燃油缸內(nèi)直噴式發(fā)動機(jī)噴油器噪聲分析與控制

□ 王雅南 □ 馬金強(qiáng) □ 許 晶 □ 郝學(xué)信 □ 薩圖格日樂

寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江寧波 315336

1 分析背景

近年來, 為了應(yīng)對越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn),汽油機(jī)噴油器的噴射方式逐步朝向缸內(nèi)直噴技術(shù)發(fā)展,越來越多的試驗研究結(jié)果顯示,提高噴油壓力更有利于燃油霧化和油氣混合,提升汽油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。因此,燃油壓力已經(jīng)由0.4～0.5 MPa 提高到15 MPa、20 MPa,甚至35 MPa。高壓燃油噴油器已成為改善燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放的主流技術(shù),在汽油機(jī)行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛。然而,隨著噴油壓力的大幅提高,燃油在經(jīng)過高壓油泵的加壓之后,獲得巨大的燃油脈動能量,流經(jīng)高壓油軌和噴油器進(jìn)入燃燒室,沖擊著高壓油軌的內(nèi)壁和噴油器內(nèi)腔,給汽油機(jī)帶來不可避免的噪聲問題,尤其是發(fā)動機(jī)怠速工況,高壓系統(tǒng)噪聲更加明顯。

隨著人們生活質(zhì)量和消費水平的提高,之前消費者單純追求汽車的性能和質(zhì)量,現(xiàn)在越來越多的消費者更加注重優(yōu)質(zhì)的感知質(zhì)量和舒適的駕駛體驗,人們對燃油缸內(nèi)直噴式發(fā)動機(jī)的噪聲感知愈發(fā)敏感,因此,不得不采取有效措施來改善高壓噴油系統(tǒng)的噪聲問題。噴油器是高壓噴油系統(tǒng)關(guān)鍵的零部件之一,筆者通過分析某燃油缸內(nèi)直噴式發(fā)動機(jī)噴油器的結(jié)構(gòu)、工作原理和燃油傳輸路徑,研究噴油器噪聲的產(chǎn)生機(jī)理,最終通過優(yōu)化噴油器結(jié)構(gòu),改善怠速工況時噴油器的油壓脈動噪聲和“滴答”響聲,提升汽車感知質(zhì)量和舒適性,減少消費者抱怨。

2 噴油器結(jié)構(gòu)

某燃油缸內(nèi)直噴式發(fā)動機(jī)噴油器主要由殼體、連接器、O形密封圈、濾網(wǎng)、墊片、針閥、特氟龍密封圈、閥座等部件組成,如圖1所示。連接器通過發(fā)動機(jī)線束與電子控制單元相連,接收電子控制單元傳遞的噴油指令。O形密封圈與高壓油軌內(nèi)壁過盈配合,通過壓縮作用保證燃油密封。墊片被噴油器壓緊在缸蓋安裝面上,用來緩沖機(jī)械振動。特氟龍密封圈與缸蓋安裝孔過盈配合,可保證燃燒室與外界密封。殼體內(nèi)部設(shè)有燃油流經(jīng)通道,燃油通過高壓油軌輸送到噴油器頂端,經(jīng)過濾網(wǎng)的過濾作用,進(jìn)入噴油器內(nèi)腔。噴油器不工作時,針閥與閥座緊密連接,保證密封。當(dāng)噴油器接到執(zhí)行命令時,針閥向上移動開啟,燃油通過閥座上的噴孔進(jìn)入燃燒室。

▲圖1 噴油器結(jié)構(gòu)

3 噴油器噪聲機(jī)理分析

噴油器與缸蓋和高壓油軌的配合安裝如圖2所示。噴油器裝配在缸蓋安裝孔內(nèi),墊片底面與缸蓋安裝面配合連接,高壓油軌通過螺栓固定在缸蓋上。燃油被加壓后流經(jīng)高壓油軌進(jìn)入到噴油器中,油壓脈動沖擊著噴油器內(nèi)壁。隨著發(fā)動機(jī)運行,噴油器不停地開啟和關(guān)閉,針閥一直撞擊閥座,同時帶動整個噴油器上下振動,導(dǎo)致墊片與缸蓋的機(jī)械振動。一般燃油缸內(nèi)直噴式發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速為5 500 r/min,此時每個燃燒室每分鐘噴油器就要開啟2 750次,可見噴油器噪聲具有很高的頻率。經(jīng)以上分析,總結(jié)出噴油器噪聲來源主要有以下三個方面:

▲圖2 噴油器安裝

(1) 噴油器頂端進(jìn)油口的油壓脈動噪聲;

(2) 針閥開啟和關(guān)閉時,帶動噴油器墊片與缸蓋的機(jī)械振動;

(3) 針閥開啟和關(guān)閉時,針閥與閥座的撞擊聲。

4 噴油器噪聲控制方案

通過噴油器噪聲來源分析,可以從減小油壓脈動和降低機(jī)械振動兩個方面進(jìn)行改善。筆者主要通過優(yōu)化噴油器結(jié)構(gòu)提出三個優(yōu)化方案,并進(jìn)行噪聲實測對比驗證。

4.1 穩(wěn)流降噪管方案

在噴油器頂端進(jìn)油口位置增加一個穩(wěn)流降噪管,如圖3所示。穩(wěn)流降噪管縮小了燃油流經(jīng)的截面,可減弱噴油器與高壓油軌之間的燃油脈動。

▲圖3 穩(wěn)流降噪管

將不加穩(wěn)流降噪管和加穩(wěn)流降噪管的噴油器分別安裝在同一臺發(fā)動機(jī)上,進(jìn)行噪聲測試對比,測試結(jié)果如圖4所示。從噪聲測試結(jié)果可以看出,穩(wěn)流降噪管在1 000～6 000 Hz頻率范圍內(nèi)對噪聲有明顯的改善作用,最大能降低約0.7 dB(A)。

▲圖4 穩(wěn)流降噪管測試對比

4.2 減振墊片方案

噴油器與缸蓋安裝平面通過普通墊片接觸,此為硬接觸,發(fā)動機(jī)正常工作時,針閥開啟關(guān)閉帶動噴油器振動產(chǎn)生“滴答”敲擊聲。將普通墊片改為減振墊片,結(jié)構(gòu)如圖5所示。墊片中間填充緊密的鋼絲絨,具有彈性,且承受振動性能強(qiáng),可以緩沖噴油器與缸蓋之間的機(jī)械振動。

▲圖5 減振墊片結(jié)構(gòu)

為了驗證此優(yōu)化方案的效果,制作帶減振墊片的噴油器與普通墊片噴油器進(jìn)行噪聲測試對比。測試地點為浙江大學(xué)半消聲室,測試工況為怠速,噪聲布點為進(jìn)氣側(cè)近場10 cm和進(jìn)氣側(cè)遠(yuǎn)場100 cm。主觀評價噴油器噪聲有明顯改善,發(fā)動機(jī)怠速噪聲感覺更加夯實。

噪聲頻譜對比如圖6所示。從噪聲數(shù)據(jù)可以看出,噴油器增加減振墊片之后,近場10 cm噪聲峰值點總體向低頻偏移,峰值有所降低,在5 000～6 000 Hz頻段發(fā)動機(jī)怠速噪聲改善明顯。遠(yuǎn)場100 cm噪聲峰值降低明顯,降低約7 dB(A),在7 500～16 000 Hz頻段發(fā)動機(jī)怠速噪聲改善明顯。

▲圖6 噪聲頻譜對比

噪聲總聲壓級對比如圖7所示。從噪聲數(shù)據(jù)可以看出,噴油器增加減振墊片之后,進(jìn)氣側(cè)近場10 cm總聲壓級降低約1.2 dB(A),進(jìn)氣側(cè)遠(yuǎn)場100 cm總聲壓級降低約1.35 dB(A)。

▲圖7 噪聲總聲壓級對比▲圖8 噪聲色圖對比

噪聲色圖對比如圖8所示。從噪聲色圖可以看出,噴油器增加減振墊片之后,進(jìn)氣側(cè)近場10 cm和遠(yuǎn)場100 cm的高頻成分都出現(xiàn)了明顯的降低,近場頻率帶3 318 Hz、4 800～5 990 Hz向低頻方向移動,遠(yuǎn)場頻率帶4 800～5 300 Hz、7 400 Hz降低最明顯。

4.3 懸吊式噴油器方案

懸吊式噴油器是一種創(chuàng)新的噴油器與油軌固定結(jié)構(gòu),如圖9所示。懸吊式噴油器摒棄傳統(tǒng)的固定方式,取消噴油器墊片,采用卡環(huán)結(jié)構(gòu)將噴油器與油軌連接,并保證不松脫。由于沒有了墊片,噴油器與缸蓋安裝面不接觸,可避免噴油器墊片與缸蓋的機(jī)械振動。

▲圖9 懸吊式噴油器

為驗證此方案的降噪效果,制作三組噴油器進(jìn)行對比測試。第一組噴油器為普通墊片噴油器,第二組噴油器為減振墊片噴油器,第三組噴油器為懸吊式噴油器。將三組噴油器分別安裝在測試車輛上進(jìn)行測試。測試地點為天津某動態(tài)消聲室,測試工況為怠速,噪聲布點為車輛正前方100 cm。測試數(shù)據(jù)如圖10所示。從噪聲數(shù)據(jù)可以看出,在8 000～16 000 Hz頻率段內(nèi),第二組噴油器的怠速噪聲總聲壓級降低1.2 dB(A),第三組噴油器的怠速噪聲總聲壓級降低3.4 dB(A)。由于減振墊片是緩沖噴油器與缸蓋的機(jī)械振動,而懸吊式噴油器直接隔斷噴油器和缸蓋的振動,因此懸吊式噴油器比減振墊片噴油器的怠速噪聲改善更有優(yōu)勢。

▲圖10 噴油器噪聲測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

分析確認(rèn),穩(wěn)流降噪管方案主要改善中低頻噪聲,最大降低0.7 dB(A)。減振墊片方案重點改善高頻噪聲,峰值降低7 dB(A),總聲壓級降低1.2 dB(A)。懸吊式噴油器方案重點改善高頻噪聲,總聲壓級降低3.4 dB(A)。所以,針對燃油缸內(nèi)直噴式發(fā)動機(jī)高壓噴油系統(tǒng),可采用穩(wěn)流降噪管方案疊加減振墊片方案,或者穩(wěn)流降噪管方案疊加懸吊式噴油器方案,均可改善噴油器噪聲,其中穩(wěn)流降噪管方案疊加懸吊式噴油器方案對發(fā)動機(jī)噪聲控制效果更佳。

通過分析燃油缸內(nèi)直噴式發(fā)動機(jī)噴油器的噪聲產(chǎn)生機(jī)理,從降低油壓脈動和改善機(jī)械振動兩個方面著手,提出三個有效的噪聲控制措施,對發(fā)動機(jī)前期噴油器開發(fā)具有指導(dǎo)意義。