農用柴油機進排氣噪聲的消聲方法

李寧

由于內燃機的廣泛應用，使內燃機成了城市交通噪聲及其他環境噪聲的重要噪聲源之一。現代內燃機的噪聲級一般為85～110 dB（A）。噪聲對人的危害涉及到生理、精神和感情等多方面，影響人們正常生活，損害聽力，引起多種疾病，降低工作效率。通常汽油機的噪聲級較柴油機低。現代柴油機的噪聲大大超過了環境保護允許值，從保護操作者聽力的要求出發，應該研究柴油機噪聲機理及降操措施。

柴油機作為噪聲源，按其輻射方式可分為直接向大氣輻射的氣體動力噪聲和通過柴油機外表面間接輻射的表面噪聲兩大類。前者主要包括排氣噪聲、進氣噪聲和風扇噪聲等，后者主要包括燃燒噪聲和機械噪聲。

1.噪聲允許標準

國際標準組織（ISO）曾提出：為保護人耳聽力，在每天工作8 h情況下允許的連續噪聲為90 dB（A）；工作時間為4 h，允許值可提高3 dB（A）；任何情況下都不允許超過115 dB（A）。

對柴油機噪聲的允許標準，國內在1986年發布了國家標準GB259-86《中小功率柴油機噪聲限值》（1987年3月1日實施）。對單缸機規定，水冷式標定功率Neb≤9.5 kW（約13馬力），噪聲功率極限值Lω（A）≯107 dB（A）；Neb>9.5 kW，限值Lω（A）≯109 dB（A）；風冷機限值Lω（A）≯110 dB（A）。

2.柴油機進氣噪聲的消聲方法

據估算，非增壓四沖程柴油機的進氣噪聲比表面噪聲大5～6 dB，增壓柴油機的進氣噪聲往往是發動機整機最強的噪聲源。

進氣噪聲與進氣系統的設計有密切關系。增壓柴油機的進氣噪聲主要與增壓器的壓氣機有關。非增壓柴油機的進氣噪聲隨轉速的提高而迅速增強，但與負荷的變化基本上無關。這是由于轉速提高后，吸入空氣的流速增大，進氣管入口處空氣壓力脈動的強度和頻率隨之提高的原因。

進氣噪聲的來源為：（1）空氣在進氣管中的壓力脈動產生低頻噪聲；（2）空氣以高速流經進氣門流通截面時形成渦流，產生高頻噪聲，由于進氣門流通截面是變化的，這種渦流噪聲便具有一定寬度的頻率分布；（3）氣缸內氣體在一定壓力下的受迫振動、氣門落座聲音及進氣管的振動等；（4）二沖程內燃機掃氣泵的噪聲。

進氣噪聲的降低方法有：（1）減小進氣管內壓力脈動的強度及在氣門通過截面處的渦流強度，如采用波紋管作為進氣管可使壓力脈動得到緩沖，如在固定式內燃機進氣系統設置膨脹腔起到穩壓作用，實際上也是一種進氣消聲措施，它利用流通截面的突變可使部分聲波反射回聲源。（2）采用進氣消聲器，這是最有效、最常用的方法，一般進氣消聲器與空氣濾清器合為一體。車輛上常用的油浴式空氣濾清器，從進氣消聲的角度看，就是一種阻性（吸收型）消聲器，再加上濾清元件作為吸聲材料使聲能轉化為熱能，適于在較寬的中高頻范圍消聲。（3）采用類似排氣消聲器那樣的抗性消聲器或阻抗復合式消聲器。

3.柴油機排氣噪聲的消聲方法

排氣噪聲的來源類似于進氣噪聲，有：（1）廢氣在排氣管中的壓力脈動；（2）排氣門流通截面處的渦流；（3）氣缸內氣體在一定壓力下的受迫振動及氣門落座噪聲等。

排氣門剛開啟時，氣體由氣缸內以聲速排入排氣管，缸內氣體壓力急劇下降，使排氣門附近發生局部壓力的劇變而生成壓力波，此壓力波在缸內多次反射，這樣產生的噪聲成分主要是低頻的，其中最強的幾個諧波成分的頻率可以用公式求得。

廢氣渦輪增壓柴油機的排氣能量在渦輪機中部分地轉化成了機械能，因此在渦輪機出口處的排氣流比較平穩，排氣噪聲較弱。

排氣噪聲與排氣系統的設計有極大關系。所以要合理確定排氣管結構，避免發生共振，減少渦流。排氣噪聲也與內燃機缸數、轉速、排氣背壓、排氣門開啟的時間、斷面和燃燒室設計等有關。

排氣噪聲消聲的最常用、最有效的方法是采用排氣消聲器。消聲器應該針對噪聲源的頻譜特性滿足所需的消聲量；應該是空氣動力性能好，阻力不超過允許值，排氣消聲器的允許壓降為13.3～20 kPa，使柴油機功率損失不超過3%～4%；應該是機械強度和結構剛性好；幾何形狀適宜；保養方便。

小型農用柴油機主要在田間使用，噪聲控制要求較低，因此采用的消聲器最簡單。采用打孔的中心管及隔板等使消聲器分成若干級，一般為二級或三級抗性消聲器，消聲器的容積較小，為氣缸工作容積的3～5倍，噪聲衰減量為10～15 dB（A）。抗性消聲器是根據聲波的濾波原理而設計的，其性能主要取決于幾何形狀和尺寸。將膨脹室或共振室與一些有限長的管子適當組合，可使某些頻率或頻段的噪聲部分地反射回去，使這部分噪聲不能通過消聲器。抗性消聲器主要用于消減低頻和中頻噪聲。為防止排氣中的火星排出機外引起火災，采用滅火星消聲器（如用于聯合收割機的柴油機）。其特點是在消聲器內部裝有過濾網或離心裝置，使灼熱的炭粒不隨排氣流排出。過濾網可以是鐵絲網，也可以是多孔鋼板，其總通過截面應不小于排氣管截面的1.5倍。

車用柴油機的噪聲控制要求較高，采用的排氣消聲器尺寸較大，可做成內部氣流分幾路并聯，或有回流，結構變化較多，噪聲衰減量一般為15～20 dB（A）。endprint