談工程機械柴油機排氣消聲器優(yōu)化

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摘要：本文首先從概念、原理等角度出發(fā)，對工程機械柴油機用排氣消聲器優(yōu)化設計的應用背景進行了簡要闡述；其后，圍繞排氣面積、腔體參數(shù)以及材料元件三個方面，分析了工程機械柴油機用排氣消聲器優(yōu)化設計的重點方向；最后，提出了工程機械柴油機用排氣消聲器的兩種典型優(yōu)化思路。

關鍵詞：柴油機；排氣消聲器；噪聲污染

近年來，隨著我國經(jīng)濟水平、工程技術水平、設備制造水平等方面的逐步發(fā)展，越來越多的機械化工程項目出現(xiàn)在社會環(huán)境中，極大程度地推動了城市化戰(zhàn)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(fā)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(huán)保降噪水平，就成了社會各界普遍關注的焦點問題。據(jù)此，我們有必要對工程機械柴油機用排氣消聲器的優(yōu)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(yōu)化背景

從原理上講，柴油機主要通過柴油燃燒實現(xiàn)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(fā)動機需要經(jīng)歷“進氣→壓縮→做功→排氣”的循環(huán)過程，因此，勢必會因氣體流動而產(chǎn)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(yōu)質的聲音環(huán)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(xiàn)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(yōu)化設計時，應全面著眼于消聲器結構的趨優(yōu)改進。

2工程機械柴油機用排氣消聲器的優(yōu)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(fā)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(wěn)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(yōu)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(fā)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(wěn)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(xiàn)聲音環(huán)境質量的適宜化改善。

2.2排氣消聲器的腔體參數(shù)

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(shù)量、長度等參數(shù)，也能達到一定的消聲性能優(yōu)化效果。（1）工程機械柴油機運行排氣過程中所產(chǎn)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(xiàn)出長距離、持續(xù)性的污染特點。在排氣消聲器的優(yōu)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(shù)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(shù)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(xié)調峰值，并以此作為排氣消聲器管腔數(shù)量設計的最優(yōu)化方案。（2）排氣消聲器的管腔數(shù)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(yōu)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(yōu)化方案達成技術性與經(jīng)濟性的有機統(tǒng)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(guī)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(fā)現(xiàn)，將消聲器的最后一腔改為最長腔，可實現(xiàn)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(fā)揮出排氣消聲器的性能作用，降低工程機械設備在生產(chǎn)運行中的噪聲污染規(guī)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(yōu)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(xiàn)階段，工程機械柴油機中可用的排氣消聲器已發(fā)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(tǒng)所能感知到的噪音將明顯變少，從而達到環(huán)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(shù)量均會對排氣消聲器的應用效果產(chǎn)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(yōu)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(wěn)定的材料選擇與元件改造方案。此外，基于經(jīng)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(fā)成本浪費風險的情況發(fā)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(xiàn)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(huán)境達成匹配。

3工程機械柴油機用排氣消聲器的優(yōu)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(yōu)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(guī)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(xiàn)第一管腔與第二管腔的連通。對設計結構基本相同，外殼規(guī)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(guī)格為173×264mm，管腔壁板的開孔數(shù)量為100個，孔徑參數(shù)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(yōu)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(xiàn)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(yōu)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(yōu)的合理優(yōu)化方案，為機械化工程建設活動的綠色環(huán)保開展夯實設備條件。

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作者：楊化軍 林棟棟 于靜 單位：中國石油集團濟柴動力有限公司