燃烧噪声二级影响因素对柴油机声品质的影响

尤险峰， 高锋军， 李保东， 程鹏， 李文庆， 王振方

(1. 长城汽车股份有限公司技术中心， 河北 保定 071000； 2. 河北省汽车工程技术研究中心， 河北 保定 071000；3. 吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室， 吉林 长春 130025)



燃烧噪声二级影响因素对柴油机声品质的影响

尤险峰1,2， 高锋军1,2， 李保东1,2， 程鹏3， 李文庆1,2， 王振方1,2

(1. 长城汽车股份有限公司技术中心， 河北 保定 071000； 2. 河北省汽车工程技术研究中心， 河北 保定 071000；3. 吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室， 吉林 长春 130025)

分析了柴油机燃烧噪声产生机理，采用缸压数据计算燃烧噪声，通过台架试验分析了二级影响因素对发动机燃烧噪声的影响，并在消声室中进行了试验验证。试验结果表明，多次分喷定时和分喷油量对燃烧噪声影响明显，结合调节节气门开度、增压器开度和EGR策略，降低了燃烧噪声突变，使整车语音清晰度提高7%，提高了整车声品质。在怠速状态，节气门开度由30%减小到20%，燃烧噪声显著降低，驾驶室内噪声降低2.0 dB。

燃烧噪声； 直喷式柴油机； 噪声源； 多次喷射

为了在传统发动机的基础上增加功率输出和扭矩，让全负荷曲线更加丰盈，柴油机采用了可变截面增压器、可变配气系统、可调EGR系统、高压共轨多次可调喷射系统等，增大了低速扭矩和最大扭矩区间。可变系统的调节和模式变换增大了进气压力和扭矩波动，给噪声控制带来了挑战。如果不采用相应的措施，扭矩突然波动会导致声谱变化大、总声压级变化大。

发动机燃烧不规律导致燃烧及其激励的机械系统声谱突然变化，例如平衡轴齿轮侧隙。废气再循环激活时，进气导致燃烧特性突然变化，嵌入的平衡轴齿轮的声谱和总声压级会显著增强，特别是接近怠速时。Ardey等将喷油压力提升到200 MPa，并在优化喷油器、喷油嘴和进油系统结构之后调节控制策略，减小了燃油喷嘴流量，提高混合气均质程度，减小燃烧延迟，进而降低燃烧压力变化梯度，新发动机的燃烧噪声显著降低，且一致性提高。发动机控制系统应用高精度空气传感器和燃烧传感器，通过闭环控制“燃烧中心区域”，防止空气量出现偏差，补偿变动的负面影响，可将燃烧噪声降低到一定水平。在不采用燃烧区域控制的情况下，空气量偏差(变大变小)导致燃烧过程变动，不仅会使MFB50(燃烧50%)点移动，还严重影响柴油机的性能、排放和燃烧噪声[1-4]。

为降低发动机燃烧噪声，本研究在分析发动机燃烧噪声产生机理的基础上，对影响燃烧噪声的因素进行分类，对在线标定阶段控制柴油机燃烧噪声的方法进行了验证；对柴油机燃烧噪声二级影响因素及分喷策略、节气阀开度、增压器开度和EGR控制等策略进行了试验，并对主要影响因素进行优化和结果验证。

1 柴油机燃烧噪声产生机理

高压共轨柴油机工作时燃烧室内存在压力振荡，即同一时刻燃烧室内各点存在压差，而测试所得的缸压曲线是“振荡曲线”的叠加。低频压力振荡成分是柴油机燃烧的主要输出能量，转化为扭矩输出并做功。而柴油机燃烧时的中高频振荡压力振荡成分表现为对发动机部件的强烈冲击，产生振动和噪声幅射。试验表明，中高频压力振荡成分不到柴油机燃烧总能量的5%，是柴油机燃烧噪声能量的主要来源[5-9]。

柴油机燃烧噪声的一级影响因素主要包括缸内最高压力、压力升高率和压力高频振动幅值，缸内压力高频振荡频率取决于发动机工质状态、反应过程以及燃烧室空腔结构形式。卫海桥等在ZH1110单缸柴油机试验的基础上，用幂函数建立了燃烧噪声声压级和一级影响因素的模型，其中变量包括结构影响系数、缸内压力最大值、压力升高率和压力高频振荡最大幅值[10]。通过改变缸内最高压力、压力升高率和压力高频振荡幅值而间接影响柴油燃烧噪声的因素为次级因素，也称二级影响因素，包括影响工质准备过程的进排气系统、喷油系统、冷却系统、增压系统、压缩比和燃烧室形状等[5-13]。

用材料为GaPO4的高精度压力传感器测缸内燃烧压力振荡，采集信号数据，计算柴油燃烧噪声(DCN)。通过傅里叶变换，采集频率在100～10 000 Hz之间的信号数据。信号经过滤波处理，再经过均方根(RMS)计算后，得到燃烧噪声值。

(1)

式中：2×10-11MPa为听力截止界限；pDC为缸内燃烧压力信号；RMS为均方根计算。

为了实现对交流信号电压有效值的精密测量，采用真有效值(true-RMS)算法转换，对燃烧噪声波形采用RMS(均方根值)计算。

(2)

柴油燃烧压力振荡信号经过结构衰减滤波和人耳衰减滤波被人感知，从压力振荡信号转换到人耳噪声的总衰减传递函数为Tr(f)[2]：

(3)

式中：DSA(f)为衰减滤波函数；Aw(f)为人耳衰减滤波函数。

用柴油机结构衰减滤波函数DSA(f)模拟发动机气缸内传出的噪声受发动机结构的阻尼而衰减，不同的频率对应不同的衰减系数，可从多缸发动机上试验获得[2]。

式中：f为燃烧噪声频率分量；ai为100～2 300 Hz结构衰减系数；bi为2 300～10 000 Hz结构衰减系数。

用函数Aw(f)模拟人耳衰减滤波，对于不同频率的声压声音感知是不一样的，该处理可以模拟人耳的听觉[2]。

Aw(f)=2+20·lg(RA(f))，

(5)

式中：f为燃烧噪声频率分量。

2 燃烧噪声测试

在柴油机开发的不同阶段，需要采用不同方式优化燃烧噪声。在发动机概念设计阶段，通过单缸机研究燃烧噪声产生机理并验证计算模型，估算发动机燃烧噪声。通过测试已批产的或者标杆机型，设定燃烧噪声范围。在柴油机性能、排放标定阶段，通过在线调节燃烧噪声二级影响因素使燃烧噪声在设定范围内。在验证和小批试生产阶段，可以在半消声室台架上或者将发动机安装到整车上对发动机声品质进行评估和评价。

在标定阶段，调节燃烧噪声二级影响变量，折中考虑柴油机性能和排放，通过燃烧噪声在线测试，可以在半消声室台架上或者将发动机安装到普通台架上对燃烧噪声进行调节。燃烧噪声在线测试及数据处理的流程见图1。

试验用高压共轨发动机的技术参数见表1。

表1 试验发动机技术参数

3 燃烧噪声二级影响因素分析

在柴油机标定阶段，综合考虑性能、排放和噪声，在线调节燃烧噪声二级影响因素，对柴油机燃烧噪声进行测试和优化。

3.1 多次喷射对燃烧噪声的影响

试验用发动机采用高压共轨的喷油系统，喷油系统在一个工作循环内可以实现多次喷射，本研究通过调节前两次分喷和主喷来调节柴油机燃烧噪声。定义非做功行程的压缩上止点(TDC)为坐标原点[14]。

设定第1次分喷和第2次分喷之间的间隔为5°，第1次分喷油量为1.0 mg，调节第2次分喷定时和喷油量，测量燃烧噪声，结果见图2。由图2可知，随着分喷定时的提前，发动机燃烧噪声从74.30 dB先减到73.93 dB，然后逐步增大，燃烧噪声变化率减小。第2次分喷提前角低于15°BTDC时，随着喷油量的增大，燃烧噪声先减小而后逐渐增大，存在最优值。

设定第2次分喷油量为1.0 mg，第2次喷射定时为10°BTDC。第1次喷射定时和分喷量对应的燃烧噪声见图3。第1次分喷量小于1.0 mg时，随着分喷定时的提前，发动机燃烧噪声先增大后减小；随着分喷油量的增大，燃烧噪声逐渐增大。第1次分喷量大于1.0 mg时，随着分喷定时的提前，发动机燃烧噪声减小，且效果显著。

设定第1次分喷油量为1.0 mg，第1次喷射定时为35°BTDC。第2次喷射定时和分喷量对燃烧噪声的影响见图4。第2次分喷量小于0.5 mg，分

喷定时13.5°BTDC时，燃烧噪声减小到了72.70 dB。第2次分喷量从0.5 mg增大到2.0 mg，燃烧噪声增大到75.43 dB。

3.2 节气门开度对燃烧噪声的影响

为了验证进气控制对燃烧噪声的影响，在怠速状态，减小节气门开度，同时控制喷油进行闭环控制，减少进气量来降低最高燃烧压力。燃烧噪声和节气门开度、进气量的关系见图5。由图5可知，节气门开度减小到30%以下时，降低节气门开度可以显著降低燃烧噪声；当节气门开度从30%降到10%时，燃烧噪声从69.0 dB降低到63.9 dB。由于节气门开度小于20%时CO和HC排放迅速增大，折中考虑，试验选取节气门开度为20%，此时燃烧噪声68.2 dB。

3.3 转速和负荷对燃烧噪声的影响

根据性能和排放法规需求，调节增压器开度、EGR策略，并优化分喷定时和喷射量，测试发动机的燃烧噪声，结果见图6。由图6可知，随着发动机转速和负荷的增加，燃烧噪声升高。在发动机800～1 200 r/min的高负荷区，存在孤岛区域，这是受发动机增压器状态的影响，需要在整车控制策略中进一步优化[15-16]。在发动机转速低于3 500 r/min，扭矩低于100 N·m时，燃烧噪声变化率较大；在高速高负荷区，燃烧噪声变化率较小。

4 二级影响因素优化结果验证

测试环境为半消声室，驾驶室内用人工头噪声传感器模拟柴油机燃烧噪声优化前后对驾乘人员的影响。

进气面麦克风传感器距离发动机进气侧面中心位置1 m；排气面麦克风传感器距离发动机排气侧面中心位置1 m；正时面麦克风传感器距离发动机正时侧面中心位置1 m。

4.1 分喷优化降低燃烧噪声

通过试验优化2次分喷和主喷的喷油量和喷射定时，选择燃烧噪声最低时对应的参数进行消声室噪声试验。燃烧噪声的主要频率范围为500～3 000 Hz，车前、车左、车右1 m噪声分别降低0.59 dB，0.88 dB和0.76 dB，车内人工头测试的噪声声压级降低1.24 dB。驾驶室内人工头和车前1 m噪声各频率对应的值均降低，1/3倍频程见图7和图8。

4.2 节气门优化后整车测试

在发动机怠速状态，优化节气门后驾驶员双耳噪声降低，发动机左、右、上方及前面噪声频谱也降低明显(见图9)。节气门开度为20%时，各面噪声均有降低，发动机后端降低了3.3 dB，正时面降低最明显，降低3.8 dB。驾驶室内驾驶员处声压级降低2.0 dB，调节进气对发动怠速噪声影响大。

4.3 影响因素综合优化降低燃烧噪声

对多次分喷策略和节气门开度进行优化，综合调节EGR量和增压器截面控制策略。经过优化转速1 170 r/min附近噪声降低，优化前后频谱见图10和图11。

转速1 170 r/min时500～3 500 Hz燃烧噪声明显降低，1 850 Hz噪声降幅最大，降低了12.0 dB(见图12)。发动机整机噪声降低，驾驶员的语音清晰度提高了7%，在车辆周围的语音清晰度也提高了2%～3%，噪声主观满意度评价提高。

5 结论

a) 优化多次分喷可以显著降低500～3 500 Hz的燃烧噪声，在整个转速和负荷范围内随着转速和负荷增大燃烧噪声增大；

b) 调整节气门开度，并闭环控制喷油量，可以显著降低低速低负荷时的燃烧噪声；

c) 优化喷油策略和节气门开度，并调节增压器开度、EGR策略，降低了发动机在整个转速和负荷范围内的噪声变化率，提高了整车声品质。

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[编辑： 袁晓燕]

Effects of Secondary Influencing Factors of Combustion Noise on Diesel Engine Sound Quality

YOU Xianfeng1,2, GAO Fengjun1,2, LI Baodong1,2, CHENG Peng3, LI Wenqing1,2, WANG Zhenfang1,2

(1. Technical Center, Great Wall Motor Company Limited, Baoding 071000, China;2. Hebei Automobile Engineering Technology &Research Center, Baoding 071000, China;3. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130025, China)

The mechanism of combustion noise was analyzed, the combustion noise was calculated with cylinder pressure data, the effects of secondary influencing factors on combustion noise were studied by bench test and verified in the anechoic lab. The results show that the injection timing and injection quantity of multi-injection has obvious influence on combustion noise. Through adjusting the throttle opening, turbocharger opening and EGR strategy, the abrupt combustion noise reduces, the speech articulation increases by 7% and the vehicle sound quality improves. At idle speed, the throttle opening decreases from 30% to 20%, the combustion noise obviously reduces, and the cab noise decreases by 2.0 dB.

combustion noise; DI diesel engine; noise source; multiple injection

2015-01-19；

2015-04-08

尤险峰(1985—)，男，助理工程师，本科，主要研究方向为发动机电控与性能开发；youxianfeng064@163.com。

高锋军(1978—)，男，博士，研究方向为内燃机性能及控制优化；dynvh@gwm.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.013

TK427

B

1001-2222(2015)05-0075-05