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涡轮增压柴油机瞬时运转时燃烧噪声辐射的实验研究
Evangelos G. Giakoumis*, Athanasios M. Dimaratos, Constantine D. Rakopoulos
内燃机实验室，热能工程系，机械工程系，雅典国立技术大学，英雄理工圣学院，画家校园，15780雅典，希腊
文章资讯
文章历史：
2011年4月3日收到；
2011年5月20日收到修改形式；
2011年5月22日接收；
2011年6月26日可在线查询。
摘要：近年来，由于柴油机的噪声辐射引起了有关乘客和行人的不适，它已经引起越来越多的关注，这一事实已由制造商和许多国家的法律法规公认。对于目前的研究，实验测试是在卡车上进行的，以研究涡轮增压柴油机在日常驾驶情况下各种瞬态期间（即加速和负载增加）的燃烧噪音排放的机制。为了这个目标，全面仪器测试床是为了捕捉在瞬态事件中关键引擎和涡轮增压变量的演变而建立的。分析图表用以说明燃烧噪声辐射连同气缸压力（频谱）、涡轮增压器和调速器/燃油泵响应的特性。由于发动机喷油正时和缸壁温度调整到新的供油条件发挥了至关重要的作用，涡轮增压器的滞后被发现是在所有测试情况下检测到的噪声尖峰的主要原因。该分析使用稳态图映射瞬时燃烧噪声的准稳态近似值，以便更好地突出发动机的动态运行对燃烧噪音排放的影响。
- 简介
涡轮增压柴油机是目前在中型和中大型设备（卡车，耕地机，船舶推进器，发电机等）应用中的首选动力系统。此外，涡轮增压柴油机在竞争激烈的汽车行业不断增加份额，已经在欧盟中拥有了媲美一些汽油机的市场份额。柴油机最具吸引力的特点是它良好的燃料效率，它的燃油效率可以超过车辆应用中的40％甚至多达50％，二冲程单元用于船用推进或发电。因此，在发动机的整个工作范围以及使用周期内，柴油机车辆比相同额定值的汽油机车辆能实现更低的油耗和更少的二氧化碳排放。但是，从噪声角度看，柴油机仍远远劣于汽油机。柴油机是一个非常复杂的系统，它是一个包括各种动力作用于同一个具有变刚度，阻尼以及响应特性的复杂结构。
柴油机噪音的产生的三个主要来源是：气体流动，机械过程和燃烧。气流噪声，通常是低频控制，它与进气和排气过程，包括涡轮增压和冷却风扇相关联。机械噪声由旋转往复发动机的部件产生;它源自于由惯性力导致的活塞撞击（活塞在气缸壁上的碰撞，特别是在工质膨胀过程中活塞从上止点到下止点移动时）、齿轮、挺杆、气门机构、调速驱动器、喷油装置和轴承。
噪声的第三个来源，即燃烧噪声。燃烧噪声的机理在于气缸压力的高上升比，主要在点火延迟期之后，原因是气缸压力频谱的不连续性和在一定程度上高频区的增加，导致发动机缸体的振动，并最终产生燃烧噪声辐射（柴油机燃烧特性爆震）。燃烧噪声辐射表现范围从几百到几千赫兹；另一方面，发动机点火频率是几十赫兹的量级。应当指出的是，尽管机械和气流引起的噪声在汽油机运行过程中也遇到过，但是与燃烧有关的问题主要限于柴油机，而汽油机只有当经历了异常燃烧（爆燃）时才会产生噪声。
燃烧室的设计和喷射参数，例如，定时、数量、预喷射和主喷射的燃料喷射率，在稳态或瞬态工况下通过确定热量释放的准确率，从而对于燃烧噪声排放起到了主要作用。为了分析声源，汽缸压力信号通常通过频谱进行检测，比如使用傅立叶变换；Russell，Haworth和Pischinger等讨论了测量和分析燃烧噪声的各种方法。
总体而言，离发动机表面1米处测得的发动机噪声通常为80〜110分贝，这主要根据发动机尺寸、速度和喷射系统而确定。特别是对于柴油机车辆，令人不快的燃烧爆震也是使乘客和行人感到不舒服的一个问题；这就不令人感到惊讶，欧盟（指令70/157/EEC和96/20/EC）、日本和美国已经就车辆和铁路的噪音排放制定了法规。
Anderton和他的同事通过研究在稳态工况下（诸如二冲程相比于四冲程运行，自然吸气相比于涡轮增压，气缸构造等）各种参数对柴油机噪声产生的影响开创了柴油机噪声研究。得到的基本结论是涡轮增压柴油机产生的是较低的高频激励（这最终导致稍低水平燃烧噪声）而不是较高的低频激励；当发动机处于二冲程循环运行，而不是四冲程循环运行时，可以观察到相同的结果。关于稳态（燃烧）噪音排放的最新研究集中在喷射压力，分布和速度的影响。电子控制的共轨喷射系统，该喷射分为一个先导和一个通过促进空气燃料混合物理制备来证明有效益的主喷射，从而减少预混燃烧，并限制（燃烧）噪声辐射。另一方面，新的有希望的柴油机燃烧技术的出现，诸如基于低循环温度的低温燃烧和PCCI（预混合压缩点火），例如为了同时限制煤烟和氮氧化物的排放而使用非常高的EGR（废气再循环）率；这些技术预计会对燃烧噪声产生不利影响，这是由于较高部分的预混合燃烧和低循环温度导致的。
在转速和负荷增加时燃烧噪声的演变会短暂地在很大程度上不同于各自的稳态工况；这是迄今为止所进行的为数不多的研究得到的结果。涡轮增压发动机瞬态工况的基本方面在于相较于各自稳态工况（即，在相同的发动机转速和燃油泵齿条置操作时）的运行差异。因此，在稳态工况下，发动机转速、燃油供给以及所有其他的发动机和涡轮增压器性能保持几乎恒定；然而，在瞬态工况下，发动机转速在燃油供给过程中随压力的改变而不断变化。其结果是，可用排气能量的变化影响涡轮的焓降，并通过涡轮增压器的轴扭矩平衡，使得发动机气缸的增压压力和空气供给受到影响。然而，由于各种动力学，热力（包括气缸壁温度）和流体在系统中的延迟主要是由于涡轮增压器的瞬时惯性，简称为涡轮增压器的滞后，相较于燃油供给，燃烧空气供给的延迟影响不利扭矩的累积，以及污染物和噪声的排放。
Head和Wake首先研究了加速对自然吸气式柴油机在速度增加时产生的噪声的影响。他们的主要发现是，燃烧噪声在瞬态期间一般较高，较各自的稳态工况通常高4-7分贝的量级。他们重要的论据是这一增长主要是由于在瞬态期间的第一循环过程中较低的气缸壁温度。另外瞬态期间活塞撞击产生的噪声的增加也反映了这一观点。Rust和Thien也对自然吸气式柴油机运行时负载接受的瞬态进行了扩大分析，也得到了相似的结论。Dhaenens等是已知的唯一关注了涡轮增压柴油机的加速过程中噪声演变的人;他们在调查中使用了消声室，发现瞬态时整个发动机的噪音最大超过了稳态水平5分贝（离发动机表面1米处测得），而它的特征还在于宽频水平的增加与放大共振效应相结合。以上瞬态的差异在冷启动时表现地更加明显，冷启动时非常低的气缸壁温度将导致更长的点火延迟时间，进而导致更粗糙的预混燃烧和更高的噪声。
这项研究的目标是在非常有限的柴油机燃烧噪声辐射实验调查的基础上，拓展并了解更多的相关现象和内在机制。如前所述，因为燃烧噪声比其它由机械引起的噪声辐射强，所以本次调查只包括燃烧噪声的声源。为了这个目标，一组拓展的实验测试是在一个涡轮增压后冷的中型直喷卡车柴油机上进行，运用现代燃烧噪声仪进行精确的气缸压力数据分析。目前研究的一个重要的方面是，它集中在日常车辆驾驶时遇到两个基本瞬时时间表，即速度增加（这是研究的重点）和负荷增加。通过这些可以认为，关于瞬态燃烧噪声辐射有用的总体结论可以排除。
- 实验装置的说明
该试验台的总体布局、所使用的仪器和数据采集系统中如图1所示。以下小节对各个组件进行了简短说明。
2.1.研究所用的发动机
在这项研究中所使用的发动机是梅赛德斯 - 奔驰OM366 LA型，增压中冷的直喷式柴油发动机。它广泛应用于小型电力客车和小型/中型货车；其基本技术数据在表1中给出。发动机的两个显着特点是，一方面，其延迟的燃油喷射正时是为了实现氮氧化物的低排放（如将在后面的文本中所讨论的，这对燃烧噪声辐射也有很强烈的影响），并且，另一方面，燃料限制器（截止）的作用是在严苛的工况下限制排放的烟气水平，如瞬态，低速高负荷稳态运行时。该发动机与液压测力计相连接，这样能对车辆的速度增加进行良好的仿真，后文将对此进行解释。在实验中使用的燃油是典型的车用柴油，具有下列参数：密度为837公斤/立方米，十六烷值为50，低热值为42700千焦耳/公斤。
图1.试验台的安装布置示意图
表1.发动机和涡轮增压的规格
发动机型号和类型 奔驰OM366 LA，6缸，直列，
四冲程，压缩点火，直接喷射，
水冷，涡轮增压，后冷，带碗
式活塞
转速范围 800-2600rpm
最大功率 177 kW @ 2600 rpm
最大转矩 840 Nm @ 1250-1500 rpm
发动机总排量 5958 cm3
缸径/冲程 97.5 mm/133 mm
压缩率 18:1
燃油泵 Bosch PE-S系列，直列6缸，
带燃油限制器
静态喷油定时 上止点（满载）前的曲轴转角
涡轮增压器模型 Garrett TBP 418-1带内部废气门
后冷却器 空气-空气
2.2.燃烧噪声测量
燃烧噪声的测量通过AVL 450燃烧噪声测试仪来完成。其工作原理是基于对气缸指示图的频域进行分析，应用一系列滤波器对它进行处理。最初，汽缸压力信号经过一个U形滤波器，与发动机机体的频率衰减相一致。之后，用可选择的低通滤波器过滤燃烧室共振具有可能性，这可以在测试仪的前面板上进行切换，不过可能导致测量故障。最后，该信号通过一个A型滤波器，它会匹配一个人耳能听到范围（分贝）的声学校正标准值。所产生的输出信号会进一步处理，将RMS（均方根）转化为涉及到的听觉界限的对数DC值。测试仪的前面板上会给出最终的输出信号，用数字显示（分贝），以及一个与燃烧噪声值成正比的模拟电压。在稳态测试中选择数字输出，而瞬态测试中则选择电压输出。仪表的总误差小于1分贝。在目前的工作中，燃烧噪声测试仪位于气缸压力信号放大器之后，如图1所示。并且它的操作不经过任何低通滤波器。
2.3.发动机和涡轮增压器运行参数的测量
测量并连续记录的发动机和涡轮增压器的各种操作参数有：发动机速度、气缸压力、燃油泵齿条位置、增压压力和涡轮增压器转速。在实验测试台上每个测量设备的位置如图1所示。一个定制的lsquo;停止rsquo;的各种调节位置，每个位置对应特定的发动机转速，被安装在（油门）踏板上，这是为了在每次加速试验以及速度增加结束时确保恒定的踏板位置。
2.4.数据采集与处理系统
测量设备和试验台的所有上述信号被发送至数据采集模块的输入端，这个输入端是一个通过USB接口连接至电脑的Keithley KUSB 3102的模拟数字转换卡。特定转换卡具有100个样本/秒的最大采样速率，它的8通道模拟量差分输入具有12位的分辨率。之后将所存储的记录测量值变成文件，使用内部开发的计算机代码对数据进行处理。
2.5.误差分析
在本实验工作中，误差分析包括在测试台上识别各个设备的测量误差（精度）。表2提供了发动机和涡轮增压器的运行参数的测量精度，由每个设备制造商所声明。
表2.所使用的每个设备的测量误差
参数 测量仪 误差
发动机转速 lsquo;Kistlerrsquo;轴编码器 CA
气缸压力 lsquo;Kistlerrsquo;微型压电 lt;1% FSO
换能器与lsquo;Kistlerrsquo;
电荷放大器相结合
燃油泵齿条位置 线性差动传感器（LVDT） 0.1mm
增压压力
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