共軌壓力對柴油機噪聲及聲品質的影響

張慶輝，郝志勇，張煥宇，鄭康

(浙江大學 能源工程學院，浙江 杭州，310027)

共軌壓力對柴油機噪聲及聲品質的影響

張慶輝，郝志勇，張煥宇，鄭康

(浙江大學 能源工程學院，浙江 杭州，310027)

以某493型柴油機為例研究共軌壓力的提高對發動機噪聲及聲品質的影響機理。對發動機轉速1 600 r/min和2 600 r/min全負荷工況下不同共軌壓力的發動機噪聲和缸內壓力進行試驗測量，對比不同軌壓下的發動機噪聲和聲品質客觀評價指標，并通過燃燒噪聲的分析對其影響機理進行研究。最后，從發動機結構衰減和燃燒噪聲方面對降噪提出方案。研究結果表明：提高軌壓后，發動機整機噪聲增大，高頻范圍更加明顯；噪聲響度、粗糙度和尖銳度升高；主要原因是軌壓的提升使滯燃期內產生更多的可燃混合氣，使得缸內壓力、高頻振蕩幅值、壓力升高率和放熱率增大，燃燒更劇烈，導致燃燒噪聲變大，主要體現在高頻范圍。

柴油機；共軌壓力；噪聲；聲品質；燃燒噪聲

由于柴油機的經濟性和低污染物、低CO2排放等優點，近年來獲得了越來越廣泛的應用。但是柴油機振動噪聲大是不可忽視的問題[1?3]。高壓共軌噴油系統通過靈活、精確地調節噴油壓力、噴油時刻等供油參數，使柴油機獲得更好的燃燒特性，達到降低燃油消耗，減少污染物排放的目的。同時，提高共軌壓力有利于降低顆粒物與NOx排放，但對發動機的燃燒過程以及聲學性能會產生影響[4?5]。燃燒噪聲是發動機主要噪聲源之一，它是氣缸內混合氣的燃燒引起壓力劇變從而產生氣體動力載荷，通過結構傳遞到發動機表面輻射出的噪聲，主要由燃燒過程控制[6?7]。因此，研究共軌壓力對燃燒噪聲的影響機理對柴油機低排放和低噪聲的優化具有重要的意義。國內外科研工作者在柴油機燃燒噪聲的研究方面進行了大量的工作[8?14]，但這些工作對共軌壓力對發動機燃燒噪聲的影響研究欠深入，且都未涉及到聲品質的研究。在此，本文作者以某493型柴油機為研究對象，研究了共軌壓力對發動機整機噪聲和聲品質的影響，并從燃燒噪聲方面研究了其影響的機理，為軌壓提高后發動機的噪聲和聲品質優化工作提供參考。

1　試驗設備及條件

選用某國產493型直噴式增壓中冷柴油機作為試驗對象。該發動機配有BOSCH公司高壓共軌噴油系統和電控單元，采用ω型燃燒室，具體參數見表1。

表1　某493型柴油機主要參數Table 1 Main index of 493 diesel engine

試驗裝置如圖1所示。采用瑞士Kistler公司的Kibox燃燒分析儀監控發動機燃燒狀態。壓電式缸壓傳感器通過預熱塞孔安裝到發動機第4缸燃燒室內，曲軸轉角傳感器安裝在曲軸前端皮帶輪上，兩者信號經放大后輸入到數據采集與分析系統內，每隔0.1°曲軸轉角采集1次數據，每次測量采集60個循環的缸壓信號，并在其中取50個循環的平均信號進行分析。噪聲測試采用的是丹麥B&K公司3560C型振動噪聲測試前端和pulse8.0分析軟件。柴油機進、排氣側，前端及頂端距發動機表面1 m處各布置1個自由聲場傳聲器，分別用來測量柴油機噪聲及聲品質情況。為保證聲學測試結果的可靠性，整個試驗均在半消聲室內進行，并屏蔽測功機及其冷卻水等環境噪聲，引出進氣與排氣避免空氣動力噪聲的干擾。

圖1　試驗裝置示意圖Fig. 1 Sketch of experimental setup

2　試驗結果與討論

提高噴油壓力后，燃油的噴射速率加快，油束貫穿率升高，加速了燃油的霧化，從而降低顆粒和NOx排放，但同時使發動機燃燒過程劇烈，噪聲升高。發動機在轉速1 600和2 600 r/min全負荷工況下運行，改變噴油系統的共軌壓力，并同時測量發動機的噪聲和缸內壓力信號。

2.1發動機噪聲及聲品質評價

為了評價柴油機改變噴油參數后的總輻射噪聲，對試驗測得的聲壓級按式(1)進行平均，得到柴油機平均聲壓級：

隨著人們對舒適性的要求越來越高，A計權聲壓級已不能反映人對聲音的真實感受，聲品質成為評價聲音適宜性的主要指標。響度、粗糙度、尖銳度、音調、抖動度等都是常見的聲品質客觀評價參量[15?16]。本文選取前3個參量對該柴油機的聲品質進行評價。

響度(Loudness，單位為sone)是反映人耳對聲音強弱主觀感受程度的心理學參數。Zwicker響度數學表達式為：

式中：L為總響度；z為心理學的臨界頻帶數；fBark為以特征頻帶為基礎的頻率尺度；L′為臨界頻率的特征響度；LE為修正值；e1=0.25；常數K1取0.063 5；LHS為靜域值。

尖銳度(Sharpness，單位為acum)反映了聲音的刺耳程度，描述高頻成分在聲音頻譜中所占比例。規定中心頻率為1 kHz、帶寬為160 Hz的60 dB窄帶噪聲尖銳度為1 acum。Zwicker尖銳度模型為

其中：g(z)為根據不同臨界頻帶設置的響度計權函數，

粗糙度(Roughness，單位為asper)用來描述調制頻率在20～300 Hz時聲音的瞬時變化。其Fast1法數學表達式為

式中：fmod為調制頻率；ΔLE(z)為特征頻帶內的激勵級差。

圖2所示為所測發動機各個測點的A計權聲壓級和計算得到的平均聲壓級隨供油系統共軌壓力升高的變化情況。總的來看，在轉速為1 600和2 600 r/min工況下，整機平均聲壓級都隨共軌壓力的升高而增大，且和4個測點的聲壓級變化趨勢基本一致。發動機前端測點聲壓頻譜圖如圖3所示。從圖3(a)可以看出：轉速為1 600 r/min時，發動機前端測點噪聲在共軌壓力升高后，0～10 kHz全頻段范圍內的A計權聲壓均增大，在1.5 kHz以上的中高頻范圍這種趨勢更加明顯。而由圖3(b)可見：提高共軌壓力后，轉速為2 600 r/min時，發動機前端測點的噪聲在0～5 kHz范圍內變化不是很明顯，但在5 kHz以上的高頻范圍顯著升高。

圖2　發動機噪聲聲壓級Fig. 2 Sound pressure levels of engine noise

圖3　發動機前端測點聲壓頻譜圖Fig. 3 Spectrums of sound pressure of engine front side

計算了各個測點的噪聲的聲品質客觀評價指標，結果發現各個測點的噪聲隨共軌壓力改變而變化的規律一致。圖4所示為發動機各工況下前端測點的噪聲響度、粗糙度和尖銳度隨共軌壓力升高而變化的情況。

響度是基于人耳對聲音頻譜的掩蔽特性來反映人耳對聲音強弱感知程度的心理學參量，比A計權更能反映人耳的真實感受[15]。響度越大，人耳聽到的聲音越響。從圖4(a)看到：噪聲響度的變化趨勢和整機平均A計權聲壓級的趨勢相同，2個工況下均隨共軌壓力的升高而增大，人耳聽起來噪聲也更加響亮，人耳感知更不舒適。

粗糙度用來表示聲音在低頻時的瞬時變化情況的參量，粗糙度越大，聲音在低頻時抖動越大，反之，聲音抖動越小。由圖4(b)可見：共軌壓力提高后，前端測點處噪聲粗糙度相應升高，噪聲的低頻范圍瞬時變化波動更大，噪聲聽起來更加粗糙，不平順，不飽滿。

從圖4(c)可知：在轉速為1 600和2 600 r/min工況下，發動機噪聲的尖銳度隨共軌壓力的提高而升高，噪聲頻譜高頻范圍的噪聲能量與總噪聲能量之比增大，這與圖3(a)和圖3(b)中共軌壓力提升后高頻噪聲升高較大的趨勢吻合。同時人耳對聲音的主管感受也表現為更加尖銳、刺耳。

圖4　發動機聲品質客觀評價指標Fig. 4 Sound quality objective evaluation parameters of engine

2.2發動機燃燒噪聲的影響

共軌壓力提高后，發動機整機噪聲明顯升高，根據機械噪聲和發動機轉速成正比的原理，燃燒噪聲的增加是造成整機噪聲增大的主要原因。燃燒噪聲同樣以轉速為1 600和2 600 r/min全負荷工況為例進行分析。圖5和圖6所示分別為發動機在2個工況下不同共軌壓力時的氣缸壓力、壓力級頻譜、壓力高頻振蕩、壓力升高率和燃燒放熱率曲線。當轉速為1 600 r/min時主噴提前角、預噴提前時間和預噴油量分別為?6.5°，1 055 μs和1.52 mg；當轉速為2600 r/min時，其值分別為?0.9°，1 750 μs和3.84 mg。

從圖5(a)可以看到：當轉速為1 600 r/min時，共軌壓力由100 MPa提高到140 MPa后，上止點附近壓力雖然稍有下降，但缸內壓力曲線第1峰值處最大爆壓變化不明顯，但第2峰值處壓力明顯升高。由圖5(b)可見：共軌壓力提高后，低頻段缸內壓力級未升高，但當頻率為1.5 kHz以上時壓力級顯著升高，且高頻振蕩幅值增大。圖5(c)所示為對缸壓信號進行4 kHz高通濾波后的壓力高頻振蕩曲線，其中，軌壓100 MPa時最大幅值為2.23×105Pa，軌壓140 MPa時最大幅值為4.03×105Pa。壓力升高率對中高頻燃燒噪聲具有顯著的影響。由圖5(d)可知：軌壓升高后，壓力升高率明顯增大(最大壓力升高率分別為0.64 MPa/(°)和1.10 MPa/(°))，缸內壓力升高速度加快，燃燒過程更加粗暴。由圖5(e)可見：軌壓提高到140 MPa，放熱率升高，放熱速度加快，且放熱率曲線前移，尖峰更窄，說明燃燒過程放熱加快，與壓力升高率變化一致。

由圖6(a)可見：當轉速為2 600 r/min時，共軌壓力從140 MPa提高到160 MPa后，缸內壓力稍有升高，壓力級頻譜在4 kHz以下的低頻段變化不大，高頻振蕩幅值增大，當軌壓140 MPa時，高頻振蕩最大幅值為399 kPa，而軌壓160 MPa時為502 kPa。壓力升高率和放熱率均增大(最大壓力升高率分別為1.03 MPa/(°)和1.28 MPa/(°))，燃燒過程更加劇烈，燃燒噪聲增大。

圖5　1 600 r/min發動機燃燒過程參數Fig. 5 Combustion process parameters of engine at 1 600 r/min

圖6　2 600 r/min發動機燃燒過程參數Fig. 6 Combustion process parameters of engine at 2 600 r/min

2.3試驗結果討論

柴油機高壓共軌噴油系統共軌壓力提高后，噴油壓力升高，噴油速度加快，單位時間內噴入氣缸內的燃油增多。同時，噴油壓力的升高有利于提高油束的貫穿率，加速燃油的霧化，導致滯燃期內生成更多的可燃混合氣，從而惡化了燃燒過程，使得缸內壓力升高率增大，加劇了壓力的高頻振蕩，燃燒噪聲升高。進而引起了發動機噪聲頻譜高頻顯著升高，整機噪聲平均聲壓級增大，同時噪聲響度、粗糙度和尖銳度均增大，聲音聽起來更不悅耳。

3　發動機噪聲優化

為了降低柴油機油耗和污染物排放，提高共軌壓力是柴油機開發的必然趨勢，但軌壓的提高導致發動機噪聲的惡化也同樣不能忽視，因此，對軌壓提高而產生的噪聲增加必須加以優化。

把轉速1 600 r/min和2 600 r/min時不同共軌壓力下的缸內壓力級頻譜減去對應的發動機前端噪聲測點處的噪聲頻譜，得到噪聲衰減曲線，再將相同轉速下的各條曲線平均，得到發動機前端1 m測點處的噪聲衰減曲線，如圖7所示。從圖7可見：轉速2 600 r/min時噪聲衰減量略大于1 600 r/min時噪聲衰減量，這是由于高轉速時，機械噪聲在發動機總噪聲中占的比例較大。同時，低頻時，噪聲衰減量最大，隨著頻率的升高，衰減量逐步較小，在1～3 kHz之間達到最小，頻率繼續升高，衰減量又逐漸增大，但仍然較小。這也是缸內壓力高頻振蕩更容易影響發動機噪聲的原因之一。因此，從發動機的結構入手，對發動機的噪聲進行優化，提高結構剛度，特別是抑制結構高頻共振，提高缸壓衰減量，從傳遞路徑上減小噪聲。

另一方面，可以從優化發動機燃燒過程入手，改變噴油參數，使發動機燃燒更加柔和，從根源上降低噪聲，改善聲品質。在試驗中將1 600 r/min主噴提前角改為?2.5°，預噴提前時間改為2 450 μs；2 600 r/min主噴提前角改為5°，預噴提前時間改為2 538 μs。表2所示為優化后發動機噪聲和發動機排氣側測點的噪聲聲品質指標的變化情況。從表2可知：燃燒噪聲優化后，在1 600 r/min工況下整機平均聲壓級降低了1.2 dB，在2 600 r/min工況下整機平均聲壓級降低了1.5 dB。同時，2個工況下的噪聲響度、粗糙度和尖銳度都明顯下降，聲品質得到了改善。說明調整噴油規律后，主噴提前角和預噴提前時間達到了對燃燒噪聲比較理想的組合，使得缸內混合氣著火延遲期縮短，滯燃期內形成的可燃混合氣量降低，有利于降低壓力升高率，從而降低了燃燒噪聲。

圖7　發動機衰減曲線Fig. 7 Attenuation curves of engine

表2　發動機燃燒噪聲優化前后噪聲及聲品質對比Table 2 Comparison of noise and sound quality of engine after combustion noise optimization

4　結論

1) 柴油機提高共軌壓力后，滯燃期內生成了更多的可燃混合氣，燃燒更加粗暴。缸內壓力、高頻振蕩幅值、壓力升高率和放熱率增大，使燃燒噪聲升高。

2) 共軌壓力的提升對柴油機燃燒噪聲的影響主要體現在高頻范圍。

3) 軌壓升高，發動機噪聲平均聲壓級增大，噪聲響度、粗糙度和尖銳度升高，聲音更加不悅耳。

4) 優化發動機噪聲及聲品質，可以通過優化噴油參數，改善燃燒過程對柴油機噪聲進行優化，并改善聲品質。

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(編輯 趙俊)

Influence of common rail pressure on noise and sound quality of diesel engine

ZHANG Qinghui, HAO Zhiyong, ZHANG Huanyu, ZHENG Kang
(College of Energy Engineering, Zhengjiang University, Hangzhou 310027, China)

The influence mechanism of common rail pressure on noise and sound quality of diesel engine was studied through taking a 493-type engine as an example. Engine noise and cylinder pressure at 1 600 r/min and 2 600 r/min under full load conditions were measured in the case of different common rail pressures. Then engine noise and sound quality objective evaluation parameters at different common rail pressures were compared. The influence mechanism was discussed by analyzing the combustion noise. Finally, the noise reduction schemes were put forward from the aspects of engine structure attenuation and combustion noise. The results show that the engine noise increases, especially in high frequency range after improving common rail pressure. And the sound loudness, roughness and sharpness of engine noise also increase and the sounds become more discordant. The primary reason is that more combustible mixture is generated when the common rail pressure rises. It causes the cylinder pressure, the amplitude of high-frequency pressure oscillation, the pressure rising rate and the rate of heat release to rise. The combustion process becomes ruder and combustion noise increases, which is mainly showed in the high frequency range.

diesel engine; common rail pressure; noise; sound quality; combustion noise

TK422

A

1672?7207(2016)03?1017?07

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.039

2015?03?05；

2015?05?18

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAE22B05) (Project(2011BAE22B05) supported by the National Science and Technology Pillar Program during the 12th “Five-year” Plan Period)

郝志勇，教授，博士生導師，從事汽車發動機振動噪聲研究；E-mail: haozy@zju.edu.cn