柴油機怠速進氣量對燃燒噪聲影響的試驗研究

姜智超，姜順超，鄭長亮，甄龍信

1.廣西科技師范學院 職業技術教育學院，廣西 來賓 546100；2.青島海爾電冰箱有限公司，山東 青島 266103；3.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000；4.燕山大學 車輛與能源學院，河北 秦皇島 066000

0 引言

柴油機為壓燃，燃燒時的缸內壓力(缸壓)和溫度較高，燃燒引發的振動和噪聲較大，柴油機噪聲的主要來源是燃燒噪聲，降低燃燒噪聲可以有效改善柴油機的噪聲。目前，改善柴油機燃燒噪聲主要有2種技術方案：第1種方案是通過分析柴油機的燃燒機理，然后改善其燃燒過程，最終從根本上降低柴油機的燃燒噪聲；第2種方案是通過改變噪聲的傳遞路徑，使燃燒噪聲在傳遞過程中被大幅度衰減。

國內外針對柴油機燃燒噪聲的研究有很多。文獻[1-2]通過研究柴油機燃燒噪聲的傳遞特性，來改變燃燒噪聲的傳遞路徑，然后使燃燒噪聲減小，最終改善了柴油機的噪聲；文獻[3]研究了基于多次預噴射的柴油機燃燒噪聲控制；文獻[4-8]通過試驗，研究柴油機控制廢氣再循環、多次預噴射技術和增壓控制技術對發動機燃燒噪聲的影響，研究表明：預噴油量、預噴提前角、噴油器孔數等噴油參數對燃燒噪聲有著很大的影響，通過調整電子控制單元中的噴油參數，柴油機的燃燒噪聲會明顯的降低；文獻[9-11]研究了發動機溫度、進氣量及噴油參數對發動機燃燒噪聲的影響；文獻[12-14]研究渦輪增壓系統對發動機噪聲的影響。

在燃燒噪聲的研究文獻中，針對柴油機怠速工況下燃燒噪聲的研究較少。雖然怠速工況下柴油機整機噪聲較小，但由于轉速較低，機械噪聲較小，因此怠速工況的燃燒噪聲在整機噪聲中所占比重更大。本文中通過試驗測試，研究柴油機暖機怠速工況(轉速為750 r/min)下進氣量對燃燒噪聲和缸壓、壓力升高率(壓升率)及轉速波動的影響。

1 原理和試驗方法

1.1 原理

燃燒的關鍵是控制混合氣中空氣與燃料質量的比例，進氣量影響柴油機的燃燒和性能，提高柴油機的動力性需要更多的燃油和空氣，但隨著進氣量增加，劇烈的燃燒會增大柴油機的燃燒噪聲；減小進氣量可降低燃燒時氣缸內的壓力以及壓升率，減緩著火延遲期，有效降低柴油機燃燒噪聲[15]，但進氣量過低時可能造成燃燒不良，油耗和煙度增加，因此需要合理控制進氣量，在提高柴油機性能的同時兼顧燃燒噪聲[16]。

對柴油機樣機進行怠速試驗測試，通過改變節氣門開度控制進氣量，測試進氣量改變時柴油機缸內壓力、壓升率的變化，研究進氣量對燃燒噪聲的影響；測試進氣量改變時柴油機的角速度波動和橫向擺振的變化，研究進氣量對柴油機轉速波動的影響。

1.2 試驗環境

燃燒噪聲試驗在標準的發動機噪聲、振動、聲振粗糙度(noise vibration harshness, NVH)半消聲室中進行，消聲室中的天花板和四面的墻壁均包裹消聲材料，消聲室中的背景噪聲(A計權)小于 20 dB，柴油機在電渦流測功機臺架上進行測試，安裝測試所需要的附件，如起動機、皮帶、水泵等。測試的過程中，柴油機的水溫控制在正常的范圍中，排氣、進氣及臺架支撐部位處使用吸音材料進行包裹。

1.3 測試樣機和試驗設備

測試樣機為一臺缸內直噴渦輪增壓雙頂置式凸輪軸(double overhead camshaft，DOHC)柴油機，采用2次預噴射技術，柴油機參數如表1所示。

表1 柴油機參數

測試系統的布置結構如圖1所示。試驗配備了發動機臺架、半消聲室、西門子LMS前端、AVL燃燒分析儀、聲學麥克風、轉速傳感器、缸壓傳感器以及一臺工作站。

圖1 測試系統示意圖

分別在進氣側、排氣側、正時齒輪室側、頂部距發動機1 m的4個位置布置麥克風。

2 試驗結果及分析

2.1 進氣量對缸壓、壓升率和燃燒噪聲的影響

進氣量對缸壓和壓升率有顯著影響，缸壓的變化只能間接反映燃燒噪聲的變化，而壓升率的改變直接影響燃燒噪聲，壓升率越大，缸內產生的沖擊波越劇烈，對缸壁的沖擊越大，產生的沖擊也越大[16]。

由于大節氣門開度下壓升率變化的趨勢相近，本文中主要對小節氣門開度下的壓升率進行試驗研究，不同節氣門開度下柴油機缸壓和壓升率隨曲軸轉角的變化曲線如圖2所示。

由圖2a)可知：節氣門開度越小，缸壓越低，節氣門開度從100%減小至5%，峰值缸壓約降低2 MPa，其中節氣門開度從10%減小到5%時的缸壓降低最快。由圖2b)可知：小節氣門開度時不同節氣門開度的壓升率變化差異較大，峰值壓升率隨著節氣門開度的減小而減小，著火時刻(峰值壓升率)隨著節氣門開度的減小而有所延遲。

a)缸壓 b)壓升率

壓升率影響燃燒噪聲，柴油機的燃燒噪聲隨進氣量(節氣門開度)的變化而發生明顯改變。不同節氣門開度下柴油機燃燒噪聲和1 m平均輻射噪聲如圖3所示。由圖3可知，柴油機燃燒噪聲和1 m平均噪聲隨節氣門開度的減小而降低，其中節氣門開度由10%減小到5%時燃燒噪聲的降低幅度最大，為4.5 dB，4個測試位置的1 m 噪聲(A計權)平均降低1.5 dB。節氣門開度過小將導致怠速不穩，轉速出現嚴重波動時會造成發動機熄火[3]，因此節氣門的開度應該控制在合理的范圍。

圖3 燃燒噪聲和1 m平均輻射噪聲

2.2 進氣量對壓升率、放熱率和轉速波動的影響

由于節氣門開度為17%～100%時節氣門開度的變化對缸壓和壓升率影響較小，而節氣門開度為5%～10%時對缸壓和壓升率的影響較大，因此本文中選擇2種小進氣流量(節氣門開度為5%、6%)進行柴油機怠速工況壓升率和放熱率測試，選擇3種小進氣流量(節氣門開度為5%、8%、17%)進行柴油機怠速工況轉速波動測試。

怠速轉速為750 r/min，節氣門開度為5%、6%時的壓升率和放熱率曲線如圖4所示。

a)壓升率 b)放熱率

由圖4可知：當節氣門的開度為5%時，壓升率有2個較為明顯的峰值，當節氣門的開度為6%時，壓升率有3個明顯峰值；放熱率與壓升率具有類似的規律。節氣門的開度為5%時，由于開度太小，導致進氣量不足，2次預噴射形成的混合氣沒有得到充分的燃燒，只有2次明顯的放熱；而節氣門開度為6%時，由于進氣量增加，燃燒得到一定程度地改善，壓升率和放熱率出現3個明顯峰值。

節氣門開度為5%、8%、17%時怠速工況轉速波動曲線如圖5所示。

a)節氣門開度5% b)節氣門開度6% c)節氣門開度17%

由圖5可知：節氣門開度為6%時的怠速轉速波動曲線與節氣門開度為17%時相似，兩者的變化趨勢幾乎一致，節氣門開度為6%時的轉速波動率(峰值轉速波動差與怠速750 r/min的比)為0.007；節氣門開度為5%時的轉速曲線出現明顯的波動，峰值處的形狀更加尖銳，其轉速波動率為0.013，說明波動明顯高于前者，轉速值變化幅度較大；節氣門開度為6%、17%時轉速沒有嚴重波動，各個峰值之間基本保持在同一個水平。

節氣門開度為5%時的異常波動與壓升率及放熱率有關，由于燃燒不充分導致壓升率及放熱率的異常變化，從而引起轉速波動。因此，應該控制節氣門開度大于5%才能維持發動機正常的轉速。

3 結論

柴油機在暖機時的怠速工況下，通過調節節氣門開度來控制進氣量，可有效減小缸壓和壓升率，降低燃燒噪聲。

1)節氣門開度越小，缸壓越低，缸壓降低幅度越大；節氣門開度從100%減小至5%時，缸壓峰值約降低2 MPa。

2)節氣門開度越小，峰值壓升率越??；大節氣門開度下壓升率的變化趨勢相近，小節氣門開度下壓升率的變化差異較大；著火時刻隨節氣門開度的減小而延遲。

3)節氣門開度越小，燃燒噪聲和1 m輻射噪聲越低，節氣門開度由10%減小至5%時，燃燒噪聲降低約4.5 dB，4個測點的1 m 噪聲(A計權)平均降低1.5 dB。

4)節氣門開度越小，怠速時的轉速波動越大；節氣門開度為6%及以上時的怠速轉速波動相似，節氣門開度為5%時怠速轉速波動明顯；節氣門開度為6%時的轉速波動率為0.007，節氣門開度為5%時轉速波動率為0.013。

節氣門開度越小，進氣量越小，越有利于降低燃燒噪聲，但節氣門開度越小，轉速波動越大，因此節氣門開度應維持在5%以上。