新聞主題	柴油發(fā)電機燃燒噪聲產(chǎn)生原因和影響因素分析

 

摘要：基于柴油發(fā)電機單缸試驗機的試驗缸壓曲線(xiàn)，采用頻譜分析的方法，建立缸壓曲線(xiàn)和燃燒噪聲之間的關(guān)系。根據柴油機的燃燒過(guò)程，將缸壓曲線(xiàn)分解為倒拖缸壓、燃燒振蕩壓力和剩余燃燒壓力曲線(xiàn)。分析發(fā)現：在全負荷工況，10~300 Hz低頻聲壓值主要由倒拖缸壓決定；1.8~20kHz高頻聲壓值主要由燃燒振蕩壓力決定；0.3～1.8kHz中高頻聲壓值主要由“剩余”燃燒壓力決定。分析表明：噴油正時(shí)提前，中低頻的聲壓值增大，高頻聲壓值略有增大；柴油機轉速上升，全頻段的聲壓值均增大；負荷越大，10～600 Hz的聲壓值越大，對2～20 kHz的高頻燃燒噪聲影響較小。

 

一、燃燒噪音產(chǎn)生的原因

 

      一般認為直噴式柴油機燃燒噪聲的產(chǎn)生因素有兩個(gè)，即燃燒氣體的動(dòng)力載荷與高頻振動(dòng)。

1、氣體動(dòng)力載荷

      各種研究表明，燃燒噪聲是在速燃期內產(chǎn)生的。當缸內壓力急劇增大時(shí)，燃燒室壁面、活塞、曲軸等相關(guān)零部件受到強烈的動(dòng)力載荷。柴油機結構屬復雜的多體振動(dòng)系統，各零件的自振頻率不同，大多處于中高頻范圍（800~4000 Hz），受燃燒過(guò)程激勵，在中高頻率產(chǎn)生具有沖擊性和令人不適的燃燒噪聲。

2、氣體高頻振動(dòng)

      在滯燃期內，燃燒引起缸內壓力急劇變化，非均勻燃燒過(guò)程產(chǎn)生的壓力波在燃燒室內以當地音速往復傳播，遇到燃燒室壁時(shí)發(fā)生反射，形成高頻振蕩氣波，也會(huì )輻射出高頻噪聲，其頻率取決于燃燒室尺寸和當地音速。柴油機運行中尖銳的高聲調噪聲就是由氣體的高頻振動(dòng)產(chǎn)生的。

      經(jīng)發(fā)動(dòng)機結構輻射出的燃燒噪聲主要由發(fā)動(dòng)機的結構衰減決定，結構衰減越大，輻射出的燃燒噪聲越低。燃燒噪聲的激勵源主要由缸壓曲線(xiàn)決定，而缸壓曲線(xiàn)主要與增壓壓力、壓縮比和燃油噴射參數，如噴射正時(shí)、噴射軌壓、噴油率曲線(xiàn)形狀相關(guān)；若采用多次噴射，還與預噴正時(shí)、預噴油量、預主噴間隔等參數相關(guān)。

      本文基于柴油發(fā)電機單缸機的實(shí)測缸壓曲線(xiàn)，采用傅里葉變換，還原缸內燃燒噪聲的頻域特征，為進(jìn)一步分析和研究柴油發(fā)電機的燃燒過(guò)程以及噪聲源控制等提供一種新的思路。

 

二、試驗缸壓曲線(xiàn)采集

 

      本文對柴油發(fā)電機的中高速單缸試驗機的不同運行工況進(jìn)行了試驗測試。

      試驗采用AVL Puma測試系統測試各項循環(huán)平均參數，如進(jìn)氣壓力、溫度、排氣壓力、溫度、轉速、扭矩等；采用燃燒分析儀測量進(jìn)排氣壓力波曲線(xiàn)、缸壓曲線(xiàn)、燃燒放熱率曲線(xiàn)等，每0.2℃A采集一個(gè)數據點(diǎn)。

      由于柴油機的進(jìn)氣過(guò)程、噴油過(guò)程、混合氣形成過(guò)程、著(zhù)火過(guò)程和燃燒過(guò)程都相當復雜，綜合這些因素的缸壓曲線(xiàn)的循環(huán)變動(dòng)也較復雜。試驗過(guò)程中，每一個(gè)運行工況測量的缸壓曲線(xiàn)為取100個(gè)循環(huán)的平均值并去除異常信號形成，以此對柴油機的工作過(guò)程做出較客觀(guān)的判斷。

 

三、缸壓曲線(xiàn)頻域分析

 

1、缸壓曲線(xiàn)頻域分析方法

      對缸壓曲線(xiàn)的頻域特征進(jìn)行分析是燃燒噪聲分析的有效方法?；趯?shí)測的缸壓曲線(xiàn)，采用快速傅里葉變換（FFT），將缸壓曲線(xiàn)從時(shí)域特征轉化為頻域特征。各頻率聲壓級（Sound Pressure Level，SPL）的計算公式為：

SPL=20log₁₀（P/P₀）.............（公式1）

      式中：P?為參考聲壓，P?=2×10^-5Pa；p為缸壓。在轉速1500（r·min^-1）、100%負荷工況下，單缸機的實(shí)測缸壓曲線(xiàn)如圖 １ 所示。

      對100%負荷的實(shí)測缸壓曲線(xiàn)做快速傅里葉變換，采用漢寧窗函數糾正壓力信號開(kāi)始和結束時(shí)的差異，得到的聲壓級曲線(xiàn)分布如圖2所示。低頻段包括由氣缸壓力的基頻開(kāi)始的頭幾個(gè)諧波頻率，氣缸壓力達到最大值，它的數值主要是由氣缸最高燃燒壓力及壓力曲線(xiàn)的形狀決定；中頻段氣缸壓力級以對數規律做近似線(xiàn)性遞減，該頻段燃燒噪聲主要由燃燒段的壓力升高率dp/dφ決定；高頻段出現另一個(gè)壓力級峰值，這個(gè)峰值是由氣缸內氣體的高頻振動(dòng)引起。

 

圖1  柴油機100％負荷實(shí)測缸壓曲線(xiàn)

圖2  柴油機100％負荷缸壓曲線(xiàn)對應的聲壓級分布

 

2、燃燒壓力分解

      為分析燃燒過(guò)程中壓力升高部分對燃燒噪聲的貢獻度，將試驗缸壓曲線(xiàn)分為兩部分：倒拖缸壓曲線(xiàn)和“額外的”燃燒缸壓曲線(xiàn)。其中，燃燒缸壓曲線(xiàn)用試驗缸壓曲線(xiàn)減去倒拖缸壓曲線(xiàn)得到，如圖3所示。

      對倒拖缸壓和燃燒缸壓分別進(jìn)行快速傅里葉變換，并計算得到聲壓級頻域分布曲線(xiàn)，如圖4所示。在300～20000 Hz，燃燒缸壓曲線(xiàn)和試驗缸壓曲線(xiàn)對應的聲壓級分布幾乎完全一致，即中高頻噪聲激勵主要是由燃燒過(guò)程產(chǎn)生；而10～300 Hz的低頻段聲壓主要由倒拖缸壓決定。

 

圖3  柴油機試驗缸壓曲線(xiàn)分解

圖4  試驗缸壓、 倒拖缸壓和燃燒缸壓對應聲壓級分布

 

3、燃燒過(guò)程中的壓力振蕩頻域分析

      在柴油機上實(shí)測得到的缸壓曲線(xiàn)在燃燒區間段一般呈鋸齒狀波動(dòng)。這種壓力曲線(xiàn)的波動(dòng)（圖5）會(huì )影響最高燃燒壓力的讀取、最大壓力升高率（圖6）的計算以及燃燒放熱率的計算。

      相關(guān)研究表明：示功圖上燃燒區段的鋸齒形毛刺是由燃燒壓力振蕩引起的，是與燃燒過(guò)程伴生的、固有的物理現象。其主要成因是：滯燃期階段，在燃燒室中達到臨界燃燒加速度的區域形成一個(gè)激振源，激發(fā)出一種沖擊波，并借助氣缸內介質(zhì)以當地聲速或超聲速向四周傳播；前進(jìn)波遇到燃燒室和氣缸的壁面反射回來(lái)，再與原來(lái)的前進(jìn)波反復疊加，從而形成高頻的燃燒壓力振蕩波。

      燃燒壓力振蕩波的振蕩烈度與滯燃期內形成的可燃混合氣量有關(guān)，可燃混合氣量越多，燃燒越粗暴，燃燒壓力振蕩越劇烈。

      燃燒振蕩壓力波的頻率主要和著(zhù)火時(shí)燃燒室內的溫度和氣缸的直徑有關(guān)，振蕩頻率的數學(xué)表達式為:

?_c=kα/2D.............（公式2）

α≈20.1√T.............（公式3）

      式中：?_c為振蕩頻率；k為特征常數，一般取1.10~1.15；α為著(zhù)火時(shí)燃燒室內當地聲速；D為氣缸直徑；T為燃燒室內溫度。

      為進(jìn)一步分析高頻燃燒壓力振蕩波對燃燒噪聲的影響，采用高通濾波器以振蕩頻率f。對缸壓曲線(xiàn)進(jìn)行濾波，得到的壓力曲線(xiàn)即為燃燒振蕩壓力曲線(xiàn)，如圖7所示。燃燒壓力振蕩波是以壓力零線(xiàn)為對稱(chēng)軸的衰減波。燃燒壓力振蕩的起始時(shí)刻和燃燒開(kāi)始時(shí)刻基本相同，壓力振蕩的上升段歷時(shí)很短，而衰減段歷時(shí)較長(cháng)。在當前工況，上升段歷時(shí)約4℃A，衰減段約80℃A，壓力振蕩幅值約為0.15MPa。

      壓力振蕩幅值的外包絡(luò )線(xiàn)1和外包絡(luò )線(xiàn)2的數學(xué)表達式為：

Pa=1.5e^-0.03φ.............（公式4）

Pb=1.5e^-0.03φ.............（公式5）

      即燃燒壓力振蕩曲線(xiàn)是以指數規律做衰減的曲線(xiàn)，其幅值隨曲軸轉角變化的外包絡(luò )線(xiàn)的數學(xué)表達式為:

P_A=P_A，me^-Bφ

P’_A=P’_A，me^-B’φ

      式中：P_A、P'_A為壓力振蕩幅值；P_A，m、P’_A,m為壓力振蕩的最大幅值；B、B'為衰減系數；φ為曲軸轉角。

      將圖3中得到的“額外”燃燒壓力曲線(xiàn)進(jìn)一步分解為燃燒振蕩壓力曲線(xiàn)和濾波去掉燃燒振蕩壓力后“剩余的”燃燒壓力曲線(xiàn)。

      試驗缸壓、倒拖缸壓、濾波后“剩余”燃燒壓力和振蕩壓力所對應的聲壓級分布對比如圖8所示。從圖中可以看出，在當前工況下，試驗缸壓曲線(xiàn)所對應的聲壓級分布中，1.8～20 kHz（下限值由濾波頻率決定）的高頻聲壓是由燃燒壓力振蕩波激勵產(chǎn)生的；濾波后“額外”燃燒壓力主要決定300～1800Hz的中高頻聲壓分布；倒拖缸壓主要決定10～300 Hz的低頻聲壓分布。

 

圖5  柴油機燃燒過(guò)程中的壓力振蕩曲線(xiàn)	圖6  柴油機壓力升高率曲線(xiàn)
圖7  柴油機燃燒振蕩壓力曲線(xiàn)	圖8  柴油機聲壓級分布曲線(xiàn)對比

 

四、燃燒噪聲影響因素分析

 

1、噴油正時(shí)

      轉速1500（r·min^-1）、100%負荷工況下，在單缸機上對4種不同噴油正時(shí)進(jìn)行了試驗測試，缸壓曲線(xiàn)對比如圖9所示。噴油正時(shí)提前，最高燃燒壓力增大，燃燒過(guò)程的最大壓力升高率也增加。不同噴油正時(shí)所對應的燃燒壓力振蕩對比如圖10所示?？梢?jiàn)：噴油正時(shí)越提前，壓力振蕩開(kāi)始越早，壓力振蕩的幅值也越大。

      不同噴油正時(shí)的聲壓分布曲線(xiàn)如圖11所示。在當前工況，噴油正時(shí)對100~200 Hz的聲壓分布有較大的影響，噴油正時(shí)越提前，最高燃燒壓力和最大壓升率越大，對應的聲壓級越高。由圖12可知，由于噴油正時(shí)提前，噪聲燃燒振蕩壓力幅值增大，使2~20 kHz的聲壓值增大，但增幅較小。

 

圖9  柴油機不同噴油正時(shí)缸壓曲線(xiàn)對比	圖10  柴油機不同噴油正時(shí)燃燒壓力振蕩對比
圖11   柴油機不同噴油正時(shí)的聲壓分布曲線(xiàn)對比	圖12  柴油機不同噴油正時(shí)的高頻段聲壓分布曲線(xiàn)對比

 

2、轉速

      單缸機按照推進(jìn)特性（nl>n2>n3>n4）進(jìn)行試驗，測試得到的缸壓曲線(xiàn)如圖13所示。轉速越高，缸內最高燃燒壓力越大。

      不同轉速的試驗缸壓曲線(xiàn)對應的聲壓分布曲線(xiàn)對比如圖14所示，按推進(jìn)特性，柴油機的轉速越高，對應的聲壓值越大。

 

圖13  柴油機不同轉速缸壓曲線(xiàn)

圖14  柴油機不同轉速聲壓分布曲線(xiàn)對比

 

3、負荷

      單缸機按發(fā)電特性25%、50%、75%和100%負荷進(jìn)行試驗，測試得到的缸壓曲線(xiàn)如圖15所示，負荷越大，缸內最高燃燒壓力越大。

      不同負荷的試驗缸壓曲線(xiàn)對應的聲壓分布曲線(xiàn)對比如圖16所示?？梢?jiàn)柴油機負荷對10～100 Hz的低頻聲壓值有較大影響，負荷越大，聲壓值越高；200～600 Hz頻段受最高燃燒壓力和最大壓升率影響，負荷越大，聲壓值越高；2kHz以上，各負荷時(shí)的聲壓值較接近。

      綜合分析，柴油機負荷增加主要影響中低頻的噪聲，對高頻噪聲影響相對較小。一方面，柴油機負荷增加，每循環(huán)噴油量增加，滯燃期內形成的可燃混合氣量增加，會(huì )加劇燃燒壓力振蕩；另一方面，負荷增加后氣缸內的熱力狀態(tài)提高，有助于縮短滯燃期，減少滯燃期內形成的可燃混合氣量。在這兩種因素的相互制約下，負荷對燃燒壓力振蕩的影響不大。

 

圖15  柴油機不同負荷缸壓曲線(xiàn)對比

圖16  柴油機不同負荷聲壓分布曲線(xiàn)對比

 

4、預主噴燃油噴射

      在50%負荷，采用預主噴和單次噴射進(jìn)行試驗，測試得到的缸壓曲線(xiàn)對比如圖18所示。單次噴射的最高燃燒壓力比采用預主噴的低約0.7 MPa。

      預主噴和單次噴射的燃燒壓力振蕩如圖19所示。采用預主噴，最大壓力振蕩幅值約為0.07 MPa；采用單次噴射最大壓力振蕩幅值約為0.15 MPa。

      采用預主噴和單次噴射對應的聲壓分布曲線(xiàn)如圖20所示。由于燃燒壓力振蕩波幅減小，采用預主噴可明顯降低2 kHz以上燃燒噪聲聲壓值。

 

圖17  噴油泵預主噴和單次噴射缸壓曲線(xiàn)對比

圖18  柴油機燃燒壓力振蕩對比

圖19  噴油器預主噴與單次噴射聲壓分布曲線(xiàn)對比

 

五、結論

 

（1）柴油機試驗缸壓可根據其對燃燒噪聲的貢獻度分解為2部分：倒拖缸壓，主要影響10～300 Hz的低頻噪聲；“剩余”燃燒缸壓，主要影響300～20000 Hz的中高頻燃燒噪聲。

（2）燃燒壓力又可以進(jìn)一步分解為2部分：燃燒振蕩壓力，主要影響1.8～20 kHz（下限值和振蕩壓力的振蕩頻率相關(guān)）的高頻噪聲；濾掉振蕩壓力后的燃燒壓力，主要影響300～1800 Hz的中高頻噪聲。

（3）在相同工況，噴油正時(shí)對100～200 Hz的聲壓分布有較大的影響，噴油正時(shí)提前，對應的聲壓級越高；對2~20 kHz的高頻噪聲有較小影響，噴油正時(shí)提前，對應的聲壓級略高。

（4）按推進(jìn)特性，柴油機的轉速對燃燒噪聲的影響較大，轉速上升，幾乎全部頻段的燃燒噪聲聲壓級均較大。

（5）柴油機負荷對10～600 Hz的中低頻聲壓值有較大影響，負荷越大，聲壓值越高；負荷對2~20 kHz的高頻燃燒噪聲影響較小。

（6）和單次噴射相比，采用預主噴燃油噴射方式可降低燃燒壓力振蕩波的幅值，從而降低2 kHz以上燃燒噪聲聲壓值。

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