重型柴油機燃燒噪聲優化

胡宇寧 趙鳳君

摘 ?要：柴油機本體噪聲主要由機械噪聲、燃燒噪聲、空氣噪聲組成，本文對柴油機噪聲分類和發生機理做了深入分析，通過在臺架試驗中測量發動機1缸缸壓，測得缸內燃燒壓力。通過氣缸壓力測量和發動機結構衰減量可進行燃燒噪聲計算，經過調整噴油量、間隔角、噴油正時等關鍵電控參數的方式改變發動機燃燒狀態，從而優化發動機噪聲水平，在兼顧經濟性和動力性的前提下改善舒適性。研究表明，中小負荷工況下的進行燃燒噪聲優化所帶來的效果最為明顯，此時通過預噴量、軌壓、燃燒相位的精細化調整能夠取得明顯的燃燒噪聲優化結果。

關鍵詞：柴油機;NVH;燃燒噪聲

中圖分類號：U467 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2021）03-0110-06

Combustion Noise Optimization For A Heavy Duty Diesel Engine

HU Yu-ning， ZHAO Feng-jun

（ China FAW Group Co.，Ltd. Changchun 130013， China ）

Abstract： In order to solve the problem of noise of a certain diesel engine in this project， the paper analyzes the noise classification and mechanism of diesel engine in the paper. By measuring the cylinder pressure of the engine in the bench test， the combustion pressure in the cylinder is measured. Combustion noise calculation can be carried out by cylinder pressure measurement and engine structure attenuation. The engine combustion state can be changed by adjusting the key electronic control parameters such as fuel injection amount， interval angle and injection timing to optimize engine noise level. Improve comfort with dynamics. The research shows that the effect of combustion noise optimization under medium and small load conditions is the most obvious. At this time， the refined combustion noise can be obtained through the fine adjustment of pre-spray quantity， rail pressure and combustion phase.

Keywords： Diesel Engine; NVH; Combustion Noise

胡宇寧

畢業于吉林大學汽車工程學院，學士學歷，現就職于中國第一汽車股份有限公司，研發總院NVH研究所，任動力單元NVH試驗開發員。

前 ? ?言

依照柴油機的工作原理和特征，從力學、聲學的理論解析，普遍認為柴油機的噪聲可定義為下面幾類[1]：

（1）機械噪聲：由氣體壓力做功導致的慣性力、不平衡力、扭轉振動、旋轉摩檫力共同作用于機體產生的撞擊振動而輻射出的噪聲。

（2）燃燒噪聲：由柴油機氣缸內燃料燃燒而引發的氣體爆發力在工作過程中經氣缸蓋、活塞、連桿、曲軸、機體向外輻射出的噪聲。

（3）空氣動力性噪聲（氣流噪聲）：由柴油機進、排氣道中氣流沿著管路流動的能量撞擊管道振動從而向外輻射的噪聲。

發動機噪聲源典型示意圖如圖1所示：

作為機械噪聲后的又一個主要噪聲[2]。燃燒噪聲發生的原因是氣缸內燃燒燃料時，因為急劇升高氣缸內壓力而發生的動載荷和沖擊波的高頻振動，在經由活塞、連桿、曲軸、主軸承和氣缸蓋以及缸套側壁而傳到機體外表面，激勵柴油機多種的固有頻率的零件發生振動，從而輻射很大的燃燒噪聲噪聲級出來。

相較于汽油機，柴油機運轉時的缸壓較高，且壓力增長率最大值遠高于汽油機，則就導致燃燒噪聲在柴油機中遠遠大于汽油機。而柴油機中，又以直噴柴油機的缸內壓力和增長率最大，因而本文重點研究直噴式柴油機的噪聲。

1 ? ?燃燒噪聲識別

為了得到燃燒噪聲，首先在動力總成全消聲室（自由場）進行整機噪聲測量，對臺架連接部分及進、排氣系統進行聲學屏蔽。采用五點聲壓法，在距柴油機前、后、左、右、上、下一米處放置麥克風進行測量。依照如下公式進行整機噪聲計算：

Lp：整機一米噪聲，Li：1-5測點噪聲。

在發動機一缸缸蓋上加裝壓力傳感器，測試缸內燃燒壓力。經由氣缸壓力測量和發動機結構衰減量可進行燃燒噪聲計算。

燃燒噪聲與機械噪聲分離及發動機結構衰減量計算：燃燒噪聲的大小不但與氣缸壓力頻譜有關，還與發動機的結構衰減特征這一主要指標有關，這是因為噪聲是由振動而發生，振動取決于激振力特征和振動系統的結構響應。

衰減量的是作為氣缸壓力級與發動機噪聲壓級之差。如果發動機的結構一定，那么衰減系數就是一定的。發動機的結構衰減特征與激振力的特質無關，即氣缸壓力譜不影響發動機衰減特征。因而改變發動機的運轉參數如轉速、負荷以及供油系統等對它們不會發生根本性的影響。

利用平均自由場缸壓衰減法可以進行燃燒噪聲源的識別與優化，也可以用來對柴油發動機燃燒噪聲和機械噪聲進行分離[3] [4]，典型發動機燃燒噪聲計算過程如圖2所示：

燃燒噪聲與爆發壓力有很大關系，考慮頻域方面，則要進行頻譜分析，使用快速傅里葉變更這一工具將氣缸壓力曲線轉變為頻域信號。設一個以T為任意周期的時域信號x（t），做變更展開成以簡諧函數表示的傅立葉級數。

使用歐拉公式，將式（2）中三角函數進行指數變更得到指數形式復系數的傅里葉級數計算公式。在此基礎上經傅式變更得到頻域數

氣缸壓力幅值Y（f）的模|Y（f）|含有密度的意義，也稱為時域值x（t）的幅值密度。

以頻率為橫坐標，以2×10-5Pa為參考壓力的氣缸壓力級幅值為縱坐標，就能夠得到氣缸壓力頻譜曲線。

在動力總成全消聲室進行噪聲試驗，可排除空氣動力噪聲和背景噪聲。可以假定這時的發動機整機噪聲是由機械噪聲和燃燒噪聲構成。現在，對燃燒噪聲和機械噪聲的分離方式有許多，嚴格來講，每種方式都有其使用價值和存在局限性，都不能達到完美的將機械噪聲和燃燒噪聲分離。

燃燒噪聲的簡單而且實用識別方式為：

其中，Lp ，總聲壓級;Lpc ，燃燒噪聲;Lpb ，機械噪聲;Au ，機體結構衰減;H（ f ），結構傳遞; [ ?]，對數計算; p（ f ） ，氣缸壓力級。

依照以上理論和方式可以對噪聲頻譜分析，也就能夠用發動機反拖噪聲來取代機械噪聲，并分離出燃燒噪聲級。

2 ? ?燃燒噪聲測試

本文以某款直列六缸大排量柴油機為研究對象，通過實驗測量的方式分別直接獲得發動機噪聲和缸壓結果，結合之前理論按照一定的方案對噴油控制進行調整優化，并驗證噪聲達標效果。試驗臺架在發動機全消聲室內搭建，針對不同的工況，通過微小調整點火提前角、預噴量、軌壓及噴射正時等參數得到了多組相對應的發動機測量實驗結果，燃燒噪聲結果經由計算得出，為優化該款發動機NVH表現提供了策略參考。

2.1 ? 臺架測試主要試驗設備

消聲室內為發動機提供動力的測功機為AVL公司AFA-T 440，試驗自動控制系統為AVL公司配套的 PUMA OPEN 1.3.2，能夠同時采集包括發動機轉速、扭矩、油溫、水溫、燃油壓力、機油壓力等參數到控制電腦，保證發動機正常運行。

測試使用BBM振動噪聲測量系統，前端序列號：908MM4880，活塞發聲器：B&K4231，序列號：1859151;缸壓傳感器采用預埋式缸內壓力傳感器。并且在曲軸前端安裝編碼器一邊測量曲軸扭振和對數據進行角度域分析。

試驗在一汽集團國家重點實驗室發動機消聲試驗室進行，聲學環境為全消聲，其內部凈空間：9m×8m×7m，平板式吸聲材料，聲學特征符合ISO 3745標準要求，在國內汽車行業屬于領先水平。試驗在25±3℃溫度范圍內進行。

2.2 ? 試驗方式以及測量工況

發動機按規定工況運行，記錄發動機上面、下面、左面、右面、前面距離參考體一米遠處的五個麥克風的聲壓級以及一缸缸壓，發動機噪聲測試臺架布置如圖3所示。

發動機一米噪聲測試：在發動機轉速800 r/min-1800 r/min之間選取有代表性轉速做穩速測量，測量三次，測量時間為20s，負荷分別為0%、25%、50%;缸壓測試：發動機按規定工況運行，記錄發動機一缸的缸壓，然后對其進行1/3倍頻譜分析，經由缸壓測試結果和衰減曲線計算出燃燒噪聲。

燃燒噪聲影響因素分析：在一定范圍內調整發動機參數，測量穩定工況下發動機臺架噪聲和缸壓。發動機初始控制參數見表1、表2。

3 ? ?燃燒噪聲影響因素研究

長久以來的研究表明，通過改變柴油機的噴油規律，可以實現優化柴油機的燃燒過程，從而獲得低的燃燒噪聲和NOx 排放。

燃油預噴是解決柴油機燃燒噪聲的關鍵[5]。電子控制的高壓共軌噴射和預噴的泵噴嘴技術已經可以成功解決這一難題。目前國際上已經發展為可以將少部分燃油預先噴進氣缸，這樣便大幅度降低了燃燒噪聲，隨著高速電磁閥以及噴油器的不斷更新進化，使得每個工作循環可以實現多達5次以上的噴射，有大量文獻表明，“預噴+主噴+后噴”以及類似這樣的噴射組合方式能夠使發動機在任何工況下都保持最佳工作狀態， 并且排放控制效果最佳。

預噴射就是在主噴射之前先噴入燃油的一小部分，提前進行點燃的預反應，預噴射使主噴射燃油噴入前的燃燒室壁面溫度升高，導致主噴射的滯燃期明顯縮短，使滯燃期內形成的可燃燃油量明顯減少。從而降低直噴式柴油機燃燒噪聲。但需要注意的是，固定的預噴射油量和主預噴間隔不是對所有的工況都有比較理想的效果，所以針對不同的發動機仍需要對預噴射量和主預噴間隔進行優化，另外預噴射在降低燃燒噪聲和NOx 的同時，會引起煙度和燃油消耗率增加，所以應對不同工況的預噴射參數進行優化，在盡量降低燃燒噪聲和NOx的同時，又保證不使煙度和燃油消耗率顯著增加。本章以一汽某高壓共軌柴油機為試驗對象，結合具體試驗結果來研究預噴射控制燃燒噪聲的機理，在改善燃燒噪聲的同時兼顧其他性能表現。

3.1 ? 預噴量對噪聲影響

本小節主要說明預噴量對燃燒噪聲影響，其中，圖4、圖5表征利用平均自由場缸壓衰減法進行的燃燒噪聲分離計算結果，圖6、圖7表征相同工況不同預噴量噪聲結果。由結果可知：

①預噴射的設置很明顯的改善了發動機燃燒噪聲;

②調整預噴量主要影響高頻燃燒噪聲貢獻量，對于燃燒噪聲總值和低速中小負荷一米噪聲改善明顯，相同工況下發動機整機噪聲最多優化2.7dBA;

③在高轉速工況下，預噴量對改善燃燒噪聲仍有很大貢獻，調整預噴量能夠改善高頻噪聲幅值，特定頻率下最多優化13dB，因此有助于改善此時的發動機聲品質。

3.2 ? 軌壓對噪聲影響

圖8、圖9表征軌壓對噪聲影響，由結果可知，在提供預噴后，燃燒噪聲幅值和軌壓大小呈正相關，但是變化情況不如調整預噴量明顯。

3.3 ? 噴油相位對噪聲影響

圖10 800r/min穩速工況下噴油正時

對噪聲影響（相對值）

圖11 1600r/min穩速工況下噴油正時

對噪聲影響（相對值）

圖12 800r/min穩速工況下噴油間隔

對噪聲影響（相對值）

圖13 1600r/min穩速工況下噴油間隔

對噪聲影響（相對值）

圖10-圖13表征噴油正時對噪聲影響，可以看出，不同轉速和負荷工況下，噴油正時對噪聲影響不大，低速工況下， 減小噴油間隔角對燃燒噪聲有一定改善。

4 ? ?結論

調整預噴量主要影響高頻燃燒噪聲貢獻量，特定頻率段燃燒噪聲貢獻量優化可以超過10dB，對于燃燒噪聲總值和低速中小負荷整機噪聲改善明顯，考慮到燃油經濟性等因素，該機型設置3mg預噴量較為適宜;

燃燒噪聲幅值由于軌壓增大以及供油提前導致的缸內氣體爆發壓力、最大壓力升高率而增大，但是軌壓的調整需要考慮排放、動力、油耗等指標;

低轉速工況下，可以縮短噴油間隔，即選用較小的間隔角。

柴油機保持轉速不變，負荷增大，一米噪聲聲壓級呈逐漸增大趨勢，燃燒噪聲噪聲級卻呈先升高后降低規律，25%負荷工況下是各個轉速燃燒噪聲最大的工況，應該選擇最優的噴油方案從而使得此時的柴油機燃燒噪聲達到最低。

參考文獻：

[1]錢人一. 汽車發動機噪聲控制[M]. 同濟大學出版社，1997.

[2]龐劍，諶剛，何華. 汽車噪聲與振動理論與應用[M]. 北京理工大學出版社， 2006.

[3]衛海橋. 直噴式柴油機瞬態工況燃燒噪聲激勵機理研究[D]. [博士學位論文]. 天津大學，2004.

[4]李兆文. 柴油機燃燒噪聲影響機理及控制研究[D]. [碩士學位論文] . 天津大學，2009.

[5]杜宏飛 . 預噴參數對柴油機燃燒噪聲的影響規律研究[J].汽車技術，2018.