燃油缸内直喷式发动机喷油器噪声分析与控制

□ 王雅南 □ 马金强 □ 许 晶 □ 郝学信 □ 萨图格日乐

宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江宁波 315336

1 分析背景

近年来, 为了应对越来越严格的排放标准,汽油机喷油器的喷射方式逐步朝向缸内直喷技术发展,越来越多的试验研究结果显示,提高喷油压力更有利于燃油雾化和油气混合,提升汽油机的燃油经济性。因此,燃油压力已经由0.4～0.5 MPa 提高到15 MPa、20 MPa,甚至35 MPa。高压燃油喷油器已成为改善燃油经济性和降低排放的主流技术,在汽油机行业应用越来越广泛。然而,随着喷油压力的大幅提高,燃油在经过高压油泵的加压之后,获得巨大的燃油脉动能量,流经高压油轨和喷油器进入燃烧室,冲击着高压油轨的内壁和喷油器内腔,给汽油机带来不可避免的噪声问题,尤其是发动机怠速工况,高压系统噪声更加明显。

随着人们生活质量和消费水平的提高,之前消费者单纯追求汽车的性能和质量,现在越来越多的消费者更加注重优质的感知质量和舒适的驾驶体验,人们对燃油缸内直喷式发动机的噪声感知愈发敏感,因此,不得不采取有效措施来改善高压喷油系统的噪声问题。喷油器是高压喷油系统关键的零部件之一,笔者通过分析某燃油缸内直喷式发动机喷油器的结构、工作原理和燃油传输路径,研究喷油器噪声的产生机理,最终通过优化喷油器结构,改善怠速工况时喷油器的油压脉动噪声和“滴答”响声,提升汽车感知质量和舒适性,减少消费者抱怨。

2 喷油器结构

某燃油缸内直喷式发动机喷油器主要由壳体、连接器、O形密封圈、滤网、垫片、针阀、特氟龙密封圈、阀座等部件组成,如图1所示。连接器通过发动机线束与电子控制单元相连,接收电子控制单元传递的喷油指令。O形密封圈与高压油轨内壁过盈配合,通过压缩作用保证燃油密封。垫片被喷油器压紧在缸盖安装面上,用来缓冲机械振动。特氟龙密封圈与缸盖安装孔过盈配合,可保证燃烧室与外界密封。壳体内部设有燃油流经通道,燃油通过高压油轨输送到喷油器顶端,经过滤网的过滤作用,进入喷油器内腔。喷油器不工作时,针阀与阀座紧密连接,保证密封。当喷油器接到执行命令时,针阀向上移动开启,燃油通过阀座上的喷孔进入燃烧室。

▲图1 喷油器结构

3 喷油器噪声机理分析

喷油器与缸盖和高压油轨的配合安装如图2所示。喷油器装配在缸盖安装孔内,垫片底面与缸盖安装面配合连接,高压油轨通过螺栓固定在缸盖上。燃油被加压后流经高压油轨进入到喷油器中,油压脉动冲击着喷油器内壁。随着发动机运行,喷油器不停地开启和关闭,针阀一直撞击阀座,同时带动整个喷油器上下振动,导致垫片与缸盖的机械振动。一般燃油缸内直喷式发动机最高转速为5 500 r/min,此时每个燃烧室每分钟喷油器就要开启2 750次,可见喷油器噪声具有很高的频率。经以上分析,总结出喷油器噪声来源主要有以下三个方面:

▲图2 喷油器安装

(1) 喷油器顶端进油口的油压脉动噪声;

(2) 针阀开启和关闭时,带动喷油器垫片与缸盖的机械振动;

(3) 针阀开启和关闭时,针阀与阀座的撞击声。

4 喷油器噪声控制方案

通过喷油器噪声来源分析,可以从减小油压脉动和降低机械振动两个方面进行改善。笔者主要通过优化喷油器结构提出三个优化方案,并进行噪声实测对比验证。

4.1 稳流降噪管方案

在喷油器顶端进油口位置增加一个稳流降噪管,如图3所示。稳流降噪管缩小了燃油流经的截面,可减弱喷油器与高压油轨之间的燃油脉动。

▲图3 稳流降噪管

将不加稳流降噪管和加稳流降噪管的喷油器分别安装在同一台发动机上,进行噪声测试对比,测试结果如图4所示。从噪声测试结果可以看出,稳流降噪管在1 000～6 000 Hz频率范围内对噪声有明显的改善作用,最大能降低约0.7 dB(A)。

▲图4 稳流降噪管测试对比

4.2 减振垫片方案

喷油器与缸盖安装平面通过普通垫片接触,此为硬接触,发动机正常工作时,针阀开启关闭带动喷油器振动产生“滴答”敲击声。将普通垫片改为减振垫片,结构如图5所示。垫片中间填充紧密的钢丝绒,具有弹性,且承受振动性能强,可以缓冲喷油器与缸盖之间的机械振动。

▲图5 减振垫片结构

为了验证此优化方案的效果,制作带减振垫片的喷油器与普通垫片喷油器进行噪声测试对比。测试地点为浙江大学半消声室,测试工况为怠速,噪声布点为进气侧近场10 cm和进气侧远场100 cm。主观评价喷油器噪声有明显改善,发动机怠速噪声感觉更加夯实。

噪声频谱对比如图6所示。从噪声数据可以看出,喷油器增加减振垫片之后,近场10 cm噪声峰值点总体向低频偏移,峰值有所降低,在5 000～6 000 Hz频段发动机怠速噪声改善明显。远场100 cm噪声峰值降低明显,降低约7 dB(A),在7 500～16 000 Hz频段发动机怠速噪声改善明显。

▲图6 噪声频谱对比

噪声总声压级对比如图7所示。从噪声数据可以看出,喷油器增加减振垫片之后,进气侧近场10 cm总声压级降低约1.2 dB(A),进气侧远场100 cm总声压级降低约1.35 dB(A)。

▲图7 噪声总声压级对比▲图8 噪声色图对比

噪声色图对比如图8所示。从噪声色图可以看出,喷油器增加减振垫片之后,进气侧近场10 cm和远场100 cm的高频成分都出现了明显的降低,近场频率带3 318 Hz、4 800～5 990 Hz向低频方向移动,远场频率带4 800～5 300 Hz、7 400 Hz降低最明显。

4.3 悬吊式喷油器方案

悬吊式喷油器是一种创新的喷油器与油轨固定结构,如图9所示。悬吊式喷油器摒弃传统的固定方式,取消喷油器垫片,采用卡环结构将喷油器与油轨连接,并保证不松脱。由于没有了垫片,喷油器与缸盖安装面不接触,可避免喷油器垫片与缸盖的机械振动。

▲图9 悬吊式喷油器

为验证此方案的降噪效果,制作三组喷油器进行对比测试。第一组喷油器为普通垫片喷油器,第二组喷油器为减振垫片喷油器,第三组喷油器为悬吊式喷油器。将三组喷油器分别安装在测试车辆上进行测试。测试地点为天津某动态消声室,测试工况为怠速,噪声布点为车辆正前方100 cm。测试数据如图10所示。从噪声数据可以看出,在8 000～16 000 Hz频率段内,第二组喷油器的怠速噪声总声压级降低1.2 dB(A),第三组喷油器的怠速噪声总声压级降低3.4 dB(A)。由于减振垫片是缓冲喷油器与缸盖的机械振动,而悬吊式喷油器直接隔断喷油器和缸盖的振动,因此悬吊式喷油器比减振垫片喷油器的怠速噪声改善更有优势。

▲图10 喷油器噪声测试数据

5 结束语

分析确认,稳流降噪管方案主要改善中低频噪声,最大降低0.7 dB(A)。减振垫片方案重点改善高频噪声,峰值降低7 dB(A),总声压级降低1.2 dB(A)。悬吊式喷油器方案重点改善高频噪声,总声压级降低3.4 dB(A)。所以,针对燃油缸内直喷式发动机高压喷油系统,可采用稳流降噪管方案叠加减振垫片方案,或者稳流降噪管方案叠加悬吊式喷油器方案,均可改善喷油器噪声,其中稳流降噪管方案叠加悬吊式喷油器方案对发动机噪声控制效果更佳。

通过分析燃油缸内直喷式发动机喷油器的噪声产生机理,从降低油压脉动和改善机械振动两个方面着手,提出三个有效的噪声控制措施,对发动机前期喷油器开发具有指导意义。