【日】　柴田元

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預(yù)混合壓縮著火發(fā)動機(jī)的燃燒噪聲研究

【日】柴田元

為了在高增壓及高廢氣再循環(huán)率條件下降低低溫預(yù)混合狀態(tài)下的發(fā)動機(jī)燃燒噪聲，簡單介紹從實(shí)際發(fā)動機(jī)試驗(yàn)與模擬計(jì)算2方面開展的研究，即降低預(yù)混合壓縮著火發(fā)動機(jī)燃燒噪聲的方法與效果。

預(yù)混合壓縮著火發(fā)動機(jī)燃燒噪聲熱效率放熱率

0　前言

為了使柴油機(jī)的排放性能滿足今后越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，在高增壓與高廢氣再循環(huán)(EGR)率條件下應(yīng)用低溫預(yù)混合燃燒方式是較為有效的，但另一方面，必須解決降低燃燒噪聲的課題。

雖然與燃燒噪聲關(guān)系最為密切的影響因素是最大壓力升高率，但實(shí)際上還存在多個相關(guān)因素，因此，即便是在較高的最大壓力升高率條件下，也能在某種程度上降低燃燒噪聲。北海道大學(xué)的研究人員從實(shí)際發(fā)動機(jī)試驗(yàn)與模擬計(jì)算2方面著手，以降低預(yù)混合壓縮著火發(fā)動機(jī)的燃燒噪聲為目的，開展了研究，本文將簡單介紹相關(guān)的研究內(nèi)容[1]。

1　燃燒噪聲的評價方法

發(fā)動機(jī)試驗(yàn)使用配裝最新共軌噴油系統(tǒng)的550mL單缸增壓柴油機(jī)?；谟甥溈孙L(fēng)采集的發(fā)動機(jī)噪聲及氣缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，運(yùn)用關(guān)聯(lián)法，測試了燃燒噪聲與噪聲傳遞函數(shù)。

另一方面，在模擬計(jì)算中，基于Wiebe函數(shù)，假設(shè)預(yù)混合壓縮著火發(fā)動機(jī)燃燒時的任意放熱率，并由此計(jì)算得出氣缸內(nèi)壓力及其傳遞函數(shù)，對燃燒噪聲進(jìn)行預(yù)測。例如，在相同的放熱率曲線形態(tài)下，只改變其相位，對燃燒噪聲與放熱率進(jìn)行模擬計(jì)算評價。這種在實(shí)際發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中無法實(shí)施的評價方法能在模擬計(jì)算中被輕易地完成。圖1示出了上述模擬計(jì)算的結(jié)果。結(jié)果表明，在高熱效率條件下，燃燒噪聲也較大，Lund大學(xué)的Johansson教授將這種現(xiàn)象描述為“效率噪聲”，即高效率條件下的噪聲現(xiàn)象。由此可見，要在維持高熱效率的同時降低燃燒噪聲有一定挑戰(zhàn)。

圖1　　　　維持放熱率形態(tài)并改變相位后的熱效率及燃燒噪聲

本研究中，為了應(yīng)用模擬計(jì)算方法探討降低燃燒噪聲的途徑，詳細(xì)地調(diào)查了放熱率曲線形態(tài)，利用增壓及EGR等改變放熱率曲線形態(tài)，并結(jié)合實(shí)際發(fā)動機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

2　放熱率曲線形態(tài)對熱效率與燃燒噪聲的影響(模擬結(jié)果)

2.1放熱率50%的曲軸轉(zhuǎn)角位置

由圖1中的結(jié)果可知，如果為降低燃燒噪聲而提前或延遲放熱率達(dá)50%的曲軸轉(zhuǎn)角(CA50)，則熱效率也會同時降低，所以，僅僅從CA50的角度出發(fā)，是難以同時實(shí)現(xiàn)高熱效率與低燃燒噪聲的。

2.2放熱率的早期升高

如果放緩高溫氧化反應(yīng)的早期呈現(xiàn)上升趨勢，則燃燒初期的最大壓力升高率會受到抑制，從而有效地降低燃燒噪聲。在進(jìn)行噪聲頻率分析后發(fā)現(xiàn)，尤其在2000Hz以上的高頻區(qū)域，燃燒噪聲的降低效果是較為顯著的。此外，為了維持較高的熱效率水平，縮短燃燒后期時間、提高等容度的燃燒形態(tài)是較為有利的。

2.3燃燒持續(xù)期與放熱率峰值

在放熱率峰值為恒定值的條件下，延長燃燒持續(xù)期，發(fā)動機(jī)的負(fù)荷會隨之升高，一般認(rèn)為此時的燃燒噪聲會加大，但實(shí)際上，如果抑制燃燒初期的放熱，就有可能降低燃燒噪聲。此外，在燃燒持續(xù)期不變的條件下，如果增大放熱率峰值，那么，在整個頻域內(nèi)，燃燒噪聲都會加大。因此，在以相同負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，如果在等容度不發(fā)生惡化的范圍內(nèi)延長燃燒持續(xù)期，抑制放熱率峰值，使其處于較低的水平，則可以實(shí)現(xiàn)兼顧低燃燒噪聲與高熱效率的發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3　實(shí)際發(fā)動機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

圖2示出了利用增壓與EGR，在相同負(fù)荷條件下改變放熱率后放熱率與氣缸內(nèi)壓力的關(guān)系。圖3示出了此時的燃燒噪聲頻率分析結(jié)果。結(jié)果表明，利用增壓及EGR，抑制放熱率峰值，延長燃燒持續(xù)期，使高溫氧化反應(yīng)的初期速度放緩，就可以在熱效率不發(fā)生惡化的前提下，降低燃燒噪聲達(dá)6.3 dB(A)， 同時，還能成功抑制300 Hz以上頻域的發(fā)動機(jī)燃燒噪聲。

圖2　燃燒噪聲的降低(實(shí)際發(fā)動機(jī)試驗(yàn))

圖3　噪聲頻率分析結(jié)果(實(shí)際發(fā)動機(jī)試驗(yàn))

[1]Shibata G, et al. Combustion noise analysis of premixed diesel engine by engine tests and simulations[C].SAE Paper 2014-01-1293.

2015-07-30)