分析预混合压缩着火发动机的燃烧噪声的相关解决方案

摘要        为了在高增压及高废气再循环率条件下降低低温预混合状态下的发动机燃烧噪声，简单介绍从实际发动机试验与模拟计算两方面开展的研究，即降低预混合压缩着火发动机燃烧噪声的方法与效果。 

为了使柴油机的排放性能满足今后越来越严格的排放法规要求，在高增压与高废气再循环（EGR）率条件下应用低温预混合燃烧方式是较为有效的，但另一方面，必须解决降低燃烧噪声的课题。

虽然与燃烧噪声关系最为密切的影响因素是最大压力升高率，但实际上还存在多个相关因素，因此，即便是在较高的最大压力升高率条件下，也能在某种程度上降低燃烧噪声。北海道大学的研究人员从实际发动机试验与模拟计算2方面着手，以降低预混合压缩着火发动机的燃烧噪声为目的，开展了研究，本文将简单介绍相关的研究内容。

1  燃烧噪声的评价方法

发动机试验使用配装最新共轨喷油系统的550 mL单缸增压柴油机。基于由麦克风采集的发动机噪声及气缸内压力数据，运用关联法，测试了燃烧噪声与噪声传递函数。

另一方面，在模拟计算中，基于Wiebe函数，假设预混合压缩着火发动机燃烧时的任意放热率，并由此计算得出气缸内压力及其传递函数，对燃烧噪声进行预测。例如，在相同的放热率曲线形态下，只改变其相位，对燃烧噪声与放热率进行模拟计算评价。这种在实际发动机试验中无法实施的评价方法能在模拟计算中被轻易地完成。图1示出了上述模拟计算的结果。结果表明，在高热效率条件下，燃烧噪声也较大，Lund大学的Johansson教授将这种现象描述为“效率噪声”，即高效率条件下的噪声现象。由此可见，要在维持高热效率的同时降低燃烧噪声有一定挑战。

 图1  维持放热率形态并改变相位后的热效率及燃烧噪声

本研究中，为了应用模拟计算方法探讨降低燃烧噪声的途径，详细地调查了放热率曲线形态，利用增压及EGR等改变放热率曲线形态，并结合实际发动机试验进行了验证放热率曲线形态对热效率与燃烧噪声的影响（模拟结果）

2.1  放热率50%的曲轴转角位置

由图1中的结果可知，如果为降低燃烧噪声而提前或延迟放热率达50%的曲轴转角（CA50），则热效率也会同时降低，所以，仅仅从CA50的角度出发，是难以同时实现高热效率与低燃烧噪声的。

2.2  放热率的早期升高

如果放缓高温氧化反应的早期呈现上升趋势，则燃烧初期的最大压力升高率会受到抑制，从而有效地降低燃烧噪声。在进行噪声频率分析后发现，尤其在2 000 Hz以上的高频区域，燃烧噪声的降低效果是较为显著的。此外，为了维持较高的热效率水平，缩短燃烧后期时间、提高等容度的燃烧形态是较为有利的。

2.3  燃烧持续期与放热率峰值

在放热率峰值为恒定值的条件下，延长燃烧持续期，发动机的负荷会随之升高，一般认为此时的燃烧噪声会加大，但实际上，如果抑制燃烧初期的放热，就有可能降低燃烧噪声。此外，在燃烧持续期不变的条件下，如果增大放热率峰值，那么，在整个频域内，燃烧噪声都会加大。因此，在以相同负荷运转的情况下，如果在等容度不发生恶化的范围内延长燃烧持续期，抑制放热率峰值，使其处于较低的水平，则可以实现兼顾低燃烧噪声与高热效率的发动机运转。

3  实际发动机试验结果

图2示出了利用增压与EGR，在相同负荷条件下改变放热率后放热率与气缸内压力的关系。图3示出了此时的燃烧噪声频率分析结果。结果表明，利用增压及EGR，抑制放热率峰值，延长燃烧持续期，使高温氧化反应的初期速度放缓，就可以在热效率不发生恶化的前提下，降低燃烧噪声达6.3 dB(A)，同时，还能成功抑制300 Hz以上频域的发动机燃烧噪声。

图2  燃烧噪声的降低（实际发动机试验）

 图3  噪声频率分析结果（实际发动机试验）