柴油发电机燃烧噪声产生原因和影响因素分析

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柴油发电机燃烧噪声产生原因和影响因素分析

摘要：基于柴油发电机单缸试验机的试验缸压曲线，采用频谱分析的方法，建立缸压曲线和燃烧噪声之间的关系。根据柴油机的燃烧过程，将缸压曲线分解为倒拖缸压、燃烧振荡压力和剩余燃烧压力曲线。分析发现：在全负荷工况，10~300 Hz低频声压值主要由倒拖缸压决定；1.8~20kHz高频声压值主要由燃烧振荡压力决定；0.3～1.8kHz中高频声压值主要由“剩余”燃烧压力决定。分析表明：喷油正时提前，中低频的声压值增大，高频声压值略有增大；柴油机转速上升，全频段的声压值均增大；负荷越大，10～600 Hz的声压值越大，对2～20 kHz的高频燃烧噪声影响较小。

一、燃烧噪音产生的原因

      一般认为直喷式柴油机燃烧噪声的产生因素有两个，即燃烧气体的动力载荷与高频振动。

1、气体动力载荷

      各种研究表明，燃烧噪声是在速燃期内产生的。当缸内压力急剧增大时，燃烧室壁面、活塞、曲轴等相关零部件受到强烈的动力载荷。柴油机结构属复杂的多体振动系统，各零件的自振频率不同，大多处于中高频范围（800~4000 Hz），受燃烧过程激励，在中高频率产生具有冲击性和令人不适的燃烧噪声。

2、气体高频振动

      在滞燃期内，燃烧引起缸内压力急剧变化，非均匀燃烧过程产生的压力波在燃烧室内以当地音速往复传播，遇到燃烧室壁时发生反射，形成高频振荡气波，也会辐射出高频噪声，其频率取决于燃烧室尺寸和当地音速。柴油机运行中尖锐的高声调噪声就是由气体的高频振动产生的。

      经发动机结构辐射出的燃烧噪声主要由发动机的结构衰减决定，结构衰减越大，辐射出的燃烧噪声越低。燃烧噪声的激励源主要由缸压曲线决定，而缸压曲线主要与增压压力、压缩比和燃油喷射参数，如喷射正时、喷射轨压、喷油率曲线形状相关；若采用多次喷射，还与预喷正时、预喷油量、预主喷间隔等参数相关。

      本文基于柴油发电机单缸机的实测缸压曲线，采用傅里叶变换，还原缸内燃烧噪声的频域特征，为进一步分析和研究柴油发电机的燃烧过程以及噪声源控制等提供一种新的思路。

二、试验缸压曲线采集

      本文对柴油发电机的中高速单缸试验机的不同运行工况进行了试验测试。

      试验采用AVL Puma测试系统测试各项循环平均参数，如进气压力、温度、排气压力、温度、转速、扭矩等；采用燃烧分析仪测量进排气压力波曲线、缸压曲线、燃烧放热率曲线等，每0.2℃A采集一个数据点。

      由于柴油机的进气过程、喷油过程、混合气形成过程、着火过程和燃烧过程都相当复杂，综合这些因素的缸压曲线的循环变动也较复杂。试验过程中，每一个运行工况测量的缸压曲线为取100个循环的平均值并去除异常信号形成，以此对柴油机的工作过程做出较客观的判断。

三、缸压曲线频域分析

1、缸压曲线频域分析方法

      对缸压曲线的频域特征进行分析是燃烧噪声分析的有效方法。基于实测的缸压曲线，采用快速傅里叶变换（FFT），将缸压曲线从时域特征转化为频域特征。各频率声压级（Sound Pressure Level，SPL）的计算公式为：

SPL=20log10（P/P0）.............（公式1）

      式中：P₀为参考声压，P₀=2×10-5Pa；p为缸压。在转速1500（r·min-1）、100%负荷工况下，单缸机的实测缸压曲线如图 １ 所示。

      对100%负荷的实测缸压曲线做快速傅里叶变换，采用汉宁窗函数纠正压力信号开始和结束时的差异，得到的声压级曲线分布如图2所示。低频段包括由气缸压力的基频开始的头几个谐波频率，气缸压力达到最大值，它的数值主要是由气缸最高燃烧压力及压力曲线的形状决定；中频段气缸压力级以对数规律做近似线性递减，该频段燃烧噪声主要由燃烧段的压力升高率dp/dφ决定；高频段出现另一个压力级峰值，这个峰值是由气缸内气体的高频振动引起。

图1  柴油机100％负荷实测缸压曲线

图2  柴油机100％负荷缸压曲线对应的声压级分布

2、燃烧压力分解

      为分析燃烧过程中压力升高部分对燃烧噪声的贡献度，将试验缸压曲线分为两部分：倒拖缸压曲线和“额外的”燃烧缸压曲线。其中，燃烧缸压曲线用试验缸压曲线减去倒拖缸压曲线得到，如图3所示。

      对倒拖缸压和燃烧缸压分别进行快速傅里叶变换，并计算得到声压级频域分布曲线，如图4所示。在300～20000 Hz，燃烧缸压曲线和试验缸压曲线对应的声压级分布几乎完全一致，即中高频噪声激励主要是由燃烧过程产生；而10～300 Hz的低频段声压主要由倒拖缸压决定。

图3  柴油机试验缸压曲线分解

图4  试验缸压、 倒拖缸压和燃烧缸压对应声压级分布

3、燃烧过程中的压力振荡频域分析

      在柴油机上实测得到的缸压曲线在燃烧区间段一般呈锯齿状波动。这种压力曲线的波动（图5）会影响最高燃烧压力的读取、最大压力升高率（图6）的计算以及燃烧放热率的计算。

      相关研究表明：示功图上燃烧区段的锯齿形毛刺是由燃烧压力振荡引起的，是与燃烧过程伴生的、固有的物理现象。其主要成因是：滞燃期阶段，在燃烧室中达到临界燃烧加速度的区域形成一个激振源，激发出一种冲击波，并借助气缸内介质以当地声速或超声速向四周传播；前进波遇到燃烧室和气缸的壁面反射回来，再与原来的前进波反复叠加，从而形成高频的燃烧压力振荡波。

      燃烧压力振荡波的振荡烈度与滞燃期内形成的可燃混合气量有关，可燃混合气量越多，燃烧越粗暴，燃烧压力振荡越剧烈。

      燃烧振荡压力波的频率主要和着火时燃烧室内的温度和气缸的直径有关，振荡频率的数学表达式为:

∱c=kα/2D.............（公式2）

α≈20.1√T.............（公式3）

      式中：∱c为振荡频率；k为特征常数，一般取1.10~1.15；α为着火时燃烧室内当地声速；D为气缸直径；T为燃烧室内温度。

      为进一步分析高频燃烧压力振荡波对燃烧噪声的影响，采用高通滤波器以振荡频率f。对缸压曲线进行滤波，得到的压力曲线即为燃烧振荡压力曲线，如图7所示。燃烧压力振荡波是以压力零线为对称轴的衰减波。燃烧压力振荡的起始时刻和燃烧开始时刻基本相同，压力振荡的上升段历时很短，而衰减段历时较长。在当前工况，上升段历时约4℃A，衰减段约80℃A，压力振荡幅值约为0.15MPa。

      压力振荡幅值的外包络线1和外包络线2的数学表达式为：

Pa=1.5e-0.03φ.............（公式4）

Pb=1.5e-0.03φ.............（公式5）

      即燃烧压力振荡曲线是以指数规律做衰减的曲线，其幅值随曲轴转角变化的外包络线的数学表达式为:

PA=PA，me-Bφ

P’A=P’A，me-B’φ

      式中：PA、PA为压力振荡幅值；PA，m、P’A,m为压力振荡的最大幅值；B、B为衰减系数；φ为曲轴转角。

      将图3中得到的“额外”燃烧压力曲线进一步分解为燃烧振荡压力曲线和滤波去掉燃烧振荡压力后“剩余的”燃烧压力曲线。

      试验缸压、倒拖缸压、滤波后“剩余”燃烧压力和振荡压力所对应的声压级分布对比如图8所示。从图中可以看出，在当前工况下，试验缸压曲线所对应的声压级分布中，1.8～20 kHz（下限值由滤波频率决定）的高频声压是由燃烧压力振荡波激励产生的；滤波后“额外”燃烧压力主要决定300～1800Hz的中高频声压分布；倒拖缸压主要决定10～300 Hz的低频声压分布。

图5  柴油机燃烧过程中的压力振荡曲线

图6  柴油机压力升高率曲线

图7  柴油机燃烧振荡压力曲线

图8  柴油机声压级分布曲线对比

四、燃烧噪声影响因素分析

1、喷油正时

      转速1500（r·min-1）、100%负荷工况下，在单缸机上对4种不同喷油正时进行了试验测试，缸压曲线对比如图9所示。喷油正时提前，最高燃烧压力增大，燃烧过程的最大压力升高率也增加。不同喷油正时所对应的燃烧压力振荡对比如图10所示。可见：喷油正时越提前，压力振荡开始越早，压力振荡的幅值也越大。

      不同喷油正时的声压分布曲线如图11所示。在当前工况，喷油正时对100~200 Hz的声压分布有较大的影响，喷油正时越提前，最高燃烧压力和最大压升率越大，对应的声压级越高。由图12可知，由于喷油正时提前，噪声燃烧振荡压力幅值增大，使2~20 kHz的声压值增大，但增幅较小。

图9  柴油机不同喷油正时缸压曲线对比

图10  柴油机不同喷油正时燃烧压力振荡对比

图11   柴油机不同喷油正时的声压分布曲线对比

图12  柴油机不同喷油正时的高频段声压分布曲线对比

2、转速

      单缸机按照推进特性（nl>n2>n3>n4）进行试验，测试得到的缸压曲线如图13所示。转速越高，缸内最高燃烧压力越大。

      不同转速的试验缸压曲线对应的声压分布曲线对比如图14所示，按推进特性，柴油机的转速越高，对应的声压值越大。

图13  柴油机不同转速缸压曲线

图14  柴油机不同转速声压分布曲线对比

3、负荷

      单缸机按发电特性25%、50%、75%和100%负荷进行试验，测试得到的缸压曲线如图15所示，负荷越大，缸内最高燃烧压力越大。

      不同负荷的试验缸压曲线对应的声压分布曲线对比如图16所示。可见柴油机负荷对10～100 Hz的低频声压值有较大影响，负荷越大，声压值越高；200～600 Hz频段受最高燃烧压力和最大压升率影响，负荷越大，声压值越高；2kHz以上，各负荷时的声压值较接近。

      综合分析，柴油机负荷增加主要影响中低频的噪声，对高频噪声影响相对较小。一方面，柴油机负荷增加，每循环喷油量增加，滞燃期内形成的可燃混合气量增加，会加剧燃烧压力振荡；另一方面，负荷增加后气缸内的热力状态提高，有助于缩短滞燃期，减少滞燃期内形成的可燃混合气量。在这两种因素的相互制约下，负荷对燃烧压力振荡的影响不大。

图15  柴油机不同负荷缸压曲线对比

图16  柴油机不同负荷声压分布曲线对比

4、预主喷燃油喷射

      在50%负荷，采用预主喷和单次喷射进行试验，测试得到的缸压曲线对比如图18所示。单次喷射的最高燃烧压力比采用预主喷的低约0.7 MPa。

      预主喷和单次喷射的燃烧压力振荡如图19所示。采用预主喷，最大压力振荡幅值约为0.07 MPa；采用单次喷射最大压力振荡幅值约为0.15 MPa。

      采用预主喷和单次喷射对应的声压分布曲线如图20所示。由于燃烧压力振荡波幅减小，采用预主喷可明显降低2 kHz以上燃烧噪声声压值。

图17  喷油泵预主喷和单次喷射缸压曲线对比

图18  柴油机燃烧压力振荡对比

图19  喷油器预主喷与单次喷射声压分布曲线对比

五、结论

（1）柴油机试验缸压可根据其对燃烧噪声的贡献度分解为2部分：倒拖缸压，主要影响10～300 Hz的低频噪声；“剩余”燃烧缸压，主要影响300～20000 Hz的中高频燃烧噪声。

（2）燃烧压力又可以进一步分解为2部分：燃烧振荡压力，主要影响1.8～20 kHz（下限值和振荡压力的振荡频率相关）的高频噪声；滤掉振荡压力后的燃烧压力，主要影响300～1800 Hz的中高频噪声。

（3）在相同工况，喷油正时对100～200 Hz的声压分布有较大的影响，喷油正时提前，对应的声压级越高；对2~20 kHz的高频噪声有较小影响，喷油正时提前，对应的声压级略高。

（4）按推进特性，柴油机的转速对燃烧噪声的影响较大，转速上升，几乎全部频段的燃烧噪声声压级均较大。

（5）柴油机负荷对10～600 Hz的中低频声压值有较大影响，负荷越大，声压值越高；负荷对2~20 kHz的高频燃烧噪声影响较小。

（6）和单次喷射相比，采用预主喷燃油喷射方式可降低燃烧压力振荡波的幅值，从而降低2 kHz以上燃烧噪声声压值。

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