柴油机消声器改进设计

1、柴油机消声器改进设计邢磊（上海柴油机股份有限公司，上海200438）摘要 某车用柴油机原用消声器降噪效果不佳，在分析该型柴油机的排气噪声频谱特性的基础上，采用先进的技术改进设计了二种新型的阻抗复合式消声器，取得了令人满意的效果。Abstract: The muffler of certain automobile diesel engine does not perform well in noise elimination. Now we have designed two new-style impedance-complex mufflers according to the exhau

2、st frequency spectrum character of that model, and acquired a good effect.关键词：柴油机机 噪声 消声器 改进设计Key words：diesel engine, noise, muffler, improving design1 前言柴油机工作时产生的噪声主要由燃烧、机械噪声和空气动力噪声组成，其中以空气动力噪声中的排气噪声最为突出，成为环境噪声污染的主要因素。降低排气噪声的最有效的方法是采用排气消声器。因此为了降低发动机的噪声，研制消声量大、排气阻力（背压）低的消声器是降低柴油机噪声的重要手段。 2 降噪原理消声器是

3、阻止声音传播而允许气流通过的一种器件，是消除空气动力性噪声的重要技术措施。消声器种类主要分为阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器。 阻性消声器是利用吸声材料（如超细玻璃纤维、石棉、工业毛毡等）来消减噪声的，即把吸声材料固定在气流流动的管道内壁并按一定方式排列组合，部分吸收管道中传播的声能，这种消声器的特点是在中、高频有良好的消声效果。 抗性消声器是根据声学滤波原理利用各种形状、尺寸的管道适当组合形成扩张、共振、干涉，造成声波在传播时阻抗失配，使声波在管道和共振腔内发生反射或干涉，从而降低了它输出的声能，它在中、低频消声较好。 阻抗复合式消声器是空气动力噪声具有很宽的频率范围，有时上述二种消

4、声- 1 -器均不能解决问题，而阻抗复合消声器是把阻性和抗性结合起来，既有阻性吸声材料，又有共振腔、扩张室一类抗性滤波元件，因此从低频、中频到高频均具有良好的消声效果。3 噪声频谱原车用柴油机的噪声频谱排气噪声的频谱常包含以下频率成分：以每秒钟内排气次数为基频的排气噪声、管道内气柱共振的噪声、排气歧管处的气流吹气声、废气喷注和冲击噪声、气缸亥姆霍兹共振噪声、气门杆背部的卡门涡流噪声和排气系统管道内壁面处的紊流噪声等。原用柴油机在标定转速下不带消声器的频谱实测见图1：图1：柴油机标定工况下不带消声器时的噪声频谱柴油机的基频噪声的频率为1=Zn60 (HZ) (1)式中，Z为内燃机气缸数；n为内燃

5、机转速，r/min；为行程系数，四行程=2，二行程=1。在中心频率63Hz和250Hz倍频带内出现噪声峰值。由（1）式计算，1及其二次谐波分别为110Hz和220Hz，它们分别落在63Hz和250Hz倍频带内，可见实测结果与计算值相符。- 2 -4 消声器的改进设计柴油机消声器的设计应尽量满足以下基本要求： 消声性能好，在排气噪声的整个频率范围内，应有足够的消声量，同时力求避免产生气流再生噪声 阻力损失小，即消耗功率要尽可能小 结构简单，工艺性好，成本低4.1 原用消声器为抗性消声器，结构见图2图2：原用消声器结构简图柴油机原用抗性消声器结构简图见图2。其标定工况下测得的消声器插入损失为14.

6、9dB(A)，因此，原配消声器的消声量偏小，满足不了载重汽车用柴油机排气消声器消声量的需求。原配消声器消声量偏小的原因主要有：(1)结构单一，仅由二级扩张室组成。(2)内部缺少消声效果好的穿孔声学元件。4.2 消声器的改进设计由于原用消声器原始设计不理想，为了满足配套要求，借鉴国内最新成熟的先进技术，进行改进设计。改进型消声器有I型和II型，结构简图分别见图3、图4，这两种新型消声器均为阻抗复合式结构。- 3 -图3：改进I型消声器的结构简图图4：改进II型消声器的结构简图4.2.1阻性消声计算新型消声器采用穿孔镀锌钢板护面。其中阻性消声按别洛夫公式演变而来的经验公式计算L=（）Pls dB(

7、A) (2)（）为吸声材料消声系数；P为护面部分断面周长式中L为消声器消声量；l为护面部分长度；s为面部分断面面积。- 4 -计算每一级吸声组件的消声量时, 需核算上限与下限截止频率：C (HZ) (3) bC下=K (HZ) (4) H上 =K上、下为上限与下限截止频率； K为 系数； c为声速；b为 气流通道有效宽度； H为吸声材料的厚度.截止频率为失效频率，一旦高于上限上或低于下限下消声量将急剧下降，改进设计的消声器经核算均未超越上和下。4.2.2 消声器的扩张比mm=S1 (5) nS2式中m-消声器扩张比；S1-消声器的径向截面积；S2-内插管的径向截面积；n-内插管的件数消声器扩张

8、比m增大，则消声量增大，增大m有两种途径，一是缩小消声器入口或出口管的直径，二是增大消声器外壳的直径。消声器出入口管的直径不得小于内燃机排气管出口或排气道口的直径，否则因排气背压会增高，引起功率损失增加，同时也使排气流速增加，容易激发再噪声，影响消声器的实际消声效果。改进I型消声器的扩张比m值不大，经计算m=6.38。改进II型消声器的外径要比改进I型消声器的要大，第1腔的扩张比m=8.42，第2腔采用双插入管扩张比m=4.21。4.3 吸声材料的选择衡量吸声材料的参量是吸声系数。声波射到材料表面，被吸收的声能与入射声能之比，即=E吸E入=E入-E反 (6) E入若为全反射面，=0；若为全吸收

9、面，=1。吸声系数越大，吸声效果越好。改进I型消声器的第三腔和改进II新型消声器的内壁面布置有多孔吸声材料。当声波传到多孔吸声材料表面时大部分将被吸收，从而达到消声的目的。柴油机排- 5 -气消声器选用的吸声材料除应有较高的吸声系数外，还应具有耐高温、耐腐蚀的特性。考虑到柴油机排气噪声中高频噪声比较高，故选用超细玻璃纤维作为改进消声器吸声材料，其密度为=25kg/m。这种吸声材料的吸声系数都很高，特别在中高频上的平均吸声系数均超过0.8。超细玻璃纤维耐高温700，且具有较好的耐腐蚀性能，所以完全能满足柴油机的使用条件。5 消声器的消声性能试验（插入损失）3图5：消声器台架试验装置图消声器试验是

10、在柴油机试验台位上进行的，台架试验装置见图5。消声器的插入损失是装置消声器前后在某定点处测得的声压级之差。L=LP1-LP2 dB(A) (7)式中，LP1是未装消声器某点测得的声压级噪声，LP2是装了消声器后某点测得的声压级噪声。6 试验结果消声器台架性能试验结果：排气噪声见图6，功率损失见表1- 6 -图6：柴油机全负荷速度特性时的排气噪声曲线表1：消声器功率损失比7 结论新型的阻抗复合式消声器基本解决了中、高频内的噪声。并且消声效果相对原来的消声器有了明显的提高。原用柴油机消声器在标定工况下的插入损失为14.9dB(A)，排气背压为540mmH2O，功率损失比为0.6%。改进I型消声器在标定状态下的插入损失为17.4dB(A)，排气背压为780mmH2O，功率损失比为0.63%。改进II型消声器在标定状态下的插入损失为20.0dB(A)，排气背压为945mmH2O，功率损失比为1.47%。配装改进I、II型消声器的发动机功率损失及燃油消耗与原用消声器变化不大，说明新型改进I、II型消声器在增大消声量的同时，并没有明显影