柴油机排气消声器发展近况
2024-04-03
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2010年l0月 农机化研究 第10期 柴油机排气消声器发展近况 邵颖丽 ,侯占峰 ,赵志文 ,武(1.内蒙古农业大学机电工程学院,呼和浩特摘佩 010051) O10018;2.内蒙古财经学院统计数学学院,呼和浩特要:排气噪声是柴油机的主要噪声源,而安装排气消声器是控制发动机排气噪声最直接和最有效的方法。 目前,消声器的研究主要包括有源消声和无源消声两类。为此,对柴油机排气消声器的设计及研究方法进行了 阐述,并基于反相抵消的思想提出了一种新型主动节能型消声器的设计原理。 关键词:柴油机;消声器;反相抵消;消声性能 中图分类号:TK421 .6 文献标识码:A 文章编号:1003—188X(2010)10一O199一o4 ,、 ,。一 简图如图I所示。 U I目 我国是柴油机的生产和使用大国,占世界各国同 类产品75%以上,其生产能力及产量均居世界首位。 但柴油机噪声较大,对人的生理、心理及环境都造成 了严重影响。为控制噪声污染,国内外都制定了许多 相关的噪声控制标准和法规,噪声已成为评价内燃机 质量的重要指标。我国对内燃机的噪声控制极为重 视,并将其列为“十五”期间优先发展的关键技术之 一。但由于我国在噪声控制方面技术相对落后,尤其 、 图1抗性消声器例子 单缸柴油机的噪声偏大。国内的普查情况显示:缸径 大于I 15mm的单缸柴油机大都达不到国家规定的噪 声标准。这严重影响了我国柴油机的生产、使用及出 口竞争力,也制约了我国国民经济的发展。因此,如 何有效降低柴油机噪声仍是目前的重要研究课题。 研究表明,排气噪声在柴油机噪声中占主导地位,也 声波在这些声学元件中传播时将产生反射、衍射 或干涉,这些声现象使声波在消声器中形成复杂声 场。这种声场的复杂性不仅体现在每一点声压都是 由各种声波的叠加上,而且还体现在声波随排气流通 过各种声学元件时原来声波特性(幅值与相位)发生 改变,气流本身在流动过程中还将产生二次空气动力 是以其为动力的车辆的主要噪声源。因此,降低排气 噪声具有决定性的意义,而安装排气消声器是最直接 和最有效的方法 J。 ・ 性噪声。排气抗性消声器就是利用声波在复杂声场 中的反射和干射等,达到降低排气噪声的目的。 ’ 传统的抗性消声器设计主要依靠理论和经验公 式,利用经验算法确定入口流速、人口直径和膨胀腔 容积,依据一维声学结论确定消声器的膨胀腔尺寸、 腔数、各膨胀腔长度和隔墙之间的连接方式。每个膨 1 无源消声器的发展近况 1.1结构和原理 无源消声器大体分为阻性、抗性及阻抗复合 型 。针对柴油机排气管道温度高和腐蚀性强的特 点,主要采用抗性消声器。排气抗性消声器一般是由 内插管、扩张室、穿孔管或板等声学元件组成,其结构 收稿日期:2009—12—25 胀腔内部的结构根据现有经验和结论进行确定,再通 过试验验证消声器的声学和流体动力学性能。 1.2研究进程 当声波的波阵面垂直于传播方向的平面时,称为 平面声波。利用一维平面波波动方程理论,可对不同 结构的消声器的传递损失和插入损失进行预测。 基金项目:内蒙古教育厅项目(Njzy08110) 作者简介:邵颖丽(1970一),女,内蒙古赤峰人,副教授,博士研究生, (E—mail)yinglishao@163.tom。 1922年,美国Stewart第1个应用声学滤波器的理 论研究抗性消声器 。上世纪五十年代中期,Davis等 通讯作者:武佩(1963一),男,内蒙古化德人,教授,博士生导师,博 士,(E—mail)jdwp@imau.edu.12II。 ・人采用一维波动方程,利用截面突变处声压和体积速 199・ 2010年10月 农机化研究 第10期 度的连续性,计算了单级、多级膨胀腔和侧支共振腔 在高次模式波,平面波与线性化的假设便不再适用。 对于近似于轴对称结构的消声器,可以用二维消 声计算模型描述其内部声场分布。天津大学的蓝军 的消声特性。五十年代后期,Igarashi利用了等效电路 方法推导了消声器的传递矩阵 J。六十年代以后,对 于消声器的理论研究越来越深入,逐步解决了气流与 证明了二维有限元法分析结果较一维平面波的精度 有了进一步提高。随着计算机技术的发展,三维计算 声学开始在消声器的研究中得以应用。该方法可以 声波的相互作用、进一步考虑温度梯度对声波的影响 等问题,许多研究人员(如日本的福田基一等)在噪声 控制技术方面做了大量的理论和试验研究工作,为设 计和改进消声器提供了大量的数据及理论基础 J。 七十年代,Panicker分析了具有内插管膨胀腔的声学 解决高次模式波存在的问题,并且基本上是精确解。 其主用方法包括解析法、有限元法和边界元法。有限 元法在消声器声学性能研究中,主要解决内部声场的 特性 ]。八十年代,Peat从流体力学的基本方程出发 导出了直管段的四极子参数 J。1995年,H.Luoetal 传播特性和传递损失的计算问题。尽管有限元法被 普遍应用并取得了大量成果,但技术本身存在不可回 避的缺欠。因为有限元需要全域离散,导致问题的自 由度和原始信息量大,系统不稳定,收敛性差,并且有 限元将本身是连续的介质仅用在节点处连续的有限 研究了各种轴向部分穿孔插入管消声器的一维传递 矩阵理论模型,计算了其传声损失,此模型对于消声 器的设计具有指导作用。1997年,M.L.Munjal对插 入插出和侧面插入插出消声器进行了平面波分析,并 单元的集合来模拟,带来了离散误差。边界元法仅在 给出了传递矩阵 。 国内许多学者对消声器也进行了深入的研究。 1944年,蔡超等以消声器传递矩阵分析方法为基础, 给出了l2种拖拉机抗性消声器声学子结构的声传递 矩阵。同时以传递损失为评价指标,实验验证了两个 消声器的声学性能。1995年,Chao—NanWang研究了 边界上离散,降低了数值计算的维数,减少了自由度 降低了信息量,近年来在消声器性能研究上得以应 用。数值计算可以解决高次模式波的问题,较平面波 理论更真实地描述了消声器内部声场的实际情况,但 不可避免存在的问题:一是为了数值计算,切断了无 穷级数,在解决复杂结构或不对称腔时显得非常棘 穿孔插入式消声器的数值计算,克服了在管道开口端 边界条件难于确定的困难,进行了不同插入方式下空 气平均流量和穿孔率等消声器的消声量计算 。 1996年,王诗恩和高宗英用存在声源及气流时的一维 手;二是需要大量计算时间和高存储器的计算机。为 此,许多学者研究了高效的数值计算方法。Harari和 Magoules提出建立在最小二乘稳定下的针对标准 波动方程描述了抗性消声器中噪声的传播过程,建立 了抗性消声器插入损失模型,并应用于492Q汽油机 Galerkin有限元方法的一种更简单的修改方法。B. Venkatesham等在均一的边界条件下,利用矩形腔的格 林函数得到了矩形腔传递矩阵公式,解释了一维平面 理论所无法描述的受高次模式波影响的rI’L曲线。 的消声器的设计计算中。1998年,胡立臣用传递矩阵 法模拟计算消声器的插入损失,用以评价包括源阻抗 及尾管辐射阻抗在内的整个排气系统的声学特性,推 导出6种消声单元的传递矩阵,并应用于插入损失计 Munjal创建了一种用来计算简单膨胀腔的三维数值 计算的三点法。1984年,Rao&Munjal基于声波波动方 程利用退耦法得到四极子参数,计算了带有两个结构 单元的穿孔管消声器的消声量 。进入20世纪末, 算之中。同年,大连理工大学季振林等利用传递矩阵 和边界元法计算了整个消声系统的四极子参数,使用 双负载法和特征线法确定发动机声源阻抗与强度,实 现排气噪声和消声器插入损失的预测。1999年,华中 消声器理论研究又进入了一个新的高峰。1993年,Y. H.Kim和s.W.Kang建立在格林函数基础上,给出了 理工大学黄其柏研究了考虑非均匀流场的刚性直管 声场传递矩阵,通过将刚性直管沿轴向分成多个微 段,并假设每段内温度、气流的马赫数和声速保持不 具有任意出口与人口位置的圆形膨胀腔传递矩阵的 般公式¨ 。俄亥俄州大学的A.Selamet利用解析法 一和边界元法研究了双膨胀腔带内插管消声器的几何 结构尺寸对消声器性能的影响,包括中间挡板的位 置、消声器的总长和内插管的内径,并进行了试验验 证¨ 。加拿大多伦多大学的z.M.omid用三维有限 元法预测了简单消声器的传递损失,比较了和边界元 法预测结果的差别并试验验证【14]。日本秋田县立大 学的T.Tsuji采用有限元和边界元法研究了均匀空气 介质的单膨胀腔消声器的声压分布特性。 变的情况下,利用各微段间声压和体积速度的连续性 推导了声场传递矩阵。 以上的一维平面波模型是对消声器内部声场的近 似理论分析,在消声器截面几何尺寸较小且噪声频率 不太高(<1000Hz)的情况下,这种分析方法是适用 的。当遇到高频和复杂几何形状时,在消声器腔内存 20l0年10月 农机化研究 第10期 2有源消声器发展近况 限,即在有些发动机转速下消声性能很差,且气流在 通过扩张室以及穿孔板或穿孔管的小孔时局部受阻, 有源消声(Active Sound Attenuation)又称噪声主 表现为消声性能差,排气阻力大,导致发动机功率损 动控制(Active Noise Contro1),是指利用声波干涉原理 耗严重。有源消声理念先进,结构简单,能有效降低 在原噪声声场中人为引进次级声源,并使之实时产生 低频噪声且排气阻力小,但由于扬声器核传感器等自 与原噪声声波幅值相等而相位相反的次级抵消声波, 身固有的一些问题,使有源消声目前仅应用于管道消 通过该声波与原噪声声波在空间传播过程中的产生 声,不适用于柴油机排气消声器。 消声干涉现象来达到降低噪声的目的¨ 。1933年, 笔者所在课题组基于反相抵消的思想,研究了一 Paul Lueg提出了有源消声的思想并取得了专利。 种新型节能消声器。利用u型管将排气噪声对分、自 1953年,美国RCA公司研究了在室内管道内和耳机 反相,“原声源”与“反声源”组成偶极声源,保证“原 内进行噪声主动抵消的可行性,研制出被称为“电子 噪声”与“反噪声”幅值相同,相位相反,相互抵消而消 吸声器”的试验装置。上世纪七十年代,法国Jessel, 声。同时,两股气流形成对冲,减小了气流流速,从而 Mangiante和Canevet推导了三维空间有源消声算法; 使气流再生噪声降低。该原理如图2所示。 八十年代,英国南安普顿大学在封闭空间有源消声理 论研究和控制技术方面做了大量的研究。随着电子 技术的发展,有源消声在实际中的应用成为可能,并 /且成为噪声控制发展中最快的一支。上世纪末期,有 //± 。} ; …\、源消声被引入到发动机排气降噪中,简化了消声器结 …\、\\—— ljI—j 。 j』 一— 一 厂一 厂一一 ..... 构,提高了发动机功率,对低频噪音降噪效果显著。 Kim Heung—Seob等采用在发动机气缸体上安装加速 / 度传感器的方法获取噪声基频信号,采用信号处理技 图2反相抵消消声器原理简图 术,利用基频信号合成二阶谐频,对发动机排气基频 噪声及谐波噪声进行了实时控制。英国Essex大学的 将排气ILl看作是随时间作简谐振动的声源。为简 单起见,不妨设入射波为 。=B。sin(2 ),沿管道 Chaplin等人提出根据发动机转速同步脉冲信号和误 从左向右传播,在A点被分为'tO 和 两部分。 。通 差传感器传来的发动机排气管下游残余噪声信号,通 过长度为 。的管道到达 处, 通过长度为 。+2 过数字滤波和频道补偿后实时产生控制信号,驱动次 级生源产生抵消声波,达到实时消声的目的,并率先 到达c处。如果这两部分声波的传播路径差2,J:刚好 应用于柴油机低频信号的治理。有源消声可获得频 为半波长的奇数倍,则两列波到达B和C时相位刚好 域很宽的低频消声效果,且消声器结构简单管道畅 相反。设 。=Bl sin[2'rfr(t+ )], 2=B2sin[2-rrf(t+ 通,排气阻力小,功耗低。但是由于柴油机排气存在 气流强、温度高和腐蚀性强等特点,用人工模拟的次 ), Jl+W2 sin[2,rrf( + + 声源干扰原噪声在实际应用中难度很大。 B2sin E2 ̄f(t+ E2 ̄f( + + 3反相抵消消声器原理 B2sin[2 + )+2,nf2L2] ̄2,rrf2L 2-(2。:凡一 传统的排气抗性消声器主要采用截面突变或共振 。的设计方法,利用声抗性原理,将沿管道传播的声波 1)竹,则彬。+ =( 一B2)sin[2"rfr(t+ )]。 反射回去或进入共振腔将声能转化为热能,进而实现 声波的过滤。在消声性能的计算方法上大体分为两 这种原理不仅可使排气噪声在B,C及D,E处反 种:一是基于平面波波动方程,利用在截面处声压和 相抵消,且充分利用废气的相对冲击,有效地降低了 质点振动速度的连续性来建立消声量的计算模型;二 气流流速。由M.Lighthill理论可知,排气噪声声功率 是利用数值计算的方法模拟高次模式波存在时的声 M ,因此降低流速可降低气流噪声。同时,阻力损 场分布特性,在结构设计上大体采用扩张室、内插管、 失也是评价消声器的重要参数。阻力损失与流速的 旁支管、穿孔管、穿孔板等结构单元或是不同结构单 平方成正比,因此降低气流流速可降低排气背压,降 元的优化组合。由于扩张室和穿孔管的消声频段有 低发动机的功率损耗。 20l0年10月 农机化研究 Applied Acoustics,1995,44:99—1 19. 第10期 4 结论 排气消声器的设计既要考虑消声量又要兼顾排气 [8] M.L.Munj1.plaane wave analysis of side inlet/out chamber muflfer with men falow[J].Applied Acoustics,1997,52 (2):165—175. 阻力。传统的无源消声器在设计上多采用穿孔管和 穿孔板等结构,增大了排气阻力 降低了发动机功率。 有源消声理念先进、结构简单、功耗小,但由于柴油机 排气温度高、气流强、腐蚀性大,而不适合采用有源消 声。反相抵消排气消声器利用声波和气流反相抵消 的原理,可有效地消除噪声,且降低了气流流速,减少 了排气阻力。 [9] 蔡超,宫镇,赵剑.拖拉机抗性消声器声学子结构声传递 矩阵研究[J].农业机械学报,1994,25(2):65—7I. 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Review of Exhaust Muffler of Diesel Engine Shao Yingli ,Hou Zhanfeng ,Zhao Zhiwen ,Wu Pei (1.College of Mechanical and Electircal Engineering,Inner Mongolai Agricultural University,Hohhot 0 1 00 1 8,China; 2.Department of Statistics Mathematics,Inner Mongolia Finance and Economics College,Hohhot 010051,China) Abstract:Exhaust noise is the greatest noise of diesel engine.Mufler ifs the most simple and effective way in controlling the exhaust noise.At present,there are two methods to control the engine exhaust noise,one is passive control method, the other is active control method.In this paper,the development on design and research methods of muffler has been re- viewed.and a new principle of muffler was proposed utilizing cancellation of two split out—of—phase noise copies. Key words:diesel engine;muffler;out—of—phase cancellation;acoustic performance ・202・