多次預噴射策略對柴油機燃燒噪聲的影響

摘要：為降低柴油機的燃燒噪聲，建立臺架試驗平臺，分析一次預噴和二次預噴策略下缸壓、壓力升高率和噪聲的變化規律；利用GT-Power軟件建立燃燒仿真模型，分析二次預噴策略下，不同預噴角和預噴油量對燃燒噪聲的影響。試驗結果表明：相比一次預噴策略，二次預噴策略的缸壓和壓力升高率峰值下降，壓力升高率最大峰值約降低0.1 MPa/（°），燃燒噪聲下降5.2 dB；仿真的缸壓和壓力升高率與試驗結果相近，表明仿真模型精確；第一次預噴曲軸轉角為-20°、預噴油量為1.4 mg，第二次預噴曲軸轉角為-11°、預噴油量為1.2 mg的噴油策略對應的臺架試驗燃燒噪聲明顯低于原始試驗噪聲。

關鍵詞：柴油機;預噴射;缸壓;燃燒噪聲;GT-Power

中圖分類號：TK421.4；TK421.6文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）05-0023-07

引用格式：姜智超， 許世超， 鄭長亮，等. 多次預噴射策略對柴油機燃燒噪聲的影響［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（5）：23-29.

JIANG Zhichao， XU Shichao， ZHENG Changliang， et al. Influence of multiple pre-injection strategies on diesel engine combustion noise［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（5）：23-29.

0 引言

隨著汽車保有量的不斷增長，汽車噪聲污染日趨嚴重，已受廣泛關注。為減少車輛噪聲對居民生活環境的影響，并提高乘車舒適性，我國對內燃機的振動與噪聲提出了更加嚴格的控制標準。柴油機的噪聲問題比汽油機更加嚴重，原因為柴油機采用壓燃燒的工作方式，燃油在氣缸內的燃燒更加劇烈，對缸體的沖擊更大，產生更大的振動和噪聲。

學者們圍繞降低發動機燃燒噪聲展開了許多研究。頻譜分析法是最常用的分析方法，通過將時域信號轉化為頻域信號，分析特定頻率范圍的信號特征^[1-3]；相關分析法通過對噪聲源信號和相應信號進行分析，得到兩者的相關程度，有效揭示噪聲對信號的影響，通常應用于周期性信號的分析^[4-6]。對于燃燒噪聲控制的研究主要分為兩大類：一類是基于振動傳遞路徑分析，另一類是控制噪聲源。在振動傳遞路徑分析方面，英國學者魯塞爾福德首先提出了利用結構衰減的方法降低發動機的燃燒噪聲，噪聲源的能量經過傳遞路徑時被發動機本身的結構減弱，降低燃燒噪聲，成為研究柴油機燃燒噪聲的一個重要方向^[7-8]，有汽車制造商采用改變發動機缸體結構和曲柄連桿機構的形狀、應用新型材料達到降低燃燒噪聲的目的^[9]；在控制噪聲源方面，氣缸內的壓力升高速率（簡稱壓升率）對發動機燃燒噪聲產生直接影響^[10]，因此，更多的汽車制造商通過控制壓升率降低燃燒噪聲，以較少的成本和時間達到比較好的降噪效果；控制柴油機壓升率的方法很多，比如通過控制噴油參數、進氣量、廢氣再循環等，都可以有效地控制壓升率^[11-13]。

柴油機多次預噴技術雖然復雜，但可使缸內燃燒過程更加平穩，降低壓升率、噪聲和振動。本文中進行臺架試驗，對比一次預噴與二次預噴策略對缸壓、壓升率和燃燒噪聲的影響；利用GT-Power仿真軟件分析不同的預噴角及預噴油量對燃燒噪聲的影響，為降低燃燒噪聲和優化噴油策略提供參考。

1 燃燒試驗分析

1.1 試驗臺架搭建

試驗所需要的設備及傳感器布置如圖1所示。試驗設備包括被測發動機、傳感器、數據采集與分析系統及PC端。數據采集與分析系統采用LMS Text. Lab；采用電渦流測功機測量缸壓，對缸壓的檢測應滿足良好的動態響應速度；采用AVL燃燒分析儀分析燃燒過程；麥克風與各測面保持1 m間隔，且離地板至少1 m。

測試場所為發動機半消聲室，試驗工況如表1所示。試驗前，需按要求進行前期磨合試驗。臺架的安裝應滿足一定要求，如傳感器的轉接線遠離發動機高溫部位，不能影響傳感器的布置安裝且不產生異常響聲；為降低中冷器的影響，對中冷器及進氣管路進行隔聲處理；使進氣口遠離發動機機體，以引出進氣噪聲；排氣應使用整車狀態排氣系統，連接排氣的消聲器管道應通至消聲室外。

1.2 試驗結果分析

1.2.1 缸壓和壓升率

測試并對比怠速工況下一次預噴和二次預噴兩種策略的缸壓，結果如圖2所示。由圖2可知：各節氣門開度下，缸壓的變化趨勢一致，缸壓隨節氣門開度的增大而增大；一次預噴策略下最大缸壓差約為2.5 MPa，二次預噴策略下最大缸壓差約為2.0 MPa；節氣門開度為10%時，二次預噴策略下的最大缸壓約為4.2 MPa。

怠速工況下，選取100%、10%及5%3種節氣門開度，詳細分析兩種預噴策略對缸壓和壓升率的影響，結果如圖3所示。

由圖3a）可知：節氣門開度為100%時，兩種預噴策略的缸壓峰值幾乎相同，二次預噴策略的缸壓峰值要稍高于一次預噴策略的峰值；二次預噴策略的壓升率有3個明顯峰值，代表了兩次預噴和一次主噴，二次預噴策略的壓升率最大峰值比一次預噴策略低，大約低0.1 MPa/（°），原因為總噴油量相同，在二次預噴策略中，第一次噴油量相對較小，使得缸內滯燃期積聚的可燃油量少，壓升率也相應減小。由圖3b）可知：節氣門開度為10%時，缸壓和壓升率的變化趨勢與開度100%一樣，只是各峰值下降。壓升率是影響發動機缸體振動及燃燒噪聲的主要因素，降低壓升率可以改善發動機的振動與噪聲。由圖3c）可知：節氣門開度為5%時，壓升率相比前2個節氣門開度明顯下降，這是因為節氣門開度太小，進氣量不足，預噴射形成的燃油混合氣無法充分燃燒。由圖3d）可知：在節氣門開度由100%減小到6%過程中，壓升率峰值減小，且最大壓升率出現時刻對應的曲軸轉角大約延遲3°；節氣門開度為10%時，最大壓升率約為0.25 MPa/（°）。

1.2.2 燃燒噪聲

在不同節氣門開度下，燃燒噪聲隨進氣量的變化也會發生明顯改變。在怠速工況下分析兩種噴油策略的燃燒噪聲及輻射噪聲，將AVL燃燒分析儀采集的缸壓進行傅里葉變換、結構傳遞函數及A計權計算后得到燃燒噪聲；LMS Text. Lab采集的聲壓經A計權計算得到輻射噪聲。兩種預噴策略下的燃燒噪聲、進氣面的輻射噪聲如表2所示。二次預噴策略下的一米平均噪聲如表3所示，表中一米平均噪聲為進氣、排氣、正時及頂部面的噪聲。

由表2、3可知：相對于一次預噴策略，二次預噴策略可使燃燒噪聲平均降低5.2 dB；隨節氣門開度的減小，二次預噴策略下的輻射噪聲明顯比一次預噴射策略低，平均降低2.8 dB；隨著節氣門開度的減小，一米平均噪聲也不斷降低。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

使用GT-Power搭建柴油機仿真模型如圖4所示。假設進入柴油機氣缸內的氣體為理想氣體，滿足理想氣體狀態方程；外部環境為恒溫恒壓狀態，分別為298 K、0.1 MPa；每次循環的初始條件（環境溫度、管路、部件溫度、燃燒溫度等）相同。在仿真模型中，對于預噴油角、預噴油量和主噴油量等關鍵參數的調試，首先參考試驗中的相關參數，根據仿真與試驗的結果反向對參數進行調整，使仿真得到的缸壓和壓升率變化趨勢與試驗結果一致，由此可進一步分析燃燒噪聲與預噴油角及噴油量的關系。

2.2 缸壓及壓升率

對缸壓進行仿真，節氣門開度為5%～100%，該范圍中所選的測點與試驗測點相近，二次預噴策略產生的缸壓及壓升率仿真結果如圖5所示。由圖5可知：當節氣門開度減小時，缸壓峰值和壓升率峰值逐漸減小，但變化趨勢幾乎相同；節氣門開度為10%時，最大缸壓約為4.5 MPa，最大壓升率約為0.28 MPa/（°）。缸壓和壓升率的仿真變化規律與試驗相近，此結果可直接用于燃燒噪聲的仿真。

2.3 燃燒噪聲

在怠速工況、節氣門開度為100%下進行仿真，通過優化燃燒降低燃燒噪聲。

方案1： 固定第一次預噴的參數，第一次預噴對應的曲軸轉角為-20°，預噴油量為1.0 mg，通過改變第二次預噴角度和油量影響燃燒噪聲。方案2：固定第二次預噴的參數，第二次預噴對應的曲軸轉角為-11°，預噴油量為1.2 mg，通過改變第一次預噴角度和油量影響燃燒噪聲。

不同方案的預噴油角及預噴油量對燃燒噪聲的影響如圖6所示，圖中數字為燃燒噪聲，單位為dB。

由圖6a）可知：噴油角不變時，隨著預噴油量的增加，燃燒噪聲逐漸增大，但增速不快；噴油量不變時，隨著預噴角的減少，燃燒噪聲明顯增大，越靠近主噴時刻時，噪聲越高；根據這兩個變量可以找到使燃燒噪聲最低的最佳噴油時刻和噴油量，即第二次預曲軸轉角為-9°，第二次預噴油量為0.9 mg，此時的燃燒噪聲為73.93 dB。由圖6b）可知：隨著第一次預噴油量的增加，燃燒噪聲逐漸增大，噴油量為1.5 mg時，燃燒噪聲處于最大值區域；隨著預噴角的減少，燃燒噪聲明顯降低；第一次預噴曲軸轉角為為-20°、預噴油量為1.4 mg時可使燃燒噪聲最低，為74.09 dB。

采用優化后的燃燒參數進行臺架試驗，測試燃燒噪聲，與原始試驗和仿真的噪聲相對比，結果如表4所示。由表4可知：兩種優化方案的臺架試驗燃燒噪聲明顯低于原始試驗。

3 結論

建立臺架試驗平臺，分析一次預噴和二次預噴策略下缸壓、壓力升高率和噪聲的變化規律；利用GT-Power軟件建立燃燒仿真模型，分析二次預噴策略下，不同預噴角和預噴油量對燃燒噪聲的影響并進行試驗驗證，得到以下結論。

1）相比一次預噴策略，二次預噴策略對缸壓影響很小，但對壓升率有較大影響，其最大峰值降低了約0.1 MPa/（°），燃燒噪聲平均降低了5.2 dB。

2）兩種預噴油角及預噴油量優化方案均可減低燃燒噪聲，當第一次預噴對應的曲軸轉角為-20°、預噴油量為1.4 mg，第二次預噴對應的曲軸轉角為-11°、預噴油量為1.2 mg時的臺架試驗燃燒噪聲明顯低于原始試驗噪聲。該研究可為降低燃燒噪聲和優化噴油策略提供參考。

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Influence of multiple pre-injection strategies on diesel engine combustion noise

JIANG Zhichao^1，2， XU Shichao¹， ZHENG Changliang³， LI Shubin¹， ZHANG Xiaofeng^1*

1.College of Automotive Engineering， Guangxi Science amp; Technology Normal University， Laibin 546199， China；2. School of Physical Science amp; Technology， Guangxi University， Nanning 530004， China；3. Great Wall Motor Co.， Ltd.， Baoding 071000， China

Abstract：To reduce the combustion noise of a diesel engine， a bench test platform is established to analyze the changes in cylinder pressure， pressure rise rate， and noise under one and two pre-injection strategies. GT Power software is used to establish a combustion simulation model， analyzing the influence of different pre-injection angles and pre-injection quantities on combustion noise under two pre-injection strategies. The experimental results show that compared with the one pre-injection strategy， the peak cylinder pressure and pressure rise rate of the two pre-injection strategies decrease， the maximum peak pressure rise rate decreases by about 0.1 MPa/（°）， and the combustion noise decreases by 5.2 dB. The simulated cylinder pressure and pressure rise rate are similar to the experimental results， and the simulation model is accurate. The combustion noise of the bench test corresponding to the fuel injection strategy with the first pre-injection crankshaft angle of -20° and the amount of 1.4 mg， and the second pre-injection crankshaft angle of -11° and the amount of 1.2 mg， is significantly lower than the original test noise.The optimized bench test combustion noise is significantly lower than the original test noise.

Keywords：diesel engine; pre-injection; cylinder pressure; combustion noise; GT-Power

（責任編輯：臧發業）