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-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84m2/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:L =.144f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,-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- -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:In =101g-...cos- H,+-(m+- -sin2 k,cos? H。.cos' K。' 4m式中m为扩张比k为波数其值为2πff为频率p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。

从图2可以看出,在简单扩张腔内插入内插管时-方面增大了有效消声频段内的消声量另-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。

该种消声器中高频段上消声量不足为了弥补这-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-个为1#,-个为2#。

2.11# 消声器外壳尺寸为中210>x264mm采用三腔回流结构第三腔设计为最长腔-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( mm?)进口管流通面积为48rπ/4=576π(mm2)穿孔流通面积大于进口管流通面积。

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。