CN106014720A - 一种自动调频涡轮增压器进气复合消音器及其消音方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动调频涡轮增压器进气复合消音器及其消音方法，消音器包括：消音结构、设置在消音结构内并且与消音结构同轴的共振腔，所述共振腔的腔室大小可根据进气量变化而自动调节，包括筒体、设置于筒体内的活塞，活塞可在筒体内沿筒体轴向往复移动筒体，并且在活塞与筒体底壁之间设有弹性伸缩件，位于活塞与筒体底壁之间的筒壁上设有消声孔。本自动调频涡轮增压器进气复合消音器，能够在涡轮增压器运行状态发生变化时自动调节消音器的最佳消声频率范围，在宽频范围具有良好的消声效果。

Description

一种自动调频涡轮增压器进气复合消音器及其消音方法

技术领域

本发明涉及一种复合消音器及其消音方法。

背景技术

在科技日趋进步的今天，制造与工艺水平不断上升，内燃机功率为了满足人类需求而不断被提升。但是随着人们对生活和工作的环境质量的日益提高，对于内燃机给人们带来巨大便利的同时而附加的噪声污染已成为迫切需要解决的问题。目前，世界各地研究机构在寻求一种两全方案，各式消音器应运而生，其类型包括：阻性消声器、抗性消声器以及复合消声器等，由于内燃机进气门周期性开闭以及高速进气流导致的气动噪声具有压力起伏大、频率范围宽等特点，传统的消音器难以满足要求，如何有效降噪并提高自动化的智能程度成为内燃机进气消音器研究的关键所在。

李传兵等在CN101246085A中发明了一种频率可调式单腔共振型进气消音器试验装置，通过手动调节共振腔室大小实现消声频率变化，该发明具有一定的局限性并且不能满足设备变工况时自动调节有效噪声频率的要求。

由于涡轮增压器进气气动噪声的特征频率为压气机的叶频(BPF)噪声，其频率为：

$f=i\·\frac{nZ}{60}$

式中：n为叶轮转速；Z为压气机叶片数；i为谐波次数。

对于以单频噪声成分为主的噪声源，一般的降噪方法是通过降低这一噪声成分来降低总体噪声水平，较多的方法是通过制造共振腔室消音器达到消音降噪目的，当共振腔共振频率为所需消声频率时达到最佳消音效果，共振腔消音器降噪原理则是利用赫姆霍兹共鸣器原理，共鸣器的共振频率和共振波长为：

$f_0=\frac{c_0}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{S}{V_{0}l}}$

λ_r＝c₀/f₀

式中：f₀是赫姆霍兹共鸣器的共振频率，c₀是声速，S是颈或开口的截面积,l是共振器的长度,V₀是共振腔的容积，λ_r为共振波长。

由赫姆霍兹共振频率公式可知，共振频率与共振容积V₀、共振器长度l以及开口截面积S有关。基于这一关系对涡轮增压器消声器的消音效果进行改良的研究还未曾有人提出。

发明内容

针对现有技术中，涡轮增压器在高压比、大流量、变工况条件下工作，常规消音器严重影响增压器在变工况条件下的工作性能，本发明提供了一种自动调频涡轮增压器进气复合消音器，利用共振频率与共振腔的容积平方根成反比的关系，通过圆形调节板自适应调节共振腔容积大小，达到自动调节共振腔的共振频率，有效消耗增压器在变工况运行时主要特征频率的噪声成分。

为实现以上目的，本发明所采用的具体技术方案是：

一种自动调频涡轮增压器进气复合消音器，包括：消音结构、设置在消音结构内并且与消音结构同轴的共振腔，所述共振腔的腔室大小可根据进气量变化而自动调节，包括筒体、设置于筒体内的活塞，活塞可在筒体内沿筒体轴向往复移动筒体，并且在活塞与筒体底壁之间沿筒体轴向设有弹性伸缩件，位于活塞与筒体底壁之间的筒壁上设有消声孔。

所述筒体包括圆柱形薄壁件、法兰及固定壁板，其中，所述圆柱形薄壁件的一端通过法兰及固定螺栓与消音结构连接，另一端与固定壁板连接，所述活塞为一内衬于圆柱形薄壁件内壁上的圆形调节板，圆形调节板四周与圆柱形薄壁件内壁之间紧密接触并可相对运动，圆柱形薄壁件的内壁上靠近固定壁板一侧设有限位凸起，所述限位凸起用于限制活塞的行程，所述消声孔设置在圆柱形薄壁件上位于所述为凸起与固定壁板之间的位置，消声孔的孔径d小于共振波长λ_r/12，相邻孔间距取孔径的2～5倍，穿孔率为5％～30％。

所述筒体外表面敷设有至少一层吸声材料。

所述至少一层吸声材料在100～4000赫兹频率范围内的平均吸声系数大于0.3。

所述弹性伸缩件为弹簧，弹簧的数量为一根或多根。

所述消音结构为阻性消音结构，包括前壁、与前壁同轴的后壁，前壁与后壁之间设置消音腔体，沿所述消音腔体的径向从外向内依次嵌套设置穿孔板、金属网以及吸声结构；所述后壁上设置法兰面，法兰面上设置与压气机连接的螺纹孔。

所述法兰包括两个，分别是第一法兰和第二法兰，所述第一法兰和第二法兰分别设置在所述前壁的两侧，所述第一法兰的内径小于共振腔的内径。

一种涡轮增压器进气复合消音器的消音方法，包括以下几个步骤：

步骤1，在消音结构上的共振腔内设置一可沿共振腔轴向往复移动的圆形调节板，并且圆形调节板与共振腔腔体之间通过弹性伸缩件连接；

步骤2，在涡轮增压器压气机负荷、转速增加时，与压气机转速紧密相关的叶频噪声频率也提高，进气量与气流的流速增加，通过消音结构的气流产生的阻力损失增加，引起通过消音结构的气流入口处压力与出口处压力之间产生的气压差增加，所述圆形调节板在腔体内由外部大气压作用下向共振腔底壁右方向移动，弹性伸缩件的压缩量增加，最后圆形调节板在气流压力差与弹性伸缩件弹性力作用下达到平衡；这时共振腔的容积减小，共振腔的共振频率相应提高，此时共振腔的共振频率与压气机叶频噪声频率更加接近，从而有效消耗压气机噪声中占主要成分的叶频噪声；

步骤3，在涡轮增压器压气机负荷、转速降低时，与压气机转速紧密相关的叶频噪声频率也降低，进气量与气流的流速下降，通过消音结构的气流产生的阻力损失减少，引起通过阻性消音结构的气流入口处压力与出口处压力之间产生的气压差下降，所述圆形调节板在腔体内由外部大气压作用下向共振腔上法兰端移动，弹性伸缩件的压缩量减少，最后圆形调节板在气流压力差与弹性伸缩件弹性力作用下达到平衡，这时共振腔的容积增加，共振腔的共振频率相应下降，此时共振腔的共振频率与压气机叶频噪声频率更加接近，从而有效消耗压气机噪声中占主要成分的叶频噪声。

所述消音结构为阻性消音结构。

本发明的有益效果是：

在内燃机的运行负荷增加时，增压器涡轮的转速增加，压气机转子的转速也会增加，与压气机转速紧密相关的压气机叶频噪声频率也成比例增加；由共振频率公式可知，此时共振腔的容积V₀降低，使共振腔的共振频率始终接近于压气机叶频噪声的频率，使共振腔处于最佳消声状态，从而有效消耗压气机噪声中占主要成分的叶频噪声。该消音器能够利用阻性消音结构消耗增压器进气噪声的中高频宽带噪声成分，在增压器负荷、转速变化时自动调节共振腔大小，能够在涡轮增压器运行状态发生变化时自动调节共振腔的最佳消声频率范围，从而实现在宽频范围具有良好的消声效果。

本发明结构合理，安装拆卸方便，在宽频范围具有良好的消声效果，实现了增加涡轮增压器降噪量的目的。

附图说明

图1是本发明的结构剖面示意图；

图2是共振腔的结构剖面示意图；

图3是圆形调节板的剖面示意图；

图4是第一法兰的A向视图；

其中，1为阻性消音结构；2为共振腔；3为穿孔板；4为金属网；5为筒体；6为弹簧；7为圆形调节板；8为第一法兰；9为共振腔固定螺栓；10为定位块；11为外部连接螺栓孔；12为固定壁板；13为筒体外表面吸声材料；14为消声孔；15为吸声结构固定螺栓；16为吸声结构；17为圆柱形薄壁件；18为第二法兰。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种自动调频涡轮增压器进气复合消音器作进一步的详细说明。本说明仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明的保护范围进行限定。

如图1-图4所示，为本发明的一种自动调频涡轮增压器进气复合消音器，由阻性消音结构1、大小可调节的共振腔2组成；其中所述阻性消音结构1为筒状，包括穿孔板3、金属网4、吸声结构16、吸声结构固定螺栓15、定位块10、外部连接螺栓孔11；其中所述共振腔2为桶状，包括筒体5、弹簧6、圆形调节板7、法兰8、共振腔固定螺栓9、固定壁板12、筒体外表面吸声材料13、消声孔14；其中共振腔2是本发明的主要发明部分，其中所述共振腔2包括筒体5，筒体5的一端通过第一法兰8及螺栓9与阻性消音结构1连接。

筒体5由一个固定壁板12、一个圆柱形薄壁件17组成。固定壁板12与圆柱形薄壁件17保证连接牢固，密封良好，连接方式可为焊接等。

圆柱形薄壁件17的材料为钢板、铜板、不锈钢板、铝板、塑料板、PVC板等硬材料，其厚度t为1～5mm，直径D为消声器出气口直径的0.1～0.7，圆柱形薄壁件17的长度L为消音器宽度的0.3～0.8。

所述消音结构为阻性消音结构，包括前壁、与前壁同轴的后壁，前壁与后壁之间设置消音腔体，沿所述消音腔体的径向从外向内依次嵌套设置穿孔板3、金属网4以及吸声结构16；所述后壁上设置法兰面，法兰面上设置与压气机连接的螺纹孔。

进一步的，所述法兰包括两个，分别是第一法兰8和第二法兰18，所述第一法兰8和第二法兰18分别设置在所述前壁的两侧。

本发明一种自动调频涡轮增压器进气复合消音器的消音方法是：

在涡轮增压器压气机负荷、转速增加时，与压气机转速紧密相关的叶频噪声频率也提高，进气量与气流的流速增加，通过阻性消音结构1的气流产生的阻力损失增加，引起通过阻性消音结构的气流入口处压力(等于外部大气压力)与出口处压力(等于腔体内压力)之间产生的气压差增加，所述圆形调节板7在腔体内由外部大气压作用下向右移动，弹簧6的压缩量增加，最后圆形调节板7在气流压力差与弹簧6弹性力作用下达到平衡。这时共振腔的容积减小，共振腔的共振频率相应提高，此时共振腔的共振频率与压气机叶频噪声频率更加接近，从而有效消耗压气机噪声中占主要成分的叶频噪声。

在涡轮增压器压气机负荷、转速降低时，与压气机转速紧密相关的叶频噪声频率也降低，进气量与气流的流速下降，通过阻性消音结构1的气流产生的阻力损失减少，引起通过阻性消音结构的气流入口处压力(等于外部大气压力)与出口处压力(等于腔体内压力)之间产生的气压差下降，所述圆形调节板7在腔体内由外部大气压作用下向左移动，弹簧6的压缩量减少，最后圆形调节板7在气流压力差与弹簧6弹性力作用下达到平衡。这时共振腔的容积增加，共振腔的共振频率相应下降，此时共振腔的共振频率与压气机叶频噪声频率更加接近，从而有效消耗压气机噪声中占主要成分的叶频噪声。

作为本发明一种自动调频涡轮增压器进气复合消音器的进一步优选方案，筒体5外表面敷设有一层吸声材料13，可以是羊毛毡、泡沫金属等洁净环保的吸声材料，要求在100～4000Hz频率范围内的平均吸声系数大于0.3。

圆形调节板7四周与圆柱形薄壁件17内壁之间紧密接触并可相对运动状态，圆形调节板7需要可自由移动以实现改变腔体大小的目的，同时应确保与筒体5之间的气密性能良好。

圆柱形薄壁件17的内壁上靠近固定壁板12一侧设有限位凸起，所述限位凸起用于限制活塞的行程，所述消声孔设置在圆柱形薄壁件上位于所述为凸起与固定壁板之间的位置，防止圆形调节板移动到圆柱形薄壁件17上的消音孔处，发生漏气现象。

作为本发明一种自动调频涡轮增压器进气复合消音器的进一步优选方案，所述消声孔14的孔径小于共振波长λ_r/12，孔径d取0.5～4mm，孔间距取孔径的2～5倍，筒体5右半部分的穿孔率为5％～30％。

作为本发明一种自动调频涡轮增压器进气复合消音器的进一步优选方案，圆形调节板7与固定壁板12的外形尺寸、结构均相同，厚度t₂为3～5mm，圆形调节板7与固定壁板12一侧均有凸台，凸台内径D₃由弹簧尺寸确定，高度为0.1L～0.2L，厚度为2～10mm。

作为本发明一种自动调频涡轮增压器进气复合消音器的进一步优选方案，第一法兰8材料为碳钢，厚度为3～10mm，法兰上均布四个通孔；第一法兰内径D₄比筒体内径D略小，以防止圆形调节板7在移动过程中从左侧滑出。第一法兰8的外径D₅与第二法兰18的外径D₁相同；共振腔2通过第一法兰8、第二法兰18与阻性消音结构1螺栓连接固定。

作为本发明一种自动调频涡轮增压器进气复合消音器的进一步优选方案，第二法兰18的材料为碳钢，四周均布四个通孔以实现固定，第二法兰18到筒体左端的距离L₁为0.05L～0.2L，第二法兰18的厚度t₁为3～10mm，第二法兰18与圆柱形薄壁件17保证连接牢固，连接方式可为焊接等。

作为本发明一种自动调频涡轮增压器进气复合消音器的进一步优选方案，弹簧6的数量为一个或一个以上，伸缩性能良好，刚度适中，劲度系数k为8kN/m～12kN/m，其两端分别通过旋入圆形调节板7的凸台和固定壁板12上的凸台固定连接。

Claims (9)

1.一种自动调频涡轮增压器进气复合消音器，包括：消音结构、设置在消音结构内并且与消音结构同轴的共振腔，其特征在于，所述共振腔的腔室大小可根据进气量变化而自动调节，包括筒体、设置于筒体内的活塞，活塞可在筒体内沿筒体轴向往复移动，并且在活塞与筒体底壁之间沿筒体轴向设有弹性伸缩件，位于活塞与筒体底壁之间的筒壁上设有消声孔。

2.根据权利要求1所述的自动调频涡轮增压器进气复合消音器，其特征在于，所述筒体包括圆柱形薄壁件、法兰及固定壁板，其中，所述圆柱形薄壁件的一端通过法兰及固定螺栓与消音结构连接，另一端与固定壁板连接，所述活塞为一内衬于圆柱形薄壁件内壁上的圆形调节板，圆形调节板四周与圆柱形薄壁件内壁之间紧密接触并可相对运动，圆柱形薄壁件的内壁上靠近固定壁板一侧设有限位凸起，所述限位凸起用于限制活塞的行程，所述消声孔设置在圆柱形薄壁件上位于所述为凸起与固定壁板之间的位置，消声孔的孔径d小于共振波长λ_r/12，相邻孔间距取孔径的2～5倍，穿孔率为5％～30％。

3.根据权利要求1所述的自动调频涡轮增压器进气复合消音器，其特征在于，所述筒体外表面敷设有至少一层吸声材料。

4.根据权利要求3所述的自动调频涡轮增压器进气复合消音器，其特征在于，所述至少一层吸声材料在100～4000赫兹频率范围内的平均吸声系数大于0.3。

5.根据权利要求1所述的自动调频涡轮增压器进气复合消音器，其特征在于，所述弹性伸缩件为弹簧，弹簧的数量为一根或多根。

6.根据权利要求1所述的自动调频涡轮增压器进气复合消音器，其特征在于，所述消音结构为阻性消音结构，包括前壁、与前壁同轴的后壁，前壁与后壁之间设置消音腔体，沿所述消音腔体的径向从外向内依次嵌套设置穿孔板、金属网以及吸声结构；所述后壁上设置法兰面，法兰面上设置与压气机连接的螺纹孔。

7.根据权利要求6所述的自动调频涡轮增压器进气复合消音器，其特征在于，所述法兰包括两个，分别是第一法兰和第二法兰，所述第一法兰和第二法兰分别设置在所述前壁的两侧，所述第一法兰的内径小于共振腔的内径。

8.一种涡轮增压器进气复合消音器的消音方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1，在消音结构上的共振腔内设置一可沿共振腔轴向往复移动的圆形调节板，并且圆形调节板与共振腔腔体之间通过弹性伸缩件连接；

步骤2，在涡轮增压器压气机负荷、转速增加时，与压气机转速紧密相关的叶频噪声频率也提高，进气量与气流的流速增加，通过消音结构的气流产生的阻力损失增加，引起通过消音结构的气流入口处压力与出口处压力之间产生的气压差增加，所述圆形调节板在腔体内由外部大气压作用下向共振腔底壁右方向移动，弹性伸缩件的压缩量增加，最后圆形调节板在气流压力差与弹性伸缩件弹性力作用下达到平衡；这时共振腔的容积减小，共振腔的共振频率相应提高，此时共振腔的共振频率与压气机叶频噪声频率更加接近，从而有效消耗压气机噪声中占主要成分的叶频噪声；

步骤3，在涡轮增压器压气机负荷、转速降低时，与压气机转速紧密相关的叶频噪声频率也降低，进气量与气流的流速下降，通过消音结构的气流产生的阻力损失减少，引起通过阻性消音结构的气流入口处压力与出口处压力之间产生的气压差下降，所述圆形调节板在腔体内由外部大气压作用下向共振腔上法兰端移动，弹性伸缩件的压缩量减少，最后圆形调节板在气流压力差与弹性伸缩件弹性力作用下达到平衡，这时共振腔的容积增加，共振腔的共振频率相应下降，此时共振腔的共振频率与压气机叶频噪声频率更加接近，从而有效消耗压气机噪声中占主要成分的叶频噪声。

9.根据权利要求8所述涡轮增压器进气复合消音器的消音方法，其特征在于，所述消音结构为阻性消音结构。