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汽车内燃机排气噪声分析

来源:用户上传      作者: 徐文凯 孙健康 杨勤思

  [摘 要]随着工业的不断发展,噪声已成为继大气污染、水污染之后的世界第三大公害。城市中噪声源主要是由交通运输、工厂生产和建设施工三大部分组成。根据国内外调查显示:内燃机噪声是交通运输工具产生的所有噪声中最主要的声源。排气噪声是内燃机最主要的噪声源,它的噪声往往比内燃机整机噪声高10~15dB(A)。本文主要就排气噪声的产生及其影响因素进行分析。
  [关键词]排气噪声 转速 负荷 消声器
  中图分类号:TU 712.3 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)31-0185-01
  一、 背景研究简介
  研究内燃机排气噪声的传统方法是实验,但由于实验需要较长的准备时间且收集到的数据十分复杂,凭借实验无法十分准确的评估内燃机排放噪声对汽车内外的影响,因此应用数值仿真成为研究内燃机排气噪声的重要手段。国内外的著名企业,例如通用,现代,大众等都在使用ACTRAN软件来研究内燃机排气噪声对汽车内外的影响。
  二、 排气噪声的产生机理
  内燃机排气噪声一般定义为排气系统所有部件辐射的噪声, 包括排气系统的管道和消声器外壳机械振动辐射的噪声, 以及排气口所辐射的噪声。前者属于机械振动的表面噪声,后者基本属于空气动力性噪声。排气噪声如果不加以控制,则可能成为内燃机最主要的噪声源。
  1、基频噪声
  发动机燃烧产生的废气气流从排气口喷出,因为排气过程具有周期性,所以在喷出口形成一个流场作周期性变化的气流,于是废气喷出口便成为一个点声源。假定附近没有反射面,就会形成球对称的声场。喷出后经时间t,该声场中离喷出口距离为r处的声压瞬时值可表述为
  (1)
  式中,S为喷出口的截面积,单位为,v为气流流出速度,单位为;
  气流速度变化的频率就是内燃机气缸爆发的频率
  (2)
  式中,n为转速,单位为r/min,Z为缸数,为每个工作循环的行程数。
  2、气体共柱噪声
  每一段两端封闭的气柱都是一个振动系统,其本征频率为
  n=1,2,3... (3)
  式中,为气柱长度,单位为m。如果气柱一端封闭、一端敞开,则其本征频率为:
  n=1,2,3... (4)
  内燃机排气系统中,从关闭的气门经排气道、排气管到大气,构成一条一端封闭(气门端)、一端敞开(大气端)的气柱,则其固有频率可由式(4)确定。多缸内燃机中,当某一缸排气有气流流过,便能激发其所对应的气柱发生共振,而每一缸对应的气柱长度l又与排气管中气流流动情况有关。
  3、紊流、涡流噪声
  高速气流和缸壁、管壁摩擦会导致紊流,气流通过节气门、气门和喷口等节流元件时也会形成紊流,气流流过气门杆时还会脱流而形成涡流,这些都会导致噪声。
  4、亥姆霍兹共振噪声
  如果一个封闭的容积为V的空腔,通过一根截面积为S、长度为的L管道与大气相通,就会形成一个共振系统,称为亥姆霍兹共振腔,其共振频率由参数V,S和L决定。内燃机排气门打开时,气缸与排气道、排气管就组成一个亥姆霍兹共振腔。
  由于内燃机的排气噪声主要由上述几种频率所引起的,所以排气噪声的频谱大多数情况呈明显的低频特性,但高、中频噪声也会在一定情况下出现。中频噪声一般是由排气基频的高次谐波和气柱共振所组成,而高频噪声主要是由排气时产生的涡流噪声、紊流噪声,以及排气引起的管壁振动等引起。内燃机的气缸数、燃烧室容积及形状、燃料及转数、负荷等都会影响排气噪声的频谱特性。
  三、 影响排气噪声的主要因素
  1、转速
  转速降低,则一切过程进行地更加缓慢,式(1)中,气流速度对时间的导数变小,声压也降低了。在每个工作循环的燃料和空气消耗量保持不变的情况下,转速降低后,排气噪声频谱变得密集,且往低频方向迁移。排气噪声随转速而改变的幅度可用下式表示:
  其中,、为内燃机转速,、分别为相应的A声级排气噪声。
  2、负荷
  在转速不变的情况下,排气噪声随输出功率降低而降低。但其变化规律在汽油机和柴油机中略有不同。在柴油机中,每个循环吸入的空气量与负荷无关,但输入的燃料量随负荷而变。在汽油机中,功率降低时不仅每个工作循环吸入的燃油量降低,而且吸入的空气量也降低,因此,排气噪声比柴油机降的更多。
  3、排量
  内燃机排量增加,排气噪声加大。实验表明,内燃机排量加大一倍,排气噪声大约增加6~7dB(A)。
  4、涡轮增压
  采用涡轮增压后,虽然气门开启时会产生噪声,但通过涡轮增压后产生的噪声与不采用涡轮增压相比,其能量有很大衰减,在通过涡轮增压机排气口排出以后噪声明显降低。所以涡轮增压可以降低排气噪声。
  四、不同类型内燃机排气噪声的比较
  同等功率的二冲程机比四冲程机的排气噪声大,主要原因是:
  1)二冲程机为了充分换气,一般比四冲程机排气开始时刻早,因而排气开始时气缸压力较高,故排气噪声大些。
  2)二冲程机通常转速较高,单位时间内平均换气量比四冲程机多,排气次数也多一倍,因此所产生的气流声和涡流声大,频率也高。
  3)为了保证扫效果,二冲程内燃机不宜采用结构复杂的消声器。
  五、排气噪声的控制
  1、对噪声源机理分析入手,合理设计进排气管道,减小压力脉动强度及涡流强度,并避免发生共振。
  2、采用排气消声器。消声器按消声的机理不同可分阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合式消声器。
  1)阻性消声器主要利用吸声材料增大声阻来消声,具有良好的中频、高频消声效果,特别适宜消减增压内燃机的进气噪声。
  2)抗性消声器是利用管道截面突变、旁通支管和共振腔等造成声传播时阻抗失配,达到消声,其中低中频消声效果良好,在汽车、拖拉机中应用较普遍。
  3)阻抗复合式消声器是兼有阻性和抗性的作用,使消声频带宽,主要用于声级很高的低中频宽带消声,在高要求的内燃机中采用此种消声器。
  参考文献
  [1] 吴炎庭,袁卫平.内燃机噪声振动与控制.机械工业出版社,2005.
  [2] 郭烨,姜哲.内燃机排气噪声的分析研究.江苏工学院学报.1988.9.
  [3] 曹志芬.内燃机噪声源的形成及其控制措施.内燃机.2008.12.
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