燃烧室结构对小型直喷式柴油机性能和燃烧噪声影响的试验研究.docx

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燃烧室结构对小型直喷式柴油机性能和燃烧噪声影响的试验研究

燃烧室结构对小型直喷式柴油机性能和燃烧噪声影响的试验研究

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卜燃烧室结构对小型直喷式柴油机性能

.和燃烧嗓声影响的试验研究'一

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江苏工学院姜哲赵晓丹郭骅

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常J州柴油营!

下}千2罗,z

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{'A直喷式柴油机的烧艇室大多濯用四叶

∞开j,四方坊彤以覆圊彤等结构|l;式.毒

文通过试验探讨7这些燃烧室对ZSI105型直喷式柴油机性能和燃烧噪声的影响.

四叶∞开j燃烧室与四方∞形燃烧生差剐不太.合理设计羽∞彩燃烧室牧口鼯袖,可刺

嗣内部的挤压涡流来改菩燃烧条件,从而在推迟供i由提前南的情况卞,获得较好的

性能,降低燃烧噪声配以改进型排气消声器.可使整机噪声明显埘晔坂

关键词:

柴油机燃烧室涡抗

l前言

近年来,国内小型单缸柴油机有从涡流

塞分隔燃烧形式向直喷燃烧形式演变的趋

势,不少厂家纷纷推出各种型号的直喷式柴

油机,以满足市场追求大功率输出和低油耗

指标的需要.然而,小型单缸柴油机噪声『口了

题本来就比较严重,当改进成直喷式柴油机

后,噪声问题就更加突出了.

直喷式柴油机噪声的大小与影响燃烧的

诸因素密切相关.改善空气与燃料的混合条

件,鳙短滞燃期,降低气缸压力升高率,是

降低燃烧噪声的有效途径.

燃烧室结扮援计的展佳化,.改善燃烧条

件,对燃烧过程韵影响是至关重要的.在追

求高强度进气涡漉的同时,进一步开拓利甩

燃烧室局部涡流来改善燃烧条件,使燃烧柔

和,是设计燃烧室的基本思想之一.目前,

比较成熟韵结构形式有四叶∞形燃烧室（I）,

四方0形燃烧室及圆∞收口形燃饶室∽（3]

等.局部涡流的主要形式有两种:

一种是依籁

进气涡流而在燃烧室边角区域诱导出的局部

微涡流,另一种是括塞向上止点运动形成的

挤庄涡流.前者随着压缩行程的进展而衰减,

后者却正好相反.在实际问题中,尤其是对

于结构简单韵单缸柴油机,对促进燃油与空

气的棍合,究竟是诱导出的局部镟涡流还是

挤压涡溘更有效?

本文将通过试验研究不同

结构的燃烧室对性能以及燃烧噪声的影响.

本文研究对象为常州柴油机厂生产的

ZS1105型直喷式柴油机

（1）.该机是$195柴

油机扩缸加直喷化变型产品,采用四叶叫嚣

燃烧室,配有短螺毖进气道.'恢机脯蘸好

的性能指标,但燃烧噪声比屠fS195型紫油机

要高.

J

2燃烧鲎结构对性能的影响

-

提供.戚验的四种燃烧室分别如图1（a）,

'常州集油机r屠建元弃为民矾宪黑和吕

蹦焙等参却了试验工作.:

小垫内瓣机No.8（Vo1.22）l口93

（b）,（c）和'd）所示,其中图l（a）

四叶∞形燃烧室为ZS11o5型直喷柴油机采用

的结构,（b）为四方.形燃烧室,（c）为

收口圆D形燃烧室,（d）为收扩口圆0）形燃

烧室.图l中各种燃烧室容积基本样,试

验时气缸垫保持不变,故压缩比基本一致.

ZS1105型直喷式柴油机标定转速2000

r,,'min时输出功率为11kW,并可拓宽到转速

2200r/m}n时输出功率为12.1kW.台架试验

时先以原机四叶0）形燃烧室为基谁,调整供

油提前角为最佳值,即]9.6..对比测量标

定工况下四种燃烧室的性能,结果如表I和

表2所列.

四方形燃烧宝和四叶m形燃烧室设计

意图是一样的,均希望在角边缘产生局部微

涡流.尽管这两种燃烧室所产生的局部微涡

流强度一样,但试验结果（表l和表2）

圈l试验用四种直喷挠室结托

（a）四叶∞形燃烧室;

（b）四方∞形燃烧室;

（c）收口艘∞形燃烧室I

（d）收扩口圆∞形燃烧室

表1标定工咒（11kW,20OOr/min）试验结果

——

\.

燃烧室

职l0）形凹方∞形收口圆∞形收扩口圊∞形

比能测值～,\

.油耗率

（g/fkW,19））222.322o,8船7.3223.8

烟度

rBSu）1.31,61.91.8

表2标定工'兄（12.IkW/22OOr/min）试验结果

竺,

形四方形艘.形…形

性能铡值,,}1.

'—■一■■——■———————————一一——————_T—————————T———一——…袖

IS/（.h）i230723o.1242.J}23o.4————————————————————一———————————————

}—————一…

fBsu）厘I.7l,..l,0....-.........................L...................................一................................【.....................一

表明:

在试验条件下,四叶D形燃烧室和四流,特别在高速时明显地改善整机性能.ZS

方∞形燃烧室的性能差别不大.事实上燃烧I105型柴油机采用短螺旋进气道,虽然具有

室中的涡流强度主要取决千进气涡流,但茌一定强度的进气涡漉,但尚未增设强他措施t

压缩行程中迅速衰减.若想在燃烧宣四角边故估计燃烧室内的局部檄涡流强度比较微

缘诱导出一定强度的局部搬涡流,必须具备弱,加之标定转速也不高,所以在ZS1105

足够强度的进气涡流;'据文献[1],四叶型柴油机上四叶∞形和四方0）形燃烧室显示

形燃烧室配以由导气屏形成的强进气涡流,出有多少差异

可往四角边缘区域诱导出较强的局部微祸收口圆0）形燃烧室所形成的挤压涡流

l99年（第22卷）第丘期燃烧室结构对小型直喷式柴油机性能扣燃烧噪声影啊的试验研究39

进气涡流关系不大.,缩小收日直径,增强

挤压滑婉,但节诧损失随之增加.从上述试

验结果可看出,牧日圆co形燃烧室性能较差,

可耱正是由手节漉损失过大所致.但改变啦

口结构,使乏成为睃扩H圆D形燃烧宦,仍

可获得如同四叶0形燃烧室的性能.

但应指出的是t收扩口圆形燃烧童挤

压涡流与进气涡流相互作用,使燃烧室内产

生较高的涡流,有和于促进燃油与空气的混

岛,允许推迟供油提前角表3刊出了收扩

罚圆∞形燃烧室改变供油援前角的,试验结

果.由此可见,.收棼日圆形赢烧蜜的最售

供油提前角比四叶凰∞形增烧鏖碱小2,.戥

到l7.,何时发动机性能也得到改善更

为有意义的是}由于收扩扫胃n形燃烧室挤

压涡流酌作用,改善丁燃油与空气据台条

件,推迟了供油,使燃烧柔和,降低了燃烧

噪声和排放,适应了低燃饶噪声燃饶室结构

表3收扩蜀-嘧.形燃烧室改变供油提前角的试验结果

（油耗&g/（kW.h）j一

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{2200r,minl2.ikW20n0rraiv,tt~.W■供抽提前角6\I-,

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22O.B

设评蝻毡势.

3气缸压方频谱分析

将气缸匪力信号从时域转变到频域,期

进气獗措分析,可以使我们从另一个角度珊

窥燃烧过程同哇雒更方便地讨论燃烧宣结

构对燃烧噪声的影响.

图2示出了测量气缸压力频谱的过程.

压力传感器l安装征气缸盖上,伸入烧燃室

内,并与气缸盖齐平,,侧取气缸压力信?

‰

信号经电荷放犬密2嵌l大,由磁带机}_记

录,然后进计算机4处理,辅l出结果,得到

气缸压力叛谱曲线.

图3出了棕定工况（2000r/rain,11

kW）时四叶∞形燃烧室气缸压力窄带频谱

曲线.气缸压力频谱曲绞在额域上可分成低

频,中额和高频三个部分

低频域气缸压力频谱反映了大时问尺度

描述气缸压力的宏观变化,与最高燃烧压力

有关.大时问尺度采用发动机循环周期,r衡

量,共倒数为低频离散频谱钓基额.随蓿额

图2气缸压力频谱测试示意图

1—吗:

译感暴,旱一电荷放大器;I

一

磁带机4一计算机

率瓯提高,.,赢阶j馨披娃置逐激变小,i低额谱

的离敌特征消炎j压频谱进入中额范围.

压力频谱呈连续谱由图3可见,低额范围

约在25OHz以内,中,高频域反映了微时间

R度气缸压力的瞬时变化,锟时问尺鹿-5燃

小型雨啦机Na.6（Vo1.22）19~

烧过程持续的时间tc有关.在中频壤,气缸

压力呈现出整体脉动性,与气缸压力升高率

有关.气缸压力升高率越大,压力频谱成份

越丰富,频谱曲线越乎坦,燃烧粗暴.在高

频墟,气缸压力具有波动性,气缸难力频谱

的峰值反映了燃烧室腔共振特性.在图3中

约I900Hz处有一明显峰值,这正是腔共振

所袭频率高千1900Hz时.频谱曲线便进入

高频域.

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蕞率（H

图8圈竹∞形燃烧窒气缸压力镪

窄带领诺曲线

焱所周知,影响燃烧噪声最主要因素为

气缸压力升高率,在频域上表现在频谱曲线

的中赎域成份上,因为柴油机结构响应对巾

额域成份最为敏感.,

为了便于比较,我们采用1/3倍频程

A计权气缸压力频谱,与常规噪声嗣!

『量指标

对应.

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5dB

一

素

出

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麓率（Hz）

图心叶∞形和四方∞形燃烧室气缸压力

级l/3频程频谱的E较

圈4示出019.6.,2000r/,"min,11k

时四叶∞形和四方∞形两种燃室气缸压力

级lls倍频程频谱比较.图d所示的频谱曲线

几乎重遮,表明四叶∞形和四方∞形燃烧室

的最高燃烧压力和气缸压力升高率以及赡烧

过程持续时间等燃烧过程参数相差无几,看

不出燃烧室边缘区域局部涡流对燥}烧过程影

响的差异.这与台架性能试验结果吻合.显

然,当进气涡流不足以诱导出一定强度的局

部微涡流时,仅靠改变燃烧室凸出边缘形状

来改善燃烧是设有什么意义的.

收扩口圆∞形燃烧室形成的挤压涡流弥

补了进气涡流的不足,随压缩过程而增强,

允许采用较小的供油提前角,燃烧较为柔

和.圈5示出2000r/min,11kW时四叶∞形

和收扩口圆∞形两种燃烧室气缸压力级l/3

倍频程频谱的比较.在低,中频境内,收扩

口圆∞形燃烧室气缸压力频谱明显低于四叶

∞形,前者的最高燃烧压力和压力升高率都

小于后者.尤其是在中频域,收扩口圆∞形

燃烧室更具优势,在柴油机结构响应的敏感

频率范围内降低了燃烧激励力,因而可得到

较低的燃烧噪声.因此,在进气涡流无特殊

强化措施的情况下,用收扩口圆∞形燃烧室

组织局部挤压涡流来改善烧燃过程,特别对

降低燃烧噪声极为有利.

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蕞奉（tlz）

图5睡叶∞形（e=19.6'）和收扩

口∞（e=17,5.）气缸压力镪i/3

倍频程频谱的比较

图6示出了供油提前角对收扩口圆∞形

燃烧室气缸压力级频谱的影响.随着供油姓

】993年（第船卷）茸6:

0j燃烧童对小型直喷式紫油机性能和燃烧噤r影j试验:

4

前角的减小,最高燃烧压力和压力升高率都

有所下降.如果仅从降低燃烧噪声的角度

看,似乎应取较小的供油提前角.但过小舶

供油提前角使燃烧过程推迟,影响柴油机的

动力性和经济性降低燃烧噪声j提高柴油

机经济性是矛盾的.综鲁性能吠验结_粜{r

ZS1[05型柴油机L,收扩口圃h]形燃烧窀取

供油提前角1f.5:

比较适宜

我们.式验中,计图l所示的各种燃烧空

结构,其气缸眶力频谱诬频率大约为1}:

00HZ

处都出现一个峰值（典型的如图3所示J.

有趣的是尽管燃烧室结构形状各异,n当容

积基本相时,腔共振颁率却差不多由此

可推知,直喷式柴油机,腔共振卿'率与燃烧

宅窖积有关,而与实际的儿何形状戈系

k

2j06ni6cnIk

频率（Hz）

叫62000r/miu,1tkW~,i供油提,:

对

收扩口圆∞形燃烧室气缸压力纨3

愦程频谱影,嘲

4整机噪声降低

孔管阻尼和增大了消声器容积,将小孔阻尼

吸声机理引进抗性消声器之中.改进后韵消

声器其消声能力明显提高=在标定工况（2000

r/min,f]kW）时,改进型消声器与原产

-消声器相比,插入损失提高3dB（A）:

政进型消声器与收扩口圆.）形燃烧室相

配合,对魑机噪声有明显改善.测量整机噪

声功率级是在努过嗳声处理蜘大房『Hj中进行

的,采用双表面声率洲茸法,房修正

常数为1dBtAJ.量结粜表蛐:

_标定工

况下,改进型消声器收扩口圆u形燃烧室

配台原产品消声器与四jC形燃烧室配合

相比,整机噪声声功率级降低lrBfA）左

右,降低后整机噪声声功率级为l06.8dB

（A）,在国家规定标准范围以内.

整机噪声降低的效果显然与排气噪声和

燃烧噪声的降低有关.改进型消声器不仅有

效地控制了排气噪声,同肘_义抑制了燃烧噪

声.图7示出收扩口圆0形燃烧室在标定工

况下,无消声器和装消声器时气缸压力级1/3

倍频程颤谱的比较.装改进型消声器后,

（缸压力频谱[L中,高额范围内均有所下

降,表明此时燃烧噪声又有所降低.这可能

是由于排气消声器使排气背压稍有增加所

致.适当增加排气背压,降低排气过程中气

缸压力与排气管中的压力差,既能抑制燃烧

噪声叉能抑带4排气噪声的辆削:

zs1105型柴油机是S195柴油机的改进宝

产品,由于扩大了缸径,变涡流室式吩隔燃3

烧室为直喷式燃烧室,使得柴油机排气噪声'

和燃烧噪声增大.排气噪声与柴油机排量以杀

及排气过程中气缸与排气管的力羞等因素函

有关.

采用收扩日圆∞形燃烧室对挖制燃烧噪

声是有效的.为控制排气噪声.我们对原产品

消声器进行了改进,适当增加消声器内部穿

图7无消声器和装改进型消声器时气

缸压力级I/3倍颊程额谱的比转

小型内燃机No.6（Vo1.22）1993

应该指出:

改进型消声器对柴油机经济

性的响影不明显实际测量表明,改进型消声

器与原消声器相比燃油消耗率仅增加约2

g（kW?

h）.

5结柬语

增加燃烧室中涡流强度,可改善燃烧条

件,加速燃油与空气的混合.增加燃烧室中

的涡流强度,除依赖进气涡流的帮助外还

可利用不同燃烧室结构所产生的局部微涡流

和挤压涡流.目前国内的单缸直喷式柴油

机t大多是从分膈式燃烧室演变过来的,受

传统的结构限制,进气涡流强度有限,在压

缩干亍程中由进气涡流诱导出的局部微涡流的

作用不如挤压涡流的明显.试验表明,进一

步改进燃烧室形状,试图增大进气涡流强度

污导局部微涡流的作法已没有意义.相比之

下,采用收扩口圆∞形燃烧室,组织挤压涡

流,以弥补进气涡流强度的不足,可获得较

好效果.

利用收扩口圆∞形燃烧室挤压涡流的作

用,采爱较小的供油提前角,使燃烧柔和,

降低燃烧噪声,并仍可获得令人满意的动力

性和经济性.收扩口圆∞形燃烧室是一种适

合我国国情的低燃烧噪声燃烧室?

收口圆∞形烧室配以改进型消声器

后,进一步降低了燃烧噪声,取得了良好的

降噪效果.

参考文献

1JanePAH,BrearF.低噪声.排故与机械

负荷的直喷式柴油机燃烧系统的开发,国外

内燃机,1989（6）

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SAEPaper

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研制开发.柴油机,1992（5）

5姜哲,郭骅.内燃机气缸压力频谮分析.

内燃机,】989（3）

（收稿日期:

】993.07.12）

"二冲程油评定中心"正式成立

中国石油化工总公司,机械工业部油品协委会二冲程油评定中心于1993年11月18日正

成立.

11月j8日由机械工业部,中国石油化工总公司,中国石化销售公司领导同志,天津大学

舒副校长及各单位代表参加的命名揭幕仪式存天津内燃机研究所举行.会上备都领导同志及

各单位代表讲了话,指明该巾心的成立是关系到我I二冲程汽油机油的研制,生产,应用畴

人国际先进行列的大事,是国内二冲程油的生产,研制及质量管理的中心.会上通过了"中

心管理与工作条例",宦读中心的命名.

该中心可以承担三种国产型号的二冲程汽油机油符台国家标准的台架程序评定;美目

NMMA～TCwⅡ超级水冷二冲程油的评定}日本JASO方法风冷二冲程油的评定.该中心

的评定技术力求同庳际标准接轨,接受巨内外油样的评定.同时还可以承枢选油,用油的发

动机性能验证,认ⅡT试验油品台架评定的仲裁,抽检,例检试验等.（下转第62页）