（动力机械及工程专业论文）直喷式柴油机燃烧噪声的预测.pdf

太原理i ：大学硕士研究生学位论文 直喷式柴油机燃烧噪声的预测 摘要 随着对车辆n v h 要求的提高，汽车噪声已经成为汽车行业研究的热点 课题。发动机作为汽车的主要振动噪声源，其振动噪声问题越来越引起人 们的重视，直喷式柴油机的燃烧噪声一直是内燃机振动与噪声领域的一个 重要研究方向。本文以4 1 0 0 q b z l 直喷式柴油机为研究对象，对燃烧噪声的 预测进行了深入的研究，为燃烧噪声的控制提供一定理论依据。本文主要 研究内容如下： 1 ) 利用g t - p o w e r 软件建立了4 1 0 0 q b z l 柴油机和柴油机燃用m 1 5 甲 醇柴油工作过程的仿真模型，以此得到了发动机的缸压曲线和压力升高率 曲线； 2 ) 对柴油机机体进行适当简化，使用a n s y s 软件建立了机体的有限元 模型，在此基础上进行了机体自由模态和约束模态分析，初步了解了机体 结构的动态特性，从振型图可以看出机体裙部的振动较大，而机体裙部的 这种振动也是噪声辐射的主要振源，可以通过增加壁厚来提高机体刚度从 而减小振动； 3 ) 借助e x c i t e d e s i g l l e r 软件计算了主轴承力，并将气缸压力和主轴 承压力加载到机体模型上，利用a n s y s 软件进行了机体的瞬态分析，研究 了在一个工作循环过程中机体结构在气缸压力和主轴承压力作用下的振动 情况，并与台架试验结果进行了对比，计算结果与试验结果基本一致； 4 ) 在瞬态分析的基础上，运用a p d l 语言编写程序，将瞬态分析得到 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 的机体表面节点随时间变化的振动位移数据转化成表面节点随频率变化的 振动位移数据，作为初始边界条件导入声学分析软件s y s n o i s e 中，利用边 界元的方法对机体燃烧噪声进行了预测研究。 通过对不同工况和参数的模拟分析发现，随着转速增加燃烧噪声变大； 而喷油提前角对燃烧噪声的影响并不是线性的，喷油过早或过迟都会造成 较大的燃烧噪声；m 1 5 混合燃料十六烷值低，着火性能差，滞燃期较长，压 力升高率高，造成燃烧噪声也较大。结果符合燃烧噪声的变化规律。 关键词：柴油机，燃烧噪声，气缸压力，有限元，s y s n o i s e i i c o m b u s t i o nn o i s ep r e d i c t i o no f d i r e c ti n j e c t i o nd i e s e le n g i n e a b s t r a c t w i t ht h ev e h i c l en v h r e q u i r e m e n t si m p r o v m g ，v e h i c l en o i s eh a sb e c o m ea h o tt o p i co ft h ea u t o m o t i v e i n d u s t 叫b e c a u s e t h ee n g 洫ei st 1 1 en o i s ea n d v i b r a t i o ns o u r c e so fv e h i c l e ，v i b r a t i o na n dn o i s ep r o b l e m so fe n g 协eh a v eb e e n p a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n d i r e c ti n j e c t i o nd i e s e le n g i n ec o m b u s t i o nn o i s e h a sb e e na ni m p o r t a n tr e s e a r c h a s p e c to ft h e缸e m a lc o m b u s t i o ne n g i n e v i b r a t i o na n dn o i s e6 e l d t h e410 0 q b z ld i r e c ti n j e c t i o nd i e s e l e n g i n ei s s e l e c t e da st h er e s e a r c ho b j e c tt op r e d i c tt h ec o m b u s t i o nn o i s ei nt b j s p 印e r ， w h i c hc a nb eat h e o r e t i c a lr e f 色r e n c ef - o fc o m b u s t i o nn o i s ec o n t r 0 1 t h em a i n c o n t e n t so fm i sp a p e ra r ea sf 0 1 1 0 w s ： 1 ) t h ew o r kp r o c e s ss i m u l a t i o nm o d e l so f4 lo o q b z ld i e s e le n g i n ea n d d i e s e l e n g i n e m e l e dw i t hm15m e t h a i l o l d i e s e l如e 1a r ee s t a b l i s h e d b y g t - p o w e rs o r w a r et og e t 也ec y l i n d e rp r e s s u r ec u r v e sa 1 1 dp r e s s u r er i s er a t e c u r v e s 2 ) t h e ns i m p l i 匆t h em o d e la p p r o p r i a t e l ya n db u i l tt h ef _ m i t ee l e m e n tm o d e l o fe n g i n eb l o c ku s i n ga n s y ss o 胁a r e t h ee n g i n eb l o c k 行e em o d ea n d c o n s t r a i n e dm o d ea j l a l y s i sa r ed o n et ou n d e r s t a n dt h ee n g i n eb l o c ks t r u c t u r a l d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sg e n e r a l l y i tc a nb es e e n 疔o mt h ev i b r a t i o ns h a p e i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 d i a g r 锄t h a tt h ev i b r a t i o no ft 1 1 ee n g i n eb o d ys k i ni sb i g ，、v h i c hi st h em a i n v i b r a t i o nr e s o u r c eo fr a d i a t i o nn o i s e i no r d e rt or e d u c et h ev i b r a t i o n ，t h ew a l l t h i c k n e s si si n c r e a s e dt oi m p r o v et h er i g i d i t yo ft h eb o d y 3 ) t h em a i nb e a r i n gf o r c e i sc a l c u l a t e db yu s i n ge x c i t e - d e s i g n e r s o r w a r e t h ec y l i n d e rp r e s s u r ea n dt h em a i nb e a r i n gf o r c ea r e1 0 a d e do nt h e e n g i n eb o d ym o d e lf o rt 1 1 ee n g i n e 仃a n s i e n ta n a l y s i su s i n ga n s y s s o r w a r e t h e v i b r a t i o nc o n d i t i o no ft h ee n g i n eu n d e rt h ec y l i n d e rp r e s s u r ea n dt h em a i n b e 撕n g f o r c ei no n e w o r k i n gc y c l e i ss t u d i e da n d c o m p a r e d w i t ht h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ei n a g r e e m e n t w i t ht h e e x p e r i m e n t 4 ) b a s e do nt h e t r 髓s i e m a 1 1 a l y s i s ，u s i n g a p d ll a l l g u a g et oc o m p i l e p r o g r 锄，t h ev i b r a t i o nd i s p l a c e m e n td a t ao fe n g i n e sb l o c ks u r f a c en o d e sw i t h t i m ea u r ec h a n g e dt ot h a tw i t l l 仔e q u e n c y ，w h i c hi sa st h ei n i t i a la n db o u n d a q c o n d i t i o n si ns y s n o i s es o f h v a u r e ，t 1 1 e e n g i n eb l o c kc o m b u s t i o nn o i s ei s p r e d i c t e du s i n g t 1 1 eb o w l d a 巧e l e m e n tm e t h o d t h r o u 曲t h ed i 仃e r e n t 叩e r a t i n gc o n d i t i o n sa n dp a r 撇e t e r sa n a l y s i s ，i ti s f o u n dt h a tt 王1 ec o m b u s t i o nn o i s ei sb i g g e ra st 1 1 ee n g i n es p e e di n c r e a s e sa n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n j e c t i o nt i m ea n dc o m b u s t i o nn o i s ei sn o t1 i n e r ，t o oe 2 u r l y o rt o ol a t ei n j e c t i o nw i l lc o n t r i b u t et ob i gc o m b u s t i o nn o i s e l o wc e t a n en u m b e r o fm 15 如e 1m i x t u r ec o n t r i b u t e st ol o wi g n i t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，1 0 n gi g i l i t i o n d e l a yp e r i o da 1 1 dh i 曲p r e s s u r er i s er a t et h e nf m a l l yb r i n g sa b o u tb i gc o m b u s t i o n n o i s e t h er e s u l t sa c c o r dw i t hc o m b u s t i o nn o i s ec h a n g i n gm l e s 太原理工大学硕士研究生学位论文 k e yw o i t d s ：d i e s e l ，c o m b u s t i o nn o i s e ，c y l i n d e rp r e s s u r e ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，s y s n o i s es o f t w a r e v 太原理工大学硕士研究生学位论文 v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百y 匕 随着全球工业化的不断深入以及汽车工业和交通运输的飞速发展，机动车辆的数量 与日俱增，噪声污染成为继空气污染后的第二大污染源。城市噪声的7 0 来源于交通噪 声，而交通噪声主要是汽车噪声，随着对车辆n v h ( n o i s e ，v i b r a t i o na 1 1 dh a r s l l l l e s s ) 要 求的提高，车辆噪声已经成为汽车行业非常重视的一个问题。发动机作为汽车的主要振 动噪声源，其振动噪声问题越来越引起人们的重视。 1 2 课题的背景和意义 2 0 1 1 年4 月世界卫生组织和欧盟合作研究中心公开了一份关于噪声对人类健康影 响的全面报告噪音污染导致的疾病负担，首次提到噪声污染的危害，它不仅使 人产生烦躁的心理，影响睡眠质量，而且还会影响人的神经系统并引发耳鸣、高血压和 心脏病等疾病，甚至减少人类寿命。统计资料表明中国属于噪声污染较为严重的国家， 全国大部分城市居民都承受着不同程度的噪声污染。噪声污染作为环境四大污染之一， 已经引起人们的高度重视。 随着人们环保意识的逐步加强和可持续发展战略的提出，许多国家和地区都颁布了 严格的噪声法律法规来限制机动车辆噪声。从上世纪7 0 年代起欧洲、日本、美国等主 要国家和地区就制订了相关的法规或标准，大幅度降低了各种车辆噪声的限值。如美国 1 9 7 0 年规定的中、重型货车和大客车的加速噪声限值为8 8 d b ( a ) ，而1 9 8 2 年的新规定 则是8 0 d b ( a ) 。随着世界各地噪声法规的不断出台，我国也逐渐认识到噪声污染的严重 性，于1 9 7 9 年发布了g b1 4 9 5 1 9 7 9 机动车辆允许噪声和g b1 4 9 6 1 9 7 9 机动车辆 噪声测量方法两项国家标准，开始对机动车辆噪声进行了严格限制。1 9 9 6 年颁布了中 华人民共和国环境噪声污染防治法来改善我国声环境质量。2 0 0 2 年在机动车辆允许 噪声的基础上进行修订颁布了新的国家标准g b1 4 9 5 2 0 0 2 汽车加速行驶车外噪声限 值及测量方法，对车辆噪声的限制更加严格。2 0 0 9 年3 月，我国出台了汽车产业调整 和振兴规划，在支持企业自主创新里面，特别指出了要突破碰撞安全性、n v h 等关键 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 技术。由此也可以看出，我们国家也从以往只关注提高比功率、降低比油耗、比质量、 改善可靠性和延长寿命等方面，开始重视n v h 技术的自我创新和突破。发动机作为汽 车的主要振动噪声源，降低其振动噪声水平己成为内燃机工作者面临的一项重要课题。 随着计算机技术的进步以及数值计算理论的快速发展与应用，使得应用数值计算方 法对发动机噪声进行模拟计算成为可能。利用现代c a d c a e 技术，应用数值计算方法 ( 有限元法、边界元法等) 对内燃机噪声的声学特性进行计算，从而实现通过理论分析 的方法来预测内燃机的振动、表面辐射噪声量级及其分布状况，进而对其声学特性进行 评价，提出相应改进措施和优化方案，对提高内燃机的振动、噪声特性，降低其结构噪 声辐射水平具有非常重要的意义。可以预见，噪声预测技术一定会成为设计工程师进行 内燃机设计的必备工具之一【1 | 。 1 3 柴油机燃烧噪声产生机理和影响因素 发动机噪声可分为空气动力噪声、机械噪声和燃烧噪声1 2 】。其中空气动力噪声主要 是由空气质点的振动引起的，包括进排气、增压器、风扇气流振动噪声，主要为进排气 噪声，通过设计良好的进排气系统和安装进排气消声器可以对其进行有效控制。机械噪 声主要是由于力作用的周期性特点和间隙的存在，引起发动机整体以及内部零部件的各 类机械撞击和振动，并通过零部件的传递，最终形成发动机表面的振动或零部件的振动， 通过这些振动表面向周围环境辐射出强烈的噪声。由于机械噪声纯粹是由机械撞击振动 形成的，可以通过设计合理的发动机部件和加装减振装置进行有效降低【3 】。 燃烧噪声是由燃烧过程缸内气体压力引起的，包括缸内燃料燃烧时气缸压气急剧变 化产生的气体动力载荷以及滞燃期内形成的若干着火点引起的冲击波造成的气体高频 振荡，它们经过缸盖、活塞一连杆一曲轴及主轴承传至机体表面而辐射出来的噪声。 相比正常燃烧的汽油机燃烧噪声而言，柴油机燃烧噪声在总噪声中占有很大比例， 因此，本文研究直喷式柴油机的燃烧噪声问题，为燃烧噪声的控制提供一定理论依据。 燃烧噪声是由缸内压力的周期性地变化引起的。其产生机理主要有以下三方面：1 ) 气缸压力急剧变化使得气缸及其连接的部件受到强烈的冲击性动载荷，并通过气缸盖、 气缸套、活塞一连杆一曲轴传到发动机的整个机体，并引起各零部件产生结构振动，辐 射出噪声；2 ) 在滞燃期内，混合气在燃烧室内适宜温度的地方首先形成火焰核心并开 始燃烧形成着火点，造成局部压力、温度急剧升高，使火焰向邻近区域传播，形成冲击 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 性的压力波。压力波在气缸内多次来回反射，从而形成气体的高频振动，并在膨胀冲程 中保持很长时间，而辐射出高频燃烧噪声；3 ) 对气缸内压力曲线进行傅里叶变换可获 得其频域内的压力幅值谱，其振动激励将引起发动机零部件的强迫振动，从而产生燃烧 噪声。 影响直喷式柴油机燃烧噪声的因素有很多，这里主要从柴油机的燃烧过程，结构参 数和工况参数三个方面进行讨论。从柴油机的燃烧过程分析，滞燃期的长短以及在滞燃 期内形成的可燃燃油量是柴油机燃烧噪声的决定性因素，其它各种因素对柴油机燃烧噪 声的影响机理最终都可以归结到这一点【4 】。一般来说，滞燃期越长，滞燃期内集聚的可 点燃燃油量越多，燃烧噪声也越大。 影响柴油机燃烧噪声的结构参数主要有燃烧室的形式、压缩比、喷油规律及喷油压 力等。燃烧室的结构形式对燃烧噪声影响很大，一般在其他情况相同时，直喷式柴油机 燃烧室中的开式燃烧室的燃烧噪声比半开式燃烧室的燃烧噪声要大，而分隔式涡流室工 作比较柔和，其燃烧噪声比较低。提高压缩比可使滞燃期内缸内气体温度升高，缩短滞 燃期，减少燃烧室内积聚的可点燃燃油量，降低燃烧噪声。喷油压力对燃烧噪声的影响 主要通过以下两个方面体现出来：首先，喷油压力提高后，喷油速率得到提高，滞燃期 内喷入的燃油量也跟着提高；其次，高压喷射使燃油与空气的混合得到改善，使可点燃 燃油的生成速率提高，这两个因素都促使滞燃期内积聚的可点燃燃油量增加，燃烧噪声 加剧。 从工况参数负荷来看，当负荷增大时，一方面在转速相同的情况下，喷油阀开启时 间延长，每循环喷入的燃油量增多，另一方面由于燃烧室壁温度升高，使得滞燃期缩短。 若喷油阀开启时间小于滞燃期，则滞燃期内喷入的燃油量增大，燃烧噪声随负荷增大而 增强；若喷油阀开启时间大于滞燃期，虽然增大负荷使喷油时间延长，但滞燃期内喷入 的燃油量不会增多，相反由于燃烧室壁温度随负荷增大而升高，使滞燃期缩短，喷入的 燃油量减少，燃烧噪声减弱。 1 4 柴油机燃烧噪声预测现状 内燃机燃烧噪声的研究始于上世纪六十年代初。1 9 6 0 1 9 6 1 年，英国的t p r i e d e 就提出对气缸压力级进行频谱分析，用气缸压力级频谱评定燃烧噪声，7 0 年代末西德的 f f 匹辛格在单缸柴油机上进行试验，提出了时间一频率一窗的方法识别燃烧噪声并用 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 此方法揭示了燃烧噪声的影响因素，m f r u s s e l l 测量了具有结构衰减的发动机气缸压 力频谱，用其来表示燃烧噪声，并提出了平均结构衰减的概念。 近年来，内燃机噪声研究领域主要通过燃烧系统和供油系统两个方面对燃烧噪声进 行研究，通过改善燃烧过程来降低燃烧噪声。特别是随着计算机技术的不断发展，采取 了一系列新技术和方法进一步了解燃烧噪声的特性，在燃烧噪声的分析、识别和预测方 面取得了一定的成果。 1 ) 燃烧系统 燃烧系统直接影响燃烧过程，从而影响燃烧噪声。r y c h t e rt j 研究了涡轮增压发动 机定负荷下不同压缩比对发动机性能的影响，结果表明在部分负荷时增大压缩比可以降 低2 的燃油消耗量，同时减小了滞燃期，降低了大约6 d b 燃烧噪声【5 】；i m o t ok o j i 通过 增大预混燃烧室进气涡流半径，增强了进气涡流，降低了燃烧噪声。b o w e n ，c e 在柴油 机上应用废气再循环技术( e g r ) 改善燃烧过程，从而达到同时降低n o x 排放和燃烧 噪声的目的l 酬。 2 ) 供油系统 供油系统的主要参数，如喷油器喷嘴数量和直径、供油提前角、喷油压力、供油规 律等也是影响燃烧噪声的一个主要因素。m f - r u s s e l l 在直喷式柴油机上应用两段升程 装置，该装置可以观察燃油喷射和燃烧过程，采用引燃喷射装置可以减小燃烧噪声；h o r s t s c h l l l t e 研究了货车柴油机燃油喷射系统，结果表明燃烧初期小的喷油量可以降低s o o t 和n o x 排放以及燃烧噪声：k o h k e t s us 对中载荷非增压柴油机怠速工况通过改变双弹 簧喷油器主要参数，如降低其初次开启压力和针阀的预升程，从而抑制了燃料混合气的 形成，降低了燃烧噪声l 7 】q l e c l e r e 研究了怠速工况的喷射特性对怠速燃烧噪声的影响 并分析了其原因嘲；s h o j i 瞰e 蛳研究了初次喷油率对发动机怠速燃烧噪声的影响； y 0 s i l i z uf 在怠速工况通过采用二次燃油喷射的方法控制喷油率，并研究其对燃烧噪声影 响。国内上海交通大学的朱小慧和戚文星对喷油泵柱塞直径、喷油嘴喷孔直径、针阀开 启压力和供油提前角这4 个参数进行正交试验研究，探讨了喷油系统参数对燃烧噪声的 影响f 9 】；大连理工大学的王平等人在直喷式柴油机上研究了预喷射对柴油机燃烧噪声的 影响【1o 】；江苏大学的丁宁等人针对单缸发动机采用了双喷油器改善燃烧过程，从而降低 其燃烧噪声【1 1 】。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ) 燃烧噪声的分析 主要是通过噪声品质分析等技术对燃烧噪声进行分析。j o s em d e s a n t e s 利用小波变 换方法对燃烧噪声进行了分析；天津大学的卫海桥利用小波包分析提取缸内压力和测量 噪声的时频信息，对缸内压力和测量噪声特性进行了研究，根据缸内压力、表面振动和 噪声信号分离燃烧噪声和活塞拍击噪声，并对其进行分析研究f 1 2 】。 4 ) 燃烧噪声的识别 通过多元回归分析的方法对燃烧噪声的一级影响因素动力载荷和压力高频振荡与 燃烧噪声的关系进行回归分析，得到燃烧噪声声压级一级影响模型方程【1 3 】；采用“相干 输出功率谱函数法”可以在无需求解机械噪声的前提下，将燃烧噪声从总噪声中直接识 别出来【1 4 】；m e 1 b a d a o u i 和c s e r v i e r e 分别通过周期维纳滤波和模糊分析的方法进行 了燃烧噪声和活塞敲击噪声的识别【1 5 ，1 6 】；l p m v o s t 通过分光滤色镜进行了燃烧噪声和 机械噪声的识别，但这种分光滤色镜只能计算发动机的部分信号【1 7 】；g e q u l 】s h u 利用频 谱分析进行了噪声源识别，通过独立成分分析方法进行燃烧噪声识别【1 8 】。 5 ) 燃烧噪声的预测 近年来国内外用于噪声预测的方法主要的有以下几种： 根据振动数据计算噪声的方法 英国南安普顿大学声学和振动研究所( l s ) 建立了发动机外表面积与其基本结构 参数之间的关系式，提出按照柴油机总表面积或横剖面面积计算a 计权声级的方法。日 本的冈春秀南提出通过测取发动机的表面振动速度，然后根据振动数据计算噪声的方 法，这种方法可以不在特殊的声学环境中进行，方便实用。 神经网络法 主要是应用神经网络技术，通过对发动机噪声试验数据进行反复学习，从而对发动 机噪声进行动态预测。神经网络法对分析非线性问题具有独特的优势，通过采用多层前 馈神经网络对发动机在不同转速、负荷的噪声试验数据进行反复学习，可以对动态下的 噪声级频谱进行预测。该方法为发动机在动态噪声环境的仿真提供一种有效指导。但是， 神经网络法对于高频信号的识别能力不如低频信号，主要表现在幅值的差异上。国内吉 林大学、西北工业大学等单位进行了相关的研究【1 9 1 。 数值解法 有限元法、边界元法和统计能量法等数值方法近年来随着计算机技术的不断进步得 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 到了较快的发展和应用，其中前两种方法可以预测柴油机周围空气的声学特性，并近似 的描述柴油机周围的声场分布状况。 a f s e y b e n 利用有限元法对柴油机主要零部件油底壳进行了的研究分析，并利用 边界元法实现声振耦合，预测了柴油机表面辐射噪纠2 0 】；s h u l l g h s u i l g 等利用有限元软 件n 眦a n 预测了燃烧过程和曲轴活塞运动引起的惯性载荷对柴油机的结构振动及辐射 噪声【2 1 j ；n o r b e r tw a l t 和w a n gp i n g 利用有限元模型分析预测了结构振动和辐射噪 声，并分析了燃烧过程对燃烧噪声的影响【2 2 ，2 3 】；a aa s a a d 等人建立了三维多区稳态 内部一外部声学模型，通过边界元法预测柴油机燃烧噪声，并从柴油机总噪声中分离出 了机械噪声和燃烧噪声【2 4 1 。 近年来国内许多学者也都进行了柴油机燃烧噪声预测及其控制方面的研究工作。 2 0 0 4 年天津大学卫海桥以直喷式柴油机为研究对象，利用小波分析和相干分析技术 对内燃机缸内压力、表面振动与燃烧噪声的关系进行了研究，利用声响应法和 s y s n o i s e 软件研究了燃烧噪声高频激励机理，并研究了稳态与瞬态工况燃烧噪声差异 的原斟2 5 】；2 0 0 6 年哈尔滨工程大学刘雪彬以4 1 0 2 b g 柴油机为研究对象，利用有限元分 析了机体结构的动态特性和瞬态特性，并借助无限元的方法对燃烧噪声的预测进行了深 入研究，在此基础上研究了转速和喷油提前角对燃烧噪声的影响【2 6 】；2 0 0 7 年江苏大学 汤东对生物制气一柴油双燃料发动机的燃烧噪声进行了时域和频域分析，计算出燃烧总 声压级，并研究了供油提前角、负荷、转速和生物质气中c 0 2 含量对燃烧噪声的影响【2 7 1 ； 2 0 0 8 年天津大学孙少军对某六缸重型车用柴油机结构动态特性进行了分析，研究了燃烧 噪声和机械噪声对柴油机整机噪声声功率的贡献度，并利用有限元方法对整机的辐射噪 声进行了预测1 2 8 1 ；2 0 0 9 年哈尔滨工程大学自景潇以6 2 0 v 1 2 发动机为研究对象，深入分 析了燃烧噪声的传递途径，建立了发动机的有限元模型，并利用边界元法预测分析了发 动机的燃烧噪声【2 9 1 。 1 5 课题的主要研究内容 本课题以云内4 1 0 0 q b z l 增压中冷柴油机为研究对象，利用有限元和边界元的方法 预测其燃烧噪声，并分析不同参数对燃烧噪声的影响，具体工作如下： 1 ) 利用发动机仿真分析软件g t p o w e r 建立4 1 0 0 q b z l 直喷式柴油机和柴油机燃 用m 1 5 甲醇柴油的模型，求出其缸内压力曲线，并通过与台架试验数据的对比，验证 6 太原理：】二大学硕士研究生学位论文 模型的正确性； 2 ) 建立4 1 0 0 q b z l 直喷式柴油机机体的三维实体模型，导入a n s y s 软件，利用 有限元模态分析的理论和方法对其进行自由模态和约束模态分析，初步了解其动态特 性； 3 ) 利用e x c i t e d e s i g n e r 软件计算主轴承力。将g t - p o w e r 软件求得的缸内压力 和e x c i t e d e s i 舯e r 软件求得的主轴承力加载到所建立的机体有限元模型上，进行机体 的瞬态动力分析，求出机体表面节点随时间变化的振动位移数据和加速度数据，并进行 发动机试验，将加速度计算结果与柴油机实际测量得到的结果进行比较； 4 ) 运用a p d l 语言编写程序，将瞬态分析得到的机体表面节点随时间变化的振动 位移数据转化成表面节点随频率变化的振动位移数据，作为初始边界条件导入声学分析 软件s y s n o i s e ，利用边界元方法预测4 1 0 0 q b z l 直喷式柴油机的燃烧噪声，最后通过 对比研究发动机转速、喷油提前角和燃料性质对燃烧噪声的影响。 7 太原理：i ：人学硕士研究生学位论文 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章柴油机工作过程仿真 柴油机的缸内压力是燃烧噪声产生的根源，压力的变化情况直接决定了燃烧噪声的 大小，利用柴油机模拟仿真软件g p o w e r 可以建立柴油机的仿真模型，对柴油机工 作过程进行了仿真分析，得到不同工况下气缸内的压力变化曲线。 2 1g t - p o w e r 软件简介 g t p o w e r 是由美国g a 瑚m at e c h n o l o g i e s 公司开发的g t - s u i t e 系列软件中专门 用于发动机仿真分析的一款软件，它基于一维气体动力学原理，可以解决非稳态、可压 缩、非线性的一维流动问题。它包含了发动机进排气管流动、燃烧、缸内流动、摩擦等 模型，可以对发动机不同工况的性能进行仿真分析【3 0 】。 g t - p o w e r 软件具有非常丰富的物理模型和强大的分析功能，可以很好地解决发 动机开发和改进过程中的如下问题【3 l 】： 1 ) 研究空气滤清器、中冷器及消声器的结构对发动机性能的影响； 2 ) 分析进排气管的噪声和进排气管的结构、形状并对进、排气管的管长、管径及 谐振腔进行结构优化； 3 ) 对比不同凸轮型线和配气正时对发动机性能的影响，并对其进行优化： 4 ) 进行增压器匹配优化设计计算，从而分析涡轮增压器对发动机性能的影响； 5 ) 可对发动机进行燃烧分析，计算缸内压力、缸内放热率，并可计算转矩、燃油 消耗率等发动机性能指标； 6 ) 进行e g r 管路系统的设计，优化e g r 系统。 2 2 柴油机仿真模型的建立 2 2 1 数学模型 g t - p o w e r 所应用的是一维流体假设的动力学模型，它综合了发动机性能的分析 代码，并几乎包含了发动机所有关键工况的细节模型，可以较完整地模拟发动机不同工 况的性能变化。整个系统被划分为许多小的控制单元体，单元体上又划分许多相互交错 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 的网格，网格是系统进行运算估值的基本单元。管道皆可以转化为功能相当的标准管件， 最后形成发动机的管网化的模型，用于对发动机进行仿真。本课题中柴油机仿真模型的 数学模型主要包括3 个子模型，即燃烧模型、流动模型和传热模型。进排气管路系统中 的气体流动数值模拟过程既涉及到气体流动过程又涉及到燃油喷射过程，还涉及到燃烧 放热过程。 1 ) 燃烧模型 发动机的工作过程以热力学第一定律为基础，其数学描述为【3 2 】： 等岩叫。老+ 警一警也等 亿， d仪l l d c zdo c 。d 口。do c 、。 式中，研，缸内气体质量； 见缸内气体压力； ”气体比热能； 口曲轴转角； 一p 。婴缸内气体推动活塞做功； 孥燃料生成热量； 等缸壁热量损失； 望磐流出气体带走的焓值。 采用软件中自有的零维燃烧模型，其燃烧放热规律遵循韦伯函数： 要= ( 朋+ 1 ) y ”盯删( m 州 ( 2 2 ) d 口 口 、7。 一7 式中，级2 詈，y2 之云，q 为总的燃料放热量，口? 为燃烧起始角，为燃烧持 续期，聊为形状因子。 2 ) 流动模型 g t - p o w e r 软件基于一维气体动力学原理，将发动机进排气管内的流动简化为一 维的，流动模型同时包括连续方程、动量方程和能量方程。相关的数学描述如下： 连续方程 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 害+ p 罢+ “害+ 倒警= 。 c 2 q 二+ p + “二+ p ”= ( )r ，3 、 西舐良 一 出 。 卜叫 动量方程 詈+ ”罢+ 吉罢+ ，= 。 c 2 q 十”十一二+ ，= u r 7 4 、 钟 叙p 融 。 pv 能量方程 安+ 甜罢一口2 ( 害+ “罢) 一( 七一1 ) p ( g + 栌) ：o ( 2 5 ) 西叙、a缸7 叫 。 卜叫 式中，p 密度； 甜速度； 尼管道截面，由于为刚性管道，故鲁= 。； p 压力； ，单位气体质量上所受摩擦力； 口声速： g 单位时间内单位气体吸收的热量，g2 盖( 乙一丁) ，口为换热系数，l 为 壁面温度，丁为气体温度。 3 ) 传热模型 根据传热学中的牛顿公式，计算出壁面瞬时换热量绋，则单位曲轴转角的换热量 为【3 3 ： 等= 击缸轷l ， 弘6 ， 式中，门发动机转速； 么换热面积； 丁缸内工质瞬时温度； l 壁面平均温度； f = 1 气缸盖； f = 2 活塞； f = 3 气缸套湿周表面。 太原理工大学硕士研究生学位论文 气缸套的湿润表面彳3 随妒的变化值，可按照活塞位移公式求出。活塞位移随9 的变 化为： 咖，争+ 扣叫知一去卢五磊， 亿7 ， 气缸套湿润表面积么，为： 爿3 = 7 瓦d s 。+ x ( 妒) ( 2 - 8 ) 式中，s 活塞行程； z 连杆比； s 。余隙高度。 确定瞬时平均换热系数口。是计算壁面瞬时换热量的关键。g t p o w e r 提供了5 种 方法来计算传热系数，本文中使用的是w b s c b 血公式模型： 口g _ 1 1 0 俨矿8 p 3 c 1 c ，+ c 2 罟( p 叫) 0 。8 m 聊2 咖| j ) ( 2 - 9 ) p d po 式中，d 气缸直径； c 。活塞平均速度； p 。、l 、圪压缩始点时缸内气体的压力、温度、气缸容积； 圪气缸的工作容积； 硝发动机反拖时的压力； c 。气流的速度系数； c ：燃烧室的形状系数。 2 2 2 物理模型 本课题中柴油机仿真模型的物理模型主要包括以下几个：中冷器、进排气管、气缸 和喷油器。4 1 0 0 q b z l 增压中冷柴油机其主要技术参数如表2 1 所示。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 14 1 0 0 q b z l 柴油机的主要技术参数 t h b 2 一lt h em a i nt e c h n i c a lp a “l i n e t e r so f4l0 0 q b z ld i e s e le n g i n e 项目 4 1 0 0 q b z l 缸径行程 连杆长度 压缩比 活塞总排量 标定功率转速 最大转矩转速 供油提前角 燃烧室型式 1 0 0 m m 1 0 5m m 1 7 5m m 1 7 5 3 2 9 8 l 7 0 k w 3 2 0 0 叩m 2 4 5 2 2 0 0 2 4 0 0 14 士2 。c ab t d c 直喷国型燃烧室 1 ) 中冷器 为了在相同的进气压力下增加进入气缸的新鲜空气充量，增压柴油机需要对增压后 的空气进行中间冷却，否则会减少进入气缸的新鲜空气量，使得燃烧不充分，降低发动 机效率。增压后的空气在流经中冷器后会产生一定的压力损失和温度降，并且随着柴油 机负荷的增大而增大，且中冷前的空气温度对中冷后的空气温度和中冷器效率影响很 大。软件中把中冷器通过调整中冷器模型中的换热管数目、管壁传热系数和摩擦系数， 在给定的工况下满足压力损失和温度降等方面的要求，使其比较符合实际情况。中冷器 模型如图2 。1 所示。 圈b 暑曼罾曼暑曼罾 图2 1 中冷器模型 f i g 2 1t h em o d e lo fc o o l e r 2 ) 进排气管 进排气管内的气体流动属于典型的非定常流动，在柴油机在工作过程中，尤其是在 气体更换阶段，进排气管的流动是非常复杂的。本文利用g t p o w e r 软件在数值模拟 方便的优势，根据测量的进排气管的实际尺寸建立进排气管模型，并利用一维交错网格 方法( 即将速度分量与压力在不同的网格系统上离散，分别存储于三套不同网格上的网 格系统) 对进排气歧管进行离散化处理。性能计算时将进气歧管离散化长度取4 0 ，排气 歧管的离散化长度取为5 5 。进排气歧管离散化的示意图如图2 2 和图2 3 。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 卜一4 1 8 叫 + 柏卜一 _ _ + 图2 2 进气歧管的离散化 f 培2 - 2d i s c r e t i z a l i o no fi n t a l ( em a l l i f 0 1 d 3 ) 气缸 卜一4 3 0 一 + 5 s - 一 + 7 。叫 图2 3 排气歧管的离散化 f i g 2 3d i s c r e t i z a t i o no fe x h a u s tm a n i f o l d 柴油机仿真模型中的气缸模块主要包括气缸参数的设置如气缸基本尺寸和缸内主 要模型的选择如燃烧模型和传热模型。根据4 1 0 0 q b z l 柴油机的主要技术参数设置气缸 的基本尺寸，如缸径、冲程、压缩比等；气缸边界条件参数默认使用软件自带的参数即 可；软件提供的燃烧模型包括零维模型、准维模型、多维模型和用户白定义模型，本文 选择零维燃烧模型，其主要目的是用于预测分析柴油机燃烧过程中的一些宏观性能参 数，如发动机气缸压力和缸内温度随运行工况的变化规律等。 4 ) 喷油器 喷油器的主要作用是将燃油以一定的压力定时、定量地喷入气缸中，模型中需要输 入喷油时刻和每循环供油量。设置时选择喷油提前角为1 4 。c ab t d c ，单个喷油器每循 环喷油量( i i l e c t e dm a s s ) 由试验值按照式2 1 0 计算3 4 】： h j e c t e dm 一等( 2 1 0 ) 式中，6 。燃油消耗率g 七形五： 7 功率七形； 行柴油机转速，m i n ； m 柴油机每肌转喷油一次，试验机为四缸机，因此聊= 2 ； f 柴油机气缸数，f = 4 。 2 2 3g t - p o w e r 模型 考虑到本课题除了要分析柴油机的燃烧噪声，也要分析混合燃料性质对燃烧噪声的 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 影响，因此不仅需要建立柴油机的g t p o w e r 模型，也需要建立柴油机燃用混合燃料 的g t - p o w e r 模型。 1 ) 柴油机的g t p o w e r 模型 根据4 1 0 0 q b z l 柴油机的实际结构以及数学和物理模型，建立的仿真模型如图2 4 所示。 图2 - 44 1 0 0 q b z l 柴油机模型 f i g 2 4t h em o d e lo f 4 10 0 q b z ld i e s e le n g i n e 2 ) 混合燃料的g t - p o w e r 模型 结合本校多年来混合燃料方面的研究情况，选用的混合燃料为m 1 5 甲醇柴油( 甲 醇体积分数为1 5 ) 。甲醇与柴油几乎不可互溶，为了解决这一问题，在配制甲醇柴油 时，添加一定比例异辛醇( 体积分数为1 2 ) 促进甲醇与柴油的互溶，添加少许的硝酸 异辛酯( 体积分数 0 3 ) ，改善混合燃料着火性能。 柴油机燃用m 1 5 甲醇柴油混合燃料时，不需要对柴油机进行结构方面的任何改动， 因此其仿真模型的建立与柴油机的仿真模型是一样的，仅需要对喷油器的燃料参数进行 设置即可，也就是要确定混合燃料中c 、h 、o 的数目以及混合燃料理化特性。 m 1 5 甲醇柴油混合燃料中，柴油的分子式为c 1 2 h 2 6 ，质量分数是7 3 7 1 ；甲醇的 分子式为c h 3 0 h ，质量分数是1 4 2 5 ；异辛醇的分子式为c 8 h 1 8 0 ，质量分数是1 2 0 4 。 确定混合燃料中c 、h 、o 的数目的计算过程如下( 由于硝酸异辛酯量较少，计算时可 15 太原理工大学硕士研究生学位论文 将其忽略) ： 混合燃料中c 质量分数： ! 三 1 4 2 5 + ! 兰兰! 兰 7 3 7 1 + ! 兰兰! 1 2 。0 4 ：7 6 6 7 15 1 2 + 4 十1 61 2 1 2 + 2 61 2 x8 + 1 6 混合燃料中h 质量分数： ! 一1 4 2 5 + 兰l 7 3 7 1 + l 1 2 0 4 ：1 4 7 2 1 6 1 2 + 4 + 1 61 2 1 2 + 2 61 2 8 + 1 6 混合燃料中o 质量分数： l 一1 4 2 5 + l 1 2 0 4 ：8 6 0 6 9 1 2 + 4 + 1 61 2 8 + 1 6 将混合燃料中c 、h 、o 的质量分数分别除以元素的相对分子量，并且将o 的原子 个数化为1 ，确定c 和h 的原子个数，对应的c 、h 、o 的原子个数比为1 1 8 7 ：2 7 3 6 ：1 。 混合燃料的理化特性参数按表2 2 进行设置【3 5 】。 表2 2 甲醇柴油混合燃料的理化特性计算值 t 曲2 2e s t i