【文章內(nèi)容簡介】 多，因而改善了排氣系統(tǒng)中的氣流脈動。3) 渦輪增壓對排氣噪聲的影響采用渦輪增壓后，由于氣門開啟瞬間所產(chǎn)生的噪聲通過渦輪機之后，其能量將有很大衰減，再自渦輪機排氣口排出時噪聲將明顯降低。這是非增壓四沖程機明顯的低頻部分的基頻噪聲消失了，而渦輪機本身所具有的高頻渦流噪聲仍然具有較高的噪聲。1) 從噪聲源本身采取措施這需要從噪聲源機理分析入手，采取相應(yīng)的對策，但這些措施往往又要涉及到排氣系統(tǒng)，如凸輪軸、氣門機構(gòu)以及氣缸蓋的設(shè)計，而這些又要影響到內(nèi)燃機其他方面的性能，因而需要綜合考慮并進行大量的試驗研究。主要工作集中在不改變發(fā)動機性能和排氣系統(tǒng)不做大的改變的情況下，采取一些措施來降低聲源噪聲“諸如：改變排氣歧管的布置，使吹過管口的氣流方向與該管的軸線方向夾角保持在最不易策動該管發(fā)生共振的角度范圍內(nèi)；合理設(shè)計各支管的長度，使管的聲共振頻率錯開，使各排氣支管管口及各管之間連接處都有較大的過渡圓角，減小界面突變，避免管口存在尖銳的邊緣，以減弱聲共振作用；提高排氣門桿、氣門歧管和排氣道內(nèi)壁面的光潔度，以減小紊流附面層中的渦流強度；在保證排氣門剛度和強度的條件下，盡可能地減小排氣門桿直徑，等等。2) 從噪聲源外圍采取措施 噪聲減振措施包括采用消聲器和控制由發(fā)動機排氣歧管傳來地機械振動，這些措施的采用不影響發(fā)動機的性能，又比較容易實現(xiàn)，其中最主要、最有效、最簡單的是采用排氣消聲器。①隔離排氣歧管傳遞的振動隔振是一種有效的降低噪聲的方法。將軟彈性管裝在排氣歧管和前排氣管之間，以便隔離由排氣歧管傳來的振動②用消聲器消聲現(xiàn)在用得最普遍的方法是安裝消聲器消聲，消聲器消聲與其它消聲方法相比更具有針對性，它可針對峰值頻段制定消聲策略，其實際效果也隨著消聲器設(shè)計技術(shù)的發(fā)展而最為顯著，這也正是本文所研究的主要內(nèi)容。第3章 汽車排氣系統(tǒng)消聲器的開發(fā)設(shè)計 消聲器的基本工作原理汽車消音器的原理就是其排氣管是由兩個長度不同的管道構(gòu)成，這兩個管道先分開再交匯。由于兩個管道的的長度差值等于汽車所發(fā)出的聲波 圖31 汽車消聲器波長的一半，使得兩列聲波在疊加時發(fā)生干涉時相互抵消而減弱聲強，使聲音減小，從而起到消音的效果。 阻性消聲器主要是利用多孔吸聲材料來降低噪聲的。把吸聲材料固定在氣流通道的內(nèi)壁上或按照一定方式在管道中排列，就構(gòu)成了阻性消聲器。當(dāng)聲波進入阻性消聲器時，一部分聲能在多孔材料的孔隙中摩擦而轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉，使通過消聲器的聲波減弱。阻性消聲器就好象電學(xué)上的純電阻電路，吸聲材料類似于電阻。因此，人們就把這種消聲器稱為阻性消聲器。阻性消聲器對中高頻消聲效果好、對低頻消聲效果較差。 抗性消聲器是由突變界面的管和室組合而成的，好象是一個聲學(xué)濾波器，與電學(xué)濾波器相似，每一個帶管的小室是濾波器的一個網(wǎng)孔，管中的空氣質(zhì)量相當(dāng)于電學(xué)上的電感和電阻，稱為聲質(zhì)量和聲阻。小室中的空氣體積相當(dāng)于電學(xué)上的電容，稱為聲順。與電學(xué)濾波器類似，每一個帶管的小室都有自己的固有頻率。當(dāng)包含有各種頻率成分的聲波進入第一個短管時，只有在第一個網(wǎng)孔固有頻率附近的某些頻率的聲波才能通過網(wǎng)孔到達(dá)第二個短管口，而另外一些頻率的聲波則不可能通過網(wǎng)孔．只能在小室中來回反射，因此，我們稱這種對聲波有濾波功能的結(jié)構(gòu)為聲學(xué)濾波器。選取適當(dāng)?shù)墓芎褪疫M行組合．就可以濾掉某些頻率成分的噪聲，從而達(dá)到消聲的目的?？剐韵暺鬟m用于消除中、低頻噪聲。 把阻性結(jié)構(gòu)和抗性結(jié)構(gòu)按照一定的方式組合起來，就構(gòu)成了阻抗復(fù)合式消聲器。微穿孔板消聲器一般是用厚度小于1mm的純金屬薄板制作，在薄板上用孔徑小于1mm的鉆頭穿孔，穿孔率為1%一3%。選擇不同的穿孔率和板厚不同的腔深，就可以控制消聲器的頻譜性能，使其在需要的頻率范圍內(nèi)獲得良好的消聲效果。小孔消聲器的結(jié)構(gòu)是一根末端封閉的直管，管壁上鉆有很多小孔。小孔消聲器的原理是以噴氣噪聲的頻譜為依據(jù)的，如果保持噴口的總面積不變而用很多小噴口來代替，當(dāng)氣流經(jīng)過小孔時、噴氣噪聲的頻譜就會移向高頻或超高頻，使頻譜中的可聽聲成分明顯降低，從而減少對人的干擾和傷害。有源消聲器的基本原理是在原來的聲場中，利用電子設(shè)備再產(chǎn)生一個與原來的聲壓大小相等、相位相反的聲波，使其在一定范圍內(nèi)與原來的聲場相抵消。這種消聲器是一套儀器裝置，主要由傳聲器、放大器、相移裝置、功率放大器和揚聲器等組成。內(nèi)燃機工作時，廢氣以脈沖的形式從排氣縫隙中噴出，產(chǎn)生能量很高、頻譜很復(fù)雜的噪聲。這種噪聲呈現(xiàn)出明顯的寬頻帶特征，隨著內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)、種類以及內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速等的不同，將會有不同形狀的頻譜。內(nèi)燃機的排氣噪聲一方面通過氣道內(nèi)的氣體傳播，另一方面激勵氣道壁振動，產(chǎn)生二次噪聲。排氣噪聲的組成主要分為：低頻脈動噪聲、排氣管道內(nèi)的氣柱噪聲、氣缸的赫爾姆霍茨共振噪聲、高速氣流在通過排氣門環(huán)隙及曲折的管道時所產(chǎn)生的噴注噪聲、渦流噪聲以及排氣系統(tǒng)在管內(nèi)壓力波激勵下所產(chǎn)生的再生噪聲形成連續(xù)性高頻噪聲。16汽車的排氣噪聲呈明顯的低頻性，能量主要集中在基頻及其倍頻的范圍內(nèi)；中頻范圍主要是排氣管內(nèi)氣柱震蕩的固有噪聲；高頻范圍內(nèi)主要包括燃燒噪聲和氣流通過其口的空氣動力噪聲，頻率在 I000Hz 以上，并且隨氣流速度增加，頻率顯著提高。大量實驗表明，排氣噪聲的強弱與內(nèi)燃機的類型、排量、功率、轉(zhuǎn)速、平均有效壓力和排氣口的面積直接相關(guān)，且氣噪聲隨排量、轉(zhuǎn)速、功率、平均有效壓力的增加而提高。內(nèi)燃機周期性燃燒過程和進、排氣門開閉時所產(chǎn)生的低頻脈動沖擊噪聲的基頻及其諧波頻率： （31） 式中 N為內(nèi)燃機主軸轉(zhuǎn)速；i為氣缸數(shù)。k為諧波序數(shù)；τ為沖程系數(shù)，對于二沖程 τ=1 ，四沖程τ= 2。 由于汽車排氣消聲器需要在不同負(fù)荷、不同轉(zhuǎn)速下工作，這就要求排氣消聲器在不同溫度、流速下，在寬頻帶范圍具有較高的消聲值，包括排氣噪聲、發(fā)動機噪聲、犧牲發(fā)動機功率和增加成本，并不能進一步降低整車噪聲..反之， 消聲器的消聲量過小， 排氣噪聲仍是主要噪聲源，表 。 車輛類型(A)功率損失比.%摩托車20~255載重汽車20~255工程車輛15~305大中型客車25~305小轎車30~405按照消聲機理不同，可將消聲器分為阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復(fù)合式消聲器三大類：阻性消聲器主要利用吸聲材料增大聲阻來消聲，具有良好的中、高頻消聲效果；抗性消聲器則是利用管道截面突變、旁支管和共振腔等造成聲傳播時阻抗失配(主要是聲抗)，從而達(dá)到消聲的目的，具有良好的低、中頻消聲效果；阻抗復(fù)合型消聲器是綜合上述兩種消聲器的特點制成的,即將擴張室、共振腔和吸聲材料組合在一起構(gòu)成消聲器，兼有阻性和抗性的作用，在很寬的頻率范圍內(nèi)都有良好的消聲性能。從對汽車排氣消聲器的要求來看，采用抗性消聲器最為合適，因為它是全金屬結(jié)構(gòu)，機構(gòu)簡單、能耐高溫、耐腐蝕、耐氣流沖擊，成本低、壽命長。為了彌補其高頻消聲效果差的缺陷，往往需要采用如穿孔板或多級組合等對高頻消聲效果較好的結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計的消聲器為擴張式和共振式組合的抗性消聲器。、出氣管內(nèi)徑、的確定消聲器進、出口管的直徑直接影響排氣管氣流的流速，消聲器的擴張比以及消聲器的功率損失等。消聲器進、出口管的直徑不得小于內(nèi)燃機排氣管出口或排氣道口的直徑，否則將因排氣背壓增高，引起功率損失增加，同時易產(chǎn)生高速氣流而高速氣流容易激發(fā)再生噪聲，從而影響消聲器的實際消聲效果；消聲器進、出口管的直徑也不宜過大，否則將會降低擴張比 m，從而降低消聲器的消聲量。一般,消聲器前插入管的氣流速度可取 v=60~90m/s。 初步選擇進氣管氣流平均流速，再根據(jù)如下公式確定排氣管截面積 （32）式中v為排氣流速；為 取決于排氣溫度的系數(shù)，通常取 1～2之間；n為內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速；為內(nèi)燃機總排量；τ為沖程數(shù)；為排氣管截面積。由公式 33確定進排氣管的直徑 。 （33）綜合比較內(nèi)燃機排氣管出口或排氣道口的直徑和上述公式計算確定的結(jié)果，最終確定消聲器的進、出口直徑。1) 消聲器容積的確定消聲器容積合理的選擇方法應(yīng)是在使用條件允許的情況下，盡量取大的容積為宜。因為容積增大，有助于降低下限失效頻率，增加消聲效果，減小阻力損，增大對脈動氣流的緩沖作用。而容積太小會引起內(nèi)燃機功率損失的增加， 消聲效果下降。但是消聲器尺寸的大小，要受其安裝位置、生產(chǎn)成本等的約束。目前一般是根據(jù)發(fā)動機排量的大小來確定其尺寸。為了估算消聲器容積 Ve的大小,一般有一下三種計算公式。① (34)式中，K 為常數(shù)，用于城市及公路貨車,K=35000，用于客車及轎車,K=50000； 為內(nèi)燃機排量；n為內(nèi)燃機標(biāo)定轉(zhuǎn)速, rpm ，N 為內(nèi)燃機氣缸數(shù)。② 美國 Ne1Son公司推薦的經(jīng)驗公式如下來進行估算： (35)式中， 為發(fā)動機排量(L)。 n為發(fā)動機額定功率轉(zhuǎn)速(rpm)。 T為發(fā)動機沖程數(shù)。 N為發(fā)動機氣缸數(shù)。 Q為常數(shù)，根據(jù)不同的消聲要求可取 5~6③ 消聲器容積： (36)式中 C為經(jīng)驗常數(shù),根據(jù)消聲器所要達(dá)到的指標(biāo)而定: A 類消聲器 消聲量≥10dB(A) C=2~3 B 類消聲器 消聲量≥15dB(A) C=4~5 C 類消聲器 消聲量≥20dB(A) C=7~8 D 類消聲器 消聲量≥25dB(A) C=10~13 為氣缸修正值， (37)i為氣缸數(shù)。為內(nèi)燃機沖程數(shù)修正系數(shù),四沖程=1，二沖程=2； 為消聲器應(yīng)用于不同類型內(nèi)燃機的修正系數(shù),非增壓柴油機 =1 ,非增壓汽油= , 為增壓比； 為內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速修正系數(shù)， （為標(biāo)定轉(zhuǎn)速） ； 為內(nèi)燃機壓縮比修正系數(shù),汽油機 ，柴油機 (ε為壓縮比)。為發(fā)動機排量(L)。2) 消聲器截面形狀的確定由于布置空間和外觀需要等原因，往往將消聲器做成各種形狀，常見的有圓形截面，橢圓形截面等。依據(jù)一維平面波理論，只要擴張比相同，不同形狀的消聲器性能是一樣的，但實際上，由于高次諧波的存在，不僅消聲器的形狀，而且進出氣管的位置等對消聲器性能都有一定的影響。通過用有限元法對不同形狀的消聲器性能進行數(shù)值模擬，在頻率較低的平面波范圍內(nèi)，消聲器的性能僅與擴張比有關(guān)，而與截面形狀無關(guān)。而當(dāng)頻率較高時，由高次諧波的影響，在擴張比相同的條件下，不同截面形狀的消聲器的性能是不一樣的。在各種不同的截面形狀中， 截面為圓形的消聲器性能最優(yōu)。 在截面積相同的條件下，消聲器越是扁平，其性能越差。因此，在設(shè)計時不影響消聲器安裝空間尺寸的條件下，截面形狀應(yīng)盡量取圓形。1）消聲器外形尺寸L和D的確定消聲器容積 V 確定之后,消聲器的直徑和長度也可確定。一般可通過預(yù)期消聲量要求確定膨脹比 m，再根據(jù)膨脹比 m 由公式（38）確定消聲器外型尺消聲器擴張腔橫截面面積。 （38）式中， 為進、出口截面積； 為消聲器擴張腔橫截面面積。 由于不同截面形狀的面積計算公式，故不同截面形狀的消聲器外形尺寸 D和擴張比 m的直接關(guān)系式是不同的。本文以圓形截面的消聲器為例為將公式（38）化簡得到公式