外文翻译--内燃机主动衰减排气阀门设计 中文版.doc

徐州工程学院毕业设计(外文翻译)内燃机主动衰减排气阀门设计R.Boonen,P.Sas摘要能有效衰减内燃机排气噪声的消声器早就被发明了，这种消声器主要是由连接缓冲容器的电动控制阀所组成。发动机的脉冲流在容器中得到缓冲且能持续控制阀门阻力尽让少量的气流进入空气。这种气流没有波动，因此几乎不会产生噪声。这种主动消声器是由模拟电路实现的。首先，我们将通过对包括内燃机和线性主动消声器的模拟电路的研究来获得消声器与发动机之间的相互关联。然后，在单独的电子模拟电路的基础上建立详细的阀门模型。它包括电气，机械和执行器阀门的气流动态特性。然后模拟阀门执行器来建立原型。主动消声器已经在低温发动机模型下测试过了。其使用的压缩气体会使该装置因气流产生现实排气噪声。它不需要发动机和主动消声器跟被动元件的预先连接，在非常低的转速下减轻脉冲。这是使用基于扬声器作为主消声器所不可能达到的效果。1简介内燃机在很多场合都有广泛的应用，其中在交通运输方面所占份额最大。但与此同时，内燃机在应用过程中也造成了以一些问题，比如空气污染和环境噪音。在过去的几十年，针对减少空气污染，温室效应，噪声污染已经有了严格的立法。今天，小型汽车的排放量限制在74分贝以内，重型车辆的排放量限定在84分贝之内。对于汽车，二氧化硫的排放量必须限制在190克/公里（欧盟第三至指令），并且这个数据会在2003年减少到170克/公里（欧IV），到2008年将会减小到140克/公里（欧盟五）.虽然这些数据乍一看没有什么相关性，但他们确实对排气系统的发展起着一定的影响指导作用。这个系统的发展方向是最小化被压发动机，最大化发动机效率，而且要保证无噪音衰减性能损失。当下解决这个问题的最好办法是发展主动排气系统。在近几年工程师，科学家针对管道中的主动噪音消除进行了很多研究，也产生了很多专利。扬声器系统被成功地应用在通风通道的商业领域。另外扬声器系统还应用到了固定的柴油发动机上。比如底特律柴油机公司和KEBA公司的AISM系统。在汽车上，有源音箱被开发应用到六个或更多的气缸发动机上。对于四缸发动机，扬声系统的发动机在很极端的条件下排气，这给系统带来了很多问题，比如说低噪音，效率和可靠性的问题。从概念上讲，将可控阀应用到排气管上更加稳健。控制阀门的元件可以比较小，而且控制严格精准。它可以直接排放废气。阀门通过使用一个外部信号来实现阻力的无级变速。理论上讲，阀门是纯阻性的，它不可能从气流中存储能量。通过天然气的流动，阀门产生的压力下降。当阀门的音速保持不变的时候，从而实现了主动消除噪音的效果。在图一中，第一个图形通过阀门的阻力特性反映了声压是如何影响流体流动的。第二个图演徐州工程学院毕业设计(外文翻译)示了如何通过改变阀门的阻力使之下降从而产生相反方向的波动流。第三幅图是将两者的效果叠加在恒定流量上的结果。基于这一理念，普瓦捷大学（一个执法机关）正在研究开发噪声衰减器。这项研究采用的是蝶阀在内燃机试验台上的测试的方法。测试钻机是配备了液压制动装置的一个一百三十五立方厘米的四缸发动机从汽车。在排气处两个被动式消声器被预连接阀门的执行机构。作为控制策略，一家X-LMS公司对前馈反馈控制系统进行了测试。在前馈的情况下，三个第一谐波被减小20至30分贝。在反馈的情况下，一次谐波减少20分贝，二次谐波减少5分贝。本文中所提到的致力于发展排气消声器的研究工作室以阀门的概念为基础，它无需安装消声器和有源器件就可以用来处理发动机压力排气的声音功率。产生的回压要求比较低。继有源器件之后，我们可以安装小的被动消声器来衰减高频噪声。2有源消声器的发展2.1原理理论上来讲，如果在源和阀门间没有电容器元件而在速度源气流中插入主动阀门，像内燃机是没有效果的。容器速度源强制将规定的气流通过排气系统，无论里面是否产生压力。电容元件可以使用管道或容器引入。当阀门置入没有适当电容元件的引擎排气管道时，会产生一个高背压或仅低的衰减噪声。下图2是使用控制阀门来控制容器速度源的最简单系统。引擎作为容器速度源。在排气中，包含电容C的容器和具有可变电阻R(t)的调节阀门相连。阻抗Z是尾管和露天散热器的阻抗。从源来的气流在电容C和依时电阻R(t)上发生分解。现在，控制器必须使阀门阻力随时间而变化，这样使得通过阻力的波动气流变为0。图2最简单的在内燃机，类似容器速度源上的主动控制阀方案徐州工程学院毕业设计(外文翻译)由电气等效电路得到阀门电阻变化：整理式(1)得：通过阀门口得恒流为：控制器按时间改变阀门阻力根据：其中R0是初始阀门阻力，同样的结果可以通过在阀门后控制器最大限度减少压力UZ实现。这种简单的考虑有两个重要的后果。首先，通过平衡容器阀门组合，可以控制从任意容器速度源来的气流。其次，只要电阻R(t)总是保持主动，R0可以任意选择电阻R0可以得到优化获得最低的发动机回压，来获得高的发动机效率。2.2发动机和消声器的电气等效模型图2中的简单模型，看上去不是很现实的发动机排气系统，因此该模型将扩大。容器速度源将由发动机模型代替，在发动机和主动消音器间连接风管，在消声器后连接尾管，由此而产生的电路图如图3。电路的左边部分是发动机模型。四个可变电容代替四个发动机气瓶，其容积在最大和死体积间按正弦变化。开关电阻上部设置代替进气门，下部设置代替排气阀门。开关随着凸轮轴起动发动机阀门相同的顺序驱动，排气阀电阻后的四个短传输线代替汽缸导管与排气直观交界间的排气导管。进气端连接到电压源代表大气压力相当于100Kv。燃烧由脉冲电流源并联电容的圆柱电容器充电来模拟。徐州工程学院毕业设计(外文翻译)充电时间点对应点火时间点。右边部分代表主动排气系统。传输线T代表消声器通过管子连接发动机。电容C代表缓冲区和控制阀可变电阻R(t)。传输线Tt代表尾管和连接Ra的电阻电感，La对应球形散热阻抗。在模拟中，同位反馈控制器主导控制阀门阻力。这种控制器只需设置主动消声器属性。实际上，必须运用其他控制策略来处理阀门动作和错误传感器影响间的时间延迟。图3装有主动噪声控制阀门的内燃机电气模拟电路原则上来讲，发动机的背压通过选择合适的缓冲空间电容器C设置在任何希望的阀门上。实际上，这将使主动消声器可用空间和可接受背压间妥协。图4图3电路中的模拟示意图