對柴油機排氣消聲器的設計優化

謝能金

摘要：正是因為柴油機本身具有較高的熱效率，因此被廣泛應用到各個行業之中，但是也因為柴油機工作相對較為粗暴，噪聲較大，所以如何進一步降低柴油機的噪聲問題儼然已經成為最為棘手的問題所在。尤其是消聲器設計的好壞會直接影響到柴油機的排氣噪聲大小。基于此本文筆者即結合相關參考文獻，就柴油機排氣消聲器進行優化設計，以此進一步降低柴油機的噪聲問題。

關鍵詞：柴油機;消聲器;結構設計;設計優化

前言：

柴油機排氣消聲器設計工作本身就是一項極為復雜的系統性工程，其設計好壞不僅會直接影響到整個柴油機排氣噪聲大小，同時還會對消聲器本身的機構性能造成一定的影響。所以進一步優化柴油機排氣消聲器設計，以此降低柴油機排氣噪聲則尤為重要。為此以下筆者即以CBTK00型柴油機為例展開粗淺的探討，以期能夠進一步提高消費者在使用柴油機過程中的舒適度。

1.消聲器的結構設計

第一，確定氣流流通面積。在設計消聲器的過程中，合理的控制消聲器中的氣流速度，盡可能的降低氣流對消聲效果所帶來的影響，對氣流的再生噪聲有著十分積極的抑制作用。因此氣流速度的控制是消聲器結構設計中一個十分關鍵的參數所在。通常情況增大管道流通面積雖然能夠減少氣流速度，但是卻會導致消聲器夸張比減小。所以，在綜合的考慮氣流速度與擴張比的前提下，可以將消聲器內部氣流速度控制在40～60m/s范圍內。因為CBTK00柴油機的排氣消聲器，其進口直徑為60mm，截面積為2826mm2，并且因為消聲器的內部有穿孔板和穿孔管的存在，流通面積為1865m2，這也就是消聲器內部的有效的流通面積。本次設計中CBTK00柴油機的實際進氣流量為84m3/h，消聲器內的排氣流速為41m/s，其流通面積則應該為1865m2。

第二，選擇消聲器的腔數與腔長。對于消聲器而言，想要獲得較好的高頻消聲效果必須要增加腔數，這樣不僅會造成低頻消聲效果相對較差，還會進一步增加制造與加工成本。而如若想要獲得較好的低頻消聲效果而減少腔數，又會造成高頻消聲效果較差。所以在綜合考量CBTK00型柴油機的排氣噪聲頻譜特性以后，將消聲器均勻的分割成為2到3個腔最為適宜。此外，當消聲器各個腔體內部的消聲峰值和排氣噪聲主要峰值相同時，消聲器的效益效果最佳，所以通過排氣噪聲頻譜特性還可以確定各個腔的長度。需要注意的是因為消聲器的第一腔對高速氣流具有緩沖作用，所以將第一腔設計為最長腔的做法最為常見。當然因為消聲器最后一腔的氣流的平均溫度上最低，所以在新方案中也可以將最后一腔設計成為最長腔。

第三，選擇消聲元件。確定好消聲器的腔數與各腔長度以后，可以直接采取在隔板上開孔的方法對各個腔體進行連接，也可以采取內插管連接方法。而選擇內插管的方式既可能增大有效消聲頻段內的消聲量，也能夠減少大部分的通過頻率，有效提高擴張腔內的消音性能。所以，在CBTK00型柴油機的排氣消聲器腔體之間使用內插管連接最為適宜。此外為了彌補這種消聲器在高頻段上存在的消聲量不足這一問題，可以使用穿孔消聲元件。

2.消聲器設計優化方案

基于上述消聲器結構設計內容，我們可以清楚的看到對消聲器消聲性能造成較大影響的具體參數，進而以此為切入點，設計出兩種消聲器，分比為1#，2#。

1#消聲器的外殼尺寸為Φ210×264mm，采用的是三腔回流結構，最長腔為第三腔，一二腔之間使用穿孔板，出口管則采取穿孔管結構。在穿孔管與穿孔板之間布置66個Φ6小孔，流通面積為594π（mm2），進口流通面積為576π（mm2）并小于穿孔流通面積。可采取擴大容積、增加腔數、采用內插管的方式進行改進。具體而言可以將殼體的直徑加大至210mm，長度加大至268mm，從而進一步增大了容積比與擴張比。

2#消聲器依舊采取原有直徑與長度，173mm、264mm。采取帶有穿孔管的回流結構作為消聲器的內部結構。同時為了獲得更加良好的消聲效果，進出口管均可使用穿孔管。腔內部的四根流通管直徑為34mm，流通面積為578π。此外為了方便打孔以及孔的布置，應將進氣口直徑改為60mm，小孔直徑為5mm，進氣管布置96個孔，流通面積為600π，排氣管出口同樣布置96個孔。

3.試驗驗證

通過對CBTK00型柴油機九點聲壓級的實驗測量，計算整機的聲功率級，對新型消聲器的消聲性能加以考察，具體如表1所示。

從表1中我們可以清楚的看到，1#消聲器雖然具有較好的消聲效果與油耗性能，但是因為體積相對較大，所以在安裝、生產方面會產生一定的影響，成本會被進一步加大。

而2#消聲器雖然體積較小，適合于批量生產，但是在消聲效果與油耗性能上則稍顯遜色，想要達到國家標準的整機噪聲水平需要對發動機的其他部件進行改進。

從整體的試驗研究來看，尺寸相對較小的消聲器更加適合工廠的大批量生產，值得進行深層次的研究與論證。

參考文獻：

[1]周建國.柴油機排氣噪聲的產生機理及排氣消聲器設計[J].山東交通學院學報，2002（04）.

[2]邵穎麗，武佩，韓寶生，馬彥華，趙志文.反相對沖柴油機排氣消聲器聲學特性[J].內燃機學報，2012（01）.

[3]許曉光，高希彥，楊德勝，姜福春，孫佰超.一種新型排氣消聲器試驗研究[J].大連理工大學學報，2002（05）.

[4]張新玉，趙振宇，季振林，王芝秋.提高柴油機排氣消聲器消聲性能的試驗研究[J].船舶工程，2003（06）.