柴油发电机燃烧噪声产生起因和影响要素叙述

摘要：基于柴油发电机单缸试验机的试验缸压曲线，采用频谱浅谈的方案，建立缸压曲线和燃烧噪音之间的关系。根据柴油发电机的燃烧步骤，将缸压曲线分解为倒拖缸压、燃烧振荡压力和剩余燃烧压力曲线。解惑发现：在全负载工况，10~300 Hz低频声压值具体由倒拖缸压决定；1.8~20kHz高频声压值详细由燃烧振荡压力决定；0.3～1.8kHz中高频声压值主要由“剩余”燃烧压力决定。叙述表明：喷油正时提前，中低频的声压值增大，高频声压值略有增大；柴油发电机转速上升，全频段的声压值均增大；负载越大，10～600 Hz的声压值越大，对2～20 kHz的高频燃烧噪声影响较小。

      通常认为直喷式柴油发电机燃烧噪声的产生要素有两个，即燃烧气体的动力载荷与高频振动。

      各种讨论表明，燃烧噪声是在速燃期内产生的。当缸内压力急剧增大时，燃烧室壁面、活塞、主轴等相关零部件受到强烈的动力载荷。柴油发电机构成属复杂的多体振动装置，各零件的自振频率不同，大多处于中高频范围（800~4000 Hz），受燃烧过程激励，在中高频率发生具有冲击性和令人不适的燃烧噪音。

      在滞燃期内，燃烧致使缸内压力急剧变化，非均匀燃烧流程发生的压力波在燃烧室内以当地音速往复传播，遇到燃烧室壁时发生反射，形成高频振荡气波，也会辐射出高频噪声，其频率取决于燃烧室尺寸和当地音速。柴油发电机运行中尖锐的高声调噪声就是由气体的高频振动发生的。

      经发电机构成辐射出的燃烧噪声详细由发电机的结构衰减决定，构成衰减越大，辐射出的燃烧噪声越低。燃烧噪音的激励源主要由缸压曲线决定，而缸压曲线主要与增压压力、压缩比和燃油喷射数据，如喷射正时、喷射轨压、喷油率曲线形状相关；若采用多次喷射，还与预喷正时、预喷油量、预主喷间隔等数据相关。

      本文基于柴油发电机单缸机的实测缸压曲线，采用傅里叶变换，还原缸内燃烧噪声的频域特点，为进一步细说和讨论柴油发电机的燃烧流程以及噪音源控制等供应一种新的思路。

      本文对柴油发电机的中高速单缸试验机的不一样运转工况进行了试验测试。

      试验采用AVL Puma测试装置测试各项循环平均数据，如进气压力、温度、排气压力、温度、速度、功率等；采用燃烧小议仪检测进排气压力波曲线、缸压曲线、燃烧放热率曲线℃A采集一个数据点。

      因为柴油发电机的进气步骤、喷油步骤、混合气形成程序、着火过程和燃烧程序都相当复杂，综合这些条件的缸压曲线的循环变动也较复杂。试验流程中，每一个运行工况测定的缸压曲线个循环的平均值并去除异常信号形成，以此对柴油发电机的工作步骤做出较客观的判定。

      对缸压曲线的频域特点进行总述是燃烧噪声解析的有效办法。基于实测的缸压曲线，采用快速傅里叶变换（FFT），将缸压曲线从时域特性转化为频域特征。各频率声压级（Sound Pressure Level，SPL）的计算公式为：

      式中：P?为参考声压，P?=2×10-5Pa；p为缸压。在转速1500（r·min-1）、100%负荷工况下，单缸机的实测缸压曲线 所示。

      对100%负载的实测缸压曲线做快速傅里叶变换，采用汉宁窗函数纠正压力信号开始和结束时的区别，得到的声压级曲线所示。低频段包括由汽缸压力的基频开始的头几个谐波频率，汽缸压力达到较大值，它的数值详细是由气缸较高燃烧压力及压力曲线的形状决定；中频段气缸压力级以对数规律做近似线性递减，该频段燃烧噪声主要由燃烧段的压力升高率dp/dφ决定；高频段产生另一个压力级峰值，这个峰值是由汽缸内气体的高频震动引起。

图1  柴油发电机100％负载实测缸压曲线  柴油发电机100％负荷缸压曲线对应的声压级分布

      为详述燃烧流程中压力升高部分对燃烧噪声的贡献度，将试验缸压曲线分为两部分：倒拖缸压曲线和“额外的”燃烧缸压曲线。其中，燃烧缸压曲线用试验缸压曲线减去倒拖缸压曲线所示。

      相关研究表明：示功图上燃烧区段的锯齿形毛刺是由燃烧压力振荡致使的，是与燃烧流程伴生的、固有的物理情形。其主要成因是：滞燃期阶段，在燃烧室中达到临界燃烧加载度的区域形成一个激振源，激发出一种冲击波，并借助气缸内介质以当地声速或超声速向四周传播；前进波遇到燃烧室和气缸的壁面反射回来，再与原来的前进波反复

      式中：?c为振荡频率；k为特征常数，一般取1.10~1.15；α为着火时燃烧室内当地声速；D为汽缸直径；T为燃烧室内温度。

      为进一步解说高频燃烧压力振荡波对燃烧噪声的危害，采用高通滤波器以振荡频率f。对缸压曲线进行滤波，得到的压力曲线即为燃烧振荡压力曲线所示。燃烧压力振荡波是以压力零线为对称轴的衰减波。燃烧压力振荡的起始时刻和燃烧开始时刻基础相同，压力振荡的上升段历时很短，而衰减段历时较长。在当前工况，上升段历时约4℃A，衰减段约80℃A，压力振荡幅值约为0.15MPa。

      压力振荡幅值的外包络线的数学表达式为：Pa=1.5e-0.0

A、PA为压力振荡幅值；PA，m、P’A，m为压力振荡的较大幅值；B、B为衰减系数；φ为主轴转角。

      将图3中得到的“额外”燃烧压力曲线进一步分解为燃烧振荡压力曲线和滤波去掉燃烧振荡压力后“剩余的”燃烧压力曲线。      试验缸压、倒拖缸压、滤波后“剩余”燃烧压力和振荡压力所对应的声压级分布对比如图8所示。从图中可以看出，在当前工况下，试验缸压曲线所对应的声压级分布中，1.8～20 kHz（下限值由滤波频率决定）的高频声压是由燃烧压力振荡波激励产生的；滤波后“额外”燃烧压力主要决定300～1800Hz的中高频声压分布；倒拖缸压主要决定10～300 Hz的低频声压分布。 

图5  柴油发电机燃烧流程中的压力振荡曲线  柴油发电机压力升高率曲线  柴油发电机燃烧振荡压力曲线  柴油发电机声压级分布曲线对比

      不一样喷油正时的声压分布曲线所示。在当前工况，喷油正时对100~200 Hz的声压分布有较大的危害，喷油正时越提前，较高燃烧压力和较大压升率越大，对应的声压级越高。由图12可知，因为喷油正时提前，噪声燃烧振荡压力幅值增大，使2~20 kHz的声压值增大，但增幅较小。

图9  柴油发电机不一样喷油正时缸压曲线  柴油发电机不同喷油正时燃烧压力振荡对比

图11   柴油发电机不一样喷油正时的声压分布曲线  柴油发电机不同喷油正时的高频段声压分布曲线  柴油发电机不一样转速缸压曲线  柴油发电机不一样转速声压分布曲线对比

      单缸机按发电特征25%、50%、75%和100%负荷进行试验，测试得到的缸压曲线所示，负载越大，缸内较高燃烧压力越大。

      不一样负载的试验缸压曲线对应的声压分布曲线所示。可见柴油发电机负载对10～100 Hz的低频声压值有较大影响，负载越大，声压值越高；200～600 Hz频段受较高燃烧压力和较大压升率危害，负载越大，声压值越高；2kHz以上，各负载时的声压值较接近。

      综合陈述，柴油发电机负载增加详细危害中低频的噪声，对高频噪声危害相对较小。一方面，柴油发电机负载增加，每循环喷油量增加，滞燃期内形成的可燃混合气量增加，会加剧燃烧压力振荡；另一方面，负荷增加后汽缸内的热力状态提高，有助于缩短滞燃期，降低滞燃期内形成的可燃混合气量。在这两种因素的相互制约下，负载对燃烧压力振荡的危害不大。 

图15  柴油发电机不一样负荷缸压曲线  柴油发电机不一样负荷声压分布曲线对比

      采用预主喷和单次喷射对应的声压分布曲线所示。因为燃烧压力振荡波幅减少，采用预主喷可明显降低2 kHz以上燃烧噪声声压值。 

图17  喷油泵预主喷和单次喷射缸压曲线  柴油发电机燃烧压力振荡对比

（2）燃烧压力又可以进一步分解为2部分：燃烧振荡压力，主要危害1.8～20 kHz（下限值和振荡压力的振荡频率相关）的高频噪音；滤掉振荡压力后的燃烧压力，详细影响300～1800 Hz的中高频噪音。

（5）柴油发电机负荷对10～600 Hz的中低频声压值有较大影响，负载越大，声压值越高；负荷对2~20 kHz的高频燃烧噪音影响较小。

（6）和单次喷射相比，采用预主喷燃油喷射程序可减小燃烧压力振荡波的幅值，从而减少2 kHz以上燃烧噪音声压值。