缸内直喷汽油机燃烧噪声形成机理及多目标优化研究

Direct injection gasoline engine (GDI engine), is a "pearl" in the automobile industry. However, the problem of combustion noise caused by the increase of peak pressure and pressure gradient has become a major obstacle to its development. This project aims to study the formation mechanism and multi-objective optimization of the combustion noise of direct GDI engine. A new method is proposed to predict the pure combustion noise of GDI engine which combines in-cylinder combustion - sound field coupling simulation model and a combustion excitation attenuation dynamics model together. Firstly, from the theories of computational combustion, computational acoustics, psychoacoustics and signal processing, this project focuses on the combustion-sound field coupling mechanism and attenuation characteristics of GDI engine. Considering the reflection conditions of the fluid-solid coupling boundary in the cylinder, the correlation between combustion parameters and the transient in-cylinder pressure pulsation and the exothermic pulsations is revealed theoretically and experimentally. Secondly, the coupling relationship between multiple combustion parameters, the evolution of the sound field characteristics under different operating conditions and combustion parameters, and the attenuation law of combustion excitation with different combustion process parameters are explored. Finally, the pure combustion noise prediction method is established. Combining the global high convergence multi-objective exploration algorithm and adaptive Moore loudness algorithm (AMLA), a multi-objective optimization scheme of combustion sound quality considering the power，oil consume and emission performance is studied. The project lays a solid foundation for the prediction of combustion noise and multi-objective optimization of GDI engines.

缸内直喷汽油机，是汽车工业中的一颗“明珠”，但其因峰值压力上升与压力梯度升高而导致的燃烧噪声问题已成为制约其发展的重大障碍。本项目以缸内直喷汽油机燃烧噪声形成机理及噪声控制多目标优化为研究目标，提出一种结合缸内燃烧-声场耦合仿真模型与燃烧激励衰减动力学模型，来预测纯燃烧噪声的全新方法。从计算燃烧学、计算声学、心理声学、系统辨识理论出发，着重研究直喷汽油机缸内燃烧-声场耦合机理及衰减特性，从理论和试验两方面揭示燃烧参数同瞬态缸内压力脉动与放热脉动之间的关联机理，探索多燃烧参数之间的耦合关系、不同工况和燃烧参数下声场特性的演化规律以及燃烧激励随不同燃烧过程参数变化的衰减规律。建立纯燃烧噪声预测方法，并结合全局高收敛多目标探索算法和自适应Moore响度算法，研究综合考虑动力性、经济性和排放性能的燃烧声品质多目标优化方案。本项目将为实现缸内直喷汽油机燃烧噪声预测及噪声控制多目标优化奠定基础。

本项目针对缸内直喷汽油机燃烧噪声对乘客声学舒适性的影响，燃烧噪声特性及随燃烧参数变化规律不明确、燃烧噪声诊断和分离的方法不系统、燃烧噪声产生机理不清晰以及预测方法不准确等问题，系统深入地开展了缸内直喷汽油机燃烧噪声的产生机理及及演化规律研究。主要开展了以下的研究内容并取得了良好的研究成果。.（1）系统地开展了直喷式汽油机燃烧噪声随燃烧参数变化规律的试验研究，提出将缸内压力的频谱分解成了低、中、高三个不同的频段的方法，将缸内声模态模型同场点噪声平均倍频程谱联系起来，建立了一整套缸内直喷汽油机燃烧噪声诊断与噪声源分析流程。并在此基础上，提出了一种自适应循环平均TVF-EMD方法分解缸内压力，可自适应地提取燃烧噪声高频振荡成分。.（2）采提出了基于维纳滤波的稳态工况燃烧噪声分离算法和基于多元回归的非稳态工况燃烧噪声分离算法。前者以缸内压力为参考信号，通过维纳滤波算法求解与参考信号线性相关的噪声最优估计作为场点噪声中的燃烧贡献分量；后者通过多元回归算法求解多组变转速变负荷工况下缸内压力到场点噪声的拟合传递函数，再通过缸内压力频谱和传递函数的乘积得到场点噪声中的燃烧噪声，分离结果准确。.（3）针对缸内直喷汽油机燃烧激励经发动机结构衰减的动力学模型，获得了各缸以及各主轴承不同位置、方向上的时域载荷。在基础上，提出了基于燃烧参数—缸压—扭矩特性曲线的缸内直喷汽油机燃烧噪声优化方法，能够实现在发动机功率、扭矩和油耗等核心性能保证基本不变的情况下，确定燃烧噪声的优化设计方案。.（4）建立了一整套以缸内压力的角度域波形和频域谱为纽带的直喷式发动机燃烧噪声优化试验与一维热力学仿真、三维计算流体力学燃烧噪声优化方法，揭示了燃烧噪声激励源的深层次产生机理及优化途径。