柴油機燃用小桐子油燃燒噪聲分析*

梁 昱，周立迎，王子玉，程秀圍

(1.貴陽學院機械工程學院，貴陽 550005;2.中國北方發動機研究所，大同 037036)

前言

柴油機噪聲由多種聲源發出的噪聲組合而成，主要包括空氣動力噪聲、機械噪聲和燃燒噪聲3部分［1］。燃燒噪聲是從發動機機體表面輻射出的噪聲，其對發動機整機噪聲的貢獻最為突出［2］。

識別與分析燃燒噪聲常用的方法有:利用發動機缸內壓力，通過傅里葉變換或小波包變換從時域、頻域信號直接提取和分析燃燒噪聲;采用聲強測試技術，通過多元回歸分析對氣動噪聲、機械噪聲、燃燒噪聲進行分離、識別;應用相干輸出功率譜函數法從發動機總噪聲中直接識別燃燒噪聲;通過獨立成分分析方法進行燃燒噪聲識別。傳統的評估燃燒噪聲的方法是對氣缸壓力級進行頻譜分析，用氣缸壓力級頻譜與A計權聲壓級評定燃燒噪聲［3］。

小桐子是小油桐的種子［4］，經脫殼、除雜、烘干、壓榨、沉淀和過濾后制得小桐子油。小桐子油直接或深加工后可作為柴油機的代用燃料，但其異于柴油的理化特性直接影響了噴射、霧化、蒸發、混合以至整個燃燒過程，從而對發動機的性能和運行參數有較大的影響［5-6］。

本文中測錄柴油機燃用小桐子油的瞬時氣缸壓力，通過與原柴油機對比，從最高燃燒壓力、壓力升高率、壓力升高加速度、氣缸壓力頻譜曲線和A計權聲壓級，對柴油機燃用小桐子油的燃燒噪聲進行分析，以期進一步了解小桐子油的使用特性。

1 試驗油料

1.1 小桐子油

試驗采用的油料為0#柴油、體積分數20%小桐子油與80%0#柴油配制的柴油-小桐子摻混油(簡稱B20)、小桐子油(簡稱B100)和利用可控恒溫油浴將100%小桐子油加熱至150℃的高溫小桐子油(簡稱HB100)。

1.2 油料理化特性

油料的重要理化特性見表1。

表1 油料的理化特性

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗裝置與臺架

試驗所用機型為ZH1115單缸直噴水冷四沖程柴油機，發動機主要技術參數、臺架布置、試驗儀器和測試方法詳見文獻［7］。

2.2 試驗過程

發動機達到正常工作狀況，切換燃油管路的過程中，采用怠速運行，燃用不同油料后，均須運行一段時間，確保管路中之前試驗殘留的燃油耗盡。每個工況連續測錄100個循環的瞬時缸內壓力，以其平均值進行分析。

(1)燃用柴油相繼運行額定工況:功率14.01kW，轉速2 200r/min;最大轉矩工況:轉矩68.1N·m，轉速1 760r/min;準全負荷工況:轉速2 000和1 400r/min，轉矩60.8N·m。

(2)不待發動機冷卻，切換燃油管路，相繼燃用B20、B100和HB100運行額定工況，功率14.01kW，轉速2 200r/min。

(3)燃用 HB100運行最大轉矩工況:轉矩68.1N·m，轉速1 760r/min;準全負荷工況:轉速2 000和1 400r/min，轉矩60.8N·m;負荷特性工況:轉速2 200r/min，負荷75%，50%，10%。

(4)將供油提前角由18°CA調整為21°CA，燃用HB100相繼運行額定工況、最大轉矩工況、準全負荷工況和負荷特性工況(各工況參數同上)。

(5)燃用B100和B20運行額定工況。

(6)燃用柴油運行額定工況、最大轉矩工況、準全負荷工況和負荷特性工況(各工況參數同上)。

2.3 燃燒噪聲的評價方法

燃燒噪聲的評價方法最常用的是從氣缸壓力的時域和頻域特性兩方面進行分析。時域特性利用瞬時氣缸壓力獲得有關燃燒噪聲的主要信息，包括最大氣缸壓力、最大氣缸壓力升高率和最大氣缸壓力升高率加速度及3者對應的相位［8］。頻域特性是利用瞬時氣缸壓力獲取氣缸壓力頻譜來分析燃燒噪聲，包括氣缸壓力級頻譜和由頻譜各中心頻率聲壓級加權計算的A計權總聲壓級［9］。

氣缸壓力值通過快速傅里葉變換為復數形式，各諧次復數的模即為該諧次的振幅，也就是頻譜［10］，取基準壓力 2 ×10-5Pa，得到氣缸壓力級，再由1/1倍頻帶或1/3倍頻帶聲壓級合成A計權聲壓級［11］。計算方法如下:

式中:x(n)為第n個離散點的氣缸壓力值，MPa;k為諧次;X(k)為k諧次的傅里葉變換;L(k)為k諧次的氣缸壓力級，dB;LA為A計權聲壓級，dB;Lj為第j個1/1倍頻帶或1/3倍頻帶聲壓級，dB;Cj為A計權修正量，dB。

3 試驗結果分析

3.1 額定工況燃燒噪聲分析

圖1～圖4分別為18°CA和21°CA供油提前時額定工況分別燃用柴油、B20、B100、HB100的氣缸壓力、壓力升高率、壓力升高加速度和氣缸壓力級的對比分析曲線。

從圖1～圖3中可以看出，在兩種供油提前角下，燃用不同油料燃燒始點、最高燃燒壓力對應相位、最大壓力升高率對應相位和最大壓力升高加速度對應相位的順序均為HB100、B100、B20和柴油。小桐子油主要由油酸、亞油酸和棕櫚酸等組成，雖然它們都是大分子量的不飽和脂肪酸，但是沸點卻相對較低，易于揮發形成可燃混合氣［5］，在額定工況，噴油量較大，小桐子油密度較高，黏度大，噴油壓力較高，將燃油噴注到更為廣泛的區域，加之小油桐氧含量高，易于達到著火的氧濃度，這都對小桐子油在柴油機中的迅速著火有利。

雖然小桐子油易于著火，但相對柴油而言，其噴霧錐角小、顆粒大，滯燃期短，不易形成大量可燃混合氣，因此，預混燃燒的小桐子油只占很小的比例，大部分則靠擴散燃燒。供油提前角為18°CA時，對比 HB100、B100、B20，著火較早，速燃期較靠近上止點，HB100與B100和B20最大壓力升高率基本相同，因而HB100的最高燃燒壓力較大，對應相位靠前。柴油雖然著火較遲，但在較長的滯燃期內，形成的可燃混合氣量較大，著火開始后，盡管速燃期離上止點較遠，但較大的壓力升高率和壓力升高加速度仍使得其最高燃燒壓力最高。

供油提前角增大為21°CA后，著火始點位于上止點之前，此時活塞仍處于上行階段，缸內氣體被進一步壓縮，本就處于壓力上升時期，加上燃燒放出的熱量使得壓力升高率的值比18°CA時提高了約0.2MPa/°CA。由于急速燃燒期更加靠近上止點，因而HB100、B100有較高的最高燃燒壓力、壓力升高率和壓力升高加速度。

低頻域(低于300Hz)氣缸壓力級最大，主要由最高燃燒壓力和壓力曲線的形狀決定;中頻域(300～2 000Hz)氣缸壓力級以對數規律線性遞減，該頻域燃燒噪聲主要由壓力升高率決定;高頻域(2 000Hz以上)反映了缸內氣體的高頻振動，壓力升高加速度越大則高頻域聲壓級越高［12］。

從圖4可以看出，氣缸壓力級基本上隨頻率的增高而下降，總體來說各燃料的氣缸壓力級頻譜差別并不明顯，這主要是由于氣缸壓力曲線形態相似，趨勢基本相同，最高燃燒壓力、壓力升高率和壓力升高加速度的值相差較小所致。

供油提前角為18°CA時，低頻域的氣缸壓力級基本相同;300～1 500Hz頻域上，柴油的壓力升高率大，因而其氣缸壓力級較大;高頻域的氣缸壓力級已經較低，在最高氣缸壓力級一半以下，因而其對A計權聲壓級的貢獻較小，高頻域氣缸壓力級的波動較大，3 000～5 000Hz頻域上，HB100、B100的壓力級較高，更高頻域內，柴油和B20的壓力級較低。

供油提前角為21°CA時，低頻域的氣缸壓力級基本相同;由于氣缸壓力曲線更為相似，因而氣缸壓力級頻譜曲線差別更小，HB100的壓力升高率略小，在500～1 400Hz頻域內HB100的壓力級較小;高頻域內壓力級波動較大，柴油的壓力升高加速度略小，其壓力級比HB100與B100稍低，7 500Hz以上的頻域內，氣缸壓力級相差較小。

圖5為額定工況不同燃料的氣缸壓力A計權聲壓級。供油提前角為18°CA時，由于柴油的最高燃燒壓力、壓力升高率、壓力升高加速度均較大，因而其A計權聲壓級最高，B20、B100、HB100依次略有減小，相差不大。供油提前角為21°CA時，B100、HB100的最高燃燒壓力大，但B100和B20的壓力升高率和壓力升高加速度大，因而B100和B20的A計權聲壓級略高。與柴油相比，HB100的最高燃燒壓力較大，兩者的最大壓力升高率和壓力升高加速度基本相同，但值得注意的是HB100的A計權聲壓級卻比柴油要低，原因是HB100燃燒始點較早，最大壓力升高率和壓力升高加速度對應的相位靠前，在中頻域內HB100的壓力級較小，在中高頻域A計權修正值為正，對A計權聲壓級貢獻較大。氣缸壓力曲線形態和最高燃燒壓力相差較小的情況下，燃燒噪聲主要由最大壓力升高率及其對應相位決定，壓力升高率大，對應相位靠后，則燃燒噪聲大。

供油提前角由18°CA提前至21°CA后，燃燒始點提前，速燃期更接近上止點，使得最大壓力升高率與壓力升高加速度增大，燃用小桐子油的燃燒噪聲明顯升高。

3.2 準全負荷工況不同轉速的燃燒噪聲

圖6和圖7分別為不同轉速的準全負荷工況下燃用柴油與HB100時的最高燃燒壓力、最大壓力升高率和A計權聲壓級對比。

轉速升高，單位曲軸轉角對應的時間縮短，因而滯燃期對應的時間也相應縮短，在滯燃期內形成的可燃混合氣較少，燃燒始點和急速燃燒期對應的曲軸轉角靠后，因此，從圖6中可以看出，最高燃燒壓力和最大壓力升高率均隨轉速升高而降低。

四沖程發動機氣缸壓力級頻譜所采用的基頻為

式中:f0為基頻，Hz;T為發動機循環周期，s;n為轉速，r/min。

發動機基頻隨轉速升高而升高。轉速越高，單位時間內工作的循環次數越高，因機體表面振動而向外輻射的能量越大，因此，隨轉速升高，A計權聲壓級升高，如圖7所示。為了對比最高燃燒壓力和最大壓力升高率對燃燒噪聲的影響，在各轉速采用了與2 200r/min相同的基頻進行處理，可以看出，雖然最高燃燒壓力和最大壓力升高率隨轉速升高而降低，但是最大壓力升高率對應的曲軸轉角隨轉速升高而靠后，因此，按相同基頻處理后的A計權聲壓級，隨轉速變化趨勢并不明顯，差值也較小。這也說明燃燒噪聲主要由最大壓力升高率及其對應相位決定，最大壓力升高率大，燃燒噪聲大，最大壓力升高率對應相位越遲，燃燒噪聲越大。

對比柴油與HB100，HB100著火較早，其最大壓力升高率對應的相位靠前，供油提前角18°CA時，柴油的最大壓力升高率大于HB100，高轉速時最高燃燒壓力也大于HB100，因而柴油的燃燒噪聲大于HB100。

供油提前角為21°CA后，速燃期更接近上止點，HB100的最大壓力升高率與柴油相當，在中高轉速還大于柴油，最高燃燒壓力均大于柴油，只是由于最大壓力升高率相位較早，緩解了其燃燒噪聲的升高，結果是在中高轉速1 760和2 000r/min，HB100的燃燒噪聲高于柴油。

3.3 2 200r/min不同負荷的燃燒噪聲

圖8和圖9為2 200r/min不同負荷工況燃用柴油與HB100時的最高燃燒壓力、最大壓力升高率和A計權聲壓級的對比。

隨負荷的減小，循環供油量減小，最大壓力升高率和最高燃燒壓力均降低，A計權聲壓級也隨之降低。

對比柴油與HB100，HB100在額定點轉速各負荷下的燃燒噪聲均小于柴油;供油提前角增大后，HB100的A計權聲壓級增大，且在中高負荷增大較為明顯;柴油的則在中小負荷A計權聲壓級增大。

4 結論

從最高燃燒壓力、最大壓力升高率、最大壓力升高加速度、氣缸壓力級頻譜和A計權總聲壓級等參數對比分析了ZH1115柴油機燃用柴油和小桐子油的燃燒噪聲，可以得到以下結論。

(1)燃用柴油和小桐子油的氣缸壓力曲線形態相似，趨勢基本相同，最高燃燒壓力、壓力升高率和壓力升高加速度的值相差不大，氣缸壓力級頻譜差別并不明顯。

(2)氣缸壓力曲線形態和最高燃燒壓力相差較小的情況下，燃燒噪聲主要由最大壓力升高率及其對應相位決定，最大壓力升高率大，燃燒噪聲大，最大壓力升高率對應相位越遲，燃燒噪聲越大。

(3)轉速越高，單位時間內工作的循環次數越高，因機體表面振動而向外輻射的能量越大，隨轉速升高，A計權聲壓級升高。

(4)隨負荷的減小，循環供油量減小，最大壓力升高率和最高燃燒壓力均降低，A計權聲壓級也隨之降低。

(5)供油提前角由18°CA提前至21°CA后，燃燒始點提前，速燃期更接近上止點，使得最大壓力升高率與壓力升高加速度增大，燃用小桐子油的燃燒噪聲明顯升高。

(6)供油提前角為18°CA時，除1 400r/min準全負荷工況外，燃用高溫小桐子油的燃燒噪聲低于柴油;供油提前角為21°CA時，1 760和2 000r/min的準全負荷工況，燃用高溫小桐子油的燃燒噪聲高于柴油。

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