燃烧过程对轻型车用柴油机怠速噪声的影响

罗福强,丁鑫华,吴少喆,金天宇,王楚翘,伍子旭

(1.江苏大学汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212031;2.江苏大学能源与动力工程学院,江苏 镇江 212031)

随着汽车市场的发展,汽车销售量迅速提升。据统计,我国汽车保有量已超过3亿辆[1]。大量汽车涌入城市,使道路交通成为城市噪声的最主要来源之一[2-3]。道路交通产生的噪声主要是发动机噪声以及车辆与周围环境的相互作用[4]。在人口密集的城市中心,由于车速较低,发动机噪声在车辆总噪声中处于主导地位[5]。此外,发动机噪声处在人听觉高度敏感的频率范围[5],长期暴露于噪声环境会对人体造成不可逆的伤害[6-8]。因此人们现在越来越关注汽车的NVH(Noise Vibration Harshness)性能,噪声优化也成为发动机制造的关键。

发动机噪声包括机械噪声、空气动力噪声和燃烧噪声,其中燃烧噪声是柴油机噪声的主要来源[9]。大量研究表明,燃烧过程中的最高燃烧压力、压力升高率、放热率等燃烧特性参数与发动机噪声之间存在显著的相关性。压力升高率是衡量缸内燃烧粗暴程度的常用指标[10-11],压力升高率大意味着燃烧过程粗暴,从而导致发动机的燃烧噪声和整机辐射噪声增大[12-13]。放热率峰值及放热持续时间会影响气缸压力高频振荡,从而对发动机噪声产生影响[14],先慢后快的放热规律可以有效降低燃烧初期的压力升高率以及气缸最高燃烧压力,从而降低气缸压力高频振荡,使燃烧噪声和整机辐射噪声降低[15-17]。

因为车辆怠速时风噪声及胎噪声几乎可以忽略,所以发动机怠速噪声是解决车辆怠速噪声问题的关键。研究表明,采用消隙齿轮和集成VCT (Variable Camshaft Timing)可以有效减少机械敲击声,从而降低发动机怠速时的机械噪声[18-19]。Ghaffarpour等[16]发现,燃油喷射速率曲线形状对燃烧噪声的影响在低速低负荷工况时比在高速高负荷工况时更为明显。Giakoumis等[20]的研究表明,大幅度增加怠速转速可以使燃烧过程更加稳定,但同时也会导致燃烧噪声明显增大。虽然这些研究从不同角度对发动机的怠速噪声问题进行了分析,但均没有对同一台发动机进行试验,或者没有考虑发动机实际运行时的工作状态。

本研究从实际问题出发,研究了冷却液温度和转速小幅度变化对柴油机噪声的影响。此外还模拟了车载空调开启和关闭时柴油机的工作状态,并研究了这两种状态下柴油机的噪声变化。试验测量了柴油机的声功率并采集了近场噪声声压信号,同时使用燃烧分析仪对柴油机缸内燃烧特性参数进行了采集。研究分析了不同工况下柴油机怠速噪声声功率级的变化。采用快速傅里叶变换(FFT,Fast Fourier Transform)[21]计算了近场噪声频谱,并通过频谱分析研究了冷却液温度(CT)、怠速转速和空调开关状态(AC ON/OFF)对不同频率近场噪声的影响,并分析了最高燃烧压力、压力升高率及放热率等燃烧特性参数与噪声变化的对应关系。

1 柴油机噪声测量试验及燃烧特性参数测量试验

1.1 试验台架及设备

试验对象为某轻型车用、搭载高压共轨电控喷射系统的柴油机。该柴油机采用预喷-主喷的喷射策略,排量2.5 L,怠速转速(750±25) r/min。试验分为燃烧特性参数测量试验和噪声测量试验两部分。燃烧特性参数测量试验针对柴油机的缸内燃烧情况,使用燃烧分析仪测量了柴油机的气缸压力。基于气缸压力计算了放热率、压力升高率等燃烧特性参数,并计算了气缸内燃烧噪声FFT谱。噪声测量试验根据GB/T 1859.1—2015《往复式内燃机 声压法声功率级的测定 第1部分：工程法》[22],采用声压法测量了柴油机的声功率。声功率测量传感器采用九点法布置。试验还测量了发动机进排气歧管侧的近场噪声,下文简称为进排气侧噪声。试验使用的AVL-GH14DK压电式压力传感器具有较好的动态响应特性,能准确测量发动机气缸内的高频压力变化。试验用麦克风为Bruel&Kjaer-4189,设定采样频率为20 480 Hz,可以对怠速噪声进行准确测量。试验用到的主要仪器、设备见表1。试验台架示意见图1。

表1 主要试验设备

为保证声功率测量结果的准确性,各测点测得的声压级的标准偏差s(Lpm)应满足式(1),声功率级Lw通过式(2)计算。

(1)

(2)

式中：N为测点数目;Lpi为第i个测点处测得的声压级;Lpm为各测点测得的声压级的算数平均值;K1,K2分别为背景修正与环境修正,本试验条件下K1=0 dB,K2=1.7 dB;S=26 m2,为测量表面面积;S0=1 m2,为基准面积。

图1 试验台架示意

为呈现更符合人听觉的测量结果,声功率级与声压级均采用A计权[23]处理。声功率测量的测点距离(d)按照GB/T 1859.1—2015设置为1 m。进排气侧噪声的测点布置在距机体0.2 m处(见图2)。

图2 近场噪声测点位置

1.2 试验方案

为研究车辆怠速时开空调对发动机噪声的影响,试验模拟了发动机在整车上的怠速开关空调工况,并在不同的冷却液温度下进行了燃烧特性参数测量试验和噪声测量试验,具体的试验工况见表2。模拟开关空调工况通过ECU控制预喷及主喷的循环供油量来实现。关空调工况即正常怠速工况,此时的循环供油量为5 mg,其中预喷油量为0.94 mg,主喷油量为4.06 mg;开空调时,柴油机需要增大输出动力以维持空调的运转,因此开空调工况下柴油机的循环供油量需有所增加。本研究中模拟开空调工况时的柴油机循环供油量为10 mg,其中预喷油量为1.46 mg,主喷油量为8.54 mg。试验设定冷却液温度分别为53 ℃与60 ℃,以研究冷却液温度变化对发动机噪声的影响。冷却液温度变化时不改变预、主喷循环供油量,但喷射策略确定的喷射正时有相应变化。为保证气缸压力测量结果的准确性,试验前通过倒拖试验确定发动机的上止点。为降低循环波动对试验结果的影响[24],试验采集的气缸压力为发动机稳定运行时连续200个循环的平均压力,噪声信号的采样持续时间为14 s。

表2 试验工况

2 试验结果及分析

2.1 不同冷却液温度时的噪声

试验测得不同转速下冷却液温度为53 ℃与60 ℃时的柴油机怠速噪声声功率级(见图3)。结果表明,各转速下的怠速噪声在冷却液温度降低时均会增大,低冷却液温度导致750 r/min,780 r/min与820 r/min的怠速噪声声功率级分别提高了0.65 dB,0.60 dB与0.59 dB。

图3 不同冷却液温度和转速时的柴油机噪声声功率级

为深入研究冷却液温度对怠速噪声的影响,本研究以750 r/min怠速转速下不同冷却液温度时测得的柴油机近场噪声为依据进行了分析。使用FFT计算了进排气侧噪声的频谱,并进行了1/3倍频程处理,结果见图4。其中冷却液温度为53 ℃与60 ℃时的进气侧噪声声压级分别为92.06 dB与92.12 dB,排气侧噪声声压级分别为93.90 dB与92.93 dB。该工况下冷却液温度降低并没有对进气侧噪声产生较大影响,但排气侧噪声显著增大。从频谱图中可以看出,750 r/min怠速噪声的频谱曲线峰值集中在400～1 800 Hz范围,并且冷却液温度降低会导致排气侧500～1 250 Hz以及进排气侧3 000～6 000 Hz范围的噪声明显增大。由于噪声水平对噪声频谱曲线的峰值更为敏感,并且人耳对1 000～5 000 Hz范围内的噪声更为敏感,所以1 000 Hz左右的噪声增大导致发动机排气侧噪声增大更为明显。虽然冷却液温度降低也导致100 Hz以下的噪声增大明显,但因为人耳对该频段噪声有较强的衰减,所以该频率噪声的增大并不会对可听噪声产生较大影响。虽然2阶次频率处(25 Hz)在往复惯性力以及发动机着火的作用下,噪声频谱显示出了明显的峰值,但人耳对该频率处噪声存在约40 dB的衰减,所以2阶次的激励对可听怠速噪声的影响并不明显。2阶次激励对发动机NVH性能的影响主要体现在振动上[25]。

图4 750 r/min时不同冷却液温度下的柴油机近场噪声频谱

如表2所示,当冷却液温度从60 ℃下降到53 ℃时,虽然温度降低的幅度较小,但ECU仍大幅提前了预喷及主喷的喷射时刻。这能在很大程度上降低发动机的失火概率,保证柴油机稳定运转,但过早的喷油正时导致放热提前,使燃烧过程更加粗暴,从而使噪声增大。图5示出冷却液温度为53 ℃和60 ℃,转速为750 r/min时的柴油机怠速燃烧特性参数。从图5可以看出,冷却液温度为53 ℃时,由于预喷大幅提前,导致预喷对应的燃烧在上止点前发生。活塞上行过程中的燃烧使气缸压力升高率显著增大。冷却液53 ℃时预喷燃油燃烧引起的气缸压力升高量就超过了冷却液60 ℃时主喷燃油燃烧引起的气缸压力升高量。这意味着冷却液温度的降低使燃烧粗暴程度加剧,使得500～1 250 Hz范围内的噪声增大[26]。此外,放热提前也使气缸最高燃烧压力明显增大,导致活塞敲击噪声增大[27]。由于低温下润滑油流动性较差,柴油机润滑不良导致的机械噪声增大,也是冷却液温度为53 ℃时柴油机噪声较大的因素之一。图6示出基于气缸压力计算的气缸内燃烧噪声频谱。由图6可以看出,气缸内燃烧噪声频谱曲线在1 000～2 300 Hz频率急剧下降,随后迅速上升,然后保持缓慢下降的趋势,直到6 000 Hz左右后再次迅速下降。这种趋势与近场噪声频谱曲线在该频率内的变化趋势基本吻合。据此可以判断气缸压力高频振荡是3 000～6 000 Hz噪声的主要激励源,该结论与He[26]与Wei[28]的研究结果相符。

图5 冷却液53 ℃和60 ℃,750 r/min关空调工况柴油机的缸内燃烧特性参数

图6 冷却液53 ℃和60 ℃,750 r/min关空调工况柴油机的气缸内燃烧噪声频谱

基于该频谱并结合式(3)计算了该工况下气缸内燃烧噪声的A计权声压级。

(3)

式中：pcyl为经过FFT后基于频率的气缸压力;pref为参考压力,pref=2×10-5Pa。

计算结果显示：冷却液温度为53 ℃和60 ℃时,气缸内燃烧噪声的声压级分别为179.23 dB和178.97 dB。说明冷却液温度降低时喷射策略的调整会导致气缸内燃烧噪声的增加。

2.2 不同怠速转速时的噪声

从图3可以看出,随着怠速转速的提高,怠速关空调噪声呈现出先下降后稳定的趋势。怠速转速从750 r/min提高到780 r/min,冷却液温度为53 ℃与60 ℃时的怠速噪声声功率级分别下降了0.89 dB与0.83 dB;怠速转速进一步从780 r/min提升到820 r/min,冷却液温度为53 ℃与60 ℃时的怠速噪声声功率级均没有明显变化。

为进一步研究转速对柴油机怠速噪声的影响,计算了冷却液温度为60 ℃、怠速时的近场噪声频谱,结果见图7。结果表明,随着怠速转速的提高,进气侧噪声声压级逐渐下降,750 r/min,780 r/min与820 r/min转速下分别为92.12 dB,91.44 dB,91.06 dB;排气侧噪声声压级先显著下降后略微升高,分别为92.93 dB,92.00 dB,92.24 dB。

图7 冷却液60 ℃,不同怠速时的柴油机近场噪声频谱

从图7可以看出,不同转速下柴油机怠速噪声频谱曲线的峰值均在400～1 800 Hz范围,但各转速下频谱曲线峰值的频率明显不同,该现象在进气侧噪声频谱中尤为明显。780 r/min进气侧噪声峰值的中心频率为500 Hz,820 r/min进气侧噪声峰值的中心频率为800 Hz,而750 r/min进气侧噪声有两个峰值,中心频率分别为500 Hz与1 250 Hz。这说明转速变化会使柴油机噪声的峰值频率发生变化,选择合适的怠速转速可以有效降低噪声频谱峰值的大小以及数量,进而有效降低柴油机的整机怠速噪声水平。

图8示出冷却液温度为60 ℃时不同怠速下的柴油机缸内燃烧特性参数。结果表明,怠速转速较低时缸内温度较低,为保证较低怠速转速下柴油机运转的稳定性,750 r/min时喷射策略采用更早的喷射正时,导致燃烧提前、压力升高率较大,最高燃烧压力在更靠近上止点的位置出现且持续时间较长。这表明该转速下燃烧过程更加粗暴,从而在500～1 600 Hz频率范围产生了更高的噪声。虽然820 r/min时的气缸最高燃烧压力与750 r/min时接近,但出现相位较晚,持续时间也更短,所以在该频段的噪声也较低。但最高燃烧压力延后也导致在最高燃烧压力出现后的30°内气缸压力一直处于较高水平。这使得扩散燃烧期的气缸压力高频振荡更为剧烈,从而在2 000 Hz以上频率段产生了更高的噪声。

图8 冷却液60 ℃,不同怠速时的柴油机缸内燃烧特性参数

采用与2.1节中相同的方法对冷却液温度为60 ℃时不同怠速下的气缸内燃烧噪声的声压级进行了计算。结果显示,750 r/min,780 r/min与820 r/min怠速时的气缸内燃烧噪声声压级分别为178.97 dB,179.11 dB与179.95 dB。随着怠速转速的提高,气缸内燃烧噪声也随之增大。该规律与柴油机整机噪声随怠速转速变化的规律不同,与近场噪声频谱图中2 000 Hz以上频率段随怠速转速变化的规律较为相似。这是因为柴油机整机噪声受到激励源频率、柴油机对不同激励频率的结构衰减等多因素的影响。虽然怠速转速提高导致气缸压力高频振荡加剧,进而引起了2 000 Hz以上的噪声增大,但整机怠速噪声水平受400～1 800 Hz频率段噪声的影响更大。低怠速转速下采用的喷射正时提前策略导致燃烧过程更加剧烈,在400～1 800 Hz频段产生了更大的噪声,所以低怠速时的整机噪声更大。

2.3 开空调怠速噪声

试验测取了转速为780 r/min与820 r/min时的怠速开、关空调工况下噪声的声功率级,结果见表3。结果表明,开空调会导致柴油机怠速噪声显著增大。冷却液温度为53 ℃时,780 r/min与820 r/min转速下开空调分别导致怠速噪声声功率级提高了0.64 dB与1.10 dB;冷却液温度为60 ℃时,780 r/min与820 r/min转速下开空调分别导致怠速噪声声功率级提高了0.77 dB与0.96 dB。

表3 柴油机怠速开关空调工况下噪声声功率级

图9示出不同冷却液温度下820 r/min怠速开空调时柴油机的近场噪声频谱。从图9可以看出,冷却液温度降低时,开空调工况下的进排气侧噪声均有所增大。冷却液温度为53 ℃与60 ℃时,开空调工况下的进气侧噪声声压级分别为92.99 dB与92.30 dB,排气侧噪声声压及分别为93.59 dB与92.87 dB。将该频谱图与不同冷却液温度下750 r/min时柴油机的近场噪声频谱(图4)对比,可以发现二者的频谱曲线分布规律具有高度相似性,即开空调工况下,冷却液温度降低同样会导致100 Hz以下、1 000 Hz左右以及3 000～6 000 Hz等处的噪声增大。由此证明,冷却液温度影响喷射策略对柴油机噪声的影响在低速低负荷工况具有一定的相似性。此外,从频谱图中还可以看出,怠速开空调时噪声频谱曲线的峰值也在400～1 800 Hz范围。据此可得出结论,在低速低负荷工况,该柴油机的整机噪声主要源自400～1 800 Hz范围的噪声。

图9 冷却液53 ℃和60 ℃,820 r/min时的柴油机怠速开空调近场噪声频谱

图10示出冷却液温度60 ℃,820 r/min时开关空调状态的柴油机近场噪声频谱图。结果表明,开空调后进排气侧噪声均有明显提高,其中进气侧噪声声压级从91.06 dB提高到92.3 dB,排气侧噪声声压级从92.24 dB提高到92.87 dB。从频谱图中可以看出,开关空调对柴油机近场噪声的影响主要表现在600 Hz以上。在800～1 250 Hz以及2 000 Hz以上的频率范围,无论在进气侧还是排气侧,开空调时的噪声均显著高于关空调时的噪声。开空调导致1 000～1 250 Hz范围内的噪声增大是开空调后柴油机整机噪声增大的最主要原因。

图11示出冷却液温度60 ℃,怠速820 r/min时开关空调工况的柴油机燃烧特性参数。从放热率曲线可以看出,开空调时预喷油量与主喷油量增加,导致两个放热率峰值较关空调时均明显提高。由于预喷燃油引起的燃烧更接近上止点,所以即便开空调后预喷油量增加导致的放热增量并不大,也会导致气缸压力升高率显著提高,并对噪声产生较大影响。开空调时预喷燃油燃烧引起的压力升高率峰值就达到了关空调时主喷燃油燃烧引起的压力升高率峰值的水平,而开空调时主喷燃油燃烧引起的压力升高率峰值更是远大于关空调状态,因此开空调工况下整个燃烧过程的气缸压力均远高于关空调工况。开空调时更剧烈的燃烧不仅导致800～1 250 Hz的噪声显著增大,更高的气缸压力也使气缸压力高频振荡加剧,进而导致2 000～6 000 Hz的噪声明显增大。同样计算了该工况下缸内燃烧噪声的声压级,结果显示,开关空调时的燃烧噪声声压级分别为182.83 dB与179.95 dB,即开空调会导致气缸内燃烧噪声显著增大。

图10 冷却液60 ℃,820 r/min时的柴油机怠速开关空调近场噪声频谱

3 结论

a) 怠速状态下,一定范围内小幅度的冷却液温度变化会导致喷射策略显著变化,即冷却液温度降低会使喷射策略确定的预、主喷正时提前,较早的喷油正时导致燃烧过程提前,燃油在靠近上止点的位置燃烧使气缸压力升高率及最高燃烧压力增大;低冷却液温度下更剧烈的燃烧使400～1 800 Hz范围内噪声增大,更高的气缸燃烧压力也导致气缸压力高频振荡加剧,导致3 000～6 000 Hz的噪声增大;

b) 小幅度的转速变化会导致柴油机怠速噪声频谱的峰值频率发生变化,进而导致柴油机整机噪声发生变化,750 r/min时的进气侧噪声在400～1 800 Hz范围内存在2个峰值,而780 r/min与820 r/min时的进气侧噪声在400～1 800 Hz范围内仅存在1个峰值;750 r/min时喷射策略确定的喷油正时较早,压力升高率较大,气缸最高燃烧压力在更靠近上止点的位置出现且持续时间较长,燃烧过程较780 r/min与820 r/min时更为剧烈,这是该转速下噪声较高的主要原因;

c) 开空调会导致柴油机怠速时的气缸内燃烧噪声及整机辐射噪声显著增大,开空调导致的噪声增大主要在800～1 250 Hz以及2 000 Hz以上频率范围;

d) 该柴油机的怠速噪声频谱曲线的峰值集中在400～1 800 Hz范围,其中1 000 Hz左右频率处的噪声增大会导致柴油机整机怠速噪声显著增大。