多次预喷射的柴油机燃烧噪声控制实验

姜顺超，张校峰，王晓洋，许 杰，姜智超

多次预喷射的柴油机燃烧噪声控制实验

姜顺超1，张校峰2，王晓洋2，许 杰2，姜智超2

（1.青岛海尔电冰箱有限公司，山东 青岛 266103；2.广西科技师范学院，广西 来宾 546100）

为了降低柴油机怠速状态下的燃烧噪声，分析多次预喷射技术对燃烧噪声的影响。在半消声室内对某直列四缸高压共轨柴油机进行测试，根据实验数据，分析两次预喷射策略对缸压、放热率、压力升高率、燃烧噪声的影响。实验测试结果表明，两次预喷射策略可以有效降低柴油机的放热率及压升率的最高值，从而使柴油机燃烧噪声平均降低了5.2 dB，实车噪声也有所减小，缸压频谱在中高频率范围内的幅值也有所减小，此预喷策略最终也应用在了某型号的柴油机上。

柴油机怠速；预喷射；缸压；压升率；燃烧噪声；噪声控制

燃烧噪声是柴油机的主要噪声源，降低燃烧噪声对优化柴油机的噪声、振动与声振粗糙度（Noise, Vibration and Harshness, NVH）性能有很大帮助，近年来国内外学者对柴油机的燃烧噪声问题进行了大量的研究。优化传递路径及喷油策略是目前主流的研究方法[1]，文献[2]根据噪声的传递特性，采用改变结构等方法来加强燃烧噪声的衰减，从而降低发动机噪声。近年来，更多的学者采用改变喷油策略的方法来控制发动机的燃烧噪声。文献[3-4]通过改变预喷射的油量以及预喷时刻来控制柴油机的燃烧噪声。文献[5-6]在研究燃烧噪声的基础上对柴油机的声品质进行了相关的分析。文献[7-8]研究喷油率以及喷油定时对燃烧噪声的影响。文献[9-10]通过改变初次喷油量和后喷射油量，从而影响柴油机的燃烧噪声和排放。研究燃烧噪声需要进行相关分析和测试技术。文献[11]提出时间-频率-窗的燃烧噪声识别方法。文献[12]利用多体动力学等计算方法对低噪声的结构优化设计，在传递路径上降低了柴油机的辐射噪声。文献[13]研究了柴油机放热率与燃烧噪声之间的关系，研究表明燃烧噪声与各相位之间的间隔有关。

目前，在柴油机上对一次预喷技术的应用比较广泛，但对于两次预喷技术的研究还不成熟，尤其是对于很多国产的柴油发动机，通过喷油策略来改善其燃烧噪声的技术还有很大的进步空间，并且这种技术相对其他的方法更加节约时间和成本。笔者从角度域和频域上对实验数据进行研究分析，主要阐述了在怠速工况下，两次预喷策略对柴油机缸内各个参数包括燃烧噪声的影响。实验结果证明，两次预喷射技术对柴油机的噪声有明显改善。

1 多次预喷射降低燃烧噪声原理

1.1 柴油机燃烧噪声产生的原理

柴油机的燃烧噪声是在气缸内产生的，当燃油混合器燃烧时，因燃烧所导致缸内气体压力发生剧烈变化，气体压力的巨变所引起的冲击波导致气体发生高频振动，从而产生燃烧噪声，其大小受制于压力升高的速率（简称压升率）。缸内压力变化的特性由压升率d/d表征[14]。

燃烧噪声的大小与燃烧过程有很大关系，柴油机的燃烧过程主要分为4个阶段：着火延迟期、急燃、缓燃和后燃期。着火延迟期中，对燃烧噪声没有直接影响，但对燃烧进程的发展影响深远。在急燃期内，缸内的压力变化很大，对噪声和振动有直接影响。缓燃期和后燃期对燃烧噪声并没有很大的影响。所以，通过控制滞燃期和急燃期内的燃烧进程是降低柴油机燃烧噪声最有效的方法。

1.2 多次预喷射技术原理

实验中，在原来的喷油策略的基础上增加了一次预喷射，主要原理是将一个循环里的燃油分成三份，分别为一次主喷射、两次预喷射。相较于原来的喷油策略，两次预喷射策略可以减小主喷的油量，从而使压升率变得更加缓和，进而降低燃烧噪声[15]。

2 实验装置及实验方法

2.1 实验装置

场地为半消声室，房间声学环境满足工程法声功率计测量精度。发动机为直列四缸高压共轨柴油机。

实验仪器包括电涡流测功机、AVL燃烧分析仪、LMS前端、4个缸压传感器、4个麦克风。

2.2 实验方法

做怠速工况下不同节气门开度的燃烧噪声实验。麦克风传感器布置如图1标记所示，进气、正时、排气面的麦克风应间隔各面一米并且距离地面高度1.2 m处安置，顶部面的麦克风只需间隔1 m；四个缸传感器布置如图2所示。

图1 麦克风布置

图2 缸压传感器布置

3 实验结果及分析

3.1 两种预喷策略对缸压、压升率及放热率的影响

如图3和图4所示，为实验机型的标定数据。这两种喷油策略的主喷射角度（主喷角指的是主喷射角度与上止点0 CA的夹角）为–2 CA，两种策略的预喷射角度和预喷射油量则有明显不同，预喷射角度指的是预喷射和主喷射间的夹角（夹角可以换算为时间）。

如图3所示，在两次预喷策略下，首次的预喷射油量均值为1.0 mg，第二次预喷油量均值为1.2 mg，总预喷油量平均增加0.71 mg，由于两种策略每次循环的总油量不变，因此，其主喷的油量相应减少0.71 mg，这种分配的原则是在一次预喷策略的基础上把预喷油量分成了两次预喷，并使第二次预喷油量高于第一次预喷油量，这样可以使预喷射期间的压升率变化的比较缓慢[4]，另外，总预喷油量的增加，即主喷油量的减少也会使压升率放缓。

图3 预喷油量

如图4所示，在两次预喷策略下，第一次预喷射角度平均提前了3.2 CA（换算为时间是0.7 ms，CA和ms之间的换算关系为4.5 CA/ms），因此，燃烧会提前进行，而第二次预喷射相对滞后了 5.4 CA（1.2 ms），考虑到第一次燃烧的时刻应尽量在活塞到达上止点附近的位置，且使整个燃烧过程放缓，所以预喷1的提前角设置在原来预喷1的前面，由于预喷2在整个燃烧过程之内，所以其喷油时刻可以相应滞后一些，这样也能使燃烧放缓。

图4 预喷间隔

分析这两种喷油策略的缸压、压升率和放热率的变化对燃烧噪声影响，取四个有代表性的节气门开度进行相关分析。

图5表示在怠速750 r/min，节气门开度100%时，两次预喷射策略的压升率变化曲线有三个明显峰值，表示二次预喷射及主喷射的峰值。这两种策略缸压的峰值十分相近，不过两次预喷射峰值处的曲线相比一次预喷策略要高一点。分析图3和图4可知，两次预喷策略的预喷油量是增加的，因此，在预喷射期间燃烧释放出的热量也会更多，导致峰值时刻下两次预喷策略的最大缸压略高于一次预喷策略的最大缸压；然后再分析压力升高率，两次预喷策略下的压升率峰值要比一次预喷策略低，特别是第一个峰值的差别较大，其差值约为1 bar/CA，这是由于在两次预喷策略中预喷1油量比一次预喷策略中预喷1的油量要少，所以前者的压升率也会相对变小。

图5 怠速-100%

图6为怠速750 r/min，节气门开度17%时，这两种预喷策略的缸压及压升率曲线，两种预喷策略的缸压及压升率的变化趋势同100%开度时相似，只是缸压和压升率的变化范围较小，100%开度时的缸压最大值接近50 bar，17%开度时的缸压最大值接近45 bar；100%开度时的压升率最大值接近4 bar/CA，17%开度时的压升率最大值接近3.5 bar/CA。此开度下的进气量与燃油能充分进行燃烧，所以两种开度下的缸压和压升率变化趋势一致。

图6 怠速-17%

如图7所示，转速与上图的转速相同，节气门开度为10%，由图可知，缸压和压力升高率曲线的变化趋势与上图相似，压升率在变化趋势和数值上都没有太大的变化，但缸压的变化与前者有不同的地方。首先，一次预喷缸压的最大值与二次预喷缸压最大值非常接近；其次，节气门开度10%时的缸压最大值比17%时的要小很多，这是由于进气量的减少使得喷油量也减少，从而导致最大缸压的减小。

图7 怠速-10%

如图8所示，依然是怠速750 r/min，此时节气门开度为5%，先分析两者最大缸压的区别，由图可知，两次预喷的最大缸压要比一次预喷小，之间的差值约5 bar；再分析压力升高率的区别，由图可知，两次预喷射策略的压力升高率只出现一次明显的峰值，此峰值后面只有两次较小的波动，结合图9的压升率曲线进行分析，可以看出，节气门开度在5%的时候，曲线只有两个明显的峰值，当节气门的开度在6%时，曲线峰值却有三个，再结合图10放热率曲线进行分析，节气门开度在5%的时候，曲线同样也只有两个较为明显的峰值，这说明在节气门5%的开度下，气缸内部只有两次剧烈的放热。综上分析可知，这是因为节气门开度在5%的时候，由于进气量不足而导致前后两次预喷射所形成的燃油混合气无法充分进行燃烧，以至于第一次预喷射开始时，缸内燃油混合气无法正常燃烧，两次预喷射的燃油中只有部分燃油进行了燃烧。

图8 怠速-5%

图9 怠速-压力升高率

图10 怠速-放热率

3.2 对燃烧噪声的影响

柴油机燃烧噪声主要的计算过程如图11所示，进入气缸的缸压传感器采用的是GaPO4高精度材料，此传感器采集到的缸压信号精度很高，经过前端处理得到的是时域信号，软件可以对时域信号进行傅里叶变换，然后得到频域信号，然后经过式（1）的计算得到频域声压级，最后经过结构公式（2）传递函数和A计权得到燃烧噪声。

(dB)（1）

式中，20×10-11bar为人耳听力的截止下限的大小；为声压级；为均方根值；P为缸压信号。

式中，LPn为第n个频率下的声压级数值；LP为最终的燃烧噪声值。

实验工况为怠速下750 r/min，所进行的是稳态燃烧噪声测试，测试系统将缸压信号从角度域到时域的转换过程中应用了平均转速，为避免出现因发动机转速不稳而导致误差严重的情况，测试中要求发动机转速平稳。

图12是怠速750 r/min时，不同节气门开度下的两种预喷策略的差别。对两种喷油策略所测得的燃烧噪声值进行对比，由图可知，在不同节气门开度下，两次预喷射策略相比一次预喷射策略可使燃烧噪声平均降低5.2 dB。由图可知，曲线从开度5%到10%的区间内变化较大，这是由于进气量过少导致两次预喷的燃油没有充分燃烧。当节气门开度超过10%以后时，缸内的燃烧趋向于平稳，燃烧噪声最大值在72 dB上下。

图12 燃烧噪声

3.3 缸压的频谱分析

3.3.1缸压频谱与噪声之间的关系

从数值上而言，缸压频谱是由不同频率和幅值的各种谐波的叠加而成。也就是说气缸压力总的作用效果等于各种谐波单独作用之和。

一般来说，频谱的衰减可分为三个区域： 1 000 Hz以下时，机体结构衰减量很大，由于机体大多数零件的自振频率是中高频区域，因此，在低频的缸压引起的零件的结构响应小，衰减大；1 000 Hz～4 000 Hz时，此频段的结构衰减量最低。由于机体零部件的固有频率大多在这个频段上，很容易引起共振，因此振动衰减量小；最后是4 000 Hz以上的频段，此频段结构衰减量又上升了。因为振动频率太高，已超出了机体大部分零件的固有频率，因此振动的衰减增加。所以，燃烧噪声影响的频率范围主要是中高频，降低气缸压力频谱曲线，特别是中高频的频率成分，是降低燃烧噪声的有效手段。

3.3.2对两种预喷射策略进行缸压频谱分析

如图13所示，为节气门开度17%下的缸压频谱曲线，分析可知，频率在500 Hz～5 000 Hz之间两次预喷的声压级明显降低了很多。

图13 缸压频谱

3.3.3对整机的噪声进行频谱分析

该柴油机燃烧噪声影响的频率范围主要是500 Hz～5 000 Hz，尤其是在1 500 Hz～3 000 Hz的范围内影响较大。

3.4 半消声室与实车噪声声压级对比

比较两次预喷策略下半消声室与实车噪声声压级大小，如图14所示，为怠速下不同节气门开度下半消声室与实车状态下所测得的噪声声压级大小。可见，实车的噪声要比消声室低大约2 dB(A)，这是因为发动机被包裹在机舱内部，噪声被衰减了很多。

图14 消声室与实车噪声声压级曲线

4 结语

实验机型通过采用多次预喷射技术后，有效地改善了柴油机的燃烧噪声。对实验数据进行相关分析，相比于一次预喷策略，两次预喷对于缸压的影响不大，尤其是在节气门开度较大时，压力曲线基本上趋于一致。而两次预喷射策略对压升率产生较大影响，其压升率的峰值要比一次预喷策略下的峰值小很多。

但若节气门开度太小，则会导致柴油机怠速状态下的进气量严重不足，使这两次预喷射形成的燃油混合气无法充分进行燃烧，严重时会导致发动机熄火，因此节气门开度应该高于5%。

两种预喷策略相比，两次预喷策略的燃烧噪声值平均降低了5.2 dB，其中在1 500 Hz～3 000 Hz范围内的噪声值呈现整体的降低趋势。最后，比较了两次预喷射策略下半消声室与实车噪声声压级大小，由于机舱对发动机噪声有衰减作用，因此实车的噪声要比消声室低了大约2 dB(A)。

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Experimental on Combustion Noise Control of Diesel Engines Employing the Multiple Pilot Fuel Injection Technology

JIANG Shunchao1, ZHANG Xiaofeng2, WANG Xiaoyang2, XU Jie2, JIANG Zhichao2

( 1.Qingdao Haier Refrigerator Company Limited, Qingdao 266103, China;2.Guangxi Science & Technology Normal University, Laibin 546100, China )

In order to reduce combustion noise of diesel engine in idle state，a study on the effect of the multiple pilot fuel injection technology on the combustion noise was conducted. A four-cylinder high pressure common rail diesel engine with inline sensors was tested in a semi-anechoic room. According to the experimental data, the effects of the doublepilot fuel injection technology on the cylinder pressure, the heat release rate,the pressure rise rate, the combustion noise were analyzed. The test results showed that the double pilot fuel injection technology can reduce the maximum value of the heat release rate and pressure rise rate of the diesel engine, so that the combustion noise of the diesel engine was reduced by an average of 5.2dB.The real vehicle noise was also reduced.The spectrum of the cylinder pressure decreased in the medium to high frequency range.This multiple pilot fuel injection technology was finally applied to this type of diesel engine.

Idle stateof diesel engine;Pilot fuel injections;Cylinder pressure;Pressure rise rate;Combustion noise;Noise control

TK421+6

A

1671-7988(2022)24-103-07

TK421+6

A

1671-7988(2022)24-103-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.019

姜顺超（1992—），男，硕士，工程师，研究方向为机械工程，E-mail:1172797192@qq.com。

广西科技师范学院科研基金项目（GXKS2020QN030）；广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2020 KY23017）。