預噴參數對柴油機燃燒噪聲的影響規律研究

杜宏飛 李佳星 秦嶺 劉江唯

（一汽解放事業本部發動機事業部，長春 130011）

主題詞：單缸柴油機 預噴參數 燃燒噪聲 壓力升高率

1 前言

發動機是汽車的主要噪聲源，為降低整車噪聲應首先以控制發動機噪聲為目標。發動機噪聲包括燃燒噪聲和機械噪聲，由于工作方式的不同，汽油機的噪聲源主要是進排氣噪聲和配氣機構噪聲，而柴油機的主要噪聲源是燃燒噪聲。燃燒噪聲經過機體的衰減而輻射出去成為整機噪聲，因此研究燃燒噪聲對于降低整機噪聲具有重要意義[1-2]。

柴油機燃燒噪聲是當發動機工作時，氣缸內周期性變化的氣體壓力的作用而產生的[3]。燃燒噪聲與燃燒室的形狀、噴油系統參數以及缸內燃燒狀態有著密切聯系[4]。研究表明，預噴射是降低柴油機燃燒噪聲的最有效措施，預噴射的燃油對主噴射燃料的燃燒起到了活化作用使得主噴燃料的滯燃期縮短，從而使滯燃期內形成的可燃燃料減少，從而降低燃燒噪聲[5-6]。本文以一臺單缸柴油機為研究對象，通過測量柴油機缸內壓力，對定負荷和變轉速工況下的缸內壓力聲壓級進行分析，獲得不同預噴參數對燃燒噪聲及壓力升高率的影響規律。

2 試驗設備與數據采集

試驗用柴油機參數如表1所列。為保證試驗邊界條件的一致性，分別采用冷卻水外循環控制系統、機油外循環控制系統來實現冷卻液及潤滑油溫度的穩定，試驗時控制冷卻液溫度為85±3℃，機油溫度為85±5℃。為滿足進氣增壓要求，采用空氣壓縮機模擬進氣增壓系統，利用進氣穩壓罐保持進氣壓力穩定，并結合溫度控制系統控制進氣溫度為30±3℃。試驗臺架安裝有高壓共軌噴射系統，最大燃油噴射壓力達300 MPa，由發動機電控單元控制燃油噴射壓力和噴油角度。為保證各工況噴油角度的一致性，利用電流鉗測量噴油器驅動信號，并將信號接入AVL公司的燃燒分析儀中實現噴油角度在線同步監測，同時利用該分析儀測量缸內壓力，并利用其自帶的燃燒噪聲分析模塊分析缸內壓力，獲得缸內壓力聲壓級以表征燃燒噪聲。

表1 單缸柴油機主要參數

3 試驗工況

為考察單一因素對缸內壓力聲壓級和最大壓力升高率的影響，首先設定發動機在參考工況點，然后單一改變預噴角度、預噴油量、噴射壓力。參考工況點參數如表2所列。為考察轉速的影響，在參考點基礎上設定了變轉速試驗。

表2 參考工況點設定參數

4 試驗結果與分析

4.1 預噴角度對燃燒噪聲影響

在參考點基礎上依次改變預噴角度（分別為-16℃A、-14℃A、-12℃A和-10℃A），其它參數保持不變，利用燃燒分析儀記錄缸內壓力聲壓級、聲壓級頻譜分布及最大和平均壓力升高率結果，圖1為30個循環試驗結果。從圖1a可看出，預噴角度為-14℃A時聲壓級最小，預噴角度為-10℃A時聲壓級最大。從圖1b、圖1c、圖1d可看出，預噴角度對最大壓力升高率和聲壓級頻譜分布影響較小，單循環內的平均壓力升高率差別不明顯。

由于此時燃油預噴量僅占總油量的2.5%，預噴燃油放熱量較少，對滯燃期影響小，因此無論預噴提前角為多少，此工況下壓力升高率均變化不明顯[7]。

圖1 預噴角度對燃燒噪聲影響

4.2 預噴油量對燃燒噪聲影響

在參考點基礎上改變預噴油量比例為7%、11%和20%，分析結果如圖2所示。由圖2a可看出，隨預噴油量的增加缸內壓力聲壓級升高，預噴油量比例為2.5%時缸內壓力最小，為20%時最大；由圖2b可看出，隨預噴油量的改變，最大壓力升高率變化趨勢與壓力聲壓級相同，均隨預噴量的增加而增大；而由圖3c可看出，聲壓級頻譜分布仍然一致，在各頻率區間上隨預噴油量增加缸內壓力聲壓級增大，油量的變化對于低頻段影響較小，主要影響中高頻率段。

通過上述分析可知，當預噴油量比例為20%時，無論是基于循環的最大壓力升高率還是基于曲軸轉角的平均壓力升高率都高于其它情況。由圖2d可看出，與預噴油量比例為2.5%相比，其它3種情況下在上止點前均出現缸內壓力急劇上升。這是因為當預噴油量比例為2.5%時，預噴油量較少，前期反應量較少，而隨比例的增加先期反應燃料較多，且已經發生了充分燃燒放熱，而此時活塞還在壓縮過程中，缸內體積急劇縮小，導致缸內壓力升高率明顯上升，聲壓級明顯增大。預噴油量越多先期反應越劇烈，當主噴燃油進入缸內后迅速燃燒，缸內壓力會急劇上升，由圖2c可看出，在聲壓級頻率為2 000 Hz時缸內聲壓級升高明顯。

圖2 預噴油量對燃燒噪聲影響

4.3 預噴壓力對燃燒噪聲影響

分別改變噴射壓力為 105 MPa、95 MPa、85 MPa、75 MPa，分析結果如圖3所示。由圖3a、圖3b可知，缸內壓力聲壓級、最大壓力升高率均隨著噴射壓力的提高而增大。噴射壓力為105 MPa時，在各循環下的聲壓級和最大壓力升高率最大，噴射壓力為75 MPa時聲壓級和最大壓力升高率最低。由圖3c可看出，在頻率為2 000 Hz以下時聲壓級沒有變化，在高于2 000 Hz以上的中、高頻率段有較大變化。從圖3d可看出，噴射壓力為105 MPa時的平均壓力升高率最大，在上止點后迅速達到峰值，而噴射壓力為75 MPa時，平均壓力升高率只在上止點前有小幅度升高，在上止點后壓力升高率比較平穩，總體來看，與噴射壓力為105MPa時相比，平均壓力升高率均處于較低水平。

圖3 預噴壓力對燃燒噪聲影響

噴射壓力對燃油霧化有重要影響，而燃油霧化又影響燃燒過程。綜合圖3可知，隨噴射壓力提高，前期噴射油量霧化改善，反應放熱速度加快，導致壓力升高率迅速增加，當主噴燃油進入后會迅速燃燒，噴射壓力的增大使燃燒速度提高，缸內氣體動力載荷明顯增強，氣體沖擊波加強，從而導致中高頻率段的聲壓級明顯改變。預噴壓力提高使得最大壓力升高率提高，壓力升高率的改變對于低頻段聲壓級影響較小，主要影響中高頻段聲壓級。

4.4 不同發動機轉速下預噴參數對燃燒噪聲影響

為考察發動機轉速對缸內壓力聲壓級的影響規律，通過改變發動機轉速進行了多組試驗，獲得了缸內壓力聲壓級變化趨勢。圖4為不同發動機轉速下各種噴射策略對于燃燒噪聲的影響。由圖4a可看出，隨著轉速的提高，缸內壓力聲壓級呈現先增大后減小的趨勢。聲壓級最高點出現在轉速為1 100～1 200 r/min內。在各種預噴角度下缸內壓力聲壓級整體變化趨勢相同。由圖4b可看出，缸內壓力聲壓級先增大后減小，當預噴量為7%時，缸內壓力聲壓級最低，預噴油量曲線隨轉速提高而呈上升趨勢。在轉速大于1 200 r/min時，預噴量為20%和2.5%時的聲壓級接近，在轉速低于1 200 r/min時，預噴量為20%時的壓力聲壓級較大。由此可知，在變轉速情況下，預噴量對于聲壓級具有重要影響。由圖4c可看出，噴射壓力為105 MPa時缸內壓力聲壓級最大，并且隨著轉速提高呈先增大后減小趨勢。在其它較低噴射壓力下，聲壓級隨轉速變化不明顯。

圖4 轉速對燃燒噪聲影響

綜合圖4可知，合理設計和優化發動機轉速能有效降低發動機燃燒噪聲。

5 結束語

在某單缸柴油機上，分析了預噴參數對燃燒噪聲的影響規律。結果表明，在穩態工況下，隨著預噴油量增加燃燒噪聲增大；預噴角度對燃燒噪聲影響較小；噴射壓力對燃燒噪聲有較大影響，隨預噴壓力提高缸內壓力聲壓級提高，最大壓力升高率提高。在高噴射壓力下，隨著轉速的增加，缸內壓力聲壓級呈先增大后減小趨勢，但在低噴射壓力下變化不明顯。采用較小的預噴量、優化預噴角度、低的預噴壓力、合理控制發動機轉速是降低燃燒噪聲的有效措施。