柴油机声源识别试验研究

刘逢春，杨天军，张兴刚，李 全，霍君蕊，武海军

（1.中国北方发动机研究所，山西 大同 037036；2.大同北方天力增压技术有限公司，山西 大同 037036）

进行内燃机噪声控制的基本措施有两种，一是从噪声产生的机理入手消除产生噪声的声源，二是采取减振和隔声方法限制噪声传递和辐射的途径。目前，对于柴油机噪声的产生机理和隔声措施已经有了大量的研究［1－4］。但是，无论采取何种噪声控制措施，首先需要对内燃机噪声源进行识别，以便采取相应的技术措施。

本研究针对某型直列4缸柴油机，分别测试了其全工况状态下的声压和标定点工况声强，获取了较为完整的整机噪声辐射特性。对由声强试验结果获得的典型整机噪声贡献位置展开研究，为改进发动机的设计和降低噪声提供了参考。

1 试验方案

由于声强试验采用分布式测点法，对于每个位置的测试需要逐一进行，造成试验周期较长。如果选择较多发动机测试工况，势必带来试验成本的升高。本研究中，仅对柴油机标定点工况进行声强测量，绘出等声强图，识别出主要噪声源位置。对于发动机其他运行工况的噪声特性研究，采用全工况声压测试方式，结合声强试验中提取的频谱结果，分析噪声发生的原因，从而为发动机的降噪提供数据参考。

1.1 测点的布置

声强试验时被测发动机被矩形的包络面（测量面）所包围。取包络面的上、前、左、右4个侧面，用丝线拉成测量网格（见图1）。将各网格中点设为测量点，逐格测量声强。网格大小100mm×100mm，包络面距发动机表面距离小于50mm，每个测量表面起始位置为左上角，测量网格顺序为从上到下，从左到右。声强探头始终与网格垂直，移动探头时测量者侧向声源。

声压测试按照GB／T 1859—2000《往复式内燃机辐射的空气噪声测量工程法和简易法》标准布置测点［5］。由于受到测功机和后端联轴器影响，飞轮端测点噪声未测试，采集了8个点的噪声（图2中除1点外的其余8个点）。

试验发动机没有安装风扇，发动机进气管和排气管直接接出试验室外，因此在试验过程中可以忽略空气动力噪声的影响，主要考虑发动机表面辐射噪声。表面辐射噪声分为机械噪声和燃烧噪声，本研究将重点对这两种噪声进行分析。

1.2 测量修正

为了通过声压测试试验准确判别柴油机整机噪声特性，对噪声测量结果进行环境修正和背景噪声修正是十分必要的。一方面，消声室的0.99吸声特性并非适合于所有频段，发动机运转在不同工况下其特征噪声贡献频率也不固定，对应采用测量设备获得的20Hz～20kHz的A权综合语音级（SPL）在一致性上有一定的偏差；另一方面，由于背景噪声的叠入，对于较小的噪声级很难定量分析出燃烧激励或机械结构激励对噪声的贡献。

在进行背景噪声修正时，分别引入各频带背景噪声声压修正。利用声压的合成和分解原理，各频带背景噪声的修正公式有：

式中：Lpi为背景噪声修正后第i个测点处A计权和倍频带或1／3倍频带声压级（基准值：20μPa）；LPA为修正前A计权和1／3倍频带或表面声压级（基准值：20μPa）；LKA为背景噪声第i个测点处A计权和1／3倍频带声压级（基准值：20μPa）。

对于测试环境的修正，由于试验是在消声试验室内进行的，本研究利用标准声源法求出试验环境修正平均值。将标定合格的标准声源放在被测试柴油机的测试环境中，使用相同的测量方法，测得标准声源的声压级，计算出声压修正结果。

2 柴油机噪声试验分析

2.1 标定点声强

图3示出试验得到的发动机标定点工况三维声强云图。图中声强数值最大的位置对应于整机以皮带轮、进气歧管、EGR高压回路入口和油底壳5个位置为中心的辐射带。

EGR高压回路入口位置声强级最大，可达113dB。前端皮带轮位置贡献面积最大，占总测量区域的2／3。这是由于EGR高压回路引入进气口位置是排气压力的释放位置，废气在经过EGR阀门时，由于阀门开启过程中节流件孔径的瞬间变大，使得再循环气体具有较高的势能，并伴随着燃烧噪声的叠入，从而导致噪声增大。而皮带轮位置由于存在曲轴的外露轴端，在较低阻尼情况下燃烧噪声被传递出来，同时伴有皮带轮运转过程中对发动机附件功率的传递，导致机械噪声增大。以至于前端噪声贡献云图与皮带轮的分布一致，并存在曲轴轴端位置贡献较高的特点。从图中可以看出，皮带轮噪声贡献区域占前端总区域的2／3之多，根据声源的合成定理推断，该端面的噪声高于其他各面噪声。

图4示出各个测量面的声强频谱，由图可见4个位置的声源具有共性频谱特征，均存在100Hz中心频带声强贡献，且幅值相同。该中心频带与发动机3 600r／min标定点工况的二阶频率相吻合，与发动机每转缸内点火次数一致。由此可以判断该中心频段的噪声贡献主要源于燃烧噪声。相应的噪声贡献位置为EGR管、曲轴自由端轴头、进气歧管和发动机油底位置。对于高频段噪声贡献，每个测量面的特征不相同，这是由于各测量面发动机附件不同，对燃烧噪声的屏蔽作用和机械噪声的传递效率不同。相应高频部分的发动机部件噪声典型贡献位置为皮带轮和EGR系统阀门位置。

2.2 外特性声压

观察图5发现，前端1m测点声压较其他各点声压偏高。这与声强试验分析结果一致，从而更加验证了噪声较大位置存在较大声源贡献区域。由图可知，发动机外特性工况点噪声随转速的升高而增大。通过标定点工况声强试验分析结果可知，各测量面共性声源特征主要为燃烧噪声，而发动机在外特性工况点缸内燃烧压力值与转速呈规律性增长，相应地噪声与转速也呈规律性增长，因此对声压试验结果进行分析时首先以燃烧噪声产生的机理进行讨论。

从图5中看出，在外特性工况点，发动机8个测点噪声均呈现随转速升高而升高趋势，并且与转速基本呈线性关系。这是由于当发动机转速升高时，气缸内活塞环的漏气量较少，使气缸内的压缩温度和压力升高，从而使喷油压力提高，燃油喷射雾化均匀。上述过程将导致可燃混合气增多，同时加速燃油混合气的形成，发动机转速的升高使得气缸内燃烧更加剧烈，缸内的燃烧压力提高，从而导致发动机的噪声增大［6－7］。相应地EGR管、曲轴自由端轴头、进气歧管和发动机油底位置等高噪声贡献的辐射面积随转速的升高逐渐增大。

发动机3 600r／min工况点1m声压4个测点1／3倍频程见图6。从图中可以看出，4个测点在低频中的100Hz中心频带声压级均较大，这与声强频谱结果一致，但对总声压贡献较小。这是由于随着转速的提高，发动机各零部件以及传动机构的惯性增大，从而使发动机产生的振动和机件之间的撞击加剧，再伴入部件振动对燃烧激励的响应，造成噪声增加。

2.3 负荷特性声压

图7示出发动机相同转速下，8点声压随扭矩增加的变化规律。在1 500r／min工况下发动机的噪声随着扭矩的变化而起伏较大，在2 000r／min工况下发动机的噪声随着扭矩的变化而起伏较小；在3 000r／min和3 200r／min工况下，发动机的噪声随着扭矩的增大而增大，但幅值变化极小，这说明在高转速工况发动机燃烧噪声对整机噪声影响较小，整机噪声主要源于机械噪声。因此在高转速工况，皮带轮位置和EGR系统阀为发动机噪声高贡献部件。

对于低转速工况，负荷对稳态工况燃烧噪声的影响与其大小有关。对于直喷式柴油机，一方面随着负荷的增加，燃烧室壁面温度升高，滞燃期缩短；另一方面每个循环喷入的燃油量增加，喷油持续时间增大。喷油阀的开启时间决定了燃烧噪声大小，同时燃烧噪声也与滞燃期内可点燃混合油量的多少有关，所以只要喷油持续时间小于滞燃期，那么喷油持续时间的增大就意味着滞燃期内喷入的燃油量增加，燃烧噪声增大，但当喷油持续时间增大到等于或者大于滞燃期时，继续增大负荷，滞燃期内喷入的燃油量就不会再增多，反而由于燃烧室壁面温度的增大，滞燃期减小，因而燃烧噪声减弱。由此造成了发动机在低转速稳定工况下随着负荷的变化其噪声起伏不定［8－9］。

3 结束语

通过声强试验可有效定性噪声的来源，在此基础上开展声压试验，可有效弥补声强试验周期过长的缺点，加快声源识别试验过程。声强贡献区域面积较大的测量面对应发动机最大声压级测点位置。

在声强试验对声源定位的基础上，通过对发动机全工况声压测试结果进行分析，能较好地区分各典型噪声部位对整机运行工况噪声的贡献情况。有针对性地采取降噪措施，能提升发动机整机的性能。

凡是能减少滞燃期内可燃混合气的数量的措施，都能降低燃烧噪声，但这种措施在低转速工况下较为有效。

［1］ 李兆文.预喷射对柴油机瞬态工况燃烧噪声控制策略的试验研究［J］.小型内燃机与摩托车，2012（3）：10－14.

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