燃燒噪聲二級影響因素對柴油機聲品質的影響

尤險峰， 高鋒軍， 李保東， 程鵬， 李文慶， 王振方

(1. 長城汽車股份有限公司技術中心， 河北 保定 071000； 2. 河北省汽車工程技術研究中心， 河北 保定 071000；3. 吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室， 吉林 長春 130025)

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燃燒噪聲二級影響因素對柴油機聲品質的影響

尤險峰1,2， 高鋒軍1,2， 李保東1,2， 程鵬3， 李文慶1,2， 王振方1,2

(1. 長城汽車股份有限公司技術中心， 河北 保定 071000； 2. 河北省汽車工程技術研究中心， 河北 保定 071000；3. 吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室， 吉林 長春 130025)

分析了柴油機燃燒噪聲產生機理，采用缸壓數據計算燃燒噪聲，通過臺架試驗分析了二級影響因素對發動機燃燒噪聲的影響，并在消聲室中進行了試驗驗證。試驗結果表明，多次分噴定時和分噴油量對燃燒噪聲影響明顯，結合調節節氣門開度、增壓器開度和EGR策略，降低了燃燒噪聲突變，使整車語音清晰度提高7%，提高了整車聲品質。在怠速狀態，節氣門開度由30%減小到20%，燃燒噪聲顯著降低，駕駛室內噪聲降低2.0 dB。

燃燒噪聲； 直噴式柴油機； 噪聲源； 多次噴射

為了在傳統發動機的基礎上增加功率輸出和扭矩，讓全負荷曲線更加豐盈，柴油機采用了可變截面增壓器、可變配氣系統、可調EGR系統、高壓共軌多次可調噴射系統等，增大了低速扭矩和最大扭矩區間。可變系統的調節和模式變換增大了進氣壓力和扭矩波動，給噪聲控制帶來了挑戰。如果不采用相應的措施，扭矩突然波動會導致聲譜變化大、總聲壓級變化大。

發動機燃燒不規律導致燃燒及其激勵的機械系統聲譜突然變化，例如平衡軸齒輪側隙。廢氣再循環激活時，進氣導致燃燒特性突然變化，嵌入的平衡軸齒輪的聲譜和總聲壓級會顯著增強，特別是接近怠速時。Ardey等將噴油壓力提升到200 MPa，并在優化噴油器、噴油嘴和進油系統結構之后調節控制策略，減小了燃油噴嘴流量，提高混合氣均質程度，減小燃燒延遲，進而降低燃燒壓力變化梯度，新發動機的燃燒噪聲顯著降低，且一致性提高。發動機控制系統應用高精度空氣傳感器和燃燒傳感器，通過閉環控制“燃燒中心區域”，防止空氣量出現偏差，補償變動的負面影響，可將燃燒噪聲降低到一定水平。在不采用燃燒區域控制的情況下，空氣量偏差(變大變小)導致燃燒過程變動，不僅會使MFB50(燃燒50%)點移動，還嚴重影響柴油機的性能、排放和燃燒噪聲[1-4]。

為降低發動機燃燒噪聲，本研究在分析發動機燃燒噪聲產生機理的基礎上，對影響燃燒噪聲的因素進行分類，對在線標定階段控制柴油機燃燒噪聲的方法進行了驗證；對柴油機燃燒噪聲二級影響因素及分噴策略、節氣閥開度、增壓器開度和EGR控制等策略進行了試驗，并對主要影響因素進行優化和結果驗證。

1 柴油機燃燒噪聲產生機理

高壓共軌柴油機工作時燃燒室內存在壓力振蕩，即同一時刻燃燒室內各點存在壓差，而測試所得的缸壓曲線是“振蕩曲線”的疊加。低頻壓力振蕩成分是柴油機燃燒的主要輸出能量，轉化為扭矩輸出并做功。而柴油機燃燒時的中高頻振蕩壓力振蕩成分表現為對發動機部件的強烈沖擊，產生振動和噪聲幅射。試驗表明，中高頻壓力振蕩成分不到柴油機燃燒總能量的5%，是柴油機燃燒噪聲能量的主要來源[5-9]。

柴油機燃燒噪聲的一級影響因素主要包括缸內最高壓力、壓力升高率和壓力高頻振動幅值，缸內壓力高頻振蕩頻率取決于發動機工質狀態、反應過程以及燃燒室空腔結構形式。衛海橋等在ZH1110單缸柴油機試驗的基礎上，用冪函數建立了燃燒噪聲聲壓級和一級影響因素的模型，其中變量包括結構影響系數、缸內壓力最大值、壓力升高率和壓力高頻振蕩最大幅值[10]。通過改變缸內最高壓力、壓力升高率和壓力高頻振蕩幅值而間接影響柴油燃燒噪聲的因素為次級因素，也稱二級影響因素，包括影響工質準備過程的進排氣系統、噴油系統、冷卻系統、增壓系統、壓縮比和燃燒室形狀等[5-13]。

用材料為GaPO4的高精度壓力傳感器測缸內燃燒壓力振蕩，采集信號數據，計算柴油燃燒噪聲(DCN)。通過傅里葉變換，采集頻率在100～10 000 Hz之間的信號數據。信號經過濾波處理，再經過均方根(RMS)計算后，得到燃燒噪聲值。

(1)

式中：2×10-11MPa為聽力截止界限；pDC為缸內燃燒壓力信號；RMS為均方根計算。

為了實現對交流信號電壓有效值的精密測量，采用真有效值(true-RMS)算法轉換，對燃燒噪聲波形采用RMS(均方根值)計算。

(2)

柴油燃燒壓力振蕩信號經過結構衰減濾波和人耳衰減濾波被人感知，從壓力振蕩信號轉換到人耳噪聲的總衰減傳遞函數為Tr(f)[2]：

(3)

式中：DSA(f)為衰減濾波函數；Aw(f)為人耳衰減濾波函數。

用柴油機結構衰減濾波函數DSA(f)模擬發動機氣缸內傳出的噪聲受發動機結構的阻尼而衰減，不同的頻率對應不同的衰減系數，可從多缸發動機上試驗獲得[2]。

式中：f為燃燒噪聲頻率分量；ai為100～2 300 Hz結構衰減系數；bi為2 300～10 000 Hz結構衰減系數。

用函數Aw(f)模擬人耳衰減濾波，對于不同頻率的聲壓聲音感知是不一樣的，該處理可以模擬人耳的聽覺[2]。

Aw(f)=2+20·lg(RA(f))，

(5)

式中：f為燃燒噪聲頻率分量。

2 燃燒噪聲測試

在柴油機開發的不同階段，需要采用不同方式優化燃燒噪聲。在發動機概念設計階段，通過單缸機研究燃燒噪聲產生機理并驗證計算模型，估算發動機燃燒噪聲。通過測試已批產的或者標桿機型，設定燃燒噪聲范圍。在柴油機性能、排放標定階段，通過在線調節燃燒噪聲二級影響因素使燃燒噪聲在設定范圍內。在驗證和小批試生產階段，可以在半消聲室臺架上或者將發動機安裝到整車上對發動機聲品質進行評估和評價。

在標定階段，調節燃燒噪聲二級影響變量，折中考慮柴油機性能和排放，通過燃燒噪聲在線測試，可以在半消聲室臺架上或者將發動機安裝到普通臺架上對燃燒噪聲進行調節。燃燒噪聲在線測試及數據處理的流程見圖1。

試驗用高壓共軌發動機的技術參數見表1。

表1 試驗發動機技術參數

3 燃燒噪聲二級影響因素分析

在柴油機標定階段，綜合考慮性能、排放和噪聲，在線調節燃燒噪聲二級影響因素，對柴油機燃燒噪聲進行測試和優化。

3.1 多次噴射對燃燒噪聲的影響

試驗用發動機采用高壓共軌的噴油系統，噴油系統在一個工作循環內可以實現多次噴射，本研究通過調節前兩次分噴和主噴來調節柴油機燃燒噪聲。定義非做功行程的壓縮上止點(TDC)為坐標原點[14]。

設定第1次分噴和第2次分噴之間的間隔為5°，第1次分噴油量為1.0 mg，調節第2次分噴定時和噴油量，測量燃燒噪聲，結果見圖2。由圖2可知，隨著分噴定時的提前，發動機燃燒噪聲從74.30 dB先減到73.93 dB，然后逐步增大，燃燒噪聲變化率減小。第2次分噴提前角低于15°BTDC時，隨著噴油量的增大，燃燒噪聲先減小而后逐漸增大，存在最優值。

設定第2次分噴油量為1.0 mg，第2次噴射定時為10°BTDC。第1次噴射定時和分噴量對應的燃燒噪聲見圖3。第1次分噴量小于1.0 mg時，隨著分噴定時的提前，發動機燃燒噪聲先增大后減小；隨著分噴油量的增大，燃燒噪聲逐漸增大。第1次分噴量大于1.0 mg時，隨著分噴定時的提前，發動機燃燒噪聲減小，且效果顯著。

設定第1次分噴油量為1.0 mg，第1次噴射定時為35°BTDC。第2次噴射定時和分噴量對燃燒噪聲的影響見圖4。第2次分噴量小于0.5 mg，分

噴定時13.5°BTDC時，燃燒噪聲減小到了72.70 dB。第2次分噴量從0.5 mg增大到2.0 mg，燃燒噪聲增大到75.43 dB。

3.2 節氣門開度對燃燒噪聲的影響

為了驗證進氣控制對燃燒噪聲的影響，在怠速狀態，減小節氣門開度，同時控制噴油進行閉環控制，減少進氣量來降低最高燃燒壓力。燃燒噪聲和節氣門開度、進氣量的關系見圖5。由圖5可知，節氣門開度減小到30%以下時，降低節氣門開度可以顯著降低燃燒噪聲；當節氣門開度從30%降到10%時，燃燒噪聲從69.0 dB降低到63.9 dB。由于節氣門開度小于20%時CO和HC排放迅速增大，折中考慮，試驗選取節氣門開度為20%，此時燃燒噪聲68.2 dB。

3.3 轉速和負荷對燃燒噪聲的影響

根據性能和排放法規需求，調節增壓器開度、EGR策略，并優化分噴定時和噴射量，測試發動機的燃燒噪聲，結果見圖6。由圖6可知，隨著發動機轉速和負荷的增加，燃燒噪聲升高。在發動機800～1 200 r/min的高負荷區，存在孤島區域，這是受發動機增壓器狀態的影響，需要在整車控制策略中進一步優化[15-16]。在發動機轉速低于3 500 r/min，扭矩低于100 N·m時，燃燒噪聲變化率較大；在高速高負荷區，燃燒噪聲變化率較小。

4 二級影響因素優化結果驗證

測試環境為半消聲室，駕駛室內用人工頭噪聲傳感器模擬柴油機燃燒噪聲優化前后對駕乘人員的影響。

進氣面麥克風傳感器距離發動機進氣側面中心位置1 m；排氣面麥克風傳感器距離發動機排氣側面中心位置1 m；正時面麥克風傳感器距離發動機正時側面中心位置1 m。

4.1 分噴優化降低燃燒噪聲

通過試驗優化2次分噴和主噴的噴油量和噴射定時，選擇燃燒噪聲最低時對應的參數進行消聲室噪聲試驗。燃燒噪聲的主要頻率范圍為500～3 000 Hz，車前、車左、車右1 m噪聲分別降低0.59 dB，0.88 dB和0.76 dB，車內人工頭測試的噪聲聲壓級降低1.24 dB。駕駛室內人工頭和車前1 m噪聲各頻率對應的值均降低，1/3倍頻程見圖7和圖8。

4.2 節氣門優化后整車測試

在發動機怠速狀態，優化節氣門后駕駛員雙耳噪聲降低，發動機左、右、上方及前面噪聲頻譜也降低明顯(見圖9)。節氣門開度為20%時，各面噪聲均有降低，發動機后端降低了3.3 dB，正時面降低最明顯，降低3.8 dB。駕駛室內駕駛員處聲壓級降低2.0 dB，調節進氣對發動怠速噪聲影響大。

4.3 影響因素綜合優化降低燃燒噪聲

對多次分噴策略和節氣門開度進行優化，綜合調節EGR量和增壓器截面控制策略。經過優化轉速1 170 r/min附近噪聲降低，優化前后頻譜見圖10和圖11。

轉速1 170 r/min時500～3 500 Hz燃燒噪聲明顯降低，1 850 Hz噪聲降幅最大，降低了12.0 dB(見圖12)。發動機整機噪聲降低，駕駛員的語音清晰度提高了7%，在車輛周圍的語音清晰度也提高了2%～3%，噪聲主觀滿意度評價提高。

5 結論

a) 優化多次分噴可以顯著降低500～3 500 Hz的燃燒噪聲，在整個轉速和負荷范圍內隨著轉速和負荷增大燃燒噪聲增大；

b) 調整節氣門開度，并閉環控制噴油量，可以顯著降低低速低負荷時的燃燒噪聲；

c) 優化噴油策略和節氣門開度，并調節增壓器開度、EGR策略，降低了發動機在整個轉速和負荷范圍內的噪聲變化率，提高了整車聲品質。

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[編輯： 袁曉燕]

Effects of Secondary Influencing Factors of Combustion Noise on Diesel Engine Sound Quality

YOU Xianfeng1,2, GAO Fengjun1,2, LI Baodong1,2, CHENG Peng3, LI Wenqing1,2, WANG Zhenfang1,2

(1. Technical Center, Great Wall Motor Company Limited, Baoding 071000, China;2. Hebei Automobile Engineering Technology &Research Center, Baoding 071000, China;3. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130025, China)

The mechanism of combustion noise was analyzed, the combustion noise was calculated with cylinder pressure data, the effects of secondary influencing factors on combustion noise were studied by bench test and verified in the anechoic lab. The results show that the injection timing and injection quantity of multi-injection has obvious influence on combustion noise. Through adjusting the throttle opening, turbocharger opening and EGR strategy, the abrupt combustion noise reduces, the speech articulation increases by 7% and the vehicle sound quality improves. At idle speed, the throttle opening decreases from 30% to 20%, the combustion noise obviously reduces, and the cab noise decreases by 2.0 dB.

combustion noise; DI diesel engine; noise source; multiple injection

2015-01-19；

2015-04-08

尤險峰(1985—)，男，助理工程師，本科，主要研究方向為發動機電控與性能開發；youxianfeng064@163.com。

高鋒軍(1978—)，男，博士，研究方向為內燃機性能及控制優化；dynvh@gwm.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.013

TK427

B

1001-2222(2015)05-0075-05