單缸柴油機(jī)一體式凈化消聲器設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

劉勝吉，曾瑾瑾，王 建，王云龍，謝明華

（1. 江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212000； 2. 無錫華源凱馬發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，無錫 214000）

單缸柴油機(jī)一體式凈化消聲器設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

劉勝吉1，曾瑾瑾1，王 建1，王云龍2，謝明華2

（1. 江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212000； 2. 無錫華源凱馬發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，無錫 214000）

為了通過機(jī)外凈化的方式降低柴油機(jī)排放，基于單缸柴油機(jī)的工作特點(diǎn)，融合一體式凈化消聲器的設(shè)計(jì)要求，研制了一種單缸柴油機(jī)用一體式凈化消聲器。通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)設(shè)計(jì)的一體式凈化消聲器的催化性能、聲學(xué)性能、空氣動(dòng)力性能以及結(jié)構(gòu)性能展開研究，提高催化器轉(zhuǎn)化效率和使用壽命，同時(shí)滿足消聲作用。整機(jī)性能試驗(yàn)表明：安裝優(yōu)化后的一體式凈化消聲器，整機(jī)噪聲略小于原機(jī)消聲器，整機(jī)八工況排放CO、HC、PM分別為0.94、0.46、0.40 g/kW·h，相比于僅采用機(jī)內(nèi)凈化的樣機(jī)分別降低了85.4%，70.5%，28.6%，劣化試驗(yàn)后柴油機(jī)排放滿足非道路柴油機(jī)國Ⅲ要求；一體式凈化消聲器采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)，與原結(jié)構(gòu)相比，由于排氣氣流均勻流經(jīng)催化器，CO、HC和PM的轉(zhuǎn)化效率分別提高了21.0%、25.8%和7.0%。該研究可為單缸柴油機(jī)的機(jī)外凈化研究提供參考。

柴油機(jī)；排放控制；設(shè)計(jì)；消聲器；催化器；性能

0 引言

中國單缸柴油機(jī)的年產(chǎn)量已占世界年產(chǎn)量的90%以上，單缸柴油機(jī)產(chǎn)量大是中國內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的一大特色[1]。近年來隨著環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，節(jié)能與減排也隨之成為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)發(fā)展的焦點(diǎn)，中國于2014年5月16日頒布了非道路用柴油機(jī)第Ⅲ階段排放標(biāo)準(zhǔn)[2]，單缸柴油機(jī)的技術(shù)升級(jí)迫在眉睫。然而單缸柴油機(jī)僅依靠傳統(tǒng)機(jī)內(nèi)凈化已經(jīng)很難滿足現(xiàn)行和未來嚴(yán)格的排放法規(guī)；電控技術(shù)成本較高對(duì)價(jià)格低廉、使用條件差的單缸柴油機(jī)而言也并不是最佳方案；因此采用催化轉(zhuǎn)化器對(duì)尾氣進(jìn)行處理，機(jī)內(nèi)外協(xié)同匹配優(yōu)化成為單缸柴油機(jī)技術(shù)升級(jí)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

為了發(fā)展一體式凈化消聲器，長期以來國內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)學(xué)者做了大量研究。Ted.V等[3]采用V型床配置設(shè)計(jì)氣體流動(dòng)較好的催化轉(zhuǎn)化消聲器，是凈化消聲器工程應(yīng)用上一次新的嘗試，但催化轉(zhuǎn)化和消聲效果并不理想；Charles H.B[4]發(fā)明了采用軸流單片催化元素處理發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣和降低噪聲的直流凈化消聲器，但消聲作用明顯降低；Kenneth[5]發(fā)明了入口處采用擴(kuò)張管，再接催化轉(zhuǎn)化器，氣體經(jīng)過催化轉(zhuǎn)化器后流入穿孔管內(nèi)，再從穿孔管流至另一穿孔管，最后穿過出口方式的凈化消聲器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程應(yīng)用較困難。國內(nèi)對(duì)凈化消聲器的研究比較晚，劉文國[6]對(duì)輕型汽車尾氣凈化消聲器進(jìn)行正交試驗(yàn)。哈爾濱工程大學(xué)[7-8]主要對(duì)柴油機(jī)的凈化消聲器進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)出幾款凈化消聲器模型。以上研究均以模擬計(jì)算為主，沒有試驗(yàn)驗(yàn)證；康鐘緒等[9-10]利用一維和三維相結(jié)合的方法進(jìn)行凈化消聲器的聲學(xué)仿真，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較大。

基于以上分析，本文設(shè)計(jì)了一種單缸柴油機(jī)用一體式凈化消聲器。通過對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能試驗(yàn)，以期提高催化器的轉(zhuǎn)化效率和使用壽命，同時(shí)滿足消聲作用，為單缸柴油機(jī)的機(jī)外凈化研究提供參考。

1 凈化消聲器評(píng)價(jià)指標(biāo)

單缸柴油機(jī)結(jié)構(gòu)空間受限，同時(shí)催化載體的蜂窩結(jié)構(gòu)具有一定的消聲作用[11]，因此單缸柴油機(jī)用凈化消聲器一般為一體式結(jié)構(gòu)，如圖1所示（文中定義為方案1），簡單的將原消聲器內(nèi)部的消聲結(jié)構(gòu)簡化或去除用以安裝催化轉(zhuǎn)化器。一體式凈化消聲器方案1在使用中存在以下2個(gè)問題：1）凈化消聲器內(nèi)部消聲結(jié)構(gòu)簡化或去除后，僅僅依靠穩(wěn)壓膨脹腔和催化器載體蜂窩結(jié)構(gòu)消聲，消聲降噪效果差；2）凈化消聲器內(nèi)部氣體流經(jīng)催化轉(zhuǎn)化器均勻性差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率低，催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部氣體集中流經(jīng)的區(qū)域催化劑易失活而氣體流量少的區(qū)域催化劑不起作用，催化器使用壽命短[12]。因此設(shè)計(jì)一種單缸柴油機(jī)用一體式凈化消聲器，滿足現(xiàn)行排放、噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求，具有重大的現(xiàn)實(shí)和理論意義。

圖1 凈化消聲器結(jié)構(gòu)示意圖（方案1）Fig.1 Structure diagram of purification muffler (First scheme)

消聲器按照消聲原理，可以分為3種常見的形式：阻性消聲器、抗性消聲器、阻抗復(fù)合式消聲器[7]。本文將無錫華源凱馬發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的186F單缸風(fēng)冷柴油機(jī)抗性消聲器作為研究對(duì)象，如圖2所示，采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，設(shè)計(jì)一種單缸柴油機(jī)用的一體式凈化消聲器并對(duì)其性能進(jìn)行研究。

圖2 186F柴油機(jī)抗性消聲器示意圖Fig.2 Structure diagram of reactive muffler of 186F diesel engine

評(píng)價(jià)柴油機(jī)排氣凈化消聲器的性能好壞，可以分為以下4個(gè)指標(biāo)：催化性能、聲學(xué)性能、空氣動(dòng)力性能以及結(jié)構(gòu)性能[7]，這4個(gè)指標(biāo)相互聯(lián)系又制約，在對(duì)排氣凈化消聲器進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí)，要對(duì)它們進(jìn)行綜合和權(quán)衡考慮。

2 凈化消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)性能方面，考慮到單缸柴油機(jī)消聲器結(jié)構(gòu)空間受限以及安裝使用的便捷性，設(shè)計(jì)中保持一體式凈化消聲器與原消聲器外形結(jié)構(gòu)尺寸基本一致；且采用高強(qiáng)度金屬蜂窩載體，保證凈化消聲器可靠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[13]。

一體式凈化消聲器內(nèi)部氣流的均勻性控制是凈化消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題[14]。氣流均勻性差將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排氣氣流集中流經(jīng)催化轉(zhuǎn)化器的少部分區(qū)域，氣流流速快，轉(zhuǎn)化效率低，且排氣集中流經(jīng)區(qū)域催化劑易失活，催化劑使用壽命較短。因此在一體式凈化消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將空氣動(dòng)力性能作為首要設(shè)計(jì)指標(biāo)，同時(shí)兼顧聲學(xué)性能。在空氣動(dòng)力性方面，除了排氣流動(dòng)均勻性問題還需盡可能減少凈化消聲器的壓力損失，流動(dòng)平均壓降增大，則排氣阻力也增大，最終將導(dǎo)致柴油機(jī)功率損失增大。

在聲學(xué)性能方面，擴(kuò)張管、穿孔板、穩(wěn)壓膨脹腔等是現(xiàn)代工業(yè)中廣泛采用的一類抗性消聲結(jié)構(gòu)[15]；擴(kuò)張管結(jié)構(gòu)簡單但平均壓降較大，常用于消聲能力不大的場(chǎng)合；穿孔板結(jié)構(gòu)消聲能力良好而且又解決了簡單擴(kuò)張管流動(dòng)阻力損失過高的問題而得到廣泛應(yīng)用[16]。因此在一體式凈化消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在排氣消聲器入口先采用穿孔管，穿孔板和穩(wěn)壓膨脹腔這三種既能優(yōu)化氣體流動(dòng)均勻性又具有一定消聲作用的結(jié)構(gòu)，后接催化轉(zhuǎn)化器，催化轉(zhuǎn)化器出口再用穩(wěn)壓膨脹腔接消聲器出口管，使一體式凈化消聲器消聲和催化轉(zhuǎn)化作用可以更好地發(fā)揮。

在催化性能方面，單缸柴油機(jī)尾氣凈化采用氧化催化方式，NOX完全依靠機(jī)內(nèi)凈化[17]，CO、HC和PM在機(jī)內(nèi)凈化的基礎(chǔ)上用氧化催化劑進(jìn)一步降低；同時(shí)考慮到柴油機(jī)部分負(fù)荷排氣溫度較低，采用低起燃溫度的氧化催化劑，可以有效的拓寬催化轉(zhuǎn)化器的工作范圍[18]。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)性能、空氣動(dòng)力性能、聲學(xué)性能以及催化性能的分析，初步確定了一體式凈化消聲器基本結(jié)構(gòu)，如圖3所示（文中定義為方案2），受消聲器安裝接口尺寸限制，多孔進(jìn)氣管軸線與多孔隔板穿孔區(qū)域中心以及催化轉(zhuǎn)化器軸線不在同一平面；多孔進(jìn)氣管在其輻射多孔隔板穿孔區(qū)域的管壁上均勻布置了孔徑相同的穿孔，多孔隔板在圓形穿孔區(qū)域布置相同孔徑的穿孔，同時(shí)保證多孔進(jìn)氣管和多孔隔板各自穿孔區(qū)域穿孔流通面積之和不小于進(jìn)氣管截面面積的1.5倍，這樣的設(shè)計(jì)可以有效減少凈化消聲器的壓力損失[19]；穩(wěn)壓腔與催化轉(zhuǎn)化器直徑相同且載體外層布置保溫石棉層（方案2中催化轉(zhuǎn)化器在凈化消聲器內(nèi)居中周邊石棉層均勻）。發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣通過多孔進(jìn)氣管穿孔進(jìn)入與多孔隔板形成的腔體進(jìn)行第一次穩(wěn)流與消聲；緊接著經(jīng)過多孔隔板穿孔進(jìn)入穩(wěn)壓腔進(jìn)行第二次穩(wěn)流與消聲；從穩(wěn)壓腔直接進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化器再次消聲并與催化劑反應(yīng)；最終進(jìn)入穩(wěn)壓膨脹腔,通過出氣管排出凈化消聲器。上述方案2設(shè)計(jì)中使用多孔進(jìn)氣管和多孔隔板結(jié)構(gòu)主要目的是保證排氣氣流在催化轉(zhuǎn)化器中的流動(dòng)均勻性，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化達(dá)到氣體流動(dòng)均勻性和消聲的雙重作用，下文將對(duì)本文設(shè)計(jì)的一體式凈化消聲器結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

圖3 一體式凈化消聲器方案2Fig.3 Second scheme of one-body purification muffler

3 凈化消聲器空氣動(dòng)力性能研究

本文采用金屬蜂窩載體，其參數(shù)如表1所示。

表1 載體參數(shù)Table 1 Parameters of catalytic converter

蜂窩載體可以近似的認(rèn)為是由許多大小相同的細(xì)管道組成，由于載體管道太細(xì)、太多，一般的試驗(yàn)手段難以了解這些管道內(nèi)的流動(dòng)，只能通過計(jì)算機(jī)模擬仿真的方法進(jìn)行研究。從工程的角度看，人們更多的是關(guān)心載體整體性能及其對(duì)氣流的影響，因此可以把蜂窩載體近似的作為一種多孔介質(zhì)，用當(dāng)量連續(xù)法進(jìn)行模擬[20]。由于蜂窩載體管道尺寸非常小，載體內(nèi)的氣流可以近似認(rèn)為是定常不可壓層流，并且當(dāng)多孔介質(zhì)具有很大阻力時(shí)，可以忽略動(dòng)量方程的對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)[20]，這時(shí)動(dòng)量方程就簡化為

式中Ki為滲透率，與當(dāng)?shù)厮俣却笮〕烧?；αi、βi為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；p為壓力，Pa；xi為壓力在x方向上分量，Pa；ui為速度在x方向上分量，m/s。在載體內(nèi)氣流只沿軸向流動(dòng)，軸向的α、β按照Hagen-Poiseuille公式確定；沿徑向和周向取無窮大，即認(rèn)為在這2個(gè)方向上沒有流動(dòng)。

3.1 凈化消聲器內(nèi)部流場(chǎng)模擬仿真結(jié)果及其分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案2建立三維幾何模型，采用Fluent軟件對(duì)其內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)的一體式凈化消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3.1.1 氣流運(yùn)動(dòng)控制方程及邊界條件

根據(jù)流體力學(xué)理論，凈化消聲器內(nèi)部氣體流動(dòng)可以近似看作三維可壓縮黏性流動(dòng)，利用連續(xù)方程、能量方程、動(dòng)量守恒方程和熱力學(xué)狀態(tài)方程耦合標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，建立凈化消聲器內(nèi)氣體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型[21]。

本文計(jì)算區(qū)域的邊界包括進(jìn)出口邊界和固體壁面2種：1）進(jìn)出口邊界：采用速度進(jìn)口（49.7 m/s，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定工況排氣流量計(jì)算而得）、壓力出口(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)邊界條件以及溫度和湍流參數(shù)；2）固壁邊界：固壁的溫度采用絕熱邊界條件。固壁的速度采用無滑移邊界條件，邊界層速度采用湍流面律條件[22]。

3.1.2 凈化消聲器數(shù)值模擬結(jié)果分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖4為一體式凈化消聲器方案2內(nèi)部氣流速度云圖，由圖4可知，由于原機(jī)消聲器本身結(jié)構(gòu)的限制，高速排氣氣流進(jìn)入多孔進(jìn)氣管后直接撞擊在進(jìn)氣管入口處管壁（此處為凈化消聲器內(nèi)部氣流速度最大點(diǎn)），撞擊后的氣流被管壁折射向遠(yuǎn)離進(jìn)氣管入口處一側(cè)的穿孔區(qū)域，因此方案2內(nèi)部的多孔進(jìn)氣管穿孔區(qū)域出氣氣流不均勻，遠(yuǎn)離進(jìn)氣管入口處一側(cè)的穿孔區(qū)域出氣量多，靠近進(jìn)氣管入口處一側(cè)的穿孔區(qū)域出氣量少。

圖4 方案2內(nèi)部速度云圖Fig.4 Internal velocity contour of second scheme

圖5為一體式凈化消聲器方案2和方案3內(nèi)部多孔隔板處氣流速度云圖，從圖中方案2云圖可以看出多孔隔板穿孔區(qū)域出氣不均勻，其右上部分穿孔區(qū)域出氣量較多。這主要是由多孔進(jìn)氣管軸線與多孔隔板穿孔區(qū)域中心以及催化轉(zhuǎn)化器軸線不在同一平面（以圖5方案2截圖位置為依據(jù)，多孔進(jìn)氣管相對(duì)位置偏多孔隔板穿孔區(qū)域右側(cè)），多孔隔板穿孔區(qū)域與多孔進(jìn)氣管穿孔區(qū)域之間距離過近以及多孔進(jìn)氣管穿孔區(qū)域本身出氣不均勻3個(gè)原因共同造成的。圖6為一體式凈化消聲器內(nèi)部氣流速度截圖，由圖6方案2截圖可以看出穩(wěn)壓腔內(nèi)部氣流速度不均勻，隨著截圖位置遠(yuǎn)離多孔進(jìn)氣管端，氣流速度均勻性越差，導(dǎo)致最終進(jìn)入催化器的氣流速度均勻性差。催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部氣流速度不均勻主要是由前期多孔進(jìn)氣管、多孔隔板以及穩(wěn)壓腔對(duì)氣流穩(wěn)流作用不足造成的，需進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖5 內(nèi)部多孔隔板速度云圖Fig.5 Internal velocity contour of perforated plate

圖6 一體式凈化消聲器內(nèi)部速度云圖Fig.6 Internal velocity contour of one-body purification muffler

根據(jù)上述一體式凈化消聲器方案2內(nèi)部流場(chǎng)模擬結(jié)果分析，對(duì)方案2內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。優(yōu)化措施主要包括：多孔進(jìn)氣管采用變孔徑小孔布置；催化轉(zhuǎn)化器在一體式凈化消聲器殼體內(nèi)部偏心布置，優(yōu)化后的一體式凈化消聲器結(jié)構(gòu)如圖7所示（文中定義為方案3）。

圖7 一體式凈化消聲器方案3Fig.7 Third scheme of one-body purification muffler

一體式凈化消聲器方案3內(nèi)部氣流速度云圖如圖8所示，由圖8可知，方案3中將遠(yuǎn)離進(jìn)氣管入口處一側(cè)的穿孔區(qū)域穿孔面積減小，而將靠近進(jìn)氣管入口處一側(cè)的穿孔區(qū)域穿孔面積增大有效地改善了多孔進(jìn)氣管穿孔區(qū)域的氣流均勻性。從圖5方案3多孔隔板處氣流速度截圖可以看出，將多孔隔板的穿孔區(qū)域和催化轉(zhuǎn)化器整體偏移使之與多孔進(jìn)氣管軸線在同一平面（方案3中催化轉(zhuǎn)化器在凈化消聲器內(nèi)偏置周邊石棉層不均勻）明顯改善了多孔隔板氣流速度均勻性。從圖6一體式凈化消聲器方案3內(nèi)部氣流速度截圖可以看出，將多孔隔板穿孔區(qū)域與多孔進(jìn)氣管穿孔區(qū)域之間距離增大，多孔隔板穿孔區(qū)域面積減小至與催化載體截面面積相同以及多孔進(jìn)氣管與多孔隔板間改為階梯型漸縮過渡的錐體導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可以對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的導(dǎo)向作用并優(yōu)化氣體流動(dòng)均勻性。上述的一系列優(yōu)化措施最終使得一體式凈化消聲器方案3的催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部氣流均勻性得到明顯的改善，從而提升了催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率和使用壽命。

圖8 方案3內(nèi)部速度云圖Fig.8 Internal velocity contour of thrid scheme

3.2 凈化消聲器穩(wěn)流試驗(yàn)結(jié)果及分析

在空氣動(dòng)力性方面，凈化消聲器的平均壓降也是一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，平均壓降增大，則排氣阻力也增大，最終將導(dǎo)致柴油機(jī)功率損失增大，一般柴油機(jī)的功率損失不宜超過3%～4%[23]。根據(jù)上述凈化消聲器內(nèi)部流場(chǎng)模擬結(jié)果分析，按照凈化消聲器方案3進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，利用穩(wěn)流氣道試驗(yàn)臺(tái)，控制氣門升程相同，調(diào)節(jié)壓差達(dá)到相同的流量，壓差越大側(cè)說明排氣阻力越大。圖9為消聲器流阻對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，由圖9可知一體式凈化消聲器方案3的流動(dòng)阻力整體小于原機(jī)消聲器。根據(jù)上述凈化消聲器內(nèi)部流場(chǎng)均勻性分析以及流阻試驗(yàn)結(jié)果分析，表明一體式凈化消聲器方案3空氣動(dòng)力性能較好，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。此外一體式凈化消聲器方案3質(zhì)量為3 002 g，相比于原機(jī)消聲器2 865多了137 g；但排量比基本保持不變。

圖9 消聲器的流動(dòng)阻力曲線Fig.9 Flow resistance curve of mufflers

4 整機(jī)性能試驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究和驗(yàn)證凈化消聲器的性能，在一臺(tái)已經(jīng)完成機(jī)內(nèi)凈化的186F柴油機(jī)上分別不安裝消聲器、安裝原機(jī)消聲器和安裝本文設(shè)計(jì)的凈化消聲器方案3，進(jìn)行整機(jī)性能試驗(yàn)。整機(jī)性能試驗(yàn)表明：樣機(jī)標(biāo)定功率6.3 kW,不安裝消聲器標(biāo)定工況比油耗256.4 g/kW·h,安裝原機(jī)消聲器標(biāo)定工況比油耗261.7 g/kW·h，安裝一體式凈化消聲器方案3標(biāo)定工況比油耗260.5 g/kW·h；安裝原機(jī)消聲器和一體式凈化消聲器方案3整機(jī)功率損失分別為1.65%和1.18%，功率損失基本保持不變。

根據(jù)上述一體式凈化消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)部流場(chǎng)均勻性結(jié)果分析以及整機(jī)功率損失分析表明方案3能夠較好的滿足結(jié)構(gòu)性能和空氣動(dòng)力性能。

4.1 凈化消聲器聲學(xué)性能研究

本文依據(jù)GB4760-1995《聲學(xué)消聲器測(cè)量方法》[24]，在柴油機(jī)標(biāo)定工況（3 600 r/min，6.3 kW）下，對(duì)分別安裝原機(jī)消聲器和一體式凈化消聲器方案3的樣機(jī)測(cè)量倍頻程聲壓級(jí)。圖10為額定工況下安裝原機(jī)消聲器和一體式凈化消聲器方案3的插入損失對(duì)比曲線。

圖10 插入損失對(duì)比試驗(yàn)曲線Fig.10 Curve of insertion loss

由圖10可知在中心頻率31.5～1 000 Hz范圍內(nèi)，一體式凈化消聲器方案3消聲量整體上大于原機(jī)消聲器，在中心頻率62.5 Hz處的最大消聲量可以達(dá)到16.6 dB；在中心頻率1 000～16 000 Hz范圍內(nèi)，一體式凈化消聲器方案3消聲量整體上小于原機(jī)消聲器。

同時(shí)本文依據(jù)GB1859-2000《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測(cè)量工程法及簡易法》[25]，在柴油機(jī)標(biāo)定工況（3 600 r/min，6.3 kW）下，對(duì)分別安裝原機(jī)消聲器和一體式凈化消聲器方案3的樣機(jī)進(jìn)行整機(jī)噪聲測(cè)定。表2為原機(jī)消聲器與一體式凈化消聲器方案3在9個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)對(duì)比，從表2中可以看出一體式凈化消聲器方案3除了測(cè)點(diǎn)3和7以外其他測(cè)點(diǎn)值均小于等于原消聲器，通過計(jì)算得安裝一體式凈化消聲器方案3的整機(jī)噪聲為108.6 dB(A)（聲功率級(jí)）略小于安裝原消聲器整機(jī)噪聲108.8 dB(A)，上述試驗(yàn)結(jié)果表明了一體式凈化消聲器方案3在聲學(xué)性能方面滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 九點(diǎn)聲壓級(jí)對(duì)比Table 2 Sound pressure level at nine points

4.2 凈化消聲器催化性能研究

一體式凈化消聲器設(shè)計(jì)的最終目的是希望通過尾氣后處理，機(jī)內(nèi)外協(xié)同匹配優(yōu)化的方法來使得成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單及新技術(shù)使用受限的單缸柴油機(jī)能夠滿足現(xiàn)行以及未來嚴(yán)格的排放法規(guī)。

表3是在一臺(tái)已經(jīng)完成機(jī)內(nèi)凈化的186F樣機(jī)上分別安裝原機(jī)消聲器、一體式凈化消聲器方案1和方案3進(jìn)行的整機(jī)八工況排放試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

表3 整機(jī)八工況排放試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Emission test results g·(kW·h)-1

由表3可知完成機(jī)內(nèi)優(yōu)化的186F樣機(jī)（原消聲器）初始CO為6.43 g/kW·h超限值，HC+NOX以及PM排放值已經(jīng)能夠達(dá)到非道路柴油機(jī)第Ⅲ階段排放限值，但劣化余量較小，耐久性試驗(yàn)后將很難再達(dá)到排放限值要求；安裝一體式凈化消聲器方案1（氧化催化）CO、HC、PM分別為1.19、0.62、0.43 g/kW·h，相比于原消聲器分別降低81.4%、60.3%、23.2%；安裝一體式凈化消聲器方案3（氧化催化劑量與方案1相同）CO、HC、PM分別為0.94、0.46、0.40 g/kW·h，相比于原消聲器分別降低85.4%，70.5%，28.6%。CO和HC排放的降低主要是因?yàn)榕c一體式凈化消聲器內(nèi)的氧化催化劑進(jìn)行了反應(yīng)，而PM的降低主要是因?yàn)轭w粒經(jīng)過進(jìn)行著氧化反應(yīng)的高溫蜂窩載體時(shí)，顆粒表面攜帶的油霧被烘干以及部分顆粒自燃。

整機(jī)八工況排放試驗(yàn)結(jié)果表明采用尾氣后處理，機(jī)內(nèi)外協(xié)同匹配優(yōu)化的方法可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的有害成分；同時(shí)一體式凈化消聲器方案3和方案1相比，CO、HC和PM的催化轉(zhuǎn)化效率分別提高了21.0%、25.8% 和7.0%。排放試驗(yàn)結(jié)果表明：凈化消聲器的空氣動(dòng)力性能的優(yōu)劣將會(huì)對(duì)其催化轉(zhuǎn)化效果產(chǎn)生重要的影響。此外柴油機(jī)按國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劣化試驗(yàn)后，整機(jī)排放已滿足國Ⅲ限值要求。

5 結(jié)論

1）為降低186F柴油機(jī)排放，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種單缸柴油機(jī)用一體式凈化消聲器。通過消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化了消聲器的空氣動(dòng)力性能，催化性能,聲學(xué)性能以及結(jié)構(gòu)性能。

2）186 F柴油機(jī)安裝使用結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化后的的一體式凈化消聲器，整機(jī)試驗(yàn)表明CO、HC、PM排放初次試驗(yàn)結(jié)果分別為0.94、0.46、0.40 g/kW·h，相比于僅完成機(jī)內(nèi)凈化柴油機(jī)排放分別降低了85.4%、70.5%和28.6%，整機(jī)噪聲略小于原消聲器。經(jīng)劣化試驗(yàn)，柴油機(jī)排放、噪聲滿足國家第Ⅲ階段排放限值和整機(jī)噪聲限值要求。

[1] 中國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)協(xié)會(huì)，《中國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)年鑒》編委會(huì).中國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)年鑒[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2012：35－36.

[2] GB/T 20891-2014，非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國三、四階段）[S].

[3] Ted V, Martin W. Catalytic converter-muffler[P]. US Patent: 3649213, 1972-04-14.

[4] Charles H B, James E D. Combination muffler and catalytic converter[P]. US Patent: 4050903, 1977-09-27.

[5] Kenneth E P. Catalytic converter muffler[P]. US Patent: 20090266644A1, 2009-10-29.

[6] 劉文國. 輕型汽車尾氣凈化器的凈化消聲及動(dòng)力性研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2003.

[7] 張丹玲. 柴油機(jī)排氣凈化消聲器聲學(xué)性能研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.

[8] 文志永. 柴油機(jī)排氣凈化消聲器總體性能研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.

[9] 康鐘緒，鄭四發(fā)，連小珉. 排氣凈化消聲器聲學(xué)性能數(shù)值仿真方法的研究[J]. 汽車工程，2011，33(3)：226－230. Kang Zhongxu, Zheng Sifa, Lian Xiaomin. A study on the numerical simulation method for the acoustic performance of exhaust catalytic muffler[J]. Automotive Engineering, 2011, 33(3): 226－230. (in Chinese with English abstract)

[10] 康鐘緒，季振林. 穿孔管消聲器消聲性能的有限元計(jì)算及分析[J]. 噪聲與振動(dòng)控制，2005，25(5)：18－20. Kang Zhongxu, Ji Zhenlin. Finite element calculation and analysis of acoustic attenuation performance of perforated tube silencers[J]. Noise and Vibration Control, 2005, 25(5): 18－20. (in Chinese with English abstract)

[11] 黎志勤，黎蘇. 汽車排氣系統(tǒng)噪聲與消聲器設(shè)計(jì)[M]. 北京：中國環(huán)境出版社，1991：29－35.

[12] 黃筱慶. 一種新型凈化消聲器的設(shè)計(jì)[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2014. Huang Xiaoqing. Design of a Novel Purifier Muffler[D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2014. (in Chinese with English abstract)

[13] Takashi Y, Noritoshi N. Studies on an automobile muffler with theacoustic characteristic of low pass filter and Helmholtz resonator[J]. Applied Acoustics, 2013, 74(1): 49－57.

[14] 田冬蓮，蘇清祖. 凈化消聲器性能研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1998，14(2)：114－118. Tian Donglian and Su Qingzu. Study on property of purification muffler[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1998, 14(2): 114－118. (in Chinese with English abstract)

[15] 福田基一，奧田襄介. 噪聲控制與消聲設(shè)計(jì)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1982：37－48.

[16] 左曙光，龍國，吳旭東，等. 隔板對(duì)汽車微穿孔管消聲器聲學(xué)特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(11)：53－60. Zuo Shuguang, Long Guo, Wu Xudong, et al. Effects of baffle on acoustic attenuation performance of micro-perforated tube muffler[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(11): 53－60. (in Chinese with English abstract)

[17] Takaaki M, Hajime Y, Yukio Y. Study of catalytic reduction of NOXin exhaust gas from a diesel engine[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 1998, 18(3): 220－230.

[18] 陳朝輝，張韋，陳貴升，等. 排氣溫度和催化基質(zhì)特性對(duì)柴油機(jī)排放的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(9)：42－49. Chen Zhaohui, Zhang Wei, Chen Guisheng, et al. Influence of exhaust temperature and catalytic substrate properties on diesel exhaust[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(9): 42－49. (in Chinese with English abstract)

[19] 李國祥，李娜，王偉，等. 消聲器內(nèi)部流場(chǎng)及溫度的數(shù)值分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2003，21(5)：337－340. Li Guoxiang, Li Na, Wang Wei, et al. Numerical analysis of the flow field and temperature field inside the muffler[J]. Transaction of CSICE, 2003, 21(5): 337－340. (in Chinese with English abstract)

[20] 帥石金，王建昕，莊人雋，等. 車用催化器流場(chǎng)數(shù)值模擬及其在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2000，18(2)：211－216. Shuai Jinshi, Wang Jianxing, Zhuang Renjuan, et al. Numerical simulation of flows in automotive catalytic converters and its applicaton on optimum syructure design[J]. Transaction of CSICE, 2000, 18(2): 211－216. (in Chinese with English abstract)

[21] 李以農(nóng)，路明，鄭蕾，等. 汽車排氣消聲器內(nèi)部流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31(10)：1094－1097. Li Yinong, Lu Ming, Zheng Lei, et al. Numerical simulation of the flow and temperature fields in an automotive exhaust muffler[J]. Journal of Chongqing University, 2008, 31(10): 1094－1097. (in Chinese with English abstract)

[22] 夏興蘭，楊雄，董堯清. 數(shù)值模擬方法在柴油機(jī)進(jìn)氣道改進(jìn)中應(yīng)用[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2002，20(5)：424－428. Xia Xinglan, Yang Xiong, Zhu Zhongwei, et al. Application of three-dimensional numerical simulation to diesel engine intake port[J]. Transaction of CSICE, 2002, 20(5): 424－428. (in Chinese with English abstract)

[23] 孔祥強(qiáng)，陳麗娟，李瑛. 制冷壓縮機(jī)排氣管消聲器聲學(xué)及阻力特性仿真分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(5)：59－64. Kong Xiangqiang, Chen Lijuan, Li Ying. Numerical analysis of acoustic and resistance performance of muffler in refrigeration compressor’s discharge pipe[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(5): 59－64. (in Chinese with English abstract)

[24] GB/T 4760-1995,聲學(xué)消聲器測(cè)量方法[S].

[25] GB/T 1859-2000,往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測(cè)量工程法及簡易法[S].

Design and performance test of one-body purification muffler of single cylinder diesel engine

Liu Shengji1, Zeng Jinjin1, Wang Jian1, Wang Yunlong2, Xie Minghua2
(1. School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212000, Chain; 2. Wuxi Worldbest KAMA Power CO.LTD., Wuxi 214000, Chain)

The large production of the single diesel engine is the characteristic of China internal combustion engine industry. But the environmental pollution is more serious and the large quantity of the single diesel engine is one of the main pollution sources. The exhaust after-treatment is a good measure of the diesel engine to reduce the emissions. In order to improve the emission performance of single cylinder diesel engine through external purification, the one-body purification muffler was designed. The functions of the one-body purification muffler were noise elimination and emission purification. The internal velocity uniformity was one of the most important aspects of the structure design of the one-body purification muffler. Numerical simulation and performance test were adopted in the structure design and performance optimization of the one-body purification muffler to optimize the catalytic performance, acoustic performance, aerodynamic performance and structural performance. Numerical simulation was used to analyze the internal airflow velocity field of one-body purification muffler to optimize the internal structure. The reasonable internal structure of the one-body purification muffler could effectively improve the catalytic conversion efficiency and the service life. Performance test was used to analyze the catalytic performance, acoustic performance and aerodynamic performance of the one-body purification muffler. According to the results of the performance test, the internal structure of the one-body purification muffler was improved. The results of overall performance test showed that the test prototype with the third scheme of one-body purification muffler had the advantages of low power loss, low flow resistance and high noise elimination. The power loss of the one-body purification muffler based on the third scheme was 1.18%, which was reduced by 28.5% compared with the original muffler. The flow resistance of one-body purification muffler based on the third scheme was lower than the original muffler. With the third scheme of one-body purification muffler, the engine noise was 108.6 dB, which remained the same compared with the original muffler. The results of overall emission test showed that the test prototype with the third scheme of one-body purification muffler had the advantage of low exhaust emission value. The measured values of carbon monoxide (CO), hydrocarbon (HC) and particulate matter (PM) were 0.94, 0.46 and 0.4 g/kW·h respectively, which were reduced by 85.4%, 70.5% and 28.6% respectively, compared with the original muffler. But the measured value of nitrogen oxide (NOx) remained the same compared with the original muffler. Besides, the measured values of CO, HC and PM of the third scheme of one-body purification muffler were reduced by 21.0%, 25.8% and 7.0% respectively compared with the second scheme of one-body purification muffler because of the optimizations of the aerodynamic performance and the structural performance. After the endurance test, the exhaust emission values of the third scheme of one-body purification muffler still met the third phase limits. The third scheme of one-body purification muffler can improve the emission performance of single cylinder diesel engine through external purification effectively and optimize the catalytic performance, the acoustic performance, the aerodynamic performance and the structural performance. The research provides theoretical and technical references for the design of the one-body purification muffler of the single diesel engine.

diesel engines; emission control; design; muffler; catalyst converter; performance

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.009

TK417+.1

A

1002-6819(2016)-09-0060-07

劉勝吉，曾瑾瑾，王 建，王云龍，謝明華. 單缸柴油機(jī)一體式凈化消聲器設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(9)：60－66.

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.009 http://www.tcsae.org

Liu Shengji, Zeng Jinjin, Wang Jian, Wang Yunlong, Xie Minghua. Design and performance test of one-body purification muffler of single cylinder diesel engine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(9): 60－66. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.009 http://www.tcsae.org

2015-08-24

2016-01-14

江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程（蘇證辦發(fā)[2015]）

劉勝吉，男，江蘇贛榆縣人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事中小功率內(nèi)燃機(jī)工作過程和性能優(yōu)化。鎮(zhèn)江 江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，21200。Email：liusj@ujs.edu.cn