中国汽车技术论坛_柴油机排气噪声的产生机理及排气消声器设计

第10卷第4期 2002年12月 山东交通学院学报 JOURNALOFSHANDONGJIAOTONGUNIVERSnY V01．10No．4 D∞．2002 柴油机排气噪声的产生机理 及排气消声器设计 周建国 (济宁市公路工程总公司。山东济宁272037) 摘要：论述了工程机械用柴油机排气噪声产生的机理及控制措施，对排气消声器的设计选型及应用进行了探讨。 关键词：柴油机；排气噪声；消声器 中图分类号：TU602 文献标识码：A 文章编号：1672-0032(2002)04-0026-03 1排气噪声产生的机理【1，2】 排气噪声的主要成分包括基频排气噪声、涡流噪声、气柱共振噪声等。 1．1基频排气噪声 在柴油机排气门刚开启时，仍具有较高压力的气体从气缸内喷出，气流冲击到排气道内气门附近的 气体上，使其产生压力剧变而形成压力波，压力波动随排气门的周期性开闭而呈周期性变化，因此产生 周期性的低频噪声，基频频率为 声蒜， 式中伪基频噪声的频率，Hz；i为气缸数；n为柴油机转速，r／min；冲程数。 周期性排气噪声具有离散性频谱特征，其脉冲强度可用傅立叶级数展开。周期性排气噪声是一种简 单源辐射，其辐射的声功率可用下式给出 W’=kpD互v2M, 式中尼为比例常数；p为气体密度，k髟／m3D为气门口直径，mm；v为气流速度，m／s；肘为马赫数。 1．2涡流噪声 涡流噪声是由高速气流通过排气门和排气道时产生的。在排气门刚打开时，气缸内气体压力为排气 管内压力的2倍左右，排气处于超临界状态，以音速急速流经环形气门喉口，从而产生剧烈的涡流运动， 并与气门头附近排气管道产生强烈的撞击。随着气门的开度加大，气体的流动变为亚声速流动，由于气 流粘滞力的作用，废气带动气门背面的气体一起运动并产生卷吸作用，使周围气体发生旋转，形成涡流 并辐射出涡流噪声。涡流噪声的频率可以用下式 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示 f=-8一号， 式中伪涡流噪声的频率，Hz；8沩斯特劳哈尔数；口为气流速度，m／s；D为排气气门开启时的等效直径，mm。 由于口和D连续地变化，涡流噪声的频谱为连续频谱且主要是高频噪声，其辐射的声功率为 W”=KpDZv3M． 1．3排气道内气柱共振噪声 在排气门开启过程中，气缸容积与排气管组成一共振系统，产生气柱共振噪声，其共振频率为r—c．厂1rJ广丽V—Vh(1+—1．2r)’ 收稿日期：200眨—0r7-16 作者简介：周建国(1953一)。男．山东济宁人，济宁市公路工程总公司工程师 万方数据 第4期 周建国：柴油机排气噪声的产生机理及排气消声器设计 27 式中c为音速，km／s；r为排气管直径，Illln；V。为气缸工作容积，L；I为排气管长度，m。 在排气门关闭过程中，排气管可视为是一端封闭、一端开启的管道，它产生的气柱共振频率为 fz=(2n—1)可C n=1，2，3，⋯· 气门开启时的气柱共振噪声远大于气门关闭时的共振噪声，气柱共振噪声通常为低频噪声。 此外，排气噪声还包括：排气门开启及落座时机械振动产生的噪声、排气管内壁面处的摩擦及紊流 噪声、气缸内燃烧压力波动的残余部分所产生的噪声等。试验表明，它们占柴油机排气噪声的比例很小。 2排气噪声的控制【2】 降低排气噪声最有效的措施是在排气系统中安装排气消声器。 2．1 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 排气消声器性能的主要指标 2．1．1消声量 评价消声器的消声量常用插入损失￡正和传递损失L死表示。L托是指排气消声器人口和出121的声功率 级之差 1F L矿10lg斋屯甲l-L⋯ Z 式中 形。为排气消声器入口处的声功率，W；形：为排气消声器出口处的声功率，W；L们为排气消声器人 口处的声功率级，dB；L耽为排气消声器出口处的声功率级，dB。 ￡正是指安装排气消声器前后在指定的同一测点处声压级之差 L豇寻‘1一LP2， 式中厶。为安装排气消声器之前某测点处的声压级，B；k为安装排气消声器之后某测点处的声压级，B。 由于测量L亿比较困难，因此通常测取￡徕表示消声量。 2．1．2功率损失 通常用指定工况下柴油机的功率损失比磷表示排气消声器对柴油机性能的影响 D—DRp=华x100％， r。1 式中e。为安装排气消声器前柴油机的有效功率，kW；P：为安装排气消声器后柴油机的有效功率，kW； 在中小型柴油机上也可在同一输出功率下，用安装与不装排气消声器时的燃油消耗率来表示消声器对 柴油机性能的影响。 2．2排气消声器的设计选型 由于各种柴油机的结构参数与运转参数差别很大，其声源特性和排气噪声频谱也有很大不同，而且不同 机型的柴油机对排气消声器的性能要求和允许的结构形状及尺寸也不同，因此应根据不同型号柴油机排气 过程中不同的气体动力现象，深入研究其频谱特性，设计出消声性能良好的排气消声器。 2．2．1确定总消声量 总消声量可由下式确定 厶 正'． LJ—l一1019(10茹-1010)， 式中L，为不带排气消声器时的排气噪声，dB；L：为带排气消声器时的排气噪声，dB；L，为柴油机其它噪 声，dB。 2．2．2确定排气消声器的消声量频率特性 排气噪声中各频率成分的降噪量由下式确定 △厶i=厶一厶+1019n， 式中 △厶j为第i频程应降低的声压级，dB；厶为不带排气消声器时第i频程的声压级，dB；厶为带排气消 万方数据 山东交通学院学报 2002年12fl第10卷 声器所要求的排气噪声，dB；n为排气消声的频程个数。 2．2．3排气消声器的结构选型 降低排气系统中压力振动幅度和隔离他们向管口的传播，均会降低排气噪声。目前广泛采用的排气 消声器均属此类。 抗性消声器是排气管与管口之间串联或并连一些各种形状和尺寸的管道，使声波在管道中发生反 射或干涉，从而削弱了排气管中相应频率的振动向管口的传播。抗性消声器的气流阻力较小，但是消声 频带较窄，对中、低频噪声消声效果较好。 阻性消声器是在管道内适当地方布置吸声材料，利用吸声材料中的空隙造成气流的摩擦与粘滞，或 利用气流的节流与扩张，降低气流的振动。阻性消声器对中、高频噪声消声效果良好，但对气流阻力较大。 阻抗复合式消声器可在较宽频带下获得较好的消声效果。 设计柴油机排气消声器时，应确定其对低、中高频噪声均应有足够的消声量。 我们为汽车、载重运输车等柴油机设计了排气消声器，试验结果表明，均达到或超过了设计指标。所 设计的排气消声器多采用3-4消声结构，使其具有宽广的消声频率特性；同时采用扩张式和共振式相结 合的消声结构，使其在噪声峰值有足够大的消声量。 图1、图2给出了用于195型柴油机、495型柴油机的排气消声器的排气噪气频谱，试验表明其消声效 果较好。 曼 奠 咀 t 0船髓1282∞600lk救‘k8k 藏事／Ha 圈1 195型柴油机排气噪声频谱 参考文献： 【1】蒋德明．内燃机原理瞰】．北京：农业机械出版社，1988． 【2】倪计民．汽车内燃机原理【M】．上海：同济大学出版社，1996． o—_o来装泊声鼍 6——_安装消声嚣 幔拢∞126绷600lk2kn8k 攮事／丑k 圈2495型柴油机排气噪频谱 TheGenerationMechanismofDieselExhaustNoises andtheDesignoftheExhaustMuffler ZHOUJian-guo (mHead瓣ceof．1mingHighwayProjects，慨272037,China) Abstract：Thisarticlediscussesthemechanismoftheexhaustnoisesgeneratedbyenginesofthe constructionmachineryandthecontrolmeasures．Italsodiscussesthemodelselectionindesigningthe exhaustmuffleranditsapplication． Keywords：dieselengine；exhaustnoise；muffler (责任编辑：吕安涛) 万方数据 柴油机排气噪声的产生机理及排气消声器设计 作者： 周建国 作者单位： 济宁市公路工程总公司,山东,济宁,272037 刊名： 山东交通学院学报 英文刊名： JOURNAL OF SHANDONG JIAOTONG UNIVERSITY 年，卷(期)： 2002，10(4) 引用次数： 0次 参考文献(2条) 1.蒋德明 内燃机原理 1988 2.倪计民 汽车内燃机原理 1996 相似文献(10条) 1.期刊论文 程利军.张英堂.齐子元.任国全.CHENG Li-jun.ZHANG Ying-tang.QI Ziyuan.REN Guo-quan 基于排气 噪声的柴油机各缸工作不均匀故障诊断 -内燃机工程2009,30(3) 对计算机和声传感器采集排气噪声,研究了9种工况下柴油机排气噪声在时域的周期性规律,对柴油机排气噪声信号进行了自相关分析,提取参数来表 征排气噪声的周期性规律.对这个参数在3种转速下的值进行了详细分析,发现此参数在各转速下均能判断出失火及喷油器压力过小故障,在高转速下判别 气门类故障也很有效.通过编写相应的故障诊断程序,输入排气噪声样本和对应的转速后即可判断出故障,该方法具有非接触、操作简单、成本低的特点. 2.期刊论文 邓军.孙昭君.王斌.王静 船艇柴油机排气噪声自适应主动控制算法及实验研究 -噪声与振动控制 2009,29(5) 船艇柴油机排气噪声具有与转速强烈相关的特点,可采用以转速信号为基频合成次级声源进行噪声主动控制的方法,难点在于确定各级声源的权值.本 文提出了一种计算最佳的误差权值的方法解决这一问题,并进行了实验研究.结果表明该方法可有效地控制排气噪声,并能跟踪柴油机转速变化,适合于船 艇推进柴油机转速经常变化的工况. 3.期刊论文 程利军.张英堂.齐子元.任国全.CHENG Li-jun.ZHANG Ying-tang.Qi Zi-yuan.REN Guo-quan 基于排气 噪声的柴油机失火故障诊断 -噪声与振动控制2009,29(1) 通过计算机和声传感器采集排气噪声,研究九种工况下柴油机排气噪声的频谱规律.通过对柴油机排气噪声信号功率谱分析,提取二个参数来表征排气 噪声的频谱规律.对这两个参数在各工况下的值进行了详细的分析后,发现这两个参数在失火工况下有较大的变化,故对这两个参数确定相应的阈值来诊断 失火故障.通过编写相应的故障诊断程序,输入排气噪声样本和对应的转速后即可判断出失火故障.这种方法具有非接触,操作简单,成本低的特点. 4.期刊论文 邓军.孙昭君.余世林.王静.DENG Jun.SUN Zhao-Jun.YU Shi-lin.WANG Jing 基于Widrow-Hoff LMS算 法的柴油机排气噪声主动控制 -农机化研究2007(4) 柴油机排气噪声是谐波性强的低频间歇性噪声.为此,提出了利用波形合成技术对其间歇性低频排气噪声进行自适应主动控制的观点,并利用Widrow- Hoff LMS算法计算最佳的误差权值.在这一算法的基础上,建立了模拟试验台,并进行了模拟实验研究.实验结果表明:该方法可有效地控制排气噪声,且当 转速变化时,由于待合成的谐波基频同样变化,同频谐波消声器可以准确跟踪. 5.学位论文 俞自涛 单缸柴油机排气噪声的理论与实验研究 2000 文中详细分析了小型单缸柴油机排气噪声的发生机理及其频谱特性,并利用数学物理语言对消声器声传播过程的声学四端网络计算原理和一维、二维 消声计算模型作了具体描述.同时运用MATLAB语言对消声器的声场进行了有限元计算分析.结果表明:(1)一维平面波理论只适用于低频范围,当存在高频声 波时,一维模型的计算结果与实际情况有较大偏差.相比之下,二维有限元计算方法适用频率范围更广,计算结果精确、直观.(2)目前采用消声器结构对消 减中、低频(31.5-500Hz)噪声有一定的效果,对高频噪声(1000Hz以上)的消减效果较差,要进一步消减噪声,可以通过改变消声器结构来获得满意的效果. 6.期刊论文 郭文勇.朴甲哲.张永祥 基于振动信号提取柴油机低频排气噪声特征研究 -海军工程大学学报 2002,14(2) 针对柴油机低频排气噪声的频率与强度很难准确地用理论计算等困难,试验研究了柴油机排气管内低频排气噪声信号与排气管壁上振动信号的相互关 系.结果表明,低频范围内,振动信号与噪声信号几乎呈现周期性的完全相干,在相干频率处振动信号能反映排气噪声的类周期性. 7.期刊论文 李径定.方卓毅.罗永革 一台高强化柴油机排气噪声有源控制实验研究 -噪声与振动控制2001,21(2) 柴油机噪声使操作人员工作环境恶化，长期还危害操作人员的身体健康。排气噪声对柴油机整机噪声贡献很大，本文设计了一套自适应有源噪声控 制（AdaptiveActive Noise Control）系统用于控制排气噪声，实验结果表明该系统效果良好。 8.学位论文 翟昕 S195柴油机改进设计 2002 该文由两部分组成,第一部分内容介绍了S195柴油机的外观造型;第二部分介绍了S195柴油机的排气噪声,并对其采用不同消声器的噪声频谱和声场分 布做了理论和试验分析.在第一部分中根据S195柴油机造型比较陈旧,不符合消费者审美要求的状况,运用现代设计方法和手段--绿色设计、计算机辅助设 计和工业设计--对其进行改进设计,并根据S195柴油机工作环境的独特性对其重新搭配色彩,使之外观造型更具特色.同时,努力减少对环境的污染.第二部 分对S195柴油机的排气噪声进行了详细试验和理论研究.通过试验测量了S195柴油机的排气噪声频谱,并且对采用不同膨胀比消声器的消声效果进行了试 验研究.此外,研究了不同穿孔板位置对简单膨胀腔消声器排气噪声的影响. 9.期刊论文 樊新海.刘建敏.安钢.苗卿敏 基于排气噪声的坦克柴油机各缸工作不均匀性评价 -内燃机学报 2004,22(4) 对坦克柴油机排气噪声测试信号进行了时域特殊处理,从反映不同状态下信号峰值间隔变化的角度提取特征参数,建立了一种适用于实车不解体检测 的各缸工作不均匀性评价新方法.试验结果表明,该方法切实可行. 10.学位论文 关顺吉 柴油机微粒过滤器热态声学特性研究 2006 来自柴油机排气系统的噪声是一个很重要的环境污染问题,因此研究一种可靠的方法来预测柴油机的排气系统噪声是十分重要的.同时为了满足越来 越严格的排放法规要求,对柴油机微粒过滤器的需要日益增长,因此必须对微粒过滤器的声学特性进行分析,考察排气噪声在过滤器中的传播规律,从而为 合理设计过滤器提供依据.然而,一个全面合理的反映过滤器性能预测与设计关系的文献仍然缺乏,因此研究声波在柴油机微粒过滤器中的传播具有重大意 义,本文的目的就是研究过滤器对发动机排气系统声传播的影响. 本文通过流体力学有限元方法和三维声学有限元方法对柴油机微粒过滤器的模型 进行了细致的分析.首先建立过滤器的pro/E模型；接着导入ANSYS建立有限元模型,同时对模型进行ANSYS/CFD的流体分析；最后将模型导入Sysnoise进行 声学特性分析.分析用声压图及速度场的表达图直观形象的描述出发动机排气噪声在过滤器内的传播过程,指出高、低频率不同的排气声波在过滤器内的 传播规律,以及声波在通过过滤层材料时产生的衰减,最后获取了过滤器入口与出口声压级差值曲线.本文的研究实现了对柴油机微粒过滤器的声学特性预 测,从而为优化设计微粒过滤器提供必要的理论依据,为微粒过滤器的生产和应用提供有利保证. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_sdjtxyxb200204007.aspx 下载时间：2010年3月10日