集中精神学习工作，甚至会精神崩溃，容易造成事故。 由此可见，减少噪声对众人的危害，最主要的工作和任务就是降低机动车内燃机的 辐射噪声。根据国情，我国制定各类型发动机的噪声限制标准，并由国家立法加强管理， 对于不满足国家噪声标准的发动机不准生产和销售。相对于汽油机来说，柴油机在经济 性能、动力性能及排放性能都具有一定的优势，但由于柴油机的噪声和振动较恶劣，因 此汽油机比较多应用于轿车上，柴油机主要用在重型车上。但随着柴油机电控系统和制 造水平的越来越成熟，柴油机的噪声和振动有明显改善，已有部分达到或者接近汽油机 预喷射参数控制柴油机燃烧噪声研究 的振动噪声水平【2 1 ，柴油机也逐渐应用在轿车上，这样完善柴油机噪声显得越来越重要 和有意义。 柴油机噪声总体上分为三种：机械噪声、燃烧噪声和空气动力噪声： ( 1 ) 机械噪声主要是由于气体压力做功引起机械部件之间相互作用，产生了零部件 撞击、摩擦以及振动而传出来的噪声。活塞敲击缸壁噪声、气阀机构噪声、喷油泵噪声、 高压油管振动噪声、齿轮噪声等等都属于机械噪声 3 1 。对于机械噪声，可以加装减振装 置降低零部件的振动，从而降低噪声。也可以对零部件进行优化，使其自振频率避过共 振点。 ( 2 ) 空气动力噪声主要由进排气、散热风扇、增压器等：【作时引起的空气流动，从 而产生涡流、冲击形成噪声，空气动力噪声也可以是由于空气压力突变形成气流的扰动 形成的噪声。进排气噪声、风扇噪声等都属于空气动力噪声，其中进排气噪声占主导部 分，可以加装进排气消声器控制。 ( 3 ) 燃烧噪声是指燃料燃烧过程中，气缸内气体压力突变引起的动力载荷以及气体 冲击波引发的高频振荡，通过缸盖、缸套、活塞曲柄连杆机构及轴承传播到缸体，或 者直接经气缸盖等引起发动机各部件表面振动并且向外辐射形成的噪声【4 ，6 , 7 】。燃烧噪声 在发动机噪声中占有很大的比重，控制燃烧噪声对改善发动机噪声具有很大的指导意 义，故燃烧噪声的控制研究尤为重要。 1 2 燃烧噪声产生机理和燃烧噪声性质 燃烧噪声产生的机理，主要表现在两个方面：一是缸内气体压力突变引起的动力载 荷，进而引起发动机各零部件的结构振动，且振动的频率接近各零部件的自振频率；二 是缸内气体的冲击波引起的高频振动，振动的频率相当于缸内气体的自振频率。燃烧噪 声产生的机理亦可从如下两方面阐述： ( 1 ) 缸内气体压力急剧变化，发动机的相应零部件必受到定强度的动力载荷的激 励，并经外部和内部传递途径传到内燃机表面并辐射出去。缸内压力突变是瞬时的，因 此产生了冲击载荷也是瞬间，故此时的结构振动为发动机各零部件的自振，频率也为其 模态自振频率。由于内燃机各部件的自振频率不同，故内燃机振动相对复杂，研究发现 内燃机各部件的固有频率范围大多处于中高频率【4 1 。因此这方面机理产生的燃烧噪声的 频率的范围大部分处于中高频。 ( 2 ) 在着火延迟期期间，喷入气缸内的燃油经过燃烧前的物理、化学反应过程，为 预喷射参数控制柴油机燃烧噪声研究 燃烧反应创造有利条件。当缸内燃气的浓度、温度和压力达到燃烧反应条件时，首先在 燃烧室内局部形成火焰核心，这样形成火焰处的压力突变，并且火焰迅速传播到邻近区 域，同时形成具有冲击性的压力波 4 】。这样的冲击波在燃烧室内来回反射，缸内气体产 生了高频振动。随着燃烧进行，直到发动机做功冲程都存在着这种高频振动，由此产生 高频燃烧噪声【3 】，且此高频噪声不受发动机工况参数的影响。 燃烧噪声和燃烧过程有着密切联系，燃烧过程组织的好与坏不仅影响发动机的性 能，而且影响燃烧噪声对外辐射的强度。柴油机的燃烧过程一般分为四个阶段：滞燃期 ( 着火延迟期) 、速燃期、缓燃期和后燃期【5 】。 ( 1 ) 在滞燃期期间，发动机处在压缩行程，随着活塞的上行，缸内压力和温度不断 上升。此时喷入气缸内的燃油开始着火前的物理化学反应，与空气充分混合。由于滞燃 期内基本没有燃烧，且缸内压力和温度变化缓慢，此时产生的燃烧噪声不大。但滞燃期 的长短影响着整个燃烧过程，制约着后面燃烧的进行，且在滞燃期内形成的可燃燃气的 多寡将给燃烧噪声的产生带来重要的影响，所以滞燃期的长短直接影响着燃烧噪声。 ( 2 ) 在速燃期期间，活塞运行到上止点，缸内温度和压力不断上升，滞燃期内喷入 的燃油量已经准备好开始燃烧，并向其他区域传播火焰，继续喷入气缸内的燃油也同时 开始着火燃烧。因此气缸内的压力，温度急剧上升，对发动机各零部件产生很大的冲击 性载荷，同时燃烧的气体以压力波的形式在燃烧室内迅速传播和反射，形成高频振动， 加剧内燃机振动和噪声。研究表明，影响这一个阶段燃烧噪声的重要因素是缸内的气体 压力升高率，而滞燃期的长短及供油规律影响着速燃期内压力升高率。滞燃期愈长，在 此期间积聚的可燃燃油量就越多，则造成压力升高率越高，燃烧噪声越大。因此缩短滞 燃期，可以减少滞燃期内喷入的可燃燃油量，改善燃烧噪声。由此可见速燃期内产生的 燃烧噪声的占总燃烧噪声大部分。 ( 3 ) 在缓燃期期间，缸内燃气进行扩散燃烧，发动机处于膨胀过程，气缸容积不断 增加，燃烧相对柔和，此时气缸压力和压力升高率上升不大，对燃烧噪声影响不明显， 燃烧噪声相对速燃期较低。 ( 4 ) 在后燃期阶段，活塞继续下行，燃烧基本将近结束，缸内气体的温度和压力下 降，对燃烧噪声影响不大。 上述表明，燃烧噪声产生主要在速燃期和缓燃期两个阶段。在速燃期阶段，衡量燃 烧噪声的重要指标为缸内气体压力升高率和缸内气体的高频振荡的幅值。在缓燃期内， 活塞下行，最高燃烧压力对燃烧噪声影响不明显。 1 预喷射参数控制柴油机燃烧噪声研究 1 3 燃烧噪声的频谱特性 缸内燃料的燃烧使缸内气体压力产生急剧变化，燃烧噪声源的强弱可以用缸内气体 压力的频谱曲线来表示。缸内气体压力的压力级频谱曲线可以将各频率下的压力幅值， 与计算声压级一样采用基准压力为2 1 0 巧n m 2 转换得到。该频谱曲线的横坐标是气缸 压力波动频率，纵坐标是单个频率成分对应的压力，因此通过对缸内气体压力频谱分析， 可以了解到频率范围和其对应的压力强度信息，更可进一步了解燃烧噪声源的特性【s 】。 通过频谱分析，得到更细节的数据，对有效改善和控制燃烧噪声具有指导性的意义。制 取气缸压力频谱曲线方法：频谱分析仪测得；气缸压力传感器测量获得。 一e 董： 譬2 出予压力动 鼻j 置腑一簟 i 口i 锄l o1 0 唧 囊半，仆l z 图卜i 气体压力级频谱曲线 f i g 1 - 1c y l i n d e rp r e s s u r es p e c t r u mc u r l , r e 图1 - 1 为缸内气体压力频谱曲线，根据频率范围简单地分成三频段： ( 1 ) 低频段。频率范围为3 0 0 h z 以下，由图l 一1 可知在这一频率范围内缸内气体压 力级已经相当大，其数值由缸内气体最大爆发压力和压力曲线的形状来决定。从图看出 该频段的压力级的变化幅度明显，激励源主要激励着发动机各零部件的低频强迫振动【8 1 。 低频强迫振动的振幅很大，造成振动非常激烈，但其向外辐射的噪声不明显，主要是发 动机各部件的白振频率大多数处于中高频范围，因此低频强迫振动受到了很大的衰减， 限制了其向外传播。 ( 2 ) 中频段。频率范围为3 0 0 h z 1 0 0 0 h z ，该频段的缸内气体压力级以对数规律作 线性递减，压力升高率d p d t p 对该频段燃烧噪声有着重要的影响，决定着燃烧噪声的变 化。相对于低频段，中频段内激励产生的零部件振动更加容易向外传播。 跚 m 蛳 啪 瑚 m 啦 啪 m 啪 啪 量t_曩奄u遁茸l， 预喷射参数控制柴油机燃烧噪声研究 ( 3 ) 高频段。频率范围为1 0 0 0 h z 以上，此频段中出现一个由缸内气体的高频振荡 引起的压力级峰值。缸内气体最大压力升高率以及压力高频振动决定高频段的噪声。 综上所述，发动机燃烧噪声的声源来自其本身的发火特性。内燃机气缸各部件由于 缸内气体压力的循环变动、燃烧压力剧变以及气体冲击波的高频振动的激励产生强迫振 动产生的噪声通过发动机表面向外辐射出去 引。 1 4 影响燃烧噪声的因素 从燃烧噪声的气缸压力级频谱曲线中可以知，气缸压力频谱的低频段的成分是由最 大爆发压力决定：而最大压力升高率决定中、高频段的成分；且内燃机各零部件的自振 频率都集中在中高频成分，因此，中高频段的振动噪声是我们关注的重点。有效控制缸 内气体的最大压力升高率可以有效改善燃烧噪声。影响最大压力升高率的因素是滞燃期 和喷油规律，归根结底是滞燃期内所积聚的可燃燃油量的多寡，其决定着柴油机燃烧噪 声的强弱，其他各种参数对燃烧噪声的影响都归结到这一点上 3 】。总体来讲，滞燃期越 长，滞燃期期间喷入的燃油量就越多，燃烧前的预热反应就越充分，着火后燃烧速度就 越快，燃烧就越激烈，激起压力振荡波的振幅越大，加剧燃烧噪声的变化。所以，滞燃 期的长短影响着燃烧过程，进而影响燃烧噪声的强弱。影响滞燃期的因素很多，包括状 态参数( 进气压力和温度) 、结构参数、供油参数( 如供油规律、喷油器各参数、供油 提前角) 、燃料性质等等，上述各种参数的变化都会给滞燃期带来不同程度影响，从而 影响着燃烧噪声。 ( 1 ) 燃烧室 燃油喷射、燃烧室形状和气流运动是否匹配合理对发动机的工作过程有着很重要的 影响。燃烧室的形状影响着缸内燃气的气流形成，而且与燃烧过程的好坏紧密相连：燃 烧室的形状对发动机的性能、排放、滞燃期和压力升高率产生影响，进而影响着柴油机 的燃烧噪声。对于柴油机，其燃烧室简单地可分为两类：分隔式和直喷式。常见的分隔 式燃烧室有两种：预燃室、涡流室，常用的直喷式燃烧室有三种：开式、半开式以及球 型燃烧室等。 据研究表明，开式燃烧室的燃烧噪声在直喷式燃烧室中相对较大，半开式燃烧室的 燃烧噪声略低，分隔式涡流室工作比较柔和，燃烧噪声也低。分隔式涡流室燃烧噪声低 主要是因为燃烧初期放热率低及通道节流损失，压力升高率和最大爆发压力较低。而直 喷式燃烧室燃烧噪声较高主要是这种燃烧室，大部分喷入气缸的燃油与空气形成空间混 预喷射参数控制柴油机燃烧噪声研究 合。因此，在滞燃期形成的可燃混合气就多，着火时压力升高快，工作粗暴，燃烧噪声 大。 ( 2 ) 进气温度和压力 滞燃期的长短跟气缸内的温度和压力有密切的关系，进气温度和压力越低，滞燃期 变长，进气温度和压力越高，滞燃期相对就会缩短。大量研究表明，单纯提高进气压力， 滞燃期会因为缸内压力升高而缩短，但缩短范围较小，也比较缓慢，提高进气温度对滞 燃期的影响较提高进气压力大。因此，改善燃烧噪声可以提高进气的温度和压力。 ( 3 ) 喷油压力 提高柴油机燃油喷射压力可以明显降低油耗，改善排放，但不利于改善燃烧噪声。 喷油压力对燃烧噪声的影响通过两个方面体现出来：一方面，其他条件保持不变，提高 燃油喷射压力，从而增大了燃油的喷射速率，则滞燃期内喷入气缸的油量也增多，燃烧 噪声增大：另一方面，燃油喷射压力增大，燃油的雾化程度较好，使燃油与空气更充分 地混合，进而在滞燃期内生产更多的可燃混合燃气，从而加剧了燃烧噪声【m 】。但是，喷 油提前角的大小制约着喷油压力对燃烧噪声的影响，提前喷油时，喷油压力对燃烧噪声 的影响会更加明显，反而推迟喷油时，喷油压力对燃烧噪声的影响的效果不明显。这是 因为喷油压力只影响着燃油喷束的物理滞燃期，即是喷入气缸的燃油经过破碎、雾化、 加热、汽化和混合速度过程，不会较大影响化学滞燃期，而滞燃期的重要组成部分是化 学滞燃期。因此随着喷油的提前，缸内的温度和压力相对会更低，延长了滞燃期，此时 提高喷油压力对燃烧噪声影响的效果更强。 ( 4 ) 喷油提前角 一般情况下，喷油越早，产生的燃烧噪声就越大，故合理延迟喷油有利于改善燃烧 噪声。这是因为喷油提前角比较大时，燃料进入气缸的时候气缸内的气体温度和压力相 对低，造成滞燃期延长。相反，适当减小喷油提前角可缩短滞燃期，减少滞燃期内的可 燃燃油量，从而降低燃烧噪声。但喷油提前角不能过分减小，如果过分延迟喷油，虽然 燃油进入气缸内时的缸内温度和压力较高，但因作用的时间短，活塞己开始下行时才着 火，这样着火前由于活塞下行使缸内的空气温度和压力降低【4 1 ，从而延长了滞燃期，加 剧燃烧噪声，存在一个最佳的喷油时刻使滞燃期最短。因此影响滞燃期的重要因素是喷 油提前角，喷油提前角对滞燃期有着本质性的影响。滞燃期内喷入气缸内的燃油量决定 于喷油时刻，并且制约着后续燃烧放热，同时也对缸内压力的变化的速度和加速度产生 影响。喷油提前角除了影响燃烧噪声以外，同时还影响着发动机的其他性能指标，如动 预喷射参数控制柴油机燃烧噪声研究 力性、排放性和燃油经济性。增大喷油提前角，有利于提高发动机的动力性和经济性； 减小喷油提前角则有利于改善燃烧噪声、n o x 和烟度排放 1 3 , 2 4 , 2 6 】。鉴于两方面的矛盾， 在改善燃烧噪声的过程中同时也要兼顾动力性、排放性、经济性等性能指标。 ( 4 ) 喷油规律 燃油喷射规律对燃油的燃烧过程有着重要影响，进而影响着燃烧噪声。研究表明， 降低燃油初期喷射速率的同时缩短燃油喷射的总时间，这样可以得到较理想的燃烧性 能。假设燃油燃烧初期放出很大热量，这样就增大了燃烧的等容度，燃烧最大压力和压 一 力升高率也随之提高，加剧了燃烧噪声。d 型喷油规律是柴油机理想的燃油喷射规律， 因为该喷油规律能使燃烧初期的放出很小热量，而在活塞下行容积增大的情况下才释放 大部分的热量，这样燃烧最高爆发压力和缸内最大压力升高率都相对较低，有利于改善 燃烧噪声【1 3 】。 ( 5 ) 增压中冷 柴油机增压后，不仅提高了缸内初始温度和压力，增加了缸内空气充量密度，有利 于改善了缸内可燃燃气的着火条件，而且缩短着火迟滞期，减少着火迟滞期内积聚的可 燃燃油量，有利于改善燃烧噪声。虽然缸内气体燃烧最高爆发压力会因采取增压技术而 升高，但是增压后会使缸内气体的压力升高率下降，使燃烧平稳，燃烧噪声减小。 如果采用增压技术后对增压的进气中间冷却，反而会不利于改善燃烧噪声，这是因 为中冷后的进气温度降低，滞燃期加长，削弱了增压过程对燃烧噪声改善的作用 1 0 】。 ( 6 ) 压缩比 提高压缩比对降低直喷式柴油机的燃烧噪声有着积极的作用。压缩比增大，使燃烧 室壁温提高，滞燃期缩短，滞燃期内积聚的可点燃燃油量减少。这样就可以降低放热率 峰值，使发动机燃烧平缓，有利于改善燃烧噪声【8 】。 ( 7 ) 喷油器喷孔参数( 如数目、直径、面积) 喷油器喷孔的参数对喷油束的形状以及缸内燃气的混合程度有着重要影响，从而影 响着燃烧性能以及燃烧噪声。因此喷油器参数的变化影响着缸内燃气燃烧状态和过程， 进而影响着燃烧噪声。在相同循环喷油量下，增加喷油器喷孔数，减小喷孔直径，有利 于改善燃烧噪声。这是因为喷孔数目增多，直径减少，会使喷油细微度增加，燃油雾化 良好且在燃烧室内分布均匀，有利于燃油和空气的充分混合，滞燃期缩短，滞燃期内形 成的可燃混合气就减少，燃烧噪声降低。 预喷射参数控制柴油机燃烧噪声研究 ( 8 ) 燃油品质 不同品质的燃油，喷入气缸后，滞燃期内为燃烧准备的物理、化学过程亦不一样， 从而造成滞燃期长度不同。缸内气体的温度和压力亦影响着十六烷值不同的燃油的滞燃 期，对柴油来讲，在温度和压力较高时十六烷值不同的柴油的滞燃期长短差别较小，但 是当温度降低到一定程度时不同十六烷值的柴油的滞燃期长度差别则逐渐增大，十六烷 值较高的柴油的滞燃期长度明显较短【l 们。 ( 9 ) 转速和负荷 柴油机的燃烧噪声受转速的影响。当转速提高时，滞燃期的长度会发生变化，按时 间来计算滞燃期缩短，但按曲柄转角计算滞燃期变长。当喷油量相同时，如果喷油时间 缩短，喷油速度就会增大，滞燃期内滞留的燃油量就会增大，所以随着转速的提高缸内 气体最大爆发压力和压力升高率都会随之升高，燃烧噪声恶化【3 1 。 负荷对燃烧噪声的影响分为两方面【3 】：一方面，负荷增加，则每循环喷入气缸的喷 油量增多，缸内形成的可燃燃油量增多，进而增大初始放热量，提高燃烧和放热速度， 缸内气体压力升高率升高，加剧燃烧噪声。另一方面，负荷增加，提高了燃烧室壁面温 度，缩短滞燃期，改善燃烧噪声；同时，气缸热负荷增大，造成活塞与气缸壁的间隙减 小，改善机械噪声。 1 5 燃烧噪声的传播途径 。一般认为燃烧噪声传播途径有两条：一条路径是经缸盖和缸套传至气缸体上部向外 辐射出去；另一条路径是经曲柄连杆机构和主轴承传至气缸体下部向外辐射 1 3 】。 控制燃烧噪声可以从其传播途径这个角度考虑，或者对中高频率噪声衰减。但不能 单一只考虑改善燃烧噪声，还得兼顾其他性能指标( 经济性、动力性、排放) 。为了改 善燃烧噪声以及降低机械负荷，就要降低最高燃烧爆发压力和最大压力升高率，即是要 使较多的燃料不在上止点附近着火燃烧；但是如果较多的燃料不在上止点附近着火燃 烧，燃烧就会拉长，热效率下降，油耗增加，不利于柴油机动力性和经济性。因此，减 小燃烧噪声与提高经济性和动力性两者不可兼得。需要寻求最佳的途径和措施，同时考 虑两者，则从影响放热规律的各种参数考虑进行试验和计算，找出这些参数对柴油机的 动力性、经济性、排放以及噪声的相互影响关系。从计算和实验的结果中选择最佳的参 数，改善燃烧噪声的同时，亦不会对其他性能造成过大影响。这些参数主要包括着火迟 滞期、着火迟滞期的放热比例、燃烧参数、燃烧的持续期和着火时刻等等。 广西大掌硕士掌位论文预喷射参数控制柴油机燃烧噪声研究 1 6 降低燃烧噪声方法 从缸内气体压力级频谱曲线可知，要减小燃烧噪声就必须合适地降低缸内气体最大 压力升高率。降低燃烧噪声的措施有很多：从声源处着手，改善发动机的着火特性和燃 烧过程，特别是对中高频噪声的降低；从传播途径处着手，增加零部件结构刚性，有利 于对中、高频成分燃烧噪声的衰减。 ( 1 ) 隔热活塞 采用隔热活塞有利于提高燃烧室气体的温度，着火迟滞期缩短，燃烧噪声减小。 ( 2 ) 高压共轨电子喷射系统 高压共轨电子喷射系统目前成为一直应用很广泛且有很大前景的电子喷射系统，特 别是应用在柴油机，有利于改善燃烧噪声 1 5 , 1 7 , 2 0 。高压共轨电控系统，能灵活精确实现 各种不同形状的喷油规律，如预喷形、台阶形、靴形喷射等等。 ( 3 ) 预喷射 高压共轨电子控制系统的广泛应用，为预喷射的实现提供了技术基础。预喷射就是 在一个发动机工作循环里燃油分为两次喷射进入气缸。第一次先喷入一小部分燃油，进 行点燃主喷射的预反应，这样可减少在滞燃期内形成的可燃燃油量。预喷射可以有效地 降低直喷式柴油机燃烧噪声 1 4 , 1 6 , 1 9 】。 ( 4 ) 废气再循环 所谓废气再循环【2 4 1 ，是将排气管中的部分废气又重新通过进气管送回缸内，其最初 的目的是为了减少n o x 排放。由于废气重新进入气缸，提高了进气初始温度和燃烧室 温度，缩短滞燃期，同时降低缸内气体的最大压力升高率和最大爆发压力，降低燃烧噪 = 士7 尸臼o ( 5 ) 双弹簧喷油阀 双弹簧喷油阀主要用实现预喷射。利用两根弹簧控制预喷射和主喷射，分两次喷射 使喷油器的压力升高率上升缓慢，缸内爆发压力峰值降低，燃烧趋向柔和，降低燃烧噪 ：| ： 尸o ( 6 ) 结构衰减 增加发动机结构对中高频成分燃烧噪声的衰减，可以采取如下措施：选取小的气缸 缸径、增加气缸数目；增加各接触部件润滑油膜厚度；减小各运动部件的摩擦间隙；提 高发动机各零部件的刚性；利用减振、隔声降低各零部件的辐射能量等。 预喷射参数控制柴油机燃烧噪声研究 1 7 国内外研究概况及发展趋势 燃烧噪声很难直接测量得到，因此传统上对燃烧噪声的评估是用气缸压力级频谱来 评定燃烧噪声。但随着测试技术的发展，国外学者进行了多j 亨面的探究来降低柴油机的 燃烧噪声。上个世纪八十年代