多次預噴射的柴油機燃燒噪聲控制實驗

姜順超，張校峰，王曉洋，許 杰，姜智超

多次預噴射的柴油機燃燒噪聲控制實驗

姜順超1，張校峰2，王曉洋2，許 杰2，姜智超2

（1.青島海爾電冰箱有限公司，山東 青島 266103；2.廣西科技師范學院，廣西 來賓 546100）

為了降低柴油機怠速狀態下的燃燒噪聲，分析多次預噴射技術對燃燒噪聲的影響。在半消聲室內對某直列四缸高壓共軌柴油機進行測試，根據實驗數據，分析兩次預噴射策略對缸壓、放熱率、壓力升高率、燃燒噪聲的影響。實驗測試結果表明，兩次預噴射策略可以有效降低柴油機的放熱率及壓升率的最高值，從而使柴油機燃燒噪聲平均降低了5.2 dB，實車噪聲也有所減小，缸壓頻譜在中高頻率范圍內的幅值也有所減小，此預噴策略最終也應用在了某型號的柴油機上。

柴油機怠速；預噴射；缸壓；壓升率；燃燒噪聲；噪聲控制

燃燒噪聲是柴油機的主要噪聲源，降低燃燒噪聲對優化柴油機的噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration and Harshness, NVH）性能有很大幫助，近年來國內外學者對柴油機的燃燒噪聲問題進行了大量的研究。優化傳遞路徑及噴油策略是目前主流的研究方法[1]，文獻[2]根據噪聲的傳遞特性，采用改變結構等方法來加強燃燒噪聲的衰減，從而降低發動機噪聲。近年來，更多的學者采用改變噴油策略的方法來控制發動機的燃燒噪聲。文獻[3-4]通過改變預噴射的油量以及預噴時刻來控制柴油機的燃燒噪聲。文獻[5-6]在研究燃燒噪聲的基礎上對柴油機的聲品質進行了相關的分析。文獻[7-8]研究噴油率以及噴油定時對燃燒噪聲的影響。文獻[9-10]通過改變初次噴油量和后噴射油量，從而影響柴油機的燃燒噪聲和排放。研究燃燒噪聲需要進行相關分析和測試技術。文獻[11]提出時間-頻率-窗的燃燒噪聲識別方法。文獻[12]利用多體動力學等計算方法對低噪聲的結構優化設計，在傳遞路徑上降低了柴油機的輻射噪聲。文獻[13]研究了柴油機放熱率與燃燒噪聲之間的關系，研究表明燃燒噪聲與各相位之間的間隔有關。

目前，在柴油機上對一次預噴技術的應用比較廣泛，但對于兩次預噴技術的研究還不成熟，尤其是對于很多國產的柴油發動機，通過噴油策略來改善其燃燒噪聲的技術還有很大的進步空間，并且這種技術相對其他的方法更加節約時間和成本。筆者從角度域和頻域上對實驗數據進行研究分析，主要闡述了在怠速工況下，兩次預噴策略對柴油機缸內各個參數包括燃燒噪聲的影響。實驗結果證明，兩次預噴射技術對柴油機的噪聲有明顯改善。

1 多次預噴射降低燃燒噪聲原理

1.1 柴油機燃燒噪聲產生的原理

柴油機的燃燒噪聲是在氣缸內產生的，當燃油混合器燃燒時，因燃燒所導致缸內氣體壓力發生劇烈變化，氣體壓力的巨變所引起的沖擊波導致氣體發生高頻振動，從而產生燃燒噪聲，其大小受制于壓力升高的速率（簡稱壓升率）。缸內壓力變化的特性由壓升率d/d表征[14]。

燃燒噪聲的大小與燃燒過程有很大關系，柴油機的燃燒過程主要分為4個階段：著火延遲期、急燃、緩燃和后燃期。著火延遲期中，對燃燒噪聲沒有直接影響，但對燃燒進程的發展影響深遠。在急燃期內，缸內的壓力變化很大，對噪聲和振動有直接影響。緩燃期和后燃期對燃燒噪聲并沒有很大的影響。所以，通過控制滯燃期和急燃期內的燃燒進程是降低柴油機燃燒噪聲最有效的方法。

1.2 多次預噴射技術原理

實驗中，在原來的噴油策略的基礎上增加了一次預噴射，主要原理是將一個循環里的燃油分成三份，分別為一次主噴射、兩次預噴射。相較于原來的噴油策略，兩次預噴射策略可以減小主噴的油量，從而使壓升率變得更加緩和，進而降低燃燒噪聲[15]。

2 實驗裝置及實驗方法

2.1 實驗裝置

場地為半消聲室，房間聲學環境滿足工程法聲功率計測量精度。發動機為直列四缸高壓共軌柴油機。

實驗儀器包括電渦流測功機、AVL燃燒分析儀、LMS前端、4個缸壓傳感器、4個麥克風。

2.2 實驗方法

做怠速工況下不同節氣門開度的燃燒噪聲實驗。麥克風傳感器布置如圖1標記所示，進氣、正時、排氣面的麥克風應間隔各面一米并且距離地面高度1.2 m處安置，頂部面的麥克風只需間隔1 m；四個缸傳感器布置如圖2所示。

圖1 麥克風布置

圖2 缸壓傳感器布置

3 實驗結果及分析

3.1 兩種預噴策略對缸壓、壓升率及放熱率的影響

如圖3和圖4所示，為實驗機型的標定數據。這兩種噴油策略的主噴射角度（主噴角指的是主噴射角度與上止點0 CA的夾角）為–2 CA，兩種策略的預噴射角度和預噴射油量則有明顯不同，預噴射角度指的是預噴射和主噴射間的夾角（夾角可以換算為時間）。

如圖3所示，在兩次預噴策略下，首次的預噴射油量均值為1.0 mg，第二次預噴油量均值為1.2 mg，總預噴油量平均增加0.71 mg，由于兩種策略每次循環的總油量不變，因此，其主噴的油量相應減少0.71 mg，這種分配的原則是在一次預噴策略的基礎上把預噴油量分成了兩次預噴，并使第二次預噴油量高于第一次預噴油量，這樣可以使預噴射期間的壓升率變化的比較緩慢[4]，另外，總預噴油量的增加，即主噴油量的減少也會使壓升率放緩。

圖3 預噴油量

如圖4所示，在兩次預噴策略下，第一次預噴射角度平均提前了3.2 CA（換算為時間是0.7 ms，CA和ms之間的換算關系為4.5 CA/ms），因此，燃燒會提前進行，而第二次預噴射相對滯后了 5.4 CA（1.2 ms），考慮到第一次燃燒的時刻應盡量在活塞到達上止點附近的位置，且使整個燃燒過程放緩，所以預噴1的提前角設置在原來預噴1的前面，由于預噴2在整個燃燒過程之內，所以其噴油時刻可以相應滯后一些，這樣也能使燃燒放緩。

圖4 預噴間隔

分析這兩種噴油策略的缸壓、壓升率和放熱率的變化對燃燒噪聲影響，取四個有代表性的節氣門開度進行相關分析。

圖5表示在怠速750 r/min，節氣門開度100%時，兩次預噴射策略的壓升率變化曲線有三個明顯峰值，表示二次預噴射及主噴射的峰值。這兩種策略缸壓的峰值十分相近，不過兩次預噴射峰值處的曲線相比一次預噴策略要高一點。分析圖3和圖4可知，兩次預噴策略的預噴油量是增加的，因此，在預噴射期間燃燒釋放出的熱量也會更多，導致峰值時刻下兩次預噴策略的最大缸壓略高于一次預噴策略的最大缸壓；然后再分析壓力升高率，兩次預噴策略下的壓升率峰值要比一次預噴策略低，特別是第一個峰值的差別較大，其差值約為1 bar/CA，這是由于在兩次預噴策略中預噴1油量比一次預噴策略中預噴1的油量要少，所以前者的壓升率也會相對變小。

圖5 怠速-100%

圖6為怠速750 r/min，節氣門開度17%時，這兩種預噴策略的缸壓及壓升率曲線，兩種預噴策略的缸壓及壓升率的變化趨勢同100%開度時相似，只是缸壓和壓升率的變化范圍較小，100%開度時的缸壓最大值接近50 bar，17%開度時的缸壓最大值接近45 bar；100%開度時的壓升率最大值接近4 bar/CA，17%開度時的壓升率最大值接近3.5 bar/CA。此開度下的進氣量與燃油能充分進行燃燒，所以兩種開度下的缸壓和壓升率變化趨勢一致。

圖6 怠速-17%

如圖7所示，轉速與上圖的轉速相同，節氣門開度為10%，由圖可知，缸壓和壓力升高率曲線的變化趨勢與上圖相似，壓升率在變化趨勢和數值上都沒有太大的變化，但缸壓的變化與前者有不同的地方。首先，一次預噴缸壓的最大值與二次預噴缸壓最大值非常接近；其次，節氣門開度10%時的缸壓最大值比17%時的要小很多，這是由于進氣量的減少使得噴油量也減少，從而導致最大缸壓的減小。

圖7 怠速-10%

如圖8所示，依然是怠速750 r/min，此時節氣門開度為5%，先分析兩者最大缸壓的區別，由圖可知，兩次預噴的最大缸壓要比一次預噴小，之間的差值約5 bar；再分析壓力升高率的區別，由圖可知，兩次預噴射策略的壓力升高率只出現一次明顯的峰值，此峰值后面只有兩次較小的波動，結合圖9的壓升率曲線進行分析，可以看出，節氣門開度在5%的時候，曲線只有兩個明顯的峰值，當節氣門的開度在6%時，曲線峰值卻有三個，再結合圖10放熱率曲線進行分析，節氣門開度在5%的時候，曲線同樣也只有兩個較為明顯的峰值，這說明在節氣門5%的開度下，氣缸內部只有兩次劇烈的放熱。綜上分析可知，這是因為節氣門開度在5%的時候，由于進氣量不足而導致前后兩次預噴射所形成的燃油混合氣無法充分進行燃燒，以至于第一次預噴射開始時，缸內燃油混合氣無法正常燃燒，兩次預噴射的燃油中只有部分燃油進行了燃燒。

圖8 怠速-5%

圖9 怠速-壓力升高率

圖10 怠速-放熱率

3.2 對燃燒噪聲的影響

柴油機燃燒噪聲主要的計算過程如圖11所示，進入氣缸的缸壓傳感器采用的是GaPO4高精度材料，此傳感器采集到的缸壓信號精度很高，經過前端處理得到的是時域信號，軟件可以對時域信號進行傅里葉變換，然后得到頻域信號，然后經過式（1）的計算得到頻域聲壓級，最后經過結構公式（2）傳遞函數和A計權得到燃燒噪聲。

(dB)（1）

式中，20×10-11bar為人耳聽力的截止下限的大小；為聲壓級；為均方根值；P為缸壓信號。

式中，LPn為第n個頻率下的聲壓級數值；LP為最終的燃燒噪聲值。

實驗工況為怠速下750 r/min，所進行的是穩態燃燒噪聲測試，測試系統將缸壓信號從角度域到時域的轉換過程中應用了平均轉速，為避免出現因發動機轉速不穩而導致誤差嚴重的情況，測試中要求發動機轉速平穩。

圖12是怠速750 r/min時，不同節氣門開度下的兩種預噴策略的差別。對兩種噴油策略所測得的燃燒噪聲值進行對比，由圖可知，在不同節氣門開度下，兩次預噴射策略相比一次預噴射策略可使燃燒噪聲平均降低5.2 dB。由圖可知，曲線從開度5%到10%的區間內變化較大，這是由于進氣量過少導致兩次預噴的燃油沒有充分燃燒。當節氣門開度超過10%以后時，缸內的燃燒趨向于平穩，燃燒噪聲最大值在72 dB上下。

圖12 燃燒噪聲

3.3 缸壓的頻譜分析

3.3.1缸壓頻譜與噪聲之間的關系

從數值上而言，缸壓頻譜是由不同頻率和幅值的各種諧波的疊加而成。也就是說氣缸壓力總的作用效果等于各種諧波單獨作用之和。

一般來說，頻譜的衰減可分為三個區域： 1 000 Hz以下時，機體結構衰減量很大，由于機體大多數零件的自振頻率是中高頻區域，因此，在低頻的缸壓引起的零件的結構響應小，衰減大；1 000 Hz～4 000 Hz時，此頻段的結構衰減量最低。由于機體零部件的固有頻率大多在這個頻段上，很容易引起共振，因此振動衰減量小；最后是4 000 Hz以上的頻段，此頻段結構衰減量又上升了。因為振動頻率太高，已超出了機體大部分零件的固有頻率，因此振動的衰減增加。所以，燃燒噪聲影響的頻率范圍主要是中高頻，降低氣缸壓力頻譜曲線，特別是中高頻的頻率成分，是降低燃燒噪聲的有效手段。

3.3.2對兩種預噴射策略進行缸壓頻譜分析

如圖13所示，為節氣門開度17%下的缸壓頻譜曲線，分析可知，頻率在500 Hz～5 000 Hz之間兩次預噴的聲壓級明顯降低了很多。

圖13 缸壓頻譜

3.3.3對整機的噪聲進行頻譜分析

該柴油機燃燒噪聲影響的頻率范圍主要是500 Hz～5 000 Hz，尤其是在1 500 Hz～3 000 Hz的范圍內影響較大。

3.4 半消聲室與實車噪聲聲壓級對比

比較兩次預噴策略下半消聲室與實車噪聲聲壓級大小，如圖14所示，為怠速下不同節氣門開度下半消聲室與實車狀態下所測得的噪聲聲壓級大小。可見，實車的噪聲要比消聲室低大約2 dB(A)，這是因為發動機被包裹在機艙內部，噪聲被衰減了很多。

圖14 消聲室與實車噪聲聲壓級曲線

4 結語

實驗機型通過采用多次預噴射技術后，有效地改善了柴油機的燃燒噪聲。對實驗數據進行相關分析，相比于一次預噴策略，兩次預噴對于缸壓的影響不大，尤其是在節氣門開度較大時，壓力曲線基本上趨于一致。而兩次預噴射策略對壓升率產生較大影響，其壓升率的峰值要比一次預噴策略下的峰值小很多。

但若節氣門開度太小，則會導致柴油機怠速狀態下的進氣量嚴重不足，使這兩次預噴射形成的燃油混合氣無法充分進行燃燒，嚴重時會導致發動機熄火，因此節氣門開度應該高于5%。

兩種預噴策略相比，兩次預噴策略的燃燒噪聲值平均降低了5.2 dB，其中在1 500 Hz～3 000 Hz范圍內的噪聲值呈現整體的降低趨勢。最后，比較了兩次預噴射策略下半消聲室與實車噪聲聲壓級大小，由于機艙對發動機噪聲有衰減作用，因此實車的噪聲要比消聲室低了大約2 dB(A)。

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Experimental on Combustion Noise Control of Diesel Engines Employing the Multiple Pilot Fuel Injection Technology

JIANG Shunchao1, ZHANG Xiaofeng2, WANG Xiaoyang2, XU Jie2, JIANG Zhichao2

( 1.Qingdao Haier Refrigerator Company Limited, Qingdao 266103, China;2.Guangxi Science & Technology Normal University, Laibin 546100, China )

In order to reduce combustion noise of diesel engine in idle state，a study on the effect of the multiple pilot fuel injection technology on the combustion noise was conducted. A four-cylinder high pressure common rail diesel engine with inline sensors was tested in a semi-anechoic room. According to the experimental data, the effects of the doublepilot fuel injection technology on the cylinder pressure, the heat release rate,the pressure rise rate, the combustion noise were analyzed. The test results showed that the double pilot fuel injection technology can reduce the maximum value of the heat release rate and pressure rise rate of the diesel engine, so that the combustion noise of the diesel engine was reduced by an average of 5.2dB.The real vehicle noise was also reduced.The spectrum of the cylinder pressure decreased in the medium to high frequency range.This multiple pilot fuel injection technology was finally applied to this type of diesel engine.

Idle stateof diesel engine;Pilot fuel injections;Cylinder pressure;Pressure rise rate;Combustion noise;Noise control

TK421+6

A

1671-7988(2022)24-103-07

TK421+6

A

1671-7988(2022)24-103-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.019

姜順超（1992—），男，碩士，工程師，研究方向為機械工程，E-mail:1172797192@qq.com。

廣西科技師范學院科研基金項目（GXKS2020QN030）；廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目（2020 KY23017）。