EGR控制怠速下柴油机燃烧噪声的试验研究

姜智超， 姜顺超， 甄龙信

(1.广西科技师范学院,来宾 546100； 2. 青岛海尔电冰箱有限公司，青岛 266103；3. 燕山大学，秦皇岛 066000)

柴油机的主要噪声来源于燃烧噪声，特别是怠速工况下的燃烧噪声，其所占柴油机整体噪声的比重非常大.因此，降低柴油机的燃烧噪声是改善柴油机噪声的重要途经.改善柴油机的燃烧噪声主要有两种途径：一种是通过分析柴油机的燃烧机理，从本质上降低燃烧噪声；另一种途径是利用结构衰减的方法来降低柴油机的燃烧噪声，通过改变燃烧噪声在机体上的传递路径，噪声本身的能量会被发动机本身的结构所减弱，从而降低其燃烧噪声.

国内外学者研究了柴油机燃烧噪声的传递特性，通过改变燃烧噪声的传递路径来衰减柴油机的燃烧噪声，从而降低发动机整机噪声[1-2].李兆文等[3-8]国内学者对柴油机进行了多次预喷射、节气门开度和增压来改善柴油机燃烧噪声的试验研究，研究表明喷油策略中的喷油提前角、喷油器喷孔数、喷油器锥角、进气量等参数可以影响柴油机的燃烧噪声，合理的喷油参数设置可以有效降低柴油机的燃烧噪声.李强等[9]研究了EGR的效率、温度及耦合喷油参数对发动机燃烧噪声的影响.尤险峰等[10]通过柴油机的台架试验，分析了影响柴油机燃烧噪声的二级因素，试验结果表明，喷油策略等参数的改变可以有效减小柴油机的燃烧噪声.

通过研究现有文献，大多是在以上描述的几个方面来研究如何改善柴油机的燃烧噪声，并且相关文献对于柴油机怠速工况下燃烧噪声的研究较少，文章将采用一种新的方法来研究如何改善柴油机怠速工况下的燃烧噪声，此方法是通过控制EGR来改善怠速下的燃烧噪声问题，同时兼顾进行柴油机转速波动的测试.

1 试验原理

1.1 EGR影响燃烧噪声的原理

EGR最初目的是为了降低排放，并提高发动机的效率，随着人们对汽车NVH(Noise、Vibration、Harshness，噪声、振动与声振粗糙度，)性能要求的提高，EGR技术已经被用来改善柴油机的噪声问题.

EGR按照排气的再循环方式主要分为内部EGR和外部EGR.内部EGR的工作原理是：通过调节进气门和排气门的开闭时刻，控制一部分废气留在缸内，让其参与下一个循环的燃烧，可通过气门重叠角来控制EGR率.外部EGR的工作原理是：排气管内的废气，经过控制阀、冷却器等流入进气歧管，然后这些废气再与空气混合后重新进入气缸，应用大比例EGR是实现柴油机预混合压燃的有效方法，大比例EGR可有效降低进气中的氧气浓度，延长滞燃期，使燃料及空气拥有较为充裕的混合时间，增加预混合比例.通过控制EGR率，还可有效地控制预混合压燃的着火时刻，从而提高发动机的燃烧效率[11-12].

试验机型采用的是外部EGR，当排出的废气经过此系统时，EGR使进气温度提高，从而使燃烧室壁温度和进气温度有所提高，等于给滞燃期升温，使滞燃期缩短，滞燃期内的热量会显著增加，可有效降低燃烧时气缸内部的压力升高率，从而降低了燃烧噪声[13].

1.2 进气量影响燃烧噪声的原理

试验中根据不同节气门的开度来测试EGR开关下对柴油机燃烧噪声的影响.其中，单纯地控制进气也可以改善柴油机的燃烧噪声，通过减小节气门的开度可有效降低气缸的压力和压力升高率，从而有效降低燃烧噪声.

1.3 转速波动测试原理

合理地控制EGR还可减小柴油机所持有的角速度波动和横向摆振，从而改善怠速下柴油机转速波动的问题.

试验的原理是：用曲轴位置传感器测量的数据来分析柴油机的转速波动.此传感器为电磁感应式传感器，曲轴靶轮上有58个齿槽，每一个齿槽的间隔角为6度，靶轮上还有一个缺齿槽，用于生成同步的脉冲信号.电磁感应原理是：当曲轴旋转时，转子中的齿槽将改变磁感应传感器的磁场，变化的磁场就会产生一个感应电压的脉冲信号.因此，曲轴每旋转一圈，传感器就会测得58个脉冲信号，根据每个脉冲对应相应的时间点就能算出每个点的转速，这样就很容易分析出柴油机转动时是否出现严重的波动.

2 试验方法

2.1 试验环境

燃烧噪声试验的场所在标准的发动机NVH半消声室内进行，室内天花板及四周墙壁均安装有消声材料，地面为平整水泥地面，室内产生的背景噪声小于20 dB(A).发动机安装在电涡流测功机试验台架上，并安装正常运转所必要的附件，如发电机、起动机、皮带、水泵等.测试过程中，冷却水温度控制在正常范围内，并且在进气管路、排气管路、台架支撑腿等非发动机主体部分处使用吸音材料包裹.

2.2 试验设备

试验设备的布置如图1所示，测试中使用的主要设备分别是：LMS SCADAS Mobile数据采集前端、AVL公司的燃烧分析仪、BSWA传声器、PCB振动加速度传感器、麦克风阵列及工作站一台，数据分析软件使用的是西门子公司的LMS Test. Lab.

图1 测试系统示意图

2.3 试验方法

如图2所示，缸压传感器布置在缸内，在正时、进气、排气、顶部距离发动机一米处安置麦克风.在怠速750 r/min的工况下测试不同节气门开度及EGR开关下的缸压、压升率、燃烧噪声的数值.

图2 缸压传感器位置

3 试验结果及分析

3.1 EGR开关对燃烧噪声的影响

如图3所示为怠速工况下，EGR开(EGR5%)和EGR关(EGR0%)时，水温和每循环各缸平均进气量(简称进气量)在不同节气门开度下变化的曲线.由图可知，EGR的开关对水温并没有显著的影响，特别是节气门开度在10%左右时，两者的水温几乎一致，但在开度为6%时，水温出现明显下滑，因此，为了保证发动机的正常运转所需的温度，节气门的开度不能过小.

图3 怠速-水温与每循环各缸平均进气量的变化图

EGR的开关对进气量有明显的影响，EGR开度为0%的时候，其进气量明显高于EGR开度5%时的进气量，最大差值大约在130 mg，但两者的差异随着节气门开度的减小也随之减小.

如图4所示，比较EGR开和关这两种状态下，最大缸压(Pmax)和最高压升率(Rmax)在不同节气门开度下的区别.从Pmax的曲线可以看出，节气门开度在13%以下时，在EGR5%时的Pmax要高于在EGR0%时的Pmax，而且两者之间差异随节气门开度的减小而增大，最大差值将近10 bar；分析Rmax的曲线变化可知，当节气门开度在9%以下时，在EGR5%时的Rmax要高于EGR0%，并且两者之间的差异随着节气门开度的减小而增大，最大差值将近2.0 bar/(°).其中，Rmax是最能直接影响柴油机燃烧噪声的参数，因此,要特别关注节气门开度为9%时的情况.

图4 怠速- Pmax & Rmax

由上图分析可知，节气门开度低于9%时，EGR5%时的Rmax相对高于EGR0%时曲线，如图5所示，在节气门开度在9%时，燃烧噪声值开始出现转折，此时EGR5%时的燃烧噪声高于EGR0%时的燃烧噪声.同理，当节气门开度在9%以上时，EGR5%时的燃烧噪声相对更小.根据以上分析可以更加确定，Rmax直接影响柴油机的燃烧噪声，而且Rmax和燃烧噪声的变化趋势几乎是同步的.因此，当节气门开度在9%以上时，打开EGR有利于降低柴油机的燃烧噪声，噪声值最高可以降低1 dB.

图5 怠速-燃烧噪声

3.2 EGR对转速波动的影响

转速波动问题主要发生在节气门开度很小的时候，因为压力升高率直接影响了发动机的振动与噪声，所以文章对相应节气门开度下的压力升高率进行了研究.

如图6所示，为节气门开度在5%和6%时的压力升高率曲线.当节气门开度在5%时，压升率曲线只有两个明显的峰值，而节气门开度6%时，有3个明显峰值.这是因为节气门开度5%时，由于进气量不足，从而导致气缸内部的燃油混合气不能充分燃烧，这种情况也会引起柴油机在怠速状态下产生转速波动的问题，严重还会导致发动机熄火.

图6 压力升高率

EGR的开关对转速波动也会产生一定影响，我们比较转速波动最严重的工况，如图7所示，是怠速下节气门开度为5%时的转速波动曲线.图中，EGR5%时的曲线峰值明显比EGR0%时的峰值要平稳一些，峰值处的波动差值低了约6 r/min.因此，EGR打开时可改善怠转速波动的问题.

图7 怠速节气门5%-转速波动

4 结 论

1)怠速工况下，打开EGR可使燃烧噪声在一定范围内有所降低，这个范围一般是在节气门开度9%以上时才有明显的效果，噪声值大约降低了1 dB.

2)怠速工况下，当节气门开度低于6%时，由于压力升高率的异常变化会导致转速波动，此时打开EGR可以一定程度地改善柴油机的转速波动，峰值处的波动差值也减小了将近6 r/min.