發(fā)動機排氣消聲器的設計是一個復雜的系統工程因為排氣消聲器設計的好壞會直接影響發(fā)動機的排氣壓力損失同時對消聲器本身的結構性能和聲學性能也會有較大的影響。在工程設計中應根據分析實際情況根據設計用途作權衡優(yōu)化消聲器的綜合性能。本文通過對排氣消聲器的優(yōu)化設計,降低排氣噪聲,使JD42型柴油機的整機聲功率級降低,提高消費者的舒適性。
1消聲器結構設計
1.1氣流流通面積的確定內燃機排氣沖程排出的高速高溫廢氣對消聲器的消聲性能有很大的影響因此在消聲器設計中氣流速度是-個十分關鍵的參數,必須要控制消聲器中氣流的速度,減小氣流速度可以減小氣流對消聲效果的影響同時可以抑制氣流的再生噪聲。但是減小氣流速度常采用的措施是增大管道的流通面積,這會導致消聲器擴張比的減小。因此綜合考慮氣流速度和擴張比消聲器內部的氣流速度通?？刂圃?0~ 60m/s。JD42柴油機排氣消聲器進口管直徑為60mm則截面積為2826mm2但消聲器內部有穿孔板和穿孔管其流通面積均只有1865mm2 ,因此,消聲器的有效流通面積是1865mm2。JD42 型柴油機進氣流量為84m2/h 消聲器內的排氣流速為41m/s。因此在本次的消聲器設計中流通面積約為1865mm2。
1.2消聲器腔數及腔長的選擇對于消聲器來說若要高頻消聲效果好則要增多腔數但這種設計方案會導致低頻消聲效果差并且會導致結構過于復雜制造和加工成本增加若要低頻消聲效果好則應較少腔數但高頻消聲效果差。綜合權衡考慮結合JD42型柴油機排氣噪聲的頻譜特性,確定消聲器均分割成2~3腔這種設計兼顧了高低音頻的消聲。當消聲器各腔的消聲峰值與排氣噪聲的主要峰值相同時消聲器消音效果最好故各腔的長度應根據排氣噪聲的頻譜特性來確定。各腔的長度取為排氣噪聲峰值頻率波長的1/4 消聲峰值頻率的計算式為:L =.144f其中f為峰值頻率c為聲速。由于消聲器的第一-腔具有緩沖高速氣流的作用,因此,-般將第一-腔設計成最長腔。設計第一-腔時 可根據排氣噪聲中最低頻的噪聲峰值的頻率確定第一腔的長度 ;由于消聲器最后一-腔的氣流平均溫度最低,根據經驗公式,腔長相同時溫度越低消聲的峰值頻率也越低,因此新方案中有些消聲器將最后- -腔設計為最長腔。
1.3消聲元件的選擇消聲器腔數及各腔的長度確定后腔與腔之間的連接可以直接在隔板上開孔或是采用內插管連接。當采用內插管連接時,利用聲傳遞矩陣法推導得到的單個擴張室(圖1( a))的傳遞損失計算公式為:In =101g-...cos- H,+-(m+- -sin2 k,cos? H。.cos' K。' 4m式中m為擴張比k為波數其值為2πff為頻率p為聲速。以原裝消聲器的腔體為例在擴張腔內插入內插管時的傳遞損失與簡單擴張腔(圖1( b))的傳遞損失比較如圖2所示。
從圖2可以看出,在簡單擴張腔內插入內插管時-方面增大了有效消聲頻段內的消聲量另-方面減了少大部分通過頻率(傳遞損失為0時的頻率)擴張腔的消音性能得到了有效的提高。因此JD42的排氣消聲器腔與腔之間均采用內插管連接。
該種消聲器中高頻段上消聲量不足為了彌補這-缺陷可以采用了穿孔消聲元件。這種穿孔消聲元件不僅可以在腔內采用了穿孔板,而且出口管均采用穿孔出口可以有效降低氣流在消聲器內部運動產生的高頻再生噪聲。在設計穿孔聲學元件時穿孔元件的總流通面積應大于進口管的流通面積這樣可以有效避免氣流速度升高引起高頻再生噪聲。
2優(yōu)化后的消聲器設計方案鑒于消聲器各腔長度的分配、內插管的插入長度以及穿孔板的位置對消聲性能有較大的影響因此著重對這兩個參數進行了合理有效地選取。主要設計了兩個消聲器-個為1#,-個為2#。
2.11# 消聲器外殼尺寸為中210>x264mm采用三腔回流結構第三腔設計為最長腔-二腔之間采用穿孔板出口管采用穿孔管結構。穿孔管與穿孔板均布置66個φ6的小孔總的流通面積為594π( mm?)進口管流通面積為48rπ/4=576π(mm2)穿孔流通面積大于進口管流通面積。
主要做了如下改進:①擴大容積,殼體直徑加大至210mm ,長度加大至268mm。增大了容積比和擴張比。對結構形式相同不同容積的消聲器進行的仿真結果表明增大容積后消聲效果明顯增大。
②增加腔數。理論計算及仿真結果均表明多腔結構可以在更寬的頻帶內獲得理想的消聲效果。
③采用內插管在消聲頻帶內增大了消聲量。
