伏軍，康文杰，倪小輝，張增峰，李劍星

(邵陽學(xué)院 機械與能源工程系，湖南 邵陽，422000)

BH175F柴油機消聲器實驗及改進(jìn)研究

伏軍，康文杰，倪小輝，張增峰，李劍星

(邵陽學(xué)院 機械與能源工程系，湖南 邵陽，422000)

對BH175F柴油機消聲器進(jìn)行了聲壓實驗和煙度分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該消聲器的排氣聲壓值較高，且該柴油機的尾氣煙度較大。為此，基于對消聲器理論和實驗研究經(jīng)驗，對原消聲器進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以得到一種既具有較好消聲效果，又擁有良好尾氣凈化效果的新型消聲器。再對新型消聲器進(jìn)行實驗，結(jié)果表明，新型消聲器較原消聲器的消聲效果有所提高，排氣尾氣的煙度有所降低，達(dá)到了結(jié)構(gòu)改進(jìn)的目的，具有一定的工程意義。

柴油機；消聲器；煙度；凈化消聲

柴油機因其具有良好的機動性、功率高，制造成本低以及攜帶方便等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)村。但它在工作過程中會持續(xù)不斷的產(chǎn)生排氣噪聲以及尾氣污染物，從而造成噪音污染和環(huán)境污染，會嚴(yán)重影響到人們的身心健康[1-2]。通過安裝排氣凈化消聲器是減少柴油機的噪聲和環(huán)境污染的有效方式。如何提高消聲器的消音效果以及凈化性能成為了許多學(xué)者的研究目標(biāo)。伏軍[3-4]等通過實驗和數(shù)值仿真計算研究了不同孔密度排氣消聲器對柴油機消聲性能的影響，發(fā)現(xiàn)較高的穿孔率會降低消聲器噪聲的消除量而影響其消聲效果，而較低的穿孔率很容易產(chǎn)生強烈的渦流，當(dāng)腔體氣體流過該過程時將不會平滑和不穩(wěn)定。胡習(xí)之[5]等通過發(fā)動機實驗臺架對某汽車排氣消聲器的排氣背壓，噪聲等進(jìn)行實驗以及CFD分析，提出改進(jìn)方案并通過實驗驗證了方案的可行性；運偉國[6]等在對某款重型汽車及標(biāo)桿車排氣系統(tǒng)的多工況進(jìn)行插入損失實驗時發(fā)現(xiàn)其消聲性能的不足，最終通過改進(jìn)來提升其消聲效果；杜江[7]等通過實驗研究探討了氣流流速大小和消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對插入管消聲器聲學(xué)特性的影響并獲得相關(guān)規(guī)律；邊杰[8]等發(fā)現(xiàn)消聲器的容積在一定范圍內(nèi)，隨著容積逐漸增大，其排氣噪音會降低；王鍵[9]等發(fā)現(xiàn)消聲器的擴張比在一定范圍內(nèi)，隨著擴張比的增加，消聲器的傳遞損失也會增加；方智[10]等發(fā)現(xiàn)設(shè)置特定的插管長度和進(jìn)出口位置可以消除消聲器的通過頻率,進(jìn)而改善消聲器中低頻的消聲性能；方忠甫[11]等發(fā)現(xiàn)當(dāng)內(nèi)插管的插入長度增加時，消聲器在中高低頻段的傳遞損失會有所增加，且峰值向低頻方向移動；孟曉宏[12]等通過三維有限元模型分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓縮機消聲器的消聲性能的影響以及對該消聲器進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)并取得良好的效果。本文通過對BH175F柴油機消聲器進(jìn)行實驗研究，在總結(jié)前人對消聲器理論和實驗研究的基礎(chǔ)上，對原消聲器的結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)方案，最終獲得一款具有更好消聲和凈化效果的消聲器。

1 實驗研究分析

1.1 消聲器結(jié)構(gòu)

如圖1所示，消聲器主要由排氣插孔管1，擴張室2，篩孔隔板3，連接螺桿4，緊固螺母5，進(jìn)氣內(nèi)插管6以及安裝托架7組成，其中擴張室2由篩孔隔板4分離成B、C兩個共振腔室，其中B、C共振腔室長度分別為36mm、101mm。消聲器的腔體總長為140mm,直徑為80mm；進(jìn)氣內(nèi)插管6直徑為31mm，排氣穿孔管1直徑為25mm，其插入長度為36mm；圖中L1為前腔室長度，L2為后腔室長度。

1.排氣穿孔管 2.擴張室 3.篩孔隔板 4.連接螺桿 5.緊固螺母 6.進(jìn)氣內(nèi)插管 7.安裝托架B.第二共振腔 C.第一共振腔圖1 消聲器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the muffler structure

1.2 實驗結(jié)果分析

應(yīng)用柴油機實驗臺架對BH175F柴油機消聲器進(jìn)行實驗研究，其中實驗過程均嚴(yán)格按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4759-2009《內(nèi)燃機排氣消聲器測量方法》實施[13]，且測試設(shè)備和試驗條件均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。通過實驗采集消聲器排氣噪聲的聲壓值以及排氣煙度數(shù)據(jù)，對消聲器的排氣聲壓級和煙度測量實驗示意圖如圖2所示，在實驗過程中，柴油機的載荷調(diào)節(jié)范圍為2-12(N·m)，以2N·m載荷遞增；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為1200r/min-2400r/min，以400r/min轉(zhuǎn)速遞增，依次對實驗所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，最后進(jìn)行匯總。最后實驗所得消聲器排氣噪聲的聲壓值測量所得數(shù)據(jù)以及排氣煙度測量值分別如表1、表2所示。

a)聲壓級測量示意圖a)Sound pressure level measurement diagram

b)煙度測量示意圖B)Smoke measurement diagram1.柴油機排氣管 2.排氣消聲器 3.聲級計 4.隔音墻 5.煙度計測量單元 6.煙度控制單元圖2 測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of the measurement

結(jié)合表1中各個實驗所得的消聲器排氣聲壓數(shù)據(jù)，繪制出聲壓圖如圖3所示。根據(jù)圖3可知，當(dāng)柴油機在保持同一轉(zhuǎn)速下時，隨著轉(zhuǎn)矩增加，消聲器的排氣聲壓值逐漸增大；當(dāng)柴油機在保持轉(zhuǎn)矩不變時，隨著轉(zhuǎn)速逐漸增加，消聲器的排氣聲壓值逐漸增大；當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)矩為2 N·m，轉(zhuǎn)速為1200r/min時，消聲器的排氣聲壓級最小，為89.1dB；當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)矩為12 N·m，轉(zhuǎn)速為2400r/min時，消聲器的排氣聲壓級最大，為97.8dB；從整體上綜合分析，可以得出該消聲器的排氣聲壓值在整體上比較高，存在改進(jìn)的空間。

表1 消聲器排氣噪聲聲壓值(dB)測量結(jié)果

圖3 消聲器聲壓圖Fig.3 Sound pressure chart of the muffler

結(jié)合表2中各個實驗所得的消聲器排氣煙度數(shù)據(jù)，繪制出煙度圖如圖4所示。根據(jù)圖4可知，在柴油機保持在1200r/min，1600r/min的較低轉(zhuǎn)速時，隨著轉(zhuǎn)矩增加，消聲器的排氣煙度呈現(xiàn)先逐漸增大后減小的趨勢；而當(dāng)保持在2000r/min，2400r/min的較高轉(zhuǎn)速時，隨著轉(zhuǎn)矩增加，消聲器的排氣煙度呈現(xiàn)出逐漸增大趨勢。從實驗現(xiàn)場以及實驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)柴油機在低轉(zhuǎn)矩，低轉(zhuǎn)速條件下由于油氣燃燒充分產(chǎn)生碳煙量較少，隨著轉(zhuǎn)矩增加，過量空氣系數(shù)不斷減小，造成了不完全燃燒，產(chǎn)生了較多的碳煙微粒，致使柴油機尾氣煙度較大，可以考慮對消聲器進(jìn)行改進(jìn)而減少其尾氣的煙度。

表2 消聲器排氣煙度(N%)測量值

圖4 消聲器煙度圖Fig.4 Smoke figure of the muffler

2 新型消聲器設(shè)計

根據(jù)對原消聲器的實驗以及分析結(jié)果，為進(jìn)一步改善該消聲器的消聲效果以及降低柴油機尾氣的煙度，基于前人對消聲器的理論和實驗研究，對原消聲器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理的分析，提出新的結(jié)構(gòu)方案如下：如圖5所示，該新型消聲器主要由排氣穿孔管1，后擴張室2，前擴張室3，泡沫陶瓷4，內(nèi)插孔管5，進(jìn)氣內(nèi)插管6等主要部分組成。殼體總長為235mm，兩個腔室功能各不相同，前腔室B為進(jìn)氣消聲腔，長度為 140mm，主要消除低頻噪聲，后腔室A為排氣消聲腔，長度為70mm，主要用以消除高頻噪聲。微粒凈化泡沫陶瓷設(shè)置在前后腔之間，厚度設(shè)置為25mm，用以過濾、吸附尾氣的微粒，減少尾氣的排放污染物。另新型消聲器與原消聲器主要更改參數(shù)對比如表3所示。

表3 新型消聲器與原消聲器對比表

圖5 新型消聲器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the new muffler

3 實驗對比驗證

為驗證所得新型消聲器相對于原消聲器的消聲效果以及凈化效果，對其進(jìn)行實驗，其中實驗的方式以及過程和原消聲器的一致，實驗所得新型消聲器的排氣聲壓級數(shù)據(jù)和尾氣煙度數(shù)據(jù)如表4、表5所示。

表4 新型消聲器排氣聲壓級(dB)測量值

表5 新型消聲器排氣煙度(N%)測量值

3.1 排氣聲壓級對比

根據(jù)對新原消聲器的實驗數(shù)據(jù)，繪制出兩個消聲器在同一轉(zhuǎn)矩，不同轉(zhuǎn)速下的排氣聲壓級對比圖如圖6所示。

圖6 新原消聲器聲壓級對比圖Fig.6 Comparison of the sound pressure level of the new muffler and the original muffler

結(jié)合表4和圖6可知，當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速為某一固定值時，隨著轉(zhuǎn)矩增加，新型消聲器的排氣聲壓值變化規(guī)律與原消聲器的保持一致，呈逐漸增加的趨勢；當(dāng)柴油機的轉(zhuǎn)矩為某一固定值時，隨著轉(zhuǎn)速增加，新型消聲器的排氣聲壓值變化規(guī)律與原消聲器的保持一致，呈逐漸增加的趨勢。同時可以得出，新型消聲器的排氣聲壓值在整體上均比原消聲器要小，具有較好的消聲效果，特別在轉(zhuǎn)速為1600r/min時，新型消聲器的整體消聲效果非常顯著，較原消聲器有明顯的改善。

3.2 排氣煙度對比

根據(jù)對新原消聲器的實驗數(shù)據(jù)，繪制出兩個消聲器在同一轉(zhuǎn)矩，不同轉(zhuǎn)速下的排氣聲壓級對比圖如圖7所示。

圖7 新原消聲器煙度對比圖Fig.7 Comparison the smoke of the new muffler and the original muffler

結(jié)合表5和圖7可知，在柴油機保持在1200r/min，1600r/min的較低轉(zhuǎn)速時，隨著轉(zhuǎn)矩增加，新型消聲器的排氣煙度逐漸增加，但在較高轉(zhuǎn)矩狀態(tài)時，煙度增加的趨勢較為平緩；而當(dāng)保持在2000r/min，2400r/min的較高轉(zhuǎn)速時，隨著轉(zhuǎn)矩增加，新型消聲器的排氣煙度的變化規(guī)律基本與原消聲器的保持一致，呈逐漸增大的趨勢。根據(jù)新型消聲器的煙度實驗數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，相對于原消聲器來說，其排出尾氣的煙度在整體上得到較大的減少，對柴油器排氣尾氣的煙度具有一定的凈化效果。

4 結(jié)語

(1)本文對BH175F柴油機消聲器的排氣進(jìn)行聲壓實驗和煙度分析，發(fā)現(xiàn)該消聲器的排氣聲壓值較高，尾氣煙度較大。為此，基于消聲器理論和實驗研究經(jīng)驗，對原消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，獲得一種既具有好的消聲效果，又具有良好尾氣凈化效果的新型消聲器；

(2)對新型消聲器的排氣聲壓進(jìn)行實驗，將所得實驗結(jié)果與原消聲器進(jìn)行對比，結(jié)果表明，新型消聲器排氣聲壓級較原消聲器有所降低，整體消聲效果良好。再對新型消聲器的尾氣煙度進(jìn)行實驗，將所得的實驗結(jié)果與原消聲器進(jìn)行對比，結(jié)果表明，新型消聲器的排氣煙度較原消聲器來說有明顯的降低效果，具有良好的凈化效果。

(3)通過實驗驗證所得新型消聲器及具有良好的消聲效果，又具有好的尾氣凈化效果，達(dá)到了對原消聲器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)的目的，具有一定的工程意義。

[1]林波藝.噪聲污染對人體的危害及防治對策[J].環(huán)境,2009,(S1):119-120.

[2]唐維新, 王本亮, 唐楚峰. 小型柴油機排氣凈化消聲器的研制[J]. 邵陽學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 2010, 07(4):22-25.

[3]Jun Fu,Wei Chen,Yuan Tang,et al.Modification of exhaust muffler of a diesel engine based on finite element method acoustic analysis[J].Advances in Mechanical Engineering,2015,7(4):1-2.

[4]Jun Fu,JianxingLi,W Chen,et al.Performance study of the exhaust purification muffler of a diesel engine[J].Multidiscipline Modeling in Materials and Structures,2016,12(4):635-647.

[5]胡習(xí)之,劉蛟龍,林光典.汽車排氣消聲器性能測試及優(yōu)化研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2014,14(17):295-298.

[6]運偉國,武智方,鄧超.排氣消聲器對加速行駛車外噪聲的影響分析[J].噪聲與振動控制,2015,35(4):71-74.

[7]杜江,歐陽華,杜朝輝.氣流影響下的插入管消聲器聲學(xué)特性的實驗研究[J].噪聲與振動控制,2010,30(4):104-109.

[8]邊杰,季振林,劉晨.消聲器結(jié)構(gòu)對排氣噪聲和發(fā)動機性能的影響[J].汽車工程,2011,33(6):541-544.

[9]王鍵,陳凌珊.結(jié)構(gòu)參數(shù)對抗性消聲器消聲性能的影響分析[J].小型內(nèi)燃機與摩托車,2010,39(3):86-88.

[10]方智,季振林.插管結(jié)構(gòu)對膨脹腔消聲器聲學(xué)性能的影響[J].聲學(xué)學(xué)報,2014,(6):738-744.

[11]方忠甫,劉正士.形狀參數(shù)對消聲器性能影響的數(shù)值分析[J].噪聲與振動控制,2006,26(3):96-98.

[12]孟曉宏,金濤.復(fù)雜結(jié)構(gòu)消聲器消聲特性的數(shù)值分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].振動工程學(xué)報,2007,20(1):97-100.

[13]GB/T4759-2009，內(nèi)燃機排氣消聲器測量方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

Research on experiment and improvement of a muffler for the BH175F disel engine

FU Jun,KANG Wenjie,NI Xiaohui,ZHANG Zengfeng,LI Jianxing

(Department of Mechanical and Energy Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China)

Taking the BH175F diesel engine muffler as the research object, the sound pressure test and smoke analysis were carried out.The result showed that the sound pressure of the muffler was higher, and the exhaust gas of the diesel engine was larger. To this end, based on the previous theory and experimental research experience of muffler, the structural of original muffler was improved to get a new muffler, which had a better silencing effect and a good tail gas purification effect. Then made experiment on the new muffler, the results showed that the silencing effect of the new muffler was higher than that of the original muffler, and the smoke degree of the new exhaust gas was reduced, which had reached the purpose of structural improvement and has certain engineering significance.

diesel engine; muffler; smoke degree; purification muffler

1672-7010(2017)02-0048-06

2017-02-15

國家自然科學(xué)基金資助項目(91541121)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年項目(16B235)；邵陽市科技計劃項目(2016GX01)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項目(CX2016B686)；邵陽學(xué)院研究生科研創(chuàng)新項目(CX2015Y030)。

伏軍(1979-)，男，湖南岳陽人，副教授，博士，從事發(fā)動機排放控制與燃燒技術(shù)研究；E-mail：4160@hnsyu.edu.cn

TK421+.6

A