车用增压直喷汽油机燃烧噪声试验研究

杨靖， 张宇， 胡会泳， 冯仁华， 王毅， 李灿

(1. 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室， 湖南 长沙 410082；2. 重庆理工大学汽车零部件及先进制造技术教育部重点实验室， 重庆 400054)



车用增压直喷汽油机燃烧噪声试验研究

杨靖1,2， 张宇1， 胡会泳1， 冯仁华2， 王毅1， 李灿1

(1. 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室， 湖南 长沙 410082；2. 重庆理工大学汽车零部件及先进制造技术教育部重点实验室， 重庆 400054)

利用倒拖法对某车用涡轮增压缸内直喷汽油机空载加速和半载加速工况进行了燃烧噪声试验研究。联合发动机缸内燃气压力测试结果，通过分析气体动力载荷对其燃烧噪声的影响，进一步探讨燃烧噪声产生的根本原因。试验结果表明，在中低转速时，燃烧噪声随着发动机负荷的增加而增加，同时燃烧噪声对整机总声功率的贡献值也在随之增加。在较高转速时，燃烧噪声对整机总声功率的贡献值随着发动机负荷的增加变化不显著。就半载加速和空载加速工况时燃烧噪声的平均贡献值来看，空载加速时燃烧噪声对整机噪声的平均贡献值为22.2%，明显小于半载加速时的43.6%。随着发动机转速的提高，最大气缸压力及最大压力升高率总体变化趋势和燃烧噪声变化趋势一致，同时加速时最大气缸压力变化对燃烧噪声的影响更明显。

汽油机； 燃烧噪声； 贡献度； 影响因素

在噪声控制技术中，噪声源的准确识别对发展发动机降噪技术至关重要。噪声识别技术一方面要求能够准确判断发声源的具体位置和在整机噪声中所占的比重，另一方面还要求能够根据对声源信号的进一步处理获取该噪声信号的传播规律、传播特性和频谱信息，以方便指导后续的分析优化工作[1]。一般的噪声源识别方法有表面振速法、选择机套法、近场声强法、时域分析法和分别运转消去法。信号分析法和声全息技术是随着精密测量技术的快速发展而衍生出来的新的测量方法，相比于一般测量方法，具有简便迅速、实时分析和准确度高的特点[2]。

发动机噪声主要包括机械噪声和燃烧噪声，其中燃烧噪声主要和燃烧过程有关，相比于机械噪声，燃烧噪声的产生机理较为复杂。燃烧噪声主要是由于气缸内周期性变化的气体压力作用而产生，发动机的燃烧速度以及燃烧方式对燃烧噪声都有影响。同时，发动机的经济性、动力性以及排放性也会影响燃烧噪声[3-5]。

不同类型的噪声，其控制方法亦不同，因此，有效地分离各种噪声成分，识别它们对发动机噪声声功率的影响，对采用合理和有效的措施控制不同类型的噪声乃至整机的辐射噪声具有十分重要的意义。所以，正确识别和分离发动机的燃烧噪声是开展发动机噪声控制的一个重要基础。

本试验以某车用涡轮增压直喷汽油机为研究对象，采用消去法对该汽油机燃烧噪声进行测量和分析，从而研究不同转速、不同负荷下该汽油机的燃烧噪声情况。最后，为了进一步研究燃烧噪声的形成机理，结合发动机气缸压力分析结果，揭示了不同负荷下动力载荷对燃烧噪声的影响。

1 发动机燃烧噪声试验方法

燃烧噪声是缸内燃烧过程中产生的，而机械噪声由机械零部件振动摩擦产生，两种噪声的源头不同，因此可采用叠加能量法和消去法进行分离识别[6]。比如分别测定机械噪声和整机噪声，再采取声压级计算方法分析计算，所得到的噪声即为不容易直接测取的燃烧噪声。

常见的整机燃烧噪声测量方法有以下两种。

方法1：在选定的工况下，首先让所测发动机稳定运行一段时间，测出此时的整机噪声。接着依次让每一个气缸单独处于不燃烧状态，然后分别测量出在各个气缸单独不工作的情况下的整机噪声声功率，和正常稳定运转情况下的发动机噪声声功率对比就能够计算出各缸的燃烧噪声，最后各缸合成的声功率就是要求的发动机燃烧噪声声功率[7]。

方法2：首先在选定的工况下让所测发动机稳定工作，然后测得此时的整机声功率，接着用测功机来倒拖该发动机至相应的运行工况下，再测得此时的整机声功率，此时测到的噪声为其他噪声声功率，不包含燃烧噪声，最后将两种噪声声功率进行合成计算，就可以求得燃烧噪声以及它对整机噪声的贡献值[8]。

本研究采用方法2，首先让发动机依次处于空载和半载工况，测得各个转速下的前侧面、顶面、进气侧和排气侧的1 m声压级。然后采用倒拖发动机的方法测得对应工况下对应位置的1 m声压级，根据测量结果计算出平均声压级，然后再根据计算公式即可得出发动机在正常运行下的噪声声功率和倒拖状态下的声功率，两者相减即为燃烧噪声的声功率。其贡献值由燃烧噪声和发动机正常工作时噪声的声功率比值获得,根据燃烧噪声的声功率，再利用声功率、声功率级和声压级的换算公式推出燃烧噪声的声压级。

通过发动机前侧面、顶侧面、进气侧和排气侧的传感器测得声压值，然后进行1 m平均声压级计算。本次试验测试环境是在标准条件下，并且是在测量点噪声与背景噪声之差远小于10 dB的半自由声场消声室进行。平均声压级计算公式如下：

(1)

声功率级和声压级的换算则用式(2)：

(2)

式中：LW为A计权声功率级；S为目标机包络面面积，由发动机实际尺寸测得；S0为面积基准值[9]。

声功率和声功率级的换算按照下式进行：

W=10(0.1LW-12)。

(3)

式中：W为声功率。

声功率可以线性叠加，整机噪声声功率和机械噪声声功率相减即为燃烧噪声声功率。再根据燃烧噪声的声功率，利用上述公式换算出燃烧噪声声压级。

根据下式，可计算出燃烧噪声对整机的贡献度。

(4)

式中：η为燃烧噪声对整机的贡献度。

2 燃烧噪声试验设备及过程

2.1 发动机基本参数及测试设备

本试验发动机基本参数见表1。

表1 试验发动机基本参数

本研究涉及的噪声源识别试验在天津大学进行，实验室长、宽、高分别为11.4m，7.2m，6.9m。该实验室四周和地面进行过消声处理，避免了外界噪声和试验噪声的相互干扰，其最低环境背景噪声仅有18dB。本次试验所需的测量参数主要有缸压、噪声源信号、缸盖表面振动信号、进排气压力和温度。主要试验设备见表2。

表2 主要试验设备

2.2 试验过程

本次试验中最关键的是发动机在稳定工况下拖动噪声的测量。在测量开始时，先将发动机起动至国家标准规定的稳定状态，即发动机的机油温度、冷却液温度均达到正常工作状态下的温度，然后进行整机噪声的测量，依次对发动机在空载和半载条件下各个转速工况对应的燃烧噪声进行测量。

按照GB/T1895—2000的要求进行测点布置和整机辐射噪声测量,试验时声压传感器布置见图1。由于发动机底面离地面距离很小，发动机后端面连接有测功机，发动机的底面和后端面不方便声压传感器的布置，故只分别对进气和排气侧、前侧和顶面距发动机包络面1m处的声压级进行测量。

图1 声压传感器布置

3 燃烧噪声试验结果

3.1 空载加速工况燃烧噪声试验结果

图2示出发动机空载时各个转速下进排气侧、前侧和顶面位置的发动机整机噪声和除去其他噪声之后的燃烧噪声1m声压级测量数据。 从图中可以看出，在进气侧，发动机转速为1 400r/min时，整机噪声为76.3dB，燃烧噪声为64.1dB，但当发动机转速为4 000r/min时，整机噪声为89.25dB，燃烧噪声为86.12dB，由此可以看出，随着发动机转速的提高，燃烧噪声对整机噪声的贡献增加。此外，当发动机转速为2 600r/min时，燃烧噪声出现了明显的波动，这是因为此转速下发动机燃烧得到改善，使得燃烧噪声下降。

图2 空载工况各转速下进排气侧、前侧和顶面位置的燃烧噪声

与进气侧类似，在排气侧，发动机转速为2 600r/min时，燃烧噪声也出现了明显波动。在空载工况时，前侧面和顶面的燃烧噪声也随着发动机的加速而不断提高。综合对比可知，发动机燃烧噪声在空载加速工况时，均随着转速的提高而逐渐升高，分析原因可知，发动机转速增加时喷油速率及喷油量均增加，燃烧室内可点燃油气混合物增加，燃烧更剧烈充分，缸内气体压力波传播速度更快。综合对比可知，对于整机噪声，排气侧燃烧噪声的贡献量最小，顶面燃烧噪声的贡献度最大。

图3示出空载工况各转速下燃烧噪声1m平均声压级的变化。从图中可以看出，燃烧噪声平均声压级在加速过程的变化规律和各个侧面位置燃烧噪声变化规律大致相同，发动机转速为2 600r/min和3 800r/min时，燃烧噪声也出现了明显波动。

图3 空载工况各转速下燃烧噪声1 m平均声压级

在图4中，空载工况各转速下燃烧噪声对整机噪声的贡献值从1 600r/min时的8.5%上升到2 400r/min时的29.1%，最后在20.1%～30.5%范围内波动。分析燃烧噪声对整机噪声的贡献值变化能够得出，空载加速工况时，相对于其他噪声成分，燃烧噪声所占比例较小，其他噪声为整机噪声的主导成分。

图4 空载工况各转速下燃烧噪声对整机噪声的贡献值

3.2 半载加速工况燃烧噪声试验结果

图5示出发动机半载时各个转速工况下不同位置的发动机整机噪声和除去其他噪声之后的燃烧噪声1m声压级测量数据。分析图5可知，在半载工况下，发动机的整机噪声和燃烧噪声均随着转速的提高而逐渐升高。但是，在少数转速下燃烧噪声呈现下降趋势，例如在3 800r/min时的进气侧和前侧面、3 600r/min时的排气侧，燃烧噪声都出现了下降。在图5中对比各个侧面燃烧噪声和其他噪声对整机噪声的贡献比例可以看出，各个侧面的燃烧噪声在中低转速时对整机噪声影响最大，高速阶段影响最小。

图5 半载工况各转速下进排气侧、前侧和顶面位置的燃烧噪声

图6示出半载工况各转速下燃烧噪声1m平均声压级变化。从图中可以看出，半载工况时燃烧噪声平均声压级在加速过程的变化规律和各个侧面位置燃烧噪声变化规律大致相同。同样，在转速为3 800r/min及其相邻转速时，燃烧噪声出现了陡然下降的趋势。

图6 半载工况各转速下燃烧噪声1 m平均声压级

图7示出半载工况各转速下燃烧噪声相对整机噪声的贡献值变化。从图7中可看出，半载工况各转速下燃烧噪声对整机噪声的贡献值从1 600r/min时的43.9%上升到2 200r/min时的60.1%，之后开始下降，在3 800r/min时降到最低，为18.9%。同样，通过分析燃烧噪声对整机噪声的贡献值变化能够得出，在半载工况的中低转速时，燃烧噪声占主要成分，在高速阶段时，和空载加速工况时的情况大致相同，相对于其他噪声成分，燃烧噪声所占比例较小，其他噪声为整机噪声的主导成分。

图7 半载工况各转速下燃烧噪声对整机噪声的贡献值

3.3 不同负载下燃烧噪声对比

图8示出空载和半载工况时不同转速下的燃烧噪声1m平均声压级变化。从图中可以看出，燃烧噪声受发动机负荷的影响，负荷越大，燃烧噪声越大，在中低转速尤为明显，在高速阶段负荷变化对燃烧噪声几乎没影响。

图8 空载和半载工况时不同转速下燃烧噪声1 m声压级

图9示出空载和半载工况时不同转速下燃烧噪声对整机噪声贡献值的变化对比。分析图中曲线可以看出，发动机负荷影响着燃烧噪声对整机噪声的贡献值，在中低转速阶段影响最大，发动机负荷越大，燃烧噪声对整机噪声的贡献值越大。在高速阶段，发动机负荷对贡献值几乎没影响。就半载加速和空载加速工况时燃烧噪声的平均贡献值来看，空载加速时燃烧噪声对整机噪声的平均贡献值为22.2%，明显小于半载加速时的43.6%。

图9 空载和半载加速下燃烧噪声对整机噪声的贡献值

4 气体动力载荷对燃烧噪声的影响

发动机燃烧噪声产生的根本原因是缸内压力的变化。相关文献[10-12]表明，气体动力载荷中缸内压力和压力升高率最大值是影响燃烧噪声的主要因素。图10示出了空载工况时不同转速下最大气缸压力及最大压力升高率的变化趋势。从图中可以看出，最大气缸压力随着发动机转速的提高而增大，而燃烧噪声随转速提高也呈上升趋势，这是因为气缸内压力增大引起动力载荷，此类动力载荷作用在机体上产生噪声。从局部上看，当发动机转速为2 550r/min及3 800r/min时，最大气缸压力均出现波动。随着转速的升高，最大压力升高率整体呈上升趋势，但仅在转速为2 650r/min时最大压力升高率曲线出现下凹，在3 800r/min时未出现下降趋势。

上述分析表明，空载时随着发动机转速的提高，燃烧噪声呈上升趋势的原因是最大气缸压力和最大压力升高率整体升高；在2 600r/min时燃烧噪声出现下降的原因是最大压力升高率引起的动力载荷和最大气缸压力引起的气体高频振动同时减弱；而在3 800r/min时燃烧噪声出现下降主要是因为该转速下燃烧性能异常，最大气缸压力引起的气体压力波传播速度降低，气体的高频振动减弱，该工况下最大气缸压力对燃烧噪声的影响大于最大压力升高率。

图10 空载加速时最大气缸压力及最大压力升高率

图11示出半载加速时发动机最大气缸压力及最大压力升高率变化趋势。与空载加速时类似，最大气缸压力及最大压力升高率在加速时呈上升趋势，燃烧噪声呈上升趋势。燃烧噪声在转速为3 800r/min时出现下降，即最大气缸压力和最大压力升高率在3 800r/min及其相邻转速也出现下降趋势。说明了燃烧噪声在此转速出现拐点的原因也是由于此转速下的最大气缸压力及最大压力升高率出现了变化,该转速下的缸内压力变化出现波动的可能原因是此工况下的点火提前角和喷油规律标定不合理；最大压力升高率在2 000r/min左右时出现了下降，而由上一节分析可知，该转速下的燃烧噪声并没出现太大波动，最大气缸压力对燃烧噪声的影响更大,气缸压力是燃烧噪声的表征量[6]。

图11 半载加速时最大气缸压力及最大压力升高率

5 结论

a) 空载加速工况时，相对于其他噪声成分，燃烧噪声所占比例较小，其他噪声为整机噪声的主导成分；在半载工况下，中低转速时燃烧噪声为主要成分，在高速阶段，燃烧噪声所占比例较小；

b) 发动机负荷对噪声贡献值的影响在中低转速最为明显，在高速阶段几乎没影响；就半载加速和空载加速工况时燃烧噪声的平均贡献值来看，空载加速时燃烧噪声对整机噪声的平均贡献值为22.2%，明显小于半载加速时的43.6%；

c) 随着发动机转速的提高，最大气缸压力及最大压力升高率增大，燃烧噪声呈上升趋势，表明缸内压力的变化是产生燃烧噪声的根本原因，同时加速时最大气缸压力和燃烧噪声的变化趋势更相似，可以近似表征燃烧噪声。

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[编辑： 潘丽丽]

ExperimentalResearchonCombustionNoiseofVehicleTurbochargedGDIEngine

YANGJing1,2,ZHANGYu1,HUHuiyong1,FENGRenhua2,WANGYi1,LICan1

(1.StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufactureforVehicleBody，HunanUniversity，Changsha410082,China; 2.KeyLaboratoryofAdvancedManufactureTechnologyforAutomobileParts,MinistryofEducation,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China)

Experimental research on engine combustion noise were conducted on a turbocharged gasoline direct injection (GDI) engine through no-load and half-load motoring acceleration test. Combined with measurement of in-cylinder burning gas pressure, the effects of gas dynamic load on combustion noise were investigated to analyze the root reason of combustion noise. The results show that engine combustion noise increases with the increase of engine load at low and medium engine speeds and the contribution of combustion noise to engine overall sound power level also increases. But at high speed, the contribution is sensitive to engine load increasing. In addition，the average contribution of combustion noise to engine overall sound power is 22.2% and 43.6% respectively at no-load and half-load acceleration conditions and the former is obviously lower than the latter. Generally, the trends of maximum in-cylinder gas pressure and maximum pressure rise rate agree with that of combustion noise and the influence of maximum cylinder pressure on combustion noise is more obvious.

gasoline engine； combustion noise; contribution ratio； influencing factor

2017-02-12；

2017-04-10

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA111801)

杨靖(1957—)，女，教授，博士生导师，研究方向为发动机性能优化与匹配；yangjing10@vip.sina.com。

张宇(1992—)，男，硕士，主要研究方向为发动机多体动力学、发动机燃烧、发动机性能优化；1484678142@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.005

TK411.6

B

1001-2222(2017)03-0027-06