（轮机工程专业论文）内燃机排气噪声半主动控制技术研究.pdf

ad i s s e r t a t i o nf o r t h ed e g r e eo fm e n g i n v e s t i g a t i o no f se m i - - a c t i v ec o n t r o l t e c h n i q u e f o rt h ee x h a u s tn o i s eo fi n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e s c a n d i d a t e ：z h um i n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f l i ux u e g u a n g a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e s p e c i a l t y ：m a r i n ee n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 滨工程大学 文原创性声明 的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：影衿 日期：矽- o 年岁月矿日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可日在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：拗 导师( 签字) ：1 哆f - ， 一， 1 日期： 加矽年j ，月弘日2 - o ，d 年弓月夕夕日 + 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 课题结合国家自然科学基金项目发动机过渡工况排气噪声半主动控制 装置与技术研究，针对现有消声器对内燃机低频排气噪声控制不足的缺点， 提出了专门用于内燃机非稳态排气噪声控制的半主动消声器。 建立了4 10 2 b g 柴油机排气噪声仿真模型，并对单缸柴油机和四缸柴油 机排气口处的辐射噪声进行测试。在此基础上，分析了稳态及非稳态工况下 柴油机排气噪声的频谱特性。得出了对于柴油机而言，无论是稳态和非稳态 工况下，基频噪声都是其主要的噪声成分，对其基频噪声进行控制是对排气 噪声进行控制的重要环节。 对不同温度、不同气流流速下使用g t p o w e r 软件计算旁支管消声器 的声学性能进行了比较。针对现有技术中所存在的不足之处提出一种新型半 主动旁支管消声装置。该装置可以满足变工况状态下非稳态低频排气噪声的 控制要求。为了更好地发挥新型半主动消声装置的效能，还设计了一种开关 迅速、无流道阻力的低噪声电磁阀。 以4 1 0 2 b g 型柴油机的基频噪声为控制对象，并以降低基频噪声为1 0d b 以上为例，设计了旁支管消声器。提出了以b p 神经网络作为半主动旁支管 消声器的控制算法，仿真结果表明，b p 神经网络能够很好的实现半主动旁支 管消声器的控制。应用旁支管消声器进行了柴油机排气噪声的控制试验，取 得了较好的控制效果。 将半主动旁支管消声器与被动消声器组合，建立了半主动消声装置，并 与柴油机模型耦合计算了消声装置的插入损失，以及消声装置的加入对柴油 机的性能的影响。 关键词：柴油机基频排气噪声；旁支管消声器；半主动控制；非稳态 户气 厂 。l - f a u l t l e s s l yc o n t r 0 1 i no r d e rt os o l v i n gt h i sp r o b l e m ，as e m i a c t i v es i l e n c e ri s p r o p o s e ds p e c i f i c a l l y f o r n o n - s t a t i o n a r ye x h a u s tn o i s eo fi n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g l n e t h es i m u l a t i v em o d e li se s t a b l i s h e df o rt h ee x h a u s tn o i s eo ft h e410 2 b gt y p e d i e s e le n g i n e t h ee x h a u s tp o r t sr a d i a t i o nn o i s eo fa s i n g l e c y l i n d e rd i e s e le n g i n e a n da f o u r - c y l i n d e rd i e s e le n g i n e i st e s t e d o nt h i sb a s i s ，t h es p e c t r u m c h a r a c t e r i s t i c so fd i e s e l e n g i n ee x h a u s tn o i s ei ns t a t i o n a r ya n dn o n - s t a t i o n a r y o p e r a t i n gc o n d i t i o n sa r ea n a l y z e d f o rt h ed i e s e le n g i n e ，w h e t h e ri ns t a t i o n a r ya n d n o n - s t a t i o n a r yo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h ef u n d a m e n t a lf r e q u e n c yn o i s ei st h em a i n c o m p o n e n to ft h ee x h a u s tn o i s e r e d u c i n gt h ef u n d a m e n t a lf r e q u e n c yi s a l l i m p o r t a n tp a r to ft h ee x h a u s tn o i s ec o n t r 0 1 t h ea c o u s t i c p e r f o r m a n c eo ft h eb y p a s sp i p e s i l e n c e ri s c o m p a r a t i v e l y c a l c u l a t e db yt h eg t - p o w e rs o f t w a r ea td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n dd i f f e r e n t v e l o c i t i e so ft h eg a s f o re x i s t i n gt e c h n o l o g yt h a te x i s t e di nt h ei n a d e q u a c i e s ， a n e wt y p eo fs e m i a c t i v eb y p a s sd u c ts i l e n c i n ge q u i p m e n ts a t i s f yt h ev a r i a b l e c o n d i t i o no ft h ed e v i c es t a t eo fn o n - s t a t i o n a r yl o w - f r e q u e n c ye x h a u s tn o i s e c o n t r o lr e q u i r e m e n t s i no r d e rt ob e t t e re x e r t i n gt h en e ws e m i - a c t i v eb y p a s sd u c t s i l e n c i n gd e v i c e se f f e c t i v e n e s s ，as w i t c hq u i c k l y ，n o n - r e s i s t a n c ef l o wc h a n n e l l o w - n o i s es o l e n o i dv a l v ei sa l s od e s i g n e d t a k i n gt h e4 10 2 b g - t y p ed i e s e le n g i n e 、析t l lt h eb a s i cf r e q u e n c yn o i s ea s c o n t r o l l e do b j e c t s ，t or e d u c et h ef u n d a m e n t a lf r e q u e n c yn o i s eo f10d bo re v e n m o r ea sa l le x a m p l e ，t h eb y p a s sd u c ts i l e n c e rm o d e li sd e s i g n e d t h eb pn e u r a l f o rt h ed i e s e le n g i n ee x h a u s tn o i s ec o n t r o lt e s t sa c h i e v e sg o o dc o n t r o le f f e c t a b y p a s sd u c ts i l e n c e ra n da c u r r e n tp a s s i v em u f f l e ra r ea s s e m b l e dt ob u i l d t h es e m i a c t i v eb y p a s sd u c ts i l e n c i n ge q u i p m e n t t h es i l e n c i n ge q u i p m e n tm o d e l c o u p l e d 、析t he n g i n em o d e lt o c a l c u l a t et h e i n s e r t i o nl o s so ft h e s i l e n c i n g e q u i p m e n t ，a n dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to ft h es i l e n c i n ge q u i p m e n to ne n g i n e p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：t h ef u n d a m e n t a lf r e q u e n c ye x h a u s tn o i s eo fd i e s e le n g i n e ；b y p a s s d u c ts i l e n c e r ；s e m i - a c t i v ec o n t r o l ；n o n - s t a t i o n a r y 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 概述1 1 2 消声器的研究状况2 1 2 1 消声器的概况2 1 2 2 半主动消声器的应用3 1 2 3h e r s c h e l q u i n c k e 管在消声器中的应用4 1 3 课题的研究内容7 第2 章柴油机排气噪声仿真计算与实验测量9 2 1 柴油机排气噪声构成9 2 1 1 基频排气噪声9 2 1 2 排气道内气柱共振噪声1 0 2 1 3 涡流噪声1 0 2 2 柴油机数值仿真模型的建立1 1 2 2 1 软件简介1 1 2 2 2 柴油机仿真模型的建立1 2 2 2 3 柴油机外特性计算1 3 2 3 柴油机排气噪声实验1 5 2 4 测量数据分析1 7 2 4 1 稳态工况下的排气噪声分析1 7 2 4 2 排气噪声的仿真预测与实验对比2 0 2 4 3 过渡工况的排气噪声分析2 2 2 5 本章小结2 4 第3 章半主动旁支管消声器的原理及组成2 5 3 1 旁支管消声器的理论计算2 5 3 2 旁支管消声器传递损失2 6 3 3 旁支管消声器压力损失3 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 3 4 半主动消声装置置的组成及原理3 2 3 5 电磁阀设计3 3 3 5 1 电磁阀简介3 3 3 5 2 电磁阀结构与工作原理3 4 3 5 3 电磁阀设计方法3 6 3 6 本章小结3 7 第4 章对4 10 2 柴油机的半主动旁支管消声器设计3 8 4 1 控制管路的计算3 8 4 2 旁支管消声器的管路布置4 0 4 3b p 神经网络4 l 4 3 1 神经网络概述4 1 4 3 2b p 神经网络的结构4 2 4 3 3b p 算法的推导4 3 4 4 基于b p 神经网络的控制算法4 5 4 4 1 控制数据的处理4 5 4 5 2 模型的建立4 8 4 5 3 结果分析4 8 4 6 排气噪声控制试验5 0 4 7 本章小结5 4 第5 章半主动消声装置与柴油机耦合计算5 5 5 1 柴油机与半主动消声装置耦合模型的建立5 5 5 1 1 被动消声器模型建立5 5 5 1 2 耦合模型地建立5 7 5 2 消声器对柴油机的插入损失5 8 5 2 1 插入损失的计算5 8 5 2 2 单个消声器插入损失的比较5 9 5 2 3 半主动消声装置的插入损失6 2 参考文献7 1 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 7 致谢7 8 1 1 概述 随着工业的发展，内燃机越来越广泛的应用于人们的工作生活当中。它 为人类带来许多方便的同时，也带来了越来越严重的噪声公害【l 】。为了减少 内燃机的环境噪声污染，世界各国相继制定了严格的噪声法规，如欧盟、日 本、美国等发达国家和地区从7 0 年代起每3 5 年就修订一次相关的法规或标 准，因此，如何控制和降低内燃机的噪声已成为一项当务之急的重要研究任 务【2 1 0 内燃机一般是由复杂的机构组成的，其噪声将会由多种声源发出的噪声 叠加而成，内燃机在运转时，根据其工作原理、工作状态及有关的声学理论， 大致可分为：燃烧噪声、机械噪声和空气动力性噪声。燃烧噪声和机械噪声 都是由发动机本体发出的，属于结构的机械振动噪声，并会随着转速的增加 而增加。燃烧噪声是可燃混合气在气缸内燃烧时，高压气体冲击机体结构而 产生的噪声，是由缸内压力变化引起的。机械噪声是源自与机械部件之间的 交变力，其包括：活塞敲击声、气门机构声、正时齿轮声等。空气动力性噪 声是由气体扰动或气体和其它物体相互作用而产生的噪声，它包括：进气噪 声、排气噪声和风扇噪声以及增压内燃机的增压器或扫气泵的气流噪声，其 中进、排气噪声是由于进、排气门周期性开闭产生的压力波动以及由此引发 的气流扰动所形成的，风扇噪声在风冷发动机上尤为明显i j 5 j 。 由于型号、运转工况的不同，内燃机中各种噪声源对总噪声的影响是不 同的。但在一般情况下，空气动力性噪声对内燃机整机噪声的影响要大于燃 烧噪声和机械噪声，而空气动力性噪声中又以排气噪声的影响最大，这一点 在柴油机中表现的尤为显著。因此降低内燃机的排气噪声，就能使内燃机的 整体噪声的量值减小，而目前对排气噪声最有效的控制方法就是在排气管路 中加装排气消声器1 6 j 。 1 2 消声器的研究状况 1 2 1 消声器的概况 消声器是阻止声音传播而允许气流通过的一种器件，是消除空气动力学 噪声的重要技术措施1 7 】。消声器通常分为被动消声器、主动消声器和半主动 消声器。目前，在内燃机进、排气系统中，绝大多数运用的是被动消声器， 半主动消声器也有应用，而主动消声器目前还主要停留在实验室阶段【8 】。 被动消声器又可以分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合型消声器三 大类以及微穿孔板消声器 9 1 。抗性消声器又称为声学滤波器，利用各种形状、 尺寸的管道或所谓共振腔的适当组合，造成声波在系统中传播时阻抗失配， 使声波在管道和共振腔内发生反射或干涉，从而降低输出的声能，主要包括 扩张消声器和旁支管消声器，如赫姆霍兹消声器、1 4 波长管等。阻性消声器 主要是在内部安装了一些吸声材料，当声波通过时，一部分声能被吸收，从 而达到消声效果。阻抗复合消声器以及微穿孔板消声器，均具有上述两种消 声器的特点，有比较宽的消声频率范酬1 0 1 1 1 。 主动消声器的原理是基于有源消声( a c t i v es o u n da t t e n u a t i o n ) 的理论，有 源消声技术又称噪声主动控制( a c t i v en o i s ec o n t r 0 1 ) 技术，最早由p a u ll u e g 于 1 9 3 6 年根据y o n g 氏干涉原理提出，至今已有近7 0 年的发展历程【1 2 1 3 1 。主 动消声器内部有一套电子控制系统，通过扬声器能够产生一个与声源的声波 幅值相等而相位相反的次声波，这样两个波就会相互抵消从而达到消声效果。 现今主动消声器仍然主要还处于研究阶段，尚未用来对工程实际问题进行实 时有效控制u 4 。 半主动消声器是主要通过相应的控制装置来改变消声器内部结构，从而 通过改变气体流动状态来调节消声器的消声效果。半主动消声系统主要是基 于阻抗控制机理而设计的，相对主动消声系统来说省去了产生次级声源的扬 声器，更容易实际应用【l 引。 2 构要宽【1 6 1 们。图1 1 所示为体积可调式赫姆霍兹消声器，在该消声器中，管 道长度和直径保持不变，底部可以通过一个控制机构控制其滑动，这样消声 器底部的声学阻抗z 会随着内燃机转速而变化，也就是随着频率而变，这样 就可以控制多个频率下的噪声。 图1 1 体积可调节式赫姆霍兹消声器 阻性调节的半主动消声系统以双模态消声器为代表，它根据不同内燃机 转速时的排气量变化主动调节排气管道的截面积。低转速时排气量少，低频 噪声突出，可采用小直径排气管道，既不会造成大的排气阻力，又有利于对 低频噪声的控制；随转速升高排气量增多，为了避免气流冲击噪声和排气阻 力，则需要一个大直径的排气管道，该类装置目前已广泛应用于各种轿车的 发动机排气系统，低速时的最大降噪量可达到1 0 d b 【2 0 2 3 j 。图1 2 表示威排气 系统的双模态消声器，它与一般消声器的不同之处就是在内部安装了一个阀 门，当在内燃机低转速时，空气流量和流速低，阀门关闭如图1 2 ( a ) 所示， 高转速时阀门被冲开如图1 2 ( b ) 所示。双模态消声器既能在低转速时对排 气噪声有良好的消声效果，又能在高转速时减少气流摩擦产生的噪声并降低 功率损失，因此，有不少汽车上装有该消声器。双模态消声器还可以加上一 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 个控制系统，由控制系统推动阀门的开关，这样就可以在不同工况下，阀门 开关的大小由控制系统控制，进而达到最佳的消声效果。 l ， 7 。：- j - 口口口 奄：j 正鼍 g 厂：；乡 图1 2 双模态消声器不意图 ( a ) 阀门关闭状态；( b ) 阀门打开状态 1 2 3h e r s c h e l q u i n c k e 管在消声器中的应用 早在1 8 3 3 年，h e r s c h e l 就已指出：当声音沿着两个通道长度差为声波波 长( 2 n 1 ) 五2 倍的主、旁管中分别传播时，声波在管路的下游汇合处会因干 涉现象而减弱或消失【2 4 。1 8 8 6 年，q u i n c k e 用实验证明了h e r s c h e l 设想的正 确性【2 5 1 。h e r s c h e 卜q u i n c k e ( h q ) 管由此而得名。 目前，关于利用h q 管进行降噪技术方面的研究，国外已有很多先例， 如，s e l a m e ta 提出了应用平面波理论推导出了h q 管传递损失的计算公式 1 2 6 】；美国弗吉尼亚州理工大学的l o f ta b r a d y 、m i c h a e lm j a m e s 等，分别 通过理论计算及实验对h q 管进行研究如图1 3 所示【2 7 2 8 】；同时美国国家航 空航天局( n a s a ) 也将h q 管应用于飞机发动机降噪，如图1 4 所示，并取 得较好的效梨2 9 - 3 0 1 ；还有人提出了采用h q 管做成汽车的排气消声器的方案 【3 l 】。国内也有一些学者将h q 管作为一种无源干涉消声元件而引用【3 2 3 5 1 。综 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 合以上文献可以看出：h q 管的消声特性主要与管系中声波反相干涉有关， 在一定条件下能够对单频噪声或频带噪声，有着不错的降噪效果。 图1 3h q 管道系统 图i 4h q 管道系统在匕机发动机上的应用 以上给出的是利用h q 管进行管道噪声或排气噪声的控制，均为被动式 消声器，消声频率会由于旁支管的尺寸而受到限制，可控制的噪声频带单一。 为此，韩国的黄尧夏提出了一种带有可调式旁支管消声器的半主动消声装置， 如图1 5 - - 1 6 所示，来控制内燃机中排气噪声或空气输送系统管道中噪声【3 6 1 。 可调式旁支管消声器是由主管路、可伸缩式旁支管路和驱动装置组成，其主 要针对内燃机排气噪声中频率较低的基频噪声进行控制，中高频噪声则用被 动消声进行控制。该装置不足之处有以下两点：一是在进行旁支管调节时密 封性要求较高；二是当内燃机在变工况时，调剂装置的响应时间较长，难以 适应变工况的工作要求。 哈尔滨j r 程大学硕十学位论文 图1 5 可调式旁支管消声装置示意图 图1 6 可调式旁支管消声装置实物图 内燃机排气噪声一种复杂的噪声，不仅包含在工作稳定的排气噪声，还 有在内燃机过渡工况下的非稳态的排气噪声。就此而言，在传统的被动消声 研究中，有着其本身固有的局限性，即对于内燃机排气噪声中的低频部分而 言，如柴油机的基频排气噪声，被动消声装置存在着结构复杂、低频降噪效 果差、尺寸偏大等缺点，同时对过渡工况时的排气噪声变化的控制关注的不 多。对于主动消声则采用引入次级声源的办法进行消声，但这种方法在应用 时对误差传声器和次级声源耐高温性及抗腐蚀性有相当高的要求且需要次级 声源的输出功率较大，往往很难实现。而对于前面提到的几款半主动消声器 而言，可调式赫姆霍兹消声器和黄尧夏提出了一种带有可调式旁支管消声器 由于调节较慢难以实现非稳态噪声的控制，而双模态消声器虽然调节速度较 快，但因为控制装置安置在传统被动消声器内，因此控制频段要受到传统被 动消声器结构制约。基于此，本文提出了一种既能有效地控制低频噪声，又 6 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 能实现内燃机非稳态排气噪声控制的半主动消声装置。 1 3 课题的研究内容 本课题是结合国家自然科学基金资助项目发动机过渡工况排气噪声半 主动控制装置与技术研究( 项目编号：5 0 8 0 5 0 2 9 ) 而提出的，文中提出了 一种新型的半主动消声装置，是由基于阀门控制的半主动旁支管消声器和被 动消声器组成。该装置既能对稳态时内燃机排气噪声进行控制，又利用了阀 门开关控制快速的特点，可以对过渡工况时非稳态排气噪声进行实时控制。 半主动旁支管消声器主要是有效地解决在排气管道的低频噪声，尤其是当发 动机在非稳态工况工作时，可以通过旁支管系统中的管道阀门来调整旁支管 的尺寸来实现，从而使系统达到最佳的消声状态。被动消声器则是对其余频 率范围内的噪声进行控制。 本文主要是以东风朝阳柴油机公司4 1 0 2 b g 型柴油机为研究对象，建立 针对该柴油机的半主动消声装置。本论文的主要研究内容有： 1 研究柴油机排气噪声规律，并以r 1 8 0 型柴油机和4 1 0 2 b g 型柴油机 为研究对象，进行排气噪声测量实验研究，得出柴油机稳态及非稳态工况下 的排气噪声的特性。 2 使用g t p o w e r 软件建立柴油机的仿真模型，并由实验所得的参数 进行校核，同时使用仿真模型预测柴油机的排气噪声，并与实验对比，验证 g t p o w e r 软件在柴油机声学预测的准确性。 3 提出半主动消声装置的理论依据，通过g t - p o w e r 软件仿真分析旁 支管消声器的声学特性，分析其可行性，并结合f l u n e t 软件分析该消声器 的阻力损失情况。 4 针对4 1 0 2 b g 型柴油机排气噪声的规律，设计出基于阀门半主动控制 的旁支管消声器，并根据该消声器的实际需要设计一种新型的、用于管路控 制的低噪声电磁阀。 5 运用b p 神经网络建立针对旁支管消声器调节控制阀门的控制算法， 并进行该算法的仿真计算。加工出旁支管消声器，建立该消声器同柴油机耦 7， 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 合的试验台架，进行了稳态工况时的控制实验，验证其效果。 6 建立一种被动消声器模型，g t p o w e r 软件仿真研究半主动消声装 置同4 1 0 2 b g 型柴油机模型进行耦合，计算该装置降噪效果。 _ l 哈尔滨：啊犟大学硕十学位论文 第2 章柴油机排气噪声仿真计算与实验测量 控制内燃机的排气噪声，就要对排气噪声的主要构成和产生机理进行理 论研究。本章主要是介绍了构成柴油机排气噪声的各成分的产生机理，并通 过仿真和实验分析了柴油机排气噪声的特性。 2 1 柴油机排气噪声构成 在各种型式的发动机中，柴油机使用最多，用途最广，其噪声污染也是 较为严重的。柴油机噪声可分为燃烧噪声、机械噪声和气体动力性噪声。气 体动力性噪声，主要包括进气、排气和风扇噪声，其中排气噪声是柴油机最 主要的噪声源，往往比发动机整机噪声( 排气噪声除外) 高1 0 1 5d b ，是一 个频谱复杂的噪声。因此，若能有效地降低柴油机的排气噪声，就能大幅度 地降低柴油机的总噪声级【37 1 。 排气噪声是由于内燃机周期性排放高压、高温废气，使周围空气的压强 和密度不断受到扰动而产生的噪声，其通常是指排气系统辐射出来的总的噪 声，包括管壁和消声器壁的辐射噪声以及尾管出口的气动辐射噪声。若将排 气系统管壁和消声器壁假设为刚性的，则排气噪声仅指气体动力性噪声。因 此，排气噪声的频谱通常包含以下频率成分：基频排气噪声、管道内气柱共 振噪声、涡流噪声、废气喷注和冲击噪声和排气系统管道内壁面处的紊流噪 声等，其中基频噪声最为突出【3 引。 2 1 1 基频排气噪声 基频噪声是由于内燃机的排气门在刚开启时，气缸内燃气突然以高速喷 出，气流冲击到排气道内气门附近的气体上，使其产生压力剧变而形成压力 波，从而激发出噪声。由于各气缸排气是在指定的相位上周期性进行的，因 而这是一种周期性的噪声。这种噪声是一种典型的低频噪声，基频噪声频率 显然和每秒钟的排气次数，即和爆发频率是相同的，故基频噪声的频率是： 9 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 厂：竺( 2 1 ) 。 6 0 r 式中：厂基频噪声的频率，h z ； z 一气缸数； 以一柴油机转速，r m i n ； f 冲程系数，四冲程f = 2 ，二冲程f = l 。 2 1 2 排气道内气柱共振噪声 在排气系统管道中的空气柱，在周期性排气噪声的激发下，因发生共振 而产生空气柱共振噪声。在排气门开启过程中，气缸容积与排气管组成共振 系统，产生气柱共振噪声，其共振频率为： f c 2z z 万 ( 2 2 ) 式中：c 一声速，m s ； ，一排气管直径，1 1 1 1 1 1 ； 圪一气缸工作容积，l ； 卜一一排气管长度，m 。 在排气门关闭过程中，排气管可视为是一端封闭、一端开启的管道，它 产生的气柱共振频率为： 石= ( 2 n - 1 ) 云t l - 1 ，2 ，3 ( 2 - 3 ) 气门开启时的气柱共振噪声远大于气门关闭时的共振噪声，气柱共振噪 声通常为低频噪声。 2 1 3 涡流噪声 涡流噪声是由高速气流通过排气门和排气道时产生的。在排气门刚打开 时气缸内气体压力为排气管内压力的2 倍左右，排气处于超临界状态，以声 速急速流经环行气门喉口，从而产生剧烈的涡流运动，并与气门头附近排气 管道产生强烈的撞击。随着气门开度的加大，气体的流动变为亚声速流动， 由于气流粘滞力的作用，使周围气体发生旋转，形成涡流，并辐射出涡流噪 1 0 哈尔滨1 ：程大学硕士学位论文 声。涡流噪声的频率可以用下式表示： f = 6 h ( 2 - 4 )上， 式中：厂一涡流噪声的频率，h z ； 瓯一斯特劳哈尔数； 1 ，气流速度，m s ； d 一一排气气门开启时的等效直径，r n i n 。 由于，和d 连续地变化，涡流噪声的频谱为连续频谱且主要是高频噪声， 其辐射的声功率为： w = k p d 2 v 3 m ( 2 5 ) 此外，排气噪声还包括：排气门开启及落座时机械振动产生的噪声、排 气管内壁面处的摩擦及紊流噪声、气缸内燃烧压力波动的残余部分所产生的 噪声等，但它们占柴油机的排气噪声比例很小。 2 2 柴油机数值仿真模型的建立 2 2 1 软件简介 g t s u i t e 是一种设计及分析软件发动机、动力装置和交通运输一体化 计算机辅助工具。g t p o w e r 软件是g t s u i t e 的主要模块，它是专门对汽 油机、柴油机及其他的附件进行数值模拟的一个模块。g t p o w e r 软件是以 一维的c f d 计算为基础，采用有限容积法对热流体进行模拟计算的软件。该 软件的基本思想是将发动机各系统进行模块化，把发动机的各个系统分为不 同的功能模块以模板的形式存储起来形成模板库，其包括了括流体元件库、 机械部件库、分析工具库等，能对发动机所有运行工况进行模拟所需要的元 件和分析工具。流体元件库包括：进排气歧管、空气滤清器、喉管、进排气 阀、气缸以及燃烧和换热等的模型，机械部件库包括：曲轴、凸轮以及传动 系和整车等的模型，分析工具库库则包括：信号发生器、传感器以及微积分、 f f t 、压力损失、传递损失和插入损失等的分析模型。g t p o w e r 软件这种 将问题分散处理，有针对性地对具体问题进行集中建模，既能考虑模型的多 o “u “9o 。o w ”4 一“ “ rzfd ，。w 一* h * ”h - m 一q 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 样性，又能提高模型的精度【3 9 1 。 2 2 2 柴油机仿真模型的建立 本文研究的是4 1 0 2 b g 型柴油机，其参数如表2 1 所示： 表2 14 1 0 2 b g 型柴油机参数： 型式立式、直列、水冷、四冲程 汽缸数一缸径行程4 一1 0 2 1 1 8m m 压缩比1 7 5 标定功率转速 4 9k w 2 3 0 0r ，m i n 最大扭矩转速2 3 5n m 1 6 0 0r m i n 全负荷最低燃油消耗率 2 3 8g k w h 工作顺序l - 3 - 4 - 2 供油提前角上止点前l 卜1 8 。 喷油器开启压力1 9 10 0 4 5 0k p a 进气门开启始点上止点前1 4 。 进气门开启终点上止点前5 0 。 排气门开启始点上止点前5 6 。 排气门开启终点上i ：点前1 6 。 根据表2 1 所给的参数，并根据测量得出该柴油机的其他参数，建立 4 1 0 2 b g 型柴油机的发动机模型如图2 2 所示。图中：元件i ne n v 和e x i te n v 为发动机进口和出口的环境，需定义压力、温度及环境的成分，此处定义为 常温常压( 2 0 、一个大气压) 的空气。接元件i ne n v 之后是发动机的进气 管道，元件e x i te n v 之前为发动机的排气管道，在进排气管道中，需定义几 何尺寸、离散长度、表面粗糙度、传热条件等。模型中管路尺寸根据实际柴 油机测量而得。离散长度在g t p o w e r 软件提供的参考值为：性能计算时， 进气系统取0 4 倍缸径，排气系统取0 5 5 倍缸径；进行噪声计算时则取性能 计算时的一半。表面粗糙度则取钢的参考值o 2 5 ，其他保持默认状态。元件 i n v a l 、e x v a l 为发动机的进、排气阀，需定义气门直径、气门间隙、气门定 1 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 时、气门升程曲线、流量系数曲线等，这些参数需要通过对柴油机进行测量， 并结合软件所提供的流量系数曲线计算公式得到。元件i i l i 为喷油器，需定 义每循环喷油量、喷油提前角、喷油压力( 可以定义绝对压力和背压) 、喷油 温度等。元件c y l i n d e r 为气缸，需定义气缸的几何尺寸包括缸径、行程、连 杆长度、活塞销偏置、压缩比、燃烧模型、气缸的换热条件等。元件c r a n k t r a i n 为发动机曲轴组件，需定义发动机形式( 四冲程或二冲程) 、气缸数、气缸的 排列形式( 如为v 型，需定义角度) 、轴系的摩擦模型等。元件m i c 为麦克风， 通过传感器元件s e n s o r ，测试距排气尾管出口0 5m 、与管道轴线成4 5 。角 处的辐射噪声的声压级【4 0 j 。 ”! ， 图2 14 1 0 2 柴油机仿真模型图 2 2 3 柴油机外特性计算 通过上述模型仿真计算，得到柴油机的功率、扭矩和燃油消耗率的外特 性，并与实验数据进行比较，比较结果如图2 3 - 一2 6 所示。从对比图可以看 出，仿真值与实验值误差小于5 ，模型与实际实验结果吻合较好，模型基 本能反应该柴油机外特性，基于此模型进一步的仿真计算有较高的可信度。 2 5 0 2 4 5 2 4 0 菖2 3 5 蕃2 3 0 耀2 2 5 羹2 2 0 鏊2 1 5 2 1 0 2 0 5 2 0 0 譬2 = 譬= = 竺2 蠹高窝鬣 转速( r f i n ) 图2 2 功率对比图 oo oo n oo oo _ oo oo c oh oo oo 西 转速( r m i n ) 图2 3 扭矩对比图 o o o o o “ oo oo n nn 昌g 昌昌g 昌昌昌8 昌g 昌 22 = 兰兽= 竺里昌高窝器 转速( r m i n ) 图2 4 燃油消耗率对比图 o 5 0 5 o 5 o 5 o 5 o弱弘弘拈船毖毖孔扎加 一耋一疑罩 薰萎荸誊蓍罾萤蚕蓍 量 蚕萤 转速( r m i n ) 图2 5 误差曲线 2 3 柴油机排气噪声实验 为研究柴油机排气噪声的特点，本文以金坛柴油机厂生产的r 18 0 型单 缸柴油机和东风朝阳柴油机公司生产的4 1 0 2 b g 型四缸柴油机为研究对象， 分别进行了空载时柴油机排气噪声的测量实验，实验方案如图2 6 所示。通 过两种型号的柴油机对比，验证基频排气噪声在柴油机排气噪声的地位。测 量时在柴油机排气总管上接一个2m 的延长管，并按国家标准进行排气口辐 射噪声声压级的测量 4 l 4 3 】，如图2 6 2 8 所示。 飞 反 光电转速 传感器 p u l s e l 0 0 振动噪声分析软件 图2 6 实验方案图 1 5 图2 7r 1 8 0 型柴油机排气噪卢测量布置图 图2 84 1 0 2 b g 型柴油机排气噪声测量布置图 测量时所用的仪器包括：b & k 公司4 1 8 9 型传声器、b & k 公司的3 5 6 0 b 型数据采集仪器，p u l s e l 0 0 振动噪声分析软件，光电转速传感器，反光纸 以及相配套的接线等。 在实验时需要注意的是：柴油机的起动前要检查柴油机各部分是否正常， 连接是否可靠，检查机油、冷却水、燃油量是否合适，有无泄露现象；摇转 曲轴数转，检查各运动部件是否都能灵活运转；检查电路系统连接是否正确 可靠，蓄电池充电是否充足；检查传动部分是否分开，待上述问题处理后方 可进行起动；柴油机在停车前应该逐步减少负荷及转速至8 0 0 1 0 0 0r m i n ， 1 6 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 运行3 - - 5 分钟后可停车。在噪声测量过程中：为减少实验测量时背景噪声的 影响，选择在无外界噪声源干扰的情况下的，空旷的大房间里进行实验；为 防止地面和壁面反射噪声对测量结果的影响，排气口离地面lm 以上，同时 用消声棉对所测管口的四周进行隔离。由于管路比较长，在发动机工作过程 中会产生强烈的振动，为此，实验制作了固定管路的支架，并且支架与管路 接触处采用弹性接触，这样在一定程度上减小了排气管路的振动。 2 4 测量数据分析 2 4 1 稳态工况下的排气噪声分析 本节列出两种柴油机在转速稳定时，排气噪声分别在三个不同工况下的 测量结果。当r 1 8 0 型柴油机的转速在1 5 6 0 r m i n 、2 0 5 0 r m i n 和2 5 3 0 r m i n 时， 由式2 1 计算可得到其排气基频约为1 3 h z 、1 7 h z 和2 1 h z 。图2 3 - - 一图2 5 为 在三种转速下，通过实验测量而得出的该型柴油机排气噪声的低频部分的频 谱图，从图2 9 中可以看出，以1 3 h z 为基频的2 7 个谐次内均出现了噪声峰 值，其中2 6 1 3 h z 时声压级最大，图2 1 0 中以1 7 h z 为基频的2 0 个谐次内均 出现了噪声峰值，其中5 1 2 5 h z 时声压级最大，图2 1 1 中以2 1 h z 为基频的 1 5 个谐次内均出现了噪声峰值其中6 3 2 8 h z 时声压级最大。各种工况下均与 计算的结果吻合，以基频噪声和前几阶的谐频噪声峰值较为明显。 【d b t 2 00 up 川a u t o a p e e m j m 零i g n a l2 ) w o a l n g ：1 5 6 0 ri n p u t ：f f ta n a l y z w 04 08 01 2 01 6 02 0 02 4 02 8 03 2 0 3 0 0柏0 【嘲 图2 9r 1 8 0 型柴油机排气噪声频谱图( 转速为1 5 6 0 r m i n ) 1 7 04 01 2 01 6 02 0 0 2 4 0 2 8 0 3 2 0弱0柏0 【 蚓 图2 1 0r 1 8 0 型柴油机排气噪声频谱图( 转速为2 0 5 0 r r a i n ) 图2 1 1r 1 8 0 型柴油机排气噪声频谱图( 转速为2 5 3 0 r r a i n ) 图2 1 2 2 1 4 是对4 1 0 2 b g 型柴油机排气噪声的测量结果。当该柴油机 的转速的分别为1 2 0 0 r m i n 、1 8 0 0 r m i n 和2 3 0 0 r m i n 时，由式2 1 分别计算 得到其排气基频约为4 0 h z 、6 0 h z 和7 6 7 h z 。图中均为通过实验测量而得出 的该型柴油机排气噪声的低频部分的频谱图，从图2 1 2 中可以看出，在4 0 h z 时出现噪声声压级峰值，并远大于其余频率下的声压级，图2 1 3 中6 0 h z 时 声压级最大，图2 5 中7 6 h z 时声压级最大。可以看出，