杜宏飞 李佳星 秦岭 刘江唯

（一汽解放事业本部发动机事业部，长春 130011）

主题词：单缸柴油机 预喷参数 燃烧噪声 压力升高率

1 前言

发动机是汽车的主要噪声源，为降低整车噪声应首先以控制发动机噪声为目标。发动机噪声包括燃烧噪声和机械噪声，由于工作方式的不同，汽油机的噪声源主要是进排气噪声和配气机构噪声，而柴油机的主要噪声源是燃烧噪声。燃烧噪声经过机体的衰减而辐射出去成为整机噪声，因此研究燃烧噪声对于降低整机噪声具有重要意义[1-2]。

柴油机燃烧噪声是当发动机工作时，气缸内周期性变化的气体压力的作用而产生的[3]。燃烧噪声与燃烧室的形状、喷油系统参数以及缸内燃烧状态有着密切联系[4]。研究表明，预喷射是降低柴油机燃烧噪声的最有效措施，预喷射的燃油对主喷射燃料的燃烧起到了活化作用使得主喷燃料的滞燃期缩短，从而使滞燃期内形成的可燃燃料减少，从而降低燃烧噪声[5-6]。本文以一台单缸柴油机为研究对象，通过测量柴油机缸内压力，对定负荷和变转速工况下的缸内压力声压级进行分析，获得不同预喷参数对燃烧噪声及压力升高率的影响规律。

2 试验设备与数据采集

试验用柴油机参数如表1所列。为保证试验边界条件的一致性，分别采用冷却水外循环控制系统、机油外循环控制系统来实现冷却液及润滑油温度的稳定，试验时控制冷却液温度为85±3℃，机油温度为85±5℃。为满足进气增压要求，采用空气压缩机模拟进气增压系统，利用进气稳压罐保持进气压力稳定，并结合温度控制系统控制进气温度为30±3℃。试验台架安装有高压共轨喷射系统，最大燃油喷射压力达300 MPa，由发动机电控单元控制燃油喷射压力和喷油角度。为保证各工况喷油角度的一致性，利用电流钳测量喷油器驱动信号，并将信号接入AVL公司的燃烧分析仪中实现喷油角度在线同步监测，同时利用该分析仪测量缸内压力，并利用其自带的燃烧噪声分析模块分析缸内压力，获得缸内压力声压级以表征燃烧噪声。

表1 单缸柴油机主要参数

3 试验工况

为考察单一因素对缸内压力声压级和最大压力升高率的影响，首先设定发动机在参考工况点，然后单一改变预喷角度、预喷油量、喷射压力。参考工况点参数如表2所列。为考察转速的影响，在参考点基础上设定了变转速试验。

表2 参考工况点设定参数

4 试验结果与分析

4.1 预喷角度对燃烧噪声影响

在参考点基础上依次改变预喷角度（分别为-16℃A、-14℃A、-12℃A和-10℃A），其它参数保持不变，利用燃烧分析仪记录缸内压力声压级、声压级频谱分布及最大和平均压力升高率结果，图1为30个循环试验结果。从图1a可看出，预喷角度为-14℃A时声压级最小，预喷角度为-10℃A时声压级最大。从图1b、图1c、图1d可看出，预喷角度对最大压力升高率和声压级频谱分布影响较小，单循环内的平均压力升高率差别不明显。

由于此时燃油预喷量仅占总油量的2.5%，预喷燃油放热量较少，对滞燃期影响小，因此无论预喷提前角为多少，此工况下压力升高率均变化不明显[7]。

图1 预喷角度对燃烧噪声影响

4.2 预喷油量对燃烧噪声影响

在参考点基础上改变预喷油量比例为7%、11%和20%，分析结果如图2所示。由图2a可看出，随预喷油量的增加缸内压力声压级升高，预喷油量比例为2.5%时缸内压力最小，为20%时最大；由图2b可看出，随预喷油量的改变，最大压力升高率变化趋势与压力声压级相同，均随预喷量的增加而增大；而由图3c可看出，声压级频谱分布仍然一致，在各频率区间上随预喷油量增加缸内压力声压级增大，油量的变化对于低频段影响较小，主要影响中高频率段。

通过上述分析可知，当预喷油量比例为20%时，无论是基于循环的最大压力升高率还是基于曲轴转角的平均压力升高率都高于其它情况。由图2d可看出，与预喷油量比例为2.5%相比，其它3种情况下在上止点前均出现缸内压力急剧上升。这是因为当预喷油量比例为2.5%时，预喷油量较少，前期反应量较少，而随比例的增加先期反应燃料较多，且已经发生了充分燃烧放热，而此时活塞还在压缩过程中，缸内体积急剧缩小，导致缸内压力升高率明显上升，声压级明显增大。预喷油量越多先期反应越剧烈，当主喷燃油进入缸内后迅速燃烧，缸内压力会急剧上升，由图2c可看出，在声压级频率为2 000 Hz时缸内声压级升高明显。

图2 预喷油量对燃烧噪声影响

4.3 预喷压力对燃烧噪声影响

分别改变喷射压力为 105 MPa、95 MPa、85 MPa、75 MPa，分析结果如图3所示。由图3a、图3b可知，缸内压力声压级、最大压力升高率均随着喷射压力的提高而增大。喷射压力为105 MPa时，在各循环下的声压级和最大压力升高率最大，喷射压力为75 MPa时声压级和最大压力升高率最低。由图3c可看出，在频率为2 000 Hz以下时声压级没有变化，在高于2 000 Hz以上的中、高频率段有较大变化。从图3d可看出，喷射压力为105 MPa时的平均压力升高率最大，在上止点后迅速达到峰值，而喷射压力为75 MPa时，平均压力升高率只在上止点前有小幅度升高，在上止点后压力升高率比较平稳，总体来看，与喷射压力为105MPa时相比，平均压力升高率均处于较低水平。

图3 预喷压力对燃烧噪声影响

喷射压力对燃油雾化有重要影响，而燃油雾化又影响燃烧过程。综合图3可知，随喷射压力提高，前期喷射油量雾化改善，反应放热速度加快，导致压力升高率迅速增加，当主喷燃油进入后会迅速燃烧，喷射压力的增大使燃烧速度提高，缸内气体动力载荷明显增强，气体冲击波加强，从而导致中高频率段的声压级明显改变。预喷压力提高使得最大压力升高率提高，压力升高率的改变对于低频段声压级影响较小，主要影响中高频段声压级。

4.4 不同发动机转速下预喷参数对燃烧噪声影响

为考察发动机转速对缸内压力声压级的影响规律，通过改变发动机转速进行了多组试验，获得了缸内压力声压级变化趋势。图4为不同发动机转速下各种喷射策略对于燃烧噪声的影响。由图4a可看出，随着转速的提高，缸内压力声压级呈现先增大后减小的趋势。声压级最高点出现在转速为1 100～1 200 r/min内。在各种预喷角度下缸内压力声压级整体变化趋势相同。由图4b可看出，缸内压力声压级先增大后减小，当预喷量为7%时，缸内压力声压级最低，预喷油量曲线随转速提高而呈上升趋势。在转速大于1 200 r/min时，预喷量为20%和2.5%时的声压级接近，在转速低于1 200 r/min时，预喷量为20%时的压力声压级较大。由此可知，在变转速情况下，预喷量对于声压级具有重要影响。由图4c可看出，喷射压力为105 MPa时缸内压力声压级最大，并且随着转速提高呈先增大后减小趋势。在其它较低喷射压力下，声压级随转速变化不明显。

图4 转速对燃烧噪声影响

综合图4可知，合理设计和优化发动机转速能有效降低发动机燃烧噪声。

5 结束语

在某单缸柴油机上，分析了预喷参数对燃烧噪声的影响规律。结果表明，在稳态工况下，随着预喷油量增加燃烧噪声增大；预喷角度对燃烧噪声影响较小；喷射压力对燃烧噪声有较大影响，随预喷压力提高缸内压力声压级提高，最大压力升高率提高。在高喷射压力下，随着转速的增加，缸内压力声压级呈先增大后减小趋势，但在低喷射压力下变化不明显。采用较小的预喷量、优化预喷角度、低的预喷压力、合理控制发动机转速是降低燃烧噪声的有效措施。