柴油机怠速进气量对燃烧噪声影响的试验研究

姜智超，姜顺超，郑长亮，甄龙信

1.广西科技师范学院 职业技术教育学院，广西 来宾 546100；2.青岛海尔电冰箱有限公司，山东 青岛 266103；3.长城汽车股份有限公司，河北 保定 071000；4.燕山大学 车辆与能源学院，河北 秦皇岛 066000

0 引言

柴油机为压燃，燃烧时的缸内压力(缸压)和温度较高，燃烧引发的振动和噪声较大，柴油机噪声的主要来源是燃烧噪声，降低燃烧噪声可以有效改善柴油机的噪声。目前，改善柴油机燃烧噪声主要有2种技术方案：第1种方案是通过分析柴油机的燃烧机理，然后改善其燃烧过程，最终从根本上降低柴油机的燃烧噪声；第2种方案是通过改变噪声的传递路径，使燃烧噪声在传递过程中被大幅度衰减。

国内外针对柴油机燃烧噪声的研究有很多。文献[1-2]通过研究柴油机燃烧噪声的传递特性，来改变燃烧噪声的传递路径，然后使燃烧噪声减小，最终改善了柴油机的噪声；文献[3]研究了基于多次预喷射的柴油机燃烧噪声控制；文献[4-8]通过试验，研究柴油机控制废气再循环、多次预喷射技术和增压控制技术对发动机燃烧噪声的影响，研究表明：预喷油量、预喷提前角、喷油器孔数等喷油参数对燃烧噪声有着很大的影响，通过调整电子控制单元中的喷油参数，柴油机的燃烧噪声会明显的降低；文献[9-11]研究了发动机温度、进气量及喷油参数对发动机燃烧噪声的影响；文献[12-14]研究涡轮增压系统对发动机噪声的影响。

在燃烧噪声的研究文献中，针对柴油机怠速工况下燃烧噪声的研究较少。虽然怠速工况下柴油机整机噪声较小，但由于转速较低，机械噪声较小，因此怠速工况的燃烧噪声在整机噪声中所占比重更大。本文中通过试验测试，研究柴油机暖机怠速工况(转速为750 r/min)下进气量对燃烧噪声和缸压、压力升高率(压升率)及转速波动的影响。

1 原理和试验方法

1.1 原理

燃烧的关键是控制混合气中空气与燃料质量的比例，进气量影响柴油机的燃烧和性能，提高柴油机的动力性需要更多的燃油和空气，但随着进气量增加，剧烈的燃烧会增大柴油机的燃烧噪声；减小进气量可降低燃烧时气缸内的压力以及压升率，减缓着火延迟期，有效降低柴油机燃烧噪声[15]，但进气量过低时可能造成燃烧不良，油耗和烟度增加，因此需要合理控制进气量，在提高柴油机性能的同时兼顾燃烧噪声[16]。

对柴油机样机进行怠速试验测试，通过改变节气门开度控制进气量，测试进气量改变时柴油机缸内压力、压升率的变化，研究进气量对燃烧噪声的影响；测试进气量改变时柴油机的角速度波动和横向摆振的变化，研究进气量对柴油机转速波动的影响。

1.2 试验环境

燃烧噪声试验在标准的发动机噪声、振动、声振粗糙度(noise vibration harshness, NVH)半消声室中进行，消声室中的天花板和四面的墙壁均包裹消声材料，消声室中的背景噪声(A计权)小于 20 dB，柴油机在电涡流测功机台架上进行测试，安装测试所需要的附件，如起动机、皮带、水泵等。测试的过程中，柴油机的水温控制在正常的范围中，排气、进气及台架支撑部位处使用吸音材料进行包裹。

1.3 测试样机和试验设备

测试样机为一台缸内直喷涡轮增压双顶置式凸轮轴(double overhead camshaft，DOHC)柴油机，采用2次预喷射技术，柴油机参数如表1所示。

表1 柴油机参数

测试系统的布置结构如图1所示。试验配备了发动机台架、半消声室、西门子LMS前端、AVL燃烧分析仪、声学麦克风、转速传感器、缸压传感器以及一台工作站。

图1 测试系统示意图

分别在进气侧、排气侧、正时齿轮室侧、顶部距发动机1 m的4个位置布置麦克风。

2 试验结果及分析

2.1 进气量对缸压、压升率和燃烧噪声的影响

进气量对缸压和压升率有显著影响，缸压的变化只能间接反映燃烧噪声的变化，而压升率的改变直接影响燃烧噪声，压升率越大，缸内产生的冲击波越剧烈，对缸壁的冲击越大，产生的冲击也越大[16]。

由于大节气门开度下压升率变化的趋势相近，本文中主要对小节气门开度下的压升率进行试验研究，不同节气门开度下柴油机缸压和压升率随曲轴转角的变化曲线如图2所示。

由图2a)可知：节气门开度越小，缸压越低，节气门开度从100%减小至5%，峰值缸压约降低2 MPa，其中节气门开度从10%减小到5%时的缸压降低最快。由图2b)可知：小节气门开度时不同节气门开度的压升率变化差异较大，峰值压升率随着节气门开度的减小而减小，着火时刻(峰值压升率)随着节气门开度的减小而有所延迟。

a)缸压 b)压升率

压升率影响燃烧噪声，柴油机的燃烧噪声随进气量(节气门开度)的变化而发生明显改变。不同节气门开度下柴油机燃烧噪声和1 m平均辐射噪声如图3所示。由图3可知，柴油机燃烧噪声和1 m平均噪声随节气门开度的减小而降低，其中节气门开度由10%减小到5%时燃烧噪声的降低幅度最大，为4.5 dB，4个测试位置的1 m 噪声(A计权)平均降低1.5 dB。节气门开度过小将导致怠速不稳，转速出现严重波动时会造成发动机熄火[3]，因此节气门的开度应该控制在合理的范围。

图3 燃烧噪声和1 m平均辐射噪声

2.2 进气量对压升率、放热率和转速波动的影响

由于节气门开度为17%～100%时节气门开度的变化对缸压和压升率影响较小，而节气门开度为5%～10%时对缸压和压升率的影响较大，因此本文中选择2种小进气流量(节气门开度为5%、6%)进行柴油机怠速工况压升率和放热率测试，选择3种小进气流量(节气门开度为5%、8%、17%)进行柴油机怠速工况转速波动测试。

怠速转速为750 r/min，节气门开度为5%、6%时的压升率和放热率曲线如图4所示。

a)压升率 b)放热率

由图4可知：当节气门的开度为5%时，压升率有2个较为明显的峰值，当节气门的开度为6%时，压升率有3个明显峰值；放热率与压升率具有类似的规律。节气门的开度为5%时，由于开度太小，导致进气量不足，2次预喷射形成的混合气没有得到充分的燃烧，只有2次明显的放热；而节气门开度为6%时，由于进气量增加，燃烧得到一定程度地改善，压升率和放热率出现3个明显峰值。

节气门开度为5%、8%、17%时怠速工况转速波动曲线如图5所示。

a)节气门开度5% b)节气门开度6% c)节气门开度17%

由图5可知：节气门开度为6%时的怠速转速波动曲线与节气门开度为17%时相似，两者的变化趋势几乎一致，节气门开度为6%时的转速波动率(峰值转速波动差与怠速750 r/min的比)为0.007；节气门开度为5%时的转速曲线出现明显的波动，峰值处的形状更加尖锐，其转速波动率为0.013，说明波动明显高于前者，转速值变化幅度较大；节气门开度为6%、17%时转速没有严重波动，各个峰值之间基本保持在同一个水平。

节气门开度为5%时的异常波动与压升率及放热率有关，由于燃烧不充分导致压升率及放热率的异常变化，从而引起转速波动。因此，应该控制节气门开度大于5%才能维持发动机正常的转速。

3 结论

柴油机在暖机时的怠速工况下，通过调节节气门开度来控制进气量，可有效减小缸压和压升率，降低燃烧噪声。

1)节气门开度越小，缸压越低，缸压降低幅度越大；节气门开度从100%减小至5%时，缸压峰值约降低2 MPa。

2)节气门开度越小，峰值压升率越小；大节气门开度下压升率的变化趋势相近，小节气门开度下压升率的变化差异较大；着火时刻随节气门开度的减小而延迟。

3)节气门开度越小，燃烧噪声和1 m辐射噪声越低，节气门开度由10%减小至5%时，燃烧噪声降低约4.5 dB，4个测点的1 m 噪声(A计权)平均降低1.5 dB。

4)节气门开度越小，怠速时的转速波动越大；节气门开度为6%及以上时的怠速转速波动相似，节气门开度为5%时怠速转速波动明显；节气门开度为6%时的转速波动率为0.007，节气门开度为5%时转速波动率为0.013。

节气门开度越小，进气量越小，越有利于降低燃烧噪声，但节气门开度越小，转速波动越大，因此节气门开度应维持在5%以上。