一种柴油机排气消声器及其制造方法与流程

1.本发明涉及机械制造和消声器技术领域，具体而言，涉及一种柴油机排气消声器及其制造方法。


背景技术：

2.柴油机排气噪声是一种高温、高速的脉动气流噪声，当柴油机工作时，气缸内的废气随排气口间断开闭而周期性的喷射到排气管内，产生排气噪声。排气噪声呈低频特性，影响排气噪声的主要因素有气缸压力、排气口直径、柴油机排量等。对于同一类型柴油机来说，影响排气噪声的最大因素是柴油机转速和负荷。
3.消声器是一种能阻碍声音传播而允许气流通过的装置，有抗式消声器、阻式消声器和阻抗复合式消声器等结构形式。阻式消声器利用声阻消声，即利用声波在多孔性吸声材料中传播时，因摩擦将声能转化为热能，具有良好的中高频消声性能。抗式消声器是利用控制声抗的大小来进行消声的，即利用声波的反射、干涉、共振等运力，吸收或阻碍声能传播，它适用于消除中低频噪声。阻抗复合式消声器综合了抗式和阻式消声器的优点，既有阻式吸声材料，又有共振腔、扩张室、穿孔屏等组件。消声器设计应该具有较好的声学性能及启动性能，还要求结构简单、工艺性好、体积小、成本低。降低柴油机噪声对于工业生产和人类生活具有深远的意义。
4.一般来说，消声器腔体数量越多，则消声效果就越好，但由于安装空间的限制，不能扩大消音器的腔体数目。传统柴油机排气消声器在设计过程中，针对消声器结构参数的确定，有的消声器设计只凭借经验数据，无准确的计算方法，有的只给出了消声器的外形结构参数计算方法，未对消声器内部结构参数进行理论计算，使消声器对各频率噪声波形耦合性不好，导致传统柴油机排气消声器接入损失大于15db，腔体数目为3腔，且容积较大，长度大于1000mm，圆周直径大于400mm，不利于设备维护和维修。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种柴油机排气消声器及其制造方法，以解决现有技术中消声器对各频率噪声波形耦合性不好，导致传统柴油机排气消声器接入损失大，在一定腔体数目下，容积较大、长度较大、圆周直径较大,不利于设备维护和维修的问题。
6.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种柴油机排气消声器，包括：
7.消声器本体，所述消声器本体的容积根据经验常数、气缸修正值、柴油机冲程数修正系数、内燃机的消声器修正系数、内燃机转速修正系数、内燃机压缩比修正系数和柴油机排量计算获得，所述消声器本体长度和消声器本体直径根据消声器本体的容积、消声器本体的扩张比和消声器本体的长径比计算获得；
8.排气管，设置在消声器本体中，所述排气管直径根据柴油机排气的流量、排气的平均速度计算获得，所述柴油机排气的流量，根据柴油机额定功率下转速、柴油机排量和冲程
数获得；
9.所述消声器本体内设有若干个腔室,腔室直径根据声速和频率计算获得。
10.优选的，所述排气管直径计算公式：
[0011][0012]
式中：q—柴油机排气的流量，m3/s；v—排气的平均速度。
[0013]
优选的，所述柴油机排气的流量计算公式：
[0014][0015]
式中：n—柴油机额定功率下的转速；vh—柴油机排量；τ—冲程数。
[0016]
优选的，所述消声器本体的容积的计算公式：
[0017]
v＝ck
ikτklknkεvh
[0018]
式中：c—经验常数，根据消声器所要达到的指标而定；ki—气缸修正值，n为气缸数；k
τ
—柴油机冲程数修正系数，四冲程为1，二冲程为2；k
l
—应用于不同类型内燃机的消声器修正系数，非增压内燃机，k
l
＝1，增压内燃机，k
l
＝增压比；kn—内燃机转速修正系数，nb为标定转速；k
ε
—内燃机压缩比修正系数，柴油机ε为压缩比；vh—柴油机排量，l。
[0019]
优选的，根据柴油机的排气噪声频率，计算获得消声量。
[0020]
优选的，所述消声器本体的扩张比根据消声量计算获得，通过扩张比获得消声器本体的直径；
[0021]
当扩张比m≥5时，最大消声量的公式为：
[0022]
l
max
＝20lgm-6
[0023]
式中：l
max
为最大消声量；m为扩张比。
[0024]
优选的，根据扩张比获得消声腔的截面积和排气管路截面积，计算公式为：
[0025][0026]
式中：s1—消声腔截面积；s2—排气管路截面积。
[0027]
优选的，长径比即消声器本体长度和消声器本体直径的比值由消声器的容积，获得消声器本体的长度。
[0028]
优选的，所述腔室包括：第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室，第一腔室、第三腔室的容积为柴油机排量的1-5倍，第二腔和第四腔的长度为：
[0029][0030]
式中；c—声速，m/s；f—频率，hz。
[0031]
一种柴油机排气消声器的制造方法，包括如下步骤：
[0032]
步骤1：根据经验常数、气缸修正值、柴油机冲程数修正系数、内燃机的消声器修正系数、内燃机转速修正系数、内燃机压缩比修正系数和柴油机排量计算获得消声器本体的容积。
[0033]
步骤2：根据消声器本体的容积、消声器本体的扩张比和消声器本体的长径比计算获得消声器本体长度和消声器本体直径。
[0034]
步骤3：根据柴油机排气的流量、排气的平均速度计算获得排气管直径。
[0035]
步骤4：根据柴油机额定功率下转速、柴油机排量和冲程数获得柴油机排气的流量。
[0036]
步骤5：根据声速和频率计算获得消声器本体内腔室直径。
[0037]
步骤6：采用q235a钢板焊接消声器本体的外壁，内壁衬玻璃纤维棉，并用多孔钢板压紧，采用q235a钢板焊接排气管。
[0038]
应用本发明的技术方案，相比裸机噪音损失大于20db，相比传统消声器消音效果损失5db。给出了各腔结构参数的计算方法，快速地设计出能使柴油机排气噪声得到有效降低的消声器，以减少设计周期和成本。相同腔室下，容积更小，容积比传统消声器小，增加了柴油发电机组箱体内部维修空间，增强了可测试性和维修性，提升了装备的保障能力。
附图说明
[0039]
构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0040]
图1示出了根据本发明的柴油机排气消声器的结构示意图；
[0041]
图2示出了图1中的柴油机排气消声器的仰视图；
[0042]
图3示出了图1中的柴油机排气消声器的左视图；
[0043]
图4示出了图1中的柴油机排气消声器的测量视图。
[0044]
其中，上述附图包括以下附图标记：
[0045]
第一腔室1；第二腔室2；第三腔室3；第四腔室4；第一排气管5；出口6；第二排气管7；入口8；第三排气管9；封板10；隔板11。
具体实施方式
[0046]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0047]
如图1至图4所示，本发明实施例提供了一种柴油机排气消声器，包括消声器本体，消声器本体的容积根据经验常数、气缸修正值、柴油机冲程数修正系数、内燃机的消声器修正系数、内燃机转速修正系数、内燃机压缩比修正系数和柴油机排量计算获得，消声器本体长度和消声器本体直径根据消声器本体的容积、消声器本体的扩张比和消声器本体的长径比计算获得。排气管，包括第一排气管5、第二排气管7和第三排气管9，设置在消声器本体中，排气管直径根据柴油机排气的流量、排气的平均速度计算获得，柴油机排气的流量，根据柴油机额定功率下转速、柴油机排量和冲程数获得。消声器本体内设有若干个腔室,腔室直径根据声速和频率计算获得。根据柴油机的排气噪声频率，计算获得消声量。消声器本体的扩张比根据消声量计算获得，通过扩张比获得消声器本体的直径。所述腔室包括：第一腔
室1、第二腔室2、第三腔室3和第四腔室4。第一腔室1靠近入口8设置，第四腔室4靠近出口6设置，通过封板10和隔板11分隔成各个腔室。
[0048]
本技术以bf4m1013fc柴油机作为设计对象，测试其排气噪声，设计排气消声器对其进行降噪。设计目的是经过理论计算，快速地设计出能使柴油机排气噪声得到有效降低的消声器，同时减少设计周期和成本。
[0049]
本技术给出了消声器的结构以及各腔结构参数的计算方法，通过对这些单元的分析，为该柴油机设计出了一款可以降低其柴油机排气噪声的消声器。实际降噪效果测试表明，该款消声器达到了设计目的。
[0050]
本技术针对bf4m1013fc柴油机的排气特性，设计了一种接入损失大于20db、与传统消声器相比，腔体数目由3腔改为4腔，且容积小于传统消声器的复合式消声器。
[0051]
柴油机排气噪声频谱特征，柴油机的排气噪声频谱特性较为复杂，它包括以排气次数为基频的排气噪声、管道内气柱共振噪声、涡流噪声、废气冲击噪声、气流再生噪声及排气系统管道内表面的紊流噪声等。利用柴油机排气噪声频谱来确定特定频率下所需达到的消声量是消声器设计中很重要的工作。
[0052]
bf4m1013fc型柴油机是大连柴油机有限公式国产化道依茨公司的产品，该型号柴油机主要用于发电机组，主要参数见表1。
[0053]
表1bf4m1013fc型柴油机主要参数
[0054][0055]
为了有针对性的设计排气消声器，对bf4m1013fc柴油机进行裸机噪声测试。噪声测试在试验室进行。将柴油机、发电机、底架及附件装配好，放置在有隔音墙的试验室中，将柴油机的排烟口露出墙外，用声级计测量柴油机的排气噪声。根据《gb/t4759-2009内燃机排气消声器测量方法》规定，测量位置在与柴油机排烟口气流轴向成45
°
方向上，测距为0.5m。，测量点位置见图4。将噪声测试结果记录于表2。
[0056]
表2柴油机不装消声器噪声测试记录表
[0057][0058]
从表2可以看出，柴油机排气噪声以中低频为主，在频率1khz-4khz之间噪声最高，且负载越大柴油机的排气噪声越高。根据柴油机排气噪声声谱，设计排气消声器，消声目标为在2khz频带接入损失不小于20db。
[0059]
排气管路直径的获得，排气管路的直径主要和柴油机排量、质量、流量或者排气流速有关。排气管路的直径计算公式：
[0060][0061]
式中：q—柴油机排气的流量，m3/s；
[0062]
v—排气的平均速度，一般在2m/s～4m/s范围内；
[0063][0064]
式中：n—柴油机额定功率下的转速，此处n为1500r/min；
[0065]vh
—柴油机排量，该柴油机排量为4.76l；
[0066]
τ—冲程数，4。
[0067]
将上述数据带入，计算柴油机排气的流量为:
[0068][0069]
柴油机排气的流量为0.06m3/s。
[0070]
计算柴油机排气管路直径:
[0071][0072]
计算得到管路的直径为0.062m-0.044m，这里取管路直径为0.06m。
[0073]
消声器容积的获得，消声器容积的大小与消声性能有着重要的关系。若容积过小，则无法满足消声量的要求，甚至引起排气背压过大，增加柴油机的功率损失；若容积过大，虽然消声量大，但安装空间受限。用于估算排气消声器容积的公式见下式。
[0074]
v＝ck
ikτklknkεvh
[0075]
式中：c—经验常数，根据消声器所要达到的指标而定，见表3：
[0076]
表3 c取值范围
[0077][0078]ki
—气缸修正值，n为气缸数，此处为4；
[0079]kτ
—柴油机冲程数修正系数，四冲程为1，二冲程为2；
[0080]kl
—应用于不同类型内燃机的消声器修正系数，非增压内燃机，k
l
＝1，增压内燃机，k
l
＝增压比，该柴油机增压比为1.8；
[0081]kn
内燃机转速修正系数，(nb为标定转速，此处为1500)；
[0082]kε
—内燃机压缩比修正系数，柴油机(为压缩比，此处为18.1)；
[0083]vh
—柴油机排量，l。
[0084]
根据柴油机参数，得到公式中的各项参数：
[0085]
经验常数c根据表2，取8；
[0086]
气缸修正值，
[0087]
冲程数修正系数k
τ
＝1；
[0088]
消声器应用修正系数k
l
＝18.1；
[0089]
内燃机转速修正系数，
[0090]
柴油机压缩比修正系数，
[0091]
计算出消声器的有效容积：
[0092]
v＝8
×
0.63
×1×
1.8
×
0.85
×
1.3
×
4.76＝47.7l。
[0093]
计算得到消声器的有效容积为47.7l。
[0094]
消声量的确定，根据所选柴油机的排气噪声频谱，最主要的消声频率是2khz附近。因此，这两处的频率为消声的目标频率。将2khz处目标消声量定为20db。
[0095]
消声器腔数的确定，单个消声腔只有较窄的消声频带，很难满足对排气噪声降噪的要求，而腔体数量越多，则消声效果就越好。因此，常采用多腔体结构的消声器进行降噪。但同时，腔体越多体积也就越大，其加工的材料成本也会越髙，而且在安装位置有限制的条件下，消声器的腔数不可能很多。本柴油机所设计的消声器为四腔结构。
[0096]
扩张比，在消声器的容积确定之后，可通过消声量来计算出扩张比m，进而再通过扩张比m算出消声腔的直径d。当扩张比m≥5时，最大消声量的公式为。
[0097]
l
max
＝20lgm-6
[0098]
由上面所确定的消声量为l＝20db，带入上式；
[0099]
可计算出扩张比m＝20。则：
[0100][0101]
式中：s1—消声腔截面积；
[0102]
s2—排气管路截面积。
[0103]
由上面的排气管路直径设计计算，得到排气管路直径d1＝0.06m，计算出消声器腔体的外形尺寸，即直径d＝0.268m。
[0104]
长径比，消声器的长度与直径之比即为长径比长径比越大说明消声器越细而长，对高频的消声效果越差。若长径比越小，说明消声器越粗而短，对低频的消声效果越差，在一般情况下，长径比取2-8。由消声器有效容积为47.7l，求得消声器长l＝0.85m，直径d为0.268m，长径比为3，在此范围内，因此，所设计的消声器长径比符合设计要求。
[0105]
各腔结构参数的确定，第一腔室1、第三腔室3的容积通常为柴油机排量的1-5倍，本次所设计的消声器第一腔室1长度为0.2m，容积为11.3l，为排量的2.3倍，第三腔室3长度为0.4m，容积为22.7l，为排量的4.8倍，符合要求。
[0106]
计算出第二腔室2和第四腔室4的长度：
[0107][0108]
式中；c—声速，m/s；f—频率，hz。
[0109]
消声目标频率为2khz，根据上式计算得到第二腔室2和第四腔室4的长度为0.2m。因此第二腔室2和第四腔室4的长度分别为0.1m。
[0110]
插入管长度为第二腔室2和第四腔室4的四分之一和二分之一时能够对通过频率起到有效地抑制作用。
[0111]
消声器结构，根据以上的分析计算，设计出的消声器尺寸见图1、图2和图3。
[0112]
消声器的生产制造，消声器外壁采用后2mm的q235a钢板焊接而成，内壁衬15mm厚玻璃纤维棉，并用多孔钢板压紧。内插管采用后1.5mm的q235a钢板焊接而成。
[0113]
消声器效果测试，将排气消声器与柴油机、发电机、底架及附件装配好，放置在有隔音墙的试验室中，将消声器的排烟口露出试验室墙外，用声级计测量柴油机的排气噪声。测量位置在与柴油机排烟口气流轴向成45
°
方向上，测距为0.5m。
[0114]
表4消声器接入损失记录表
[0115][0116]
本技术的消声器有以下优点：相比裸机噪音损失大于20db，相比传统消声器消音效果损失5db，对于工业生产和设备人员生活具有深远的意义；给出了各腔室结构参数的计算方法，快速地设计出能使柴油机排气噪声得到有效降低的消声器，以减少设计周期和成本；因容积比传统消声器小，增加了柴油发电机组箱体内部维修空间，增强了可测试性和维修性，提升了装备的保障能力。
[0117]
还提供了另一实施例，一种柴油机排气消声器的制造方法，包括如下步骤：步骤1：根据经验常数、气缸修正值、柴油机冲程数修正系数、内燃机的消声器修正系数、内燃机转速修正系数、内燃机压缩比修正系数和柴油机排量计算获得消声器本体的容积。步骤2：根据消声器本体的容积、消声器本体的扩张比和消声器本体的长径比计算获得消声器本体长度和消声器本体直径。步骤3：根据柴油机排气的流量、排气的平均速度计算获得排气管直径。步骤4：根据柴油机额定功率下转速、柴油机排量和冲程数获得柴油机排气的流量。步骤5：根据声速和频率计算获得消声器本体内腔室直径。步骤6：采用q235a钢板焊接消声器本体的外壁，内壁衬玻璃纤维棉，并用多孔钢板压紧，采用q235a钢板焊接排气管。具体的计算公式和计算方法同上实施例。
[0118]
从以上描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：相比裸机噪音损失大于20db，相比传统消声器消音效果损失5db，对于工业生产和设备人员生活具有深远的意义。给出了各腔室结构参数的计算方法，快速地设计出能使柴油机排气噪声得到有效降低的消声器，以减少设计周期和成本。因容积比传统消声器小，增加了柴油发电机组箱体内部维修空间，增强了可测试性和维修性，提升了装备的保障能力。
[0119]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种柴油机排气消声器，其特征在于，包括：消声器本体，所述消声器本体的容积根据经验常数、气缸修正值、柴油机冲程数修正系数、内燃机的消声器修正系数、内燃机转速修正系数、内燃机压缩比修正系数和柴油机排量计算获得，所述消声器本体长度和消声器本体直径根据消声器本体的容积、消声器本体的扩张比和消声器本体的长径比计算获得；排气管，设置在消声器本体中，所述排气管直径根据柴油机排气的流量、排气的平均速度计算获得，所述柴油机排气的流量，根据柴油机额定功率下转速、柴油机排量和冲程数获得；所述消声器本体内设有若干个腔室,腔室直径根据声速和频率计算获得。2.如权利要求1所述的柴油机排气消声器，其特征在于，所述排气管直径计算公式：式中：q—柴油机排气的流量，m3/s；v—排气的平均速度。3.如权利要求1所述的柴油机排气消声器，其特征在于，所述柴油机排气的流量计算公式：式中：n—柴油机额定功率下的转速；v
h
—柴油机排量；τ—冲程数。4.如权利要求1所述的柴油机排气消声器，其特征在于，所述消声器本体的容积的计算公式：v＝ck
i
k
τ
k
l
k
n
k
εvh
式中：c—经验常数，根据消声器所要达到的指标而定；k
i
—气缸修正值，n为气缸数；k
τ
—柴油机冲程数修正系数，四冲程为1，二冲程为2；k
l
—应用于不同类型内燃机的消声器修正系数，非增压内燃机，k
l
＝1，增压内燃机，k
l
＝增压比；k
n
—内燃机转速修正系数，n
b
为标定转速；k
ε
—内燃机压缩比修正系数，柴油机ε为压缩比；v
h
—柴油机排量，l。5.如权利要求1所述的柴油机排气消声器，其特征在于，根据柴油机的排气噪声频率，计算获得消声量。6.如权利要求1所述的柴油机排气消声器，其特征在于，所述消声器本体的扩张比根据消声量计算获得，通过扩张比获得消声器本体的直径；当扩张比m≥5时，最大消声量的公式为：l
max
＝20lgm-6式中：l
max
为最大消声量；m为扩张比。7.如权利要求1所述的柴油机排气消声器，其特征在于，根据扩张比获得消声腔的截面积和排气管路截面积，计算公式为：
式中：s1—消声腔截面积；s2—排气管路截面积。8.如权利要求1所述的柴油机排气消声器，其特征在于，长径比即消声器本体长度和消声器本体直径的比值由消声器的容积，获得消声器本体的长度。9.如权利要求1所述的柴油机排气消声器，其特征在于，所述腔室包括：第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室，第一腔室、第三腔室的容积为柴油机排量的1-5倍，第二腔室和第四腔室的长度为：式中；c—声速，m/s；f—频率，hz。10.一种柴油机排气消声器的制造方法，基于权利要求1-9任意一项所述的柴油机排气消声器，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据经验常数、气缸修正值、柴油机冲程数修正系数、内燃机的消声器修正系数、内燃机转速修正系数、内燃机压缩比修正系数和柴油机排量计算获得消声器本体的容积；步骤2：根据消声器本体的容积、消声器本体的扩张比和消声器本体的长径比计算获得消声器本体长度和消声器本体直径；步骤3：根据柴油机排气的流量、排气的平均速度计算获得排气管直径；步骤4：根据柴油机额定功率下转速、柴油机排量和冲程数获得柴油机排气的流量；步骤5：根据声速和频率计算获得消声器本体内腔室直径；步骤6：采用q235a钢板焊接消声器本体的外壁，内壁衬玻璃纤维棉，并用多孔钢板压紧，采用q235a钢板焊接排气管。

技术总结
本发明公开了一种柴油机排气消声器及其制造方法，包括消声器本体，消声器本体的容积根据经验常数、气缸修正值、柴油机冲程数修正系数、内燃机的消声器修正系数、内燃机转速修正系数、内燃机压缩比修正系数和柴油机排量计算获得，消声器本体长度和消声器本体直径根据消声器本体的容积、消声器本体的扩张比和消声器本体的长径比计算获得。排气管，设置在消声器本体中，排气管直径根据柴油机排气的流量、排气的平均速度计算获得，柴油机排气的流量，根据柴油机额定功率下转速、柴油机排量和冲程数获得。消声器本体内设有若干个腔室,腔室直径根据声速和频率计算获得。具有降噪效果好、体积小、快速计算获得消声器尺寸的优点。快速计算获得消声器尺寸的优点。快速计算获得消声器尺寸的优点。


技术研发人员：牛会恩 安超 谢新锋 徐晓彤 孙海军 贾姝超
受保护的技术使用者：北京机械设备研究所
技术研发日：2023.01.19
技术公布日：2023/6/27