影响燃烧噪声的因素

小议内燃机燃烧噪声

姓名：石魁

2011年12月

内燃机燃烧噪声

摘要：影响燃烧噪声的主要因素是燃烧过程的组织，其决定因素是滞燃期形成可燃混合气的多少，即滞燃期的长短，一般来说，缩短滞燃期可以有效地降低燃烧噪声。燃烧噪声也与燃料性质、压缩比、喷油（或点火）提前角、喷油规律、转速和负荷等有密切关系。通常以速燃期的压力升高率作为燃烧噪声的评价指标。

一、内燃机产生的噪声

内燃机燃烧过程是在高温高压下，一个封闭的、容积不断变化的狭小空间内进行的，这一过程中产生的噪声被认为是有害污染，一般可分为机械噪声、空气动力性噪声和燃烧噪声。

二、燃烧噪声: combustion noises

2.1燃烧噪声：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。一般来说，柴油机噪声比汽油机的噪声高得多，因此在这里主要以柴油机为例来说明如何降低燃烧噪声。

2.2燃烧噪声的产生机理：气缸内因压力急剧升高而产生的动载荷和冲击波会引起高频振动,并通过气缸套、机体和气缸盖传播到外界。

2.3影响燃烧噪声的主要因素：是燃烧过程的组织，其决定因素是滞燃期形成可燃混合气的多少(滞燃期的长短)。燃烧噪声也与燃料

性质、压缩比、喷油（或点火）提前角、喷油规律、转速和负荷等有密切关系。通常以速燃期的压力升高率作为燃烧噪声的评价指标，对柴油机来说应控制在0.4兆帕每度曲轴转角以下。

2.4燃烧噪声对内燃机整机噪声的贡献：它对内燃机整机噪声的贡献占有重要地位，其根源是气缸内气体压力的变化，主要表现在两方面：①由缸内压力急剧变化引起的动力负荷，由此产生结构振动和噪声。②由气缸内气体燃烧产生的冲击波引起的高频振动和噪声。主要取决于压力增长率及最大压力增长率持续的时间，压力增长越快，持续高增长率时间越长，则噪声越大。

2.5目前对燃烧噪声的研究方法：在汽车发动机中，燃烧噪声在总噪声中占有很大比例，研究如何降低其燃烧噪声具有特别重要的意义。目前所研究出的降噪措施主要有：对于已投入应用的内燃机，当前已发展出很多有效方法对其噪声源进行测量、识别，或对不同的噪声成分进行分离。更为明智的方法是在内燃机图纸设计阶段就对结构进行噪声预测和评价，对发动机零部件实施噪声优化设计。例如研究内燃机的声辐射模态，以期事先控制机体对内部激励力向外部辐射噪声的能力。对此，有限元方法和边界元方法能近似地预测内燃机在自由空间或无混响室内的声场分布情况，但它们只适用与中低频范围内的预测。统计能量法运用能量流关系式对复合的谐振结构进行动力特性、振动响应及声辐射规律的模拟和预测。这种方法局限于高频问题，对中低频问题无能为力。由于内燃机振动激励及噪声预测问题的复杂性，当前的研究大多考虑单点简谐激励下构件的噪声辐射预测，

或在测出构件表面振动速度后预测辐射噪声。

2.6控制燃烧噪声的手段：目前所研究出的降噪措施主要有：(1)采用隔热活塞以提高燃烧室壁温度，缩短滞燃期，降低空间雾化燃烧系统的直喷式柴油机的燃烧噪声。(2)提高压缩比和应用废气再循环技术也可降低柴油机的燃烧噪声。但压缩比主要决定了柴油机的机械负荷与热负荷水平。废气再循环技术通过降低气缸最高压力，在抑制NOx产生的同时，也降低了燃烧噪声。(3)采用双弹簧喷油阀实现预喷。即将原本打算一个循环一次喷完的燃油分两次喷。第一次先喷入其中的小部分，提前在主喷之前就开始进行着火的预反应，这样可减少滞燃期内积聚的可燃混合气数量。这是降低直喷式柴油机燃烧噪声的最有效措施。通过降低双弹簧喷油器初次开启压力和针阀的预升程来抑制空气和燃料混合气的形成，以此对怠速工况的燃烧噪声产生影响。通过设计两段升程装置，采用引燃喷射装置在较大的转速范围及加速情况下来抑制燃烧噪声。(4)共轨喷油系统是一种很有前途的直喷式轿车柴油机电子控制高压燃油喷射系统，它能减少滞燃期内喷入的燃油量，特别有利于降低燃烧噪声。(5)采用增压。柴油机增压后进入气缸的空气充量密度、温度和压力增加，从而改善了混合气的着火条件，使着火延迟期缩短。虽然增压柴油机最大爆发压力有所增加，但其压力增长率dp/dφ和压力升高比λ却变小，使柴油机运转平稳，噪声降低。此外，一般来说，涡轮增压柴油机最大额定功率的转速要比同样气缸尺寸的非增压柴油机低，有利于降低燃烧噪声。增压空气中间冷却后，空气温度降低，充气效率得以提高，但同时也削弱了增

压对降低燃烧噪声的作用。(6)燃烧室的选择和设计。对于分开式燃烧室，精确的喷油通道、扩大通道面积、控制喷射方向和预燃室进气涡流半径的优化，均能抑制预混合燃烧，促进扩散燃烧，从而降低由低负荷到高负荷较宽范围的燃烧噪声、燃油消耗和碳烟排放，对于直喷式燃烧室，可以通过合理设计，使其在保证足够的涡流下具有高紊动能，强化燃料与空气之间的扩散，以此来改善燃烧过程，实现柴油机低油耗、低噪声和低排放。活塞顶燃烧室结构对燃烧噪声有很大影响。孔口较小、深度较深者，燃烧噪声就小得多，排放也明显较好。再加上缩口形，减噪效果就更趋好转。因此，设计时在变动许可范围内，最好选用缩口并尽可能加深些的ω形燃烧室。(7)减小供油提前角。供油提前角小，喷油时间延迟，气缸内温度和压力在燃油喷入时较高，燃油一经喷入即雾化，瞬间达到着火点，缩短了滞燃期。最先喷入的燃油爆发燃烧，而后续喷入火焰中的燃油因氧气不足而不会立即燃烧，这样，由于初期燃烧的燃油量少，压力升高率低，可使燃烧噪声减小。大多数柴油机的燃烧噪声随供油提前角的减小而有所降低。(8)选用十六烷值高的燃料，着火延迟期较短，从而影响在着火延迟期内形成的可燃混合气数量，使压力升高率降低和减小燃烧噪声。对于实际运转中的内燃机业已发展出一系列有效的方法控制其燃烧噪声，主要手段是减小噪声源与限制噪声传播途径。降低燃烧噪声源的关键是控制最高压力升高率，也就是力求使工作过程柔和。一般方法有：设计合理的燃烧室结构以改变可燃混合气的混合形式；燃用高辛烷值的油料；组织合理的供油规律；采用废气涡轮增压技术提高

进气温度和进气压力，从而降低气缸压力升高率以降低燃烧噪声。限制噪声传播途径的方法主要集中在声学材料的研究和进排气消声技术的研究。应用最多声学材料的是钢板、铝板、不锈钢板，复合阻尼材料等隔声罩板，而消声器在降低内燃机空气动力噪声方面十分有效。

三、国内燃烧噪声的未来研究思路：

首先，在设计内燃烧时加入有限元的思想，对内燃烧的设计加入低振动低噪声的思想。其次，注重实验验证计算结果，多试验，从而让计算结果更符合实际情况。