上一章的结论是:低频治不了,只能不让它生出来。这一章回到最源头——柴油机为什么天生比汽油机吵,以及工程上能在哪几个环节把它摁下去。
先纠正一个几乎人人都有的误解:发动机的噪声,跟缸内压力的最高值关系不大。真正决定它响不响的,是压力涨得有多急。
元凶是斜率,不是高度
想象你用手掌压一个气球。慢慢压下去,没有声音;一巴掌拍下去,「砰」。两次的最大压力可以一样,声音天差地别。区别在于压力变化的速率。
缸内也是同一回事。衡量它的量叫压力升高率——大白话:曲轴每转一度,缸内压力涨了多少(单位是 bar 每度曲轴转角)。这个斜率越陡,激励里的高频成分越丰富,机体被敲得越响。
大白话:不是「压得多重」在响,是「压得多快」在响。同样的峰值压力,涨得慢就是推,涨得快就是砸。
这个斜率高,激励的频谱就宽——它同时敲响了机体上所有能响的模态,所以燃烧噪声听起来是「哒哒哒」的宽带敲击,不是某一个音。
柴油机为什么天生吵
汽油机是点燃:火花塞点火,火焰面从一点慢慢烧过去,压力是被推上去的。
柴油机是压燃,过程完全不同。喷油之后,燃油不会立刻着——它得先雾化、蒸发、和空气混合、升到着火温度。这段等待叫滞燃期,通常只有零点几毫秒到一两毫秒。麻烦就出在这段等待上:在燃油等着点火的时候,喷油嘴还在继续喷。
于是等到终于着火的那一刻,缸里已经积攒了一大团混合好的可燃气,它们几乎在同一瞬间一起烧掉。这一下叫预混燃烧峰——大白话:不是烧,是炸了一小下。压力升高率的尖峰就在这里,柴油机特有的那种「哒哒」敲击声,源头也在这里。
所以整条治理思路可以浓缩成一句:想办法让滞燃期里攒下的油少一点。
预喷:先点一根引信
最有效、也是现代柴油机标配的一招,叫预喷射——大白话:在主喷之前,先喷一小口油(通常只占总量的百分之几)。
这一小口油先着起来,把缸内温度和压力垫高了。等主喷的油进来时,环境已经热了,滞燃期大幅缩短,主喷的油几乎是边喷边烧(工程上叫扩散燃烧),而不是攒一堆再一起炸。压力曲线从一个陡峭的尖角,变成一条平缓的上坡。
效果有多大?在高压共轨系统上,合理的预喷策略通常能把燃烧噪声降 3 到 5 dB,主观上是柴油机从「拖拉机」变成「有点粗的发动机」这个量级的改变。这也是为什么老式机械泵柴油机和现代共轨柴油机,隔着几十米就能听出来。
再往下还有更细的操作:把一次预喷拆成两次、在主喷之后补一次后喷(主要为了后处理,也顺带影响噪声)、按转速负荷给每个工况标定不同的喷射正时。共轨系统真正的价值不在压力多高,而在于它让「什么时候喷、喷几次、每次喷多少」变成了软件里的一张表——燃烧噪声第一次成了可以标定的量。
另外两个源头旋钮
喷油正时。提前喷,燃烧发生在活塞还在往上走的时候,压力升高率高、噪声大,但热效率好、油耗低;推迟喷,噪声小、排温高、油耗略差。这是一个纯粹的取舍——降噪、油耗、氮氧化物排放三者互相拉扯,任何一个标定点都是三方妥协的产物。降噪工程师提的每一个要求,在标定工程师那里都要用油耗或者排放去换。
废气再循环。把一部分废气引回进气,稀释了氧、降低了燃烧速度和温度——主要目的是压氮氧化物,副作用之一是压力升高率下降,噪声跟着小一点。但它会让燃烧变慢、碳烟上升,同样是要还的。
还有一半:机械噪声
把燃烧治住之后,露出来的是发动机的另一半嗓门——一连串的机械敲击。
活塞敲缸。活塞在缸里不是严丝合缝的,有间隙。每次到达上止点,活塞受力方向翻转,会从缸壁的一侧「倒」向另一侧,「啪」地拍一下。这是发动机机械噪声里最大的一项。经典解法是活塞销偏置——大白话:把活塞销的中心从正中间挪开一两毫米,让翻转不是一次性发生,而是被拉长成一个渐进的过程,拍击就变成了靠。冷机时间隙大,所以冷启动的柴油机总是格外响,暖起来就好一些。
配气机构。气门落座是一次金属撞击,凸轮型线的加速度段设计得越激进,冲击越大。液压挺柱、优化的凸轮型线都是为此。
正时齿轮与高压油泵。齿轮啮合是周期性激励,会在频谱上留下一根很尖的纯音(第三章的阶次分析一眼就能认出来)。柴油机常把正时齿轮放在飞轮端而不是前端,就有减小辐射面积的考虑。
这条路的代价,和它为什么仍然值得
源头治理是全书最贵的一条路:它要动喷射系统、要重新标定、要改活塞和凸轮,牵一发动全身,还要拿油耗和排放去换。相比之下,第七章的「加一层隔声棉」听起来轻松得多。
但它有一个别的方案都没有的性质:源头少出来的那几分贝,在所有工况、所有位置、所有频段上都成立,而且不占空间、不加重量、不妨碍散热和维修。后面几章的每一个方案都要付出体积、重量、背压或者散热的代价,只有这一条不用。
没生出来的声音,是唯一不需要被治理的声音。
不过源头治理有它治不到的地方。燃烧和机械噪声是从发动机外表面辐射出去的,还有一大股能量根本不走外表面——它顺着排气管跑掉了,而且是低频、强脉动的那一股。下一章去管子里堵它。