柴油发动机燃烧噪声及控制

柴油发动机燃烧噪声及控制

——三环专汽 贾骏俊

关键词：燃烧噪声：Combustion noise

控制：Controls

柴油发动机：Diesel engine

频率：Frequency

目录：发动机噪声分类

柴油发动机主要噪声

柴油发动机燃烧噪声产生原因及控制方法

总结

发动机是汽车的主要噪声源，在我国，发动机噪声约占汽车总噪声的55%以上，因此为降低汽车噪声总水平，应以控制发动机噪声为主要目标。

四冲程发动机工作循环由进气、压缩、燃烧和排气行程构成，从点火开始到燃烧结束期间是燃烧噪声的主要产生期，快速燃烧冲击和燃烧压力振荡构成了气缸内压力谱的中高频分量。燃烧噪声是具有一定带宽的连续频率成份，在总噪声的中高频段占有相当比重。柴油机缸内压力较高，且压力增长率最大值远高于汽油机，所以柴油机的燃烧噪声远高于汽油机。

发动机的型式不同，其各噪声源所占发动机总噪声的比例也不同。柴油机的主要噪声源是燃烧噪声，汽油机的主要噪声源是进、排气噪声和配气机构噪声；风扇噪声在风冷汽油机中是主要噪声源之一。

燃烧噪声：发动机工作时，气缸内周期性变化的气体压力的作用而产生的。它主要由发动机的燃烧方式和燃烧速度来决定。

机械噪声：发动机工作时，各运动件之间以及运动件与固定件之间由周期性变化的机械作用力的作用而产生的。它与激发力的大小、运动件的结构等因素有关。

一. 燃烧噪声的特性

燃烧噪声，是柴油发动机工作时，气缸内周期性变化的气体压力的作用而产生的。它主要由发动机的燃烧方式和燃烧速度来决定。它主要是由于燃料在气缸内燃烧时，气缸内压力急剧上升而产生的动载荷和冲击波的高频振动（气缸压力波实质上是包含很宽的频率和幅值的一系列谐波的迭加），分别通过活塞、连杆、曲轴、主轴承和气缸盖以及缸套侧壁而传到机体外表面，使柴油机不同的固有频率的零件被激发而振动，从而辐射出强烈的燃烧噪声。

燃烧过程进行的好坏，不仅对柴油机的动力性和经济性指标有密切关系，而且也影响到它发出的噪声。柴油机的燃烧过程通常分为四个阶段：着火延迟期（滞燃期）、速燃期、缓燃期和后燃期。

⑴滞燃期

滞燃期较短，在柴油机中一般为0.0003-0.0007s，在如此短的时间内，喷入气缸内的燃油却要经过一系列的物理化学过程。其中包括燃油的雾化、加热、蒸发扩散，与空气混合以及着火前的化学反应准备。虽然此时缸内的压力、温度升高都比较缓慢，基本上没有燃料燃烧，形不成明显的噪声。但对整个燃烧过程潜在的影响很大，是产生噪声的一个关键环节

⑵速燃期

在速燃期阶段，滞燃期和速燃期喷入气缸内的燃油几乎是同时开始燃烧，并且是在活塞靠近上死点（也称上止点）时气缸容积很小的情况下（近似等容变化）进行的。因此气缸内的压力急剧上升，对柴油机施加了一个很大的冲击性载荷，使柴油机内不同固有频率的零件被激发而振动，从而产生强烈的燃烧噪声，即它直接影响到内燃机的振动和噪声，影响的程度可以用气缸内相应单位曲轴转角的平均压力增长率dp/dψ（N/cm）、最高爆发压力Pzmax 等来表示。影响速燃期内平均压力增长率的主要因素是着火延迟期的长短以及供油规律。着火延迟期愈长，在此期间内喷入气缸的燃油愈多，那么平均压力增长率和最高燃烧压力也就愈高。因此，速燃期是柴油机产生燃烧噪声的主要阶段。

⑶缓燃期

气缸内压力有所增长，但增长率小，能激发一定程度的燃烧噪声，但对噪声的影响不显著。

⑷补燃期

活塞下行且绝大多数燃料已在前两个时期内燃烧完毕，对燃烧噪声影响不大。

综上所述，燃烧过程的激发的噪声主要集中在速燃期，其次是缓燃期。

燃烧噪声主要表现在两方面

⒈由缸内压力急剧变化引起的动力负荷，由此产生结构振动和噪声，其频率相当于各传声零件的自振频率。

⒉ 由气缸内气体的冲击波引起的高频振动和噪声，其频率为气缸内气体的自振频率。

燃烧噪声的根源是气缸内气体压力的变化。

柴油机产生高频噪声的原因：

⒈在速燃期内产生的气体动力载荷，使柴油机内相应零件受到一种敲击。由于柴油机的结构可视为一个复杂的振动系统，大多数零件的自振频率处在中、高频率范围内，因此，由结构传声而向外辐射的燃烧噪声频率也处在中、高频率范围内。

⒉由气体动力载荷引起的噪声，主要取决于压力增长率及最大压力增长率持续的时间，压力增长越快，持续高增长率时间越长，则噪声就越大。在燃烧过程中，随着气缸内气体压力的剧变，与火焰传播的同时，冲击性质的压力波也随着传播，当冲击波达到燃烧室壁面后将进行多次反射，从而形成了气体的高频振动。

气缸压力曲线描述了压力变化规律，可以得到燃烧噪声与着火延迟期、压力增长率等因素的关系。

气缸压力谱描述了压力变化规律，显示出气缸压力曲线所包含的频率结构和每种频率成分强度的大小，深刻揭示了燃烧噪声与气缸压力变化及其所引起振动和噪声的传播途径的关系。

气缸压力谱

由气缸压力谱知，气缸压力曲线实质上是由不同频率、不同幅值的一系列谐波叠加而成。发动机的结构振动问题可按线性系统来处理，因此据线性系统的叠加原理，气缸压力的总作用等于这一系列谐波单独激发的总和。一般认为，这一系列谐波，由两条途径从气缸内传播出去：

⒈ 经气缸盖和气缸套

⒉ 经曲柄连杆机构，即活塞、连杆、曲轴及主轴承。

由于发动机结构中大多数零件的刚性较高，而中、高频率的压力级易于传出，即发动机的结构对燃烧噪声的低频段衰减大，对高频段衰减相对较小。

二. 燃烧噪声控制

降低柴油机燃烧噪声的根本措施是降低压力增长率。而压力增长率取决于着火延迟期和在着火延迟期内形成的可燃混合气的数量和质量，因此可通过选用十六烷值高的燃料，合理组织喷油过程及选用良好的燃烧室来实现。具体措施如下：

⑴ 延迟喷油定时

气缸内压缩温度和压力是随曲轴转角变化的，喷油时间的早晚对于着火延迟期长短的影响将通过压缩温度和压力而起作用。若喷油早，则燃料进入气缸时的空气温度和压力低，着火延迟期变长；若喷油过迟，同样燃料进入气缸时的空气温度和压力反而变低，着火延迟期变长，燃烧噪声增大；只有适当推迟喷油时间，即减小喷油提前角，可使着火延迟期延长期变短，燃烧噪声减小。

⑵ 改进燃烧室结构形状和参数

柴油机工作过程的好坏主要取决于燃油喷射、气流运动和燃烧室形状三方面的配合是否合理。因此，燃烧室的结构形状与混合气的形成和燃烧有密切关系，它不但直接影响柴油机的性能，而且影响着火延迟期、压力升高率，从而影响燃烧噪声。