摘 要：对BH175F柴油机消声器进行了声压实验和烟度分析，结果发现该消声器的排气声压值较高，且该柴油机的尾气烟度较大。为此，基于对消声器理论和实验研究经验，对原消声器进行结构改进，以得到一种既具有较好消声效果，又拥有良好尾气净化效果的新型消声器。再对新型消声器进行实验，结果表明，新型消声器较原消声器的消声效果有所提高，排气尾气的烟度有所降低，达到了结构改进的目的，具有一定的工程意义。
关键词：柴油机；消声器；烟度；净化消声
柴油机因其具有良好的机动性、功率高，制造成本低以及携带方便等优点而被广泛应用于农村。但它在工作过程中会持续不断的产生排气噪声以及尾气污染物，从而造成噪音污染和环境污染，会严重影响到人们的身心健康[1-2]。通过安装排气净化消声器是减少柴油机的噪声和环境污染的有效方式。如何提高消声器的消音效果以及净化性能成为了许多学者的研究目标。伏军[3-4]等通过实验和数值仿真计算研究了不同孔密度排气消声器对柴油机消声性能的影响，发现较高的穿孔率会降低消声器噪声的消除量而影响其消声效果，而较低的穿孔率很容易产生强烈的涡流，当腔体气体流过该过程时将不会平滑和不稳定。胡习之[5]等通过发动机实验台架对某汽车排气消声器的排气背压，噪声等进行实验以及CFD分析，提出改进方案并通过实验验证了方案的可行性；运伟国[6]等在对某款重型汽车及标杆车排气系统的多工况进行插入损失实验时发现其消声性能的不足，最终通过改进来提升其消声效果；杜江[7]等通过实验研究探讨了气流流速大小和消声器结构参数的变化对插入管消声器声学特性的影响并获得相关规律；边杰[8]等发现消声器的容积在一定范围内，随着容积逐渐增大，其排气噪音会降低；王键[9]等发现消声器的扩张比在一定范围内，随着扩张比的增加，消声器的传递损失也会增加；方智[10]等发现设置特定的插管长度和进出口位置可以消除消声器的通过频率,进而改善消声器中低频的消声性能；方忠甫[11]等发现当内插管的插入长度增加时，消声器在中高低频段的传递损失会有所增加，且峰值向低频方向移动；孟晓宏[12]等通过三维有限元模型分析了不同结构参数对压缩机消声器的消声性能的影响以及对该消声器进行相应的结构改进并取得良好的效果。本文通过对BH175F柴油机消声器进行实验研究，在总结前人对消声器理论和实验研究的基础上，对原消声器的结构提出改进方案，最终获得一款具有更好消声和净化效果的消声器。
1 实验研究分析
1.1 消声器结构
如图1所示，消声器主要由排气插孔管1，扩张室2，筛孔隔板3，连接螺杆4，紧固螺母5，进气内插管6以及安装托架7组成，其中扩张室2由筛孔隔板4分离成B、C两个共振腔室，其中B、C共振腔室长度分别为36mm、101mm。消声器的腔体总长为140mm,直径为80mm；进气内插管6直径为31mm，排气穿孔管1直径为25mm，其插入长度为36mm；图中L1为前腔室长度，L2为后腔室长度。
1.排气穿孔管 2.扩张室 3.筛孔隔板 4.连接螺杆 5.紧固螺母 6.进气内插管 7.安装托架
B.第二共振腔 C.第一共振腔
图1 消声器结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of the muffler structure
1.2 实验结果分析
应用柴油机实验台架对BH175F柴油机消声器进行实验研究，其中实验过程均严格按照中华人民共和国国家标准GB/T4759-2009《内燃机排气消声器测量方法》实施[13]，且测试设备和试验条件均满足国家标准要求。通过实验采集消声器排气噪声的声压值以及排气烟度数据，对消声器的排气声压级和烟度测量实验示意图如图2所示，在实验过程中，柴油机的载荷调节范围为2-12(N·m)，以2N·m载荷递增；转速调节范围为1200r/min-2400r/min，以400r/min转速递增，依次对实验所得的数据进行采集，最后进行汇总。最后实验所得消声器排气噪声的声压值测量所得数据以及排气烟度测量值分别如表1、表2所示。
a)声压级测量示意图
a)Sound pressure level measurement diagram
b)烟度测量示意图
B)Smoke measurement diagram
1.柴油机排气管 2.排气消声器 3.声级计 4.隔音墙 5.烟度计测量单元 6.烟度控制单元
图2 测量示意图
Fig.2 Schematic diagram of the measurement
结合表1中各个实验所得的消声器排气声压数据，绘制出声压图如图3所示。根据图3可知，当柴油机在保持同一转速下时，随着转矩增加，消声器的排气声压值逐渐增大；当柴油机在保持转矩不变时，随着转速逐渐增加，消声器的排气声压值逐渐增大；当柴油机转矩为2 N·m，转速为1200r/min时，消声器的排气声压级最小，为89.1dB；当柴油机转矩为12 N·m，转速为2400r/min时，消声器的排气声压级最大，为97.8dB；从整体上综合分析，可以得出该消声器的排气声压值在整体上比较高，存在改进的空间。
表1 消声器排气噪声声压值(dB)测量结果
Table 1 Measurement results of acoustic pressure value (dB)of muffler exhaust noise
图3 消声器声压图
Fig.3 Sound pressure chart of the muffler
结合表2中各个实验所得的消声器排气烟度数据，绘制出烟度图如图4所示。根据图4可知，在柴油机保持在1200r/min，1600r/min的较低转速时，随着转矩增加，消声器的排气烟度呈现先逐渐增大后减小的趋势；而当保持在2000r/min，2400r/min的较高转速时，随着转矩增加，消声器的排气烟度呈现出逐渐增大趋势。从实验现场以及实验所得数据进行分析，发现柴油机在低转矩，低转速条件下由于油气燃烧充分产生碳烟量较少，随着转矩增加，过量空气系数不断减小，造成了不完全燃烧，产生了较多的碳烟微粒，致使柴油机尾气烟度较大，可以考虑对消声器进行改进而减少其尾气的烟度。
表2 消声器排气烟度(N%)测量值
Table 2 Measurement value of exhaust
gas smoke (N%)
图4 消声器烟度图
Fig.4 Smoke figure of the muffler
2 新型消声器设计
根据对原消声器的实验以及分析结果，为进一步改善该消声器的消声效果以及降低柴油机尾气的烟度，基于前人对消声器的理论和实验研究，对原消声器的结构参数进行合理的分析，提出新的结构方案如下：如图5所示，该新型消声器主要由排气穿孔管1，后扩张室2，前扩张室3，泡沫陶瓷4，内插孔管5，进气内插管6等主要部分组成。壳体总长为235mm，两个腔室功能各不相同，前腔室B为进气消声腔，长度为 140mm，主要消除低频噪声，后腔室A为排气消声腔，长度为70mm，主要用以消除高频噪声。微粒净化泡沫陶瓷设置在前后腔之间，厚度设置为25mm，用以过滤、吸附尾气的微粒，减少尾气的排放污染物。另新型消声器与原消声器主要更改参数对比如表3所示。
表3 新型消声器与原消声器对比表
Table 3 Comparison of the new muffler and the original muffler
图5 新型消声器结构示意图
Fig.5 Schematic diagram of the new muffler
3 实验对比验证
为验证所得新型消声器相对于原消声器的消声效果以及净化效果，对其进行实验，其中实验的方式以及过程和原消声器的一致，实验所得新型消声器的排气声压级数据和尾气烟度数据如表4、表5所示。
表4 新型消声器排气声压级(dB)测量值
Table 4 New muffler exhaust sound pressure
level (dB)measured value
表5 新型消声器排气烟度(N%)测量值
Table 5 New muffler exhaust smoke (N%)measured value
3.1 排气声压级对比
根据对新原消声器的实验数据，绘制出两个消声器在同一转矩，不同转速下的排气声压级对比图如图6所示。
图6 新原消声器声压级对比图
Fig.6 Comparison of the sound pressure level of the new muffler and the original muffler
结合表4和图6可知，当柴油机转速为某一固定值时，随着转矩增加，新型消声器的排气声压值变化规律与原消声器的保持一致，呈逐渐增加的趋势；当柴油机的转矩为某一固定值时，随着转速增加，新型消声器的排气声压值变化规律与原消声器的保持一致，呈逐渐增加的趋势。同时可以得出，新型消声器的排气声压值在整体上均比原消声器要小，具有较好的消声效果，特别在转速为1600r/min时，新型消声器的整体消声效果非常显著，较原消声器有明显的改善。
3.2 排气烟度对比
根据对新原消声器的实验数据，绘制出两个消声器在同一转矩，不同转速下的排气声压级对比图如图7所示。
图7 新原消声器烟度对比图
Fig.7 Comparison the smoke of the new muffler and the original muffler
结合表5和图7可知，在柴油机保持在1200r/min，1600r/min的较低转速时，随着转矩增加，新型消声器的排气烟度逐渐增加，但在较高转矩状态时，烟度增加的趋势较为平缓；而当保持在2000r/min，2400r/min的较高转速时，随着转矩增加，新型消声器的排气烟度的变化规律基本与原消声器的保持一致，呈逐渐增大的趋势。根据新型消声器的烟度实验数据，可以发现，相对于原消声器来说，其排出尾气的烟度在整体上得到较大的减少，对柴油器排气尾气的烟度具有一定的净化效果。
4 结语
(1)本文对BH175F柴油机消声器的排气进行声压实验和烟度分析，发现该消声器的排气声压值较高，尾气烟度较大。为此，基于消声器理论和实验研究经验，对原消声器结构进行改进，获得一种既具有好的消声效果，又具有良好尾气净化效果的新型消声器；
(2)对新型消声器的排气声压进行实验，将所得实验结果与原消声器进行对比，结果表明，新型消声器排气声压级较原消声器有所降低，整体消声效果良好。再对新型消声器的尾气烟度进行实验，将所得的实验结果与原消声器进行对比，结果表明，新型消声器的排气烟度较原消声器来说有明显的降低效果，具有良好的净化效果。
(3)通过实验验证所得新型消声器及具有良好的消声效果，又具有好的尾气净化效果，达到了对原消声器的结构改进的目的，具有一定的工程意义。
