（轮机工程专业论文）柴油机排气净化消声器声学性能研究.pdf

呈尘鎏三至奎耋堡圭茎堡鎏銮 一 摘要 柴油机排气净化消声器安装于柴油机排气系统中，在起到净化排气污染 物作用的同时，还达到良好的消声效果，并且节省了对排气系统的占用空间。 根据排气净化消声器内催化载体的特殊声学结构，使用传递矩阵法和有 限元法建立了催化载体的声学计算模型。用有限元法对除载体部分的消声器 结构进行建模计算，而后把载体耦合进消声器，分别得到两种方法下的排气 净化消声器的声学特性，得到催化载体对净化消声器的声学性能影响，同时 比较了两种方法在模拟计算中的区别。 使用b & k 公司提供的阻抗管套件对用于发动机排气系统的催化转换器进 行了传递损失测量，将实验测量结果与模拟计算结果进行了比较，验证了排 气净化消声器声学特性计算方法的正确性，从而可对捧气净化消声器的声学 性能进行计算和分析。 对复杂结构的柴油机排气净化消声器进行模拟，对载体进出口截面采用 较精确的单元对单元的耦合方式。计算其传递损失以进行声学特性分析和讨 论。 关键词：柴油机；排气净化消声器 声学性能；传递矩阵法；有限元法 一 鉴玺鎏二譬盔兰翌土兰竺鲨銮 a b s t r a c t t h ed i e s e lc a t a l 蛳c 蝴饥e e r si n s t a l l e di nt h ed i e s e le x h a u s ts y s t e mh a v et h e a b i l i f i 铬d u a lo fa n i s s i o nc e n t r e la n dn o i s er e d l 枷衄i ts i v e st h e 踟柏。e 勰仰e a f l e r - t x e a t m t d e v i i n t h e e x h a u s tp i 睢 a c c o r d i n gt ot h e 蚰a h eo f l h em o n o l i t hi nt h ec a t a l y 6 cs i l 锄o t h ea c o u s t i c c a l c u l 咖m o d e li sb u i m 砷b y u s i n gt r a n s f 盯m a 廿j xm e t h o da n df i n i t ee l e m t m e t h o d 唧洲) r e s p e c t i v e l y 1 1 l em o n o l i t hp a r ta n dt h eo 虹l e rp a r to ft h es i l 呵 w ：陋c hc a l a l l 删b yf e ma 托c o l 币l e dt oo l ，t a i nt h ew h o l ec a t a l 舛cs i l 曲。茁矗 a c c 咀曲cd 珀埘【c c e f i s 矗璐t h em o n o l i m sa c o u s t i ca t t e n u a f i o nd 钮蠡如肌c ci s 切o 器8 e d ，a n dt h et o wm e t h o d sa g oc o m p a r e d t h et r a n s m i s b i o n1 0 m e a s u r e m e n to fn l cc a t a l y t i ec o n v e r t e ri sc a r r i e do u tb y u s i n g 位b k 岫，c d t u b e t kc o m p a x i s o no f 恤m m t r e s u n sa n d t h e f l w m ec a l c u l 撕o n s ；v a l i d a t 。dt h a tt h ec a l a 】l a “：dn k ：山o do f c a l a l “cs n e n c 廿 i sc o r r e c t c o n s e q u e n o y , t h ea c o u s t i ca t t t m u a f i o np a f o 埘c ec a nb ec a l c u l 删 a n dm a l 野e 正 m m o d c i i n gt h ec o m p l 锰嘣t a l y 矗cs i l 朗。e lt h em e 山0 do fd e m e n tt od e m e n t m a t c hi su s e d a n dt h e 订揶l 髓n i 鼹i o nl o s sa n dt h ea c o u s t i cc h a r a c g e x i s t i c sa r e a n a l 州a n d d i s c u s s e d k e y w o r d s ：& e j s e l 蛐g i n e ；e x h a u s ta i t a l 蛳cs i l a l o e f ；瓠棚枷c 砒t e n u a f i o n p e r f o r m 黜：在孤l s f 矗m a t r i xm e t h o d ；f i n i t ed 锄tm e t h o d 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，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) ：她 日期：聊年 月l ，e t 1 1 柴油机的排气噪声 第1 章绪论 柴油机自问世以来，经过一百多年的发展，以其良好的动力性、经济性、 和耐久性等优点在各种动力装置、船舶以及车辆上得到了广泛的应用。柴油 机的噪声包括气体动力噪声、机械噪声和燃烧噪声。排气噪声是柴油机主要 的噪声源，属于气体动力学噪声。柴油机的排气过程是一种周期性的空气剧 烈流动过程，引起强烈的气流震荡，由此产生的气体动力噪声直接向大气辐 射。随着发动机转速和强化程度的提高，排气系统内气流速度的加大，排气 噪声也增大，从而使整机噪声有增大趋势。因而内燃机机排气噪声已成为一 种影响面很广的环境污染源，必须对其进行控制，以使其达到规定的标准。 为降低和控制柴油机排气噪声，在柴油机排气系统中安装消声器是一种有效 的途径。同时随着人们对全球变暖和温室效应问题的日益关注，内燃机排放 的控制变得越来越重要，在排气系统安装催化净化装置，用来降低排气污染 已成为必然。 在内燃机工作过程中，气缸内的高压燃气膨胀做功后须将废气排出以 便重新进入新鲜空气组织下一次做功。当排气阀刚开启时，气缸内的高压力 燃气以很大的流速喷出，燃气具有相当高的能量，会产生一个高频噪声。同 时气流通过捧气管道的狭窄部位或转弯时与管壁相碰撞，会产生涡流噪声。 在多缸内燃机中各缸捧气口用统一的排气管相连接，废气在捧气管中，将产 生压力脉动，根据排气管长度与捧气频率的关系还会发生捧气管内的气柱共 振噪声。排气噪声的声压级随内燃机的排气量、输出功率、扭矩以及内燃机 工作时的平均有效压力等参数有关。在转速不变的情况下，工作负荷的提高 会导致排气噪声的提高。转速的提高也会使捧气噪声增大，这是因为转速提 高后，内燃机的排气量相应增大，同时也加剧了涡流噪声，这些因素都将增 大内燃机的噪声量级。相比之下，内燃机中柴油机的噪声将比汽油机大，因 为柴油机具有较大的机械噪声，而且柴油机在排气阀开启时的缸内压力比较 大由于柴油机的捧气噪声量级较高，所以通常在柴油机捧气系统需要安装 哈尔j 冥工程大学碗士学位论文 捧气消声器。 柴油机的频谱主要以中、低频为主，由以下三种成分组成： ( 1 ) 以每秒捧气数为基频的倍频成份： 工= 景”p = l ，2 , 3 ( 1 1 ) 式中为基频，工高频的强度将大大减弱，因此其成份主要是低频。 ( 2 ) 在捧气阀门等通道截面处的涡流噪声其峰值频率用经验公式估算： r ：0 0 4 v( 1 2 ) 一 式中v 为通道截面处的气体流速( m s ) a 为通道截面面积( m 2 ) 。 ( 3 ) 排气管内的气柱声：当内燃机排气管内的压力脉冲频率与f o = c 4 1 及其高谐次倍频值相吻合时，就会出现较大的共振声其中c 为废气状态下 的声速f r o s ) ，为排气管长度( m ) 于是，总的排气噪声，应是排气管口处的捧气噪声、挥气管道中涡流噪 声和排气管气柱共振噪声的总和。 柴油机作为内燃机的重要成员，其尾气和噪声是重要的环境污染源，柴 油机尾气与噪声控制是重要的研究课题。对柴油机的排放控制通常使用分体 式净化器和消声器，即把净化装置和消声装置在功能上分割开来，净化器只 是用来净化排气中的有害成分，消声任务则由消声器来完成。但是如果在柴 油机捧气系统中使用催化净化消声器，把催化载体看成消声器的一部分，不 仅可以节省发动机的空间，而且达到了排气净化和消声的双重功效。 1 2 柴油机的排放与净化 内燃机作为当今世界使用最为广泛的动力机械，包括汽油机、柴油机、 煤气及、醇类燃料发动机等。其掉气的基本成分可分为两类：一类是燃料在 空气中完全燃烧后的产物，基本成分是= 氧化碳，水蒸气、过量空气、剩余 的氮气，这些气体不会对环境造成危害；另一类排放物是燃料部不完全燃烧 产生的有害物，包括一氧化碳、碳氢化合物，氮氧化合物、二氧化硫、微粒 子( 碳烟、高沸点可溶性碳氢、铅化物) 、臭气( 甲醛、丙烯醛、未燃醇等) 。 这类排放物具有毒性和强烈的刺激性，对人体和生物构成威胁，所以需要进 2 哈尔凄t 程大学硕士学位论文 行有效的控制和净化。 柴油机被认为是高效率的内燃机，它具有油耗低、熟效率高、经济性好 等优点。我国柴油机产业自8 0 年代以来有了较快的发展，随着一批先进机型 和技术的引进，我国柴油机总体水平已经达到国外9 0 年代水平，一些国外柴 油机近几年开始采用的排放控制技术在少数国产柴油机上也有应用。大多数 柴油机能够达到欧i 排放标准，部分已达到欧标准。柴油机产生的有害捧 放物主要有h c 、c o 、微粒和崛，其中朋和c o 排量较少，排放控制主 要是针对微粒和n o , 的控制。随着排放标准的日益严格，机内净化已经无法 满足需求，因而加强机外净化成为柴油机捧气净化的趋势。 柴油机的燃烧过程与汽油机有很大不同。柴油机以扩散燃烧为主，过量 空气系数口可在1 2 之间变化，采用较高的压缩比( a = 1 6 2 4 ) ，无迸 气节流损失。而汽油机采用预混合燃烧方式，为保证着火，要求a = 0 8 1 2 ： 为防止爆震，要求f 1 2 ( 一股在l o 以下) ，混合气形成主要在机外进行， 往往存在着较大的进气节流损失。由此造成了柴油机与汽油机排放特性的不 同。柴油机的h c 和c o 捧放相对汽油机要少得多，不到汽油机的十分之一， 即只有汽油机安装三元催化器后的水平。柴油机的n o , 捧放在大负荷时接近 汽油机的水平，而中小负荷明显低于汽油机，因而总体水平略低于汽油机。 然而柴油机排放黑烟严重，是汽油机的几十倍甚至更多。所以对于现阶段。 柴油机捧放控制的重点是微粒的控制以及n 的控制m 。 柴油机排气中的碳烟浓度较高，可以达到汽油机的几十倍。柴油机碳烟 的产生是由于在扩散燃烧中，部分混合气过浓而产生脱氢反应或聚合反应， 在膨胀过程中仍不能充分燃烧所致。柴油机的碳烟主要是一些类似石墨状的 含碳物质，其中还凝聚和吸附了一定数量的高分子有机物。碳烟的直径在 0 0 5 a m 左右的固态粒子，是多种有机物的聚合体，其中除8 5 左右是碳粉 外，还有少量的氧、氨和一系列多环芳香烃化合物。为了满足对碳烟排放限 制的要求，可在捧气系统中安装碳烟颗粒净化装置，以除去排气中的碳烟粒 子。 为满足日益的严格的排放法规，仅靠改善发动机的燃烧等机内净化技术 已经很困难。柴油机不可避免地要需捧气后处理装置。目前，国内外开发柴 油机的捧气后处理技术中真正达到或希望达到实用化的有以下几种：氧化催 化转化器( 用于降低8 0 f 、c o 和h c 捧放) ；微粒捕集器( 用于过滤和除 去排气微粒) ；氮氧化物催化转化器( 用于降低氮氧化物的排放) ；微粒和 晗尔误工程丈学硕士学位论文 氮氧化物同时净化技术 降低柴油机微粒排放的对策如图1 1 所示。一般较完整的柴油机后处理 装置一般包含三个部分：催化单元、微粒捕集器单元和消声单元。其中，催 化单元主要由涂有氧化剂的金属网板和蜂窝陶瓷组成，它能使h c 、c o 及微 粒中的部分可溶性有机物氧化，使捧气温度适当升高：微粒捕集器单元为陶 瓷纤维缠绕于多孔金属筒而成的微粒捕集器，它能使排气中的微粒得到过滤： 消声单元的作用就是降低捧气噪声。通常可以在拌气系统中对以上三个单元 进行合理组合，在空闯允许的情况下达到好的净化效果和消声效果。 图1 1 柴油机排气净化后处理装置图 1 3 柴油机排气净化消声器 在很多轻型、中型、重型柴油机车和客车中，通常没有足够的空间同时 容纳一只催化净化器和一只消声器，于是在柴油机的排气系统中安装催化净 化器已较为流行。图1 2 中催化净化消声器的载体是由很多的直通细管叠 加而成，为通流式。其截面每平方英寸上有几百个孔，小孔壁面涂有催化剂 层，用于和气流通过时与气流中的污染物发生化学反应，达到净化的功能。 柴油机中的催化载体和汽油机中的催化载体原理基本一样，柴油机的催化载 体还能氧化掉微粒中的一部分可溶性有机物$ o f ，但同时也将尾气中的s 0 2 部分氧化成硫酸盐。所以对于含硫量较高的柴油，使用氧化催化载体将使微 粒物排放中的硫酸盐比例增大，这样就降低了氧化s o f 的效果，有时甚至增 加微粒的捧放。燃料中的硫还会引起催化剂中毒所以使用高硫柴油会极大 地影响催化载体的净化效果，也会降低其寿命。因此提高燃油品质显得很重 要。另外，催化载体应用在氧化催化器上还能净化目前法规尚未限制的有害 4 成分( 如乙醛等) ，以及减轻柴油机排气臭味 少 j 里 j 辫j l 一 重 蕈 图1 2 催化净化消声器结构示意图 催化载体主要有陶瓷单体和不锈钢金属两种，降低有害排放物的效果主 要取决于催化剂涂层技术。催化剂主要使用的是铂( p t ) 、钯( p d ) 等贵 金属。对氧化催化剂的基本要求，一是催化剂应能在一个较宽的温度范围内 起作用；二是催化剂应具有较高的选择性，即有效氧化h c 、c o 以及5 0 f ， 但基本不氧化5 馥，抑制硫酸盐的生成。 图1 3 微粒过滤器外形图图1 4 微粒过滤器剖面图 一个完整的柴油机后处理装置( m ) 在排气系统中同时包含催化载体 ( c c ) 和柴油机微粒过滤器( d p f ) ，但是如果考虑其空间限制以及结构形式， 根据需要可以灵活进行选择安装。可以安装一个催化载体，也可以安装一个 微粒捕集器，为加强催化效果还可以安装两个催化载体。图1 5 给出一般情 况的排放控制装置，安装催化载体还是微粒捕集器可自行选择。 5 图1 - 5 常用发动机排放控制装置( a ) 使用直通催化载体的排放控制装 置；( b ) 使用微粒捕集器的排放控制装置 无论是直通结构的催化载体还是微粒捕集器，都是由很多相同的细小管 道组成，功能上也都是以排气净化为目的。从原理和应用上可以说是相似的。 而本文主要研究催化载体对消声器性能的影响，至于微粒捕集器，只是结构 稍有不同，可以使用相似的方法进行研究和应用。 1 4 课题的提出及本文的主要工作内容 气体污染控制对于内燃机排气系统的催化载体是重要的研究课题。同时， 为降低噪声污染，在捧气系统中需要安装消声器单元，于是研究载体对于消 声单元的声学影响已成为必然。催化载体由大量的平行小管( 或单元) 组成， 单元的密度各有不同，例如常用的陶瓷载体的单元密度从3 0 0 c p i 到6 0 0 c p i ( p e rs q u a x ei n c h ) 不等。在1 9 世纪晚期国外就有对催化载体声学性能的 研究出现。c r a g g s 和h i l d e r b r a n d t ”首先对等截面细小管道的声传播特性进 行了研究，给出了等效密度和等效声阻。随后r g l a v 等人据此分析了车用 催化转化器的消声特性。k s p e a t “”在1 9 9 4 年对圆柱形细管道堆给出了有流 情况下声模型。第二年r j a s t l e y 和c u 衄i n g s 1 通过有限单元对催化载体 6 哈尔j 冥工程大学硕士学位论文 进行了数值分析。专家们对毛细管的声学模型研究一直都没有间断过。直到 1 9 9 8 年s e l a m e t 和e a s w a r a n “”使用传递矩阵方法以及有限元方法对催化载体 进行了近似的数值计算，对催化转化器的声学特性进行了分析。在本世纪初， t _ w u “”使用边界元方法与载体阻抗矩阵的耦合对加装催化载体的抗性消声 器和填充式消声器进行了声学研究，并且和实验结果进行了对比。 我国在近些年也开始重视对净化消器的声学特性的研究，尤其是对于轻 型汽车发动机的排气净化消声的研究和优化有所发展和深入。例如田冬莲、 苏清祖“”提出应用一维平面波理论对消声器消声性能进行改进；同样羊玢“”， 陈洪彪、刘星荣“”等人也是使用声传递矩阵方法，把消声器划分为各个消声 单元，应用平面波理论计算出整个消声器的声波传递损失。但是仅仅使用一 维理论模拟整个消声器是不够的“”，对除催化载体外的声学元件用三维理论 更为合理：而且对于柴油机的催化净化消声器的声学研究还有待发展，这正 是本文所要探索的内容。 排气净化消声器的广泛使用使得对其声学性能研究和优化设计成为一项 重要课题。尤其是对于捧气消声器，声学特性的研究是消声器设计的前提。 本文的研究范围主要是对排气净化消声器的声学特性。捧气净化消声器的声 学特性研究可使用多种方法，为了能较为准确地模拟消声器内部的声场，同 时表选催化载体的声学特性，本文将应用一维理论和三维理论相结合的方法。 催化载体因其自身特性，使用四端网络法建立一维模型，而净化消声器其它 部分使用有限元方法进行三维模拟，最终把催化载体和净化消声器通过传递 矩阵耦合起来，得到整个排气净化消声器的声传递损失。为验证此种方法的 可行性，对给定的催化转化器进行声学实验测量，将实验测量结果与模拟 计算结果进行对比分析。最后对于复杂结构的柴油机排气净化消声器的声学 特性进行研究。 本文的具体研究步骤为： ( 1 ) 建立柴油机捧气净化消声器的声场模拟方案。消声器内的催化载体 使用陶瓷蜂窝形式，对于催化载体和消声器其它部分在建模时区别对待：对 催化载体用传递矩阵方法和有限元方法分别建立声学模型，而除催化载体的 部分使用有限元方法对其进行模拟。首先在a n s y s 中建立净化消声器的网格 模型，针对催化载体的传递矩阵方法和有限元方法建模有两种方案：应用传 递矩阵法时载体模型不用画出；用有限元方法时，要建立三维的网格模型。 ( 2 ) 根据捧气净化消声器的通用形式，给出两种常见净化消声器的模型， 7 哈尔鬲工程大学硕士学位论文 对这两个模型分别进行了传递矩阵方法和有限元方法两种方案进行了模拟计 算，分别得出其声学特性。进行分析对比，讨论两种方法的区别和应用性。 ( 3 ) 用瞅公司提供的声学实验设备对一催化转化器进行声学实验测 量，测得的结果和理论模拟计算相比较，得出催化净化消声器声学特性研究 方法的可行性 ( 4 ) 进一步对于较大尺寸的柴油机捧气净化消声器进行声学特性分析， 研究载体对消声器声学性能的影响，进而用于柴油机排气净化消声器的结构 优化设计。 3 第2 章排气净化消声器的结构类型及性能评价 2 1 催化载体的结构形式 捧气净化消声器中常用的催化载体可分为两种类型，金属载体和陶瓷载 体。陶瓷载体的特点是工艺简单价格便宜，但排气阻力较大，易碎，使用寿 命较短。金属载体较之具有壁薄，几何面积和孔隙率大，导热性能良好且热 容量小和耐破坏强度高等优点；但同时也存在着制造工艺复杂，可靠性评价 不高和成本较高的缺点市面上陶瓷载体应用广泛，在柴油机捧气系统中通 常使用陶瓷载体。 图2 1 两种载体类型结构形式对比 常见的载体截面形状有圆形、椭圆形、跑道性等如图所示，其中圆柱形 催化载体具有较好的综合性能，例如密封性较好，气流、压力分布均匀等。 而且圆柱形蜂窝载体径向结构尺寸沿中心轴对称，便于模拟。 图2 2 常见载体截面形状 陶瓷蜂窝载体是由很多个小孔平行捧列而成，各小孔有薄壁相隔，可以 把各小孔看成相互独立的均匀细直管，声波在每个小孔内为以平面波形式传 9 播。 图2 3 载体外形示意图 2 2 排气净化消声器的结构形式 捧气净化消声器可以看成是加入催化载体的排气消声器，催化载体一般 加在消声器内部较为靠近进口的部位，如图2 4 所示： 图2 4 排气净化消声器的主要组成部分 捧气净化消声器中间的催化载体把消声器划分为两个区域，其中区为 气流分散及消音区，在此位置可安装一定的消声元件，例如穿孔板，其安浆 不但可以降低通过消声器的排气噪声，另一方面由于气流的分散，同时使进 入净化消声器的气体流速降低，气体能和催化剂接触面积增大，接触时问变 长，有利于催化载体对有害排气的净化。消声器中间部分为催化载体。区 也为消声区，在这个区域，有足够的空问安装消声元件，通常可以使用内插 管、穿孔管等消声结构，以达到需要的声衰减量若要考虑到过滤排气的颗 粒物过多，有进行微粒过滤的必要，也可在催化载体后加装微粒过滤器，使 排放物得到更好的净化，但同时捧气系统的背压也会有所增加。 l 苫： 器 上 _ _ o 6 i 图2 5 载体直立安装的排气净化消声器结构图 典型的催化载体安装方式为直立安装，如图2 5 所示，载体的截面和进 口截面平行。消声器进口消声段加入穿孔板，出口消声段使用内插形式，同 时使用穿孔管结构。如果想要达到更好的进口气流分散度，也可以把载体放 平，即载体截面和进口截面垂直 2 3 排气净化消声器的评价指标 挥气消声器是安装在排气系统中，能够阻碍声音传播而使气流顺利通过 的后处理装置它能有效降低沿管道传播的气体动力性噪声。消声器按照消 声原理，可以分为三种常见的形式：阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式 消声器。 阻性消声器的消声原理是利用装置在管道内的吸声材料或吸声结构的吸 收作用，使管道传播的声音不断被吸收，从而达到消声的目的。它的有效吸 声频带较宽，对中、高频声音能够取得较好的消声效果；抗性消声器是利用 管道中的声学性能突变处声波将被反射和折射的性质，在管路上加装截面突 扩或突缩，或者旁接共振腔的通道，使声音不通过面达到消声的目的。抗性 消声器的特点是能在低、中频范围内有选择地消声、耐高温且结构简单，适 宜作为发动机等的排气消声器；阻抗复合式消声器综合了阻性和抗性两种消 声器的特点，既具有阻性吸声材科或结构，又有扩张结构、共振腔等抗性元 件 柴油机排气噪声的频率成分以中低频为主，因此主要采用抗性消声器。 即利用声波的反射和干涉效应，通过改变声波的传播特性，阻碍声波能量向 外传播。本文的研究范围就是在以抗性消声器为基础研究对象而添加了催化 哈尔摈工程大学硕士学位论文 载体的排气净化消声器的声学性能“ 评价柴油机捧气净化消声器的性能好坏，可以分为以下四个指标，每个 评价指标对净化消声器的影响都是在设计和优化排气净化消声器不可或缺的 重要方面 2 3 1 催化性能 为了减少发动机排放物中的有害成分，多年来国内外研究者在降低发动 机排放污染上采取了一系列技术措施，具体可分为机内净化和机外净化两大 类。在排气系统使用催化器就是一种普遍的机外净化方法。催化装置的催化 性能直接影响排气系统的净化能力。对于催化净化消声器，消声器内部的催 化载体的选用和安装是催化技术的应用，也是排气净化消声器结构设计的重 要方面。 催化载体主要是对柴油机排放出的n o 、舟c 以及c o 进行净化，还要对 碳烟颗粒有一定的过滤功能。催化荆是催化载体达到净化排放物目的的核心 环节。催化剂的评价包括催化剂的活性、催化剂的选择性以及催化剂的稳定 性。三效催化剂能够同时对三种污染物( c o 、n o , 、r c ) 进行催化处理， 因为闭式循环排放系统能精确地控制发动机在很窄的空燃比窗口内运行，于 是三元催化器在使用电喷的发动机中得到相当广泛的应用。在2 0 世纪8 0 年 代中期出现了r 鼢p d 组成的三效催化剂，作为催化祠的主要活性成分， 把这种贵重金属涂在催化载体上( 以 a 为典型) 。为达到氧化催化污染 物的作用，这种三元催化剂充分利用了，汀的耐高温性和鼢优异的n o 催化 还原性能( r 可同时起到协调作用) ，大大提高了三元催化剂的催化活性。 目前为降低发动机尾气污染，对催化载体的催化剂提出了较高的要求：不仅 对排放物中的n o , 要有较好的净化能力，还要提高催化剂的抗高温能力以及 降低对毒物的敏感性；为降低成本需要开发廉价高效的催化剂材料。减少贵 金属的使用量；研究催化剂备组分之间的相互作用和微观结构与催化性能的 关系。 对于捧气净化消声器，其催化性能主要针对的是其消声器内的催化载体 的性能指标。对于好的催化载体，要求其耐热、耐冲击和有良好的机械强度。 催化载体的使用环境温度很高，并且急剧变化，因此为防止龟裂破坏，要求 材料产生的热应力尽量小并且在设计载体时要考虑让催化剂能很快达到活 哈尔演工程大学硕士学位论文 性温度，这样务必使载体本身的热容量尽可能小，整体式蜂窝状结构是符合 此要求的。蜂窝载体的压力损失也比较小，当小孔内径与载体中蜂窝壁厚之 比较大时，小孔内的壁面摩擦很小，甚至可以忽略不计。 2 3 2 声学性能 捧气消声器声学性能通常用消声量及消声频谱特性来评价。消声器设计 的目的就是在满足消声频带范围的同时，得到足够大的消声量。根据测试方 法的不同，消声器声学性能的评价指标可分为传声损失、插入损失、末端声 压差值以及声衰减量等。 传递损失或传声损失，定义为入射于消声器的声功率和透过消声器的声 功率级的差值，它反映了消声器入口的入射声能和出口的透射声能之比。传 递损失的特点是仅反映消声器本身的传递特性，而不受声源管道系统和消声 器出口端尾管的影响，即与声源、消声器出口端阻抗无关。即： t l = 1 0 1 0 鲁 治， 式中：彤和嘭分别为消声器进口和出口处的声功率。 插入损失定义为装消声器前与装消声器后，在某给定点测得的平均声压 级之差值。插入损失在数值上和传递损失稍有不同，对于抗性消声器，其插 入损失比传递损失稍低。插入损失对现场环境要求不高，适合于各种现场测 量，但在测量时，要保持声源特性的恒定因为插入损失不只反映消声器本 身的消声效果，而是反映声源、消声器及消声器末端三者声学效果的综合效 果。即t l = 上，l 一 ( 2 _ 2 ) 式中：上和厶，分别为测点处安装消声器前、后的声压级，单位d b 。 末端声压级差值也称末端减噪量，定义为在消声器的进口与出口端口测 得的平均声压级之差。声衰减量定义为通过测量消声器内轴向两点问声压级 差值所求得的消声器单位长度的声衰减量。声衰减量可用于描述消声器内部 的声传播特性，即声衰减过程。 对一个消声器来说，用不同的方法或在不同的声学环境下测量，其结果 往往会有一定的差异所以在表示消声器的效果时，要注明所用的测量方法 和所在的测量环境，以便对消声器的性能进行比较和客观评价一。 2 3 3 空气动力性能 消声器的空气动力性能反映消声器对气流的阻力。它是消声器设计中应 予考虑的重要因素。消声器的空气动力性能可以用总压或总压损失系数来评 价。 总压损失为气流通过消声器前后所产生的总压降低量，消声器的总压损 失能够通过实地测量求得，也可以根据公式进行计算。总压损失系数为消声 器进出口总压差与进口动压之比，对于给定的消声器，其总压系数为定值， 它能比较全面地反映消声器空气动力特性，根据阻力系数可方便地求得不同 流速条件下的压力损失值，但测量比较麻烦。 消声器的阻力损失可分为两种：一种为沿程阻力损失，也称摩擦损失，是由 于气流与消声器各壁面之间的磨擦产生的：另一种为局部阻力损失，是气流 在消声器结构变化处产生的阻力损失。气流的阻力损失都与气流速度的平方 成正比。一般，阻性消声器的阻力损失以沿程损失为主，抗性消声器的阻力 损失以局部损失为主”“ 2 3 2 结构性能 在评价消声器性能时，还要考虑消声器的结构性能，即消声器的尺寸重 量、加工维护、使用寿命等指标。除了好的声学特性和空气动力性能，消声 器必须考虑其结构是否加工方便、坚固耐用、造价是否合理，维护是否简单 易行，重量和体积是否符合排气管道的要求等。 在进行捧气净化消声器设计时，要对净化消声器性能评价指标权衡考虑， 因为上述评价因素相联系又相制约。因而在实际运用中，要根据具体情况具 体分析。通常在选定达到催化要求的催化载体的情况下，可以在满足消声器 背压的同时，尽可能得到大的消声量，并且使之结构简单轻便，造价便宜 2 4 本章小结 本章讨论了捧气净化消声罂的结构形式和性能评价指标。 净化消声器可以看作是加入了催化载体的消声器。净化消声器中催化载 体由很多个小孔平行排列而成，小孔为均匀细直管的直通形式，声波在每个 小孔内为以平面波形式传播。净化消声器内除催化载体外，还装有内插管、 穿孔管、穿孔板等消声元件，以及气流分散装置( 安装在净化消声器的进口 和催化载体之间) 净化消声器的性能可以通过其催化性能、声学性能、空气动力性能和结 构性能四个指标来评价。这四个指标相互联系相互制约，在对排气净化消声 器进行设计和优化时，要对它们进行综合和权衡考虑。 第3 章排气净化消声器声学性能计算方法 3 1 引言 研究消声器的声学特性的方法从一维到三维有多种方法。对于不加吸声 材料的抗性消声器，不同声学元件的组合以及各个声学元件的具体尺寸都将 影响排气消声器的内部声场。国内外许多专家学者对它的消声机理做了大量 有益的深讨并通过相应的模型来计算消声量的大小。常见的分析方法有传 递矩阵法、有限元法、边界元法、试验分析法等。 传递矩阵法( t r a n s f e r t r i xm e t h o d ) 是基于一维平面波理论的声学 分析方法，该方法早在2 0 世纪5 0 年代国外就有对无流情况下消声罂的声学 特性分析时进行了使用，8 0 年代后期，随着对气流和温度的研究进一步深入， 对利用该方法计算设计消声器有较全面的论述。这种方法因其适应性强，在 抗性消声器的声学分析中得到广泛的应用，但同时由于是一维方法，对消声 器复杂的内部声场模拟的准确性不高。 有限元方法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简写f 删) 最初应用于分析复杂 结构的应力，后来用于振动动态分析。六十年代，声学工作者进行了工程声 学的研究，结合有限元理论而形成了工程声学有限元法。有限元法是求解数 理方程的一种数值计算方法。把求解区域看作由许多小的节点处互相连接的 子域所构成，其模型给出基本方程的近似解。由于单元可以被分割成各种形 状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特 性和复杂的边界条件，再加上它有成熟的大型软件系统支持，使其成为一种 非常受欢迎的、应用极广的数值计算方法。声学有限元法是将声场用有限元 离散化，根据声学波动方程，得到联立代数方程组，通过求解代数方程组得 到声场中的声学特性。随着计算机的发展，应用各种软件对消声器的声学性 能进行仿真分析逐步完善起来。近年来，许多用有限元法计算和分析的论文 被发表“，结合有限元软件来设计分析各类消声器的研究越来越深入 声学边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，简写b e m ) 也是一种对声学 波动方程的数值分析方法。它是在基本解概念的基础上利用格林公式，把声 1 6 哈尔浜丁程大学硬士学位论文 学波动方程的微分形式化为积分形式。这种方法在单元划分时只在研究区域 的边界进行单元划分，将边界离散化，并通过联立方程式求解；而在研究区 域的均匀介质内，则用连续的数学物理方程求解。声学边界元法与声学有限 元法相比，具有维数低和计算量少的优点，所以近年来它在消声器研究和开 发设计中得到发展和应用。t t a n a k a 用边界法预示了一简单消声器的插入 损失。t e r a o 和s e k i n e 。7 1 使用了结构边界元技术计算了带内插管的二维膨 胀腔的传递损失并与有限元及实验结果进行了比较，使用子结构技术消除了 由于管道内插管带来的奇异性。a s e l a m e t 和z l j i 1 在使用边界元法分 析消声器内部的声场方面做了大量的工作，利用边界元法分析计算各种消声 器的声学性能。t y w u 和c y r c h e n g 等利用混合边界元法，对消声器不同 介质问题给出了分析方法，此种方法也可以应用到含有催化载体或微粒捕集 器的净化消声器中。 尽管波动方程的数值分析法为消声器的设计带来了飞跃，但波动方程本 身是在基本假定的前提下建立起来的，因此数值方法都与实际情况存在差异。 试验分析法则抛开了波动方程，纯粹只考虑内部结构参数对消声器插入损失 的影响。正交试验是消声器试验分析方法中最常见的一种。通过对正交试验 数据的统计分析，可以找出试验结构参数间的较好的结构组合。通过试验对 结果进行分析相比之下，与实际吻合度最高，当然试验不会像数值分析方法 那样方便灵活，试验环境和试验设备的限制导致它不能得到广泛应用。 综合几种方法进行比较：传递矩阵法简单实用。只要消声器的结构单元 参量已知，就可以确定其传递矩阵，对于复杂的消声器，可将其分解为简单 元件的组合分别使用传递矩阵法。当频率较低时，对于管道细长的消声器， 其内部声波可近似为平面波传播，这时用传递矩阵法较为合适。但是当频率 较高时，消声器内会产生高阶模式波，此时就不宜采用传递矩阵法了，要使 用有限元或边界元方法以得到更精确的结果。边界元方法适用于二维和具有 轴对称结构消声器的情况，与有限元相比，其明显优点是减少了空间维数和 划分单元模型的工作量，节省计算时间。但是边界元方法不适宜对复杂非对 称结构的消声器进行分析计算。而相比之下，有限元方法对模拟声波在不规 则形状空腔中的传播特别有效，也使得消声器中高阶模式的声波分析成为可 能。有限元法可将复杂的输入及输出的分支管路系统表示为相互连接的离散 声学单元的组合形式，并预测不同结构排气系统的噪声特性。有限元法适用 于处理复杂的具有串、并联分支结构的排气系统，同时还能考虑消声器壁面 哈尔1 晃t 程大学硕士学位论空 振动、流动、温度梯度对消声器性能的影响。 由于消声器内部声场影响因素的复杂性，要进行精确的分析是困难的， 所以这些方法只能在一定程度上与实际接近。下面将从捧气净化消声器的结 构特点出发，对几种应用性较强的方法进行讨论 3 2 传递矩阵法 3 2 1 消声器的传递矩阵法 声场的特性可由声压、质点振速以及密度增量等物理参数来描述一个 复杂的消声器可以看成由一系列基本消声单元组合而成，每一个消声单元都 可以用它两侧的声压p 和体积度u 来描述“。 港声馨 i x 圜 上翦捧气警 一b 龙譬 1 cd i 一 厶 图3 1 内燃机排气消声系统模型 点 o o 压力露棋盘 占 i 互0 崩i 一 cd办i m ) 追廑露模型 图3 2 内燃机排气系统等效模型 介质在消声器中声传播的基本假设为：介质为理想流体，并且是均匀、 各项同性的，声波在传播时无能量损耗，传播过程是绝热过程。需要注意的 是当应用此种方法时，假设消声器管道内的声波是以平面波沿轴向传播的， 同时消声器管道壁面无振动，声能不能沿管道向外透射 图3 3 消声器等效声学线路 根据四端子网络计算原理，可得到上游声压a 和体积速度u 以及下游声 压p 2 和体积速度的关系： ， 具 关们捌稳 丑d 盹 m 一 坶 匮涨 c 得且试 氨血 式体 4 ；( 尝l 。为断开传递系数 口= 陪i 。为短路传递阻抗 c f 盟1 为断开传递导纳 l 岛j 。 。= 。为短路传递系数 通过求得上述四极参数，就可以得到各个消声单元的传递矩阵，这样总 的传递矩阵t 从而可求。当有 个消声单元串联时，总的传递矩阵 阱纷正 绪吐剀 ( 3 2 ) 传递损失死定义为消声器进口端的入射声功率和出口端的声功率的比值的 常用对数乘以1 0 。 设阻抗y = e s ，c 为声速，s 为管道的截面积则消声器进口和出口处 ( 无反射端) 的声压p 和质量振速v 可表示为： a = p l + + p l j = a + + a 一岛= 见+五v 2 = p 2 + 且质量振速和体积速度的关系为v = 反，传递损失为： t l = 2 0 l o gp p 剥+ + = 2 0 l o g i 划础抛 ( 3 - 3 ) 由传递矩阵公式，当进出1 3 截面相等时，即s l = 岛= s ，传递损失可简 化成； 2 0 死= 2 0 l o g 卜南+ 字+ 哪 c s t ， 3 2 2 催化载体的传递矩阵法 对于直通型的蜂窝催化载体，每根细管的壁面都可以假定是刚性壁面， 相邻管道之间没有相互作用。因为每根管的直径都很小，每根管的内声传播 都可认为是包含一个正行波和一个逆行波的平面波形式。 已知均匀直管的传递矩阵为： t = 蝴寿，鲁寿，蝴两驴7 言而f 7 ，旦s j n 苎一c o s j 二f 7 面锄西2 螂而r ( 3 - 5 ) 波数i = c o c ；圆频率= 2 ；面积比系数= d 2 d 0 2 ；, t o 为消声器主管道 直径；马赫数m = 以，茚，膨。为消声器主管道马赫数；，= = 1 当净化消声器处于无流状态，管道进出截面相等时，传递矩阵可简化成： l c o s m j s i n p c m i n l 上s i n 盯材i 3 - 6 ) l mj 假设消声器内声传播是绝热过程，与外界不存在热交换。声波在管中的 传播方程为： v 2 p = 毒誓o f ( 3 _ z ) 厶 式中p 为声压，龟为连接管内的声速。 对于载体内部声传播，可以用等效流体来描述，即由有效声压 ，有效 声速气( 或者有效压缩模量屯= n ) 来等效，它们都为复数形式。不考 虑载体内周向温度梯度，只考虑轴向变化，给出声波在载体中传播的线性方 程； 连续方程： 监0 t + p o v u 。= o ( 3 - 8 ) 砜+ 岛鲁一卜u 。+ ；v c v “) = 。 c 阳， 能量方程： 冬一上警：量v ：已 ( 3 一l o ) 西扁c p 靠岛勺 。 当频率较低，或者说细管的截面相对波长非常小时，可认为管中气体流 动为层流形式，若流动在细管内充分发展，动量方程可简化为： 砜+ 岛导+ r 6 0 ( s ) ：o ( 3 1 1 ) 或者， 砜+ 成鲁- o ( 3 - 1 2 ) 式中成为等效密度，定义为： 以：岛+ 竽g c ( s ) ( 3 - 1 3 ) 等效密度主要是受粘性的影响，而热传导对于等效声速起了重要作用。 给出等效声速”： 一( 【q 刚卜而葛盎丽矿洚 ：荨糍 净 s j 厶o j ) 式中，剪切波数s ；吼犀警普兰特数p r ：如 ，其中热扩散率 r r f = k p + c 。，和温度相关( k 为导热系数) 。因子口取决于蜂窝细管截面的 哈尔馕工程大学硬士学位论文 时为1 ，在此研究的是方管，取g = 1 0 7 。流阻且由测量或通过预测压降由半 经验公式得到，和进口速度有关，开孔率是所有孔的截面和载体截面的比 值。 对于载体中的小细管，由公式( 3 6 ) 代入等效声速、等效密度以及复数 声波，得到载体的声波传递矩阵： lc o s k j 舱 s i n ，l 2 l 丢s i n k t ”l 倍1 6 l 以c _ j 假设催化载体前消声器进口段和催化载体后消声器出口段的传递矩阵已 经得到，分别用毛和，0 来表示，则整个消声器的传递矩阵z 赢可求： = 瓦乙( 3 - 1 7 ) 整个排气净化消声器的传递矩阵获得后，通过公式( 3 - 4 ) 可计算出消声 器的传递损失。 3 3 有限元法 3 3 1 消声器的有限元法 声学有限元法普遍采用迦辽金有限元理论。它一般按照建立声学模型、 确定有限元模型和计算消声器特性三个步骤进行。建立抗性消声器的声学模 型就是建立波动方程和确定边界条件。大多数波动方程采用二维形式，并利 用分离变量法把波动方程转化为亥姆赫兹方程形式。对于轴对称或近似轴对 称的结构，二维模型已经足够精确。在考虑气流本身通过消声器产生的二次 噪声时，波动方程中必包含有气体流动马赫数这一参数，当横截面面积变化 时马赫数非常。抗性消声器的边界可以分为入口边界条件、出口边界条件合 壁面边界条件三种类型人口边界条件就是不装消声器时的排气声源特性，与 发动机的工况有关，一般在发动机全负荷标定转速下实际测量得到。当排气 入口截面远小于消声器截面时，入口边界可以当作常量单元处理。出口边界 条件只能找出该处声压与体积速度的关系，一般将捧气尾管看作长管管端平 面圆形活塞，计算此时的辐射声阻抗来确定。抗性消声器的壁面边界条件为 2 3 晴尔滨t 程大学碗士学位论文 法方向体积速度为零，没有声压传播。因而应用有限元方法时边界条件的 准确性影响计算的结果，一定要引起重视有限元模型包括单元形状、插值 函数和总体矩阵三个部分。通过单元上节点参数和插值函数，可以估算单元 内任意点的状态参数。为了使估算结果与波动方程的精确解的误差最小，可 以采用计权余量法，并且由此得到总体矩阵和一个线性方程组。线性方程组 的解就是各个单元节点的状态参数，要计算消声器的插入损失，利用有限元 求解出口声压值即可。若要得到与实际情况接近的计算结果。可以使用相对 小的单元尺寸且采用矩阵单元和双线性插值函数。但同时计算量会随之加大， 因为各节点的状态参数都集中在一