工程機(jī)械柴油機(jī)用排氣消聲器優(yōu)化分析

楊化軍，林棟棟，于靜

（中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平、工程技術(shù)水平、設(shè)備制造水平等方面的逐步發(fā)展，越來(lái)越多的機(jī)械化工程項(xiàng)目出現(xiàn)在社會(huì)環(huán)境中，極大程度地推動(dòng)了城市化戰(zhàn)略的邁進(jìn)步伐。但隨之而來(lái)的，工程機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中引發(fā)的噪聲污染問(wèn)題也一直為人所詬病。在此背景下，如何提高工程建設(shè)中機(jī)械設(shè)備的環(huán)保降噪水平，就成了社會(huì)各界普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。據(jù)此，我們有必要對(duì)工程機(jī)械柴油機(jī)用排氣消聲器的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)展開(kāi)探究討論。

1 工程機(jī)械柴油機(jī)用排氣消聲器的優(yōu)化背景

從原理上講，柴油機(jī)主要通過(guò)柴油燃燒實(shí)現(xiàn)能量釋放，繼而為工程機(jī)械設(shè)備提供充足的動(dòng)力支持。在其運(yùn)行過(guò)程中，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)需要經(jīng)歷 進(jìn)氣→壓縮→做功→排氣 的循環(huán)過(guò)程，因此，勢(shì)必會(huì)因氣體流動(dòng)而產(chǎn)生較大的排氣噪音。此時(shí)，通過(guò)配置排氣消聲器，可顯著弱化柴油機(jī)的排氣聲量，從而降低工程機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的噪聲污染程度，為周邊人員營(yíng)造出相對(duì)優(yōu)質(zhì)的聲音環(huán)境。

在排氣消聲器的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，其主要通過(guò)構(gòu)建反相位聲場(chǎng)、轉(zhuǎn)移噪聲頻譜、消解噪聲性能等方式，提高柴油機(jī)排氣噪音在外化傳播過(guò)程中的傳遞損失。通常來(lái)講，排氣消聲器所造成的傳遞損失越高，排氣噪音的傳遞能力越弱，最終工程機(jī)械設(shè)備所體現(xiàn)出的消音效果也就越好。反之，排氣消聲器若無(wú)法對(duì)柴油機(jī)排氣噪音形成高水平的傳遞損失作用，使得處理后的噪音仍在污染標(biāo)準(zhǔn)以上，工程機(jī)械設(shè)備的消音效果也就大打折扣。

從目前相關(guān)學(xué)界的研究結(jié)果來(lái)看，排氣噪音的傳遞損失只取決于排氣消聲器的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。因此，在開(kāi)展工程機(jī)械柴油機(jī)用排氣消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)全面著眼于消聲器結(jié)構(gòu)的趨優(yōu)改進(jìn)。

圖1 柴油機(jī)用排氣消聲器

2 工程機(jī)械柴油機(jī)用排氣消聲器的優(yōu)化重點(diǎn)

2.1 排氣消聲器的通氣面積

在柴油機(jī)排氣噪音的發(fā)生與傳播過(guò)程中，氣體流動(dòng)速度是重要的影響指標(biāo)。一般來(lái)講，氣流速度越快，空氣振動(dòng)越強(qiáng)烈，噪音量級(jí)也就越大。反之，若氣流速度慢下來(lái)，柴油機(jī)排氣的噪音強(qiáng)度便會(huì)隨之減弱。同時(shí)，減緩氣流速度，也有助于降低氣流對(duì)排氣消聲器腔體內(nèi)壁的侵襲影響，從而保障消聲器的性能穩(wěn)定，延長(zhǎng)消聲器的使用壽命。從目前來(lái)看，最直接、最有效的氣流速度減緩方式，就是擴(kuò)大排氣消聲器內(nèi)部氣流通過(guò)的橫截面積。在固定氣體流量的背景下，氣流的通過(guò)面積越大，其擴(kuò)張比也就越高，流動(dòng)速度就越慢。所以，在工程機(jī)械柴油機(jī)用排氣消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，相關(guān)人員可適當(dāng)改變排氣消聲器管腔結(jié)構(gòu)的橫截面積，以達(dá)到相對(duì)理想的噪聲減弱效果。從目前來(lái)看，為了發(fā)揮出排氣消聲器的消聲作用，同時(shí)，也為了保證柴油機(jī)氣體排放的相對(duì)穩(wěn)定，可以將氣體的流動(dòng)速度控制在40～60m/s。這樣一來(lái)，可以在不影響工程機(jī)械設(shè)備使用質(zhì)量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)聲音環(huán)境質(zhì)量的適宜化改善。

2.2 排氣消聲器的腔體參數(shù)

目前，為了達(dá)到更好的排氣消聲效果，工程機(jī)械柴油機(jī)用排氣消聲器大多采用多管腔的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。此時(shí)，通過(guò)調(diào)整管腔的數(shù)量、長(zhǎng)度等參數(shù)，也能達(dá)到一定的消聲性能優(yōu)化效果。

（1）工程機(jī)械柴油機(jī)運(yùn)行排氣過(guò)程中所產(chǎn)生的噪聲可以分為高頻與低頻兩種。其中，高頻噪聲為尖利、大聲量的噪聲，其具有高分貝、衰減快的特點(diǎn)。相比之下，低頻噪聲的分貝并不高，但其衰減速度很慢，因此，會(huì)表現(xiàn)出長(zhǎng)距離、持續(xù)性的污染特點(diǎn)。在排氣消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，相關(guān)人員對(duì)這兩種噪聲的消解質(zhì)量都要提起重視。理論標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)計(jì)排氣消聲器的管腔數(shù)量時(shí)，管腔越多，消聲器對(duì)高頻噪音的消解損失作用越強(qiáng)。但當(dāng)管腔數(shù)量達(dá)到某一程度后，消聲器對(duì)低頻噪音的消解損失作用也會(huì)逐漸減弱。所以，相關(guān)人員務(wù)必要進(jìn)行多次的建模分析或設(shè)備試驗(yàn)，尋找出高頻噪音與低頻噪音的協(xié)調(diào)峰值，并以此作為排氣消聲器管腔數(shù)量設(shè)計(jì)的最優(yōu)化方案。

（2）排氣消聲器的管腔數(shù)量越多，其加工制造的結(jié)構(gòu)也就越復(fù)雜，進(jìn)而形成更高的投入成本。所以，相關(guān)人員在優(yōu)化改造工程機(jī)械柴油機(jī)的排氣消聲器時(shí)，還要充分考慮相關(guān)單位、人員的成本預(yù)期與投入要求，以確保最終優(yōu)化方案達(dá)成技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的有機(jī)統(tǒng)一。

（3）在多管腔結(jié)構(gòu)的背景下，工程機(jī)械柴油機(jī)用排氣消聲器的各個(gè)管腔在長(zhǎng)度、功能等方面具有一定差異性。例如，常規(guī)設(shè)計(jì)背景下，排氣消聲器的第一腔是最長(zhǎng)的，并承擔(dān)著降低氣流速度的功能任務(wù)。此時(shí)，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，將消聲器的最后一腔改為最長(zhǎng)腔，可實(shí)現(xiàn)管腔內(nèi)部溫度的進(jìn)一步上升。由于溫度與消聲峰值、傳遞損失成正比，所以能更好地發(fā)揮出排氣消聲器的性能作用，降低工程機(jī)械設(shè)備在生產(chǎn)運(yùn)行中的噪聲污染規(guī)模。但需要注意的是，這一研究結(jié)果并不具備普適性，相關(guān)人員在優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)踐中，應(yīng)秉持因器制宜、因時(shí)制宜的原則，對(duì)排氣消聲器各管腔的長(zhǎng)度進(jìn)行適宜性配置。

2.3 排氣消聲器的材料元件

現(xiàn)階段，工程機(jī)械柴油機(jī)中可用的排氣消聲器已發(fā)展有多種類型，如阻抗型、有源型、孔板型等，其結(jié)構(gòu)組成、功能生成的材料與元器件也不盡相同。例如，部分阻抗型排氣消聲器會(huì)在管腔內(nèi)填充一定量的吸聲材料，從而使柴油機(jī)所排氣流、聲波在傳播過(guò)程中受到阻隔與吸收，從而將最終排出的噪音控制在較低水平。此時(shí)，吸聲材料的填充量、填充結(jié)構(gòu)、選用類型，就會(huì)在很大程度上影響排氣消聲器的應(yīng)用效果；再如，孔板型排氣消聲器主要是在排氣聲器的管腔壁板上鉆出多個(gè)小孔。

當(dāng)聲波隨著柴油機(jī)所排氣體向外傳播時(shí)，小孔便會(huì)對(duì)氣流形成分散作用，并將聲波的頻譜導(dǎo)向高頻、超高頻。這樣一來(lái)，人們聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)所能感知到的噪音將明顯變少，從而達(dá)到環(huán)保降噪的目的。在此過(guò)程中，管腔壁板上孔洞的鉆開(kāi)面積、鉆孔數(shù)量均會(huì)對(duì)排氣消聲器的應(yīng)用效果產(chǎn)生影響。所以，相關(guān)人員在開(kāi)展工程機(jī)械柴油機(jī)用排氣消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)明確分析排氣消聲器的結(jié)構(gòu)類型與作用機(jī)理，并制定出科學(xué)、穩(wěn)定的材料選擇與元件改造方案。

此外，基于經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面考量，相關(guān)人員在選擇吸聲材料、隔音材料或改造消聲器元件時(shí)，一方面，要盡可能地選擇 物美價(jià)廉 的材料或器件類型，避免盲目追求消聲效果、引發(fā)成本浪費(fèi)風(fēng)險(xiǎn)的情況發(fā)生。另一方面，要保證所選材料、器件具備良好的綜合性能，如耐高溫、耐潮濕、抗腐蝕、抗應(yīng)力等，以確保排氣消聲器在改造完成后，可表現(xiàn)出良好的長(zhǎng)壽質(zhì)量，并與相對(duì)復(fù)雜、惡劣的工程機(jī)械設(shè)備運(yùn)行環(huán)境達(dá)成匹配。

3 工程機(jī)械柴油機(jī)用排氣消聲器的優(yōu)化思路

基于以上，提出兩種工程機(jī)械柴油機(jī)用排氣消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路：

（1）對(duì)排氣消聲器進(jìn)行三管腔、回流式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其外殼規(guī)格為230×283mm，設(shè)置管腔體系中最后一腔的長(zhǎng)度為最長(zhǎng)。在此基礎(chǔ)上，采取孔板穿接的方式，實(shí)現(xiàn)第一管腔與第二管腔的連通。對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)基本相同，外殼規(guī)格分別為210×283mm、220×283mm、230×283mm的三個(gè)排氣消聲器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)殼體直徑達(dá)到230mm這一最大值時(shí)，柴油機(jī)的噪音污染最小，即消聲效果最好。

（2）對(duì)排氣消聲器進(jìn)行單管腔、孔板式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其外殼規(guī)格為173×264mm，管腔壁板的開(kāi)孔數(shù)量為100個(gè)，孔徑參數(shù)為5mmφ。在試驗(yàn)中運(yùn)算得知，該工程機(jī)械柴油機(jī)的排氣管徑為34mmφ，計(jì)算后其氣體流通面積為578π。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，排氣消聲器的管腔橫截面積為625π，遠(yuǎn)高于柴油器自身的氣流面積。因此，該方案可以表現(xiàn)出良好的排氣噪聲處理效果。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，柴油機(jī)用排氣消聲器的質(zhì)量水平，在很大程度上影響著工程機(jī)械設(shè)備的噪聲污染控制能力。

所以，相關(guān)人員在排氣消聲器的優(yōu)化改造實(shí)踐中，必須要著眼于氣體流動(dòng)速度、氣體流動(dòng)面積、管腔結(jié)構(gòu)、工藝類型、材料元件等多個(gè)方面，尋找出噪聲傳遞損失與投入性價(jià)比兼優(yōu)的合理優(yōu)化方案，為機(jī)械化工程建設(shè)活動(dòng)的綠色環(huán)保開(kāi)展夯實(shí)設(shè)備條件。