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柴油機(jī)表面輻射噪聲測量和頻譜特性分析
發(fā)布時(shí)間:2024-03-12 03:16:01  ▏閱讀:

 

新聞主題

柴油機(jī)表面輻射噪聲試驗(yàn)和頻譜分析研究

 

摘要:康明斯公司在本文中采用表面聲壓級(jí)測量法,運(yùn)用大氣壓模擬測試系統(tǒng),以康明斯4BTA3.9-G2柴油機(jī)為研究對象,測試計(jì)算渦輪增壓柴油機(jī)同轉(zhuǎn)速不同海拔下聲功率,不同海拔不同轉(zhuǎn)速下的聲功率,不同轉(zhuǎn)速下不同噴油提前角的聲功率;分析測試結(jié)果表明:表面輻射噪聲隨轉(zhuǎn)速增加而增大;同轉(zhuǎn)速下,增壓柴油機(jī)整機(jī)噪聲隨海拔增加而增大;以及不同轉(zhuǎn)速下,噴油提前角對柴油機(jī)噪聲影響規(guī)律。

 

一、試驗(yàn)方法及設(shè)備

 

      發(fā)動(dòng)機(jī)是柴油發(fā)電機(jī)組的主要噪聲源,隨著人們對環(huán)境的要求越來越高,噪聲法規(guī)越來越嚴(yán)格,因此降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲成為當(dāng)前研究的緊迫課題。發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲一般分為三類即空氣動(dòng)力性噪聲、燃燒噪聲、機(jī)械噪聲。降低現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲,可以先從降低其空氣動(dòng)力噪聲入手,通常采用進(jìn)、排氣消聲器降低此類噪聲。但是要全面降低發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲,必須從表面輻射噪聲人手。發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的燃燒及其結(jié)構(gòu)機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲,通過發(fā)動(dòng)機(jī)外表面以及與發(fā)動(dòng)機(jī)外表面剛性聯(lián)接的零部件的振動(dòng)向空氣中輻射。發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射噪聲根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理主要由燃燒噪聲和機(jī)械噪聲兩大類構(gòu)成,因此要降低發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)輻射噪聲仍需解決的是燃燒激勵(lì)和機(jī)械激勵(lì)。

      要降低表面輻射噪聲,首先要識(shí)別測試,常用的表面噪聲測試方法有鉛覆蓋法、聲強(qiáng)測量法和振動(dòng)測量法等,筆者采用表面聲壓級(jí)測量法,測試分析柴油機(jī)整機(jī)表面輻射噪聲隨不同海拔、轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律;不同供油提前角對輻射噪聲的影響,研究的結(jié)果對柴油機(jī)的設(shè)計(jì)及排放噪聲的降低都有著重要的意義。

1、測點(diǎn)的布置

      根據(jù)GB8194-1987《內(nèi)燃機(jī)噪聲聲功率級(jí)的測定工程法及簡易法》噪聲測試標(biāo)準(zhǔn)確定測量表面和測量點(diǎn)位置。為了確定測量表面和測量點(diǎn)位置,假想一個(gè)包絡(luò)內(nèi)燃機(jī)主要噪聲輻射部位并終止于反射面上的最小矩形六面體作為基準(zhǔn)體,確定基準(zhǔn)體尺寸時(shí)可以不考慮輻射噪聲不大的內(nèi)燃機(jī)凸出部分。測量表面為一個(gè)包絡(luò)內(nèi)燃機(jī)的面積為S的不含底面的假想矩形六面體,它與基準(zhǔn)體的各對應(yīng)面應(yīng)相平行,間距為d,通常d為1 m。當(dāng)基準(zhǔn)體的最大尺寸小于2 m時(shí),取9個(gè)測量點(diǎn)測量?;鶞?zhǔn)體上的9個(gè)測點(diǎn)位置見圖1。

2、試驗(yàn)場地環(huán)境修正及設(shè)備

      測試實(shí)驗(yàn)室在昆明理工大學(xué)內(nèi)燃機(jī)第7臺(tái)架進(jìn)行的,實(shí)驗(yàn)室不滿足噪聲的測量要求,需進(jìn)行測試環(huán)境修正。由于該實(shí)驗(yàn)室為全封閉性的實(shí)驗(yàn)室,因此沒有風(fēng)速的影響。為了保證測試的準(zhǔn)確性,在實(shí)驗(yàn)前該儀器經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)聲源標(biāo)定,使其測量誤差小于±0.2%。

(1)背景噪聲修正

      柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,每個(gè)測點(diǎn)的測量值與相應(yīng)點(diǎn)背景噪聲測量值之差小于10 dB時(shí),應(yīng)進(jìn)行背景噪聲修正。本試驗(yàn)中背景噪聲修正值K?=0。

(2)測試環(huán)境修正

      當(dāng)測試環(huán)境不符合此要求時(shí),必須對環(huán)境影響加以修正,發(fā)電機(jī)廠家采用雙表面法求取環(huán)境修正值K?。以柴油機(jī)為噪聲源,為了確定測量表面和測量點(diǎn)位置,假想一個(gè)包絡(luò)柴油機(jī)主要噪聲輻射部位并終止于反射面上的最小矩形六面體作為基準(zhǔn)體,除地面位置的面外,距離其它5個(gè)面各1 m和1.8 m建立假象空間S和S?。各點(diǎn)測量結(jié)果見表1。

表 1    實(shí)驗(yàn)室吸聲系數(shù)試驗(yàn)測點(diǎn)聲壓級(jí)  

測點(diǎn)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
SPL  S
91.56
97.85
98.31
98.47
94.24
93.3
94.57
93.64
98.21
SPL  S1
94.56
95.95
94.22
96.38
91.05
92.55
91.08
90.37
95.13

      則環(huán)境修正值K?:

K2=101g{(G-1)/(1-M)}-101gG

      式中,M=100.1ΔLG=S1/S;ΔL=LP1-LP0

表 2     計(jì)算環(huán)境修正值 K?

Lp/dB
Lp1/dB
G
△L/dB
M
K?/dB
96.71
93.98
4.35
-3.59
0.44
1.38

 

(3)環(huán)境溫度和氣壓修正

      當(dāng)測試環(huán)境的溫度和氣壓偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件(溫度t0=20℃,氣壓Po=100 kPa)引起的修正值等于或大于0.5 dB時(shí),應(yīng)加以修正,修正值K?:

K3=101g{√293/(273+t)•(P/100)}

      式中,t為測試環(huán)境的溫度,℃;p為測試環(huán)境的氣壓,kPa。

      7室:t=28℃,p=81 kPa,K?=-0.52 dB。

 

柴油機(jī)基準(zhǔn)體的測量點(diǎn)位置.png

圖1  柴油機(jī)基準(zhǔn)體的測量點(diǎn)位置

實(shí)驗(yàn)室柴油機(jī)吸聲系數(shù)試驗(yàn)測量點(diǎn)布置.png

圖2  實(shí)驗(yàn)室柴油機(jī)吸聲系數(shù)試驗(yàn)測量點(diǎn)布置

 

二、測量結(jié)果計(jì)算

 

1、測量表面平均聲壓級(jí)的計(jì)算

      根據(jù)圖2所布置的測點(diǎn)進(jìn)行測量時(shí),測量的平均聲壓級(jí)用下式計(jì)算:

?p=101g(1/N)Σ100.1LPi

      式中,?P為測量表面的平均聲壓級(jí),dB;Lpi為第i點(diǎn)所測得的聲壓級(jí),dB;N為測點(diǎn)總數(shù)。

2、聲功率級(jí)的計(jì)算

      聲功率級(jí)的計(jì)算公式:

?w=?p+101g(S/S0)=?p+12.7

      式中,?w為聲功率級(jí),dB;?P為測量表面的平均聲功率級(jí),dB;S為測量表面面積,m²,其中,S=4(ab+bc+ca),α=L?/2+d,b=L2/2+d,c=L?+d,L?,L?,L?分別為基準(zhǔn)體的長、寬、高,m;S0為基準(zhǔn)面積,m²。

 

三、試驗(yàn)結(jié)果及分析

 

1、不同大氣壓下,整機(jī)噪聲隨轉(zhuǎn)速變化

      根據(jù)圖3所示結(jié)果可知,直噴式柴油機(jī)表面輻射噪聲基本隨轉(zhuǎn)速增加而增大,這主要是由于機(jī)械噪聲增大的緣故,此外,燃燒噪聲也有影響。對比2個(gè)曲線圖可知,90 kPa大氣壓下的噪聲值明顯高于101 kPa下的值。按理來說,由于高原氣壓低,空氣稀薄,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降,所以柴油機(jī)在高原狀態(tài)下其功率和扭矩要明顯小于平原狀態(tài)下的值,但柴油機(jī)采用渦輪增壓技術(shù),所以要恢復(fù)其功率,其噪聲值要大于平原狀態(tài)下的值。這表明,在高原狀態(tài)下排氣壓力下降,氣缸的內(nèi)外壓力差增加,排氣較為順暢,使保留在氣缸內(nèi)的殘留廢氣減少,有利于快速完成著火前的物理化學(xué)準(zhǔn)備過程。使預(yù)混和階段完成著火準(zhǔn)備的混合氣數(shù)量增加,燃燒速度加快,從而導(dǎo)致燃燒噪聲較平原的高。

2、模擬101kPa下,額定工況下1/3倍頻譜分析

      根據(jù)圖4所示的1/3倍頻程頻譜圖可知,柴油機(jī)前、后、左、右四個(gè)面八個(gè)測點(diǎn)噪聲均在500~700 Hz范圍內(nèi)較大,主要由于進(jìn)、排氣歧管輻射噪聲,飛輪、齒輪旋轉(zhuǎn)引起的機(jī)械噪聲以及其他附件工作發(fā)出的噪聲所引起的,在柴油機(jī)上方則在1200~1500 Hz范圍內(nèi)較大,主要由缸蓋輻射燃燒噪聲所致,這對人影響較大,應(yīng)該改變缸蓋的剛度或者加阻尼以改變缸蓋的固有頻率。

 

不同氣壓下柴油機(jī)噪聲變化曲線圖.png

圖3  不同氣壓下柴油機(jī)噪聲變化曲線圖

柴油機(jī)表面噪聲倍頻程頻譜圖.png

圖4  柴油機(jī)表面噪聲倍頻程頻譜圖

 

3、輻射噪聲隨轉(zhuǎn)速的變化

      根據(jù)圖5可知,轉(zhuǎn)速較高時(shí),表面輻射噪聲聲功率級(jí)隨轉(zhuǎn)速增長基本呈線性的關(guān)系,受海拔影響不是十分顯著,這主要是因?yàn)樵诟咿D(zhuǎn)速時(shí)機(jī)械噪聲是主要的噪聲源。而機(jī)械噪聲主要的激勵(lì)源是不平衡的慣性力及力矩、活塞的拍擊、進(jìn)排氣門落座時(shí)的拍擊以及齒輪嚙合傳動(dòng)等。隨著轉(zhuǎn)速增加,活塞的橫向運(yùn)動(dòng)以高速進(jìn)行,氣門撞擊也將增強(qiáng)等因素,機(jī)械噪聲大幅度增加,因此表面輻射噪聲隨轉(zhuǎn)速增加而增大。在轉(zhuǎn)速較低時(shí),燃燒噪聲較為突出,燃燒噪聲產(chǎn)生的根本因素則是壓力升高率,壓力升高率主要取決于滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣多少,由于本機(jī)是增壓柴油機(jī),如圖3和4所分析的原因,故此高原噪聲較平原高。

4、增壓對輻射噪聲的影響

      從圖6可知,自然吸氣柴油機(jī)與增壓柴油機(jī)之間在不同轉(zhuǎn)速下的噪聲對比,在標(biāo)定功率點(diǎn)(滿負(fù)荷),增壓柴油機(jī)可以顯著的降低噪聲輻射水平。隨著轉(zhuǎn)速的降低,增壓柴油機(jī)的噪聲輻射水平有所增加,當(dāng)達(dá)到最大扭矩點(diǎn)的時(shí)候噪聲輻射水平基本相同,當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步降低的時(shí)候,增壓柴油機(jī)的噪聲反而高于非增壓柴油機(jī)。在頻率較高時(shí)增壓柴油機(jī)輻射噪聲較小,主要是由于增壓后氣缸內(nèi)的空氣密度和溫度升高,滯燃期縮短。由于采用渦輪增壓后,壓縮壓力及溫度均升高,這就減小了著火滯后期,降低壓力升高率,燃燒過程比較柔和。所以,渦輪增壓可以使噪聲降低。同時(shí),還由于采用渦輪增壓,可以在不惡化柴油機(jī)性能的前提下大幅度延遲噴油定時(shí),從而,更進(jìn)一步地降低了燃燒噪聲。渦輪增壓柴油機(jī)與非增壓柴油機(jī)相比,在全負(fù)荷時(shí),其缸內(nèi)壓力頻譜在高頻區(qū)域上噪聲級(jí)大幅度地下降。但在空負(fù)荷時(shí),由于增壓柴油機(jī)的壓縮比一般比非增壓柴油機(jī)低,因而在空載情況下,壓縮終了的溫度也就比非增壓時(shí)低,使著火延遲加長,而壓力升高率高,故在空負(fù)荷下渦輪增壓柴油機(jī)的噪聲下降不多。

 

不同大氣壓下柴油機(jī)噪聲隨轉(zhuǎn)速變化.png

圖5  不同大氣壓下柴油機(jī)噪聲隨轉(zhuǎn)速變化

增壓與自然吸氣柴油機(jī)噪聲對比曲線圖.png

圖6  增壓與自然吸氣柴油機(jī)噪聲對比曲線圖

 

5、不同轉(zhuǎn)速下輻射噪聲隨噴油提前角的變化

      燃燒噪聲起源于燃油在燃燒室中的壓縮著火與滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣的突然燃燒。燃燒噪聲與氣缸內(nèi)壓力開始急劇上升期間的壓力升高率有密切關(guān)系,壓力升高率愈高則燃燒噪聲愈大。對于直噴式柴油機(jī)而言,減小供油提前角可以推遲供油,縮短著火延遲期,使壓力升高率下降,從而也可以使燃燒噪聲降低,供油提前角示例如圖7所示。本次測試選擇三個(gè)不同的供油提前角,分別為16°CA、12.5°CA、9°CA,運(yùn)用大氣壓模擬設(shè)備模擬81kPa下不同供油提前角對柴油機(jī)整機(jī)噪聲的影響如8圖所示。

      從圖8可知,整機(jī)表面輻射噪聲隨供油提前角的增加而增大。但供油提前角對噪聲的影響不是線性變化關(guān)系,也就是說,當(dāng)供油提前角大到一定數(shù)值后,再增大供油提前角,整機(jī)噪聲才明顯增大,隨著供油提前角的增加,滯燃期變長,由于燃燒過程的滯燃期延長,滯燃期內(nèi)的噴油量增加,氣缸內(nèi)的最大爆發(fā)壓力迅速增長,壓力升高率增大,則燃燒噪聲也增大,供油提前角通過改變滯燃期的長短來影響柴油機(jī)噪聲。此外,供油提前角大,噴油時(shí)間早,此時(shí)氣缸內(nèi)壓縮溫度和壓力相對低一些,使得滯燃期延長,燃燒壓力振蕩的強(qiáng)度隨供油提前角增大而增大,因而燃燒噪聲增加。供油提前角小,噴油時(shí)間延遲,氣缸內(nèi)溫度和壓力在燃油噴入時(shí)較高。燃油一經(jīng)噴入即霧化,瞬間達(dá)到著火點(diǎn),縮短了滯燃期。最先噴入的燃油爆發(fā)燃燒,而后續(xù)噴入火焰中的燃油因氧氣不足而不會(huì)立即燃燒。這樣,由于初期燃燒的燃油量少,壓力升高率低,可使燃燒噪聲減小。大多數(shù)柴油機(jī)的燃燒噪聲隨供油提前角的減小而有所降低。但如果噴油時(shí)間過遲,雖然燃料進(jìn)入氣缸后的初始溫度和壓力較高,然而作用時(shí)間短,會(huì)出現(xiàn)著火燃燒前活塞已開始下行的情況,使氣缸內(nèi)空氣壓力和溫度降低,從而使滯燃期增加,燃燒噪聲增加,因此,供油提前角應(yīng)針對具體的柴油機(jī)綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)選取適當(dāng)值。

 

柴油機(jī)供油提前角示意圖.png

圖7  柴油機(jī)供油提前角示意圖

柴油機(jī)不同供油提前角對噪聲的影響.png

圖8  柴油機(jī)不同供油提前角對噪聲的影響

 

四、結(jié)論

 

      通過試驗(yàn)測試及分析研究得知大氣壓力、轉(zhuǎn)速對整機(jī)輻射噪聲的影響規(guī)律。

(1)在相同的轉(zhuǎn)速工況下,渦輪增壓柴油機(jī)整機(jī)輻射噪聲基本隨海拔增加(大氣壓力降低)而增大。

(2)在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí),整機(jī)輻射噪聲基本與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系,隨轉(zhuǎn)速增加而增大,基本不受海拔的影響;在轉(zhuǎn)速較低時(shí),大氣壓力小輻射噪聲反而大。

(3)增壓與自然吸氣柴油機(jī)對比發(fā)現(xiàn),在轉(zhuǎn)速較低時(shí),增壓比自然吸氣柴油機(jī)輻射的噪聲大,但在轉(zhuǎn)速較高時(shí),自然吸氣柴油機(jī)輻射噪聲較大。

(4)供油提前角對整機(jī)輻射噪聲有著重要的影響。供油提前角的大小主要是改變滯燃期內(nèi)混合氣量,影響氣缸內(nèi)壓力升高率,若供油提前角增大,整機(jī)輻射噪聲通常會(huì)增大,但供油提前角也不能無限制的減小,減小到一定程度,噪聲反而會(huì)有所增加。因此,應(yīng)該綜合柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性選取最佳供油提前角。

 

總結(jié):

      康明斯發(fā)電機(jī)廠家在本文中采用工程法和簡易法,運(yùn)用大氣壓模擬測試系統(tǒng),以某四缸柴油機(jī)為研究對象,測試計(jì)算柴油機(jī)整機(jī)噪聲在81kPa、90kPa、101kPa海拔下隨轉(zhuǎn)速的變化,以及在標(biāo)準(zhǔn)工況下1/3倍頻程聲壓級(jí)。分析測試結(jié)果表明:柴油發(fā)電機(jī)表面輻射噪聲隨轉(zhuǎn)速增加而增大,且隨海拔的不同也會(huì)增大,缸蓋輻射噪聲在1200~1500 Hz內(nèi)較大,主要是燃燒噪聲所致。


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