馬志豪，劉瑜娜，董永超，王旭東，吳士清

小功率非道路用柴油機(jī)燃燒過程優(yōu)化與降噪

馬志豪1，劉瑜娜1，董永超1，王旭東2，吳士清2

（1. 河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，洛陽 471003；2. 浙江新柴股份有限公司，紹興 312000）

為了保證4D29G31非道路用柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性以及有害物排放等滿足限值要求的同時，降低燃燒噪聲和降低整機(jī)噪聲，該研究對缸內(nèi)燃燒過程進(jìn)行優(yōu)化。通過對油嘴凸出量、噴油嘴孔數(shù)、噴孔直徑和渦流比優(yōu)化匹配，改善缸內(nèi)油氣混合和燃燒過程；通過對動態(tài)供油提前角的優(yōu)化，縮短滯燃期，進(jìn)而抑制快速燃燒期內(nèi)的燃燒速率和壓力振蕩。各參數(shù)優(yōu)化匹配后，標(biāo)定工況下柴油機(jī)的最高燃燒壓力和壓力升高率與原機(jī)相比分別下降了18%和44.9%，整機(jī)噪聲降低了0.73 dB；最大扭矩工況下柴油機(jī)的最高燃燒壓力和壓力升高率與原機(jī)相比分別下降了39%和40%，整機(jī)噪聲降低了1.07 dB。研究可為小功率非道路用柴油機(jī)通過缸內(nèi)燃燒過程優(yōu)化降低噪聲提供技術(shù)參考。

柴油機(jī)；燃燒；噪聲；小功率；非道路用；渦流比；燃料噴射系統(tǒng)

0 引 言

伴隨著工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等非道路移動機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展，柴油機(jī)由于其動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性的優(yōu)勢，在非道路移動機(jī)械行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。然而柴油機(jī)由于其壓燃的工作方式，工作過程粗暴，盡管滿足整機(jī)噪聲的國家標(biāo)準(zhǔn)，但無法滿足舒適性的要求[1-2]，故還需采取措施進(jìn)一步降低整機(jī)噪聲。

柴油機(jī)噪聲主要包括氣動噪聲、機(jī)械噪聲和燃燒噪聲。柴油機(jī)總噪聲中，燃燒噪聲起主導(dǎo)作用，是柴油機(jī)噪聲的主要來源[3-4]，對直噴式柴油機(jī)尤為如此。燃燒噪聲與柴油機(jī)燃燒過程密切相關(guān)，燃燒過程越劇烈，燃燒噪聲越高。優(yōu)化燃燒參數(shù)，調(diào)整燃燒過程可以達(dá)到降低燃燒噪聲的目的[5]。因此，對缸內(nèi)燃燒過程進(jìn)行優(yōu)化對柴油機(jī)降噪具有重要意義。由于EGR（Exhaust Gas Recirculation）、高壓共軌與渦輪增壓等高新技術(shù)的出現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者更傾向于研究這些高新技術(shù)來改善缸內(nèi)燃燒過程，從而降低燃燒噪聲。Kondo等[6]在單缸直噴式柴油機(jī)上，采用高EGR和合適的噴油正時改善了燃燒過程，使燃燒噪聲明顯降低。Carlucci等[7]利用方差分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法研究了預(yù)、主噴油正時和預(yù)噴油持續(xù)時間對直列四缸渦輪增壓柴油機(jī)的輻射噪聲和燃燒噪聲水平的影響；Gen等[8-9]通過在上止點附近進(jìn)行多次燃油噴射，探究多次燃油噴射對燃燒噪聲的影響，并且還研究了增壓和EGR的降噪機(jī)理，證明了EGR和增壓相結(jié)合可以降低發(fā)動機(jī)的燃燒噪聲。國內(nèi)的學(xué)者也做了一些研究。李兆文等[10-11]研究了主預(yù)噴間隔和EGR對燃燒噪聲的影響，并對增壓前后燃燒噪聲進(jìn)行對比。王平等[12-13]研究了共軌壓力、主噴正時以及預(yù)噴射對高壓共軌直噴柴油機(jī)燃燒噪聲的影響。Zhang等[14]改變多個噴油參數(shù)，研究了主噴提前角和預(yù)噴射對柴油機(jī)燃燒噪聲的影響。

雖然預(yù)噴射、EGR、渦輪增壓技術(shù)是降低燃燒噪聲的措施[15-19]，但是對于小功率非道路用柴油機(jī)，由于其成本、結(jié)構(gòu)、使用對象及用途限制，導(dǎo)致這些技術(shù)暫無法得到廣泛的應(yīng)用。因此，在現(xiàn)有小功率非道路用柴油機(jī)零部件的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的參數(shù)選擇，使“油、氣、室”三者合理匹配，通過改善缸內(nèi)燃燒過程，達(dá)到降低燃燒噪聲的目的。由于高壓共軌燃料噴射系統(tǒng)成本較高，對功率在37 kW以下的發(fā)動機(jī)而言，采用電控VE泵-管-嘴燃料噴射系統(tǒng)已經(jīng)足以滿足當(dāng)前執(zhí)行的非道路國三排放法規(guī)。國內(nèi)對裝有此類燃料噴射系統(tǒng)的柴油機(jī)性能與排放研究較多[20-24]，但是對于此類柴油機(jī)燃燒噪聲的研究尚未引起重視。由于國家對非道路用柴油機(jī)制定了嚴(yán)格的排放法規(guī)[25]，并對燃油消耗率做出了嚴(yán)格規(guī)定[26]。所以，對于裝有電控VE泵-管-嘴燃料噴射系統(tǒng)的柴油機(jī)，在降低燃燒噪聲的同時，還要保證柴油機(jī)動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及NOx和碳煙等排放指標(biāo)維持在限值以內(nèi)。

本文以一臺標(biāo)定功率為36.8 kW的小功率非道路用柴油機(jī)為原機(jī)，通過對燃油噴射系統(tǒng)和噴油策略等多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化，對發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、排放水平和噪聲進(jìn)行分析，找出最佳匹配參數(shù)，在保證發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性以及NOx和碳煙等排放要求的同時，降低燃燒噪聲，從而降低整機(jī)噪聲。

1 試驗設(shè)備與方法

本文在不改變柴油機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過改變油嘴墊片厚度、噴油嘴孔數(shù)和噴孔直徑、渦流比以及調(diào)整動態(tài)供油提前角等措施降低柴油機(jī)最高燃燒壓力和最大壓力升高率，從而降低燃燒噪聲。同時監(jiān)測柴油機(jī)功率、扭矩、光吸收系數(shù)、燃油消耗率和排氣溫度等數(shù)據(jù)，以保證柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

噴油器油嘴凸出量關(guān)系到燃油的油束落點位置，影響油氣混合質(zhì)量，對發(fā)動機(jī)的性能和排放有重大影響。油嘴墊片厚度，決定了油嘴凸出量的大小。原機(jī)的油嘴墊片厚度為1 mm，本試驗在原機(jī)油嘴墊片厚度的基礎(chǔ)上，選取0.5、1、1.5、2和2.5 mm油嘴墊片厚度。

由于進(jìn)氣渦流不但影響到“油、氣、室”的匹配，也對進(jìn)氣噪聲和容積效率產(chǎn)生影響。較強(qiáng)的渦流雖然可以促進(jìn)油氣混合，但會導(dǎo)致傳熱損失增加，容積效率降低，氣流噪聲增大，從而影響發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和噪聲。因此在原機(jī)渦流比2.5的基礎(chǔ)上，本文選取較低的渦流比2.2與原機(jī)渦流比2.5進(jìn)行比較分析。

噴油嘴噴孔數(shù)目與直徑會影響油氣混合質(zhì)量和燃油的噴射霧化質(zhì)量，從而影響缸內(nèi)燃燒過程。原機(jī)的噴孔數(shù)為5孔，噴孔直徑為0.18 mm，本試驗選取5孔0.17 mm孔徑噴油嘴和6孔0.16 mm孔徑噴油嘴與原機(jī)進(jìn)行比較，找出最佳噴油嘴參數(shù)。

本試驗選用4組不同參數(shù)的噴油嘴和渦流比進(jìn)行優(yōu)化匹配。如表1所示，分別將這4組方案記為P1（噴孔數(shù)目5、噴油嘴孔徑0.18 mm，記為P518噴油嘴，下同，渦流比2.5）、P2（P518噴油嘴，渦流比2.2）、P3（噴孔數(shù)目5、噴油嘴孔徑0.17 mm，記為P517噴油嘴，下同，渦流比2.5）、P4（P517噴油嘴，渦流比2.2）、P5（噴孔數(shù)目6、噴油嘴孔徑0.16 mm，記為P616噴油嘴，下同，渦流比2.5）、P6（P616噴油嘴，渦流比2.2）。

表1 噴油嘴與渦流比參數(shù)

動態(tài)供油提前角影響柴油機(jī)的缸內(nèi)燃燒過程，減小動態(tài)供油提前角可以降低發(fā)動機(jī)最高燃燒壓力和最大壓力升高率，最高燃燒壓力和最大壓力升高率的大小反映發(fā)動機(jī)燃燒噪聲的高低[27-28]。在油嘴凸出量、噴油嘴噴孔數(shù)、噴孔直徑和渦流比優(yōu)化的基礎(chǔ)上，將標(biāo)定工況下原機(jī)的動態(tài)供油提前角由20°CA BTDC分別調(diào)整為18、16、15和14 °CA BTDC，將最大扭矩工況下原機(jī)的動態(tài)供油提前角由20°CA BTDC分別調(diào)整為16、15和14°CA BTDC進(jìn)行試驗研究。

在上述試驗研究的基礎(chǔ)上，將選取的最佳油嘴墊片厚度、噴油嘴偶件、渦流比和動態(tài)供油提前角參數(shù)優(yōu)化匹配，最后與原機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能和噪聲進(jìn)行比較。

試驗樣機(jī)為浙江新柴股份有限公司生產(chǎn)的4D29G31型柴油機(jī)。試驗中采用Kistler公司生產(chǎn)的KiBox燃燒分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，精度為±0.5%，采用6056A型壓力傳感器測量氣缸壓力，2614B型曲軸轉(zhuǎn)角編碼器采集曲軸轉(zhuǎn)角信號，精度為±0.002%，采用AVL DISMOKE 4000光吸收系數(shù)計對排氣中的煙度進(jìn)行測量，不透光煙度測量精度為0.1%，消光系數(shù)測量精度為0.01 m-1，采用MEXA-7100DEGR型排放分析儀來檢測柴油機(jī)排氣中的NOx，采用B＆K公司生產(chǎn)2250—S型聲級計進(jìn)行噪聲測試。表2為4D29G31型柴油機(jī)基本技術(shù)參數(shù)。圖1為柴油機(jī)性能試驗臺架。

表2 4D29G31柴油機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

本試驗采取2個典型的測試工況點：標(biāo)定工況與最大扭矩工況。運用正交試驗法獲得優(yōu)化后的最佳參數(shù)，再對優(yōu)化后的最佳參數(shù)方案與原機(jī)的性能、缸內(nèi)壓力、壓力升高率和整機(jī)噪聲進(jìn)行比較，以分析缸內(nèi)燃燒過程優(yōu)化前后柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能及整機(jī)噪聲的變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 油嘴墊片厚度確定

噴油器油嘴凸出量是指噴油器油嘴伸出氣缸蓋底面的高度。對試驗機(jī)型，油嘴凸出量可以通過油嘴墊片厚度調(diào)節(jié)，墊片厚則油嘴凸出量小，墊片薄則油嘴凸出量大[28]。由于排氣溫度的高低可以間接反映發(fā)動機(jī)工作狀況，因此對于噴油器油嘴凸出量的優(yōu)化，結(jié)果以燃油消耗率和排氣溫度作為判斷依據(jù)。圖2為柴油機(jī)采用P518噴油嘴，動態(tài)供油提前角為20°CA BTDC時，油嘴墊片厚度對燃油消耗率和排氣溫度的影響。

從圖2可以看出，油嘴墊片厚度為2 mm時，柴油機(jī)的燃油消耗率和排氣溫度最低，1.5 mm油嘴墊片厚度次之。使用0.5和1 mm油嘴墊片厚度時，噴油器油嘴凸出量太大，活塞接近上止點時，燃油會噴射到燃燒室凹坑處，使燃燒室偏上部的空氣利用率下降，導(dǎo)致油氣混合不均勻，燃料不能充分燃燒，燃油經(jīng)濟(jì)性變差。當(dāng)油嘴墊片厚度為2.5 mm時，噴油器油嘴凸出量過小，部分油束會噴射到活塞頂面，活塞頂面的燃油燃燒不充分，導(dǎo)致柴油機(jī)性能惡化。當(dāng)墊片厚度為2 mm時，噴油嘴噴出的油束撞擊在燃燒室中間區(qū)域，空氣得到更有效的利用，燃燒過程得到改善，柴油機(jī)的性能有所提升。

2.2 噴油嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)與渦流比匹配

缸內(nèi)氣體流動對柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程有重要影響。渦流比是衡量渦流強(qiáng)度的重要指標(biāo)，渦流比越大，渦流強(qiáng)度越高，油氣混合越均勻，但過強(qiáng)的渦流會增大流動和傳熱損失。此外，噴油嘴噴孔數(shù)目和噴孔直徑也會影響缸內(nèi)燃燒的過程。

表3為柴油機(jī)采用2 mm油嘴墊片厚度，動態(tài)供油提前角為20 °CA BTDC時，不同噴油嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)與渦流比匹配時的燃油消耗率、排氣溫度和光吸收系數(shù)的試驗結(jié)果。

由表3可以看出，采用P6方案（P616噴油嘴，渦流比2.2）時柴油機(jī)燃油消耗率、排氣溫度和光吸收系數(shù)最低。3種噴油嘴均存在一個最佳的渦流比與其相適應(yīng)。對于P518噴油嘴，渦流比為2.5時柴油機(jī)燃油消耗率、排氣溫度和光吸收系數(shù)比渦流比為2.2時低，說明P518噴油嘴與2.5渦流比匹配更好；對于P517噴油嘴，渦流比為2.5時柴油機(jī)的燃油消耗率、排氣溫度和光吸收系數(shù)均低于渦流比2.2，說明P517噴油嘴與2.5渦流比匹配更佳；對于P616噴油嘴，渦流比為2.2時的柴油機(jī)燃油消耗率、排氣溫度和光吸收系數(shù)比渦流比為2.5時低。P517噴油嘴匹配2.5和2.2渦流比時柴油機(jī)的煙度較大，原因是P517噴油嘴噴孔數(shù)少，噴孔直徑小，過少的油束會降低空氣利用率，油、氣混合差，而缺乏足夠的空氣會使燃油裂解形成了大量碳煙，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒過程惡劣，光吸收系數(shù)增大，排放指標(biāo)不達(dá)標(biāo)。由于P518噴油嘴噴孔數(shù)少，孔徑大，油束貫穿距離大，燃油霧化不好，較高的渦流比可以促進(jìn)燃油霧化，促進(jìn)缸內(nèi)燃燒。而P616噴油嘴，噴孔數(shù)多，孔徑小，燃油噴出時油滴的索特平均直徑小，燃油霧化更好，適合匹配較小的渦流比，提高缸內(nèi)空氣利用率，縮短滯燃期和后燃時間，改善缸內(nèi)燃燒過程，提高了柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性，同時降低了排放，為燃燒噪聲的降低奠定了基礎(chǔ)。因此，綜合比較可以看出，選用P616噴油嘴和渦流比2.2時，柴油機(jī)的性能和排放水平達(dá)到最佳。

表3 不同噴油嘴與渦流比的試驗結(jié)果

2.3 動態(tài)供油提前角確定

發(fā)動機(jī)的動態(tài)供油提前角對氣缸內(nèi)的燃燒過程有重要影響。適當(dāng)?shù)膭討B(tài)供油提前角可以縮短滯燃期，減少滯燃期內(nèi)產(chǎn)生的混合氣，抑制快速燃燒期內(nèi)的燃燒速率和壓力振蕩，從而降低燃燒噪聲[14]。采用P616噴油嘴、渦流比2.2和2 mm油嘴墊片厚度參數(shù)，對動態(tài)供油提前角進(jìn)行調(diào)整，從而找出最佳動態(tài)供油提前角。

2.3.1 動態(tài)供油提前角對缸內(nèi)壓力和壓力升高率的影響

圖3為不同動態(tài)供油提前角的缸內(nèi)壓力曲線和壓力升高率曲線。可以看出，隨著供油提前角的減小，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)的最高燃燒壓力和最大壓力升高率都逐漸降低。同時，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)的最高燃燒壓力和最大壓力升高率對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨著供油提前角的減小而遠(yuǎn)離上止點。這是因為，隨著活塞上行，動態(tài)供油提前角減小，燃油噴射更接近上止點，氣缸內(nèi)溫度更高，燃油霧化更好，使滯燃期減短，且滯燃期內(nèi)形成的混合氣減少，預(yù)混燃燒比例減小，從而降低了最高燃燒壓力和最大壓力升高率，減小燃燒噪聲。

注：P616噴油嘴，渦流比2.2，油嘴墊片厚度2 mm。下同。

Note: P616 nozzle, the swirl ratio is 2.2, and the thickness of nozzle gasket is 2 mm.

圖3 不同動態(tài)供油提前角的缸內(nèi)壓力曲線和壓力升高率

Fig.3 Cylinder pressure curve and pressure rise rate with different dynamic fuel supply advance angle

2.3.2 動態(tài)供油提前角對燃油消耗率和光吸收系數(shù)的影響

圖4為在標(biāo)定工況和最大扭矩工況下，不同動態(tài)供油提前角的燃油消耗率和光吸收系數(shù)。從圖4中可以看出，隨著動態(tài)供油提前角的減小，燃油消耗率和光吸收系數(shù)逐漸增大。這是因為動態(tài)供油提前角減小，燃燒遠(yuǎn)離上止點，預(yù)混燃燒比例減小，混合燃燒比例增加，燃燒的持續(xù)時間增加，柴油機(jī)后燃更加嚴(yán)重，導(dǎo)致光吸收系數(shù)增加，燃油消耗率增大，燃油經(jīng)濟(jì)性變差。在標(biāo)定工況下，由于柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速高，缸內(nèi)空氣的利用率更好，缸內(nèi)燃燒更加充分，碳煙生成量的變化不大。但是由于減小動態(tài)供油提前角是降低缸內(nèi)壓力和壓力升高率的重要措施，因此，需要在提高性能的基礎(chǔ)上，選擇合適的動態(tài)供油提前角。

從圖3～圖4中看出，標(biāo)定工況下，動態(tài)供油提前角為20 °CA BTDC時，柴油機(jī)的燃油消耗率和光吸收系數(shù)最低，但最高燃燒壓力和最大壓力升高率最高，不利于降低燃燒噪聲。當(dāng)動態(tài)供油提前角為14 °CA BTDC，柴油機(jī)的最高燃燒壓力和最大壓力升高率最低，但柴油機(jī)的燃油消耗率和光吸收系數(shù)也增高，不能達(dá)到規(guī)定的燃油消耗率限值[26]。與動態(tài)供油提前角為20 °CA BTDC相比，動態(tài)供油提前角為16 °CA BTDC時，柴油機(jī)的燃油消耗率升高了0.6%，光吸收系數(shù)升高了17.3%，燃油消耗率變化不大，光吸收系數(shù)稍有增加，但仍滿足排放限值規(guī)定0.8 m-1[25]。綜合考慮柴油機(jī)燃油消耗率、光吸收系數(shù)、最高燃燒壓力和最大壓力升高率，對于標(biāo)定工況，柴油機(jī)動態(tài)供油提前角選用16 °CA BTDC最佳。最大扭矩工況下，動態(tài)供油提前角為14 °CA BTDC時，柴油機(jī)的最高燃燒壓力和最大壓力升高率最低。與動態(tài)供油提前角為20 °CA BTDC相比，柴油機(jī)的燃油消耗率升高了2%，光吸收系數(shù)升高了8.7%，燃油消耗率基本不變，光吸收系數(shù)些許增加，但仍維持在限值以內(nèi)[25]。所以，對于最大扭矩工況，動態(tài)供油提前角選用14 °CA BTDC最佳。

3 整機(jī)燃燒過程、性能、排放與噪聲分析

根據(jù)前述試驗結(jié)果，選用2 mm油嘴墊片厚度，P616噴油嘴，渦流比2.2，標(biāo)定工況下動態(tài)供油提前角為16 °CA BTDC，最大扭矩工況下動態(tài)供油提前角為14 °CA BTDC，優(yōu)化參數(shù)條件下對整機(jī)燃燒過程、性能、排放與噪聲進(jìn)行試驗分析。

3.1 缸內(nèi)壓力與壓力升高率

圖5為標(biāo)定工況和最大扭矩工況下原機(jī)與優(yōu)化后的缸內(nèi)壓力曲線和壓力升高率曲線。從圖5中可以看出：標(biāo)定工況下，優(yōu)化后的最高燃燒壓力為5.6 MPa，相比于原機(jī)的6.84 MPa下降了18%，優(yōu)化后的最大壓力升高率為0.27 MPa/°CA，相比于原機(jī)的0.49 MPa/°CA下降了44.9%。最大扭矩工況下，優(yōu)化后的最高燃燒壓力6.16 MPa，最大壓力升高率0.33 MPa/°CA相比于原機(jī)的10.1 MPa和0.55 MPa/°CA分別下降了39%和40%。說明優(yōu)化后柴油機(jī)的最高燃燒壓力和最大壓力升高率均減小，柴油機(jī)的燃燒噪聲也得以降低。

3.2 燃油消耗率與排放

表4為原機(jī)與優(yōu)化后柴油機(jī)燃油消耗率、NOx排放和光吸收系數(shù)試驗結(jié)果。從表中可以看出，優(yōu)化后柴油機(jī)燃油消耗率、NOx排放和光吸收系數(shù)與原機(jī)相比相差不大。雖然動態(tài)供油提前角減小會使燃油消耗率和光吸收系數(shù)增大，但是采用優(yōu)化的油嘴墊片厚度、噴油嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)和渦流比，改善了燃油霧化質(zhì)量，柴油機(jī)的性能得以提升。因此優(yōu)化后柴油機(jī)的性能和排放能夠達(dá)到原機(jī)水平，保證了柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

表4 原機(jī)與優(yōu)化后的燃油消耗率、NOx排放和光吸收系數(shù)

3.3 整機(jī)噪聲分析

聲功率級L計算公式為

式中為測量表面積，m2；0為基準(zhǔn)面積，0=1 m2。

Note: 1-9 is the noise measurement points of the diesel engine.

圖6 柴油機(jī)整機(jī)噪聲測量點分布

Fig.6 Noise measurement points of the diesel engine

圖7為標(biāo)定工況與最大扭矩工況下原機(jī)與優(yōu)化后柴油機(jī)噪聲測量結(jié)果。從圖7中可以看出，與原機(jī)相比，標(biāo)定工況下優(yōu)化后的柴油機(jī)在9個測量點處的聲壓級均有所降低，降低范圍為0.5～1.5 dB左右，最大扭矩工況下降低了1～2.5 dB左右。原因是，與原機(jī)相比優(yōu)化后柴油機(jī)的最大燃燒壓力和最高壓力升高率均減小，這使燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的壓力載荷減小，產(chǎn)生的振動能量也隨之減小，最終通過柴油機(jī)表面輻射到空氣中的燃燒噪聲也得以降低。

表5為原機(jī)與優(yōu)化后的柴油機(jī)聲功率級計算結(jié)果。從表5中可以看出，標(biāo)定工況和最大扭矩工況下，優(yōu)化后的柴油機(jī)聲功率級比原機(jī)分別降低了0.73和1.07 dB。原因是，柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程優(yōu)化，燃燒激勵減小，燃燒噪聲得以降低，從而降低整機(jī)噪聲。

從圖5、圖7、表4和表5綜合比較可以看出，優(yōu)化后，柴油機(jī)的最高燃燒壓力和最大壓力升高率與原機(jī)相比均有明顯降低，并且燃油消耗率、NOx和光吸收系數(shù)與原機(jī)相比均相差不大。本研究在保證動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的前提下，通過不同參數(shù)的優(yōu)化匹配，降低了柴油機(jī)的缸內(nèi)燃燒壓力和壓力升高率，從而降低了燃燒噪聲，達(dá)到了降低柴油機(jī)整機(jī)噪聲的目標(biāo)。

表5 原機(jī)與優(yōu)化后柴油機(jī)整機(jī)噪聲

4 結(jié) 論

通過對4D29G31小功率非道路用柴油機(jī)的油嘴凸出量、噴油嘴偶件和渦流比參數(shù)以及動態(tài)供油提前角進(jìn)行優(yōu)化匹配，得到以下結(jié)論：

1）合適的油嘴凸出量，可以提高空氣利用率，改善發(fā)動機(jī)性能。綜合來看，油嘴墊片厚度為2 mm時，柴油機(jī)的燃油消耗率和排氣溫度最低，故油嘴墊片厚度2 mm為最佳選擇。

2）通過噴油嘴與進(jìn)氣渦流的優(yōu)化匹配，可以看出：多孔數(shù)小孔徑噴油嘴與較小渦流比的匹配，燃油的霧化程度更好，改善了缸內(nèi)燃燒過程，提高了柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，并使柴油機(jī)的排放水平得到改善。

3）減小動態(tài)供油提前角，可以降低柴油機(jī)的最高燃燒壓力和最大壓力升高率，從而降低燃燒噪聲。在標(biāo)定工況和最大扭矩工況下選取合適的動態(tài)供油提前角可以使柴油機(jī)的最高燃燒壓力和最大壓力升高率與柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、排放水平和燃燒噪聲取以折衷。

4）采用P616噴油嘴（噴孔數(shù)目6，噴油嘴孔徑0.16 mm）、渦流比2.2、油嘴墊片厚度2 mm、標(biāo)定工況動態(tài)供油提前角16 °CA BTDC、最大扭矩工況供油提前角14 °CA BTDC的優(yōu)化方案，柴油機(jī)在標(biāo)定工況下的最高燃燒壓力和最大壓力升高率相比于原機(jī)分別下降了18%、44.9%，在最大扭矩工況下的最高燃燒壓力和最大壓力升高率相比于原機(jī)分別下降了39%、40%。與原機(jī)相比，標(biāo)定工況和最大扭矩工況下，優(yōu)化后柴油機(jī)的聲功率級分別降低了0.73和1.07 dB。

[1] Giakoumis E G, Dimaratos A M, Rakopoulos C D. Experimental study of combustion noise radiation during transient turbocharged diesel engine operation[J]. Energy, 2011, 36(8): 4983-4995.

[2] 胡以懷. 船舶柴油機(jī)振動、噪聲及廢氣排放[M]. 大連：大連海事大學(xué)出版社，2003.

[3] Harrison M. Vehicle refinement: Controlling noise and vibration in road vehicles[M]. Warrendale: SAE International, 2004.

[4] Anderton D. Relation between combustion system and engine noise[C]//1979 Automotive Engineering Congress and Exposition. IEEE Computer Society, 1979.

[5] Wang P, Song X G, Xue D X, et al. Effect of combustion process on DI diesel engine combustion noise[J]. [2007-07-13] SAE Technical Papers, DOI: https://doi.org/10.427/2007-01-2076.

[6] Kondo M, Kimura S, Hirano I, et al. Development of noise reduction technologies for a small direct-injection diesel engine[J]. JSAE Review, 2000, 21(3): 327-333.

[7] Carlucci P, Ficarella A, Laforgia D. Study of the influence of the injection parameters on combustion noise in a common rail diesel engine using ANOVA and neural networks[C]//SAE Paper 2001-01-2011, 2001.

[8] Gen S, Hideyuki O, Yuki O, et al. Combustion noise reduction with high thermal efficiency by the control of multiple fuel injections in premixed diesel engines[J]. SAE International Journal of Engines, 2017, 10(3): 1128-1142.

[9] Shibata G, Shibaike Y, Ushijima H, et al. Identification of factors influencing premixed diesel engine noise and mechanism of noise reduction by EGR and supercharging[J]. SAE Technical Papers, 2013, 2(1): 669-682.

[10] 李兆文，舒歌群，衛(wèi)海橋，等. EGR對直噴式柴油機(jī)瞬態(tài)工況燃燒噪聲影響的試驗研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程，2010，31(3)：17-22.

Li Zhaowen, Shu Gequn, Wei Haiqiao, et al. Experimental investigation on effect of EGR on combustion noise in transient conditions of DI diesel engine[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2020, 31(3): 17-22. (in Chinese with English abstract)

[11] 李兆文，舒歌群，衛(wèi)海橋，等. 增壓前后柴油機(jī)燃燒噪聲的對比分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程，2009，30(2)：29-33.

Li Zhaowen, Shu Gequn, Wei Haiqiao, et al. Comparison and analysis on combustion noise of diesel engine with and without turbocharger[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2009, 30(2): 29-33. (in Chinese with English abstract)

[12] 王平，宋希庚，薛冬新，等. 高壓共軌電控直噴式柴油機(jī)噴油規(guī)律和放熱規(guī)律對燃燒噪聲的影響[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2008，14(5)：406-411.

Wang Ping, Song Xigeng, Xue Dongxin, et al. Effect of fuel injection rate and heat release rate on combustion noise of DI diesel engines[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2008, 14(5): 406-411. (in Chinese with English abstract)

[13] 王平，宋希庚，薛冬新，等. 預(yù)噴射對柴油機(jī)燃燒噪聲的影響[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2008，14(6)：496-500.

Wang Ping, Song Xigeng, Xue Dongxin, et al. Effect of pilot injection on combustion noise of diesel engines[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2008, 14(6): 496-500. (in Chinese with English abstract)

[14] Zhang Q H, Hao Z Y, Zheng X, et al. Mechanism and optimization of fuel injection parameters on combustion noise of DI diesel engine[J]. Journal of Central South University, 2016, 23(2): 379-393.

[15] Win Z, Gakkhar R P, Jain S C, et al. Parameter optimization of a diesel engine to reduce noise, fuel consumption, and exhaust emissions using response surface methodology[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D: Journal of Automobile Engineering, 2005, 219(10): 1181-1192.

[16] Busch S, Zha K, Miles P C. Investigations of closely coupled pilot and main injections as a means to reduce combustion noise in a small-bore direct injection diesel engine[J]. International Journal of Engine Research, 2015, 16(1): 13-22.

[17] Busch S, Zha K, Warey A, et al. On the reduction of combustion noise by a close-coupled pilot injection in a small-bore DI diesel engine[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines & Power, 2015, 138(10): 1-18.

[18] 羅福強(qiáng)，周志峰，周靖，等. 預(yù)噴參數(shù)及EGR對柴油機(jī)噪聲影響試驗研究[J]. 車用發(fā)動機(jī)，2020(3)：44-49.

Luo Fuqiang, Zhou Zhifeng, Zhou Jing, et al. Influence of pilot injection and EGR on noise of diesel engine[J]. Vehicle Engine, 2020(3): 44-49. (in Chinese with English abstract)

[19] 杜宏飛，李佳星，秦嶺，等. 預(yù)噴參數(shù)對柴油機(jī)燃燒噪聲的影響規(guī)律研究[J]. 汽車技術(shù)，2018(11)：41-44.

Du Hongfei, Li Jiaxing, Qin Ling, et al. Research on law of influence of pilot injection parameters on combustion noise in diesel engine[J]. Automobile Technology, 2018(11): 41-44. (in Chinese with English abstract)

[20] 尹必峰，黃晨春，劉勝吉，等. 高性能低排放小型非道路柴油機(jī)的開發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(5)：32-38.

Yin Bifeng, Huang Chenchun, Liu Shengji, et al. Development of small off-road diesel with high-performance and low emission[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2012, 28(5): 32-38. (in Chinese with English abstract)

[21] 劉勝吉，孫健，陸存豪，等. 非道路用小缸徑渦流室柴油機(jī)的性能與排放[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程，2016，37(3)：31-35.

Liu Shengji, Sun Jian, Lu Cunhao, et al. Performances and emissions of small non-road swirl chamber diesel engines[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2016, 37(3): 31-35. (in Chinese with English abstract)

[22] 賈和坤，尹必峰，何建光，等. 內(nèi)部廢氣再循環(huán)柴油機(jī)燃燒過程分析及排放性能試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(10)：37-42.

Jia Hekun, Yin Bifeng, He Jianguang, et al. Analysis of combustion process and emission performance test for diesel engine using internal exhaust gas recirculation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2015, 31(10): 37-42. (in Chinese with English abstract)

[23] 馬志豪，陳占耀，賈義，等. 小功率非道路用柴油機(jī)動力、經(jīng)濟(jì)及排放特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(21)：78-84.

Ma Zhihao, Chen Zhanyao, Jia Yi, et al. Power, economy and emission characteristics of low power non-road diesel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(21): 78-84. (in Chinese with English abstract)

[24] 陳占耀，賈義，李亞楠，等. 降低非道路用柴油機(jī)排放試驗[J]. 河南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2017，38(3)：30-34.

Chen Zhanyao, Jia Yi, Li Yanan, et al. Experiment on reducing emission of non-road diesel engine[J]. Journal of Henan University of Science and Technology: Natural Science, 2017, 38(3): 30-34. (in Chinese with English abstract)

[25] 環(huán)境保護(hù)部，國家監(jiān)督檢驗檢疫總局. 非道路柴油移動機(jī)械排氣煙度限值及測量方法：GB 36886-2018[S]. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2018.

[26] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 非道路用柴油機(jī)燃料消耗率和機(jī)油消耗率限值及試驗方法：GB 28239-2012[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[27] 衛(wèi)海橋，舒歌群. 內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)壓力與燃燒噪聲[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2004，10(1)：56-61.

Wei Haiqiao, Shu Gequn, et al. Cylinder pressure and combustion noise of internal combustion engine[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2004, 10(1): 56-61. (in Chinese with English abstract)

[28] 周龍保，內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M]. 第3版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：103-104.

[29] 全國內(nèi)燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會. GB/T 1859.1-2015往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)聲壓法聲功率級的測定第1部分：工程法[S]. 北京：中國質(zhì)檢出版社，2016.

Optimization of combustion process and noise reduction of a low power non-road diesel engine

Ma Zhihao1, Liu Yuna1, Dong Yongchao1, Wang Xudong2, Wu Shiqing2

(1.,471003;2..,.,312000,)

Diesel engine has widely been used in the non-road mobile machinery industry, because of its considerable advantages in power, economy, and reliability. However, the working process of an diesel engine is rough, due mainly to the compression ignition operating mode Furthermore, the noise of the diesel engine cannot meet the requirements of living comfort. Therefore, it is highly necessary to reduce the noise of diesel engines. The noise of the internal combustion engine mainly includes aerodynamic, mechanical, and combustion noise. Combustion noise plays a leading role in the total noise of diesel engines, especially for direct injection diesel engines. Combustion noise is also closely related to the combustion process of internal combustion engines. The combustion noise is greater, as the combustion process is more intense in recent years. Fortunately, the noise can be reduced via the optimized parameters and tunable process. Therefore, the in-cylinder combustion process can also be optimized for the noise reduction of diesel engines. Since the pre-injection, exhaust gas recirculation (EGR), and turbocharging technologies cannot be widely used to reduce combustion noise for low power non-road diesel engines, due to the cost, structure, and application object. Therefore, the reasonable selection of parameters can make the matching of "fuel, air, and chamber" more perfect on the basis of existing low-power non-road diesel engine parts, thereby improving the combustion process in the cylinder. In this study, an optimization experiment was performed on the in-cylinder combustion of a diesel engine, in order to ensure the power performance, economy, NOx, and soot emissions of low power non-road machinery, while reducing the combustion noise in the diesel engine. A low-power non-road 4D29G31 diesel engine was used as an original engine. The optimization was made on the nozzle protrusion, nozzle hole number, nozzle hole diameter, and swirl ratio. The “fuel, air, and chamber” achieved the best matching state to improve the fuel-air mixing, the combustion in cylinder, and performance of diesel engine. The dynamic fuel supply advance angle was optimized to shorter the ignition delay time. The combustion rate and pressure oscillations were then be suppressed during the rapid combustion period. The maximum combustion pressure and the rising rate of the diesel engine under the rated condition were reduced by 18% and 44.9% after optimization, respectively, where the noise of the engine was reduced by 0.73 dB, compared with the original engine. The maximum combustion pressure and the rising rate of the diesel engine were reduced by 39% and 40% under the maximum torque condition, respectively, where the noise of the engine was reduced by 1.07 dB than before. It demonstrated that the combustion noise was reduced significantly in the whole diesel engine after optimization. At the same time, the economy and emission performance of diesel engines reached optimal in a low-power non-road diesel engine.

diesel engine; combustion; noise; low power; non-road use; swirl ratio; fuel injection system

馬志豪，劉瑜娜，董永超，等. 小功率非道路用柴油機(jī)燃燒過程優(yōu)化與降噪[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(15)：40-46.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.005 http://www.tcsae.org

Ma Zhihao, Liu Yuna, Dong Yongchao, et al. Optimization of combustion process and noise reduction of a low power non-road diesel engine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(15): 40-46. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.005 http://www.tcsae.org

2021-04-06

2021-07-27

國家重點研發(fā)計劃資助項目（2016YFD0700800）；國家自然科學(xué)基金項目（51906061）；河南省重點研發(fā)與推廣專項項目（192102310238）

馬志豪，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為內(nèi)燃機(jī)燃燒過程與污染物排放控制。Email：mazhihao@haust.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.005

TK42

A

1002-6819(2021)-15-0040-07