柴油发动机燃烧噪声及其控制

柴油发动机燃烧噪声及其控制

摘要:柴油发动机与汽油发动机相比热效率高、功率大、寿命长、动力性能好,但燃烧噪声远大于汽油机,这在当今环保的大前提下不能不说是一个遗憾。燃烧噪声主要集中在速燃期和缓燃期,其根源是气缸内气体压力的变化。燃烧噪声不可避免,但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等措施来控制和改善。

关键词:柴油发动机燃烧噪声控制措施

通常,柴油发动机与汽油发动机相比热效率高30%,从节约能源降低燃料成本角度上讲,柴油机的推广使用具有重大意义。与汽油机相比它具有功率大,寿命长,动力性能好的特点,排放产生的温室效应比汽油低45%,一氧化碳与碳氢排放也低,在整车的使用寿命期氮氧化合物排放略大于汽油机,但燃烧噪声远大于汽油机。噪声是工业社会的副产品,它与大气污染和水污染一起被认为是当今世界三大公害。与其他两个公害相比,噪声的影响面最广,感觉最直接,人们反映也最多,随着环保与节能可持续发展的严格要求,燃烧噪声这一技术难题显得越发突出,越来越受到关注。

1 燃烧噪声的产生

燃烧噪声与燃烧过程有关,所以从柴油机燃烧过程的四个阶段—滞燃期、速燃期、缓燃期和补燃期来分别研究它。

(1)滞燃期。燃料未燃烧,进行燃烧前必要的物理和化学准备,气缸中的压力和温度变化都很小,因此对噪声的直接影响甚微,但间接影响重大。

（2）速燃期。燃料迅速燃烧,气缸内压力迅速增加,直接影响发动机的振动和噪声。

(3)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。

(4)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。

影响压力增长率的主要因素是着火延迟期的长短和供油规律。延迟期越长,喷入气缸的燃料越多,压力增长率越高,则柴油机的冲击载荷大,柴油机内零件敲击严重,增加了柴油机的结构频率和所辐射的噪声。所以,燃烧过程的激发的噪声主要集中在速燃期,其次是缓燃期。

2 燃烧噪声根源

燃烧噪声的根源是气缸内气体压力的变化,它主要从两方面表现出来。(1)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。(2)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。

3 柴油机产生高声调噪声的原因

(1)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。

(2)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。

4 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:

(1)延迟喷油定时。由于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,可使着火延迟期延期长,燃烧噪声减小。

(2)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。

根据混合气的形成及燃烧精通结构的特点,柴油机的燃烧室分为直喷式和分隔式两大类:A直喷式又分开式、半分开式和球形燃烧室等。B分隔式分涡流室和预燃室。

在其他条件相同的情况下,直喷式燃烧室中的球形和斜置圆桶形燃烧室的燃烧噪声最低,分隔式燃烧室的噪声一般较低。而ω形直喷式燃烧室（半分开式）和浅盆形直喷式燃烧室（开式）的燃烧噪声最大。调节燃烧室结构参数也可降低燃烧噪声。例如:在涡流室式发动机中喷油嘴的喷油方向愈偏离涡流室中心而指向涡流下游,附着于燃烧室壁面的燃料就愈多,燃烧也愈平静;另外增加涡流室喷孔面积比也可减少噪声。

(3)调节喷油系。喷油率对燃烧噪声的影响非常大,试验表明,喷油率提高一倍,燃烧噪声就会增加6dB,因此用减少喷油泵供油率的方法

来减少燃烧噪声,但应注意高速性能的恶化和增加怠速噪声的问题。

(4)提高废气再循环率和进气节流。提高废气再循环率可减小燃烧率,使发动机运转平稳,因此对降低燃烧噪声起到明显作用。而进气节流可使气缸内的压力降低和着火时间推迟,因此进气节流不但能降低噪声,而且还能减少柴油机所特有的角速度波动和横向摆振。

(5)采用增压技术。柴油机增压后进入气缸的空气充量密度增加,使压缩终了时气缸内的温度和压力增高,改善了混合气的着火条件,使着火延迟期缩短。

(6)提高压缩比。提高压缩比可提高压缩终了的温度和压力,使燃料着火的物理、化学准备阶段得以改善,从而缩短着火延迟期,降低压力升高率,降低燃烧噪声;但压缩比增大使气缸内压力增加,会让活塞敲击声增大,因此,提高压缩比不会使发动机的总噪声有很大的降低。

除采取上述措施改进燃烧过程外,还应在燃烧激发力的辐射和传播途径上采取措施,增加发动机结构对燃烧噪声的衰减,尤其是对中、高频成分的衰减。具体的措施有:提高机体及缸套的刚性,采用隔振隔声措施,减少活塞、曲柄连杆机构各部分的间隙,增加油膜厚度,在保持功率的前提下采用较小的缸径,增加缸数或采用较大的S/D值,改变薄壁零件（如油底壳）的材料和附加阻尼。

参考文献