內燃機兩工況自動跟隨的排氣消聲器的製作方法

2023-07-11 06:58:16 1

本發明涉及一種內燃機排氣消聲器。

技術背景

工程機械和車輛廣泛採用內燃機作為動力，近年來，人們對於內燃機的振動噪聲控制的要求也越來越嚴格，噪聲控制已經逐漸成為相關產品進入市場的技術壁壘。內燃機整機噪聲主要來源於發動機的排氣噪聲，降低排氣噪聲最常用的方法是在發動機的排氣管道系統中安裝排氣消聲器，排氣消聲器既能允許氣流順利通過，又能有效地阻止或減弱聲能向外傳播，是控制排氣噪聲的一種簡單而有效的方法。在噪聲控制工程中得到了廣泛的應用。消聲器種類很多，根據消聲原理與結構可分為阻性消聲器、抗性消聲器、阻抗複合式消聲器三類。抗性消聲器可分為擴張式消聲器和共振腔消聲器，共振腔消聲器是利用共振結構的阻抗引起聲波的反射而進行消聲。它由小孔板和共振腔構成，小孔的直徑為φd，孔頸的有效長度為Lk，共振腔的體積為V，聲速為c,其結構如圖1所示。

共振腔消聲器的消聲機理：共振腔消聲器由一段開有若干小孔的管道和管外一個密閉的空腔所組成，管道和空腔通過小孔連接。小孔和空腔組成一個共振腔振動系統，當氣流的聲波頻率和共振腔振動系統的共振頻率接近時，系統會發生共振，小孔孔頸中一定質量的空氣柱流動速度加快，摩擦阻力增大，大量聲能轉化為熱能而消耗掉，從而達到消聲的目的。共振腔消聲器的共振頻率可通過公式計算得出：

式中f0——共振腔共振頻率；

c——聲速；

S0——小孔截面面積；

V——共振腔體積；

Lk——孔頸的有效長度。

由式(1)可知，每一個共振結構都具有一定的共振頻率，這個共振頻率由小孔截面面積、共振腔體積、孔頸的有效長度所決定，所以結構參數一定的共振腔消聲器共振頻率通常是特定的，其消聲量在共振頻率附近較高，消聲效果好，當噪聲頻率與共振頻率相差較大時，消聲量急劇下降，消聲效果差，共振消聲器的消聲特性如圖2所示。

如圖2可知，共振腔消聲器具有頻率選擇性強的特點，通常只能滿足內燃機某一種工況下的消聲要求，但是在以內燃機為動力的工程機械和車輛的噪聲控制標準中，或相關噪聲控制規範的試驗和測量中，怠速和高速往往是最重要的兩種試驗和測量以及評價的工況。內燃機在怠速和高速工況下，其噪聲的主要頻率不相同，使得採用了共振腔結構的排氣消聲器並不能兼顧滿足內燃機在怠速和高速這兩種工況下消聲要求。

技術實現要素：

本發明要克服現有技術的只在其共振頻率附近下消聲效果好、只能在特定工況下有效消聲的缺點，提供一種內燃機兩工況自動跟隨的排氣消聲器，能夠在兩種工況下都有良好的消聲性能。

隨著內燃機工況不一樣，本發明的消聲器可以分別對應不同的共振頻率，能兼顧滿足怠速和高速這兩種工況下消聲要求，能夠解決現有共振腔消聲器只對一種工況下的噪聲可以有效消聲的問題。

本發明的內燃機兩工況自動跟隨的排氣消聲器，包括一段管道1和管道1外的一個密閉的第一共振腔21，其特徵在於：所述的管道1的壁面上開有第一圓孔13，第一圓孔13連通管道1的內腔和第一共振腔21；管道1的與所述的第一圓孔13相對的內壁上設有第一圓柱11，第一圓柱11伸入第一圓孔13；第一圓柱11所用的材料的膨脹係數小於管道1和第一共振腔21所用的材料的膨脹係數。

進一步，在所述的管道1上相對於第一共振腔21的一側設有第二共振腔22，所述的管道1的壁面上開有第二圓孔14，第二圓孔14連通管道1的內腔和第二共振腔22；管道1的與所述的第二圓孔14相對的內壁上設有第二圓柱12，第二圓柱12伸入第一圓14孔；第二圓柱12所用的材料的線膨脹係數小於管道1和第二共振腔22所用的材料的線膨脹係數。

優選地，第一圓柱11和第二圓柱12採用線膨脹係數較小的石英材料製造，管道1和第一共振腔21、第二共振腔22採用線膨脹係數較大的鋁合金材料製造。

本發明的消聲器在消聲器製造材料上，選用特定線脹係數的材料，併合理地設計消聲器的共振腔結構參數。內燃機在怠速和高速工況下，排氣溫度的不同，導致消聲器的工作溫度也不同，由於材料的熱變形，使孔頸的有效長度Lk和小孔截面面積S0發生較大變化，根據式(1)可知消聲器的共振頻率也隨之改變，分別對應怠速和高速工況下兩種不同的共振頻率，從而內燃機在怠速和高速這兩種工況下都能滿足降低排氣噪聲的要求。

本發明中的共振腔消聲器是一種結構簡單的消聲器，內燃機在怠速工況下，溫度較低，共振消聲器孔頸的有效長度較大、小孔截面面積較小，對應的共振頻率小；內燃機在高速工況下，溫度較高，由於消聲器材料發生熱變形現象，使影響消聲器共振頻率的一些結構參數大小發生了改變，其中共振消聲器孔頸的有效長度較小、小孔截面面積較大，由式(1)得出共振頻率增大，從而實現內燃機兩工況下自動跟隨的消聲功能。

本發明設計的內燃機排氣共振腔消聲器隨著內燃機工況不一樣，分別對應不同的共振頻率，解決現有共振腔消聲器只在一種工況下消聲效果好的問題。

本發明共振腔消聲器設計製造上，依據內燃機在不同的工況下，消聲器的工作溫度不同，利用材料的熱膨脹特性，使消聲器共振腔的結構發生不同程度地熱變形，共振腔結構參數的大小發生了變化，共振頻率大小也隨著變化，最終兼顧滿足內燃機在怠速和高速這兩種工況下消聲要求，實現內燃機兩工況下自動跟隨的消聲功能。

本發明的優點是：一般結構固定的內燃機排氣消聲器通常共振頻率是特定的，不能兼顧滿足怠速和高速這兩種工況下消聲要求。本發明的內燃機排氣消聲器，利用內燃機怠速和高速這兩種工況的排氣溫度不同，相應地消聲器的工作溫度也有兩種，由於製造消聲器材料的熱變形不同，使共振腔結構參數的大小發生了變化，由式(1)可知系統的共振頻率也有兩種，所以內燃機在怠速和高速兩種工況下會有兩種不同的共振頻率，能夠實現在兩種工況下都有較好的消聲性能。

附圖說明：

圖1是現有共振消聲器；

圖2是現有共振消聲器的消聲特性示意圖；

圖3是本發明的結構示意圖；

圖中：1管道，11圓柱體；2.管道；3.共振腔；

圖4是本發明的消聲特性示意圖。

具體實施方式

下面參照圖3、4對本發明內燃機兩工況自動跟隨的排氣消聲器做進一步說明。

本發明的內燃機兩工況自動跟隨的排氣消聲器，包括一段管道1和管道1外的一個密閉的第一共振腔21。所述的管道1的壁面上開有第一圓孔13，第一圓孔13連通管道1的內腔和第一共振腔21；管道1的與所述的第一圓孔13相對的內壁上設有第一圓柱11，第一圓柱11伸入第一圓孔13；第一圓柱11所用的材料的膨脹係數小於管道1和第一共振腔21所用的材料的膨脹係數。

在所述的管道1上相對於第一共振腔21的一側設有第二共振腔22，所述的管道1的壁面上開有第二圓孔14，第二圓孔14連通管道1的內腔和第二共振腔22；管道1的與所述的第二圓孔14相對的內壁上設有第二圓柱12，第二圓柱12伸入第一圓14孔；第二圓柱12所用的材料的線膨脹係數小於管道1和第二共振腔22所用的材料的線膨脹係數。

第一圓柱11和第二圓柱12採用線膨脹係數較小的石英材料製造，管道1和第一共振腔21、第二共振腔22採用線膨脹係數較大的鋁合金材料製造。

某內燃機工作時，根據實測：在怠速工況下，排氣噪聲最主要的噪聲頻率約為178Hz，排氣消聲器的工作溫度約為97℃；在高速工況下，排氣噪聲最主要的噪聲頻率約為270Hz，排氣消聲器的工作溫度約為270℃。

本實施例在該內燃機原有的消聲器基礎上，增設一個共振腔結構，共振腔的內管道上開圓孔，並在管內安裝熱膨脹係數小的圓柱體(圓柱體的一端伸入圓孔內適當深度，圓柱體的另一端固定在內管道上)。消聲器所增設的共振腔外殼和內管道採用線膨脹係數較大的材料製造，管道內的圓柱體選用線膨脹係數極小的材料製造。

當某內燃機在怠速工況下工作時，此時圓柱體的一端伸入內管道上的圓孔內某深度處，圓孔與圓柱體之間孔縫隙的有效截面面積S0較小，孔頸的有效長度Lk較大，根據式(1)可知，怠速工況下排氣消聲器的共振頻率較小；在高速工況下，排氣消聲器的工作溫度升高，採用線脹係數較大的材料製造的共振腔外殼和內管道發生較明顯地膨脹變形，此時一端固定在內管道上的圓柱體隨內管道的熱膨脹而退出圓孔，使小孔頸的有效長度Lk減小，同時圓孔與圓柱體之間孔隙的有效截面面積S0因內管道的熱膨脹變形而增大，由式(1)可知，高速工況下排氣消聲器的共振頻率增大。內燃機在兩種不同的工況下消聲器的工作溫度不同，利用材料的熱膨脹特性，使消聲器共振腔的結構發生不同程度地熱變形，改變了共振腔結構參數的大小，由式(1)可知系統的共振頻率也有兩種，所以內燃機在怠速和高速兩種工況下會有兩種不同的共振頻率，實現內燃機兩工況下自動跟隨的消聲功能。

本發明設計的排氣消聲器的共振腔外殼和內管道均採用線膨脹係數較大的鋁合金材料製造，管道內的圓柱體選用線膨脹係數極小的石英材料製造，在室溫20℃時內管道上的圓孔直徑φd為10.00mm，安裝在管內的圓柱體直徑φd為9.50mm，管壁厚為1.00mm，如圖3所示。本共振腔消聲器的共振頻率計算理論上應該符合公式(1)，但由於內管道上的圓孔與圓柱體之間孔隙的有效截面面積S0以及孔隙的有效長度Lk均很難精確描述,使得該共振腔消聲器的共振頻率要採用公式(1)進行計算會有很大的困難，過於簡化還會產生較大的誤差。在此，可採用聲學有限元仿真軟體計算進行聲學仿真計算，以獲得該共振腔消聲器的共振頻率。根據內燃機怠速工況條件，其消聲器排氣溫度為97℃，由線膨脹係數較大的鋁合金材料製造的內管道和共振腔外殼發生熱變形，內管道上的圓孔直徑φd為10.02mm，圓柱體伸入圓孔內0.14mm處，安裝在管內的圓柱體是由線膨脹係數極小的石英材料製造，幾乎沒有發生熱變形，所以圓柱體直徑φd仍為9.50mm，內管道的熱變形引起圓柱體伸入內管道上圓孔內0.07mm處，用聲學有限元仿真軟體計算出共振頻率為178Hz；根據內燃機高速工況條件，其消聲器排氣溫度為270℃，線膨脹係數大的內管道和共振腔外殼發生熱變形，內管道上的圓孔直徑φd為10.05mm，線膨脹係數極小的石英圓柱體幾乎沒有發生熱變形，所以圓柱體直徑φd仍為9.50mm，此時，內管道的熱變形引起圓柱體退出內管道上圓孔，圓孔與圓柱體之間距離為0.43mm，用聲學有限元仿真軟體計算其共振頻率為270Hz，怠速和高速兩種工況下的聲學有限元仿真的共振消聲器消聲特性曲線如圖4所示，曲線峰值對應的頻率即為某內燃機排氣消聲器的共振頻率。內燃機的不同工況，利用材料的熱膨脹特性，使消聲器共振腔的結構發生不同程度地熱變形，共振腔結構參數的大小發生了變化，使內燃機排氣消聲器在兩種不同的工況下有兩種不同的共振頻率，分別與某該內燃機在怠速和高速工況下實測得到的排氣噪聲的主要噪聲頻率相近，實現內燃機兩工況下自動跟隨的消聲功能，能滿足內燃機兩工況下的噪聲控制要求。(在聲學有限元仿真過程中，為了考慮溫度對聲速大小的影響，不同溫度下聲速大小由C0(t℃)＝331.5+0.6t1可得，在怠速工況下，排氣消聲器的溫度為97℃，聲速為390.67m/s；在高速工況下，排氣消聲器的溫度為270℃，聲速為496.2m/s)。

本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護範圍不應當被視為僅限於實施例所陳述的具體形式，本發明的保護範圍也及於本領域技術人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。