发动机新型抗阻复合式排气消音器结构设计分析 

       发动机新型抗阻复合式排气消音器结构设计分析，采用计算机辅助设计,优化设计了两种新型排气消音器,并在492QA汽油机上进行了消声对比试验,试验表明设计的新型抗阻复合式排气消音器比抗性消音器消声效果好,它可以在低、中、高频率范围内都有好的消声效果,并且结构简单,成本低。
      人类社会进入21世纪以来,生产力得到了快速迅猛的发展。作为人类重要的交通工具之一的汽车,在人类历史的进程中扮演着越来越重要的作用。毋庸置疑,汽车给人们的生活带来了诸多便利,但任何事物都有其双重性,人们在享受汽车所带来的舒适生活的同时,也在无奈的忍受环境污染的折磨与煎熬。汽车排气噪声污染已成为危害人类健康的一大杀手。噪声污染被认为是当前世界三大污染之一,它严重影响人们的情绪、思维和健康,妨碍人们的正常工作和休息。随着人们生活质量的不断提高,环保意识的日益增强,噪声污染势必越来越被人们所重视。
      以往汽车大都是采用抗性排气消音器,对中、低频噪声效果较好,而对高频噪声效果不好。但排气高频噪声也很严重,对人类危害很大,往往被人们所忽视,采用新式抗阻复合式排气消音器,可以对排气中、低、高频噪声效果都好。采用计算机辅助设计,设计了一种抗性排气消音器和一种抗阻复合式排气消音器,并在492QA发动机上进行了台架对比试验与研究。
1492QA发动机原机排气噪声频谱分析
      492QA发动机原机不带排气消音器(简称空管)时,在2000rPmin转速,35%、65%和100%负荷工况(由于发动机比较旧达不到标定工况,为此进行了大扭矩工况试验)下离排气口1米处的排气噪声A声级、C声级和倍频程频谱如表1、表2所示。表1492QA发动机原机2000rPmin转速下排气噪声A声级、C声级负荷(%)35%65%100%A声级101.6108.8113.3C声级110.3114.3121.7表2492QA发动机原机2000rPmin转速下排气噪声倍频程声压级频谱
中心频率(Hz) 31.5 63 125 250 500 1K 2K 4K 8K
35%负荷声压级(dB) 92.1 110.4 103.5 98.8 96.8 94.6 92.4 95.8 93.3
65%负荷声压级(dB) 84.6 114.4 105.1 100.6 100.3 101.4 100.9 104.3 98.8
100%负荷声压级(dB) 92.4 121.8 113.7 100.9 103.1 106.6 104.7 106.8 103.9
      从表中可以看出,492QA发动机在2000rPmin转速下排气噪声A声级和C声级高分别达到113.3dB和121.7dB。低、中、高频率下的排气噪声都比较高(尤其是满负荷时)。为此,设计了两种排气消音器。
2抗喷阻复合式排气消音器的设计
2.1抗喷阻复合式排气消音器的设计
2.1.1抗喷阻复合式排气消音器结构设计
      抗性消音器是通过控制声抗的大小进行消声的,根据声学滤波原理而设计,它的性能主要取决于几何尺寸和形状。抗性消音器是在管道上接截面突变的管端或旁接共振腔,利用声阻抗失配,使某些频率的声波在声阻抗突变的截面发生发声反射、干涉等现象,导致声波的能量产生损失,从而达到消声的目的。
      根据492QA发动机结构布置以及排气噪声倍频程频谱分析,我们设计的抗性消音器如图1所示。消音器共由四节扩张室组成。排气产生的噪声随气流从右侧的插入管1进入,通过穿孔管2在扩张室A中膨胀消声,气流再经隔板3上的孔进入扩张室B,又一次扩张消声,气流进入B后经过隔板5上的孔4进行收缩消声,然后进入扩张室C,又一次膨胀消声,再经过隔板6上的孔,进入扩张室D,再一次膨胀消声,经过穿孔管7气体收缩消声,后经消音器的尾管8排入大气。
2.1.2抗喷阻复合式排气消音器结构具体尺寸计算
      我们用VB编写了消音器设计的计算程序(略),初取进气口的管道直径d为Φ50mm,消声量在15dB左右,设一节扩张室的峰值频率为1000Hz;二节扩张室的峰值频率为800Hz;三节扩张室的峰值频率为700Hz;四节扩张室的峰值频率为600Hz;则根据消声量的大小可以初取扩张比m=10,(m取值大意味着扩张室的横截面积大,上限频率就小,消音器的有效消声频率范围就越窄,因此,扩张比m不能选得太大)。
      进排气口截面积:S1=πd2=π502=0.00196m2扩张截面积:S2=mS1=10×0.00196=0.0196m2扩张部分直径:=158mm上限频率f上=1.22×=2625Hz下限频率f下=×=76.5Hz当n=0时:l=4fax一次扩张:l1=41=400=0.085m;二次扩张:l2=42=40=0.106m;三次扩张:l3=43=40=0.121m;四次扩张:l4=44=40=0.142m;总长:L=l1+l2+l3+l4=0.454m=454mm。
      初取中间隔板上的穿孔率为8%,孔径为25mm,两孔的中心距为80mm。取前部微穿孔管的穿孔率为20%,BPD=2.0,取孔径为8mm,式中孔的中心距为2.0×8=16mm,孔的个数n=53,设计中我们取了45个,以求穿孔管有较好的刚性。对于尾部的微穿孔管,设计中初取其穿孔率为20%,BPD=2.0;取孔径为8mm,则孔的中心距为2.0×8=16mm;孔的个数求法与前部微穿孔管的求法相同,可以求得n=72个。对于中间的微穿孔板,初取其穿孔率为30%,BPD=1.6,取孔径为8mm,则孔的中心距为1.6×8=12.8mm,则孔的个数n=68.8,设计中取60个。
2.2抗阻复合式排气消音器的设计
2.2.1结构设计
      抗阻复合式排气消音器的结构设计与抗性消音器的结构基本相同,只是在扩张室C、D中的外壁上加上了吸声材料,如图2所示。
2.2.2抗喷阻复合式排气消音器吸声材料的选用
      可以作消音器的吸声材料有很多,如:玻璃棉、矿渣棉、防水玻璃棉、石棉、工业毛毡等。考虑到排气管的温度及吸声效果,我们选用耐高温的超细玻璃棉作为吸声材料。此超细玻璃棉可在1000度的高温下正常工作,且消声效果好。它具有直径细、纤维长、重量轻、不易燃、防蛀、无毒、耐热、抗冻、柔软不刺手等特点。吸声性能除了与吸声材料有关外,还与吸声材料的厚度及密度有关,增加吸声材料的厚度和密度,可以提高中、低频的消声效果。为本课题所设计的消音器选用厚度为20mm,密度为30kgPm3的超细玻璃棉作为吸声材料。这样既可以使整个消音器的结构紧凑、重量轻,又可以取得很好的消声效果。
3抗喷阻复合式排气消音器试验结果及分析
3.1抗阻复合式排气消音器发动机的试验工况
      试验是在山东建筑工程学院发动机实验室进行的。声级计采用数字式精密声级计。噪声测点位置为离发动机排气管出口1米斜45°方向。发动机转速为2000rPmin,负荷为35%、65%和100%(满负荷)三种工况。分别在上述三种工况下测量发动机带排气消音器和不带排气消音器的A声级、C声级和倍频程频谱分析。发动机的试验工况如表3所示。试验结果详见表4-8以及图3-5。
表3发动机的试验工况
      从试验结果表3-8和图3-5可以看出,设计的两种消音器消声效果非常明显,尤其是阻抗复合式排气消音器消声效果更好。与未装蒸汽排气消音器的发动相比,在大扭矩点工况下,装抗性消音器的发动机功率下降2.3%,装阻抗复合式排气消音器的发动机功率下降4.7%,都没有超过5%。在2000rPmin转速负荷特性下,与未装消音器的发动机相比,抗性消音器的排气噪声LA(A声级)降低10.8~15.5dB;阻抗复合式排气消音器的排气噪声LA(A声级)降低12.2～16.7dB。阻抗复合式排气消音器消声效果明显好于抗性消音器。与未装消音器的发动机相比,在2000rPmin转速35%负荷特性工况下,抗性消音器各频率噪声(声压级)降低5.4~16.9dB,阻抗复合式排气消音器各频率噪声(声压级)降低10.2～19.9dB。在2000rPmin转速65%负荷特性工况下,抗性消音器各频率噪声(声压级)降低3.7～19.8dB,阻抗复合式排气消音器各频率噪声(声压级)降低6.3～20.4dB。在2000rPmin转速100%负荷特性工况下,抗性消音器各频率噪声(声压级)降低8.0～16.7dB;阻抗复合式排气消音器各频率噪声(声压级)降低9～19.6dB。阻抗复合式排气消音器在各频率下消音器效果明显好于抗性消音器,尤其是高频消声。
      所设计的两种抗喷阻复合式排气消音器消声效果明显。抗性消音器结构简单、制造简便、成本低,消声效果好,易于大批量生产。用VB语言设计的计算机优化设计程序,使用方便,大大节省设计时间。所设计的新式阻抗复合式排气消音器,设计新颖、生产成本低,消声效果更好,在低、中、高频率下都有明显的消声效果。该消音器不仅可以应用于汽车消声,而且还可应用于拖拉机、摩托车、农用运输车等消声,另外还可以应用于坐机消声,适应范围广,具有广阔的市场应用前景。