柴油机排气消声器优化设计

0 引言

发动机排气消声器的设计是一个复杂的系统工程，因为排气消声器设计的好坏会直接影响发动机的排气压力损失，同时对消声器本身的结构性能和声学性能也会有较大的影响。在工程设计中，应根据分析实际情况，根据设计用途作权衡，优化消声器的综合性能。

本文通过对排气消声器的优化设计，降低排气噪声，使JD42型柴油机的整机声功率级降低，提高消费者的舒适性。

1 消声器结构设计

1.1 气流流通面积的确定

内燃机排气冲程排出的高速、高温废气对消声器的消声性能有很大的影响，因此，在消声器设计中，气流速度是一个十分关键的参数，必须要控制消声器中气流的速度，减小气流速度可以减小气流对消声效果的影响，同时可以抑制气流的再生噪声。但是，减小气流速度常采用的措施是增大管道的流通面积，这会导致消声器扩张比的减小。因此，综合考虑气流速度和扩张比，消声器内部的气流速度通常控制在40～60m/s。

JD42柴油机排气消声器进口管直径为60mm，则截面积为2826mm2，但消声器内部有穿孔板和穿孔管，其流通面积均只有1865mm2，因此，消声器的有效流通面积是1865mm2。JD42型柴油机进气流量为84m3/h，消声器内的排气流速为41m/s。因此，在本次的消声器设计中，流通面积约为1865mm2。

1.2 消声器腔数及腔长的选择

对于消声器来说，若要高频消声效果好，则要增多腔数，但这种设计方案会导致低频消声效果差，并且会导致结构过于复杂，制造和加工成本增加；若要低频消声效果好，则应较少腔数，但高频消声效果差。综合权衡考虑结合JD42型柴油机排气噪声的频谱特性，确定消声器均分割成2～3腔，这种设计兼顾了高低音频的消声。

当消声器各腔的消声峰值与排气噪声的主要峰值相同时，消声器消音效果最好，故各腔的长度应根据排气噪声的频谱特性来确定。各腔的长度取为排气噪声峰值频率波长的1/4，消声峰值频率的计算式为：

其中，f为峰值频率；c为声速。

由于消声器的第一腔具有缓冲高速气流的作用，因此，一般将第一腔设计成最长腔。设计第一腔时，可根据排气噪声中最低频的噪声峰值的频率确定第一腔的长度；由于消声器最后一腔的气流平均温度最低，根据经验公式，腔长相同时，温度越低，消声的峰值频率也越低，因此，新方案中有些消声器将最后一腔设计为最长腔。

1.3消声元件的选择

消声器腔数及各腔的长度确定后，腔与腔之间的连接可以直接在隔板上开孔，或是采用内插管连接。当采用内插管连接时，利用声传递矩阵法推导得到的单个扩张室（图1（a））的传递损失计算公式为：式中：m为扩张比；k为波数，其值为为频率，c为声速。

以原装消声器的腔体为例，在扩张腔内插入内插管时的传递损失与简单扩张腔（图1（b））的传递损失比较如图2所示。

图1两种单室扩张腔

图2内插管扩张腔与简单扩张腔的传递损失曲线

从图2可以看出，在简单扩张腔内插入内插管时，一方面增大了有效消声频段内的消声量，另一方面减了少大部分通过频率（传递损失为0时的频率），扩张腔的消音性能得到了有效的提高。因此，JD42的排气消声器腔与腔之间均采用内插管连接。

由于该种消声器中高频段上消声量不足，为了弥补这一缺陷，可以采用了穿孔消声元件。这种穿孔消声元件不仅可以在腔内采用了穿孔板，而且出口管均采用穿孔出口，可以有效降低气流在消声器内部运动产生的高频再生噪声。在设计穿孔声学元件时，穿孔元件的总流通面积应大于进口管的流通面积，这样可以有效避免气流速度升高引起高频再生噪声。

2 优化后的消声器设计方案

鉴于消声器各腔长度的分配、内插管的插入长度以及穿孔板的位置对消声性能有较大的影响，因此，着重对这两个参数进行了合理、有效地选取。主要设计了两个消声器，一个为1#，一个为2#。

2.11 #消声器

外壳尺寸为Φ210×264mm，采用三腔回流结构，第三腔设计为最长腔，一二腔之间采用穿孔板，出口管采用穿孔管结构。穿孔管与穿孔板均布置66个φ6的小孔，总的流通面积为 594π（mm2），进口管流通面积为 482π/4=576π（mm2），穿孔流通面积大于进口管流通面积。

图3 1#消声器结构简图

主要做了如下改进：

①扩大容积，壳体直径加大至210mm，长度加大至268mm。增大了容积比和扩张比。对结构形式相同、不同容积的消声器进行的仿真结果表明，增大容积后消声效果明显增大。

②增加腔数。理论计算及仿真结果均表明，多腔结构可以在更宽的频带内获得理想的消声效果。

③采用内插管，在消声频带内增大了消声量。

2.22 #消声器

从实际生产应用的角度来考虑，1#（长且粗）消声器不宜采用，因此2#仍采用原消声器的直径173mm，长度为264mm。从若干样件的实验结果表明对单缸柴油机的排气消声器设计，采用穿孔管不失为一种行之有效的设计方案。另外为了进一步增加消声量，不得不使得气体的流通路线更加复杂，因此采用回流结构。这样一来的后果就是会使排气阻力变大，油耗增加，因此在设计穿孔的大小和数量时，要保证腔体内部的流通面积适当加大。最终，消声器的内部结构是采用带有穿孔管的回流结构。

在确定各腔长度时，应该根据排气噪声的频谱特性来确定，当各腔的消声峰值与排气噪声的主要峰值相同时，才能最有效地降低排气噪声。因此，确定各腔的长度时，首先要根据排气频谱确定需要消声的几个主要峰值频率，并推算各腔声速的大小。声速与腔内气流的平均温度有关，其计算公式为：c=331.5+0.61t，t为摄氏温度。设计时，取入口温度为584°C，出口为320°C，腔内温度按理想的线性温度梯度变化。随着温度的降低，消低频所需的腔长也变小，因此将第三腔定为最长腔，用来消低频噪声。对于插入管，应该遵循“入口1/2，出口或1/4或3/4”的设计原则。各腔长分布及消声频率如表1所示。

表1消声器腔长分布及消声频率关系

图4 2#消声器的结构简图

为了获得很好的消声效果，进、出口管都采用穿孔管。腔内部的四根流通管直径为34mm，其流通面积为：2×π×172=578π。为了便于打孔及孔的布置，进气管的直径改用60mm，小孔直径为5mm，进气管布置96个孔，其流通面积为：96×π×2.52=600π。排气管出口类似，也布置96个孔。

3 优化后消声器性能的试验验证

为了考察新型消声器的消声性能及安装后发动机的燃油经济性，通过台架实验测量JD42型柴油机的九点声压级并计算整机声功率级。测量得到标定工况下九点声压级、整机声功率级、油耗等数据如表2所示。

表2两种消声器性能对比表

从表中发现1#消声器的消声效果和油耗性能都比较好，但由于其体积较大，会引起生产、安装等问题，还会增加成本；2#消声器虽然在油耗和整机声功率等方面1#消声器逊色，但其体积较小，更适宜应用于批量生产，若能够对发动机的其他部件（如齿轮室盖、红面板等）加以改进，可以使得整机的噪声水平达到国家标准。

4 结果与讨论

本文以JD42型柴油机为样机，研究了声学的基本理论，讨论了消声器的机理，在此基础上对排气消声器进行优化设计。通过对两种优化方案的试验验证，尺寸较小的消声器更适合工厂大批量生产。排气消声器的优化设计降低了整机的噪声和油耗，提高了整机的性能。