（动力机械及工程专业论文）预喷射控制燃烧噪声的仿真计算与试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 柴油机燃烧噪声对整机噪声的贡献是占有重要地位的，在降低燃烧噪声的研究中。采 用预喷射来控制燃烧噪声是一项很有效的手段，尤其对于高压共轨电控直喷系统来说， 其具有很高的喷射压力和很好的控制灵活性，可以实现对预喷射的精确控制。 本文采用发动机专用仿真分析软件g t - s u i t e 对发动机燃烧噪声进行仿真计算。根 据6 1 0 6 型柴油机相关参数建立发动机模型，计算单次喷射和预喷射两种不同喷射策略 下的燃烧噪声。既考查转速、负荷、喷射压力等参数对单次喷射中最大压力升高率和燃 烧放热率的影响，又分析了在改变预喷射策略的前提下，预喷射比单次喷射在降低燃烧 噪声方面的优势仿真计算结果表明：采用单次喷射的策略时，喷油提前角是影响燃烧 噪声的主要因素，相比较而言，喷射压力对燃烧噪声的影响较小。与单次喷射相比，采 用预喷射会使最大压力升高率有明显的降低。在不同工况下最大压力升高率基本上是随 着主喷提前角的推迟而减小，这与单次喷射中喷油提前角的影响效果一致。 基于仿真计算结果，在柴油机试验台上对6 1 0 6 型直喷式柴油机进行性能试验，利 用高压共轨电子控制系统及相应测试设备有效的测量了噪声信号、燃油消耗率、排放等 指标。试验结果表明：单次喷射和预喷射中转速对燃烧噪声的影响均较大，但不同转速 下，采用预喷射带来降噪量的变化并不大；单次喷射和预喷射中负荷对燃烧噪声的影响 均不大，但不同负荷下，采用预喷射带来降嗓量的变化较大。总体比较来看，引入预喷 射所带来的降噪量要超过改变预喷射策略所带来的降噪量。 基于仿真计算和试验结果的分析，对预喷射变量进行优化在以降低燃烧噪声为目 标进行优化的同时，兼顾其对排放、经济性的影响。优化结果表明，采用合理的预喷射 策略可以明显降低燃烧噪声和n o x 排放，但烟度和油耗率略有增加。通过对比仿真计 算结果和试验结果，得出两者在趋势上具有较好的一致性。 关键词：高压共轨；燃烧噪声；预喷射；仿真计算 颈喷射控常0 燃烧噪声的仿真计算与试验研究 s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d yo nc o m b u s t i o nn o i s e c o n t r o l 丽t hp i l o ti n j e 斌i o n a b s t r a c t c o m b u s t i o nn o i s eo fd i e s e lc n g i n cp l a y sam o s ti m p o r t a n tr o l ei nw h o l en o i s eo fd i e s e l e n g i n e b a s e do nt h er e s e a r c ho fr e d u c i n gc o m b u s t i o nn o i s e ，p i l o ti n j e c t i o ni sa ne f f e c t i v e m e a s u r et oc o n t r o li t e s p e c i a l l yf o rad i e s e le n g i n ew i t hh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i l e l e c t r o n i c - c o n t r o l 曲e c t 缸j e 圮- t i o ns y s t e m , i te n a b l e sal 吐g h e r 竭e c t i o np r e s s u r ea n d m e a n w h i l ee x c e l l e n tc o n t r o l l a b l ep e r f o r m a n c e , w h i c hc a na c h i e v ea c c u r a t ec o n t r o lt ot h ep i l o t 蛔e c t i o n t h ed i e s e lc o m b u s t i o nn o i s eh a db e e ns i m u l a t e db yt h eg t - s u es o f t w a r ei nt h i sp a p e r t h em a t h e m a t i cm o d e lw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ep a r a m e t e r so f6 1 0 6t y p cd i e s e l , t h e i n f l u e n c eo fp a r a m e t e r sl i k et h es p e e d , t h el o a d , t h e 蝎e e t i o np r e s s u r ec t co i lt h em a x i m u m p r e s s u r er i s er a t ea n dt h eh e a tr e l e a s er a t ew a ss t u d i e dc o m p u t a t i o n a l l yw i t hd i f f e r e n ti n j e c t i o n s t r a t e g i e so fs i n g l ei n j e c t i o n , a n dt h es u p e r i o r i t yo fp i l o t 坷e c t i o no v e rs i n g l ei n j e c t i o ni n d e c r e a s i n gc o m b u s t i o nn o i s ew a sa l s oc o m p a r e d s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t t h e 坷e c t i o nt i m i n gw a sam o s ti m p o r t a n tf a c t o ri ne f f e c t i n gc o m b u s t i o nn o i s e , a n dt h e i n f l u e n c eo fi n j e c t i o np r e s s u r eo nc o m b u s t i o nn o i s ew a s c o m p a r a t i v e l ys m a l l e r i nd i f f e r e n t c o n d i t i o n s ，t h em a x i m u mp r e s s u r er i s er a t er e d u c e db a s i c a l l ya c c o r d i n gt ot h er e t a r d i n go f m a i ni n j e c t i o nt i m i n g ow h i c hw 勰c o n s i s t e n tw i t ht h ei n j c c t i o nt i m i n gi ns i n g l ei n j e c t i o n t h ep e r f o r m a n c et e s th a db e e no p e r a t e di nat e s tr i gw i t ha6 1 0 6t y p ed id i e s e le n g i n e b a s e do nt h er e s u l t so fs i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n , t h en o i s es i g n a l ，t h es p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n a n dt h ee m i s s i o n sw e r es t u d i e d e x p e r i m e n t a l l yb yh i g hp r e s s u r e c o n h n o nr a i l e l e c t r o n i c - c o n t r o ls y s t e ma n do t h e rt e s te q u i p m e n t s i tw a si n d i c a t e df i o mt h er e s u l t so ft e s t , t h es p e e dh a db i g g i s he f f e c to nt h ec o m b u s t i o nn o i s en om a t t e rw i t hs i n g l ei n j e c t i o no rp i l o t i n j e c t i o n , b u tt h er e d u c e dn o i s eq u a n t i t yb yp i l o t 蛔e c t i o nw a su n c o n s p i c u o u sb yc h a n g i n g s p e e d ；c o n t r a r y , t h el o a dh a dl i t t l ee f f e c to nt h ec o m b u s t i o nn o i s en om a t t e rw i t hs i n g l e m j e c t i o no rp i l o ti d j e c t i o n , b u tt h er e d u c e dn o i s eq u a n t i t yb yp i l o t 蠲e c t i o nw a so b v i o u sb y c h a n g i n gi n a d t a k i n go n ew i t ha n o t h e r , t h er e d u c e dn o i s eq u a n t i t yb yp i l o t 坷e e t i o n e x c e e d e dt h a tb yc h a n g i n gp i l o ti n j e c t i o ns t r a t e g y b a s e do nt h er e s u l t so fs i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t , t h ev a r i a b l e so fp r o t i n j e c t i o nw e r eo p t i m i z e d d u r i n go p t i m i z i n gw i t ht h ep u r p o s eo fd e c r e a s i n gc o m b u s t i o nn o i s e ， t h ei n f l u e n c eo nt h ee m i s s i o n sa n dt h es p c c i 丘cf u e lc o n s u m p t i o nw e r ea l s oc o n s i d e r e d i t c o u l db ec o n c l u d e dt h a tp i l o t 坷c c t i o ne n a b l e dt h ei m p r o v e m e n ti nc o m b u s t i o nn o i s eo fd i e s e l 大连理工大学硕士学位论文 o b v i o u s l yt h r o u g ht h em e t h o do f p i l o ti n i e c t i o n , a n dt h i si m p r o v e m e n tw a sm u c hm o r ep a t e n t a f t e ro p t i m i z i n gt h ep i l o ti n j e c t i o ns t r a t e g y w i t ht h er e a s o n a b l ep i l o ti n j e c t i o ns t r a t e g y , t h e c o m b u s t i o nn o i s ea n dn o xe m i s s i o nw e r cr e d u c e do b v i o u s l y , b u tt h es o o ta n db s f cw e r e i n c r e a s e dal i t t l e t h et r e n do fs i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n th a sg o o dc o h e r e n c et h r o u g ht h e c o m p a r eo ft h e s er e s u l t s k e yw o r d s ：w r i t ec r i t e r i o n c o m b u s t i o nn o i s e ；p i l o ti n j e c t i o n ；s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：蛰鱼盗 日期；型l ：! 兰：兰 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：固煎自 导师签名： 左砸 巫年卫月望日 大趣工大学硕士学位论文 1 引言 1 1 降低燃烧噪声的意义 汽车在给人类社会带来物质文明的同时，也带来了公害当今世界上，汽车噪声的 辐射和有毒、有害气体的排放已成为汽车污染环境的首要问题。目前，机动车辐射的噪 声约占整个环境噪声的7 5 ，是最主要的噪声源【l 】。而噪声对人类的生活、生产乃至整 个社会的和谐都会造成危害，它的危害主要有以下凡方面： ( 1 ) 对人听觉的影响：长期在高噪声环境中工作的人员，由于噪声的刺激往往会出 现听力减退现象，甚至形成噪声性耳聋； ( 2 ) 对人生理健康的影响：噪声会刺激人的神经系统，导致一系列生理性异常，据 统计长期在高噪声环境中工作的人员会引起心神不安、烦躁、心跳加快、头痛、头昏眼 花，以致食欲不振等神经衰弱症，还容易使人感觉极度疲劳等等； ( 3 ) 对人心理健康的影响：噪声会干扰人们的学习、工作、休息和睡眠，使人们的 工作效率下降，注意力不能集中，反应迟钝，甚至发生事故 发动机是汽车最主要的噪声源，因此，研究汽车发动机噪声产生的机理及其控制措 施，无疑将具有重要意义。我国已立法制定了发动机噪声限制标准，超过标准的发动机 将不准生产众所周知，柴油机比汽油机具有更加优良的经济性、动力性和可靠性，在 有毒气体排放方面也占有优势，但历来柴油机却很少应用于轿车，究其原因，其中之一 则是柴油机的噪声和振动比汽油机剧烈。但是最近十几年来，由于柴油机技术水平的提 高，柴油机噪声和振动已部分的达到或接近汽油机水平 2 - a 。 对于柴油机噪声的种类大致上分为气体动力性噪声、机械噪声和燃烧噪声： ( 1 ) 气体动力性噪声是空气流动或者物体在空气中运动，引起空气产生涡流、冲击 或者由于压力突变导致空气扰动而形成的噪声。柴油机的气体动力性噪声包括排气噪 声、进气噪声、风扇噪声等等h ： ( 2 ) 机械噪声来源于机械部件之间相互作用的交变力，这些交交力在传递和作用过 程中会产生三种情况，分别为撞击噪声、摩擦噪声和结构振动噪声。而对于柴油机来说， 一般包括活塞敲击噪声、气阀机构噪声、齿轮噪声、喷油泵噪声、部件振动噪声等等 ( 3 ) 燃烧噪声通常是指燃料在气缸内燃烧时，缸内压力急剧上升产生的动载荷_ 和冲 击波引起的高频振动，经气缸盖、气缸套、活塞连杆一曲轴及主轴承传至机体以及通 过气缸盖等引起内燃机结构表面振动而辐射出来的这部分噪声。燃烧噪声在柴油机整机 预喷射控制燃烧噪声的仿真计算与试验研究 噪声中占有很大的比例。是主要的噪声源。因此，对控制燃烧噪声进行研究具有特别重 要的意义。 柴油机燃烧噪声与其燃烧过程组织的好坏密切相关。柴油机的燃烧过程可分为四个 阶段着火延迟期、速燃期、缓燃期和后燃期吼 ( 1 ) 在着火延迟期内，随着压缩过程的进行，气缸中空气压力和温度不断升高，而 燃料的着火温度因压力升高则不断下降。当在上止点前喷油时，缸内温度已高达6 0 0 左右，远高于燃料在此压力下的自燃温度。但喷入气缸的燃料不会马上着火，而是经过 一段时间的雾化、扩散、混合等物理准备阶段以及着火前的化学准备阶段后，在缸内一 点或多点产生自燃。在这个阶段内，由于气缸内温度和压力升高都很缓慢，基本没有燃 烧，因而不会形成明显的燃烧噪声。但着火延迟期的长短却对整个燃烧过程影响很大， 制约着以后速燃期、缓燃期和后燃期的发展，所以着火延迟期是影响燃烧噪声的重要因 素。 ( 2 ) 在速燃期内，喷油器继续喷入气缸的燃料和在着火延迟期喷入的燃料几乎同时 开始燃烧，此时气缸内的压力、温度急剧上升，并以压力波的形式在燃烧室内迅速传播 和反射，这直接影响到发动机的振动和噪声因为速燃期缸内压力升高率是影响燃烧噪 声的一个根本因素，而影响速燃期内压力升高率的主要因素是着火延迟期的长短及供油 规律。着火延迟期越长，在此期闯内喷入气缸的燃油越多，那么压力升高率和最高燃烧 压力也就越高。因此，要控制柴油机燃烧噪声，就必须缩短着火延迟期，减少着火延迟 期内喷入的可燃燃油量。 ( 3 ) 在缓燃期内，由于燃烧过程是在气缸容积不断增加的情况下进行的，所以燃烧 必须很快，才能使气缸压力稍有上升或几乎保持不变在这段内，气缸内气体有一定的 压力升高率，所以仍能激发一定程度的燃烧噪声，但压力增长缓慢，对燃烧噪声的影响 不显著。但是，这个阶段对内燃机的性能却有显著的影响。 ( 4 ) 在后燃期内，由于活塞下行，绝大多数燃料已烧完，因而对燃烧噪声影响不大 嘲。 综上所述，燃烧过程激发噪声主要集中在速燃期，其次是缓燃期。在速燃期内，最 大压力升高率是燃烧噪声的主要衡量指标，在缓燃期达到的最高压力并不是主要的 1 2 燃烧噪声的产生机理 缸内气体压力的剧变是内燃机产生燃烧噪声的根源，燃烧过程产生的结构振动和噪 声，表现在两个方面：一是由气缸内压力急剧变化引起的动力载荷，由此产生的结构振 动频率相当于各传声零件的自振频率；二是由气缸内气体的冲击波引起的高频振动，其 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 频率相当于气缸内气体的自振频率。燃烧噪声产生的机理可以从以下两方面进行表述： ( 1 ) 气缸内的压力剧变使得气缸及其连接的所有部件受到强烈的冲击性动力载荷，形 成的瞬态激励将通过气缸盖，气缸套、活塞连杆机构、曲柄及其支撑最后传到内燃机的 整个机身并产生各部件的结构振动。由于是瞬间的冲击载荷，因此产生的结构振动为各 零件的自振振动，其振动频率为各零件的模态自振频率。由于内燃机的结构是一个相当 复杂的振动系统，各零件的模态自振频率不尽相同，且大多处于中高频范围，因此，由 燃烧噪声向外发射的噪声频率大多处于中高频范围内。由气体动力载荷引起的噪声，主 要取决于压力升高率及最大压力升高率持续的时间，压力升高率越快、最大压力升高率 持续时间越长，产生的噪声越大。 ( 2 ) 在滞燃期内，喷入燃烧室中的燃油进行物理和化学的准备，燃烧条件成熟时首 先在燃烧室内若干点处着火，首先着火处的局部压力急剧升高，火焰向邻近区域传播， 在传播火焰的同时，也传播着具有冲击性质的压力波明。这种冲击波遇到燃烧室壁时便 发生反射现象，冲击波在气缸内的多次来回反射，就形成气体的高频振动，这种高频振 动在膨账冲程中会保持很长的时阋，并由此辐射出高频噪声 气缸中气体的高频振动的频率，可近似的按下式计算，即 ， ，- - 羔 ( 比) ( 1 1 ) 二t ， 式中，c 二为冲击波的传播速度( m s ) ； d 为气缸直径( m ) 一般可取c 乙- - 1 ，1 肛1 1 5 c ( m j s ) ，其中c = 2 0 0 5 以( m s ) ，乃为气缸内气体的 最高温度( k ) 嘲。 1 3 着火延迟期 着火延迟期是影响燃烧噪声的一个重要指标，其可以区分为： 弓f 物理+ 气+ + 毛 ( 1 2 ) 式中吒为着火延迟期；锄曩为物理着火延迟期，是喷入的燃料进行雾化、气化所需 要的时间；气为到达发生冷焰为止的延迟时间；巳为到达发生蓝焰为止的延迟时间；毛 为到达发生能产生最终燃烧产物的热焰为止的延迟时间吃与毛难于明确地区分开，所 以将其合并为吃于是着火燃迟期可以表示为： q f 钧曩+ t + 吃， ( i 3 ) 预喷射控制燃烧噪声的仿真计算与试验研究 z 锕受喷射压力和空气温度的影响，西特基对于当喷射压力为1 2 5 大气压时，假定 曩为0 5 x 1 0 - 3 秒，针对十六烷值为5 2 的燃料，给出了如下的经验公式： q1 0 5 + 警。等+ 箬。等毫秒 ( 1 4 ) 式中p 为喷射压力；t 为空气温度。 1 4 气缸压力变化的频谱特性 在稳定的工况下，缸内气体压力的变化是一个周期性变化的曲线，通过傅里叶变换 可获得以每秒内内燃机工作循环数为基频的频域压力幅值谱，即气体压力振动激励，将 激励引起内燃机气缸内所连接部件的强迫振动，如将以上各频率下的压力幅值，与计算 声压级一样采取基准压力为2 x 1 0 4 n m 2 ，便可得到气缸压力级频谱曲线，通过对气缸 压力级的频谱分析，可进一步了解燃烧噪声源的特性。气缸压力级频谱曲线可由气缸气 体压力直接制取，也可用频谱分析仪及气缸压力传感器对内燃机测定获得。 冒 ； 奋 拳 频率c 如) 图1 1 气缸压力级频谱曲线 f i g 1 1c y l i n d e rp r e s s u r es p c c u u m c u r v e 图1 1 所示为气缸压力级频谱曲线，可分为三段： ( 1 ) 低频段。图1 1 约为8 0 h 眨以下，包括以气缸压力基频开始的头几个谐波。在此 频段内气缸气体压力级达到相当大的量级，数值主要由气缸气体压力的最高爆发压力以 及压力曲线的形状决定。其激励振幅值相当大，为激励气缸内各部件低频强迫振动的激 励源，但由于气缸内部件的刚性通常很大，其自振频率很高，此低频激励引起的强迫振 动受到很大限制，不易向外辐射出大的噪声，反而会受到很大的衰减 大连理工大学硕i - 学j f t 论文 ( 2 ) 中频段。图1 1 中8 0 - 1 2 0 0 h z 的范围。其特点是气缸压力级近似的以对数规律 作线形递减。中频段的压力产生的激励，相对于低频段更易于通过部件振动向外传出。 ( 3 ) 高频段。图1 , 1 中1 2 0 0 i - i z 以上的频段，在此区域内出现另一个压力级峰值，这 是在实际测试中测到了气缸内气体所发生的高频振动的结果嘲其数值主要由缸内最大 压力升高率以及压力高频振动所决定【1 0 l 。 由以上分析可知，燃烧噪声源自内燃机的发火特性。气缸内气体压力的周期性交变、 着火肘的压力剧变以及气体冲击波的高频振动将形成内燃机气缸部件的强迫振动及自 振振动并通过各个部件辐射出噪声。 1 5 燃烧噪声的传播途径 由以上对内燃枫燃烧噪声的机理分析可知燃烧噪声的形成是由气体压力的剧变而 引起，具有气体动力的特性。但是由于它的传播方式不是直接向大气辐射形成噪声，而 是通过激励内燃机中与之相连接的零件产生振动，最终通过内燃机的机体表面辐射出 来，因而具有表面辐射的特征【1 1 1 由于它是通过激励零件。产生振动响应，最后辐射出 相应的噪声来，所以它受其传声零件本身振动传递特性的影响很大，所辐射出的噪声有 的受到制约而大大衰减。由于气缸盖、气缸套、曲柄、活塞连杆机构等零件的固有频率 多集中在中高频率范围内，当气体压力振动频率与传声零件固有频率相近或相同的时 候，就会引起共振，丙低频段的噪声就会受到很大的吸收和衰减，研究表明共振频率处 辐射的燃烧噪声能量很大。 可见，为了降低燃烧噪声，除了通过控制激振源，以获得较小的气缸最大爆发压力 和最大压力升高率，还可以通过增加柴油机在中高频段的结构衰减程度来控制燃烧噪 声。 1 6 燃烧噪声的主要影响因素 对各种燃烧方式柴油机制取气缸压力谱表明，最高爆发压力决定气缸压力谱的低频 域成分，最大压力升高率决定气缸压力谱的中、高频成分由于噪声频率主要集中在中、 高频段，所以降低燃烧噪声的关键是控制最大压力升高率。最大压力升高率取决于着火 延迟期和燃料喷射规律，也就是在滞燃期内积聚的可燃燃油量的多少【1 2 1 。滞燃期内积聚 的可燃燃油量是决定柴油机燃烧噪声的根本因素，其他各种参数影响燃烧噪声的机理最 终都归结到这一点【廿l 。一般说来，滞燃期越长，着火前积聚的可燃混合气量越多，燃前 反应进行的越充分，以致着火后燃烧越剧烈，预混合燃烧的加速度越大，从而越容易激 起压力振荡波，振荡后的振幅也越大，燃烧噪声也越大【1 4 】。显然，影响滞燃期的因素也 将直接或间接的影响燃烧噪声。对于柴油机，影响滞燃期的因素很多，包括结构参数、 预喷射控制燃烧噪声的仿真计算与试验研究 状态参数，还包括喷油提前角，燃烧室结构，燃料性质等其它参数，都是通过影响滞燃 期来影响燃烧噪声的。 ( 1 ) 进气温度和压力 滞燃期随着进气温度的升高而缩短，而且，压缩比越低进气温度愈低时，滞燃期受 进气温度的影响越明显，当压缩比越高，进气温度越高时，滞燃期受进气温度的影响变 得缓和。经过大量的研究，发现压缩温度是压缩始点时缸内气体温度及压缩比的函数， 可以用下式表示： 乞+ 2 7 3 - 化+ 2 7 3 ) e “ ( 1 5 ) 式中：乞为压缩温度，。c ； 为压缩始点温度，。c ； 为压缩比； 辨为多变指数。 将上式对进行微分，则得： 誓f - a ( 1 6 ) 讲j 当册- l 3 5 时，压缩始点温度每上升1 0 。c 时，随着压缩比的不周，压缩温度将上升 2 0 一3 0 。 同样压缩压力也是压缩始点时缸内气体压力及压缩比的函数，可以用下式表示： 扫 詈一， ( 1 7 ) j 式中：只为压缩压力； 弓为压缩始点压力； p 为压缩比； 册为多变指数。 可见压缩比和压缩始点压力对压缩压力有很大的影响，并且随着进气压力的增加， 缸内温度和压力增加，滞燃期缩短，但缩短的程度较为缓和，没有进气温度对滞燃期的 影响大。所以，提高迸气温度和压力可以缩短滞燃期，从而减小燃烧噪声。 ( 2 ) 喷油提前角 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 喷油时间对燃烧噪声的影响规律一般是喷油时间早，则燃烧噪声加大。喷油时间适 当延迟，则燃烧噪声减小【捧1 6 1 其原因是由于气缸内压缩温度和压缩压力是随着曲轴转 角而交化的，喷油时间的早晚对滞燃期长短的影响将通过压缩温度和压力而起作用。如 果喷油早，则燃料进入气缸时的空气温度和压力低，这时滞燃期变长相反，适当推迟 喷油时间可使滞燃期缩短，燃烧噪声减小。如果喷油过迟，虽然燃料进入气缸后的初始 温度和压力较高，但因作用的时间短，会出现着火前活塞已开始下行的情况，使缸内的 空气温度和压力降低，从而又使滞燃期延长，燃烧噪声增大。分析表明存在一个使滞燃 期最小的喷油时间。喷油提前角对滞燃期这种本质性的影响，将直接决定着滞燃期内可 燃燃油量的多少，从而影响着速燃期的燃烧速度和加速度，放热速度和加速度，以及缸 内压力升高的速度和加速度。喷油提前角不但对燃烧噪声影响很大，同时也影响着排放 和燃油经济性等指标从经济性、动力性的角度考虑来调整喷油时间，需要增大喷油提 前角，而从燃烧噪声和n o x 排放和的角度出发，则需要适当减小供油提前角1 1 7 1 ( 3 ) 喷油压力 喷油压力对燃烧噪声的影响主要通过两个方面体现。首先，在其他条件相同的情况 下。喷油压力提高后则喷油速率相应提高，滞燃期内喷入的燃油量也随之提高其次， 高压喷射使燃油与空气的混合得到改善，从而提高滞燃期内可燃燃油的生成速率。这两 个因素都促使滞燃期内积聚的可燃燃油量增加，燃烧嗓声加剧。不过，喷油压力对燃烧 噪声的影响是受喷油提前角限制的，在喷油提前角较小的时候，喷油压力对燃烧噪声的 影响不明显，而当喷油提前角较大的时候，喷油压力对燃烧噪声的影响效果会增加。这 是因为，喷油压力只影响着喷注的破碎、雾化、加热、汽化和混合速度，即只影响物理 滞燃期，而对化学滞燃期的影响不大，而后者恰恰是滞燃期的主要组成部分，所以喷油 压力对燃烧噪声的影响不大。随着喷油提前角的增大，缸内的温度和压力较低，滞燃期 加长，则影响效果增强。 ( 4 ) 喷油规律 控制喷油规律，如在减小初期喷油率的前提下缩短喷油持续期，可以获得较理想的 燃烧性能。如果初期放热量大，因为燃烧的等容度提高，所以，最高燃烧压力和压力升 高率均升高，则燃烧噪声增加；而在相同的放热规律下，着火时刻越早，就越接近等容 加热循环，因此，压力升高率最大，燃烧噪声也最高；若采用幻型放热规律，因为初 期放热量很小，大部分热量是在活塞离开上止点较远的较大容积下释放出来的，所以， 压力升高率和最高燃烧压力都很低，燃烧噪声也很低【搏堋。 ( 5 ) 增压 预喷射控制燃烧噪声的仿真计算与试验研究 柴油机增压后使进入气缸的气体压力增大，空气充量密度增加，压缩后期气缸内的 温度和压力相应提高，从而使滞燃期缩短，滞燃期内积聚的可燃混合气量减少，导致速 燃期内的燃烧速度和加速度变小，这就反映在最大压力升高率交小。虽然使得最大爆发 压力有所增大，但其使发动机运转平稳，燃烧噪声降低。 ( 6 ) 中冷 增压空气中间冷却后，空气温度降低，充气效率得以提高，但同时也减弱了增压对 降低燃烧噪声的作用。 ( 7 ) 压缩比 提高压缩比可使滞燃期内的燃烧室气体温度和压力升高，故能缩短滞燃期，减少直 喷式柴油机在滞燃期内积聚的可燃燃油量，使放热率的最大值降低，因而降低燃烧噪声。 ( 8 ) 燃油品质 不同燃油品质( 十六烷值、碳氢组分、密度和蒸发性等) 的燃油，喷入柴油机燃烧室 后，着火前的物理、化学准备过程亦不同，从而导致着火延迟期的不同。较低十六烷值 的柴油与较高十六烷值的柴油相比，在较高的温度和压力情况下着火延迟期差别较小， 随着温度的下降差别则逐渐增大，十六烷值高的燃料着火延迟期较短。 ( 9 ) 燃烧室 柴油机工作过程的好坏主要取决于燃油喷射规律、气流运动和燃烧室形状三方面的 配合是否合理。因此，燃烧室的形状与混合气形成与燃烧有密切的关系，它不但直接影 响柴油机的性能，而且影响着火延迟期，压力升高率，从而影响燃烧噪声。根据混合气 的形成及燃烧室结构的特点，柴油机的燃烧室基本上可分为直喷式和分隔式两大类：直 喷式燃烧室常用的有开式、半分开式、球型燃烧室等，分隔式常用的有涡流室和预燃室。 一般说来在其它条件相同的情况下，直喷式燃烧室中的球型和斜置圆桶形燃烧室燃 烧噪声最低；分隔式燃烧室的燃烧噪声也较低；燃烧噪声最大的是型直喷式燃烧型明。 球型燃烧室燃烧噪声较小的原因是：喷油器在高压下将燃油顺气流和接近于燃烧室 的切线方向喷入室内时，燃油的绝大部分附着在燃烧室壁上，形成比较均匀的油膜。之 后，油膜从燃烧室壁上吸热、逐渐蒸发。形成混合气，这样，者火延迟期内燃料的蒸发 混合量就少。因此，不会出现气缸压力急剧升高的现象，故发动机工作柔和，噪声低。 ( 1 0 ) 喷孔数、喷孔直径和喷孔面积 对于同样的循环喷油量，喷孔数目越多，喷孔直径越小，滞燃期越短，燃烧噪声越 低当喷孔直径和循环喷油量固定时，增加喷孔数和总面积，则滞燃期缩短，燃烧噪声 降低。这是因为喷油速率加大，在相同的时间内喷入缸内的油量增加，从而使参加反应 大连理工大学硕士学位论文 的油量增加。同时，喷孔数目增加使燃油在燃烧室内的分布均匀性增加，改善了混合， 增加了油分子与气分子之间碰撞的几率。 如果在循环喷油量相同的情况下，缩小喷孔直径，同时增加喷孔数，则由于喷雾细 微度增加，喷雾在燃烧室内的分布益趋均匀，使滞燃期缩短，同时减少了滞燃期内喷入 的可燃混合气量，使燃烧噪声降低 0 1 ) 转速和负荷 从总体上说，随着转速的提高，燃烧噪声增大。这是因为柴油机的转速提高后，按 时间计的滞燃期缩短，而按曲柄转角计的滞燃期延长。所以，转速增加后缸内压力最大 值和压力升高率最大值都增大，燃烧噪声增强 负荷对燃烧噪声有正反两方面影响。一方面，负荷的增加，意味着每循环喷油量的 增加，从而在相同的时间内形成的可燃燃油量增加，这将提高速燃期内燃烧加速度和放 热加速度，进而增大燃烧噪声：另一方面，负荷增加后燃烧室壁温度升高，滞燃期缩短， 进而减少燃烧噪声。所以，在两种相反因素的相互制约下，负荷对燃烧噪声的影响不大。 1 7 降低燃烧噪声的方法 1 7 控制燃烧噪声的基本原理 根据燃烧噪声产生的机理及相关的影响因素，应该从下面两个方面来控制燃烧噪 声。 ( 1 ) 对噪声源进行控制；降低燃烧噪声的途径主要是改变其发火特性，其中重要的 一环是使燃烧进程变得平缓，即降低发火阶段的压力升高率，因此应从燃料性质、燃烧 环境等方面考虑。为此可以提高进气温度和压力；组织适当的进气涡流；采用较高十六 烷值的燃料；选用涡流室等分开式燃烧室：适当选择喷油规律，控制喷油定时；采用增 压，e g r 等措施。这样可以缩短滞燃期，也将减少滞燃期内形成的可燃燃油量。 ( 2 ) 对燃烧噪声传播途径的控制：由以上对内燃机燃烧噪声的机理分析可知燃烧噪 声的形成是由气体压力剧变而引起的，具有气体动力的特性。但是它的传播方式，却不 是直接向大气辐射形成噪声，而是通过内燃机中与之相接触的零件受激发生振动，最终 是通过内燃机的机体表面辐射出来，具有表面辐射的特征，故常将之归类于表面噪声 类，由于它是通过对零件受激，产生振动响应，最后辐射出相应得噪声来，所以它受其 传声零件本身振动传递特性的影响很大。而柴油机的结构，如气缸盖、气缸套、曲柄、 活塞连杆机构等零件作为传声部件，其自振频率多处予中高频段，当气体压力振动频率 与传声零件固有频率相近或相同的时候，就会引起共振，而低频段的噪声就会受到很大 的吸收和衰减，研究表明共振频率处辐射的燃烧噪声能量最大，因而必须增加结构对中 预喷射控制燃烧噪声的仿真计算与试验研究 高频率成份的衰减，才能控制燃烧噪声。为此可以采用铸铁或钢的活塞，在活塞等部涂 以隔热材料；减小活塞曲柄连杆机构各部分的间隙；对机体及缸套采用隔振和隔声措施； 缩小缸径，增加缸数或采用较大的行程缸径比；改变薄壁零件( 油底壳等) 的材料和附 加阻尼等方法1 2 1 1 。 控制燃烧噪声的同时，必须兼顾动力性，经济性及排放等指标。对于燃烧过程来说， 放热时刻、放热规律和放热持续时间是其三个主要要素，它们对性能的影响主要表现在 循环热效率和最高燃烧压力两个方面。为了减少燃烧噪声及降低机械负荷，希望降低最 大压力升高率及最高燃烧压力；而欲使柴油机有较高的热效率，希望燃料尽量在上止点 附近燃烧。降低最大压力升高率，就意味着较多地燃料不在上止点附近燃烧，其结果使 燃烧拉长，柴油机热效率下降，燃油消耗率增加因此，降低燃烧噪声( 使柴油机工作 平稳) 与提高经济性( 使柴油机经济运行) 之间往往发生矛盾。所以，应该对控制燃烧 噪声的方法进行优化，以得到最为理想的效果。 1 7 2 降低燃烧噪声的措施 ( 1 ) 隔热活塞 采用隔热活塞可提高燃烧室壁面温度，缩短滞燃期，降低直喷式柴油机的燃烧噪声。 ( 2 ) 废气再循环( e g r ) 废气再循环就是将内燃机排出的废气部分地通过迸气管送回气缸，其初衷是降低 崛排放。由于降低了缸内压力峰值和压力升高率，而且提高了进气温度和燃烧室壁温 度，缩短滞燃期，故同时有降低燃烧噪声的作用。 d ) 预喷射 所谓预喷射，就是将本来打算一个循环一次喷完的燃油分成两次喷射。第一次先喷 入其中的一小部分，提前在主喷之前就开始进行点燃的预反应，如此可减少在滞燃期内 积聚的可燃燃油量。这是降低直喷式柴油机燃烧噪声的最有效措施【矧在预喷射的过程 中，首先喷入的预喷射燃油对主喷射燃油的燃烧起到了活化的作用，预喷射燃油首先燃 烧，使主喷射燃油喷入前的燃烧室壁面温度升高，这样会导致主喷射的滞燃期明显缩短， 从而使滞燃期内形成的可燃燃油量明显减少。由于滞燃期内积聚的可燃燃油量是决定柴 油机燃烧噪声的根本因素，而其他各种参数影响燃烧噪声的机理最终都归结到这一点， 所以采用预喷射手段，会对燃烧噪声有所改善。 ( 4 ) 共轨喷油系统 大连理工大学硕士学位论文 共轨喷油系统是一种很有应用前景的直喷式柴油机电子控制高压燃油喷射系统，特 别有利于降低燃烧噪纠埘应用此系统，可以实现各种喷油规律，如台阶形、预喷形、 靴形喷射等。 ( 5 ) 电子控制 电子控制的柴油机，无论是采用直列泵、分配泵或其它喷油装置，都能根据转速、 负荷、进气温度、燃油温度、冷却液温度等精确控制喷油定时、e g r 率和增压压力等， 进而控制燃烧噪声例 1 8 国内外研究概况及发展趋势 传统的评估燃烧噪声的方法主要有通过测量发动机表面振动进而分离得出燃烧噪 声；或者对气缸压力级进行频谱分析进而应用气缸压力级频谱评定燃烧噪声。对于燃烧 噪声控制、测试和分析，目前国内外都采用了一些新的技术和方法。燃烧噪声控制方面： 应用高压共轨电控喷油系统，采用预喷射或多次喷射等理想的喷油规律【2 5 调；改变燃烧 室形状，提高压缩比等方法燃烧噪声测试方面：根据理论及大量的实验研究，推导出 发动机机械噪声和燃烧噪声的分离公式，提出了测试发动机燃烧噪声的新方法。燃烧噪 声分析方面：应用计算机软硬件仿真计算技术优化发动机系统唧，通过时域、频域分析 等技术降低噪声；用小波包变换方法代替傅立叶变换对缸内压力进行实时分析【勰l ，可以 很好的指导如何降低燃烧噪声燃烧噪声识别方面：应用赢用软件通过发动规缸压时频 域信号直接提取燃烧噪声；采用多元回归分析对气体动力噪声、机械噪声、燃烧噪声进 行识别；应用相干输出功率谱函数法从发动机总噪声中直接识别燃烧噪声。 国内外通过研究喷油率、喷油定时以及引燃喷油对燃烧噪声的影响f 柳，设计了两段 升程装置；采用引燃喷射装置在较大的转速范围及加速情况减小燃烧噪声；通过降低双 弹簧喷油器初次开启压力和针阀的预升程来抑制空气和燃料混合气的形成对燃烧噪声 的影响；采用二次喷射控制喷油率，研究了喷射特性和燃烧噪声之间的关系；通过抑制 初次喷油率来降低发动机燃烧噪声等等。 目前国内对燃烧噪声的研究主要通过调整发动机结构来控制，在预喷射方面，多致 力于改善排放和提高经济性的研究，以及对启动、怠速等工况的控制，而采用预喷射来 控制发动机燃烧噪声的研究相对较少。对于计算机仿真技术对发动机设计的指导、分析 以及故障诊断功能，已经得到许多研究人员的共识。目前对仿真计算应用，多采用硬件 在环仿真技术：而仿真软件的使用以m a t l a b s i m u l i n k 和a v l 公司的h y d s i m 和b o o s t 为主【删在国内应用g t - s u i t e 软件，进行发动机仿真计算还处于初级阶段。 预喷射控制燃烧噪声的仿真计算与试验研究 1 9 本课题的研究内容 本文首先从理论出发，研究柴油机燃烧噪声的机理、影响因素以及控制方法，结合 国内外对燃烧噪声的识别、控制和分析的理论，提出采用预喷射手段对柴油机燃烧噪声 进行控制。然后，采用专用发动机计算仿真软件g i 堪l q t e 对发动机燃烧噪声进行计算 研究，并且比较预喷射与单次喷射对最大压力升高率等参数的影响。最后，在柴油机试 验台架上进行6 1 0 6 型发动机试验，研究预喷射对燃烧噪声的控制，同时考察其对经济 性、排放等性能的影响，并与仿真计算结果进行比较。 大连理工大学硕士学位论文 2 仿真计算软件介绍 2 1 仿真计算的优点 ( 1 ) 在某种新型发动机研发、匹配的前期，把仿真计算和试验相结合，可以更加深 入地研究发动机的运行过程，有根据的选择和确定新系统的初步结构参数和评估新系统 的工作特性以及评估系统结构参数和运转参数对发动机各方面性能的影响，为整个发动 机系统的软、硬件设计提供设计数据和设计方法，可以有效的缩短系统的设计时间，节 约资金。 ( 2 ) 在发动机系统研发、匹配的后期，在各结构参数已经确定的情况下，把仿真计 算和试验相结合，可以根据实际需要优化或者确定系统的运行参数。 ( 3 ) 由于采用仿真系统可以代替实际系统，可使改变参数进行实验的次数不受限制， 且仿真的结果具有可重复性；还可以进行极限状态下的测试试验，而不具有破坏性，费 用低，无危险。因此可以大幅度减少台架试验工作，降低费用，明显缩短开发和钡4 试周 期。 ( 4 ) 通过发动机系统的动态仿真计算，可以获得某些无法通过试验手段获得的重要 参数及指标，比如各种动态过渡过程、内部流动过程、喷油特性等。发动机系统仿真还 可以对各系统的损失，如摩擦损失，压力损失等进行定量分析，也可以仿真研究各种不 正常状况，如二次喷射，各零部件过度振动，连接件泄漏等对整个系统所带来的影响。 2 2g t - s u it e 仿真软件简介 g t - s u i t e 系列软件是美国g a m m at e c h n o l o g i e s 公司开发的汽车仿真分析软件， 在同类软件中居于领先地位。g t - s u i t e 是一个集成化的c a e 软件包，主要应用于车 辆设计参数的分析、各种运行情