未來轎車柴油機噪聲的優(yōu)化

【德】 F.Kremer J.Schaub C.Steffens A.Kolbeck

未來轎車柴油機噪聲的優(yōu)化

【德】 F.Kremer J.Schaub C.Steffens A.Kolbeck

德國亞琛大學內(nèi)燃機教授與FEV公司共同研究了改善未來轎車柴油機噪聲和舒適性的技術(shù)可能性。探討借助于氣缸壓力導向的燃燒調(diào)節(jié)及發(fā)動機的結(jié)構(gòu)措施，從兩方面進行聲學優(yōu)化的技術(shù)。發(fā)動機試驗證實，噪聲輻射可明顯降低。

轎車 柴油機 噪聲 排放

1 起因

在減少有害物排放的同時，要求降低二氧化碳（CO2）排放，這對現(xiàn)代轎車柴油機的開發(fā)提出了挑戰(zhàn)。要求柴油機必須保持高的能量轉(zhuǎn)化效率，但又不能忽視在原始排放、成本、噪聲和舒適性等方面進行必要的優(yōu)化（圖1）。特別是在上述方面，最終必須采取折中方案，因為降低噪聲的機內(nèi)措施、結(jié)構(gòu)措施及輔助措施總是與排放、燃油耗和成本等方面的要求相互沖突。

圖1 轎車發(fā)動機當前水平的評價圖

公開發(fā)表的各種技術(shù)可能性都遇到了嚴峻的挑戰(zhàn)。除了所推薦的眾多試驗研究結(jié)果之外，德國亞琛大學內(nèi)燃機教授與FEV公司對共同開發(fā)的第2代內(nèi)部技術(shù)平臺[1]進行了試驗研究，在該平臺上開發(fā)了多種能有效降低廢氣排放和噪聲的方案。為此，考察了熱力學和結(jié)構(gòu)方面對發(fā)動機噪聲特性產(chǎn)生影響的可能性。燃燒是柴油機噪聲最主要的來源，采用新開發(fā)的燃燒調(diào)節(jié)方法對其進行優(yōu)化，從而能夠在降低CO2和廢氣排放的同時，使噪聲激勵得到實質(zhì)性的減小。此外，還將介紹各種可能采取的結(jié)構(gòu)措施，以改善動力總成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳遞噪聲的特性及其噪聲性能。

2 噪聲的產(chǎn)生及降噪方法

眾所周知，總噪聲是由各種不同的來源或激勵機理組合而成。除了有換氣過程的直接噪聲激勵之外，還存在固體傳聲的噪聲激勵等，這種噪聲激勵由燃燒和發(fā)動機機械機構(gòu)引起。在傳統(tǒng)汽油機上，直接的燃燒噪聲份額僅起到次要作用；而在柴油機上，直接的燃燒噪聲卻在總噪聲中占絕大部分份額。此時，燃燒噪聲是由工作過程中氣缸壓力作用于燃燒室周圍壁面（氣缸蓋火力面、氣缸套和活塞），以及經(jīng)過內(nèi)部固體傳聲途徑抵達曲軸箱的噪聲份額所引起的。這種由所選用的燃燒過程在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的壓力，以其獨特的高時間梯度引起發(fā)動機結(jié)構(gòu)局部的變動和變形。由于這些沖擊性的激勵作用，發(fā)動機結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了強迫振動。

圖2 發(fā)動機運行中噪聲的形成過程

如圖2所示，除了減少噪聲激勵之外，噪聲傳遞途徑的影響是改善噪聲特性非常重要的因素之一。但在注重成本的批量生產(chǎn)開發(fā)背景下，這種結(jié)構(gòu)設計的改進將面臨苛刻的邊界條件。除了為滿足各種不同功率、燃油耗和廢氣排放等級而提高子系統(tǒng)和附件的模塊化程度之外，還需考慮到與汽油機變型的通用件，柴油機受到的限制越來越多。

借助于可能應用的第2代高效燃燒系統(tǒng)發(fā)動機方案（表1），介紹經(jīng)驗證的改進建議。在試驗運行工況點采用小型運動型多功能車用發(fā)動機進行驗證，其功率達到115 k W，扭矩為340 N·m。同時，為滿足歐6排放標準要求，使用了近發(fā)動機布置的氧化催化轉(zhuǎn)化器和非選擇性催化還原系統(tǒng)。

表1 采用高效燃燒系統(tǒng)的第2代FEV技術(shù)平臺的主要技術(shù)規(guī)格

圖3 氣缸壓力導向的噴油量調(diào)節(jié)方法的發(fā)展前景

3 熱力學及其應用

基于氣缸壓力的燃燒調(diào)節(jié)方法[2]提供了廣泛的潛力，并能降低燃燒噪聲，特別是進一步提高了瞬態(tài)和不同環(huán)境條件下的舒適性，而且還能補償零部件和燃油對燃燒噪聲產(chǎn)生的影響，同時，氣缸壓力導向的噴油量調(diào)節(jié)方法能劃分成不同的發(fā)展級別，在產(chǎn)品投入量產(chǎn)后的幾年中逐步加以應用（圖3）。將來，基于氣缸壓力的先導燃燒和噴射特性（即噴射次數(shù)）調(diào)節(jié)是大有希望的方法[3]，并能根據(jù)氣缸壓力數(shù)據(jù)實時測得燃燒噪聲，且根據(jù)可供使用的計算能力，采用如最大壓力升高率d p/dα這樣簡單的特性參數(shù)或被稱為“燃燒聲級”[4]的復雜參數(shù)來實現(xiàn)。假如先導噴油量對主噴射時刻的時間間隔和先導燃燒始點偏離額定值，那么，可通過匹配首次先導噴射燃油量和噴射時刻來改變先導燃燒，從而在所有干擾變量的影響下保持預噴射的效果不變。

對于因1次先導噴射使混合氣均質(zhì)化不夠充分，例如在燃油品質(zhì)強烈波動或高廢氣再循環(huán)率時就可能出現(xiàn)上述情況，可以采用幾個預噴射與主噴射組合的噴射特性予以調(diào)整[3]。同樣，實時采集燃燒噪聲，并匹配噴油特性滿足燃燒室條件。在僅用1次先導噴射同時超過最大容許噪聲級的情況下，可選擇添加第2次先導噴射，使燃燒噪聲保持在事先規(guī)定的范圍內(nèi)。

全調(diào)節(jié)多次噴射（即數(shù)字燃燒速率成形（Di-CoRS））是獲得事先規(guī)定的壓力變化曲線的另一種方法。此時，不再應用諸如燃燒噪聲或最大壓力升高率等一維特性參數(shù)作為調(diào)節(jié)參數(shù)，而是采用工作循環(huán)期間整條變化曲線作為調(diào)節(jié)參數(shù)。除了對可靠性具有重要意義的邊界條件之外，通常將噴油作為調(diào)節(jié)參數(shù)，以至于燃燒調(diào)節(jié)能夠無限制地按行程確定噴油規(guī)律。為此所需的調(diào)節(jié)匹配是多種多樣的，并且以被稱為“迭代學習調(diào)節(jié)”的原理為基礎(chǔ)。采用專用的兩點調(diào)節(jié)器，使實時壓力變化曲線能夠步進地逼近事先規(guī)定的額定壓力變化曲線[5，6]。DiCoRS方法特別適用于柴油機燃燒噪聲的優(yōu)化。這種任意調(diào)節(jié)壓力變化曲線的方法能夠降低可能出現(xiàn)的壓力升高峰值，從而進一步降低燃燒噪聲。

圖4示出了簡單的單次噴射、帶1次和2次先導噴射的多次噴射，以及2種采用DiCoRS調(diào)節(jié)的燃燒過程，被稱為“α燃燒過程”，它具有恒定不變的壓力升高率0.3 MPa/°CA，但采用了不同的共軌壓力。α燃燒過程從上止點起的壓力升高率保持不變[7]。試驗研究前可根據(jù)運行工況點確定噪聲最佳的壓力升高率，圖4所示的負荷工況點壓力升高率為0.3 MPa/°CA。α燃燒過程的調(diào)節(jié)是采用2次噴射來實現(xiàn)的，與傳統(tǒng)的先導噴射策略相比，這種2次噴射被視為分開的主噴射。考察一種中等負荷工況點（發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 500 r/min，平均有效壓力0.68 MPa），在該運行工況點的氮氧化物（NOx）排放量為0.4 g/（k W·h），相當于慣性質(zhì)量等級為1 590 kg的汽車在未裝用NOx后處理裝置情況下按歐6排放標準標定的廢氣排放水平（新歐洲行駛循環(huán)）。

這些試驗結(jié)果證實了采用不同燃燒調(diào)節(jié)步驟降低噪聲的效果。與單次噴射相比，添加1次或2次先導噴射，燃燒噪聲能降低2 d B或3 dB以上，但這導致了顆粒排放的增加，以及效率的輕微降低，不過可借助于多次噴射改變給定的壓力變化曲線來緩解這種沖突。首先，在相同的共軌壓力下，在顆粒排放仍保持不變的情況下能使燃燒噪聲進一步降低2.5 dB，若同時提高共軌壓力，那么就能將顆粒排放降至明顯低于采用1次先導噴射時的水平，同時因燃燒重心（圖4中“α50”）移至較早的位置而使效率提高，而共軌壓力的提高對燃燒噪聲并無影響，因為此時壓力變化曲線保持不變。

圖4 優(yōu)化噪聲的燃燒過程開發(fā)結(jié)果（發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 500 r/min，平均指示壓力0.68 MPa，NO x排放0.4 g/（k W·h））

4 結(jié)構(gòu)設計措施

綜上所述，必須將降低噪聲作為熱力學和結(jié)構(gòu)設計的共同任務。下文以通過控制燃燒噪聲、減小噪聲激勵為基礎(chǔ)，介紹氣缸蓋、氣缸體曲軸箱和油底殼等幾種發(fā)動機主要組件有利于降低噪聲的結(jié)構(gòu)設計[8]。可以預見，高效燃燒系統(tǒng)發(fā)動機方案將在更廣泛的結(jié)構(gòu)等級上有針對性地進行進一步開發(fā)。

從聲學觀點來看，氣缸蓋結(jié)構(gòu)的主要薄弱環(huán)節(jié)是其側(cè)壁。就這種相互關(guān)系而言，扁平的氣缸蓋設計是一種頗具希望的結(jié)構(gòu)方案，該設計方案減小了氣缸蓋側(cè)壁范圍內(nèi)的噪聲輻射表面（圖5），而氣門機構(gòu)被單獨安裝在氣缸蓋頂面上的凸輪軸軸承座框架上，并用1個深拉塑料罩蓋密封，塑料因具有較高的材料阻尼，因而提供了聲學方面的優(yōu)勢，此外，還具有隔音安裝的可能性，以充分挖掘降低噪聲的潛力。原理性試驗表明，在氣缸蓋罩結(jié)構(gòu)相同的情況下，塑料氣缸蓋罩能使發(fā)動機頂部的空氣噪聲輻射最多降低3 d B。

圖5 扁平氣缸蓋和深拉氣缸蓋罩設計實例[9]

由曲柄連桿機構(gòu)產(chǎn)生的慣性力，以及因燃燒產(chǎn)生的燃氣力，皆可通過主軸承中的反作用力激勵曲軸箱振動。相應地，曲軸箱最底部（底端）的設計和結(jié)構(gòu)對發(fā)動機的聲學性能具有重要的影響，其主要差別在于曲軸箱裙部和主軸承蓋的結(jié)構(gòu)型式。在短裙曲軸箱結(jié)構(gòu)型式下，曲軸箱與油底殼的結(jié)合面精確地處于曲軸中心線高度，而主軸承蓋的典型結(jié)構(gòu)型式則是集成在床板式主軸承蓋梯型框架底座上的。雖然曲軸箱的短裙結(jié)構(gòu)型式對零件公差和密封表面提出了較高的要求，但為改善動態(tài)剛度和NVH特性提供了巨大的潛力，此外，這種結(jié)構(gòu)型式因具有較大的剛度，為油底殼的結(jié)構(gòu)型式及與變速器的連接提供了更為靈活的自由度。

發(fā)動機油底殼因具有較大的表面積，因而在總噪聲輻射中占有較大份額。同時，這種大且薄壁多的表面起到了猶如揚聲器的效果，它輻射出發(fā)動機各種噪聲激勵。其典型的結(jié)構(gòu)型式是具有較大剛性的鋁結(jié)構(gòu)油底殼，或在其底部設置具有相同剛性的隔音緊固金屬薄板或由多層材料制成的油底殼。因塑料具有較大的材料阻尼，預計將會開發(fā)底部較為剛性的塑料油底殼，并將其應用在1臺接近量產(chǎn)的柴油機上，從而具有降低發(fā)動機底部噪聲3 dB的潛力。

5 結(jié)語

只要全面采取可供應用的措施，現(xiàn)代轎車柴油機的聲學性能就能接近汽油機的水平。德國亞琛大學內(nèi)燃機教授與FEV公司共同研究了改善未來轎車柴油機噪聲和舒適性的各種技術(shù)可能性，其中通過持續(xù)不斷地開發(fā)氣缸壓力導向的燃燒調(diào)節(jié)，減小了燃燒的噪聲激勵，并將采用多次噴射調(diào)節(jié)氣缸壓力曲線（DiCoRS）作為進一步的開發(fā)手段，使燃燒噪聲比采用單次主噴射時降低6 dB以上，同時能夠保持，甚至改善廢氣排放水平和效率。

此外，還以實例介紹了優(yōu)化噪聲傳播途徑的措施，并證實通過改進氣缸蓋、曲軸箱和油底殼的結(jié)構(gòu)設計，在未來的開發(fā)工作中，具有進一步降低噪聲的潛力。特別重要的是，在優(yōu)化發(fā)動機噪聲輻射時采取單一的解決方案，即僅考慮噪聲來源或傳播途徑，將達不到降低噪聲的效果，但全面著手改善熱力學和結(jié)構(gòu)設計的方法卻具有很大難度。

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范明強 譯自 MTZ，2013，74（2）

張 慰 編輯

2013-05-10）