谈工程机械柴油机排气消声器优化

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摘要：本文首先从概念、原理等角度出发，对工程机械柴油机用排气消声器优化设计的应用背景进行了简要阐述；其后，围绕排气面积、腔体参数以及材料元件三个方面，分析了工程机械柴油机用排气消声器优化设计的重点方向；最后，提出了工程机械柴油机用排气消声器的两种典型优化思路。

关键词：柴油机；排气消声器；噪声污染

近年来，随着我国经济水平、工程技术水平、设备制造水平等方面的逐步发展，越来越多的机械化工程项目出现在社会环境中，极大程度地推动了城市化战略的迈进步伐。但随之而来的，工程机械设备在运行过程中引发的噪声污染问题也一直为人所诟病。在此背景下，如何提高工程建设中机械设备的环保降噪水平，就成了社会各界普遍关注的焦点问题。据此，我们有必要对工程机械柴油机用排气消声器的优化改进设计展开探究讨论。

1工程机械柴油机用排气消声器的优化背景

从原理上讲，柴油机主要通过柴油燃烧实现能量释放，继而为工程机械设备提供充足的动力支持。在其运行过程中，柴油发动机需要经历“进气→压缩→做功→排气”的循环过程，因此，势必会因气体流动而产生较大的排气噪音。此时，通过配置排气消声器，可显著弱化柴油机的排气声量，从而降低工程机械设备在运行过程中的噪声污染程度，为周边人员营造出相对优质的声音环境。在排气消声器的实际应用过程中，其主要通过构建反相位声场、转移噪声频谱、消解噪声性能等方式，提高柴油机排气噪音在外化传播过程中的传递损失。通常来讲，排气消声器所造成的传递损失越高，排气噪音的传递能力越弱，最终工程机械设备所体现出的消音效果也就越好。反之，排气消声器若无法对柴油机排气噪音形成高水平的传递损失作用，使得处理后的噪音仍在污染标准以上，工程机械设备的消音效果也就大打折扣。从目前相关学界的研究结果来看，排气噪音的传递损失只取决于排气消声器的结构质量。因此，在开展工程机械柴油机用排气消声器的优化设计时，应全面着眼于消声器结构的趋优改进。

2工程机械柴油机用排气消声器的优化重点

2.1排气消声器的通气面积

在柴油机排气噪音的发生与传播过程中，气体流动速度是重要的影响指标。一般来讲，气流速度越快，空气振动越强烈，噪音量级也就越大。反之，若气流速度慢下来，柴油机排气的噪音强度便会随之减弱。同时，减缓气流速度，也有助于降低气流对排气消声器腔体内壁的侵袭影响，从而保障消声器的性能稳定，延长消声器的使用寿命。从目前来看，最直接、最有效的气流速度减缓方式，就是扩大排气消声器内部气流通过的横截面积。在固定气体流量的背景下，气流的通过面积越大，其扩张比也就越高，流动速度就越慢。所以，在工程机械柴油机用排气消声器的优化设计过程中，相关人员可适当改变排气消声器管腔结构的横截面积，以达到相对理想的噪声减弱效果。从目前来看，为了发挥出排气消声器的消声作用，同时，也为了保证柴油机气体排放的相对稳定，可以将气体的流动速度控制在40～60m/s。这样一来，可以在不影响工程机械设备使用质量的基础上，实现声音环境质量的适宜化改善。

2.2排气消声器的腔体参数

目前，为了达到更好的排气消声效果，工程机械柴油机用排气消声器大多采用多管腔的设计结构。此时，通过调整管腔的数量、长度等参数，也能达到一定的消声性能优化效果。（1）工程机械柴油机运行排气过程中所产生的噪声可以分为高频与低频两种。其中，高频噪声为尖利、大声量的噪声，其具有高分贝、衰减快的特点。相比之下，低频噪声的分贝并不高，但其衰减速度很慢，因此，会表现出长距离、持续性的污染特点。在排气消声器的优化设计中，相关人员对这两种噪声的消解质量都要提起重视。理论标准下设计排气消声器的管腔数量时，管腔越多，消声器对高频噪音的消解损失作用越强。但当管腔数量达到某一程度后，消声器对低频噪音的消解损失作用也会逐渐减弱。所以，相关人员务必要进行多次的建模分析或设备试验，寻找出高频噪音与低频噪音的协调峰值，并以此作为排气消声器管腔数量设计的最优化方案。（2）排气消声器的管腔数量越多，其加工制造的结构也就越复杂，进而形成更高的投入成本。所以，相关人员在优化改造工程机械柴油机的排气消声器时，还要充分考虑相关单位、人员的成本预期与投入要求，以确保最终优化方案达成技术性与经济性的有机统一。（3）在多管腔结构的背景下，工程机械柴油机用排气消声器的各个管腔在长度、功能等方面具有一定差异性。例如，常规设计背景下，排气消声器的第一腔是最长的，并承担着降低气流速度的功能任务。此时，有学者研究发现，将消声器的最后一腔改为最长腔，可实现管腔内部温度的进一步上升。由于温度与消声峰值、传递损失成正比，所以能更好地发挥出排气消声器的性能作用，降低工程机械设备在生产运行中的噪声污染规模。但需要注意的是，这一研究结果并不具备普适性，相关人员在优化设计的实践中，应秉持因器制宜、因时制宜的原则，对排气消声器各管腔的长度进行适宜性配置。

2.3排气消声器的材料元件

现阶段，工程机械柴油机中可用的排气消声器已发展有多种类型，如阻抗型、有源型、孔板型等，其结构组成、功能生成的材料与元器件也不尽相同。例如，部分阻抗型排气消声器会在管腔内填充一定量的吸声材料，从而使柴油机所排气流、声波在传播过程中受到阻隔与吸收，从而将最终排出的噪音控制在较低水平。此时，吸声材料的填充量、填充结构、选用类型，就会在很大程度上影响排气消声器的应用效果；再如，孔板型排气消声器主要是在排气声器的管腔壁板上钻出多个小孔。当声波随着柴油机所排气体向外传播时，小孔便会对气流形成分散作用，并将声波的频谱导向高频、超高频。这样一来，人们听觉系统所能感知到的噪音将明显变少，从而达到环保降噪的目的。在此过程中，管腔壁板上孔洞的钻开面积、钻孔数量均会对排气消声器的应用效果产生影响。所以，相关人员在开展工程机械柴油机用排气消声器的优化设计工作时，应明确分析排气消声器的结构类型与作用机理，并制定出科学、稳定的材料选择与元件改造方案。此外，基于经济性、安全性等方面考量，相关人员在选择吸声材料、隔音材料或改造消声器元件时，一方面，要尽可能地选择“物美价廉”的材料或器件类型，避免盲目追求消声效果、引发成本浪费风险的情况发生。另一方面，要保证所选材料、器件具备良好的综合性能，如耐高温、耐潮湿、抗腐蚀、抗应力等，以确保排气消声器在改造完成后，可表现出良好的长寿质量，并与相对复杂、恶劣的工程机械设备运行环境达成匹配。

3工程机械柴油机用排气消声器的优化思路

基于以上，提出两种工程机械柴油机用排气消声器的优化设计思路：（1）对排气消声器进行三管腔、回流式的结构设计，其外壳规格为230×283mm，设置管腔体系中最后一腔的长度为最长。在此基础上，采取孔板穿接的方式，实现第一管腔与第二管腔的连通。对设计结构基本相同，外壳规格分别为210×283mm、220×283mm、230×283mm的三个排气消声器进行对比试验。结果表明，当壳体直径达到230mm这一最大值时，柴油机的噪音污染最小，即消声效果最好。（2）对排气消声器进行单管腔、孔板式的结构设计，其外壳规格为173×264mm，管腔壁板的开孔数量为100个，孔径参数为5mmφ。在试验中运算得知，该工程机械柴油机的排气管径为34mmφ，计算后其气体流通面积为578π。优化设计后，排气消声器的管腔横截面积为625π，远高于柴油器自身的气流面积。因此，该方案可以表现出良好的排气噪声处理效果。

4结语

综上所述，柴油机用排气消声器的质量水平，在很大程度上影响着工程机械设备的噪声污染控制能力。所以，相关人员在排气消声器的优化改造实践中，必须要着眼于气体流动速度、气体流动面积、管腔结构、工艺类型、材料元件等多个方面，寻找出噪声传递损失与投入性价比兼优的合理优化方案，为机械化工程建设活动的绿色环保开展夯实设备条件。

参考文献：

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作者：杨化军 林栋栋 于静 单位：中国石油集团济柴动力有限公司