預混合壓縮著火發動機的燃燒噪聲研究

【日】　柴田元

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預混合壓縮著火發動機的燃燒噪聲研究

【日】柴田元

為了在高增壓及高廢氣再循環率條件下降低低溫預混合狀態下的發動機燃燒噪聲，簡單介紹從實際發動機試驗與模擬計算2方面開展的研究，即降低預混合壓縮著火發動機燃燒噪聲的方法與效果。

預混合壓縮著火發動機燃燒噪聲熱效率放熱率

0　前言

為了使柴油機的排放性能滿足今后越來越嚴格的排放法規要求，在高增壓與高廢氣再循環(EGR)率條件下應用低溫預混合燃燒方式是較為有效的，但另一方面，必須解決降低燃燒噪聲的課題。

雖然與燃燒噪聲關系最為密切的影響因素是最大壓力升高率，但實際上還存在多個相關因素，因此，即便是在較高的最大壓力升高率條件下，也能在某種程度上降低燃燒噪聲。北海道大學的研究人員從實際發動機試驗與模擬計算2方面著手，以降低預混合壓縮著火發動機的燃燒噪聲為目的，開展了研究，本文將簡單介紹相關的研究內容[1]。

1　燃燒噪聲的評價方法

發動機試驗使用配裝最新共軌噴油系統的550mL單缸增壓柴油機。基于由麥克風采集的發動機噪聲及氣缸內壓力數據，運用關聯法，測試了燃燒噪聲與噪聲傳遞函數。

另一方面，在模擬計算中，基于Wiebe函數，假設預混合壓縮著火發動機燃燒時的任意放熱率，并由此計算得出氣缸內壓力及其傳遞函數，對燃燒噪聲進行預測。例如，在相同的放熱率曲線形態下，只改變其相位，對燃燒噪聲與放熱率進行模擬計算評價。這種在實際發動機試驗中無法實施的評價方法能在模擬計算中被輕易地完成。圖1示出了上述模擬計算的結果。結果表明，在高熱效率條件下，燃燒噪聲也較大，Lund大學的Johansson教授將這種現象描述為“效率噪聲”，即高效率條件下的噪聲現象。由此可見，要在維持高熱效率的同時降低燃燒噪聲有一定挑戰。

圖1　　　　維持放熱率形態并改變相位后的熱效率及燃燒噪聲

本研究中，為了應用模擬計算方法探討降低燃燒噪聲的途徑，詳細地調查了放熱率曲線形態，利用增壓及EGR等改變放熱率曲線形態，并結合實際發動機試驗進行了驗證。

2　放熱率曲線形態對熱效率與燃燒噪聲的影響(模擬結果)

2.1放熱率50%的曲軸轉角位置

由圖1中的結果可知，如果為降低燃燒噪聲而提前或延遲放熱率達50%的曲軸轉角(CA50)，則熱效率也會同時降低，所以，僅僅從CA50的角度出發，是難以同時實現高熱效率與低燃燒噪聲的。

2.2放熱率的早期升高

如果放緩高溫氧化反應的早期呈現上升趨勢，則燃燒初期的最大壓力升高率會受到抑制，從而有效地降低燃燒噪聲。在進行噪聲頻率分析后發現，尤其在2000Hz以上的高頻區域，燃燒噪聲的降低效果是較為顯著的。此外，為了維持較高的熱效率水平，縮短燃燒后期時間、提高等容度的燃燒形態是較為有利的。

2.3燃燒持續期與放熱率峰值

在放熱率峰值為恒定值的條件下，延長燃燒持續期，發動機的負荷會隨之升高，一般認為此時的燃燒噪聲會加大，但實際上，如果抑制燃燒初期的放熱，就有可能降低燃燒噪聲。此外，在燃燒持續期不變的條件下，如果增大放熱率峰值，那么，在整個頻域內，燃燒噪聲都會加大。因此，在以相同負荷運轉的情況下，如果在等容度不發生惡化的范圍內延長燃燒持續期，抑制放熱率峰值，使其處于較低的水平，則可以實現兼顧低燃燒噪聲與高熱效率的發動機運轉。

3　實際發動機試驗結果

圖2示出了利用增壓與EGR，在相同負荷條件下改變放熱率后放熱率與氣缸內壓力的關系。圖3示出了此時的燃燒噪聲頻率分析結果。結果表明，利用增壓及EGR，抑制放熱率峰值，延長燃燒持續期，使高溫氧化反應的初期速度放緩，就可以在熱效率不發生惡化的前提下，降低燃燒噪聲達6.3 dB(A)， 同時，還能成功抑制300 Hz以上頻域的發動機燃燒噪聲。

圖2　燃燒噪聲的降低(實際發動機試驗)

圖3　噪聲頻率分析結果(實際發動機試驗)

[1]Shibata G, et al. Combustion noise analysis of premixed diesel engine by engine tests and simulations[C].SAE Paper 2014-01-1293.

2015-07-30)