DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.039
共轨压力对柴油机噪声及声品质的影响
张庆辉，郝志勇，张焕宇，郑康
(浙江大学 能源工程学院，浙江 杭州，310027)
摘 要：
油机为例研究共轨压力的提高对发动机噪声及声品质的影响机理。对发动机转速1 600 r/min和2 600 r/min全负荷工况下不同共轨压力的发动机噪声和缸内压力进行试验测量，对比不同轨压下的发动机噪声和声品质客观评价指标，并通过燃烧噪声的分析对其影响机理进行研究。最后，从发动机结构衰减和燃烧噪声方面对降噪提出方案。研究结果表明：提高轨压后，发动机整机噪声增大，高频范围更加明显；噪声响度、粗糙度和尖锐度升高；主要原因是轨压的提升使滞燃期内产生更多的可燃混合气，使得缸内压力、高频振荡幅值、压力升高率和放热率增大，燃烧更剧烈，导致燃烧噪声变大，主要体现在高频范围。
关键词：
中图分类号：TK422 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)03-1017-07
Influence of common rail pressure on noise and sound quality of diesel engine
ZHANG Qinghui, HAO Zhiyong, ZHANG Huanyu, ZHENG Kang
(College of Energy Engineering, Zhengjiang University, Hangzhou 310027, China)
Abstract: The influence mechanism of common rail pressure on noise and sound quality of diesel engine was studied through taking a 493-type engine as an example. Engine noise and cylinder pressure at 1 600 r/min and 2 600 r/min under full load conditions were measured in the case of different common rail pressures. Then engine noise and sound quality objective evaluation parameters at different common rail pressures were compared. The influence mechanism was discussed by analyzing the combustion noise. Finally, the noise reduction schemes were put forward from the aspects of engine structure attenuation and combustion noise. The results show that the engine noise increases, especially in high frequency range after improving common rail pressure. And the sound loudness, roughness and sharpness of engine noise also increase and the sounds become more discordant. The primary reason is that more combustible mixture is generated when the common rail pressure rises. It causes the cylinder pressure, the amplitude of high-frequency pressure oscillation, the pressure rising rate and the rate of heat release to rise. The combustion process becomes ruder and combustion noise increases, which is mainly showed in the high frequency range.
Key words: diesel engine; common rail pressure; noise; sound quality; combustion noise
由于柴油机的经济性和低污染物、低CO2排放等优点，近年来获得了越来越广泛的应用。但是柴油机振动噪声大是不可忽视的问题[1-3]。高压共轨喷油系统通过灵活、精确地调节喷油压力、喷油时刻等供油参数，使柴油机获得更好的燃烧特性，达到降低燃油消耗，减少污染物排放的目的。同时，提高共轨压力有利于降低颗粒物与NOx排放，但对发动机的燃烧过程以及声学性能会产生影响[4-5]。燃烧噪声是发动机主要噪声源之一，它是气缸内混合气的燃烧引起压力剧变从而产生气体动力载荷，通过结构传递到发动机表面辐射出的噪声，主要由燃烧过程控制[6-7]。因此，研究共轨压力对燃烧噪声的影响机理对柴油机低排放和低噪声的优化具有重要的意义。国内外科研工作者在柴油机燃烧噪声的研究方面进行了大量的工作[8-14]，但这些工作对共轨压力对发动机燃烧噪声的影响研究欠深入，且都未涉及到声品质的研究。在此，本文作者以某493型柴油机为研究对象，研究了共轨压力对发动机整机噪声和声品质的影响，并从燃烧噪声方面研究了其影响的机理，为轨压提高后发动机的噪声和声品质优化工作提供参考。
1 试验设备及条件
选用某国产493型直喷式增压中冷柴油机作为试验对象。该发动机配有BOSCH公司高压共轨喷油系统和电控单元，采用ω型燃烧室，具体参数见表1。
表1 某493型柴油机主要参数
Table 1 Main index of 493 diesel engine
试验装置如图1所示。采用瑞士Kistler公司的Kibox燃烧分析仪监控发动机燃烧状态。压电式缸压传感器通过预热塞孔安装到发动机第4缸燃烧室内，曲轴转角传感器安装在曲轴前端皮带轮上，两者信号经放大后输入到数据采集与分析系统内，每隔0.1°曲轴转角采集1次数据，每次测量采集60个循环的缸压信号，并在其中取50个循环的平均信号进行分析。噪声测试采用的是丹麦B&K公司3560C型振动噪声测试前端和pulse8.0分析软件。柴油机进、排气侧，前端及顶端距发动机表面1 m处各布置1个自由声场传声器，分别用来测量柴油机噪声及声品质情况。为保证声学测试结果的可靠性，整个试验均在半消声室内进行，并屏蔽测功机及其冷却水等环境噪声，引出进气与排气避免空气动力噪声的干扰。
图1 试验装置示意图
Fig. 1 Sketch of experimental setup
2 试验结果与讨论
提高喷油压力后，燃油的喷射速率加快，油束贯穿率升高，加速了燃油的雾化，从而降低颗粒和NOx排放，但同时使发动机燃烧过程剧烈，噪声升高。发动机在转速1 600和2 600 r/min全负荷工况下运行，改变喷油系统的共轨压力，并同时测量发动机的噪声和缸内压力信号。
2.1 发动机噪声及声品质评价
为了评价柴油机改变喷油参数后的总辐射噪声，对试验测得的声压级按式(1)进行平均，得到柴油机平均声压级：
式中：
和
分别为平均声压级和第i个测点的声压级，dB(A)；N为测量点数，个，在本试验中，N=4。
随着人们对舒适性的要求越来越高，A计权声压级已不能反映人对声音的真实感受，声品质成为评价声音适宜性的主要指标。响度、粗糙度、尖锐度、音调、抖动度等都是常见的声品质客观评价参量[15-16]。本文选取前3个参量对该柴油机的声品质进行评价。
响度(Loudness，单位为sone)是反映人耳对声音强弱主观感受程度的心理学参数。Zwicker响度数学表达式为：
式中：L为总响度；z为心理学的临界频带数；fBark为以特征频带为基础的频率尺度；
为临界频率的特征响度；LE为修正值；e1=0.25；常数K1取0.063 5；LHS为静域值。
尖锐度(Sharpness，单位为acum)反映了声音的刺耳程度，描述高频成分在声音频谱中所占比例。规定中心频率为1 kHz、带宽为160 Hz的60 dB窄带噪声尖锐度为1 acum。Zwicker尖锐度模型为
其中：g(z)为根据不同临界频带设置的响度计权函数，
粗糙度(Roughness，单位为asper)用来描述调制频率在20~300 Hz时声音的瞬时变化。其Fast1法数学表达式为
式中：fmod为调制频率；ΔLE(z)为特征频带内的激励级差。
图2所示为所测发动机各个测点的A计权声压级和计算得到的平均声压级随供油系统共轨压力升高的变化情况。总的来看，在转速为1 600和2 600 r/min工况下，整机平均声压级都随共轨压力的升高而增大，且和4个测点的声压级变化趋势基本一致。发动机前端测点声压频谱图如图3所示。从图3(a)可以看出：转速为1 600 r/min时，发动机前端测点噪声在共轨压力升高后，0~10 kHz全频段范围内的A计权声压均增大，在1.5 kHz以上的中高频范围这种趋势更加明显。而由图3(b)可见：提高共轨压力后，转速为2 600 r/min时，发动机前端测点的噪声在0~5 kHz范围内变化不是很明显，但在5 kHz以上的高频范围显著升高。
图2 发动机噪声声压级
Fig. 2 Sound pressure levels of engine noise
图3 发动机前端测点声压频谱图
Fig. 3 Spectrums of sound pressure of engine front side
计算了各个测点的噪声的声品质客观评价指标，结果发现各个测点的噪声随共轨压力改变而变化的规律一致。图4所示为发动机各工况下前端测点的噪声响度、粗糙度和尖锐度随共轨压力升高而变化的情况。
响度是基于人耳对声音频谱的掩蔽特性来反映人耳对声音强弱感知程度的心理学参量，比A计权更能反映人耳的真实感受[15]。响度越大，人耳听到的声音越响。从图4(a)看到：噪声响度的变化趋势和整机平均A计权声压级的趋势相同，2个工况下均随共轨压力的升高而增大，人耳听起来噪声也更加响亮，人耳感知更不舒适。
图4 发动机声品质客观评价指标
Fig. 4 Sound quality objective evaluation parameters of engine
粗糙度用来表示声音在低频时的瞬时变化情况的参量，粗糙度越大，声音在低频时抖动越大，反之，声音抖动越小。由图4(b)可见：共轨压力提高后，前端测点处噪声粗糙度相应升高，噪声的低频范围瞬时变化波动更大，噪声听起来更加粗糙，不平顺，不饱满。
从图4(c)可知：在转速为1 600和2 600 r/min工况下，发动机噪声的尖锐度随共轨压力的提高而升高，噪声频谱高频范围的噪声能量与总噪声能量之比增大，这与图3(a)和图3(b)中共轨压力提升后高频噪声升高较大的趋势吻合。同时人耳对声音的主管感受也表现为更加尖锐、刺耳。
2.2 发动机燃烧噪声的影响
共轨压力提高后，发动机整机噪声明显升高，根据机械噪声和发动机转速成正比的原理，燃烧噪声的增加是造成整机噪声增大的主要原因。燃烧噪声同样以转速为1 600和2 600 r/min全负荷工况为例进行分析。图5和图6所示分别为发动机在2个工况下不同共轨压力时的气缸压力、压力级频谱、压力高频振荡、压力升高率和燃烧放热率曲线。当转速为1 600 r/min时主喷提前角、预喷提前时间和预喷油量分别为-6.5°，1 055 μs和1.52 mg；当转速为2600 r/min时，其值分别为-0.9°，1 750 μs和3.84 mg。
从图5(a)可以看到：当转速为1 600 r/min时，共轨压力由100 MPa提高到140 MPa后，上止点附近压力虽然稍有下降，但缸内压力曲线第1峰值处最大爆压变化不明显，但第2峰值处压力明显升高。由图5(b)可见：共轨压力提高后，低频段缸内压力级未升高，但当频率为1.5 kHz以上时压力级显著升高，且高频振荡幅值增大。图5(c)所示为对缸压信号进行4 kHz高通滤波后的压力高频振荡曲线，其中，轨压100 MPa时最大幅值为2.23×105 Pa，轨压140 MPa时最大幅值为4.03×105 Pa。压力升高率对中高频燃烧噪声具有显著的影响。由图5(d)可知：轨压升高后，压力升高率明显增大(最大压力升高率分别为0.64 MPa/(°)和1.10 MPa/(°))，缸内压力升高速度加快，燃烧过程更加粗暴。由图5(e)可见：轨压提高到140 MPa，放热率升高，放热速度加快，且放热率曲线前移，尖峰更窄，说明燃烧过程放热加快，与压力升高率变化一致。
由图6(a)可见：当转速为2 600 r/min时，共轨压力从140 MPa提高到160 MPa后，缸内压力稍有升高，压力级频谱在4 kHz以下的低频段变化不大，高频振荡幅值增大，当轨压140 MPa时，高频振荡最大幅值为399 kPa，而轨压160 MPa时为502 kPa。压力升高率和放热率均增大(最大压力升高率分别为1.03 MPa/(°)和1.28 MPa/(°))，燃烧过程更加剧烈，燃烧噪声增大。
图5 1 600 r/min发动机燃烧过程参数
Fig. 5 Combustion process parameters of engine at 1 600 r/min
图6 2 600 r/min发动机燃烧过程参数
Fig. 6 Combustion process parameters of engine at 2 600 r/min
2.3 试验结果讨论
柴油机高压共轨喷油系统共轨压力提高后，喷油压力升高，喷油速度加快，单位时间内喷入气缸内的燃油增多。同时，喷油压力的升高有利于提高油束的贯穿率，加速燃油的雾化，导致滞燃期内生成更多的可燃混合气，从而恶化了燃烧过程，使得缸内压力升高率增大，加剧了压力的高频振荡，燃烧噪声升高。进而引起了发动机噪声频谱高频显著升高，整机噪声平均声压级增大，同时噪声响度、粗糙度和尖锐度均增大，声音听起来更不悦耳。
3 发动机噪声优化
为了降低柴油机油耗和污染物排放，提高共轨压力是柴油机开发的必然趋势，但轨压的提高导致发动机噪声的恶化也同样不能忽视，因此，对轨压提高而产生的噪声增加必须加以优化。
把转速1 600 r/min和2 600 r/min时不同共轨压力下的缸内压力级频谱减去对应的发动机前端噪声测点处的噪声频谱，得到噪声衰减曲线，再将相同转速下的各条曲线平均，得到发动机前端1 m测点处的噪声衰减曲线，如图7所示。从图7可见：转速2 600 r/min时噪声衰减量略大于1 600 r/min时噪声衰减量，这是由于高转速时，机械噪声在发动机总噪声中占的比例较大。同时，低频时，噪声衰减量最大，随着频率的升高，衰减量逐步较小，在1~3 kHz之间达到最小，频率继续升高，衰减量又逐渐增大，但仍然较小。这也是缸内压力高频振荡更容易影响发动机噪声的原因之一。因此，从发动机的结构入手，对发动机的噪声进行优化，提高结构刚度，特别是抑制结构高频共振，提高缸压衰减量，从传递路径上减小噪声。
图 7 发动机衰减曲线
Fig. 7 Attenuation curves of engine
另一方面，可以从优化发动机燃烧过程入手，改变喷油参数，使发动机燃烧更加柔和，从根源上降低噪声，改善声品质。在试验中将1 600 r/min主喷提前角改为-2.5°，预喷提前时间改为2 450 μs；2 600 r/min主喷提前角改为5°，预喷提前时间改为2 538 μs。表2所示为优化后发动机噪声和发动机排气侧测点的噪声声品质指标的变化情况。从表2可知：燃烧噪声优化后，在1 600 r/min工况下整机平均声压级降低了1.2 dB，在2 600 r/min工况下整机平均声压级降低了1.5 dB。同时，2个工况下的噪声响度、粗糙度和尖锐度都明显下降，声品质得到了改善。说明调整喷油规律后，主喷提前角和预喷提前时间达到了对燃烧噪声比较理想的组合，使得缸内混合气着火延迟期缩短，滞燃期内形成的可燃混合气量降低，有利于降低压力升高率，从而降低了燃烧噪声。
表2 发动机燃烧噪声优化前后噪声及声品质对比
Table 2 Comparison of noise and sound quality of engine after combustion noise optimization
4 结论
1) 柴油机提高共轨压力后，滞燃期内生成了更多的可燃混合气，燃烧更加粗暴。缸内压力、高频振荡幅值、压力升高率和放热率增大，使燃烧噪声升高。
2) 共轨压力的提升对柴油机燃烧噪声的影响主要体现在高频范围。
3) 轨压升高，发动机噪声平均声压级增大，噪声响度、粗糙度和尖锐度升高，声音更加不悦耳。
4) 优化发动机噪声及声品质，可以通过优化喷油参数，改善燃烧过程对柴油机噪声进行优化，并改善声品质。
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(编辑 赵俊)
收稿日期：2015-03-05；修回日期：2015-05-18
基金项目(Foundation item)：“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAE22B05) (Project(2011BAE22B05) supported by the National Science and Technology Pillar Program during the 12th “Five-year” Plan Period)
通信作者：郝志勇，教授，博士生导师，从事汽车发动机振动噪声研究；E-mail: haozy@zju.edu.cn
摘要：以某493型柴油机为例研究共轨压力的提高对发动机噪声及声品质的影响机理。对发动机转速1 600 r/min和2 600 r/min全负荷工况下不同共轨压力的发动机噪声和缸内压力进行试验测量，对比不同轨压下的发动机噪声和声品质客观评价指标，并通过燃烧噪声的分析对其影响机理进行研究。最后，从发动机结构衰减和燃烧噪声方面对降噪提出方案。研究结果表明：提高轨压后，发动机整机噪声增大，高频范围更加明显；噪声响度、粗糙度和尖锐度升高；主要原因是轨压的提升使滞燃期内产生更多的可燃混合气，使得缸内压力、高频振荡幅值、压力升高率和放热率增大，燃烧更剧烈，导致燃烧噪声变大，主要体现在高频范围。
