叉車柴油機加速工況聲品質改進試驗研究

汪會斌 余磊 樊士貢 謝俊杰

摘要：為降低某叉車柴油機加速過程中的噪聲，試驗分析柴油機加速異響產生的原因，研究噴油規律對加速噪聲的影響，分析聲品質參數，并提出改進方案。試驗結果表明：柴油機急加速“嘎嘎”聲是由燃燒過程缸內壓力升高率過大導致，增加預噴量可以在一定程度上降低噪聲水平，但對加速異響幾乎沒有影響；減小噴油提前角可以輕微降低加速異響；降低軌壓上升率可以明顯降低加速異響，軌壓上升率由150 MPa/s降低至100 MPa/s，柴油機加速時異響消失，響度的變化趨勢與聲壓級基本一致，尖銳度和粗糙度降低，聲品質明顯提升。

關鍵詞：柴油機；軌壓上升率；預噴油量；噴油提前角；聲品質

中圖分類號：TK421.6文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）02-0034-06

引用格式：汪會斌，余磊，樊士貢，等.叉車柴油機加速工況聲品質改進試驗研究［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（2）：34-39.

WANG Huibin，YU Lei，FAN Shigong，et al.Experimental study on sound quality improvement of a diesel engine for forklift trucks under acceleration conditions［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（2）：34-39.

0 引言

柴油機具有轉矩大、熱效率高的特點，廣泛應用于各種工程機械和農用機械。但隨著人們對車輛駕乘舒適度要求的提高，柴油機工作粗暴、噪聲大的缺點愈加突出。柴油機工作噪聲主要來源于燃燒噪聲，燃燒性能不僅影響整機噪聲水平，還決定柴油機的動力性、經濟性、可靠性以及排放，因此研究和優化柴油機燃燒過程十分重要。

國內外工作者對燃燒過程、噪聲水平、聲品質的關系進行了大量且深入的研究：姜智超等^[1]指出合理的預噴射技術可以有效改善噪聲頻譜和提高舒適度；靖海宏等^[2]對聲品質參數進行了相關性分析和標準化分析，認為線性聲壓級、A計權聲壓級、響度、尖銳度以及煩擾度對聲品質的影響較大，音調度對聲音品質的影響相對較小；Bhat等^[3]對不同噴油正時與油量下、不同頻率段的氣缸壓力級變化特征進行了分析，并通過時頻分析的方法，研究了主噴正時對燃燒噪聲的影響；Shibata等^[4]通過對預混合燃燒量的調整試驗發現，最大壓力升高率和放熱速率對燃燒噪聲影響占主導地位，加大預噴油量能夠降低燃燒噪聲；王子宇等^[5]研究了不同噴油參數對發動機聲壓級及聲品質參數的影響，發現降低高頻振蕩與循環波動可以有效降低噪聲的尖銳度與粗糙度；周南^[6]針對某型直噴式柴油機進行了燃燒噪聲優化試驗研究，分析了中頻隆聲與高頻振蕩燃燒噪聲隨噴油參數（軌壓、主噴角、預噴間隔、預噴油量）的變化規律，得到了較為普適性的關系，可以對燃燒噪聲進行較為有效的預測。

本文中針對叉車柴油機加速過程中出現的聲音刺耳、主觀感受差的異響，通過改變噴油參數，研究柴油機噪聲和聲品質的變化規律，提出改進方案，解決加速聲音刺耳問題，優化整機NVH性能，研究結果可為柴油機燃燒過程開發和聲品質優化提供參考。

1 現象分析

1.1 噪聲測試

某叉車用高壓共軌柴油機在空轉急加速工況下出現“嘎嘎”聲，而且在加速初期和末期聲音差別很大，主觀感受聲音的平順性較差。為此對該柴油機進行測試分析，柴油機主要參數如表1所示。

測試中使用振動信號采集儀和PCB傳聲器，傳感器布置在發動機正上方30 cm處，聲音采樣頻率為20 kHz。

1.2 信號分析

由于發動機在急加速工況時轉速迅速變化，噪聲信號具有很強的瞬態特性，因此利用短時傅里葉變換方法進行分析，同時獲取時域和頻域信息，利用軟件對聲音信號進行濾波回放，濾波前、后柴油機噪聲Colormap圖計算結果如圖1所示。

由圖1a）可知：柴油機轉速由750 r/min至2 500 r/min的加速過程中，頻率為2.5～3.5 kHz的噪聲聲壓級明顯高于穩態過程。由圖1b）可知：影響主觀感受的聲音頻率為2.5～3.5 kHz，頻帶較寬，此過程與加速異響強相關，為柴油機在空轉急加速工況下產生異響的直接原因。文獻[7]研究表明，發動機正常燃燒噪聲的頻率一般低于2 kHz，懷疑2.5～3.5 kHz范圍內的噪聲是由于燃燒粗暴導致。

2 柴油機空轉燃燒噪聲聲品質影響因素

2.1 柴油機聲品質評價指標

噪聲測試標準依據文獻[8]，聲壓級計算式為：

L_p=10lg（p²/p₀²）， ???（1）

式中：L_p為聲壓級，dB；p為聲壓，Pa；p₀為基準聲壓，取20 μPa。

聲品質評價參數主要包括響度、粗糙度、尖銳度等，評價聲品質的計算模型較多，本文中以Zwicker理論為基礎進行計算^[9]，響度主要表示聽到聲音的強弱程度，比A計權聲壓級更能反映聲音的大小。采用Zwicker算法計算響度，計算式為：

式中：N′為聲音的響度，sone；E_TQ為基準聽閾激勵，J；E_Q為聲強I₀=10^-12 W/m²時所對應的激勵，J；E為目標聲強所對應的激勵，J。

粗糙度適用于評價噪聲信號瞬時變化對人的影響，低頻時表現為波動度，高頻變化時表現為粗糙度，Zwicker理論中，聽閾分為24個臨界頻帶，每個頻帶寬度即為1bark。聲音粗糙度的表達式為：

式中：R為聲音的粗糙度，asper；f_mod為調制頻率，Hz；Δ_L是調制深度，dB；z為頻率，Hz。

尖銳度則反映了噪聲高頻成分在聲音頻譜中的比例，尖銳度的表達式為：

式中：S為噪聲的尖銳度，acum；k為加權系數；g（z）為不同特征頻帶下的附加系數。

柴油機燃燒過程分為滯燃期、急燃期、緩燃期和后燃期4個階段。滯燃期為燃油噴射到著火的時間，既有燃油霧化、蒸發、擴散等物理變化，也有裂化、氧化等化學變化^[10]，滯燃期越長，燃燒準備越充足，接下來的燃燒越劇烈。急燃期是從開始著火到缸內壓力達到最高為止，活塞位于上止點附近，燃燒室容積變化不大，可認為是等容燃燒。緩燃期是壓力最高時刻到溫度最高時刻的時間，由于此時溫度很高，燃油一經噴入立即燃燒，但由于活塞開始下行，缸內壓力逐漸下降。后燃期是從溫度最高至燃燒結束為止，由于活塞下行，膨脹比降低，燃油得不到有效利用，而且排氣溫度升高。燃燒噪聲與缸內壓力變化緊密相關，根據噪聲產生機理，控制滯燃期內可燃混合油量，降低壓力升高率和高頻振蕩，可以控制燃燒噪聲^[11]。本文中通過優化預噴量、提前角、軌壓上升率等影響噪聲的噴油參數，實現改善燃燒過程、降低噪聲的目標。

2.2 噪聲影響因素

2.2.1 預噴油量

預噴過程是在主噴之前向缸內噴入少量燃油，缸內發生冷焰反應使氣體溫度和壓力升高，主噴燃油更容易燃燒，縮短滯燃期，減小壓力升高率，降低燃燒噪聲^[12]。不同預噴量對柴油機噪聲水平和聲品質的影響如圖2所示。

由圖2可知：隨著預噴油量的增加，柴油機聲壓級有降低的趨勢，但整體變化不明顯，而且試驗中“嘎嘎”聲異響依舊存在；預噴油量增加，響度有所降低，粗糙度和尖銳度變化不明顯。說明主噴階段缸內溫度和壓力已經處于合適的范圍，增加預噴油量對滯燃期影響不明顯。

2.2.2 噴油提前角

噴油提前角是指噴油起始時刻活塞距離上止點的曲柄轉角，提前噴油可以使燃油在上止點附近充分燃燒，達到等容燃燒的目的。減小噴油提前角對聲壓級和聲品質的影響如圖3所示。

由圖3可知：試驗中將噴油提前角減小4°，聲壓級降低了約2 dB，響度降低了約20 sone，粗糙度和尖銳度也相應降低，分別降低了0.15 asper、0.06 acum，“嘎嘎”聲異響有所減弱。

在一定范圍內減小噴油提前角，縮短滯燃期，滯燃期內形成的可燃混合氣量減少，急燃期內氣缸壓力和壓力升高率降低，燃燒噪聲下降^[13]。此外，隨著噴油提前角減小，活塞更加靠近上止點，缸內溫度壓力都較高，燃油噴出后很快參與燃燒，與空氣混合過程縮短，燃油與空氣混合不均勻程度增強，放熱過程更加平緩，導致缸內壓力升高率峰值減小，有利于降低燃燒噪聲^[14]。

2.2.3 軌壓上升率

軌壓上升率影響噴油速率，也影響滯燃期內形成的可燃混合氣，也在一定程度上影響燃燒時的放熱速率，進而影響急燃期缸內壓力和壓力升高率^[15]。軌壓上升率對聲壓級和聲品質的影響如圖4所示。

由圖4可知：將軌壓上升率從原機的150 MPa/s降低至100 MPa/s，聲壓級出現大幅下降，減小約3 dB，響度降低了32 sone，粗糙度降低了0.16 asper，尖銳度減小了0.07 acum，“嘎嘎”聲異響基本消失。由此可見，發動機急加速過程中出現的“嘎嘎”聲是軌壓升高率過高導致的，加速工況下柴油機噴油量增加，缸內溫度大幅提高，樣機的軌壓上升率較高，使得燃燒進一步惡化，出現異響。減小軌壓升高率雖然導致發動機功率、轉矩有所降低，排溫略微下降，但下降不明顯，基本不影響柴油機正常工作。

3 結論

針對某叉車用柴油機加速異響問題，通過試驗研究了噴油參數對柴油機整體噪聲水平和聲品質的影響規律，分析了異響原因并提出改善方案，為柴油機噪聲優化和聲品質提高提供參考。

1）加速“嘎嘎”聲是由燃燒時缸內壓力升高率過高導致。

2）在合適范圍內增加預噴量，可以提高缸內溫度，縮短滯燃期，降低壓力升高率，在一定程度上改善聲品質，但對尖銳度和粗糙度的改善不明顯。

3）合理減小噴油提前角，也可以縮短滯燃期，降低燃燒噪聲，有效減小粗糙度和尖銳度。

4）降低軌壓升高率能明顯降低柴油機噪聲并改善聲品質，降低軌壓升高率，滯燃期內噴入缸內的燃油有所降低，滯燃期內形成的可燃混合氣的量減小，缸內壓力升高率明顯降低，燃燒噪聲降低，并且粗糙度和尖銳度也有所下降。

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Experimental study on sound quality improvement of a diesel engine for

forklift trucks under acceleration conditions

WANG Huibin， YU Lei， FAN Shigong， XIE Junjie

Technology Center， Anhui Quanchai Group Power Co.， Ltd.， Chuzhou 239500，China

Abstract：In order to reduce the noise in the acceleration process of a forklift diesel engine， the causes of the abnormal sound of the diesel engine and the influence of the fuel injection regularity on the acceleration noise are studied experimentally. The sound quality parameters are analyzed and the improvement scheme is proposed. The test results show that the "rattling" sound during rapid acceleration of the diesel engine is caused by the excessive pressure rise rate in the cylinder during the combustion process. Increasing the pre-injection fuel quantity can reduce the noise level to a certain extent， but it has little effect on the accelerating abnormal noise. Reducing the fuel injection advance angle can slightly reduce the acceleration abnormal noise. Reducing the rail pressure rise rate can significantly reduce the acceleration abnormal noise. The rail pressure rise rate is reduced from 150 MPa/s to 100 MPa/s. The abnormal noise disappears when the diesel engine is accelerating. The change trend of loudness is basically consistent with the sound pressure level. The sharpness and roughness are reduced， and the sound quality is significantly improved.

Keywords： diesel engine; rising rate of rail pressure; pre-injection fuel quantity; fuel injection advance angle; sound quality

（責任編輯：劉麗君）