柴油机燃用小桐子油燃烧噪声分析*

梁 昱，周立迎，王子玉，程秀围

(1.贵阳学院机械工程学院，贵阳 550005;2.中国北方发动机研究所，大同 037036)

前言

柴油机噪声由多种声源发出的噪声组合而成，主要包括空气动力噪声、机械噪声和燃烧噪声3部分［1］。燃烧噪声是从发动机机体表面辐射出的噪声，其对发动机整机噪声的贡献最为突出［2］。

识别与分析燃烧噪声常用的方法有:利用发动机缸内压力，通过傅里叶变换或小波包变换从时域、频域信号直接提取和分析燃烧噪声;采用声强测试技术，通过多元回归分析对气动噪声、机械噪声、燃烧噪声进行分离、识别;应用相干输出功率谱函数法从发动机总噪声中直接识别燃烧噪声;通过独立成分分析方法进行燃烧噪声识别。传统的评估燃烧噪声的方法是对气缸压力级进行频谱分析，用气缸压力级频谱与A计权声压级评定燃烧噪声［3］。

小桐子是小油桐的种子［4］，经脱壳、除杂、烘干、压榨、沉淀和过滤后制得小桐子油。小桐子油直接或深加工后可作为柴油机的代用燃料，但其异于柴油的理化特性直接影响了喷射、雾化、蒸发、混合以至整个燃烧过程，从而对发动机的性能和运行参数有较大的影响［5-6］。

本文中测录柴油机燃用小桐子油的瞬时气缸压力，通过与原柴油机对比，从最高燃烧压力、压力升高率、压力升高加速度、气缸压力频谱曲线和A计权声压级，对柴油机燃用小桐子油的燃烧噪声进行分析，以期进一步了解小桐子油的使用特性。

1 试验油料

1.1 小桐子油

试验采用的油料为0#柴油、体积分数20%小桐子油与80%0#柴油配制的柴油-小桐子掺混油(简称B20)、小桐子油(简称B100)和利用可控恒温油浴将100%小桐子油加热至150℃的高温小桐子油(简称HB100)。

1.2 油料理化特性

油料的重要理化特性见表1。

表1 油料的理化特性

2 试验装置与方法

2.1 试验装置与台架

试验所用机型为ZH1115单缸直喷水冷四冲程柴油机，发动机主要技术参数、台架布置、试验仪器和测试方法详见文献［7］。

2.2 试验过程

发动机达到正常工作状况，切换燃油管路的过程中，采用怠速运行，燃用不同油料后，均须运行一段时间，确保管路中之前试验残留的燃油耗尽。每个工况连续测录100个循环的瞬时缸内压力，以其平均值进行分析。

(1)燃用柴油相继运行额定工况:功率14.01kW，转速2 200r/min;最大转矩工况:转矩68.1N·m，转速1 760r/min;准全负荷工况:转速2 000和1 400r/min，转矩60.8N·m。

(2)不待发动机冷却，切换燃油管路，相继燃用B20、B100和HB100运行额定工况，功率14.01kW，转速2 200r/min。

(3)燃用 HB100运行最大转矩工况:转矩68.1N·m，转速1 760r/min;准全负荷工况:转速2 000和1 400r/min，转矩60.8N·m;负荷特性工况:转速2 200r/min，负荷75%，50%，10%。

(4)将供油提前角由18°CA调整为21°CA，燃用HB100相继运行额定工况、最大转矩工况、准全负荷工况和负荷特性工况(各工况参数同上)。

(5)燃用B100和B20运行额定工况。

(6)燃用柴油运行额定工况、最大转矩工况、准全负荷工况和负荷特性工况(各工况参数同上)。

2.3 燃烧噪声的评价方法

燃烧噪声的评价方法最常用的是从气缸压力的时域和频域特性两方面进行分析。时域特性利用瞬时气缸压力获得有关燃烧噪声的主要信息，包括最大气缸压力、最大气缸压力升高率和最大气缸压力升高率加速度及3者对应的相位［8］。频域特性是利用瞬时气缸压力获取气缸压力频谱来分析燃烧噪声，包括气缸压力级频谱和由频谱各中心频率声压级加权计算的A计权总声压级［9］。

气缸压力值通过快速傅里叶变换为复数形式，各谐次复数的模即为该谐次的振幅，也就是频谱［10］，取基准压力 2 ×10-5Pa，得到气缸压力级，再由1/1倍频带或1/3倍频带声压级合成A计权声压级［11］。计算方法如下:

式中:x(n)为第n个离散点的气缸压力值，MPa;k为谐次;X(k)为k谐次的傅里叶变换;L(k)为k谐次的气缸压力级，dB;LA为A计权声压级，dB;Lj为第j个1/1倍频带或1/3倍频带声压级，dB;Cj为A计权修正量，dB。

3 试验结果分析

3.1 额定工况燃烧噪声分析

图1～图4分别为18°CA和21°CA供油提前时额定工况分别燃用柴油、B20、B100、HB100的气缸压力、压力升高率、压力升高加速度和气缸压力级的对比分析曲线。

从图1～图3中可以看出，在两种供油提前角下，燃用不同油料燃烧始点、最高燃烧压力对应相位、最大压力升高率对应相位和最大压力升高加速度对应相位的顺序均为HB100、B100、B20和柴油。小桐子油主要由油酸、亚油酸和棕榈酸等组成，虽然它们都是大分子量的不饱和脂肪酸，但是沸点却相对较低，易于挥发形成可燃混合气［5］，在额定工况，喷油量较大，小桐子油密度较高，黏度大，喷油压力较高，将燃油喷注到更为广泛的区域，加之小油桐氧含量高，易于达到着火的氧浓度，这都对小桐子油在柴油机中的迅速着火有利。

虽然小桐子油易于着火，但相对柴油而言，其喷雾锥角小、颗粒大，滞燃期短，不易形成大量可燃混合气，因此，预混燃烧的小桐子油只占很小的比例，大部分则靠扩散燃烧。供油提前角为18°CA时，对比 HB100、B100、B20，着火较早，速燃期较靠近上止点，HB100与B100和B20最大压力升高率基本相同，因而HB100的最高燃烧压力较大，对应相位靠前。柴油虽然着火较迟，但在较长的滞燃期内，形成的可燃混合气量较大，着火开始后，尽管速燃期离上止点较远，但较大的压力升高率和压力升高加速度仍使得其最高燃烧压力最高。

供油提前角增大为21°CA后，着火始点位于上止点之前，此时活塞仍处于上行阶段，缸内气体被进一步压缩，本就处于压力上升时期，加上燃烧放出的热量使得压力升高率的值比18°CA时提高了约0.2MPa/°CA。由于急速燃烧期更加靠近上止点，因而HB100、B100有较高的最高燃烧压力、压力升高率和压力升高加速度。

低频域(低于300Hz)气缸压力级最大，主要由最高燃烧压力和压力曲线的形状决定;中频域(300～2 000Hz)气缸压力级以对数规律线性递减，该频域燃烧噪声主要由压力升高率决定;高频域(2 000Hz以上)反映了缸内气体的高频振动，压力升高加速度越大则高频域声压级越高［12］。

从图4可以看出，气缸压力级基本上随频率的增高而下降，总体来说各燃料的气缸压力级频谱差别并不明显，这主要是由于气缸压力曲线形态相似，趋势基本相同，最高燃烧压力、压力升高率和压力升高加速度的值相差较小所致。

供油提前角为18°CA时，低频域的气缸压力级基本相同;300～1 500Hz频域上，柴油的压力升高率大，因而其气缸压力级较大;高频域的气缸压力级已经较低，在最高气缸压力级一半以下，因而其对A计权声压级的贡献较小，高频域气缸压力级的波动较大，3 000～5 000Hz频域上，HB100、B100的压力级较高，更高频域内，柴油和B20的压力级较低。

供油提前角为21°CA时，低频域的气缸压力级基本相同;由于气缸压力曲线更为相似，因而气缸压力级频谱曲线差别更小，HB100的压力升高率略小，在500～1 400Hz频域内HB100的压力级较小;高频域内压力级波动较大，柴油的压力升高加速度略小，其压力级比HB100与B100稍低，7 500Hz以上的频域内，气缸压力级相差较小。

图5为额定工况不同燃料的气缸压力A计权声压级。供油提前角为18°CA时，由于柴油的最高燃烧压力、压力升高率、压力升高加速度均较大，因而其A计权声压级最高，B20、B100、HB100依次略有减小，相差不大。供油提前角为21°CA时，B100、HB100的最高燃烧压力大，但B100和B20的压力升高率和压力升高加速度大，因而B100和B20的A计权声压级略高。与柴油相比，HB100的最高燃烧压力较大，两者的最大压力升高率和压力升高加速度基本相同，但值得注意的是HB100的A计权声压级却比柴油要低，原因是HB100燃烧始点较早，最大压力升高率和压力升高加速度对应的相位靠前，在中频域内HB100的压力级较小，在中高频域A计权修正值为正，对A计权声压级贡献较大。气缸压力曲线形态和最高燃烧压力相差较小的情况下，燃烧噪声主要由最大压力升高率及其对应相位决定，压力升高率大，对应相位靠后，则燃烧噪声大。

供油提前角由18°CA提前至21°CA后，燃烧始点提前，速燃期更接近上止点，使得最大压力升高率与压力升高加速度增大，燃用小桐子油的燃烧噪声明显升高。

3.2 准全负荷工况不同转速的燃烧噪声

图6和图7分别为不同转速的准全负荷工况下燃用柴油与HB100时的最高燃烧压力、最大压力升高率和A计权声压级对比。

转速升高，单位曲轴转角对应的时间缩短，因而滞燃期对应的时间也相应缩短，在滞燃期内形成的可燃混合气较少，燃烧始点和急速燃烧期对应的曲轴转角靠后，因此，从图6中可以看出，最高燃烧压力和最大压力升高率均随转速升高而降低。

四冲程发动机气缸压力级频谱所采用的基频为

式中:f0为基频，Hz;T为发动机循环周期，s;n为转速，r/min。

发动机基频随转速升高而升高。转速越高，单位时间内工作的循环次数越高，因机体表面振动而向外辐射的能量越大，因此，随转速升高，A计权声压级升高，如图7所示。为了对比最高燃烧压力和最大压力升高率对燃烧噪声的影响，在各转速采用了与2 200r/min相同的基频进行处理，可以看出，虽然最高燃烧压力和最大压力升高率随转速升高而降低，但是最大压力升高率对应的曲轴转角随转速升高而靠后，因此，按相同基频处理后的A计权声压级，随转速变化趋势并不明显，差值也较小。这也说明燃烧噪声主要由最大压力升高率及其对应相位决定，最大压力升高率大，燃烧噪声大，最大压力升高率对应相位越迟，燃烧噪声越大。

对比柴油与HB100，HB100着火较早，其最大压力升高率对应的相位靠前，供油提前角18°CA时，柴油的最大压力升高率大于HB100，高转速时最高燃烧压力也大于HB100，因而柴油的燃烧噪声大于HB100。

供油提前角为21°CA后，速燃期更接近上止点，HB100的最大压力升高率与柴油相当，在中高转速还大于柴油，最高燃烧压力均大于柴油，只是由于最大压力升高率相位较早，缓解了其燃烧噪声的升高，结果是在中高转速1 760和2 000r/min，HB100的燃烧噪声高于柴油。

3.3 2 200r/min不同负荷的燃烧噪声

图8和图9为2 200r/min不同负荷工况燃用柴油与HB100时的最高燃烧压力、最大压力升高率和A计权声压级的对比。

随负荷的减小，循环供油量减小，最大压力升高率和最高燃烧压力均降低，A计权声压级也随之降低。

对比柴油与HB100，HB100在额定点转速各负荷下的燃烧噪声均小于柴油;供油提前角增大后，HB100的A计权声压级增大，且在中高负荷增大较为明显;柴油的则在中小负荷A计权声压级增大。

4 结论

从最高燃烧压力、最大压力升高率、最大压力升高加速度、气缸压力级频谱和A计权总声压级等参数对比分析了ZH1115柴油机燃用柴油和小桐子油的燃烧噪声，可以得到以下结论。

(1)燃用柴油和小桐子油的气缸压力曲线形态相似，趋势基本相同，最高燃烧压力、压力升高率和压力升高加速度的值相差不大，气缸压力级频谱差别并不明显。

(2)气缸压力曲线形态和最高燃烧压力相差较小的情况下，燃烧噪声主要由最大压力升高率及其对应相位决定，最大压力升高率大，燃烧噪声大，最大压力升高率对应相位越迟，燃烧噪声越大。

(3)转速越高，单位时间内工作的循环次数越高，因机体表面振动而向外辐射的能量越大，随转速升高，A计权声压级升高。

(4)随负荷的减小，循环供油量减小，最大压力升高率和最高燃烧压力均降低，A计权声压级也随之降低。

(5)供油提前角由18°CA提前至21°CA后，燃烧始点提前，速燃期更接近上止点，使得最大压力升高率与压力升高加速度增大，燃用小桐子油的燃烧噪声明显升高。

(6)供油提前角为18°CA时，除1 400r/min准全负荷工况外，燃用高温小桐子油的燃烧噪声低于柴油;供油提前角为21°CA时，1 760和2 000r/min的准全负荷工况，燃用高温小桐子油的燃烧噪声高于柴油。

［1］ 袁银南，罗福强，梁昱，等.生物制气-柴油双燃料发动机燃烧噪声分析［J］.农业机械学报，2008，39(5):18-21，25.

［2］ 于文英，单宝龙，王霞.柴油机燃烧噪声与机械噪声的识别及其对整机噪声贡献度的实验研究［J］.小型内燃机与摩托车，2011，40(1):90-96.

［3］ 王平.直喷式共轨柴油机燃烧噪声的研究［D］.大连:大连理工大学，2008.

［4］ 丘华兴.中国植物志(第四十四卷，第二分册)［M］.北京:科学出版社，1996:148.

［5］ 吴金开，万泉，林冠烽，等.不同地区麻风树籽油的理化性质及脂肪酸组成［J］.福建林学院学报，2008，28(4):361-364.

［6］ 罗福强，王子玉，梁昱，等.作为燃油的小桐子油的物化性质及黏温特性［J］.农业工程学报，2010，26(5):227-231.

［7］ 罗福强，王子玉，梁昱，等.直喷式柴油机燃用加热小桐子油的性能与排放［J］.内燃机学报，2010，28(5):414-419.

［8］ 袁兆成，方华，王天灵，等.车用柴油机气缸压力升高率与燃烧噪声的关系［J］.燃烧科学与技术，2006，12(1):11-14.

［9］ 汤东，罗福强，梁昱，等.柴油机燃烧噪声的频谱特性［J］.农业机械学报，2007，38(10):186-189.

［10］ 陈怀琛.数字信号处理教程:MATLAB释义与实现［M］.北京:电子工业出版社，2004.

［11］ GB 8194—87内燃机噪声声功率级的测定工程法及简易法［S］.1987.

［12］ 汤东，刘胜吉.两种直喷燃烧系统燃烧噪声评价参数的对比研究［J］.车用发动机，1997(6):5-9.