柴油机燃烧噪声及其控制研究

刘海亮 孙伟

摘 要：本文主要从柴油机的结构和燃料入手，研究了柴油機燃烧噪声产生的原理、原因，以及降低燃烧噪声的几种途径。

关键词：燃烧噪声；燃烧室；喷油提前角

1 燃烧噪声产生的原理

因为柴油机噪声与燃烧过程有关，所以可以从柴油机燃烧过程的四个阶段——滞燃期、速燃期、缓燃期和补燃期来研究。在滞燃期内燃料并未燃烧，尚在进行燃烧前必要的物理和化学准备，气缸中的压力和温度变化都很小，因此对噪声的直接影响甚微，但滞燃期对燃烧过程的进展有很大影响，因此对发动机燃烧噪声起着间接的重大影响作用。在速燃期内燃料迅速燃烧，气缸内压力迅速增加，直接影响发动机的振动和噪音，影响速燃期内压力增长率的主要因素是着火延迟期的长短和供油规律。着火延迟期越长，在此期间喷人气缸的燃料越多，压力增长率就越高。压力增长率大，意味着柴油机的冲击载荷大，使柴油机内零件敲击严重，从而增加了柴油机的结构震动和所辐射的噪声。在缓燃期内，气缸内压力有所增长，但增长率较小，因此能激发起一定程度的燃烧噪声，但对噪声的影响不显著。这个阶段主要对柴油机的动力性和经济性有很大影响。在补燃期内，因活塞下行且绝大多数燃料已在前两个时期内燃烧完毕，所以对燃烧噪音影响不大。

2 气缸压力频谱与噪声的关系

气缸压力频谱曲线的微小变化，对内燃机的功率不会产生显著的影响，但对其噪声却有很大的影响。这是因为内燃机的功率是由许多循环平均的压力曲线所决定的，而燃烧噪声则与每一循环中气缸内瞬时压力变化的实际曲线有关。

气缸压力曲线实际上是气缸内气体压力变化的一种时域信号图形，从时域里观察只能获得与燃烧噪声有关的部分特征，而无法更详细地考查与燃烧噪声有着密切关系的有关信息----气缸压力曲线所包含的频率结构和每种频率成分上压力强度的大小。如果能找到这些信息，那么燃烧气体的压力所激发的振动和噪声以及它在内燃机中的传递情况就可以有比较清楚的认识，从而可以从燃烧方式以及传递途径上设法对燃烧噪声加以控制，我们可以从频率域去观察并找到气缸压力曲线在频率域内的图形，可以进一步了解燃烧噪声源的特性，气缸压力频谱曲线可分三段：曲线的低频区域，气缸压力级达到最大值，它的数值主要是由气缸内的最大压力值及压力曲线的形状所决定的。气缸压力的最大值越高，频谱曲线的低频峰值越高。曲线中间部分的特点，是气缸压力级对数规律作线形递减；其斜度受气缸压力增长率所控制。增长率越大，直线部分就越平坦，反之，直线部分就越陡。最后区域出现另一个压力级的峰值是由于燃烧开始时缸内局部地区压力急剧上升，引起气缸高频振动而产生的。气缸压力曲线实质是由不同频率，不同幅值的一系列谐波的叠加结果。根据线形系统的性质可知，气缸压力的总的作用等于这一系列谐波单独作用的总和。因此燃烧气体对内燃机气缸内各零件振动的激发可以认为是这一系列谐波单独激发的总和。这一系列谐波在气缸内可以通过三条途径传递到内燃机外表面形成表面的振动而辐射出噪声。首先是通过活塞、连杆、曲轴、主轴承传至机体外表面；第二条途径是经气缸盖传到机体外表面；第三条途径是经缸套侧壁传向缸体外表面。实验表明，由燃烧产生的大部分振动能量是通过连杆大端和主轴承进入内燃机结构激发表面振动辐射出噪声的。

3 影响燃烧噪声的主要因素

⑴燃烧室。开式燃烧室（如浅盆形），由于不组织空气涡流运动，主要靠油束的扩展促使燃油与空气混合。因此在滞然期间形成的可燃混合气较多，一旦着火便促使气缸压力急剧上升，使压力升高率和最高爆发压力都较高，故工作粗暴，燃烧噪声大。半开式燃烧室（如ω型）一方面依靠一定的燃烧喷射雾化质量，一方面又利于用合理组织进行涡流和挤流，促使混合气的形成和燃烧。燃烧大部分是喷在空间混合，少部分是喷在壁面蒸发混合。由于不完全是空间混合，因此在滞然期内形成的可燃混合气略少于分开式燃烧室，故燃烧噪声也较分开式燃烧室略低。

⑵压缩温度和压力。随着压缩温度和压力的增加，由于燃料着火的物理、化学准备阶段得到改善，因而着火延迟期减小。压缩终了的温度主要取决于压缩比，此外，还与冷却水温度、活塞温度、汽缸盖温度、进气温度等有关，由于提高压缩比可以提高压缩终了的温度和压力，从而缩短滞燃期，降低压力升高率，所以能使燃烧噪声降低，但压缩比增高又使汽缸压力增大，活塞撞击噪声增加，因此不会使内燃机总的噪声有很大的降低。

⑶喷油（点火）提前角。当喷油或点火提前角变化时，滞燃期、压力增长率、压力升高比和最大燃烧压力等都随之发生变化，因而对内燃机的低、中、高频燃烧噪声都有影响。最佳喷油（点火）提前角必须综合考虑内燃机的经济性，排气和噪声这三个方面的要求。

4 降低燃烧噪声的途径

通过以上讨论，应从下述两方面降低内燃机燃烧噪声：

⑴从产生的根源上，降低汽缸压力频谱曲线，特别是降低中、高频的频率成分。为此可采取缩短滞燃期或减少滞燃期内形成的可燃混合气量。这些措施包括：提高压缩压力和温度；采用较高十六烷值的燃料；组织适当强度的气流运动，选用噪声低的燃烧室；合理组织供油，适当延迟供油时间；采用增压等措施。⑵从传播途径上，增加发动机结构对燃烧室噪声的衰减，特别是中、高频频率成分的衰减。为此可采取：提高机体及缸套的刚性及采用隔振及隔声措施；减小活塞曲柄连杆机构各部分的间隙，增加油膜厚度等，较小的汽缸直径，相应增加缸数，以保持输出功率不变；改变薄壁零件（油底壳等）的材料和附加阻尼等方法。

[参考文献]

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