【德】 F.Kremer J.Schaub C.Steffens A.Kolbeck

未來轎車柴油機(jī)噪聲的優(yōu)化

【德】 F.Kremer J.Schaub C.Steffens A.Kolbeck

德國亞琛大學(xué)內(nèi)燃機(jī)教授與FEV公司共同研究了改善未來轎車柴油機(jī)噪聲和舒適性的技術(shù)可能性。探討借助于氣缸壓力導(dǎo)向的燃燒調(diào)節(jié)及發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)措施，從兩方面進(jìn)行聲學(xué)優(yōu)化的技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)證實(shí)，噪聲輻射可明顯降低。

轎車 柴油機(jī) 噪聲 排放

1 起因

在減少有害物排放的同時(shí)，要求降低二氧化碳（CO2）排放，這對(duì)現(xiàn)代轎車柴油機(jī)的開發(fā)提出了挑戰(zhàn)。要求柴油機(jī)必須保持高的能量轉(zhuǎn)化效率，但又不能忽視在原始排放、成本、噪聲和舒適性等方面進(jìn)行必要的優(yōu)化（圖1）。特別是在上述方面，最終必須采取折中方案，因?yàn)榻档驮肼暤臋C(jī)內(nèi)措施、結(jié)構(gòu)措施及輔助措施總是與排放、燃油耗和成本等方面的要求相互沖突。

圖1 轎車發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前水平的評(píng)價(jià)圖

公開發(fā)表的各種技術(shù)可能性都遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。除了所推薦的眾多試驗(yàn)研究結(jié)果之外，德國亞琛大學(xué)內(nèi)燃機(jī)教授與FEV公司對(duì)共同開發(fā)的第2代內(nèi)部技術(shù)平臺(tái)[1]進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在該平臺(tái)上開發(fā)了多種能有效降低廢氣排放和噪聲的方案。為此，考察了熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)方面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲特性產(chǎn)生影響的可能性。燃燒是柴油機(jī)噪聲最主要的來源，采用新開發(fā)的燃燒調(diào)節(jié)方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，從而能夠在降低CO2和廢氣排放的同時(shí)，使噪聲激勵(lì)得到實(shí)質(zhì)性的減小。此外，還將介紹各種可能采取的結(jié)構(gòu)措施，以改善動(dòng)力總成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳遞噪聲的特性及其噪聲性能。

2 噪聲的產(chǎn)生及降噪方法

眾所周知，總噪聲是由各種不同的來源或激勵(lì)機(jī)理組合而成。除了有換氣過程的直接噪聲激勵(lì)之外，還存在固體傳聲的噪聲激勵(lì)等，這種噪聲激勵(lì)由燃燒和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)引起。在傳統(tǒng)汽油機(jī)上，直接的燃燒噪聲份額僅起到次要作用；而在柴油機(jī)上，直接的燃燒噪聲卻在總噪聲中占絕大部分份額。此時(shí)，燃燒噪聲是由工作過程中氣缸壓力作用于燃燒室周圍壁面（氣缸蓋火力面、氣缸套和活塞），以及經(jīng)過內(nèi)部固體傳聲途徑抵達(dá)曲軸箱的噪聲份額所引起的。這種由所選用的燃燒過程在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的壓力，以其獨(dú)特的高時(shí)間梯度引起發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)局部的變動(dòng)和變形。由于這些沖擊性的激勵(lì)作用，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了強(qiáng)迫振動(dòng)。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中噪聲的形成過程

如圖2所示，除了減少噪聲激勵(lì)之外，噪聲傳遞途徑的影響是改善噪聲特性非常重要的因素之一。但在注重成本的批量生產(chǎn)開發(fā)背景下，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)將面臨苛刻的邊界條件。除了為滿足各種不同功率、燃油耗和廢氣排放等級(jí)而提高子系統(tǒng)和附件的模塊化程度之外，還需考慮到與汽油機(jī)變型的通用件，柴油機(jī)受到的限制越來越多。

借助于可能應(yīng)用的第2代高效燃燒系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)方案（表1），介紹經(jīng)驗(yàn)證的改進(jìn)建議。在試驗(yàn)運(yùn)行工況點(diǎn)采用小型運(yùn)動(dòng)型多功能車用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，其功率達(dá)到115 k W，扭矩為340 N·m。同時(shí)，為滿足歐6排放標(biāo)準(zhǔn)要求，使用了近發(fā)動(dòng)機(jī)布置的氧化催化轉(zhuǎn)化器和非選擇性催化還原系統(tǒng)。

表1 采用高效燃燒系統(tǒng)的第2代FEV技術(shù)平臺(tái)的主要技術(shù)規(guī)格

圖3 氣缸壓力導(dǎo)向的噴油量調(diào)節(jié)方法的發(fā)展前景

3 熱力學(xué)及其應(yīng)用

基于氣缸壓力的燃燒調(diào)節(jié)方法[2]提供了廣泛的潛力，并能降低燃燒噪聲，特別是進(jìn)一步提高了瞬態(tài)和不同環(huán)境條件下的舒適性，而且還能補(bǔ)償零部件和燃油對(duì)燃燒噪聲產(chǎn)生的影響，同時(shí)，氣缸壓力導(dǎo)向的噴油量調(diào)節(jié)方法能劃分成不同的發(fā)展級(jí)別，在產(chǎn)品投入量產(chǎn)后的幾年中逐步加以應(yīng)用（圖3）。將來，基于氣缸壓力的先導(dǎo)燃燒和噴射特性（即噴射次數(shù)）調(diào)節(jié)是大有希望的方法[3]，并能根據(jù)氣缸壓力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測得燃燒噪聲，且根據(jù)可供使用的計(jì)算能力，采用如最大壓力升高率d p/dα這樣簡單的特性參數(shù)或被稱為“燃燒聲級(jí)”[4]的復(fù)雜參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。假如先導(dǎo)噴油量對(duì)主噴射時(shí)刻的時(shí)間間隔和先導(dǎo)燃燒始點(diǎn)偏離額定值，那么，可通過匹配首次先導(dǎo)噴射燃油量和噴射時(shí)刻來改變先導(dǎo)燃燒，從而在所有干擾變量的影響下保持預(yù)噴射的效果不變。

對(duì)于因1次先導(dǎo)噴射使混合氣均質(zhì)化不夠充分，例如在燃油品質(zhì)強(qiáng)烈波動(dòng)或高廢氣再循環(huán)率時(shí)就可能出現(xiàn)上述情況，可以采用幾個(gè)預(yù)噴射與主噴射組合的噴射特性予以調(diào)整[3]。同樣，實(shí)時(shí)采集燃燒噪聲，并匹配噴油特性滿足燃燒室條件。在僅用1次先導(dǎo)噴射同時(shí)超過最大容許噪聲級(jí)的情況下，可選擇添加第2次先導(dǎo)噴射，使燃燒噪聲保持在事先規(guī)定的范圍內(nèi)。

全調(diào)節(jié)多次噴射（即數(shù)字燃燒速率成形（Di-CoRS））是獲得事先規(guī)定的壓力變化曲線的另一種方法。此時(shí)，不再應(yīng)用諸如燃燒噪聲或最大壓力升高率等一維特性參數(shù)作為調(diào)節(jié)參數(shù)，而是采用工作循環(huán)期間整條變化曲線作為調(diào)節(jié)參數(shù)。除了對(duì)可靠性具有重要意義的邊界條件之外，通常將噴油作為調(diào)節(jié)參數(shù)，以至于燃燒調(diào)節(jié)能夠無限制地按行程確定噴油規(guī)律。為此所需的調(diào)節(jié)匹配是多種多樣的，并且以被稱為“迭代學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)”的原理為基礎(chǔ)。采用專用的兩點(diǎn)調(diào)節(jié)器，使實(shí)時(shí)壓力變化曲線能夠步進(jìn)地逼近事先規(guī)定的額定壓力變化曲線[5，6]。DiCoRS方法特別適用于柴油機(jī)燃燒噪聲的優(yōu)化。這種任意調(diào)節(jié)壓力變化曲線的方法能夠降低可能出現(xiàn)的壓力升高峰值，從而進(jìn)一步降低燃燒噪聲。

圖4示出了簡單的單次噴射、帶1次和2次先導(dǎo)噴射的多次噴射，以及2種采用DiCoRS調(diào)節(jié)的燃燒過程，被稱為“α燃燒過程”，它具有恒定不變的壓力升高率0.3 MPa/°CA，但采用了不同的共軌壓力。α燃燒過程從上止點(diǎn)起的壓力升高率保持不變[7]。試驗(yàn)研究前可根據(jù)運(yùn)行工況點(diǎn)確定噪聲最佳的壓力升高率，圖4所示的負(fù)荷工況點(diǎn)壓力升高率為0.3 MPa/°CA。α燃燒過程的調(diào)節(jié)是采用2次噴射來實(shí)現(xiàn)的，與傳統(tǒng)的先導(dǎo)噴射策略相比，這種2次噴射被視為分開的主噴射?？疾煲环N中等負(fù)荷工況點(diǎn)（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，平均有效壓力0.68 MPa），在該運(yùn)行工況點(diǎn)的氮氧化物（NOx）排放量為0.4 g/（k W·h），相當(dāng)于慣性質(zhì)量等級(jí)為1 590 kg的汽車在未裝用NOx后處理裝置情況下按歐6排放標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定的廢氣排放水平（新歐洲行駛循環(huán)）。

這些試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了采用不同燃燒調(diào)節(jié)步驟降低噪聲的效果。與單次噴射相比，添加1次或2次先導(dǎo)噴射，燃燒噪聲能降低2 d B或3 dB以上，但這導(dǎo)致了顆粒排放的增加，以及效率的輕微降低，不過可借助于多次噴射改變給定的壓力變化曲線來緩解這種沖突。首先，在相同的共軌壓力下，在顆粒排放仍保持不變的情況下能使燃燒噪聲進(jìn)一步降低2.5 dB，若同時(shí)提高共軌壓力，那么就能將顆粒排放降至明顯低于采用1次先導(dǎo)噴射時(shí)的水平，同時(shí)因燃燒重心（圖4中“α50”）移至較早的位置而使效率提高，而共軌壓力的提高對(duì)燃燒噪聲并無影響，因?yàn)榇藭r(shí)壓力變化曲線保持不變。

圖4 優(yōu)化噪聲的燃燒過程開發(fā)結(jié)果（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，平均指示壓力0.68 MPa，NO x排放0.4 g/（k W·h））

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施

綜上所述，必須將降低噪聲作為熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的共同任務(wù)。下文以通過控制燃燒噪聲、減小噪聲激勵(lì)為基礎(chǔ)，介紹氣缸蓋、氣缸體曲軸箱和油底殼等幾種發(fā)動(dòng)機(jī)主要組件有利于降低噪聲的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[8]?？梢灶A(yù)見，高效燃燒系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)方案將在更廣泛的結(jié)構(gòu)等級(jí)上有針對(duì)性地進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)。

從聲學(xué)觀點(diǎn)來看，氣缸蓋結(jié)構(gòu)的主要薄弱環(huán)節(jié)是其側(cè)壁。就這種相互關(guān)系而言，扁平的氣缸蓋設(shè)計(jì)是一種頗具希望的結(jié)構(gòu)方案，該設(shè)計(jì)方案減小了氣缸蓋側(cè)壁范圍內(nèi)的噪聲輻射表面（圖5），而氣門機(jī)構(gòu)被單獨(dú)安裝在氣缸蓋頂面上的凸輪軸軸承座框架上，并用1個(gè)深拉塑料罩蓋密封，塑料因具有較高的材料阻尼，因而提供了聲學(xué)方面的優(yōu)勢，此外，還具有隔音安裝的可能性，以充分挖掘降低噪聲的潛力。原理性試驗(yàn)表明，在氣缸蓋罩結(jié)構(gòu)相同的情況下，塑料氣缸蓋罩能使發(fā)動(dòng)機(jī)頂部的空氣噪聲輻射最多降低3 d B。

圖5 扁平氣缸蓋和深拉氣缸蓋罩設(shè)計(jì)實(shí)例[9]

由曲柄連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的慣性力，以及因燃燒產(chǎn)生的燃?xì)饬Γ钥赏ㄟ^主軸承中的反作用力激勵(lì)曲軸箱振動(dòng)。相應(yīng)地，曲軸箱最底部（底端）的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的聲學(xué)性能具有重要的影響，其主要差別在于曲軸箱裙部和主軸承蓋的結(jié)構(gòu)型式。在短裙曲軸箱結(jié)構(gòu)型式下，曲軸箱與油底殼的結(jié)合面精確地處于曲軸中心線高度，而主軸承蓋的典型結(jié)構(gòu)型式則是集成在床板式主軸承蓋梯型框架底座上的。雖然曲軸箱的短裙結(jié)構(gòu)型式對(duì)零件公差和密封表面提出了較高的要求，但為改善動(dòng)態(tài)剛度和NVH特性提供了巨大的潛力，此外，這種結(jié)構(gòu)型式因具有較大的剛度，為油底殼的結(jié)構(gòu)型式及與變速器的連接提供了更為靈活的自由度。

發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼因具有較大的表面積，因而在總噪聲輻射中占有較大份額。同時(shí)，這種大且薄壁多的表面起到了猶如揚(yáng)聲器的效果，它輻射出發(fā)動(dòng)機(jī)各種噪聲激勵(lì)。其典型的結(jié)構(gòu)型式是具有較大剛性的鋁結(jié)構(gòu)油底殼，或在其底部設(shè)置具有相同剛性的隔音緊固金屬薄板或由多層材料制成的油底殼。因塑料具有較大的材料阻尼，預(yù)計(jì)將會(huì)開發(fā)底部較為剛性的塑料油底殼，并將其應(yīng)用在1臺(tái)接近量產(chǎn)的柴油機(jī)上，從而具有降低發(fā)動(dòng)機(jī)底部噪聲3 dB的潛力。

5 結(jié)語

只要全面采取可供應(yīng)用的措施，現(xiàn)代轎車柴油機(jī)的聲學(xué)性能就能接近汽油機(jī)的水平。德國亞琛大學(xué)內(nèi)燃機(jī)教授與FEV公司共同研究了改善未來轎車柴油機(jī)噪聲和舒適性的各種技術(shù)可能性，其中通過持續(xù)不斷地開發(fā)氣缸壓力導(dǎo)向的燃燒調(diào)節(jié)，減小了燃燒的噪聲激勵(lì)，并將采用多次噴射調(diào)節(jié)氣缸壓力曲線（DiCoRS）作為進(jìn)一步的開發(fā)手段，使燃燒噪聲比采用單次主噴射時(shí)降低6 dB以上，同時(shí)能夠保持，甚至改善廢氣排放水平和效率。

此外，還以實(shí)例介紹了優(yōu)化噪聲傳播途徑的措施，并證實(shí)通過改進(jìn)氣缸蓋、曲軸箱和油底殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在未來的開發(fā)工作中，具有進(jìn)一步降低噪聲的潛力。特別重要的是，在優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲輻射時(shí)采取單一的解決方案，即僅考慮噪聲來源或傳播途徑，將達(dá)不到降低噪聲的效果，但全面著手改善熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法卻具有很大難度。

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范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2013，74（2）

張 慰 編輯

2013-05-10）