新型柴油机排气管消声器性能研究

马 越

（中国石化胜利油田分公司 海洋采油厂 山东东营 257237）

排气噪声属于低频噪声，是柴油发动机和拖拉机的主要噪声源。使用排气消声器是降低排气噪音的直接有效方法。然而，传统的排气消声器通常由膨胀室和多孔管或多孔板组合而成，具有较高的排气阻力，但降噪效果较差，特别是对于低频噪声。通常情况下，排气消声器的降噪与排气阻力之间存在矛盾，因此，研究消音器的高效降噪和节能原理具有重要意义[1]。为了解决传统消声器的问题，已经进行了各种尝试，但仅获得了有限的进展。近年来，人们积极研究了主动消音系统，其中多采用扬声器来消除排气噪声[2-4]。由于设计固有的问题，该方法未能商业化。其他各种尝试，例如使用连接到原始排气管的U形旁通管，利用消声器中的涡旋现象，也未能实现其商业应用[5]。

排气流与燃烧过程直接相关，并且包含有关发动机燃烧条件的丰富信息，在排气管内部不可避免地存在声反射和驻波效应的问题。为了有效地设计消音器系统和发动机的进气和排气过程，通常会基于声学单端口模型来了解声音产生机理和对声源进行量化。基于声学单端口模型，已经开发出各种实验方法来确定声源特性，包括驻波法，传递函数法和多载荷法。它们最初是为消音器设计而开发的。

发动机噪声是对环境的部分噪声污染之一，必须根据法规要求限制外部噪声，排气系统的开发旨在衰减符合要求水平和声音质量的噪声，并根据环境规范进行排放。消音器是发动机系统的重要组成部分，通常用于排气系统，以最大程度地减少由排气引起的声音传播。近几十年来，关于噪声的环境法规变得越来越严格，这使消声器的设计发生了变化。例如，（1）增加消声器的体积，过去消声器的体积是发动机排量的5倍，但现在是发动机排量的12倍；（2）改进了消声器的内部结构；（3）二手消声器；（4）广泛使用的吸收材料；（5）二手可控排气系统[6-7]；（6）衰减的排气辐射噪声[8]。上述变化通常受到成本和空间的限制，这迫使研究人员在有限的体积内寻求具有更高衰减性能的消声器。为了改善现有消声器的声学性能，许多研究人员[9-12]集中精力研究消声器中使用的每个声学元件或组合件的声学性能。发动机的性能在很大程度上取决于燃烧气体通过消声器向大气的有效排放。尽管消音器的主要功能是降低发动机噪音，但它的设计目的还在于控制排气系统的背压。背压的变化直接影响调节燃料经济性的消声器温度分布。排气消声器是主要的噪声源。引起了许多研究人员的注意，它们用于测量传输损耗，预测寿命，分析热机械负载，研究消声器声学[13]。这样的分析有助于解决废气中的社会噪声。

1 原型结构

在本研究中，提出了一种基于由腔室和管子的组合形成的典型结构，在尾管上具有互连孔的消声器，从而获得较高的声学性能；提出了消声器的设计理论并研究了消声器在频域和时域的声学性能；讨论了所提出的消声器的结构参数对其消声性能的影响；提出了排气消声器的新概念。在康明斯K318单缸柴油发动机上进行噪声实验表明，与原始被动消声器相比，新消声器在较宽的发动机转速范围内具有良好的插入损耗特性，尤其是在500 Hz范围内。原来的消声器只能降低高频噪声成分，不能降低甚至增强500 Hz以下频率的噪声，证明了传统的消声器再次降低低频噪声的能力较弱。新型排气消声器在控制低频排气噪声方面明显有效，这证明了新理论的有效性，不仅新型消声器在降低低频噪声方面有很好的表现，而且还可以采用分流降低空气流速，从而降低空气再生噪音。反相仅对目标频率及其奇数倍谐波的排气噪声有效，而不对整个频率范围有效，但分流冲流对所有频率范围的噪声均有效。

常规的内燃机消声器大多由多孔管，折流板或多孔折流板，膨胀室等组合构成，噪声降低受到限制并且背压高，因此燃料效率低。为了解决传统的排气消声器在低频范围内降噪性能差、排气阻力高的问题，提出了一种基于反相补偿和分流冲撞的柴油机排气消声器新理论。以康明斯K318单缸柴油机为实验发动机，作者测量了排气噪声及其频谱。通过比较新型消声器与原始消声器的结果，验证了新的消声器理论 。

新型消声器的原理，如图1所示。

图1 新型消声器的原理图

废气被引入进气口并由锥体引导，流入内管和外管之间的空间，然后自动分配，并使用U形旁通管通过径向矩形狭缝进入腔室。在每个腔室中，进入的废气被分成两部分，它们具有相同的幅度和180º相差，当这两部分气体在腔室的中心线相遇时，它们会相互抵消，从而导致气流速度降低。消声器中间的膨胀室也有助于进一步降低噪音。由于每个腔室的两个开口腔室是大的矩形狭缝，并且相互抵消而导致气体流速降低，因此，气体通过消声器时的压力损失要低得多，这意味着消声器的背压较低。

2 原型机的典型结构

本研究中提供的消声器的内部结构示意图如图2所示，它由三个管道和三个腔室组成，它们由两个固定板隔开。消声器中有几个声学组件，分别对应于亥姆霍兹共振室、膨胀室、扩展管共振器、吸收性材料和排气管[14]。入口管上的穿孔设计为气流引导装置，以防止在气流路中的急剧不连续处出现流分离和过度湍流，因此，使用了穿孔管来减少气流产生的噪音和压降。由入口管和腔室3的一部分形成的亥姆霍兹共振腔室是为了减少特定频率的噪声。它用作声学滤波器，旨在衰减发动机的低频噪声。亥姆霍兹共鸣室将声波反射回声源，并防止声音沿管道传播。

图2 原型机的典型结构

膨胀室（室 1）设计用于消除动臂噪音[15]。膨胀室通过在消声器中引入截面积的突然变化来反射波。它没有亥姆霍兹谐振器的高衰减，但是它具有宽带频率特性，当一半的声波长度等于腔体长度时具有通带。膨胀室可以消除尖锐的压力脉冲，从而减少出口处的单个脉冲声音。当进入的声音流的面积扩大或缩小到不同大小时，会产生一个扩展的管状谐振器，旨在消除指定的频率噪声。在该样品消声器中，回流管和固定板形成了两个延伸的管谐振器。在两种布置中，进入的声音都从安装板上反射并以相反的方向返回，从而对进入的声音产生破坏性干扰。吸收成分（在尾管中）用于防止流动噪声、辐射噪声和排气裂纹声，它包含玻璃棉，并通过将振荡的气体颗粒与多孔吸声材料之间的空隙中的摩擦将声能转换为热量，从而减弱了噪音。该组件的主要优点是在较高的频带上具有良好的衰减，但在低频下性能较差。为了减弱发动机的低频噪音，原型消声器采用了排气管。应当注意的是，在排气管上设计了一个特殊的孔，将排气管与腔室 1连接起来，该孔用作亥姆霍兹共振器以衰减特定的中频噪声。

3 参数对消声器声学性能的影响

为了获得此类消声器的设计指南，以研究每个参数对所提出的消声器的声学性能的影响。使用公式计算消声器的降噪效果。声学模型基于图2中的低通滤波器组件。模拟条件如下，空气密度为0.442 kg / m3，空气温度为800 K，声速为567 m/s，这些是在WOT模式下发动机转速为3000 rpm时的近似值。计算图1所示的带有样品消声器的排气系统的尾管噪声。

在图3中，比较了两个带有连通孔和没有连通孔的消声器的排气管噪声，并在图4中比较了它们的降噪效果。关于排气管噪声，从图3中可以发现声压级当发动机转速在2阶时高于4800 r/min（用红色区域B表示），4阶时2300 r/min以上（用红色区域B表示）时，带孔1的消声器的转速比不带孔的消音器低。并在6阶从1000 r/min至3700 r/min（由红色区域B表示）。但是在蓝色区域A和C所示的范围内，带孔的消音器1的声压级高于不带孔的消声器的声压级。在图3b和c中，很明显，在4阶发动机转速为2200 r/min至6000 r/min，在6阶发动机转速为1000 r/min至3700 r/min时，具有互连孔的消声器比没有互连孔的消声器具有更大的衰减性能。

图3 有无连孔样品1尾管噪音随发动机转速的变化曲线

图4 有无连孔样品1降噪效果比较

在图4中，可以发现带孔的消声器在其降噪曲线上的峰值为221Hz，这与亥姆霍兹谐振器的声学性能相对应。因此，可以认为图4中的差异是由互连孔的亥姆霍兹声学性能引起的。可以得出的结论是，排气管上的连通孔可以改善消音器在中频范围（150 Hz以上）的衰减性能，并且会降低消音器在低频范围（150 Hz以下）的衰减性能。但是，与中频范围的衰减改善相比，低频范围的衰减减小很小。因此，所提出的带有连通孔的消声器是提高总衰减性能的合理方法。

参见图5、图6，尾管噪声曲线和降噪曲线都表示，互连孔的位置在整个频率范围内对声学性能没有很大影响，但对共振频率有影响。当互连孔的位置靠近尾管的前端时，其谐振频率将移至高频侧。对于带孔2的样品消声器，将互连孔移至尾管的后端，从而降低了共振频率。当尾管的后端附近设计连接孔时，尾管的长度变短，这导致低频场的衰减性能降低。因此，带孔 1样品的消声器在 130 Hz以下的范围内具有比其他消声器更高的衰减性能。因此，建议将尾管设计得尽可能长，以在低频场获得高衰减性能。在当前情况下，应在尾管的前面设计连接孔，以便在低频场获得较高的衰减性能。

图5 具有连孔样品1和2尾管噪音比较

图6 具有连孔样品1和2降噪效果比较

在图7、图8中，具有孔3的消声器的亥姆霍兹谐振器比具有孔1的消声器的亥姆霍兹谐振器具有更高的谐振频率，也就是说，具有较大互连孔（SF）的消声器具有较低的谐振频率。通常，在低频场范围内期望良好的衰减性能。因此，互连孔的直径应足够大以获得良好的性能。可以认为互连孔的直径对应于亥姆霍兹谐振器的颈部的直径。

图7 具有连孔样品1和3尾管噪音比较

图8 具有连孔样品1和3降噪效果比较

从图8中可以看出，在低于亥姆霍兹共振频率（由A表示的区域）的频率下，带孔1的消声器的衰减性能优于带孔样品3的消声器，但在高于切线的频率处，其衰减性能不如带孔1的消声器。低通滤波器的截止频率（用B标记的区域）。该特性取决于亥姆霍兹谐振器的谐振频率与包括回流管的低通滤波器的谐振频率之间的关系（在当前情况下为240 Hz），因为消音器在亥姆霍兹谐振器的谐振频率附近具有良好的衰减性能。关于亥姆霍兹共振频率，低通滤波器的截止频率与衰减性能之间的关系，可以得出以下结论：当亥姆霍兹共振频率与低通滤波器的截止频率之差较大时，消声器在亥姆霍兹共振频率处具有较高的衰减性能，而在低通滤波器的截止频率处具有较低的衰减性能。相反，当亥姆霍兹共振频率接近低通滤波器的截止频率时，消声器具有中等衰减性能。因此，可以通过这些关系来估计消声器的衰减性能。消声器（带孔样品4和带孔样品1）的消声器的结果显示在不同长度的回流管中。

参照图9和图10，从图10中可以发现，当回流管的长度加倍时，由互连孔形成的亥姆霍兹谐振器的谐振频率从241Hz移动到191Hz。因此，共振频率在高声压级的4阶3000 r/min和6阶2200 r/min左右的范围内匹配，从而导致有效衰减。在由互连孔，对应于图10中的峰值）形成的亥姆霍兹谐振器的谐振频率中，存在与SB / lB相同的项，因此，在不影响消声器设计中的降噪曲线形状的情况下，可以通过SB / lB的变化将消声器调谐到指定频率。

图9 具有连孔样品1和4尾管噪音比较

图10 具有连孔1和4降噪效果比较

4 模拟的边界条件

由于燃烧气体的运动较快，因此消声器室内会形成背压。它是指运动的流体沿障碍物的流动方向施加在障碍物上的压力。压力是标量，由压力梯度驱动的气流。正是发动机产生了足够高的压力，以克服排气系统中的流动障碍。由于废气非常热（温度为400℃），因此废气散布在整个消声器腔中，消声器的表面温度因此而升高。出气边界是大气条件，而进气边界是发动机的排气管。一些重要的参数包括废气的密度，焓和粘度（随混合物的变化而变化）。消音器/排气歧管的进气速度也是另一个重要参数，它随几何形状的不同而变化。

CFD仿真方法使用Ansys的基于压力的求解器，并进行了准静态仿真，刻度以mm为单位。所有单位均采用国际单位制。之所以使用能量模型，是因为在废气混合物与消音器壁之间以及壁与大气之间会发生热传递。在这里，流动被认为是低速不可压缩类型。这种情况下的压力场是通过内置的压力求解器软件获得的，该软件求解相互关联的连续性和动量方程。流体路径的封闭壁被认为是无滑动条件且静止的。将热条件视为对流，并根据情况输入热系数值。自由流温度取为300K。在这里，零扩散通量被认为是物种边界条件。参考值是从入口计算的，该方案用于压力速度耦合。入口速度密度和焓是根据入口气体的组成和质量流量自动计算的。

背压增加会导致额外的工作，从而减少热量的吸收。为此，燃油经济性由于进气歧管的增压压力降低而降低。因此，燃油消耗，PM，CO排放和排气温度提高了。同样，排气温度的升高导致排气门过热。

真空的存在有助于排气的更好循环。消声器室温度借助热电偶可以监控内燃机消声器的废气温度。在行驶中的车辆中，这种连续监控系统可帮助驾驶员注意空燃比。除此之外，稀薄/浓空燃比的排气温度也不同。

排气温度可能升高/降低。但是可以肯定的是，高温（900 ℃左右）可能会导致发动机发生灾难性故障。因此，每当对消声器的设计进行修改或选择发动机的替代燃料时，都必须对排气温度进行详细研究。在当前分析中。在所有几何形状情况下，均为362 ℃。

背压由于结构变化而显着变化，并且对消声器的 NVH方面具有重大影响。这种变化的发生是由于由于设置了挡板或管而改变了内部腔室的几何形状，从而导致了流体路径的改变。在此分析中，排气温度不会因几何形状的改变而受到很大的影响。该模型可以适应排气消声器的几何修改，以实现背压控制。

5 结语

在本研究中，通过实验和理论研究了所提出的消声器的声学性能。结果表明，在排气管上设计一个互连孔时，该消声器具有低通滤波器和亥姆霍兹谐振器的衰减性能。根据这些结果，可以得出以下结论：（1）为了在低频场上保持良好的衰减性能，连续孔应尽可能位于尾管上。（2）可以通过调节互连孔的直径来改变由互连孔形成的亥姆霍兹谐振器的谐振频率与包括回流管的低通滤波器的截止频率之间的关系。通常，在低频场范围内期望良好的衰减性能。因此，连接孔的直径应足够大以获得良好的衰减性能。背压的最大值为0.78 MPa。除此之外，排气温度的最大值是362 ℃。这些值在发动机安全性的可接受值之内。