柴油機燃燒噪聲及其控制研究

劉海亮 孫偉

摘 要：本文主要從柴油機的結構和燃料入手，研究了柴油機燃燒噪聲產生的原理、原因，以及降低燃燒噪聲的幾種途徑。

關鍵詞：燃燒噪聲；燃燒室；噴油提前角

1 燃燒噪聲產生的原理

因為柴油機噪聲與燃燒過程有關，所以可以從柴油機燃燒過程的四個階段——滯燃期、速燃期、緩燃期和補燃期來研究。在滯燃期內燃料并未燃燒，尚在進行燃燒前必要的物理和化學準備，氣缸中的壓力和溫度變化都很小，因此對噪聲的直接影響甚微，但滯燃期對燃燒過程的進展有很大影響，因此對發動機燃燒噪聲起著間接的重大影響作用。在速燃期內燃料迅速燃燒，氣缸內壓力迅速增加，直接影響發動機的振動和噪音，影響速燃期內壓力增長率的主要因素是著火延遲期的長短和供油規律。著火延遲期越長，在此期間噴人氣缸的燃料越多，壓力增長率就越高。壓力增長率大，意味著柴油機的沖擊載荷大，使柴油機內零件敲擊嚴重，從而增加了柴油機的結構震動和所輻射的噪聲。在緩燃期內，氣缸內壓力有所增長，但增長率較小，因此能激發起一定程度的燃燒噪聲，但對噪聲的影響不顯著。這個階段主要對柴油機的動力性和經濟性有很大影響。在補燃期內，因活塞下行且絕大多數燃料已在前兩個時期內燃燒完畢，所以對燃燒噪音影響不大。

2 氣缸壓力頻譜與噪聲的關系

氣缸壓力頻譜曲線的微小變化，對內燃機的功率不會產生顯著的影響，但對其噪聲卻有很大的影響。這是因為內燃機的功率是由許多循環平均的壓力曲線所決定的，而燃燒噪聲則與每一循環中氣缸內瞬時壓力變化的實際曲線有關。

氣缸壓力曲線實際上是氣缸內氣體壓力變化的一種時域信號圖形，從時域里觀察只能獲得與燃燒噪聲有關的部分特征，而無法更詳細地考查與燃燒噪聲有著密切關系的有關信息----氣缸壓力曲線所包含的頻率結構和每種頻率成分上壓力強度的大小。如果能找到這些信息，那么燃燒氣體的壓力所激發的振動和噪聲以及它在內燃機中的傳遞情況就可以有比較清楚的認識，從而可以從燃燒方式以及傳遞途徑上設法對燃燒噪聲加以控制，我們可以從頻率域去觀察并找到氣缸壓力曲線在頻率域內的圖形，可以進一步了解燃燒噪聲源的特性，氣缸壓力頻譜曲線可分三段：曲線的低頻區域，氣缸壓力級達到最大值，它的數值主要是由氣缸內的最大壓力值及壓力曲線的形狀所決定的。氣缸壓力的最大值越高，頻譜曲線的低頻峰值越高。曲線中間部分的特點，是氣缸壓力級對數規律作線形遞減；其斜度受氣缸壓力增長率所控制。增長率越大，直線部分就越平坦，反之，直線部分就越陡。最后區域出現另一個壓力級的峰值是由于燃燒開始時缸內局部地區壓力急劇上升，引起氣缸高頻振動而產生的。氣缸壓力曲線實質是由不同頻率，不同幅值的一系列諧波的疊加結果。根據線形系統的性質可知，氣缸壓力的總的作用等于這一系列諧波單獨作用的總和。因此燃燒氣體對內燃機氣缸內各零件振動的激發可以認為是這一系列諧波單獨激發的總和。這一系列諧波在氣缸內可以通過三條途徑傳遞到內燃機外表面形成表面的振動而輻射出噪聲。首先是通過活塞、連桿、曲軸、主軸承傳至機體外表面；第二條途徑是經氣缸蓋傳到機體外表面；第三條途徑是經缸套側壁傳向缸體外表面。實驗表明，由燃燒產生的大部分振動能量是通過連桿大端和主軸承進入內燃機結構激發表面振動輻射出噪聲的。

3 影響燃燒噪聲的主要因素

⑴燃燒室。開式燃燒室（如淺盆形），由于不組織空氣渦流運動，主要靠油束的擴展促使燃油與空氣混合。因此在滯然期間形成的可燃混合氣較多，一旦著火便促使氣缸壓力急劇上升，使壓力升高率和最高爆發壓力都較高，故工作粗暴，燃燒噪聲大。半開式燃燒室（如ω型）一方面依靠一定的燃燒噴射霧化質量，一方面又利于用合理組織進行渦流和擠流，促使混合氣的形成和燃燒。燃燒大部分是噴在空間混合，少部分是噴在壁面蒸發混合。由于不完全是空間混合，因此在滯然期內形成的可燃混合氣略少于分開式燃燒室，故燃燒噪聲也較分開式燃燒室略低。

⑵壓縮溫度和壓力。隨著壓縮溫度和壓力的增加，由于燃料著火的物理、化學準備階段得到改善，因而著火延遲期減小。壓縮終了的溫度主要取決于壓縮比，此外，還與冷卻水溫度、活塞溫度、汽缸蓋溫度、進氣溫度等有關，由于提高壓縮比可以提高壓縮終了的溫度和壓力，從而縮短滯燃期，降低壓力升高率，所以能使燃燒噪聲降低，但壓縮比增高又使汽缸壓力增大，活塞撞擊噪聲增加，因此不會使內燃機總的噪聲有很大的降低。

⑶噴油（點火）提前角。當噴油或點火提前角變化時，滯燃期、壓力增長率、壓力升高比和最大燃燒壓力等都隨之發生變化，因而對內燃機的低、中、高頻燃燒噪聲都有影響。最佳噴油（點火）提前角必須綜合考慮內燃機的經濟性，排氣和噪聲這三個方面的要求。

4 降低燃燒噪聲的途徑

通過以上討論，應從下述兩方面降低內燃機燃燒噪聲：

⑴從產生的根源上，降低汽缸壓力頻譜曲線，特別是降低中、高頻的頻率成分。為此可采取縮短滯燃期或減少滯燃期內形成的可燃混合氣量。這些措施包括：提高壓縮壓力和溫度；采用較高十六烷值的燃料；組織適當強度的氣流運動，選用噪聲低的燃燒室；合理組織供油，適當延遲供油時間；采用增壓等措施。⑵從傳播途徑上，增加發動機結構對燃燒室噪聲的衰減，特別是中、高頻頻率成分的衰減。為此可采取：提高機體及缸套的剛性及采用隔振及隔聲措施；減小活塞曲柄連桿機構各部分的間隙，增加油膜厚度等，較小的汽缸直徑，相應增加缸數，以保持輸出功率不變；改變薄壁零件（油底殼等）的材料和附加阻尼等方法。

[參考文獻]

[1]胡建勇，等.乘用車內噪聲與控制研究.客車技術.1998年第3期.

[2]楊玉致.機械噪聲測量和控制原理.輕工業出版社.1984.[8]：23-51.

[3]陳繹勤.噪聲與振動的控制.中國鐵道出版社.1985.[9]：34-46.