姜智超， 姜順超， 甄龍信

(1.廣西科技師范學(xué)院,來賓 546100； 2. 青島海爾電冰箱有限公司，青島 266103；3. 燕山大學(xué)，秦皇島 066000)

柴油機(jī)的主要噪聲來源于燃燒噪聲，特別是怠速工況下的燃燒噪聲，其所占柴油機(jī)整體噪聲的比重非常大.因此，降低柴油機(jī)的燃燒噪聲是改善柴油機(jī)噪聲的重要途經(jīng).改善柴油機(jī)的燃燒噪聲主要有兩種途徑：一種是通過分析柴油機(jī)的燃燒機(jī)理，從本質(zhì)上降低燃燒噪聲；另一種途徑是利用結(jié)構(gòu)衰減的方法來降低柴油機(jī)的燃燒噪聲，通過改變?nèi)紵肼曉跈C(jī)體上的傳遞路徑，噪聲本身的能量會被發(fā)動機(jī)本身的結(jié)構(gòu)所減弱，從而降低其燃燒噪聲.

國內(nèi)外學(xué)者研究了柴油機(jī)燃燒噪聲的傳遞特性，通過改變?nèi)紵肼暤膫鬟f路徑來衰減柴油機(jī)的燃燒噪聲，從而降低發(fā)動機(jī)整機(jī)噪聲[1-2].李兆文等[3-8]國內(nèi)學(xué)者對柴油機(jī)進(jìn)行了多次預(yù)噴射、節(jié)氣門開度和增壓來改善柴油機(jī)燃燒噪聲的試驗(yàn)研究，研究表明噴油策略中的噴油提前角、噴油器噴孔數(shù)、噴油器錐角、進(jìn)氣量等參數(shù)可以影響柴油機(jī)的燃燒噪聲，合理的噴油參數(shù)設(shè)置可以有效降低柴油機(jī)的燃燒噪聲.李強(qiáng)等[9]研究了EGR的效率、溫度及耦合噴油參數(shù)對發(fā)動機(jī)燃燒噪聲的影響.尤險(xiǎn)峰等[10]通過柴油機(jī)的臺架試驗(yàn)，分析了影響柴油機(jī)燃燒噪聲的二級因素，試驗(yàn)結(jié)果表明，噴油策略等參數(shù)的改變可以有效減小柴油機(jī)的燃燒噪聲.

通過研究現(xiàn)有文獻(xiàn)，大多是在以上描述的幾個(gè)方面來研究如何改善柴油機(jī)的燃燒噪聲，并且相關(guān)文獻(xiàn)對于柴油機(jī)怠速工況下燃燒噪聲的研究較少，文章將采用一種新的方法來研究如何改善柴油機(jī)怠速工況下的燃燒噪聲，此方法是通過控制EGR來改善怠速下的燃燒噪聲問題，同時(shí)兼顧進(jìn)行柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動的測試.

1 試驗(yàn)原理

1.1 EGR影響燃燒噪聲的原理

EGR最初目的是為了降低排放，并提高發(fā)動機(jī)的效率，隨著人們對汽車NVH(Noise、Vibration、Harshness，噪聲、振動與聲振粗糙度，)性能要求的提高，EGR技術(shù)已經(jīng)被用來改善柴油機(jī)的噪聲問題.

EGR按照排氣的再循環(huán)方式主要分為內(nèi)部EGR和外部EGR.內(nèi)部EGR的工作原理是：通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣門和排氣門的開閉時(shí)刻，控制一部分廢氣留在缸內(nèi)，讓其參與下一個(gè)循環(huán)的燃燒，可通過氣門重疊角來控制EGR率.外部EGR的工作原理是：排氣管內(nèi)的廢氣，經(jīng)過控制閥、冷卻器等流入進(jìn)氣歧管，然后這些廢氣再與空氣混合后重新進(jìn)入氣缸，應(yīng)用大比例EGR是實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)預(yù)混合壓燃的有效方法，大比例EGR可有效降低進(jìn)氣中的氧氣濃度，延長滯燃期，使燃料及空氣擁有較為充裕的混合時(shí)間，增加預(yù)混合比例.通過控制EGR率，還可有效地控制預(yù)混合壓燃的著火時(shí)刻，從而提高發(fā)動機(jī)的燃燒效率[11-12].

試驗(yàn)機(jī)型采用的是外部EGR，當(dāng)排出的廢氣經(jīng)過此系統(tǒng)時(shí)，EGR使進(jìn)氣溫度提高，從而使燃燒室壁溫度和進(jìn)氣溫度有所提高，等于給滯燃期升溫，使滯燃期縮短，滯燃期內(nèi)的熱量會顯著增加，可有效降低燃燒時(shí)氣缸內(nèi)部的壓力升高率，從而降低了燃燒噪聲[13].

1.2 進(jìn)氣量影響燃燒噪聲的原理

試驗(yàn)中根據(jù)不同節(jié)氣門的開度來測試EGR開關(guān)下對柴油機(jī)燃燒噪聲的影響.其中，單純地控制進(jìn)氣也可以改善柴油機(jī)的燃燒噪聲，通過減小節(jié)氣門的開度可有效降低氣缸的壓力和壓力升高率，從而有效降低燃燒噪聲.

1.3 轉(zhuǎn)速波動測試原理

合理地控制EGR還可減小柴油機(jī)所持有的角速度波動和橫向擺振，從而改善怠速下柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動的問題.

試驗(yàn)的原理是：用曲軸位置傳感器測量的數(shù)據(jù)來分析柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速波動.此傳感器為電磁感應(yīng)式傳感器，曲軸靶輪上有58個(gè)齒槽，每一個(gè)齒槽的間隔角為6度，靶輪上還有一個(gè)缺齒槽，用于生成同步的脈沖信號.電磁感應(yīng)原理是：當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子中的齒槽將改變磁感應(yīng)傳感器的磁場，變化的磁場就會產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電壓的脈沖信號.因此，曲軸每旋轉(zhuǎn)一圈，傳感器就會測得58個(gè)脈沖信號，根據(jù)每個(gè)脈沖對應(yīng)相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)就能算出每個(gè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速，這樣就很容易分析出柴油機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)是否出現(xiàn)嚴(yán)重的波動.

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)環(huán)境

燃燒噪聲試驗(yàn)的場所在標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機(jī)NVH半消聲室內(nèi)進(jìn)行，室內(nèi)天花板及四周墻壁均安裝有消聲材料，地面為平整水泥地面，室內(nèi)產(chǎn)生的背景噪聲小于20 dB(A).發(fā)動機(jī)安裝在電渦流測功機(jī)試驗(yàn)臺架上，并安裝正常運(yùn)轉(zhuǎn)所必要的附件，如發(fā)電機(jī)、起動機(jī)、皮帶、水泵等.測試過程中，冷卻水溫度控制在正常范圍內(nèi)，并且在進(jìn)氣管路、排氣管路、臺架支撐腿等非發(fā)動機(jī)主體部分處使用吸音材料包裹.

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備的布置如圖1所示，測試中使用的主要設(shè)備分別是：LMS SCADAS Mobile數(shù)據(jù)采集前端、AVL公司的燃燒分析儀、BSWA傳聲器、PCB振動加速度傳感器、麥克風(fēng)陣列及工作站一臺，數(shù)據(jù)分析軟件使用的是西門子公司的LMS Test. Lab.

圖1 測試系統(tǒng)示意圖

2.3 試驗(yàn)方法

如圖2所示，缸壓傳感器布置在缸內(nèi)，在正時(shí)、進(jìn)氣、排氣、頂部距離發(fā)動機(jī)一米處安置麥克風(fēng).在怠速750 r/min的工況下測試不同節(jié)氣門開度及EGR開關(guān)下的缸壓、壓升率、燃燒噪聲的數(shù)值.

圖2 缸壓傳感器位置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 EGR開關(guān)對燃燒噪聲的影響

如圖3所示為怠速工況下，EGR開(EGR5%)和EGR關(guān)(EGR0%)時(shí)，水溫和每循環(huán)各缸平均進(jìn)氣量(簡稱進(jìn)氣量)在不同節(jié)氣門開度下變化的曲線.由圖可知，EGR的開關(guān)對水溫并沒有顯著的影響，特別是節(jié)氣門開度在10%左右時(shí)，兩者的水溫幾乎一致，但在開度為6%時(shí)，水溫出現(xiàn)明顯下滑，因此，為了保證發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的溫度，節(jié)氣門的開度不能過小.

圖3 怠速-水溫與每循環(huán)各缸平均進(jìn)氣量的變化圖

EGR的開關(guān)對進(jìn)氣量有明顯的影響，EGR開度為0%的時(shí)候，其進(jìn)氣量明顯高于EGR開度5%時(shí)的進(jìn)氣量，最大差值大約在130 mg，但兩者的差異隨著節(jié)氣門開度的減小也隨之減小.

如圖4所示，比較EGR開和關(guān)這兩種狀態(tài)下，最大缸壓(Pmax)和最高壓升率(Rmax)在不同節(jié)氣門開度下的區(qū)別.從Pmax的曲線可以看出，節(jié)氣門開度在13%以下時(shí)，在EGR5%時(shí)的Pmax要高于在EGR0%時(shí)的Pmax，而且兩者之間差異隨節(jié)氣門開度的減小而增大，最大差值將近10 bar；分析Rmax的曲線變化可知，當(dāng)節(jié)氣門開度在9%以下時(shí)，在EGR5%時(shí)的Rmax要高于EGR0%，并且兩者之間的差異隨著節(jié)氣門開度的減小而增大，最大差值將近2.0 bar/(°).其中，Rmax是最能直接影響柴油機(jī)燃燒噪聲的參數(shù)，因此,要特別關(guān)注節(jié)氣門開度為9%時(shí)的情況.

圖4 怠速- Pmax & Rmax

由上圖分析可知，節(jié)氣門開度低于9%時(shí)，EGR5%時(shí)的Rmax相對高于EGR0%時(shí)曲線，如圖5所示，在節(jié)氣門開度在9%時(shí)，燃燒噪聲值開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，此時(shí)EGR5%時(shí)的燃燒噪聲高于EGR0%時(shí)的燃燒噪聲.同理，當(dāng)節(jié)氣門開度在9%以上時(shí)，EGR5%時(shí)的燃燒噪聲相對更小.根據(jù)以上分析可以更加確定，Rmax直接影響柴油機(jī)的燃燒噪聲，而且Rmax和燃燒噪聲的變化趨勢幾乎是同步的.因此，當(dāng)節(jié)氣門開度在9%以上時(shí)，打開EGR有利于降低柴油機(jī)的燃燒噪聲，噪聲值最高可以降低1 dB.

圖5 怠速-燃燒噪聲

3.2 EGR對轉(zhuǎn)速波動的影響

轉(zhuǎn)速波動問題主要發(fā)生在節(jié)氣門開度很小的時(shí)候，因?yàn)閴毫ι呗手苯佑绊懥税l(fā)動機(jī)的振動與噪聲，所以文章對相應(yīng)節(jié)氣門開度下的壓力升高率進(jìn)行了研究.

如圖6所示，為節(jié)氣門開度在5%和6%時(shí)的壓力升高率曲線.當(dāng)節(jié)氣門開度在5%時(shí)，壓升率曲線只有兩個(gè)明顯的峰值，而節(jié)氣門開度6%時(shí)，有3個(gè)明顯峰值.這是因?yàn)楣?jié)氣門開度5%時(shí)，由于進(jìn)氣量不足，從而導(dǎo)致氣缸內(nèi)部的燃油混合氣不能充分燃燒，這種情況也會引起柴油機(jī)在怠速狀態(tài)下產(chǎn)生轉(zhuǎn)速波動的問題，嚴(yán)重還會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熄火.

圖6 壓力升高率

EGR的開關(guān)對轉(zhuǎn)速波動也會產(chǎn)生一定影響，我們比較轉(zhuǎn)速波動最嚴(yán)重的工況，如圖7所示，是怠速下節(jié)氣門開度為5%時(shí)的轉(zhuǎn)速波動曲線.圖中，EGR5%時(shí)的曲線峰值明顯比EGR0%時(shí)的峰值要平穩(wěn)一些，峰值處的波動差值低了約6 r/min.因此，EGR打開時(shí)可改善怠轉(zhuǎn)速波動的問題.

圖7 怠速節(jié)氣門5%-轉(zhuǎn)速波動

4 結(jié) 論

1)怠速工況下，打開EGR可使燃燒噪聲在一定范圍內(nèi)有所降低，這個(gè)范圍一般是在節(jié)氣門開度9%以上時(shí)才有明顯的效果，噪聲值大約降低了1 dB.

2)怠速工況下，當(dāng)節(jié)氣門開度低于6%時(shí)，由于壓力升高率的異常變化會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動，此時(shí)打開EGR可以一定程度地改善柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速波動，峰值處的波動差值也減小了將近6 r/min.