預噴參數及EGR對柴油機噪聲影響試驗研究

羅福強，周志峰，周靖，吳習文，田勇，吳少喆

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013； 2.陸軍軍事交通學院鎮江校區，江蘇 鎮江 212000；3.江蘇四達動力集團，江蘇 無錫 214187)

在城市區域，柴油機高頻振蕩所激發噪聲頻率范圍處于人類高度敏感的感知范圍，這使得柴油機噪聲成為環境噪聲的主要來源之一[1-2]。柴油機的噪聲源復雜，且受運轉工況的影響，這使得整機噪聲的優化非常困難[3]。對于直噴式柴油機來說，燃燒噪聲是主要的噪聲源。燃燒所引起的缸內高頻壓力振動以及氣體動力載荷都是影響燃燒噪聲的主要因素。有試驗表明，燃燒過程中缸內最大壓力對時間的導數與燃燒噪聲有很強的關聯性[4]。燃燒壓力中高頻振蕩所引發的中高頻燃燒噪聲占燃燒噪聲總能量的80%[5]。因此降低中高頻率段聲壓級對控制柴油機整機輻射噪聲水平起到至關重要的作用[6]。

預噴射在柴油機上廣泛應用，其相當于用部分噴射燃料來實現PCCI策略，可以被視為部分預混壓縮點火(PPCI)。預噴射對主噴的燃燒起到了活化作用，使主噴射燃油噴入前燃燒室壁面溫度升高，可減少在滯燃期內積聚的可燃燃油量[7]。這是降低直噴式柴油機燃燒噪聲的有效措施[6,8]，但是預噴射燃油燃燒所產生的高頻壓力振蕩不可忽視。由于預噴射燃燒時刻相對較早，活塞上行階段缸內壓力會急速增加，預噴射燃燒階段的壓力升高率甚至會超過主燃燒階段的最大壓力升高率[9]。此外，預噴射燃燒階段會產生大幅高頻壓力振蕩，這會使整機噪聲惡化[10]。因此最佳的降噪噴油策略需在縮短滯燃期降低主燃燒噪聲的同時盡量避免預噴射燃燒對整機噪聲的惡化[11]。

因此，本研究主要是探究噴油策略對高壓共軌柴油機噪聲的影響。由于預噴射燃燒和主燃燒引起的壓力振蕩集中在不同的頻率范圍[10,12-13]。因此，可以通過噪聲頻譜分析各參數對預燃燒與主燃燒聲壓級影響規律[14-15]。本研究以4缸高壓共軌柴油機為對象，通過聲級計按工程9點法測得噪聲，計算平均聲壓級來表征整機噪聲。由于微調噴油參數，機械噪聲與空氣動力噪聲變化很小，可以認為整機噪聲的變化是燃燒噪聲變化所引起的[16]。本研究從燃燒噪聲的影響機理方向，總結了主噴時刻、預噴油量、預噴時刻以及EGR開度對噪聲的影響規律，以便于為尋找最佳的控制策略提供依據。

1 試驗裝置與方案

很多試驗通過壓力峰值升高率來表征燃燒噪聲，但由于發動機缸體對與振動噪聲有一定的衰減作用，壓力峰值升高率指示的噪聲與發動機實際噪聲以及人主觀感受的噪聲都有一定的差異[17-18]。為模擬該試驗對人主觀感受的優化效果，通過聲壓傳感器對整機噪聲進行測量，并對試驗數據進行A計權處理[9,19]。

1.1 試驗對象及安裝要求

試驗在標準發動機噪聲半消聲試驗室進行。其中給柴油機安裝的附件包括空氣濾清器、中冷控制器、變速器、發電機、轉向泵以及空調壓縮機，發動機與基座以彈性支撐連接。試驗室環境氣壓為100.5 kPa，氣溫為11 ℃，濕度為50%。試驗對象為帶變速器的柴油機整機，表1列出試驗柴油機的主要技術參數。

表1 柴油機主要技術參數

1.2 測點布置方案

將9個聲級計按照國家噪聲測試標準GB/T1859—2000《往復式內燃機輻射的空氣噪聲測量工程法及簡易法》中的1 m平均噪聲試驗要求進行布置[20]。其布點見圖1，柴油機試驗臺架見圖2。

1—進氣側；2—飛輪側；3—排氣側；4—皮帶輪側；5—進氣側頂部右端；6—排氣測頂部右端；7—排氣側頂部左端；8—進氣側頂部左端；9—機體頂部。圖1 工程9點法布點示意

圖2 柴油機試驗臺架示意

1.3 試驗方案

試驗包括怠速(750 r/min)無負荷與1 800 r/min全負荷工況。其控制參數見表2。為了研究各參數對整機噪聲的影響，在不改變零部件的前提下，對以上各參數通過單因素分析法進行對比試驗。

表2 測試工況以及ECU控制策略

2 信號處理

利用傳感器測得時域信號，通過快速傅里葉變換(FFT)，得到頻譜信號。按照ISO 150266規定的1/3倍頻程劃分的中心頻率，將噪聲信號的頻譜圖轉化為1/3倍頻程圖。其中每個1/3倍頻程帶內的聲壓均方值是該頻帶內頻譜譜線幅值的均方值之和，如式(1)：

(1)

由式(2)計算出聲壓級：

(2)

式中：Lp為總聲壓級。

將9個聲級計的聲壓級從平均聲能的角度由式(3)計算得出平均聲壓級，來表征整機噪聲[21]：

La=10lg∑ni=1(10Lpi/10)-10lgn。

在不同控制策略下，每個傳感器得到的1/3倍頻程頻譜特性都呈現出一致的特性，下文的頻譜圖結果以9號傳感器(機體頂部)代表試驗結果。

3 試驗結果

3.1 平均聲壓級對比

圖3示出怠速工況在不同噴油策略下的平均聲壓級對比柱狀圖。由圖3可知，在低循環油量工況下，延遲主噴與預噴都會使平均聲壓級降低；增加EGR開度可以降低平均聲壓級。此外，0 mg，1 mg以及1.5 mg預噴油量對應的平均聲強分別為69.22 dB，72.07 dB和72.12 dB，有預噴射的工況噪聲大幅惡化。

圖4示出1 800 r/min全負荷工況不同控制策略下的平均聲壓級對比。隨著預噴射的提前，平均聲壓級略微增加；1 mg預噴油量相對于無預噴時的平均聲壓級有所降低，達到了降噪效果；但隨著預噴油量的繼續增加，平均聲壓級也持續增加。預噴油量以及主噴時刻對平均聲壓級的影響較為顯著，在進行噪聲控制策略優化時應優先考慮。

圖4 1 800 r/min全負荷工況平均聲壓級對比

圖5示出1 800 r/min全負荷工況不同控制策略下的扭矩對比。由圖5可知，延遲主噴時刻扭矩降低，微調預噴時刻與預噴油量對扭矩影響相對較小。

圖5 1 800 r/min全負荷工況扭矩對比

3.2 不同主噴時刻的噪聲頻譜分析

對比試驗的主噴時刻為1°BTDC，1°ATDC，3°ATDC和5°ATDC，其平均聲壓級分別為72.60 dB，72.08 dB，72.04 dB以及71.74 dB。延遲噴油則有利于降低整機噪聲。對于該柴油機來說，在測試工況中，主噴時刻每延遲2°，平均聲壓級降低0.2 dB。

圖6示出不同主噴時刻的1/3倍頻程聲壓級對比。怠速工況的聲壓級峰值在1 250 Hz的頻段，該頻段主要受主燃燒影響。在延遲主噴時刻后，峰值頻段聲壓級降低。這主要因為主噴時刻會影響缸內氣體的壓力以及密度，影響起始噴油的霧化，對滯燃期產生影響，改變了缸內壓力升高率以及高頻振蕩，從而影響了燃燒噪聲[22]。噴油相對較早時，燃料進入氣缸時氣體溫度和壓力相對較低，燃油反應的速度較慢，使得燃料與空氣的混合時間加長，造成滯燃期延長。氣缸內積聚的可燃燃油量較多，使得最大燃燒壓力和最大壓力升高率增大，燃燒噪聲相對較高[23]。主噴定時的延遲對于峰值頻率段聲壓級的降低尤為明顯。峰值噪聲的降低對整機降噪非常有意義。因此合理的延遲噴油有利于改善噪聲。

圖6 怠速工況不同主噴定時聲壓級對比

3.3 不同預噴時刻的噪聲頻譜分析

圖7示出怠速(750 r/min)無負荷工況下不同預噴時刻的噪聲頻譜對比。主噴時刻固定為3°ATDC，本試驗通過增大主噴與預噴間隔時間來提前預噴時刻。該工況的循環噴油量為4 mg，預噴為1.5 mg。由于主噴油量與預噴油量接近，主燃燒與預燃燒在噪聲頻段上混疊，都主要作用于800 Hz至1 250 Hz頻段，不能明顯區分出預燃燒與主燃燒對噪聲的影響。但提前預噴時刻使該頻段的聲壓級略微增加。

圖7 怠速工況不同預噴時刻聲壓級對比

圖8示出100%負荷，1 800 r/min工況預噴時刻對聲壓級的影響。由于主噴與預噴油量相差較大，主燃燒與預燃燒對噪聲的影響頻段區分較為明顯。預燃燒主要作用于1 000～1 250 Hz頻段，主燃燒主要作用于3 150 Hz頻段。預噴的提前使1 250 Hz頻段的聲壓級大幅增加，但對3 150 Hz頻段的聲壓級影響很小。即提前預噴時刻主要增加預燃燒的噪聲，對主燃燒的噪聲影響較小。預噴時刻在活塞上行階段，缸內最大壓力升高率以及高頻振蕩較高[10]，提前預噴時刻會使受預燃燒影響頻段的聲壓級大幅增加，在頻譜上出現兩個極值。預噴過早不僅不能很好地點燃主噴，甚至會導致敲缸現象，這必然會使燃燒噪聲增加[8]。因此，從降噪的角度，預噴時刻應盡量延遲，這與主噴時刻的規律相似。當然，預噴時刻也不可過遲，若預噴燃燒不夠充分，主燃燒的滯燃期不會縮短，主燃燒的噪聲也不會降低[24]。因此合適的預噴時刻應使主噴與預噴間隔稍小于主燃燒的滯燃期[25]。

圖8 1 800 r/min全負荷不同預噴時刻聲壓級對比

3.4 不同預噴油量下的噪聲頻譜分析

圖9示出怠速工況不同預噴油量下的噪聲頻譜對比。該工況的循環噴油量為4 mg，預噴油量分別為0 mg，1 mg，1.5 mg。不同預噴油量下平均聲壓級分別為69.72 dB，72.07 dB，72.12 dB，有預噴射的工況平均聲壓級大幅增加。頻譜圖顯示，有預噴射時800～1 600 Hz頻段聲壓級大幅增加。主噴油量與預噴油量接近，主燃燒與預燃燒在噪聲頻段上混疊，容易產生高頻壓力振蕩。

圖9 怠速工況不同預噴油量下聲壓級對比

由圖10可見，在高負荷高循環油量工況下，即100%負荷，1 800 r/min工況，預噴油量主要影響1 000～1 250 Hz頻段以及3 150 Hz頻段聲壓級。隨著預噴油量的增加，1 000～1 250 Hz頻段的聲壓級也隨之增加，這是預噴油量的增加使預燃燒加劇所致。在3 150 Hz頻段，1 mg預噴油量相對于無預噴的聲壓級有所降低。預噴燃燒使滯燃期縮短，主燃燒階段的壓力升高率和高頻振蕩降低[26]。1 mg預噴油量在該工況下有著較好的降噪效果。繼續增加預噴油量，在2 mg以及2.5 mg預噴油量下，1 000～1 250 Hz頻段與3 150 Hz頻段聲壓級都明顯增加，噪聲惡化。這是因為隨著預噴油量增大，預燃燒所影響的高頻壓力振蕩頻率范圍增大，預燃燒的壓力波會與主噴預混燃燒產生的壓力疊加影響，使主噴預混燃燒階段的壓力振蕩加劇[10,27]。

圖10 1 800 r/min全負荷不同預噴油量下聲壓級對比

綜上所述，在低負荷低循環油量工況，預噴射容易使整機噪聲惡化，應盡量避免多次噴射。在高循環油量工況，合適的預噴油量可以縮短滯燃期，達到降噪的目的，過多的預噴油量仍會使整機噪聲惡化。

3.5 不同EGR閥開度下的噪聲頻譜分析

廢氣再循環系統(EGR)可有效地降低氮氧化物排放，其對燃燒噪聲也有一定的優化效果，主要原因有兩個方面。一方面廢氣再循環使得進氣溫度增加，縮短了滯燃期，減小了壓力升高率；另一方面廢氣再循環使得缸內壓力高頻振蕩減小[28]。圖11示出不同EGR閥開度對9個測點A計權聲壓級影響對比。EGR閥開度分別為0%，10%，15%以及20%。平均聲壓級分別為72.05 dB，71.93 dB，71.76 dB和71.68 dB。隨著EGR閥開度的增大，La有一定的減小，最大相差0.51 dB。EGR閥開度每增加10%，平均聲壓級降低0.25 dB。

圖11 怠速工況不同EGR閥開度下聲壓級對比

圖11是各測點不同EGR開度的1/3倍頻程聲壓級對比，EGR閥開度對噪聲的影響主要在以1 600 Hz為中心的頻率段。EGR開度的增加對燃燒噪聲有一定的優化效果，但不能一直增大，它的選擇還得兼顧動力性、經濟性和排放性。

4 結論

a) 適當延遲主噴射以及預噴射都可以降低整機噪聲。提前主噴射與預噴射分別會增加主燃燒與預燃燒主要影響頻段的聲壓級；預噴時刻對主燃燒影響較小，但過早的預噴會使受預燃燒影響頻段的聲壓級大幅增加，在頻譜上出現兩個聲壓級極值；

b) 在循環噴油量較小工況，預噴射很容易使噪聲惡化，應盡量避免多次噴射；在循環噴油量較高的工況，合適的預噴油量可以縮短主燃燒滯燃期達到降噪的目的，過多的預噴油量仍會使整機噪聲惡化；

c) 適當增大EGR閥開度可以降低中高頻段聲壓級；

d) 主噴時刻對噪聲與扭矩的影響都相對較大且相互沖突，延遲主噴時刻可以降低噪聲但動力性能會降低；較早的預噴時刻不僅會增加噪聲，也會略微降低動力性能，應盡量避免過早預噴；在高負荷工況，微調預噴油量對動力性能影響相對較小，但會對噪聲產生相對較大影響，在進行噪聲優化時應優先考慮預噴油量。