拖拉機單缸柴油機原始噪聲特性分析

李 威，武 佩

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

0 引言

21世紀以來，隨著工農業的快速發展，我國柴油機保有量呈現持續增長態勢。作為主要動力源，柴油機具有熱效率高、能量利用率好、經濟性能好等優點[1]，在工農業領域有著不可替代的作用。柴油機應用帶來便利的同時，其噪聲污染問題卻一直困擾著人們，嚴重的噪聲污染對工作人員的身心健康造成了很大危害。如果長時間處在較強烈的噪聲下，工作人員會感到頭暈目眩和心情煩躁，嚴重的可能會導致噪聲性耳聾和冠心病等心腦血管疾病[2]。噪聲污染問題已經成為影響人們生活和威脅身心健康的一大因素，噪聲問題也成為目前熱點性話題，對降低柴油機噪聲的研究也一直是內燃機行業重要的研究課題。

隨著技術的不斷發展，為了追求更好的動力性，柴油機的功率不斷提高，振動與噪聲問題也相應更加突出[3]，政府出臺了相關的噪聲限制法規，對柴油機最高噪聲的限制要求更加嚴苛。柴油機噪聲源分為兩類：表面輻射噪聲和空氣動力噪聲。表面輻射噪聲是由柴油發動機中的燃料猛烈燃燒以及相關運動部件之間的機械沖擊引起的，經機體表面向外界輻射的噪聲，主要包括燃燒噪聲和機械噪聲；空氣動力性噪聲主要包括進氣噪聲、排氣噪聲和風扇噪聲，主要是柴油機在進、排氣和風扇旋轉時，由于空氣不斷壓縮和膨脹而產生的噪聲，這部分噪聲可以直接輻射到周圍的空氣中[4]。相關研究表明，排氣噪聲是柴油機的主要噪聲源，因此降低柴油機的排氣噪聲具有決定性的意義。在工程實際中，降低排氣噪聲簡單有效的途徑就是安裝排氣消聲器[5]，消聲器的研究和設計隨著柴油機的廣泛應用也在快速發展。

消聲器的種類很多，根據消聲原理和內部結構的不同，可將其大致分為阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復合式消聲器。由于抗性消聲器具有低頻降噪效果好、結構簡單、空間利用率高、耐腐蝕、使用壽命高等優點，能很好適應柴油機排氣的溫度高、腐蝕性強的特點，而柴油機排氣噪聲頻譜主要呈低頻特性[6]，因此柴油機排氣消聲器通常選用抗性消聲器。抗性消聲器主要是通過管道內部結構的突變，使聲波在傳播時引起聲阻抗的改變，引起聲波在傳播過程中方向不斷變化，發生反射或干涉，消耗向外傳播的聲能，達到降低噪聲的目的，不同柴油機的噪聲頻譜不同，選擇合適的消聲器首先要明確柴油機的原始噪聲頻率特性。

1 單缸柴油機原始噪聲特性分析

1.1 單缸柴油機參數

針對江蘇常工動力機械有限公司生產的CG25型單缸柴油機進行排氣噪聲研究和測試，此柴油機主要技術參數如表1所示。

表1 CG25單缸柴油機技術參數表

1.2 單缸柴油機排氣噪聲測試

測試過程嚴格遵循GB/T25516-2010/ISO7235：2003《聲學管道消聲器和風道末端單元的實驗室測量方法—插入損失、氣流噪聲和全壓損失》和GB/T4759-2009《內燃機排氣消聲器測量方法》的要求執行。

CG25型單缸柴油機原始排氣噪聲測試過程如下。

(1)試驗場地選取內蒙古農業大學工科樓東側停車場，確保測試過程周圍10 m內無反射物，減小反射噪聲對排氣噪聲測試值的影響，排氣噪聲測試值與背景噪聲聲壓級之差大于15 dB以上。

(2)將柴油機放置于試驗場地，拆除原裝排氣消聲器，安裝代替直管，代替直管的管徑和長度與原機消聲器相同。柴油機與代替直管中間放置隔聲板，以減少柴油機其他零部件噪聲對排氣噪聲測試值的影響。

(3)測點位置在與代替直管管口軸向成45°方向上，距離排氣管口中心0.8 m處，采用BK2250型聲級計記錄排氣噪聲信號，該聲級計可直接測得聲壓級，并且可以直接實現1/3倍頻程頻譜測試，存儲數據簡單方便，有利于做詳細的噪聲頻譜分析。測試前用4231型校準器對該聲級計做校準處理。將聲級計放于測點，傳聲器朝向排氣管口。

(4)啟動CG25型單缸柴油機，穩定運轉10 min后，使Victor 6236P型數字轉速表前端轉速傳感器與柴油機飛輪中心同軸轉動，改變調速器調速按鈕位置控制柴油機轉速，轉速表顯示的轉速即為柴油機轉速。柴油機轉速分別在750 r·min-1、1 500 r·min-1、2 200 r·min-1下各運轉5 min后，使用聲級計記錄該柴油機的排氣噪聲數據，進行兩次試驗，測量結果取平均值，測量時采樣頻率取5 000 Hz。

2 單缸柴油機消聲頻帶分析

當柴油機汽缸在排氣沖程階段，排氣門打開，汽缸中的壓力高于大氣壓，并且高速高壓的廢氣迅速從汽缸中排出，沖擊排氣門周圍的氣體，汽缸周圍氣體發生壓力波動，產生排氣壓力脈動噪聲。單缸柴油機的排氣沖程都是按照發動機的配氣相位周而復始運動，因此柴油機具有周期性的排氣噪聲，并且可以根據計算公式獲得噪聲的基頻。計算公式為

f=nZ/60τ

式中：n為柴油機轉速，單位r·min-1；Z為柴油機氣缸數；τ為柴油機沖程系數。

由于柴油機通常在額定轉速下工作，因此重點分析額定轉速下排氣噪聲頻譜，在額定轉速下測得柴油機排氣速度不超過34 m·s-1。

CG25型單缸柴油機額定轉速n=2 200 r·min-1時，由公式計算得到此轉速下排氣噪聲的基頻f=18.33 Hz。額定轉速2 200 r·min-1排氣噪聲頻譜如圖1所示，可以看出2 200 r·min-1轉速下噪聲的峰值為113.02 dB，對應的頻率為118.8 Hz，因此額定轉速下應當重點控制118.8 Hz處的噪聲。

圖1 額定轉速2 200 r·min-1排氣噪聲頻譜圖

3 結論

CG25型單缸柴油機的排氣噪聲主要為低頻段的噪聲，排氣噪聲較高峰值主要集中500 Hz以內。此柴油機的目標消聲頻段為500 Hz以內的低頻區，重點控制500 Hz以內的噪聲，此柴油機應選擇低頻降噪效果好，結構簡單，耐腐蝕強的抗性消聲器，以有效降低噪聲污染。