工程機械柴油機用排氣消聲器優化分析

楊化軍，林棟棟，于靜

（中國石油集團濟柴動力有限公司，山東 濟南 250306）

近年來，隨著我國經濟水平、工程技術水平、設備制造水平等方面的逐步發展，越來越多的機械化工程項目出現在社會環境中，極大程度地推動了城市化戰略的邁進步伐。但隨之而來的，工程機械設備在運行過程中引發的噪聲污染問題也一直為人所詬病。在此背景下，如何提高工程建設中機械設備的環保降噪水平，就成了社會各界普遍關注的焦點問題。據此，我們有必要對工程機械柴油機用排氣消聲器的優化改進設計展開探究討論。

1 工程機械柴油機用排氣消聲器的優化背景

從原理上講，柴油機主要通過柴油燃燒實現能量釋放，繼而為工程機械設備提供充足的動力支持。在其運行過程中，柴油發動機需要經歷 進氣→壓縮→做功→排氣 的循環過程，因此，勢必會因氣體流動而產生較大的排氣噪音。此時，通過配置排氣消聲器，可顯著弱化柴油機的排氣聲量，從而降低工程機械設備在運行過程中的噪聲污染程度，為周邊人員營造出相對優質的聲音環境。

在排氣消聲器的實際應用過程中，其主要通過構建反相位聲場、轉移噪聲頻譜、消解噪聲性能等方式，提高柴油機排氣噪音在外化傳播過程中的傳遞損失。通常來講，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，最終工程機械設備所體現出的消音效果也就越好。反之，排氣消聲器若無法對柴油機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準以上，工程機械設備的消音效果也就大打折扣。

從目前相關學界的研究結果來看，排氣噪音的傳遞損失只取決于排氣消聲器的結構質量。因此，在開展工程機械柴油機用排氣消聲器的優化設計時，應全面著眼于消聲器結構的趨優改進。

圖1 柴油機用排氣消聲器

2 工程機械柴油機用排氣消聲器的優化重點

2.1 排氣消聲器的通氣面積

在柴油機排氣噪音的發生與傳播過程中，氣體流動速度是重要的影響指標。一般來講，氣流速度越快，空氣振動越強烈，噪音量級也就越大。反之，若氣流速度慢下來，柴油機排氣的噪音強度便會隨之減弱。同時，減緩氣流速度，也有助于降低氣流對排氣消聲器腔體內壁的侵襲影響，從而保障消聲器的性能穩定，延長消聲器的使用壽命。從目前來看，最直接、最有效的氣流速度減緩方式，就是擴大排氣消聲器內部氣流通過的橫截面積。在固定氣體流量的背景下，氣流的通過面積越大，其擴張比也就越高，流動速度就越慢。所以，在工程機械柴油機用排氣消聲器的優化設計過程中，相關人員可適當改變排氣消聲器管腔結構的橫截面積，以達到相對理想的噪聲減弱效果。從目前來看，為了發揮出排氣消聲器的消聲作用，同時，也為了保證柴油機氣體排放的相對穩定，可以將氣體的流動速度控制在40～60m/s。這樣一來，可以在不影響工程機械設備使用質量的基礎上，實現聲音環境質量的適宜化改善。

2.2 排氣消聲器的腔體參數

目前，為了達到更好的排氣消聲效果，工程機械柴油機用排氣消聲器大多采用多管腔的設計結構。此時，通過調整管腔的數量、長度等參數，也能達到一定的消聲性能優化效果。

（1）工程機械柴油機運行排氣過程中所產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。相比之下，低頻噪聲的分貝并不高，但其衰減速度很慢，因此，會表現出長距離、持續性的污染特點。在排氣消聲器的優化設計中，相關人員對這兩種噪聲的消解質量都要提起重視。理論標準下設計排氣消聲器的管腔數量時，管腔越多，消聲器對高頻噪音的消解損失作用越強。但當管腔數量達到某一程度后，消聲器對低頻噪音的消解損失作用也會逐漸減弱。所以，相關人員務必要進行多次的建模分析或設備試驗，尋找出高頻噪音與低頻噪音的協調峰值，并以此作為排氣消聲器管腔數量設計的最優化方案。

（2）排氣消聲器的管腔數量越多，其加工制造的結構也就越復雜，進而形成更高的投入成本。所以，相關人員在優化改造工程機械柴油機的排氣消聲器時，還要充分考慮相關單位、人員的成本預期與投入要求，以確保最終優化方案達成技術性與經濟性的有機統一。

（3）在多管腔結構的背景下，工程機械柴油機用排氣消聲器的各個管腔在長度、功能等方面具有一定差異性。例如，常規設計背景下，排氣消聲器的第一腔是最長的，并承擔著降低氣流速度的功能任務。此時，有學者研究發現，將消聲器的最后一腔改為最長腔，可實現管腔內部溫度的進一步上升。由于溫度與消聲峰值、傳遞損失成正比，所以能更好地發揮出排氣消聲器的性能作用，降低工程機械設備在生產運行中的噪聲污染規模。但需要注意的是，這一研究結果并不具備普適性，相關人員在優化設計的實踐中，應秉持因器制宜、因時制宜的原則，對排氣消聲器各管腔的長度進行適宜性配置。

2.3 排氣消聲器的材料元件

現階段，工程機械柴油機中可用的排氣消聲器已發展有多種類型，如阻抗型、有源型、孔板型等，其結構組成、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在管腔內填充一定量的吸聲材料，從而使柴油機所排氣流、聲波在傳播過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，吸聲材料的填充量、填充結構、選用類型，就會在很大程度上影響排氣消聲器的應用效果；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小孔。

當聲波隨著柴油機所排氣體向外傳播時，小孔便會對氣流形成分散作用，并將聲波的頻譜導向高頻、超高頻。這樣一來，人們聽覺系統所能感知到的噪音將明顯變少，從而達到環保降噪的目的。在此過程中，管腔壁板上孔洞的鉆開面積、鉆孔數量均會對排氣消聲器的應用效果產生影響。所以，相關人員在開展工程機械柴油機用排氣消聲器的優化設計工作時，應明確分析排氣消聲器的結構類型與作用機理，并制定出科學、穩定的材料選擇與元件改造方案。

此外，基于經濟性、安全性等方面考量，相關人員在選擇吸聲材料、隔音材料或改造消聲器元件時，一方面，要盡可能地選擇 物美價廉 的材料或器件類型，避免盲目追求消聲效果、引發成本浪費風險的情況發生。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、抗應力等，以確保排氣消聲器在改造完成后，可表現出良好的長壽質量，并與相對復雜、惡劣的工程機械設備運行環境達成匹配。

3 工程機械柴油機用排氣消聲器的優化思路

基于以上，提出兩種工程機械柴油機用排氣消聲器的優化設計思路：

（1）對排氣消聲器進行三管腔、回流式的結構設計，其外殼規格為230×283mm，設置管腔體系中最后一腔的長度為最長。在此基礎上，采取孔板穿接的方式，實現第一管腔與第二管腔的連通。對設計結構基本相同，外殼規格分別為210×283mm、220×283mm、230×283mm的三個排氣消聲器進行對比試驗。結果表明，當殼體直徑達到230mm這一最大值時，柴油機的噪音污染最小，即消聲效果最好。

（2）對排氣消聲器進行單管腔、孔板式的結構設計，其外殼規格為173×264mm，管腔壁板的開孔數量為100個，孔徑參數為5mmφ。在試驗中運算得知，該工程機械柴油機的排氣管徑為34mmφ，計算后其氣體流通面積為578π。優化設計后，排氣消聲器的管腔橫截面積為625π，遠高于柴油器自身的氣流面積。因此，該方案可以表現出良好的排氣噪聲處理效果。

4 結語

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

所以，相關人員在排氣消聲器的優化改造實踐中，必須要著眼于氣體流動速度、氣體流動面積、管腔結構、工藝類型、材料元件等多個方面，尋找出噪聲傳遞損失與投入性價比兼優的合理優化方案，為機械化工程建設活動的綠色環保開展夯實設備條件。