发动机排气噪声及控制

发动机排气噪声及控制 摘要:介绍了排气噪声产生的机理及其影响因素。在此基础上分析控制排气噪声的措施和方法。 关键词:排气噪声;产生机理;控制 1前言 随着我国经济的飞速发展，汽车保有量在迅猛增加，在一些大城市汽车数量更是急剧增加，汽车噪声已经成为危害城市环境的主要因索。为了限制汽车的噪声，国家已经制定了越来越严格的强制性噪声 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，汽车产业政策也 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 未经认证合格的产品不得销售、进口和使用，因此降低汽车噪声已经成为各汽车生产厂家面临的一项重要课题。大量实验表明汽车排气噪声是汽车主噪声源之一，降低排气噪声是降低汽车噪声的主要途径。 2排气噪声产生的机理 发动机工作时，可燃混合气在极短时间内发生高温高压燃烧。排气门打开后，燃烧所产生的废气在排气管中急剧流动，受活塞往复运动和排气门开闭的影响，排气气流呈脉动形式在排气管中流动。由于气流的急剧流动，就产生了强烈的排[1]气噪声，根据排气过程产生噪声的机理。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。 2.1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 zn f ,t 60, z式中为基频噪声的频率;为气缸数;为柴油机转速;为冲程数。 fn,t 2.2排气道内气柱共振噪声 在排气系统管道中的空气柱，在周期性排气噪声的激发下，因发生共振而产生空气柱共振噪声。 wl Zjsccot ,,c 式中， j= ;s为管的截面积，为气体密度，c为声速，为总管长，,wl,1 为圆频率。 2.3排气歧管处的气流吹气声 当多缸机工作时，可以近似地认为，任何时刻都只有一个气缸中废气大量排出，其余各缸是关闭的。假定某一缸废气大量排出，当气流流向总管时，也会吹向其他各气道的开口端，并且气流流速也随着曲轴转角发生大幅度的变化。当气 流吹至气道口处的“唇”部时，便会产生一种周期性的涡流。这种涡流将使歧管内气体产生压力波动，从而激发出噪声，这种噪声称为“唇”音或“边棱音”。如果这种压力波动的频率恰好在使管口附近的声阻抗为最小的频率上，则管内将发生共振，激发出噪声。 v f,S(H)tz d 式中，为斯脱哈尔数，是一个与流场的不定常性有关的数，为废气流经Svt 为气道口径。 排气歧管口时的流速，d 2.4亥姆霍兹共振噪声 对于某些发动机，尤其是单缸机，排气门开启时，正在排气的气缸与排气管相通，该气缸容积如同一个亥姆霍兹共振器，使气缸内气共振，激发出噪声。其共振频率为: 2 c,rcS1f,,, 22,2,V(l，1.2,)V(l，,r/2)t1 式中，c为声速， 分别为排气管长度，半径，截面积，V为气缸工作l,,,St 容积。 2.5废气喷注和冲击噪声 在自由排气阶段，排气门处会由于高速的气流喷柱而产生强烈的喷柱噪声。又由于气体的粘性，废气排出后，会带动排气门后的气体一起运动，产生卷吸作用，使周围气体发生旋转，形成涡流，辐射出涡流噪声。另外，排气门附近存在[2]着气体压力的不连续面。这种压力不连续会产生冲击波，因而产生冲击噪声。 c Sf,,td 式中，为斯托哈尔数，为气流速度，为排气门直径。 Scdt 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。 3影响排气噪声的影响因素 3.1转速对排气噪声的影响 对同一发动机来说，转速对排气噪声的影响最大。附表所示为6110B发动机转速对噪声峰值和基频的影响。当转速增加时，一方面排气噪声基频、向高频率方向移动;另一方面使排气噪声幅值增大。发动机转速增加一倍时，排气噪声约增加12,14dB(A)。 表一 转速对噪声峰值和基频的影响(实测值) 转速(r/min) 2700 2900 基频(Hz) 138.04 147.91 幅值(dB) 111 113 3.2负荷对排气噪声的影响 负荷对排气噪声的影响仅次于[3]发动机转速的影响。由于排气压力 与发动机负荷密切相关，因此，排气 噪声在空负荷和全负荷时的差别较 大。图2为某一柴油发动机排气噪声 随负荷的影响，从而可以看出负荷增 大，排气噪声也增大。且发动机排气 噪声在全负荷时的变化率要小于空 图2 负荷对排气噪声的影响 负荷时的变化率。 (?全负荷;×空负荷) 3.3发动机排量对排气噪声的影响 发动机排量增大,排气噪声加大。实验表明,发动机排量增加一倍时,排气系统噪声约增加6,7dB(A)。 3.4涡轮增压对排气噪声的影响 采用涡轮增压后，由于气门 开启瞬间所产生的噪声通过涡轮 发动机增压前后的噪声比较之 后，其能量将有很大衰减，再自 涡轮增压机排气口排出时噪声将 明显降低。这时非增压四冲程机 明显的低频部分的基频噪声消失 了，而涡轮机排气本身所具有的 高流噪声仍然具有较高的噪声。 图3(a)为一四冲程直喷式柴油机 增压前后排气噪声的对比。由图 可见，采用增压后排气噪声降低 了9dB。上图(b)为增压前后二冲 图3 涡轮增压对排气噪声的影响 [2]程柴油机排气噪声的对比。 („为非增压;—为增压) 4排气噪声的控制 对内燃机排气噪声的控制，可以分为两个方面。一方面可以对噪声源本身采取措施，这需要从噪声源机理分析入手，采取相应的对策，但这些措施往往又要涉及到排气系统，如凸轮轴、气门机构以及气缸盖的设计，而这些又要影响到内燃机其他方面的性能，因而需要综合考虑并进行大量的实验研究。主要工作集中在不改变发动机性能和排气系统不作大的改变的情况，采取一些措施来降低声源噪声。诸如:改变排气歧管的布置，使吹过管口的气流方向与该管的轴线方向夹 角保持在最不易策动该管发生共振的角度范围内;合理设计各支管的长度，使管的共振频率错开;使各排气支管管口及各管之间连接处都有较大的过渡圆角，减小断面突变，避免管口存在尖锐的边缘，以减弱声共振作用;提高排气门杆、气门歧管和排气道内壁面的光洁度，以减小紊流附面层的涡流强度;在保证排气门 刚度和强度的条件下，尽可能地减小排气门杆直径，等等。 第二方面的降噪减振措施包括采用消声器和控制由发动机排气歧管传递的机械振动，这些措施的采用不影响发动机性能，又比较易于实现，其中最主要、最有效、最简单的是采用排气消声器。 4.1通过排气歧管结构的变更来改善振动特性 为了控制排气歧管传递的振动，可通过改进排气歧管结构来改善振功特性和隔离排气歧管传递的振动等方法来降低排气系的噪声。 因为排气歧管用螺钉固定在气缸盖上，气缸盖的振动直接传到排气歧管。如图4所示，可以看出，与排气管连接处的振幅是相当大的。将悬臂长度缩短了63%的短排气歧管，与原歧管相比，自振频率是原先的3.5倍，这意味着短排气歧管尾部的振幅降低不少。且测量出的短排气歧管尾部的振动加速度也较小，故使得排气管的辐射噪声下降了。 图4 结构变更后的排气歧管振动测量 L ?为原始的排气管，=240mm L ?为改进的排气管，=90mm 4.2隔离排气歧管传动的振动 隔振是一种有效的降 低噪声的方法。将软弹性 管装在排气歧管和前排气 管之间，以便隔离由排气 歧管传来的振动。分别在 装与不装软弹性管的条件 下，测得的前排气管的噪 声频谱如图5所示。很明 显，在2500r/min和全负 荷时，排气系中软弹性管 的有无，对1000-2000Hz 的频率范围内的总噪声起 着很大影响。在上述频率 范围内用此管时，噪声可 降低20dB。总噪声级可相 应降低14dB。此外，在排 气歧管上采用隔声罩也可以 图5 用软弹性软管时排气管的噪声 有效地降低噪声。 —无弹性管，„用弹性管4.3排气消声器来控制排气噪声 排气消声器按消声机理不同，分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合式消声器三大类。阻性消声器主要利用吸声材料来消声，对中、高频噪声有良好的消声效果;抗性消声器利用截面突变、旁支管和共振腔等造成声传播的阻抗失配达到消声，对中、低频有较好的消声效果。阻抗复合式综合了上述两种的特点,兼有阻性和抗性的特点，消声频带宽。 5小结 由以上分析可以看出，汽车排气噪声的产生过程比较复杂，影响其大小的因素也比较多，只有具体分析各主要因素对噪声的贡献，才能达到较好的排气噪声目标控制。 参考文献 [1]吴文江，冯国胜(汽车排气噪声控制技术[J]，城市车辆，2000，(01). [2]黎志勤等编(汽车排气系统噪声与消声器设计(吉林:中国环境科学出版社，1990 [3]徐 岘(汽车噪声中排气噪声的控制[J]， 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 建设与设计,，2003，(04).