通用小型汽油機(jī)用排氣消聲器噪聲優(yōu)化分析

沈海青，洪 洋

(臺州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 臺州 318020)

0 引言

根據(jù)JB/T 11653—2013《通用小型汽油機(jī)產(chǎn)品名稱和型號編制規(guī)則》對于通用小型汽油機(jī)的定義：用于非道路移動機(jī)械的點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)，所使用的燃料不限于汽油，額定功率不大于30 kW[1]。小型通用汽油機(jī)因結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、技術(shù)含量低、價(jià)格便宜等優(yōu)勢，有著廣泛的應(yīng)用，配套機(jī)械產(chǎn)品豐富多樣，可用于發(fā)電機(jī)、園林機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工業(yè)機(jī)械、休閑娛樂機(jī)械等產(chǎn)品中[2]。

經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，中國通用汽油機(jī)產(chǎn)量在2019年達(dá)到了2 680萬臺，約占全球產(chǎn)量的40%，成為世界第一大通用小型汽油機(jī)生產(chǎn)國。由于國內(nèi)對于通用小型汽油機(jī)的配套機(jī)械需求相對較低，產(chǎn)品基本上用于出口。出口的地區(qū)主要有北美、歐洲、東南亞、非洲和南美等地區(qū)。

雖然我國的通機(jī)產(chǎn)品產(chǎn)銷規(guī)模達(dá)到了世界第一，但在技術(shù)水平、創(chuàng)新能力與日本、歐美等發(fā)達(dá)國家相比存在比較大差距。由于出口產(chǎn)品的價(jià)格不高，其噪聲振動較大，隨著世界各國對于通機(jī)終端設(shè)備的噪聲排放進(jìn)行限值，研究設(shè)計(jì)高效的通機(jī)排氣消聲器很有必要。

1 消聲器的設(shè)計(jì)要求

消聲器的設(shè)計(jì)要素主要有聲學(xué)特性要求、空氣動力學(xué)要求、機(jī)械和材料要求、容積要求、成本要求等方面考慮。按照聲學(xué)特性要求，消聲器的目的是減少聲能的傳遞，如傳遞損失、噪聲降低量和插入損失，通常用聲壓級和頻譜進(jìn)行分析。按照空氣動力學(xué)要求，消聲器兩側(cè)的壓力相差很大，氣流阻力也會增加，發(fā)動機(jī)的功率會明顯損失，通常用排氣背壓靜壓或動壓進(jìn)行分析。按照機(jī)械和材料要求，排氣系統(tǒng)溫度很高，材料在高溫氣體環(huán)境中很容易腐蝕；消聲器制造材料主要采用薄板，受到機(jī)械振動和氣流沖擊，很容易產(chǎn)生輻射噪聲；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇方面必須滿足一定的剛度和強(qiáng)度要求。按照容積要求，如果消聲效果達(dá)到良好，消聲器的容積要做得越大越好，但是排氣系統(tǒng)能夠安裝的空間非常有限，往往是在限定的空間內(nèi)來設(shè)計(jì)消聲器。除了上述要求外，消聲器設(shè)計(jì)還要考慮腔體數(shù)、穿孔管穿孔率、穿擋板設(shè)計(jì)、擋板位置、內(nèi)插管位置及插入量、吸聲材料材質(zhì)厚度位置等要求，目前，已經(jīng)利用仿真軟件對氣流、噪聲等動力學(xué)特性進(jìn)行了研究，取得了一定效果[4]。

本文針對某公司的168F小型通用汽油機(jī)進(jìn)行排氣消聲器噪聲優(yōu)化分析。其主要技術(shù)參數(shù)：缸徑68 mm；行程54 mm；排量196 mL；標(biāo)定功率及轉(zhuǎn)速3.6 kW/3 600 r·min-1；最大扭矩及轉(zhuǎn)速10.7 N·m/2 500 r·min-1；壓縮比8.5∶1。

1.1 排氣管徑的設(shè)計(jì)

為了降低消聲器的排氣氣流發(fā)生的噪聲和阻力損失，使消聲器有良好的消聲效果，要將消聲器和管道中的氣體流速降低。對于發(fā)動機(jī)消聲器中的廢氣流動速度，一般控制在50～60 m·s-1之間。可根據(jù)發(fā)動機(jī)排量初步計(jì)算確定排氣管直徑

(1)

式中D—排氣管徑，m；

Q—發(fā)動機(jī)排氣流量，m3；

v—排氣氣流速度，m·s-1。

1.2 消聲器容積的設(shè)計(jì)

通常情況下，消聲器容積越大，越能取得好的消聲效果。消聲器容積決定著排氣噪聲的水平。要達(dá)到良好的消聲效果，消聲器容積至少是發(fā)動機(jī)排量的10～20倍。

1)《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊》中消聲器容積的計(jì)算

(2)

式中V—消聲器容積，L；

n—發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1；

T—沖程數(shù)；

i—?dú)飧讛?shù)；

Vh—發(fā)動機(jī)單缸排量，L；

Ku—發(fā)動機(jī)用途系數(shù)，取1 000～5 000。

2)Dean G．Thomas推薦的消聲器容積計(jì)算公式[5]

(3)

式中V—消聲器容積，L；

n—發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1；

T—沖程數(shù)；

i—汽缸數(shù)；

Vh—發(fā)動機(jī)排量，L；

Q—消聲器類型系數(shù)；取2～6。

3)根據(jù)林輝江對排氣消聲器容積的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法[6-7]

V=CKiKτKtKnKεVh

(4)

式中V—消聲器容積，L；

C—經(jīng)驗(yàn)常數(shù),根據(jù)消聲器類型取C=2；

Kτ—發(fā)動機(jī)沖程修正系數(shù)，二沖程為2，四沖程為1；

Kt—消聲器應(yīng)用于不同類型內(nèi)燃機(jī)的修正系數(shù),非增壓柴油機(jī)Kt=1,非增壓汽油機(jī)Kt=0.98；

Kn—發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速修訂系數(shù)，Kn=0.7×10-4nb(nb為發(fā)動機(jī)標(biāo)定功率的轉(zhuǎn)速)；

Vh—發(fā)動機(jī)的排量，L。

根據(jù)168F發(fā)動機(jī)的技術(shù)參數(shù)，代入公式(4)計(jì)算消聲器的容積得，V≈0.58 m3。

因此，消聲器的容積確定為0.58 m3。

2 消聲器的流場分析

本文針對168F小型通用汽油機(jī)進(jìn)行流場分析利用國際流行的流體力學(xué)計(jì)算軟件Fluent對消聲器的空氣動力性能進(jìn)行分析。

2.1 網(wǎng)絡(luò)劃分

使用SolidWorks三維制圖軟件建立幾何模型，并將模型導(dǎo)入到ANSA軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對某公司正在使用的一款消聲器進(jìn)行3D建模和網(wǎng)格劃分，并對原消聲器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款方案，劃分好的網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 消聲器網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)圖

2.2 邊界條件設(shè)置

在Fluent軟件仿真計(jì)算過程中，其相關(guān)邊界條件設(shè)置如下。

1)輸入條件： 缸徑 68 mm；排量169 mL； 最大轉(zhuǎn)速 3 600 r·min-1；

2)進(jìn)氣條件：進(jìn)氣流量11 kg·h-1；進(jìn)氣溫度T=100 ℃；

3)出口條件： 0 kPa。

2.3 參數(shù)設(shè)置

消聲器的最大流量根據(jù)《汽車工程手冊》最大進(jìn)氣流量的計(jì)算公式

(5)

式中Qmax—最大空氣體積流量，m3·min-1；

Vd—發(fā)動機(jī)總排量，L；

Smax—發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速，r·min-1；

Ve—充氣效率，當(dāng)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速0～2 500 r·min-1時(shí)，Ve=0.8;當(dāng)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速2 500～3 500 r·min-1時(shí)，Ve=0.75;當(dāng)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速3 500 r·min-1以上時(shí)，Ve=0.70;

Ks—常數(shù)，二沖程發(fā)動機(jī)，Ks=1 000; 四沖程發(fā)動機(jī)，Ks=2 000。

根據(jù)168F發(fā)動機(jī)的技術(shù)參數(shù)，計(jì)算出消聲器的最大進(jìn)氣流量Qmax=0.247 m3。

2.4 仿真計(jì)算結(jié)果與分析

2.4.1 消聲器流體速度分布圖

圖2是經(jīng)過仿真計(jì)算后原消聲器和優(yōu)化后消聲器的流體跡線圖，從圖中可以看到，原消聲器的流速比較高，出現(xiàn)了明顯的氣流旋渦；經(jīng)過優(yōu)化后的消聲器氣流速度分布較為均勻，沒有比較高的流速，氣流渦旋也沒有出現(xiàn)。

圖2 消聲器流體跡線圖

2.5.1 消聲器噪聲場分布圖

圖3是經(jīng)過Fluent軟件仿真計(jì)算后得到的噪聲分布圖，噪聲分布圖上可以看到，168F通用小型汽油機(jī)原排氣消聲器出口處的噪聲值在81～82 dB(A)左右，經(jīng)過優(yōu)化后的噪聲值在65～68 dB(A)左右，有較大的改善。

圖3 消聲器噪聲分布圖

3 結(jié)論

從流線圖和噪音分布來看，原消聲器在進(jìn)出氣端的有蓋設(shè)計(jì)使氣體無法有效流動，大幅度增加了壓力差和噪音值，新方案在取消蓋設(shè)計(jì)后在壓力差和噪音值上均有明顯改善。優(yōu)化后的消聲器較原方案無論在壓力差還是噪音方面均有明顯提升，但仍需通過試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，同時(shí)考慮加工成本，選擇最優(yōu)方案。