梁 昱，周立迎，王子玉，程秀圍

(1.貴陽學(xué)院機械工程學(xué)院，貴陽 550005;2.中國北方發(fā)動機研究所，大同 037036)

前言

柴油機噪聲由多種聲源發(fā)出的噪聲組合而成，主要包括空氣動力噪聲、機械噪聲和燃燒噪聲3部分［1］。燃燒噪聲是從發(fā)動機機體表面輻射出的噪聲，其對發(fā)動機整機噪聲的貢獻(xiàn)最為突出［2］。

識別與分析燃燒噪聲常用的方法有:利用發(fā)動機缸內(nèi)壓力，通過傅里葉變換或小波包變換從時域、頻域信號直接提取和分析燃燒噪聲;采用聲強測試技術(shù)，通過多元回歸分析對氣動噪聲、機械噪聲、燃燒噪聲進(jìn)行分離、識別;應(yīng)用相干輸出功率譜函數(shù)法從發(fā)動機總噪聲中直接識別燃燒噪聲;通過獨立成分分析方法進(jìn)行燃燒噪聲識別。傳統(tǒng)的評估燃燒噪聲的方法是對氣缸壓力級進(jìn)行頻譜分析，用氣缸壓力級頻譜與A計權(quán)聲壓級評定燃燒噪聲［3］。

小桐子是小油桐的種子［4］，經(jīng)脫殼、除雜、烘干、壓榨、沉淀和過濾后制得小桐子油。小桐子油直接或深加工后可作為柴油機的代用燃料，但其異于柴油的理化特性直接影響了噴射、霧化、蒸發(fā)、混合以至整個燃燒過程，從而對發(fā)動機的性能和運行參數(shù)有較大的影響［5-6］。

本文中測錄柴油機燃用小桐子油的瞬時氣缸壓力，通過與原柴油機對比，從最高燃燒壓力、壓力升高率、壓力升高加速度、氣缸壓力頻譜曲線和A計權(quán)聲壓級，對柴油機燃用小桐子油的燃燒噪聲進(jìn)行分析，以期進(jìn)一步了解小桐子油的使用特性。

1 試驗油料

1.1 小桐子油

試驗采用的油料為0#柴油、體積分?jǐn)?shù)20%小桐子油與80%0#柴油配制的柴油-小桐子摻混油(簡稱B20)、小桐子油(簡稱B100)和利用可控恒溫油浴將100%小桐子油加熱至150℃的高溫小桐子油(簡稱HB100)。

1.2 油料理化特性

油料的重要理化特性見表1。

表1 油料的理化特性

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗裝置與臺架

試驗所用機型為ZH1115單缸直噴水冷四沖程柴油機，發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)、臺架布置、試驗儀器和測試方法詳見文獻(xiàn)［7］。

2.2 試驗過程

發(fā)動機達(dá)到正常工作狀況，切換燃油管路的過程中，采用怠速運行，燃用不同油料后，均須運行一段時間，確保管路中之前試驗殘留的燃油耗盡。每個工況連續(xù)測錄100個循環(huán)的瞬時缸內(nèi)壓力，以其平均值進(jìn)行分析。

(1)燃用柴油相繼運行額定工況:功率14.01kW，轉(zhuǎn)速2 200r/min;最大轉(zhuǎn)矩工況:轉(zhuǎn)矩68.1N·m，轉(zhuǎn)速1 760r/min;準(zhǔn)全負(fù)荷工況:轉(zhuǎn)速2 000和1 400r/min，轉(zhuǎn)矩60.8N·m。

(2)不待發(fā)動機冷卻，切換燃油管路，相繼燃用B20、B100和HB100運行額定工況，功率14.01kW，轉(zhuǎn)速2 200r/min。

(3)燃用 HB100運行最大轉(zhuǎn)矩工況:轉(zhuǎn)矩68.1N·m，轉(zhuǎn)速1 760r/min;準(zhǔn)全負(fù)荷工況:轉(zhuǎn)速2 000和1 400r/min，轉(zhuǎn)矩60.8N·m;負(fù)荷特性工況:轉(zhuǎn)速2 200r/min，負(fù)荷75%，50%，10%。

(4)將供油提前角由18°CA調(diào)整為21°CA，燃用HB100相繼運行額定工況、最大轉(zhuǎn)矩工況、準(zhǔn)全負(fù)荷工況和負(fù)荷特性工況(各工況參數(shù)同上)。

(5)燃用B100和B20運行額定工況。

(6)燃用柴油運行額定工況、最大轉(zhuǎn)矩工況、準(zhǔn)全負(fù)荷工況和負(fù)荷特性工況(各工況參數(shù)同上)。

2.3 燃燒噪聲的評價方法

燃燒噪聲的評價方法最常用的是從氣缸壓力的時域和頻域特性兩方面進(jìn)行分析。時域特性利用瞬時氣缸壓力獲得有關(guān)燃燒噪聲的主要信息，包括最大氣缸壓力、最大氣缸壓力升高率和最大氣缸壓力升高率加速度及3者對應(yīng)的相位［8］。頻域特性是利用瞬時氣缸壓力獲取氣缸壓力頻譜來分析燃燒噪聲，包括氣缸壓力級頻譜和由頻譜各中心頻率聲壓級加權(quán)計算的A計權(quán)總聲壓級［9］。

氣缸壓力值通過快速傅里葉變換為復(fù)數(shù)形式，各諧次復(fù)數(shù)的模即為該諧次的振幅，也就是頻譜［10］，取基準(zhǔn)壓力 2 ×10-5Pa，得到氣缸壓力級，再由1/1倍頻帶或1/3倍頻帶聲壓級合成A計權(quán)聲壓級［11］。計算方法如下:

式中:x(n)為第n個離散點的氣缸壓力值，MPa;k為諧次;X(k)為k諧次的傅里葉變換;L(k)為k諧次的氣缸壓力級，dB;LA為A計權(quán)聲壓級，dB;Lj為第j個1/1倍頻帶或1/3倍頻帶聲壓級，dB;Cj為A計權(quán)修正量，dB。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 額定工況燃燒噪聲分析

圖1～圖4分別為18°CA和21°CA供油提前時額定工況分別燃用柴油、B20、B100、HB100的氣缸壓力、壓力升高率、壓力升高加速度和氣缸壓力級的對比分析曲線。

從圖1～圖3中可以看出，在兩種供油提前角下，燃用不同油料燃燒始點、最高燃燒壓力對應(yīng)相位、最大壓力升高率對應(yīng)相位和最大壓力升高加速度對應(yīng)相位的順序均為HB100、B100、B20和柴油。小桐子油主要由油酸、亞油酸和棕櫚酸等組成，雖然它們都是大分子量的不飽和脂肪酸，但是沸點卻相對較低，易于揮發(fā)形成可燃混合氣［5］，在額定工況，噴油量較大，小桐子油密度較高，黏度大，噴油壓力較高，將燃油噴注到更為廣泛的區(qū)域，加之小油桐氧含量高，易于達(dá)到著火的氧濃度，這都對小桐子油在柴油機中的迅速著火有利。

雖然小桐子油易于著火，但相對柴油而言，其噴霧錐角小、顆粒大，滯燃期短，不易形成大量可燃混合氣，因此，預(yù)混燃燒的小桐子油只占很小的比例，大部分則靠擴散燃燒。供油提前角為18°CA時，對比 HB100、B100、B20，著火較早，速燃期較靠近上止點，HB100與B100和B20最大壓力升高率基本相同，因而HB100的最高燃燒壓力較大，對應(yīng)相位靠前。柴油雖然著火較遲，但在較長的滯燃期內(nèi)，形成的可燃混合氣量較大，著火開始后，盡管速燃期離上止點較遠(yuǎn)，但較大的壓力升高率和壓力升高加速度仍使得其最高燃燒壓力最高。

供油提前角增大為21°CA后，著火始點位于上止點之前，此時活塞仍處于上行階段，缸內(nèi)氣體被進(jìn)一步壓縮，本就處于壓力上升時期，加上燃燒放出的熱量使得壓力升高率的值比18°CA時提高了約0.2MPa/°CA。由于急速燃燒期更加靠近上止點，因而HB100、B100有較高的最高燃燒壓力、壓力升高率和壓力升高加速度。

低頻域(低于300Hz)氣缸壓力級最大，主要由最高燃燒壓力和壓力曲線的形狀決定;中頻域(300～2 000Hz)氣缸壓力級以對數(shù)規(guī)律線性遞減，該頻域燃燒噪聲主要由壓力升高率決定;高頻域(2 000Hz以上)反映了缸內(nèi)氣體的高頻振動，壓力升高加速度越大則高頻域聲壓級越高［12］。

從圖4可以看出，氣缸壓力級基本上隨頻率的增高而下降，總體來說各燃料的氣缸壓力級頻譜差別并不明顯，這主要是由于氣缸壓力曲線形態(tài)相似，趨勢基本相同，最高燃燒壓力、壓力升高率和壓力升高加速度的值相差較小所致。

供油提前角為18°CA時，低頻域的氣缸壓力級基本相同;300～1 500Hz頻域上，柴油的壓力升高率大，因而其氣缸壓力級較大;高頻域的氣缸壓力級已經(jīng)較低，在最高氣缸壓力級一半以下，因而其對A計權(quán)聲壓級的貢獻(xiàn)較小，高頻域氣缸壓力級的波動較大，3 000～5 000Hz頻域上，HB100、B100的壓力級較高，更高頻域內(nèi)，柴油和B20的壓力級較低。

供油提前角為21°CA時，低頻域的氣缸壓力級基本相同;由于氣缸壓力曲線更為相似，因而氣缸壓力級頻譜曲線差別更小，HB100的壓力升高率略小，在500～1 400Hz頻域內(nèi)HB100的壓力級較小;高頻域內(nèi)壓力級波動較大，柴油的壓力升高加速度略小，其壓力級比HB100與B100稍低，7 500Hz以上的頻域內(nèi)，氣缸壓力級相差較小。

圖5為額定工況不同燃料的氣缸壓力A計權(quán)聲壓級。供油提前角為18°CA時，由于柴油的最高燃燒壓力、壓力升高率、壓力升高加速度均較大，因而其A計權(quán)聲壓級最高，B20、B100、HB100依次略有減小，相差不大。供油提前角為21°CA時，B100、HB100的最高燃燒壓力大，但B100和B20的壓力升高率和壓力升高加速度大，因而B100和B20的A計權(quán)聲壓級略高。與柴油相比，HB100的最高燃燒壓力較大，兩者的最大壓力升高率和壓力升高加速度基本相同，但值得注意的是HB100的A計權(quán)聲壓級卻比柴油要低，原因是HB100燃燒始點較早，最大壓力升高率和壓力升高加速度對應(yīng)的相位靠前，在中頻域內(nèi)HB100的壓力級較小，在中高頻域A計權(quán)修正值為正，對A計權(quán)聲壓級貢獻(xiàn)較大。氣缸壓力曲線形態(tài)和最高燃燒壓力相差較小的情況下，燃燒噪聲主要由最大壓力升高率及其對應(yīng)相位決定，壓力升高率大，對應(yīng)相位靠后，則燃燒噪聲大。

供油提前角由18°CA提前至21°CA后，燃燒始點提前，速燃期更接近上止點，使得最大壓力升高率與壓力升高加速度增大，燃用小桐子油的燃燒噪聲明顯升高。

3.2 準(zhǔn)全負(fù)荷工況不同轉(zhuǎn)速的燃燒噪聲

圖6和圖7分別為不同轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)全負(fù)荷工況下燃用柴油與HB100時的最高燃燒壓力、最大壓力升高率和A計權(quán)聲壓級對比。

轉(zhuǎn)速升高，單位曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的時間縮短，因而滯燃期對應(yīng)的時間也相應(yīng)縮短，在滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣較少，燃燒始點和急速燃燒期對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角靠后，因此，從圖6中可以看出，最高燃燒壓力和最大壓力升高率均隨轉(zhuǎn)速升高而降低。

四沖程發(fā)動機氣缸壓力級頻譜所采用的基頻為

式中:f0為基頻，Hz;T為發(fā)動機循環(huán)周期，s;n為轉(zhuǎn)速，r/min。

發(fā)動機基頻隨轉(zhuǎn)速升高而升高。轉(zhuǎn)速越高，單位時間內(nèi)工作的循環(huán)次數(shù)越高，因機體表面振動而向外輻射的能量越大，因此，隨轉(zhuǎn)速升高，A計權(quán)聲壓級升高，如圖7所示。為了對比最高燃燒壓力和最大壓力升高率對燃燒噪聲的影響，在各轉(zhuǎn)速采用了與2 200r/min相同的基頻進(jìn)行處理，可以看出，雖然最高燃燒壓力和最大壓力升高率隨轉(zhuǎn)速升高而降低，但是最大壓力升高率對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨轉(zhuǎn)速升高而靠后，因此，按相同基頻處理后的A計權(quán)聲壓級，隨轉(zhuǎn)速變化趨勢并不明顯，差值也較小。這也說明燃燒噪聲主要由最大壓力升高率及其對應(yīng)相位決定，最大壓力升高率大，燃燒噪聲大，最大壓力升高率對應(yīng)相位越遲，燃燒噪聲越大。

對比柴油與HB100，HB100著火較早，其最大壓力升高率對應(yīng)的相位靠前，供油提前角18°CA時，柴油的最大壓力升高率大于HB100，高轉(zhuǎn)速時最高燃燒壓力也大于HB100，因而柴油的燃燒噪聲大于HB100。

供油提前角為21°CA后，速燃期更接近上止點，HB100的最大壓力升高率與柴油相當(dāng)，在中高轉(zhuǎn)速還大于柴油，最高燃燒壓力均大于柴油，只是由于最大壓力升高率相位較早，緩解了其燃燒噪聲的升高，結(jié)果是在中高轉(zhuǎn)速1 760和2 000r/min，HB100的燃燒噪聲高于柴油。

3.3 2 200r/min不同負(fù)荷的燃燒噪聲

圖8和圖9為2 200r/min不同負(fù)荷工況燃用柴油與HB100時的最高燃燒壓力、最大壓力升高率和A計權(quán)聲壓級的對比。

隨負(fù)荷的減小，循環(huán)供油量減小，最大壓力升高率和最高燃燒壓力均降低，A計權(quán)聲壓級也隨之降低。

對比柴油與HB100，HB100在額定點轉(zhuǎn)速各負(fù)荷下的燃燒噪聲均小于柴油;供油提前角增大后，HB100的A計權(quán)聲壓級增大，且在中高負(fù)荷增大較為明顯;柴油的則在中小負(fù)荷A計權(quán)聲壓級增大。

4 結(jié)論

從最高燃燒壓力、最大壓力升高率、最大壓力升高加速度、氣缸壓力級頻譜和A計權(quán)總聲壓級等參數(shù)對比分析了ZH1115柴油機燃用柴油和小桐子油的燃燒噪聲，可以得到以下結(jié)論。

(1)燃用柴油和小桐子油的氣缸壓力曲線形態(tài)相似，趨勢基本相同，最高燃燒壓力、壓力升高率和壓力升高加速度的值相差不大，氣缸壓力級頻譜差別并不明顯。

(2)氣缸壓力曲線形態(tài)和最高燃燒壓力相差較小的情況下，燃燒噪聲主要由最大壓力升高率及其對應(yīng)相位決定，最大壓力升高率大，燃燒噪聲大，最大壓力升高率對應(yīng)相位越遲，燃燒噪聲越大。

(3)轉(zhuǎn)速越高，單位時間內(nèi)工作的循環(huán)次數(shù)越高，因機體表面振動而向外輻射的能量越大，隨轉(zhuǎn)速升高，A計權(quán)聲壓級升高。

(4)隨負(fù)荷的減小，循環(huán)供油量減小，最大壓力升高率和最高燃燒壓力均降低，A計權(quán)聲壓級也隨之降低。

(5)供油提前角由18°CA提前至21°CA后，燃燒始點提前，速燃期更接近上止點，使得最大壓力升高率與壓力升高加速度增大，燃用小桐子油的燃燒噪聲明顯升高。

(6)供油提前角為18°CA時，除1 400r/min準(zhǔn)全負(fù)荷工況外，燃用高溫小桐子油的燃燒噪聲低于柴油;供油提前角為21°CA時，1 760和2 000r/min的準(zhǔn)全負(fù)荷工況，燃用高溫小桐子油的燃燒噪聲高于柴油。

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