内燃机燃烧噪声的研究与发展

　　1　引言

　　内燃机噪声分机械噪声、空气动力性噪声和燃烧噪声。燃烧噪声对内燃机整机噪声的贡献是占有重要地位的,因此,随着内燃机技术的进步,对燃烧噪声的研究也更加注意和深入。通常把燃料在气缸内燃烧时使缸内压力急剧上升产生的动载荷和冲击波引起的高频振动经气缸盖、气缸套、活塞—连杆—曲轴及主轴承传至机体以及通过气缸盖等引起内燃机结构表面振动而辐射出来的这部分噪声称为燃烧噪声[1]。

　　汽油机正常燃烧时,燃烧噪声在发动机总噪声中占比例较小,但在爆燃和表面点火等不正常燃烧时所产生的噪声却必须给予重视。当爆燃时,气缸内的气体压力急剧上升,能产生4000Hz~6000Hz的高频爆燃噪声。对于压缩比高的汽油机,由于积炭多,产生过热,引起表面点火,从而导致缸内压力剧增,这样就会产生频率为500Hz~2000Hz的噪声。然而,对于正常生产和使用的汽油发动机,只要汽油牌号选用合适,点火提前角适当,爆燃噪声是可以避免的;对于表面点火现象,只要清除燃烧室积炭即可消除。相比之下,柴油机的燃烧噪声在总噪声中占有很大比例,远比汽油机的高。因此,本文着重叙述柴油机的燃烧噪声问题。

　　2　燃烧噪声的特性

　　2.1　燃烧噪声产生根源

　　气缸内气体压力的剧变是内燃机产生燃烧噪声的根源,从机理分析有三方面的原因。①气缸内的压力剧变使得气缸及其连接的所有部件受到强烈的冲击性动力载荷,形成瞬间激励,并通过气缸盖、气缸套、活塞连杆机构、曲轴及其支承最后传到内燃机的整体,导致各部件的结构振动。②在滞燃期内,喷入燃烧室中的燃油在燃烧条件成熟时首先在燃烧室内若干点处着火,于是首先着火点处的局部压力急剧升高,火焰向邻近区域传播,在火焰传播的同时,也传播着具有冲击性质的压力波。这种冲击波遇到燃烧室壁时便进行反射,冲击波在气缸内的多次来回反射,就形成气体的高频振动,这种高频振动在膨胀行程中要保持相当的时间,由此辐射出高频噪声。③气缸内气体压力在稳定的工况下呈周期性的变化,通过对气缸压力曲线的傅里叶变换可获得以每秒内发动机工作循环数为基频的频域压力辐值谱,此即构成气体压力振动激励,将激励起内燃机气缸内所连接部件的强迫振动。

　　2.2　燃烧噪声频谱特性

　　燃烧噪声源的强弱可以用气缸压力的频谱曲线来表示。将各频率下的压力辐值,与计算声压级一样采取基准压力为2×10-5N/m2,便可得到气缸压力的压力级频谱曲线,通过对气缸压力级的频谱分析,可进一步了解燃烧噪声源的特性。

　　如图1所示,把频谱曲线分为低频(300Hz以下)、中频(300~1000Hz)和高频(1000Hz以上)三段,划分标准根据频率范围各不相同。低频段包括由气缸压力的基频开始的头几个谐波频率,在此段内,气缸压力级达到最大值,它的数值主要是由气缸最大压力值及压力曲线的形状所决定的;中频段的特点是气缸压力级以对数规律作线性递减,该频段燃烧噪声主要由压力对数规律作线性递减,该频段燃烧噪声主要由压力升高率dp/dφ决定;高频段出现另一个压力级的峰值,这个峰值是由气缸内气体的高频振动而引起的。气缸压力级频谱曲线的高频段愈高,柴油机的燃烧噪声和总噪声水平均随燃烧压力振荡最大幅值的增加而升高[2]。