通用小型汽油機用排氣消聲器噪聲優化分析

沈海青，洪 洋

(臺州科技職業學院，浙江 臺州 318020)

0 引言

根據JB/T 11653—2013《通用小型汽油機產品名稱和型號編制規則》對于通用小型汽油機的定義：用于非道路移動機械的點燃式發動機，所使用的燃料不限于汽油，額定功率不大于30 kW[1]。小型通用汽油機因結構簡單、重量輕、體積小、技術含量低、價格便宜等優勢，有著廣泛的應用，配套機械產品豐富多樣，可用于發電機、園林機械、農業機械、工業機械、休閑娛樂機械等產品中[2]。

經過幾十年的快速發展，中國通用汽油機產量在2019年達到了2 680萬臺，約占全球產量的40%，成為世界第一大通用小型汽油機生產國。由于國內對于通用小型汽油機的配套機械需求相對較低，產品基本上用于出口。出口的地區主要有北美、歐洲、東南亞、非洲和南美等地區。

雖然我國的通機產品產銷規模達到了世界第一，但在技術水平、創新能力與日本、歐美等發達國家相比存在比較大差距。由于出口產品的價格不高，其噪聲振動較大，隨著世界各國對于通機終端設備的噪聲排放進行限值，研究設計高效的通機排氣消聲器很有必要。

1 消聲器的設計要求

消聲器的設計要素主要有聲學特性要求、空氣動力學要求、機械和材料要求、容積要求、成本要求等方面考慮。按照聲學特性要求，消聲器的目的是減少聲能的傳遞，如傳遞損失、噪聲降低量和插入損失，通常用聲壓級和頻譜進行分析。按照空氣動力學要求，消聲器兩側的壓力相差很大，氣流阻力也會增加，發動機的功率會明顯損失，通常用排氣背壓靜壓或動壓進行分析。按照機械和材料要求，排氣系統溫度很高，材料在高溫氣體環境中很容易腐蝕；消聲器制造材料主要采用薄板，受到機械振動和氣流沖擊，很容易產生輻射噪聲；在結構設計和材料選擇方面必須滿足一定的剛度和強度要求。按照容積要求，如果消聲效果達到良好，消聲器的容積要做得越大越好，但是排氣系統能夠安裝的空間非常有限，往往是在限定的空間內來設計消聲器。除了上述要求外，消聲器設計還要考慮腔體數、穿孔管穿孔率、穿擋板設計、擋板位置、內插管位置及插入量、吸聲材料材質厚度位置等要求，目前，已經利用仿真軟件對氣流、噪聲等動力學特性進行了研究，取得了一定效果[4]。

本文針對某公司的168F小型通用汽油機進行排氣消聲器噪聲優化分析。其主要技術參數：缸徑68 mm；行程54 mm；排量196 mL；標定功率及轉速3.6 kW/3 600 r·min-1；最大扭矩及轉速10.7 N·m/2 500 r·min-1；壓縮比8.5∶1。

1.1 排氣管徑的設計

為了降低消聲器的排氣氣流發生的噪聲和阻力損失，使消聲器有良好的消聲效果，要將消聲器和管道中的氣體流速降低。對于發動機消聲器中的廢氣流動速度，一般控制在50～60 m·s-1之間。可根據發動機排量初步計算確定排氣管直徑

(1)

式中D—排氣管徑，m；

Q—發動機排氣流量，m3；

v—排氣氣流速度，m·s-1。

1.2 消聲器容積的設計

通常情況下，消聲器容積越大，越能取得好的消聲效果。消聲器容積決定著排氣噪聲的水平。要達到良好的消聲效果，消聲器容積至少是發動機排量的10～20倍。

1)《柴油機設計手冊》中消聲器容積的計算

(2)

式中V—消聲器容積，L；

n—發動機轉速，r·min-1；

T—沖程數；

i—氣缸數；

Vh—發動機單缸排量，L；

Ku—發動機用途系數，取1 000～5 000。

2)Dean G．Thomas推薦的消聲器容積計算公式[5]

(3)

式中V—消聲器容積，L；

n—發動機轉速，r·min-1；

T—沖程數；

i—汽缸數；

Vh—發動機排量，L；

Q—消聲器類型系數；取2～6。

3)根據林輝江對排氣消聲器容積的經驗計算方法[6-7]

V=CKiKτKtKnKεVh

(4)

式中V—消聲器容積，L；

C—經驗常數,根據消聲器類型取C=2；

Kτ—發動機沖程修正系數，二沖程為2，四沖程為1；

Kt—消聲器應用于不同類型內燃機的修正系數,非增壓柴油機Kt=1,非增壓汽油機Kt=0.98；

Kn—發動機轉速修訂系數，Kn=0.7×10-4nb(nb為發動機標定功率的轉速)；

Vh—發動機的排量，L。

根據168F發動機的技術參數，代入公式(4)計算消聲器的容積得，V≈0.58 m3。

因此，消聲器的容積確定為0.58 m3。

2 消聲器的流場分析

本文針對168F小型通用汽油機進行流場分析利用國際流行的流體力學計算軟件Fluent對消聲器的空氣動力性能進行分析。

2.1 網絡劃分

使用SolidWorks三維制圖軟件建立幾何模型，并將模型導入到ANSA軟件中進行網格劃分。對某公司正在使用的一款消聲器進行3D建模和網格劃分，并對原消聲器進行優化設計了一款方案，劃分好的網格如圖1所示。

圖1 消聲器網格劃分結構圖

2.2 邊界條件設置

在Fluent軟件仿真計算過程中，其相關邊界條件設置如下。

1)輸入條件： 缸徑 68 mm；排量169 mL； 最大轉速 3 600 r·min-1；

2)進氣條件：進氣流量11 kg·h-1；進氣溫度T=100 ℃；

3)出口條件： 0 kPa。

2.3 參數設置

消聲器的最大流量根據《汽車工程手冊》最大進氣流量的計算公式

(5)

式中Qmax—最大空氣體積流量，m3·min-1；

Vd—發動機總排量，L；

Smax—發動機最高轉速，r·min-1；

Ve—充氣效率，當汽油機轉速0～2 500 r·min-1時，Ve=0.8;當汽油機轉速2 500～3 500 r·min-1時，Ve=0.75;當汽油機轉速3 500 r·min-1以上時，Ve=0.70;

Ks—常數，二沖程發動機，Ks=1 000; 四沖程發動機，Ks=2 000。

根據168F發動機的技術參數，計算出消聲器的最大進氣流量Qmax=0.247 m3。

2.4 仿真計算結果與分析

2.4.1 消聲器流體速度分布圖

圖2是經過仿真計算后原消聲器和優化后消聲器的流體跡線圖，從圖中可以看到，原消聲器的流速比較高，出現了明顯的氣流旋渦；經過優化后的消聲器氣流速度分布較為均勻，沒有比較高的流速，氣流渦旋也沒有出現。

圖2 消聲器流體跡線圖

2.5.1 消聲器噪聲場分布圖

圖3是經過Fluent軟件仿真計算后得到的噪聲分布圖，噪聲分布圖上可以看到，168F通用小型汽油機原排氣消聲器出口處的噪聲值在81～82 dB(A)左右，經過優化后的噪聲值在65～68 dB(A)左右，有較大的改善。

圖3 消聲器噪聲分布圖

3 結論

從流線圖和噪音分布來看，原消聲器在進出氣端的有蓋設計使氣體無法有效流動，大幅度增加了壓力差和噪音值，新方案在取消蓋設計后在壓力差和噪音值上均有明顯改善。優化后的消聲器較原方案無論在壓力差還是噪音方面均有明顯提升，但仍需通過試驗進一步驗證，同時考慮加工成本，選擇最優方案。