柴油机的噪声控制.doc

研讨柴油机噪音的控制柴油发动机柴油发动机是燃烧柴油来获取能量释放的发动机。它是由德国发明家鲁道夫迪塞尔（Rudolf Diesel）于1892年发明的，为了纪念这位发明家，柴油就是用他的姓Diesel来表示，而柴油发动机也称为狄塞尔发动机。简介 柴油发动机的优点是功率大、经济性能好。柴油发动机的工作过程与汽油发动机有许多相同的地方，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个冲程。但由于柴油机用的燃料是柴油，它的粘度比汽油大，不容易蒸发，而其自燃温度却比汽油低，因此，可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。不同之处主要有，柴油发动机的气缸中的混合气是压燃的，而非点燃的。柴油发动机工作时，进入气缸的是空气，气缸中的空气压缩到终点的时候，温度可以达到500-700，压力可以达到4050个大气压。活塞接近上止点时，供油系统的喷油嘴以极高的压力在极短的时间内向气缸燃烧室喷射燃油，柴油形成细微的油粒，与高压高温的空气混合，可燃混合气自行燃烧，猛烈膨胀产生爆发力，推动活塞下行做功，此时温度可达1900-2000，压力可达60-100个大气压，产生的功率很大，所以柴油发动机广泛的应用于大型柴油设备上。特点 传统柴油发动机的特点：热效率和经济性较好，柴油机采用压缩空气的办法来提高空气温度，使空气温度超过柴油的自燃点，这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧。因此，柴油发动机无需点火系统。同时，柴油机的供油系统也相对简单，因此柴油发动机的可靠性要比汽油发动机的好。由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要，柴油机压缩比很高。热效率和经济性都要好于汽油机，同时在相同功率的情况下，柴油机的扭矩大，最大功率时的转速低，适合于载货汽车和船舶的使用。但柴油机由于工作压力大，要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度，所以柴油机比较笨重，体积较大；柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高，所以成本较高；另外，柴油机工作粗暴，振动噪声大；柴油不易蒸发，冬季冷车时起动困难。由于上述特点，以前柴油发动机一般用于大、中型载重货车上。传统上，柴油发动机由于比较笨重，升功率指标不如汽油机(转速较低)，噪声、振动较高，炭烟与颗粒(PM)排放比较严重，所以一直以来很少受到轿车的青睐。特别是小型高速柴油发动机的新发展，一批先进的技术，例如电控直喷、共轨、涡轮增压、中冷等技术得以在小型柴油发动机上应用，使原来柴油发动机存在的缺点得到了较好的解决，而柴油机在节能与CO2排放方面的优势，则是包括汽油机在内的所有热力发动机无法取代的，成为“绿色发动机”工作原理柴油发动机的工作过程其实跟汽油发动机一样的，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个冲程。柴油机在进气行程中吸入的是纯空气。在压缩行程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。由于柴油机压缩比高（一般为16-22），所以压缩终了时气缸内空气压力可达3.5-4.5MPa，同时温度高达750-1000K（而汽油机在此时的混合气压力会为0.6-1.2MPa，温度达600-700K），大大超过柴油的自燃温度。因此柴油在喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便立即自行发火燃烧。气缸内的气压急速上升到6-9MPa，温度也升到2000-2500K。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而作功，废气同样经排气管排入大气中。普通柴油机的供油系统是由发动机凸轮轴驱动，借助于高压油泵将柴油输送到各缸燃油室。这种供油方式要随发动机转速的变化而变化，做不到各种转速下的最佳供油量。共轨喷射式供油系统由高压油泵、公共供油管、喷油器、电控单元（ECU）和一些管道压力传感器组成，系统中的每一个喷油器通过各自的高压油管与公共供油管相连，公共供油管对喷油器起到液力蓄压作用。工作时，高压油泵以高压将燃油输送到公共供油管，高压油泵、压力传感器和ECU组成闭环工作，对公共供油管内的油压实现精确控制，彻底改变了供油压力随发动机转速变化的现象。其主要特点有以下三个方面：1喷油正时与燃油计量完全分开，喷油压力和喷油过程由ECU适时控制；2可依据发动机工作状况去调整各缸喷油压力，喷油始点、持续时间，从而追求喷油的最佳控制点；3能实现很高的喷油压力，并能实现柴油的预喷射。1.1柴油机噪音的特点 随着工业的发展和对环境要求的不断提高，噪声已经成为一个主要污染源，它与空气污染及水污染一起被列为当今世界三大主要污染源。因为有许多不同种类的力作用在高功率具有多振动源，宽频带和复杂模式的特性。发动机的主要噪声分为空气动力噪声和机制噪音。一般来说，发动机的噪声有空气动力噪声和机械噪声。空气动力噪声包括排气噪声，进气噪声和燃烧噪声等.机械噪音的作业噪声，是由曲柄链接和齿轮啮合和定时装置，与振动的不平衡惯性力造成的。因为发动机是一个多噪声源的系统，因此运用可行性的方法和路径找到其主要噪声源系统才是重要的。针对某些高率柴（ 8缸发动机）振动和噪声进行了分析。在柴油机噪声分析中应用频谱分析和相干函数的噪声信号是用来识别噪声源，频率响应曲线的噪音。控制这一特定的柴油发动机振动和噪声是必要的基础。1.2柴油机噪音对于自身的危害 柴油机噪音对于自身的危害巨大，巨大的噪音和振动会影响柴油机的使用寿命，缩短控制系统及其他电子元件的使用寿命，影响其正常的工作。2.1柴油机噪音的主要作用机理 柴油机噪音大有两大源头，一个是缸内的燃烧特性决定，另一个则是由于供油系统产生。现在许多先进的柴油发动机已经在逐步着手解决这些问题，通过采用电控共轨柴油直喷技术，取消了供油分泵，因此相当程度减小了柴油机的振动和噪音。另外，由于先进的柴油发动机的供油更精确，缸内或爆震敲缸的振动也能大幅度降低。 同转速同负荷的瞬态工况燃烧噪声要高于稳态工况的燃烧噪声，二者的差别是因为燃烧室壁面温度的不同由气力动力载荷和压力高频振荡的差异形成了瞬态工况和稳态工况燃烧噪声水平的不同， 燃烧噪声作为燃烧激励的外部响应，必然受到燃烧过程的四个阶段一滞燃期、急燃期、缓燃期和后燃期的影响。滞燃期内，燃油与缸内压力空气混台气形成的可燃混合气正处于物理和化学准备阶段，缸内工质只受到活塞上行的压缩作用，因此缸内压力和温度变化都很小，对燃烧噪声的直接影响甚微。 但是，由于滞燃期对燃烧过程的进展有很大影响，所以它对燃烧噪声有间接的重大影响。急燃期内，气缸内压力急剧升高，燃烧粗暴，燃烧气体形成的冲击波猛烈冲击燃烧室壁，燃烧噪声增大。缓燃期内，燃烧是在气缸容积不断增加的情况下进行的。在这个阶段，气缸内气体有一定的压力增长率，所以仍能激发一定强度的燃烧噪声，但压力增长缓慢，对噪声的影响已不显著。后燃期内，因活塞下行，绝大部分燃料已经燃烧完毕，燃烧冲击很弱，因而燃烧噪声也很小。2.2柴油机噪音的主要类型 内燃机噪声主要包括机械噪声、燃烧噪声、空气动力性噪声和液体动力噪声。对于直喷式柴油机，燃烧噪声是其主要噪声源之一，降低燃烧噪声对柴油机整机辐射噪声的控制水平起到重要的作用。2.3柴油机噪音控制的途径和基本方法 从燃烧噪声形成的机理来看，应从以下两个方面降低内燃机的燃烧噪声：一是从产生的根源上，降低气缸压力频谱曲线，特别是降低中高频的频率成分。为此可以提高进气温度和压力、组织适当的进气涡流、选用涡流室等分开式燃烧室、选用适当的喷油策略等等。这样可以缩短滞燃期及减少滞燃期内形成的可燃混合气。 二是从燃烧噪声的传播途径，增加内燃机结构对燃烧噪声的衰减，特别是对中高频频率成分的衰减。为此可以采取提高内燃机机体刚性及采用隔振和隔声措施；减小活塞曲柄连杆各部分的间隙；减小缸径、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。3.1柴油机燃烧噪音的通用的控制措施(1) 改进燃烧室结构 燃烧室的结构形状与混合气的形成和燃烧密切相关，燃烧室的结构决定着燃烧室空腔的声模态和压力高频振荡的频率，所以选择合适的燃烧室或对燃烧室结构，将能优化燃烧过程，降低压力升高率和削弱压力高频振荡。因此可以选择分隔式的燃烧室。在涡流室式内燃机中，喷油嘴的喷油方向偏离涡流室中心而指向下游，附着于缸壁面的燃料就越多，燃烧越平静，噪声就会越小。(2) 增压 柴油机增压后可使进入气缸的空气充量密度增加，进气温度增加，使得压缩终了的温度和压力增高，滞燃期缩短，所以可以降低燃烧噪声。(3) 废气再循环 废气再循环主要引入的初衷是用来降低NO。物，但废气再循环使得进气温度升高，减少燃烧率，使发动机获得平稳的运转，所以可以有效降低燃烧噪声。(4) 压缩比 提高压缩比可以提高压缩终了的压力和温度，因此缩短滞燃期，使燃烧噪声降低。但是压缩比的提高会使气缸压力增加，活塞敲击声增大，所以通过提高压缩比降低燃烧噪声应综合考虑其对活塞敲击声的影响。(5) 燃料 不同的燃料，喷人气缸后，其物理、化学准备过程不同，从而导致不同的滞燃期。十六烷值高的燃料滞燃期短，压力升高率降低，燃烧噪声降低。另外新的代用燃料，如生物制气，乙醇等有利于柴油机燃烧噪声的降低。3.2预喷射降低噪音的机理预喷 预喷就是将一个循环一次喷完的燃油分成两次喷。先喷入的一小部分提前在主喷之前就开始进行点燃的预反应，如此可以减少在滞燃期内积聚的可燃油量。这是降低直喷式柴油机燃烧噪声的最有效措施。3.3延迟喷油定时控制噪音的机理延迟喷油定时 由于气缸内压缩温度和压力是随曲轴转角而变化的，喷油时间将通过影响压缩温度和压缩压力而对滞燃期起作用。适当推迟喷油，进入缸内气体温度和压力升高，滞燃期缩短，所以使得燃烧噪声降低。但是如果过早和过迟喷油，进入缸内气体的压力和温度都反而会低，从而是滞燃期延长，燃烧噪声增大，因此有一个最佳喷油延迟时间。3.4电子控制技术电子控制 电子控制的柴油机能根据转速、负荷、进气温度、EGR率、增压压力、燃气温度、冷却液温度等精确控制喷油定时，选择合适的喷油策略，进而控制燃烧噪声，并能兼顾经济性和排放。共轨式喷油装置是柴油机电子控制使用广泛和成熟的装置。其优点除喷油压力可独立于发动机的负荷和转速外，还能实现喷油率波形的自由选择，使用该装置后的噪声水平得到很大的改善。3.5隔热活塞控制隔热活塞 采用隔热活塞可提高燃烧室壁温度，缩短滞燃期，降低空间雾化燃烧系统的柴油机的燃烧噪声。3.6国内外内燃机燃烧噪声研究现状及先进技术 对于燃烧噪声的研究，首先人们关注燃烧噪声产生的机理，燃烧噪声的识别，还有瞬态工况与稳态工况燃烧噪声不同的机理分析。近年来，随着计算机技术的发展，一些新的技术和方法开始应用与燃烧噪声的识别、分析与测试，使得对于燃烧噪声的研究技术有了长足的进步。目前，对应于燃烧噪声的研究主要集中在对降低燃烧噪声的措施，以及燃烧噪声、排放和燃油经济性相结合的研究，取得了较好的成果。 燃烧噪声是直喷式柴油机噪声的主要噪声源之一，其在整机辐射噪声中占有重要的地位。控制柴油机燃烧噪声对柴油机整机辐射噪声有着非常重要的现实意义。以往对于柴油机燃烧噪声的研究主要是关于燃烧噪声的表征、机械噪声与燃烧噪声的分离、燃烧噪声和活塞拍击声的分离以及瞬态工况燃烧噪声的机理研究。对于燃烧噪声的控制大都是对稳态工况燃烧噪声。因此本文在对稳态工况燃烧噪声影响机理和控制研究的基础上，开展了瞬态工况燃烧噪声控制策略的探讨，提出了一些控制瞬态工况燃烧噪声的方法；对于目前乘用车柴油化遇到的柴油机怠速噪声较大的现实问题，本文分析了柴油机怠速工况噪声特点，开展控制船用柴油车怠速工况燃烧噪声研究。取得的主要结果和结论：(1) 首先对燃烧噪声产生的机理和特性进行研究，得出凡是能减少滞燃期内可燃混合气的数量的措施，都能降低燃烧噪声：压力升高率和缸内压力高频振荡是决定燃烧噪声大小的两个主要直接因素，因此压力升高率和缸内压力高频振荡可用来表征燃烧噪声的大小。(2) 增压能使大部分稳态工况燃烧噪声降J氏ldB以上。负荷一定时，随着转速的增加，增压使得燃烧噪声的降噪量先增加后降低，这是因为高转速时，燃烧噪声所占整机辐射噪声的比例减少；而在转速一定时，增压引起的燃烧噪声的降噪量随负荷的上升而增加，在某些转速工况的高负荷工况又略有降低，但仍高于低负荷。总体来说，增压引起的燃烧噪声降噪量在中速中高负荷工况较大。增压引起的燃烧室壁面温度的差异与压力升高率变化趋势一致，使得缸内压力级的中高频段幅值降低，增压引起燃烧室壁面温度的变化是影响燃烧噪声的因素之一o(3) 稳态工况，保证功率损失在6以内，在中低负荷，可引入较大的EGR量，能够引起125dB的燃烧噪声降噪量，而在高负荷受到功率损失的限制，不能引入太大的EGR量，EGR对燃烧噪声的影响量较小。相同负荷，EGR对燃烧噪声的影响随转速的变化不大，只因为高转速柴油机燃烧噪声减小，应减d、EGR的引入量。(4) 从压力升高率和缸内压力高频振荡的角度分析EGR对燃烧噪声影响的机理，通过对比分析不同EGR率下压力升高率和缸内压力高频振荡，得出EGR正是通过改变压力升高率和缸内压力高频振荡影响燃烧噪声，随着EGR率的增加，高频段压力幅值降低，只是在某些工况有所增加，但压力升高率最大值降低，最终使得燃烧噪声降低。(5) 预喷射的引入，使得中低转速、中低负荷工况燃烧噪声降噪量较多，而对高转速高负荷燃烧噪声的降低效果不大。负荷一定的情况下，随着转速的增加，最优预喷量减小，主预喷间隔呈增大趋势。当转速一定时，随着负荷的增加，最优预喷量变化不大，只在满负荷时减少，主预喷间隔在中低转速随负荷的增加而减小，而在高转速不变。(6) 通过对不同预喷射参数下压力升高率，缸内压力级曲线，辐射噪声频谱研究分析，得出较小的预喷量不能引起足够的活化