CN102278183A - 一种复合式结构的柴油机排气消声器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合式结构的柴油机排气消声器，适应于一般柴油发动机，包括法兰、消声器本体、进气管、排气尾管，包括置于消声器本体内部的前穿孔管、前内插管、后内插管和后穿孔管，所述消声器本体内设有将消声器本体分为三个腔室的前隔板和后隔板，所述法兰通过进气管与前穿孔管一端相连；所述前隔板的中心设置前内插管；所述后隔板上设置N个后内插管，且每个后内插管到后隔板的中心距离相等，N个后内插管的总横截面积小于前内插管的横截面积，其中N≥2且N为正整数；所述排气尾管的前端与后穿孔管一端相连。本发明采用复合式结构，结构设计合理，体积较小，使用方便，能降低空气流速，减小出口噪声，具有良好的消声性能。

Description

一种复合式结构的柴油机排气消声器

技术领域

本发明涉及一种排气消声器，更具体的说是由消声器本体、进气管、排气尾管和法兰组成的复合式结构的柴油机排气消声器。

背景技术

柴油机广泛用于交通运输、农业、船舶，但其噪声污染十分严重，随着国家法律法规对噪声要求的不断提高，对柴油机噪声的控制也越来越重要，是一项亟待解决的问题。在柴油机工作时产生的噪声主要由燃烧噪声、机械噪声和空气动力噪声组成，其中空气动力噪声中的排气噪声最为突出，称为环境噪声污染的主要因素之一。降低排气噪声最有效的犯法时采用排气消声器。为了降低发动机的噪声，研制消声量大、排气阻力(背压)低的消声器是降低柴油机噪声的重要手段。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种制造成本低，声学性能良好，气流再生噪声小的复合式结构的柴油机排气消声器。

为解决上述技术问题，本发明提供一种复合式结构的柴油机排气消声器，包括法兰、消声器本体、进气管、排气尾管，置于消声器本体内部的前穿孔管、前内插管、后内插管和后穿孔管，所述消声器本体内设有将消声器本体分为三个腔室的前隔板和后隔板；所述前隔板靠近前穿孔管，所述后隔板靠近后穿孔管，所述法兰通过进气管与前穿孔管一端相连，该前穿孔管另一端封闭；所述前隔板的中心设置前内插管；所述前穿孔管和前内插管的前半段置于第一腔室内；所述后隔板上设置N个后内插管且每个后内插管到后隔板的中心距离相等，N个后内插管的总截面积小于前内插管的截面积，其中N≥2且N为正整数，所述前内插管的后半段和所述后内插管的前半段置于第二腔室内；所述后内插管的后半段与后穿孔管置于第三腔室内；所述排气尾管的前端与后穿孔管一端相连，该后穿孔管的另一端封闭。

进一步地，本发明一种复合式结构的柴油机排气消声器中，所述第一腔室的长度等于消声器本体长度的50％±5％；所述第二腔室的长度等于消声器本体长度的18％±5％；所述第三腔室的长度等于消声器本体长度的35％±5％。

进一步地，本发明一种复合式结构的柴油机排气消声器中，所述后内插管的个数为6且每个后内插管相同。

进一步地，本发明一种复合式结构的柴油机排气消声器中，所述前穿孔管的长度等于第一腔室长度的50％±5％；所述前内插管前半段的长度等于第一腔室长度的25％±5％；所述前内插管后半段的长度等于第二腔室长度的50％±5％；所述后内插管前半段的长度等于第二腔室长度的45％±5％；所述后内插管后半段的长度等于第三腔室长度的25％±5％；所述后穿孔管的长度等于第三腔室长度的50％±5％。

进一步地，本发明一种复合式结构的柴油机排气消声器中，所述前穿孔管的穿孔率为26％±5％，所述后穿孔管的穿孔率为26％±5％。

进一步地，本发明一种复合式结构的柴油机排气消声器中，所述前穿孔管与后穿孔管上的小孔直径为5mm；

本发明与现有技术相比，具有以下显著的进步：(1)第一腔室气流流入位置和第三腔室气流流出位置分布在管道表面，形成进排气小孔，这种设计方案不仅有利于提高气流扩张比，从而增大消声量，还能够有效地降低气流再生噪声；(2)第二腔室气流流出管道分为六个小管沿圆周均布于后隔板，这种方案有效地减小了气流通过面积，也能降低了气流再生噪声。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明复合式结构的柴油机排气消声器截面图。

图2为本发明复合式结构的柴油机排气消声器结构示意图。

图3为本发明复合式结构的柴油机排气消声器的设计流程图。

图4为无消声器和原消声器状态下排气口声压级与期望NR曲线的对比。

图5为安装消声器前后排气频谱峰值曲线。

图6为原消声器与所设计消声器传递损失曲线。

图7为排气消声器的插入损失曲线图。

图8为发动机的功率损失曲线图。

附图中标号名称：1法兰，2进气管，3消声器本体，4第一腔室，5前内插管，6第二腔室，7后内插管，8第三腔室，9后穿孔管，10排气尾管，11前穿孔管，12前隔板，13后隔板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

如图1、图2所示，本发明复合式结构的柴油机排气消声器，包括法兰1、消声器本体3、进气管2、排气尾管10，还包括置于消声器本体3内部的前穿孔管11、前内插管5、后内插管7和后穿孔管9，所述消声器本体3内设有将消声器本体3分为三个腔室的前隔板12和后隔板13；所述前隔板12靠近前穿孔管11，所述后隔板13靠近后穿孔管9，所述法兰1通过进气管2与前穿孔管11一端相连，该前穿孔管11另一端封闭；所述前隔板12的中心设置前内插管5；所述前穿孔管11和前内插管5的前半段置于第一腔室4内；所述后隔板13上设置6个后内插管7，且每个后内插管7到后隔板13的中心距离相等，这6个内插管7的总截面积小于前内插管5的截面积，所述前内插管5的后半段和所述后内插管7的前半段置于第二腔室6内；所述后内插管7的后半段与后穿孔管9置于第三腔室内；所述排气尾管10的前端与后穿孔管9一端相连，该后穿孔管9的另一端封闭。

使用时，将法兰1连接柴油机排气管，使排出的高速气流通过进气管2，进入前穿孔管11，经由前穿孔管11的小孔进入第一腔室4，进行膨胀，经由前内插管5前端孔口进行收缩排出，气流继续经过前内插管5后端孔口扩张进入第二腔室6，经由后内插管7前端孔口收缩排出，气流继续经过后穿孔管9的小孔排出进入排气尾管，最后气流通过排气尾管10排出。第一腔室4气流经过前穿孔管11的小孔流入，经过前内插管5前端孔口流出，具备扩张收缩消声单元功能；第三腔室8气流经过后插入管7后端孔口流入，经过后穿孔管9的小孔流出，也具备扩张收缩消声单元功能。与现有技术相比，将气流流入位置分布在管道表面，形成进气小孔，这种设计方案不仅有利于提高气流扩张比，从而增大消声量，还能够有效地降低气流再生噪声。第二腔室6气流经过前内插管5后端孔口流入，经过后内插管7前端孔口流出，同样具备扩张收缩消声单元功能。与现有技术相比，将气流流出管道从一个中心管道分为六个小管沿圆周均布于后隔板，这种方案有效地增大了气流通过面积，从而降低了气流再生噪声。

本发明中，复合式结构的柴油机排气消声器的设计过程具有如下特点。第一步，目标NR曲线与排气频谱对比；第二步，消声器结构基本参数设计；第三步，消声器性能分析；第四步，消声器尺寸定型。见图3，消声器设计流程。

第一步，目标NR曲线与排气频谱对比，确定消声的噪声频段与现有消声器的技术缺陷。见图4所示为无消声器和原消声器状态下排气口声压级与期望NR曲线的对比。2700r/min是发动机最大功率处转速，是最大噪声的转速，是衡量消声器性能的重要工况。图5为2700r/min时，排气口有消声器与无消声器频谱峰值三分之一倍频对比排气频谱峰值曲线。

图4和图5说明，发动机的消声器消声性能在3000Hz以前消声器效果不够理想，1200Hz为中心频率左右，总的插入损失只有10.09dB左右，这对于一般排气消声器可以达到近20dB的消声量，还有比较大的提升空间。

第二步，基于《汽车排气系统噪声与消声器设计》和《噪声与振动控制工程手册》，根据表1柴油发动机基本参数，基于设计流程，设置消声器初始参数如表2所示。

表1发动机基本参数

表2消声器初始参数设计

第三步，设计消声器的性能分析。

流体边界条件设置为：额定转速2700r/min时，消声器入口温度为300℃，出口温度为255℃，试验室温度为27℃。消声器内部流体参数设置为空气。消声器壁面材料：Q235，厚度为1mm，消声器内部壁面设置热交换。消声器出口为压力出口，设置环境压力为边界条件，相对压力为0Pa。

下面计算消声器的流场特性，研究内部参数对消声器压力损失和再生噪声的影响。

表3为消声器压力损失、流速对比。设计方案的压力损失相对原消声器的小，流速小，相应产生的流体噪声也较小，流体性能可以接受。

表3消声器压力损失、流速对比

	压力损失(Pa)	最大流速(m/s)	平均流速(m/s)
				原消声器	3477.5096	44.4	7.7
设计方案	1863.4649	43.2	6.6

声学有限元计算边界条件：模型入口温度为300℃，出口温度为255℃，排气近似为空气。原消声器与所设计消声器传递损失曲线如图6所示。结合发动机排气频谱，设计消声器针对3000Hz以内的消声性能比原消声器好。

结构有限元计算边界条件：约束消声器与车架、发动机连接处，使用0-4000Hz的带宽白噪声作为消声器激励，取排气消声器纵向均匀五个点的加速度响应均方根值作为消声器振动评价，如表4所示。

表4消声器各点加速度均方根对比/(m/s²)

第四步，消声器尺寸定型。

针对仿真性能分析结果，消声器结构形式不变，对消声器各消声腔尺寸调整，拉长各腔，以弥补温度梯度影响造成消声峰值频率的移动，经过调整后消声器基本参数见表5。

表5消声器定型尺寸

本发明中，发动机排气消声器进出口噪声测试分析如下：

将本发明的样件装在相应柴油机上进行测试，测试工况从怠速1000r/min到最高转速2800r/min(插入损失考虑发动机声源、流体噪声和环境的影响)，平均消声量达到20dB以上，得到排气消声器的插入损失见图7描述。

本发明中，发动机排气消声器功率损失测试分析如下。

将本发明的样件装在相应柴油机上进行测试，测试工况从怠速1000r/min到最高转速2800r/min，不同转速下发动机全负荷状态下，发动机的功率损失测量是由测功机直接读出，各转速下功率损失控制在3％以内，得到发动机的功率损失见图8描述。

上面结合附图对本发明进行了实例性的描述，但本发明的具体实现并不受上述方式的限制。只要采用了本发明的构思和技术方案进行的各种非实质性的改革，或经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种复合式结构的柴油机排气消声器，包括法兰(1)、消声器本体(3)、进气管(2)、排气尾管(10)，其特征在于：包括置于消声器本体(3)内部的前穿孔管(11)、前内插管(5)、后内插管(7)和后穿孔管(9)，所述消声器本体(3)内设有将消声器本体(3)分为三个腔室的前隔板(12)和后隔板(13)；所述前隔板（12）靠近前穿孔管（11），所述后隔板（13）靠近后穿孔管（9），所述法兰(1)通过进气管(2)与前穿孔管(11)一端相连，该前穿孔管(11)另一端封闭；所述前隔板(12)的中心设置前内插管(5)；所述前穿孔管(11)和前内插管(5)的前半段置于第一腔室(4)内；所述后隔板（13）上设置N个后内插管(7)，且每个后内插管（7）到后隔板（13）的中心距离相等，N个后内插管（7）的总横截面积小于前内插管（5）的横截面积，其中N≥2且N为正整数，所述前内插管(5)的后半段和所述后内插管(7)的前半段置于第二腔室(6)内；所述后内插管(7)的后半段与后穿孔管(9)置于第三腔室内；所述排气尾管(10)的前端与后穿孔管(9)一端相连，该后穿孔管（9）的另一端封闭。

2.根据权利要求1所述的复合式结构的柴油机排气消声器，其特征在于：所述第一腔室(4)的长度等于消声器本体(3)长度的50%±5%；所述第二腔室(6)的长度等于消声器本体长度的18%±5%；所述第三腔室(8)的长度等于消声器本体(3)长度的35%±5%。

3.根据权利要求1所述的一种复合式结构的柴油机排气消声器，其特征在于：所述后内插管(7)的个数为6个且每个后内插管（7）相同。

4.根据权利要求1或2所述的复合式结构的柴油机排气消声器，其特征在于：所述前穿孔管(11)的长度等于第一腔室(4)长度的50%±5%；所述前内插管(5)前半段的长度等于第一腔室(4)长度的25%±5%；所述前内插管(5)后半段的长度等于第二腔室(6)长度的50%±5%；所述后内插管(7)前半段的长度等于第二腔室(6)长度的45%±5%；所述后内插管(7)后半段的长度等于第三腔室(8)长度的25%±5%；所述后穿孔管(9)的长度等于第三腔室(8)长度的50%±5%。

5.根据权利要求1或2所述的复合式结构的柴油机排气消声器，其特征在于：所述前穿孔管（11）的穿孔率为26%±5%，所述后穿孔管（9）的穿孔率为26%±5%。

6.根据权利要求5所述的复合式结构的柴油机排气消声器，其特征在于：所述前穿孔管（11）与后穿孔管（9）上的小孔直径为5mm。

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