【韓】 B.Shin I.Jung S.Pyo Y.Chi

0 前言

燃油經(jīng)濟(jì)性、低排放和低振動噪聲是柴油機(jī)開發(fā)的主要目標(biāo)。目前，已有大量技術(shù)改善柴油機(jī)燃燒時的燃油轉(zhuǎn)化效率、排放和噪聲。最近取得的進(jìn)展中有可變技術(shù)及其最優(yōu)控制。共軌噴油可實(shí)現(xiàn)高度靈活的控制。噴油時刻、噴油壓力和多次噴油可在共軌系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)整。在進(jìn)氣系統(tǒng)中，可借助于可變幾何截面渦輪增壓器來控制增壓壓力。廢氣再循環(huán)（EGR）可通過電子裝置進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。最近，雙回路EGR也已經(jīng)開始應(yīng)用。在不久的將來，更多的新技術(shù)將應(yīng)用于柴油機(jī)［1-3］。

柔性配置具有巨大的潛力，但由于更加復(fù)雜，要求發(fā)動機(jī)進(jìn)行更多的優(yōu)化。發(fā)動機(jī)燃燒參數(shù)改變時常出現(xiàn)排放物、燃油耗與燃燒噪聲之間的折中關(guān)系。因此，采用柴油機(jī)燃燒的優(yōu)化技術(shù)。在優(yōu)化燃燒控制參數(shù)時，通常要制作1個數(shù)學(xué)模型，表示輸入和輸出之間關(guān)系的數(shù)學(xué)函數(shù)［4］。為了生成這個模型，要測量并量化相關(guān)的輸入和輸出值［5］。隨著試驗(yàn)設(shè)備的開發(fā)，大多數(shù)發(fā)動機(jī)控制輸入?yún)?shù)和輸出目標(biāo)已能被測量。然而，如果沒有消聲室這類的專門部件，燃燒噪聲便不易測得。

作為一種簡化方法，研究缸內(nèi)壓力信號以量化燃燒噪聲。Priede指出，汽油機(jī)中的正常和非正常燃燒有不同的氣缸壓力譜，后者導(dǎo)致尖銳的噪聲［6］。Flotho和Spessert介紹了一種鑒別柴油機(jī)燃燒噪聲的方法，以便通過缸內(nèi)壓力優(yōu)化全負(fù)荷條件下的燃油耗和噪聲。特性值為最大缸內(nèi)壓力和最大壓力上升率［7］。Russell和Haworth通過改變?nèi)加褪橹颠M(jìn)行了缸內(nèi)壓力的頻率分析［8］。通過分析發(fā)動機(jī)排放噪聲，發(fā)現(xiàn)其取決于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。試用聲調(diào)強(qiáng)度來表征均質(zhì)充量壓燃發(fā)動機(jī)中壓力波的特征。隨著發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)變得更為復(fù)雜，主要聚焦燃燒噪聲的量化與分析。

本文進(jìn)行了一系列發(fā)動機(jī)試驗(yàn)來對比來自缸內(nèi)壓力的2種燃燒噪聲表征值的性能。一種是最大缸內(nèi)壓力升高率，另一種是Jung等人提出的燃燒噪聲級（CNI）方法。在一臺1.6L柴油機(jī)中研究，燃燒噪聲指標(biāo)是如何影響發(fā)動機(jī)開發(fā)目標(biāo)的優(yōu)化。

1 柴油機(jī)燃燒及其控制參數(shù)

柴油機(jī)燃燒分為幾個階段。在壓縮行程的末尾，燃油由高壓噴射系統(tǒng)噴入燃燒室。目前，噴油壓力可以升至200MPa以上。噴入的燃油蒸發(fā)，并與熱空氣混合。當(dāng)混合氣成分和氣體溫度等滿足化學(xué)反應(yīng)條件時，燃燒開始。在燃燒期間，釋放出熱能。

柴油機(jī)燃燒可以通過發(fā)動機(jī)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。延遲噴油可有效減少氮氧化物（NOx）和碳煙排放物，并可延長滯燃期，促進(jìn)空氣和燃油的混合。充分混合的燃?xì)庖种屏薔Ox和碳煙排放物的形成，但燃油效率可能變差。EGR是最重要的降NOx排放技術(shù)之一。隨著燃?xì)獗葻崛莺拖♂屝?yīng)的變化，EGR可降低燃?xì)獾臏囟?。較低的燃?xì)鉁囟葴p少NOx排放。盡管如此，在特別高的EGR率情況下，燃油效率可能惡化。燃燒噪聲受到預(yù)噴油的抑制，預(yù)噴油削弱缸內(nèi)壓力的突增。當(dāng)前期燃燒與預(yù)噴油一起發(fā)生時，后面主噴射的燃油蒸發(fā)會受到熱氣體的促進(jìn)，壓力上升被抑制。由于預(yù)噴油通常在上止點(diǎn)之前噴入，額外的噴油并不會完全用于做功。由于預(yù)噴射燃燒引起燃油被噴入氧濃度較低的部分反應(yīng)氣體的緣故，煙度排放可能增加。

這些現(xiàn)象表明，柴油機(jī)燃燒可以通過不同的裝置加以控制，但在許多情況下存在折中關(guān)系。隨著發(fā)動機(jī)控制能力增加，燃燒相關(guān)的參數(shù)變得更加復(fù)雜，其優(yōu)化對于達(dá)到均衡的發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、廢氣排放和燃燒噪聲開發(fā)目標(biāo)變得非常重要。

2 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)發(fā)動機(jī)

缸內(nèi)壓力用KISTLER 6053A傳感器測量。發(fā)動機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過AVL IndiCom和Puma系統(tǒng)獲取。用AVL 415S測量排氣煙度，用Horiba MEXA氣體分析儀檢測氣態(tài)排放物。研究采用1臺1.6L的乘用車柴油機(jī)，作為試驗(yàn)設(shè)計和優(yōu)化工具，AVL Cameo2013被用于開發(fā)數(shù)學(xué)模型，尋求最優(yōu)的燃燒控制參數(shù)。技術(shù)規(guī)格如表1所列。試驗(yàn)選擇了8個發(fā)動機(jī)運(yùn)行點(diǎn)（1 500r／min、平均有效壓力（BMEP）0.2MPa，1 500r／min、BMEP 0.4MPa，1 500 r／min、BMEP 0.6MPa，1 500r／min、BMEP 0.8 MPa，1 750r／min、BMEP 0.2MPa，1 750r／min、BMEP 0.4MPa，1 750r／min、BMEP0.6MPa，1 750 r／min BMEP 0.8MPa），這種選擇是基于關(guān)于燃燒噪聲在低轉(zhuǎn)速和低負(fù)荷條件下較顯著的報告作出的。

表1 試驗(yàn)發(fā)動機(jī)技術(shù)規(guī)格

3 燃燒噪聲指標(biāo)

作為燃燒噪聲的測量值，對比2個指標(biāo)來評價其性能。一個是最大缸內(nèi)壓力升高率，另一個是Jung等人提出的CNI方法。最大缸內(nèi)壓力升高率作為一種簡單的燃燒噪聲指標(biāo)已被應(yīng)用了很長時間。燃燒壓力級是從1.00KHz到3.15KHz的1／3倍頻程值的對數(shù)和。1／3倍頻程值源于缸內(nèi)壓力的快速傅里葉變換。選擇這一頻帶是因?yàn)槿藗儗@些范圍內(nèi)的燃燒噪聲較敏感。計算過程的細(xì)節(jié)如圖1所示。

在進(jìn)行快速傅里葉變換之前，對被測氣缸取100次循環(huán)的平均值。在頻率分析之后，氣缸壓力用1／3倍頻帶值表示。然后估算出燃燒壓力水平。此后，這個值稱為CPL。

為了對比2個燃燒噪聲指標(biāo)的性能，改變發(fā)動機(jī)燃燒控制參數(shù)，例如主噴油時刻、預(yù)噴油量及預(yù)噴油時刻、油軌壓力、空氣流量（包括EGR流量）和增壓壓力，在消聲室中測量麥克風(fēng)燃燒噪聲和燃燒噪聲指標(biāo)。在圖2中，對比表示麥克風(fēng)燃燒噪聲與燃燒噪聲指標(biāo)。麥克風(fēng)燃燒噪聲從69.7dB到82.5dB不等。最大缸內(nèi)壓力升高率從0.12MPa／CA增加到0.62MPa／CA。CPL數(shù)據(jù)帶分布在161.1dB和173.3dB之間。在相同的麥克風(fēng)燃燒噪聲范圍內(nèi)，最大缸內(nèi)壓力升高率的數(shù)據(jù)分布比CPL的要寬得多。雖然每個指標(biāo)的數(shù)據(jù)帶大為不同，但關(guān)聯(lián)性并不明顯。因此，根據(jù)公式（1）計算出被測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)因子。因?yàn)殛P(guān)聯(lián)因子接近1，可以假定2組數(shù)據(jù)之間有著很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

式中：x為燃燒噪聲指標(biāo)，y為麥克風(fēng)燃燒噪聲。

2種燃燒噪聲指標(biāo)的關(guān)聯(lián)因子如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，除了1 750r／min BMEP 0.2MPa和0.4MPa 2個運(yùn)行點(diǎn)以外，2個指標(biāo)的關(guān)聯(lián)因子相似。與CPL相比，在不同的發(fā)動機(jī)運(yùn)行點(diǎn)，最大缸內(nèi)壓力升高率的關(guān)聯(lián)因子并不均勻。最低的關(guān)聯(lián)因子值在1750 r／min BMEP 0.2MPa運(yùn)行點(diǎn)。各種試驗(yàn)情況下的燃燒控制參數(shù)如表2所列。在1 500r／min BMEP 0.2MPa時，2種燃燒噪聲指標(biāo)的關(guān)聯(lián)因子都較高。然而，在1750r／min BMEP 0.2MPa時，最大壓力升高率表現(xiàn)出較差的關(guān)聯(lián)性。當(dāng)在2個發(fā)動機(jī)運(yùn)行點(diǎn)之間對比缸內(nèi)壓力時，比起1500r／min BMEP 0.2MPa時，1750r／min BMEP 0.2MPa時通過燃燒控制參數(shù)引起的缸內(nèi)壓力變化相對較小。對于放熱率也存在這一模式。1750r／min BMEP 0.2MPa時放熱率的變化小于1500r／min BMEP 0.2MPa時。極端情況如表3所列，雖然缸內(nèi)壓力最大升高率并未改變，但是麥克風(fēng)燃燒噪聲卻大相徑庭。對比被測缸內(nèi)壓力的1／3倍頻程分析。在圖4中，缸內(nèi)壓力信號1／3倍頻程的振幅在很寬頻率范圍內(nèi)并不一致。在不考慮振幅隨頻率的變化時，燃燒噪聲指標(biāo)的性能受到限制。這些結(jié)果表明，當(dāng)缸內(nèi)壓力的變化不夠大時，最大壓力升高率與燃燒噪聲之間只能有微弱的聯(lián)系。

表2 各試驗(yàn)工況下的燃燒控制參數(shù)

表3 1 750r／min BMEP 0.2MPa時工況1和工況3的燃燒噪聲

4 試驗(yàn)設(shè)計模型中排放物、燃油耗、燃燒噪聲的敏感度

新開發(fā)的燃燒噪聲指標(biāo)CPL在優(yōu)化1.6L柴油機(jī)的燃燒參數(shù)中被用作燃燒噪聲目標(biāo)值。數(shù)學(xué)模型采用AVL CAMEO，由多項(xiàng)式構(gòu)成。輸入和輸出如圖5所示。試驗(yàn)變量的組合圖表由D-optimal法制成。在制作了數(shù)學(xué)功能模型后，各個目標(biāo)一般都在約束條件下進(jìn)行優(yōu)化。如果其中一個目標(biāo)被優(yōu)化，由于燃燒控制參數(shù)的折中關(guān)系，約束條件通常為其他目標(biāo)。當(dāng)主噴油時刻提前時，燃油耗可改善，但NOx排放物和燃燒噪聲可能惡化。由于相互影響的關(guān)系，各個變量的量化非常重要。為了觀察這對目標(biāo)優(yōu)化的影響，進(jìn)行了燃燒噪聲指標(biāo)的敏感度分析。將CPL增加0.5dB時，在試驗(yàn)設(shè)計模型中估算燃油耗和排放物的變化。圖6和圖7顯示當(dāng)CPL變化0.5dB時，燃油耗、NOx和煙度的敏感度。通過將其他目標(biāo)值設(shè)定為邊界，計算各個目標(biāo)的變化。當(dāng)計算NOx變化時，煙度和燃油耗都保持恒定。在圖6和圖7中，各個目標(biāo)的變化率足夠大，很容易識別。燃油耗在發(fā)動機(jī)各試驗(yàn)點(diǎn)敏感度并不一致，從0.1%變?yōu)?.4%。在NOx排放相同的情況下，變化帶從1.3%變?yōu)?3.9%。煙度排放敏感度最高，從7.5%變化到60.2%。試驗(yàn)表明，敏感度取決于發(fā)動機(jī)負(fù)荷。隨著發(fā)動機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的增加，敏感度值降低。這表明，隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增大，燃燒噪聲對燃油耗和排放物的影響減小。這一敏感度分析表明，在柴油機(jī)中，燃燒噪聲指標(biāo)的精度對燃燒參數(shù)優(yōu)化的影響非常大。

有研究人員指出，通過延遲噴油正時，NOx排放和燃油耗會發(fā)生變化。但是，對燃燒噪聲的直接影響并不存在，并且在柴油機(jī)中，排放物、噪聲和燃油經(jīng)濟(jì)性之間存在折中關(guān)系，多次噴油技術(shù)改善了這種情況。

提前量化燃燒噪聲的另一個好處體現(xiàn)在平衡發(fā)動機(jī)開發(fā)目標(biāo)中。如果模型預(yù)測得以擴(kuò)展，可以獲得協(xié)調(diào)的發(fā)動機(jī)開發(fā)目標(biāo)（圖8）。只有當(dāng)之前結(jié)果的敏感度處于規(guī)定的邊界內(nèi)，假定通過增大燃燒噪聲可進(jìn)一步改善燃油耗。然而，這一假定并非總是有效。改善的水平收斂于某一特定值。圖9給出了燃油耗優(yōu)勢受到改變?nèi)紵刂茀?shù)的限制線索。當(dāng)CPL增大時，50%已燃質(zhì)量的曲軸轉(zhuǎn)角位置不會進(jìn)一步接近上止點(diǎn)。

換言之，在一定的水平后，盡管燃燒噪聲惡化，燃燒速率也不再變化。如果在燃燒噪聲指標(biāo)和燃油耗之間有1個寬范的模型，由于燃燒噪聲的準(zhǔn)確量化，燃燒控制參數(shù)的極端優(yōu)化可以避免，以獲得平衡的開發(fā)目標(biāo)。

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

上述結(jié)果是由試驗(yàn)設(shè)計數(shù)學(xué)模型導(dǎo)出的。為了證實(shí)預(yù)測的模型，進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。在多次測量中采用了每種工況下的優(yōu)化燃燒控制參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果如表4和圖10所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)是各個發(fā)動機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的平均值。雖然在模型和測量值之間存在偏差，但其差值不大。

表4 模型預(yù)測和確認(rèn)試驗(yàn)之間的燃油耗、NOx和煙度變化比較（8個發(fā)動機(jī)試驗(yàn)點(diǎn)的平均值）

6 結(jié)語

由于復(fù)雜的系統(tǒng)集成到發(fā)動機(jī)中，需要對變量進(jìn)行越來越多的量化，以優(yōu)化發(fā)動機(jī)開發(fā)過程中的發(fā)動機(jī)燃燒控制參數(shù)。本文采用缸內(nèi)壓力對燃燒噪聲進(jìn)行量化。對其噪聲性能與最大壓力升高率進(jìn)行比較。通過燃燒噪聲指標(biāo)的開發(fā)，進(jìn)行了敏感度分析，并研究了其帶來的優(yōu)勢。新提出的燃燒噪聲指標(biāo)比最大氣缸壓力升高率有更好的關(guān)聯(lián)性。特別是當(dāng)缸內(nèi)壓力的變化較小時，可以清楚地觀察到關(guān)聯(lián)性差異。

敏感度分析表明，燃油耗、NOx和煙度大大受到燃燒噪聲指標(biāo)變化0.5dB的影響。8個試驗(yàn)點(diǎn)的平均值，燃油耗變化1.6%，NOx變化16.2%，煙度變化35.1%。此外還表明，模型預(yù)測的擴(kuò)展有助于避免燃燒控制參數(shù)的極端優(yōu)化，使發(fā)動機(jī)的開發(fā)目標(biāo)能以平衡的方式實(shí)現(xiàn)。

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