通用小型汽油机用排气消声器噪声优化分析

沈海青，洪 洋

(台州科技职业学院，浙江 台州 318020)

0 引言

根据JB/T 11653—2013《通用小型汽油机产品名称和型号编制规则》对于通用小型汽油机的定义：用于非道路移动机械的点燃式发动机，所使用的燃料不限于汽油，额定功率不大于30 kW[1]。小型通用汽油机因结构简单、重量轻、体积小、技术含量低、价格便宜等优势，有着广泛的应用，配套机械产品丰富多样，可用于发电机、园林机械、农业机械、工业机械、休闲娱乐机械等产品中[2]。

经过几十年的快速发展，中国通用汽油机产量在2019年达到了2 680万台，约占全球产量的40%，成为世界第一大通用小型汽油机生产国。由于国内对于通用小型汽油机的配套机械需求相对较低，产品基本上用于出口。出口的地区主要有北美、欧洲、东南亚、非洲和南美等地区。

虽然我国的通机产品产销规模达到了世界第一，但在技术水平、创新能力与日本、欧美等发达国家相比存在比较大差距。由于出口产品的价格不高，其噪声振动较大，随着世界各国对于通机终端设备的噪声排放进行限值，研究设计高效的通机排气消声器很有必要。

1 消声器的设计要求

消声器的设计要素主要有声学特性要求、空气动力学要求、机械和材料要求、容积要求、成本要求等方面考虑。按照声学特性要求，消声器的目的是减少声能的传递，如传递损失、噪声降低量和插入损失，通常用声压级和频谱进行分析。按照空气动力学要求，消声器两侧的压力相差很大，气流阻力也会增加，发动机的功率会明显损失，通常用排气背压静压或动压进行分析。按照机械和材料要求，排气系统温度很高，材料在高温气体环境中很容易腐蚀；消声器制造材料主要采用薄板，受到机械振动和气流冲击，很容易产生辐射噪声；在结构设计和材料选择方面必须满足一定的刚度和强度要求。按照容积要求，如果消声效果达到良好，消声器的容积要做得越大越好，但是排气系统能够安装的空间非常有限，往往是在限定的空间内来设计消声器。除了上述要求外，消声器设计还要考虑腔体数、穿孔管穿孔率、穿挡板设计、挡板位置、内插管位置及插入量、吸声材料材质厚度位置等要求，目前，已经利用仿真软件对气流、噪声等动力学特性进行了研究，取得了一定效果[4]。

本文针对某公司的168F小型通用汽油机进行排气消声器噪声优化分析。其主要技术参数：缸径68 mm；行程54 mm；排量196 mL；标定功率及转速3.6 kW/3 600 r·min-1；最大扭矩及转速10.7 N·m/2 500 r·min-1；压缩比8.5∶1。

1.1 排气管径的设计

为了降低消声器的排气气流发生的噪声和阻力损失，使消声器有良好的消声效果，要将消声器和管道中的气体流速降低。对于发动机消声器中的废气流动速度，一般控制在50～60 m·s-1之间。可根据发动机排量初步计算确定排气管直径

(1)

式中D—排气管径，m；

Q—发动机排气流量，m3；

v—排气气流速度，m·s-1。

1.2 消声器容积的设计

通常情况下，消声器容积越大，越能取得好的消声效果。消声器容积决定着排气噪声的水平。要达到良好的消声效果，消声器容积至少是发动机排量的10～20倍。

1)《柴油机设计手册》中消声器容积的计算

(2)

式中V—消声器容积，L；

n—发动机转速，r·min-1；

T—冲程数；

i—气缸数；

Vh—发动机单缸排量，L；

Ku—发动机用途系数，取1 000～5 000。

2)Dean G．Thomas推荐的消声器容积计算公式[5]

(3)

式中V—消声器容积，L；

n—发动机转速，r·min-1；

T—冲程数；

i—汽缸数；

Vh—发动机排量，L；

Q—消声器类型系数；取2～6。

3)根据林辉江对排气消声器容积的经验计算方法[6-7]

V=CKiKτKtKnKεVh

(4)

式中V—消声器容积，L；

C—经验常数,根据消声器类型取C=2；

Kτ—发动机冲程修正系数，二冲程为2，四冲程为1；

Kt—消声器应用于不同类型内燃机的修正系数,非增压柴油机Kt=1,非增压汽油机Kt=0.98；

Kn—发动机转速修订系数，Kn=0.7×10-4nb(nb为发动机标定功率的转速)；

Vh—发动机的排量，L。

根据168F发动机的技术参数，代入公式(4)计算消声器的容积得，V≈0.58 m3。

因此，消声器的容积确定为0.58 m3。

2 消声器的流场分析

本文针对168F小型通用汽油机进行流场分析利用国际流行的流体力学计算软件Fluent对消声器的空气动力性能进行分析。

2.1 网络划分

使用SolidWorks三维制图软件建立几何模型，并将模型导入到ANSA软件中进行网格划分。对某公司正在使用的一款消声器进行3D建模和网格划分，并对原消声器进行优化设计了一款方案，划分好的网格如图1所示。

图1 消声器网格划分结构图

2.2 边界条件设置

在Fluent软件仿真计算过程中，其相关边界条件设置如下。

1)输入条件： 缸径 68 mm；排量169 mL； 最大转速 3 600 r·min-1；

2)进气条件：进气流量11 kg·h-1；进气温度T=100 ℃；

3)出口条件： 0 kPa。

2.3 参数设置

消声器的最大流量根据《汽车工程手册》最大进气流量的计算公式

(5)

式中Qmax—最大空气体积流量，m3·min-1；

Vd—发动机总排量，L；

Smax—发动机最高转速，r·min-1；

Ve—充气效率，当汽油机转速0～2 500 r·min-1时，Ve=0.8;当汽油机转速2 500～3 500 r·min-1时，Ve=0.75;当汽油机转速3 500 r·min-1以上时，Ve=0.70;

Ks—常数，二冲程发动机，Ks=1 000; 四冲程发动机，Ks=2 000。

根据168F发动机的技术参数，计算出消声器的最大进气流量Qmax=0.247 m3。

2.4 仿真计算结果与分析

2.4.1 消声器流体速度分布图

图2是经过仿真计算后原消声器和优化后消声器的流体迹线图，从图中可以看到，原消声器的流速比较高，出现了明显的气流旋涡；经过优化后的消声器气流速度分布较为均匀，没有比较高的流速，气流涡旋也没有出现。

图2 消声器流体迹线图

2.5.1 消声器噪声场分布图

图3是经过Fluent软件仿真计算后得到的噪声分布图，噪声分布图上可以看到，168F通用小型汽油机原排气消声器出口处的噪声值在81～82 dB(A)左右，经过优化后的噪声值在65～68 dB(A)左右，有较大的改善。

图3 消声器噪声分布图

3 结论

从流线图和噪音分布来看，原消声器在进出气端的有盖设计使气体无法有效流动，大幅度增加了压力差和噪音值，新方案在取消盖设计后在压力差和噪音值上均有明显改善。优化后的消声器较原方案无论在压力差还是噪音方面均有明显提升，但仍需通过试验进一步验证，同时考虑加工成本，选择最优方案。