專利名稱：柴油機進氣管消聲器的制作方法
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機的消聲裝置，更具體地涉及高速四行程柴油機的進氣管消聲裝置。
柴油機是一種強噪聲的動力機械。對柴油機工作噪聲的消減措施一般地都注重于排氣消聲器的改進設(shè)計，但是往往排氣消聲器的改進，對柴油機工作噪聲卻起不到明顯的消聲效果甚至全然無效。這主要是忽視了進氣管道噪聲的緣故。對于進氣管道噪聲，一般地都認為是柴油機工作噪聲中的一個次要因素。因而在柴油機供氣系統(tǒng)的設(shè)計中包括空氣濾清器的設(shè)計，未能很好地考慮其消聲性能方面的要求。實際上，在柴油機總工作噪聲中，進氣管道傳播的噪聲是僅次于排氣噪聲的另一個主要的噪聲源。在排氣噪聲得到有效衰減后，進氣管噪聲就上升為主導地位主宰著柴油機工作噪聲的大小。因此在該情況下，僅在排氣消聲器上作以改進設(shè)計，就顯然達不到使柴油機工作噪聲有效降低的目的，因為不論排氣消聲器的消聲性能有多好，對進氣管噪聲總是“鞭長莫及”無濟于事的。
進氣管噪聲的成因與排氣噪聲相類似，主要由以下兩個過程中的噪聲所造成。
一.吸氣過程中產(chǎn)生的噪聲，包括1.高速氣流流入氣缸時產(chǎn)生的氣流噪聲；2.進氣門開啟時，氣缸中壓力廢氣產(chǎn)生瞬間逆向流動形成壓力脈沖、激起進氣道中的空氣按氣柱自振頻率振動所產(chǎn)生的噪聲；3.進氣門關(guān)閉時同樣產(chǎn)生一壓力脈沖，形成氣柱的振動噪聲；4.進氣門關(guān)閉時，經(jīng)進氣管道向外傳播的氣門與氣門座之間的敲擊聲。
二.進氣門關(guān)閉至下一次開啟期間產(chǎn)生的噪聲，包括1.作功沖程中，氣缸內(nèi)燃燒爆發(fā)噪聲，它經(jīng)氣缸蓋輻射傳給進氣道內(nèi)的空氣，引起管內(nèi)氣柱強烈振動并將此燃燒爆發(fā)噪聲向外傳播；2.排氣沖程中，強烈的氣缸壓力脈沖產(chǎn)生的排氣噪聲，它經(jīng)進、排氣道間的薄壁輻射傳給進氣道空氣，同樣引起管內(nèi)氣柱振動噪聲并向外傳播；3.進氣門關(guān)閉后，進氣管變成一端封閉另一端開啟的共振腔。凡管長等于1／4波長奇數(shù)倍的頻率都將發(fā)生小振幅波的共振，產(chǎn)生強度較大的共振聲。
上述兩個過程產(chǎn)生的噪聲，尤其以后者為主要成份。因此進氣管噪聲的頻率特性與排氣噪聲的頻率特性相類似，系由基頻為燃燒爆發(fā)頻率的諧波系列組成，具有低中頻聲壓級較高的特點。這是使進氣管噪聲成為僅次于排氣噪聲的主噪聲源的實質(zhì)性因素。
本發(fā)明的目的在于，根據(jù)高速柴油機進氣管噪聲的頻譜特性，改進消聲器的設(shè)計和安裝，在柴油機供氣系統(tǒng)設(shè)計中耦入進氣管消聲器。在確保柴油機工作性能不變的前提下，減小進氣管道傳播的柴油機燃燒噪聲，從而使柴油機工作噪聲得到有效降低。
本發(fā)明的目的是由以下的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)的，它是一種包括有進氣管和限定空間體積的擴張腔殼體的柴油機進氣管消聲器，其特征在于，a.進氣管穿過由上述殼體所限定的擴張腔空間，該進氣管的進口端A和出口端B為一體連通；b.上述進氣管位于所述擴張腔內(nèi)之部分的中間一段穿有聯(lián)通進氣管氣道和擴張腔的許多小孔。
上述進氣管消聲器的設(shè)計，是根據(jù)發(fā)動機額定功率狀態(tài)下的進氣管噪聲頻譜特征，并且在滿足發(fā)動機工作性能方面的要求以及進氣管噪聲消聲方面的要求的基礎(chǔ)上，確定消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)的。這些參數(shù)包括與柴油機進氣道相匹配的進氣管截面積、最大消聲量、消聲器的擴張比和擴張室的內(nèi)徑、消聲器擴張室的長度、以及所述穿孔部分的諸參數(shù)。
本發(fā)明根據(jù)高速柴油機進氣管噪聲的頻率特性，采用了改進設(shè)計的進氣管消聲器，已經(jīng)收到了良好的消聲效果，使柴油機的工作噪聲得到了有效的降低。
須要指出的是，本發(fā)明的裝置需與良好的排氣消聲器配合使用，亦即在經(jīng)排氣消聲器衰減后的排氣噪聲不再是柴油機主噪聲源的情況下，使用本裝置才能體現(xiàn)出良好的消聲效果。
另外，本裝置還能夠與供氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式及被限定的安裝空間相匹配，既維持柴油機工作性能不變又較好地耦合到柴油發(fā)動機上。
因此本發(fā)明為高速柴油機，例如農(nóng)用柴油機、拖拉機、工程機械、工程車輛及內(nèi)河船舶用柴油機等，提供了一種既能使柴油機噪聲有效降低又能保持柴油機工作性能不變、而且結(jié)構(gòu)體積較小安裝方便的進氣管消聲裝置。
以下結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作詳細敘述。


圖1是本發(fā)明消聲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是一種農(nóng)用柴油機進氣管噪聲的頻率特性圖；圖3是圖2柴油機安裝
圖1進氣消聲器的消聲特性圖；圖4是
圖1消聲裝置與干式空氣濾清器合為一體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是
圖1消聲裝置與干式空氣濾清器合為一體的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是
圖1消聲裝置與濕式空氣濾清器合為一體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是
圖1消聲裝置與干式空氣濾清器串接的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是
圖1消聲裝置與干式空氣濾清器串接的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是
圖1消聲裝置與濕式空氣濾清器串接的結(jié)構(gòu)示意
圖10是
圖1消聲裝置與濕式空氣濾清器串接的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。
參照
圖1，該消聲裝置是一擴張室式抗性消聲器。它的進氣管1截面積S1與柴油機進氣道相匹配。它的殼體側(cè)壁2和兩端蓋3、4限定了一密閉的擴張室空間。擴張室內(nèi)腔5的截面積為S2。上述進氣管1從端蓋3、4中央插入并穿過擴張腔5。進氣管1位于擴張腔5之內(nèi)部分的中間一段穿有許多小孔6。進氣管1與擴張腔5的中心線大體重合。
進氣管1的進口端A端通大氣，另一出口端B端可以與空氣濾清器進氣口連接。這樣，在發(fā)動機工作時，一方面，空氣經(jīng)進氣管A端進入空氣濾清器、再經(jīng)空氣濾清器進入氣缸；另一方面，氣缸中的燃燒爆發(fā)噪聲傳至進氣道后，經(jīng)管道中的空氣傳播由進氣管1的出口端B端進入該消聲裝置，在上述小孔6處進入擴張腔5，形成一聲傳播中的不連續(xù)結(jié)構(gòu)，使管道的聲阻抗發(fā)生改變引起聲反射從而達到消聲的目的。
參照
圖1和圖2，
圖1所示消聲裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)是采取如下方法確定的。
由于柴油機最大燃燒噪聲一般都發(fā)生在額定功率狀態(tài)的一個小范圍內(nèi)，因而進氣管消聲器的設(shè)計必須以額定功率狀態(tài)的進氣管噪聲頻譜特征為依據(jù)。其具體做法是1.進氣管噪聲頻率特性的測定在排氣噪聲已得到有效衰減，進氣管噪聲為柴油機主噪聲源的前提下，使柴油機在滿負荷額定功率轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)，單獨測出進氣管噪聲的線性聲壓級和A計權(quán)聲壓級1／3倍頻程頻譜。495A型農(nóng)用柴油機進氣管噪聲的頻率特性如圖2所示。圖2中曲線1是A計權(quán)曲線，總聲壓級為105.8dB(A)；曲線2是線性曲線，總聲壓級為113.2dB(L)(測點為空氣粗濾器進氣口平面內(nèi)距離管口中心250毫米處)。
2.進氣管噪聲所需消聲量頻率特性的確定由于進氣管噪聲是由燃燒爆發(fā)基頻及其諧波系列組成，所以在線性聲壓級1／3倍頻程頻譜中，柴油機燃燒爆發(fā)基頻及其諧波所在頻帶的中心頻率處將產(chǎn)生較高聲壓級尖峰。根據(jù)消聲原理，總希望使基頻噪聲得到較大的衰減，這樣可使各諧波噪聲也得到相應的衰減。但擴張室式消聲器的消聲頻率特性越低，消聲器的長度就越長。一般地說，國內(nèi)高速柴油機的燃燒爆發(fā)基頻都在100HZ以下，欲使該基頻噪聲得到有效衰減勢必使消聲器尺寸很長而不能耦合到柴油機上、達不到設(shè)計要求。因此恰當?shù)卮_定進氣管所需要消聲量頻率特性是確保進氣管消聲器具有最小體積和良好性能的重要一環(huán)。
由于A計權(quán)網(wǎng)絡的衰減特性是對人耳不大敏感的低頻聲壓級衰減較大，中頻聲壓級衰減量逐漸減小，而對人耳較敏感的高頻聲壓級則賦以負衰減量。所以，通常都以A計權(quán)聲壓級作為柴油機噪聲的評價指標。在A計權(quán)聲壓級1／3倍頻程頻譜中，柴油機燃燒基頻及其低次諧波頻率所在頻帶的中心頻率的聲壓級尖峰經(jīng)A計權(quán)衰減網(wǎng)絡衰減后，對總A聲級已不構(gòu)成主要影響，而呈現(xiàn)中頻聲壓級的一個較高的波峰。這樣即可用A計權(quán)聲壓級1／3倍頻程頻譜來確定進氣管噪聲的所需消聲量頻率特性。采取這樣一個切實可行和有效的方法，可使所需消聲量頻率集中于中頻區(qū)段，既避免了進氣管消聲器過長，又使進氣管噪聲的A聲級得到有效衰減。
3.最大消聲量和消聲器擴張比m的確定在排除排氣噪聲后，分別測定含有進氣管噪聲和不含進氣管噪聲時的柴油機噪聲的總A聲級，兩者之差即為最大消聲量的下限值。這樣確定的消聲量可使消聲器的擴張比較小而又取得最佳的消聲效果。
因為消聲器的擴張比與消聲量成正比，消聲量要求得越大、擴張比也就要求得越大，使得擴張腔橫截面積S2也越大。應該注意到，當消聲器具有比由此確定的消聲量值更大的消聲量時，其消聲效果因得不到有效發(fā)揮而與具有用上述方法確定消聲量的消聲器的消聲效果是一致的，但消聲器的體積卻增加了。這是因為當進氣管噪聲消減到一定程度后，柴油機其他噪聲繼而成為主導聲源并支配著柴油機工作噪聲的大小，因此進氣管消聲器的消聲量設(shè)計得再大對柴油機工作噪聲也不可能取得更大的消聲效果。當然也可適當放寬消聲量，以備在其他噪聲得到控制后，防止進氣管噪聲重又成為主噪聲源。
確定最大消聲量之后，可參照表一確定消聲器的擴張比m值和由此確定擴張腔5的內(nèi)徑D。
表一最大消聲量與擴張比m的關(guān)系
4.消聲器擴張腔5長度L的確定擴張室式消聲器的消聲量由下式確定△Lf＝10Qg［1＋1／4·(m－1／m)2Sin2KL］(1)式(1)中△Lf一對頻率為f的聲音的消聲量(dB)；m－消聲器擴張比，m＝S2／S1；S2－擴張腔橫截面積(平方米)；S1－進氣管通道橫截面積(平方米)；K－波數(shù)，K＝2πf／c；L－擴張腔長度(米)；
f－消聲頻率(HZ)；C－聲速，C＝331.5＋0.61t(米／秒)；t－消聲器內(nèi)空氣介質(zhì)溫度(℃)。
由式(1)知，在擴張室長L為四分之一波長λ(λ＝c／f)的奇數(shù)倍時，即KL＝π／2時，消聲量為極大，△Lf＝△Lmax。因此，根據(jù)由A計權(quán)聲壓級1／3倍頻程頻譜確定的所需消聲量頻率特性，可以確定應具有最大消聲量的相應中心頻率f△lmax，令KL＝π／2，即有L＝C／4f△lmax(2)5.進氣管1穿孔部分參數(shù)的確定進氣管1位于擴張腔5之內(nèi)的長度L由L1、L2、L3、三部分組成，如
圖1所示，L1＋L2＋L3＝L。其中L1段臨近進氣管A端、與大氣相通；L3段臨近進氣管B端、通向發(fā)動機氣缸。L2段穿有許多小孔6。
為了消除消聲器通過頻率附近的消聲低谷，L1伸入擴張腔5內(nèi)的長度一般為L／4，以消除偶數(shù)倍通過頻率低谷；L3伸入擴張腔5內(nèi)的長度一般為L／2，以消除奇數(shù)倍通過頻率低谷。為提高消聲器的空氣動力性及制造工藝性，可分段加工，以長度為L2的穿孔管將整個進氣管聯(lián)為一整體。這樣可以減小阻力損失并使制造更為方便。上述穿孔管的穿孔率即穿孔6的面積總和與穿孔管段圓周面積的比值應≥25％。
一般地說，依前述方法確定的消聲量頻率特性所設(shè)計的消聲器長度L都較小，消聲器的消聲性能在中頻范圍內(nèi)無通過頻率。因此在該情況下，應保持穿孔總面積之和約等于進氣管1橫截面積S1的1.2～1.5倍，并由此確定L2的長度。由此確定L2長度后，可適當縮短L1、L3的長度或適當增大穿孔率。
依照上述步驟設(shè)計的進氣管消聲器，具有最佳的消聲頻率特性和最佳的消聲效果；并且有最小的結(jié)構(gòu)體積和結(jié)構(gòu)重量，易于制造和安裝并使柴油機工作性能維持不變。同樣地，上述方法也適用于排氣消聲器的設(shè)計。另外，對于柴油機燃燒爆發(fā)基頻噪聲的衰減則可以結(jié)合采用共振式消聲器，能收到更好的消聲效果，這里不作詳細敘述。
參照圖3，495A型柴油機在轉(zhuǎn)速2000rpm時，安裝進氣管消聲器前后進氣管噪聲的1／3倍頻程對比頻譜，其中曲線1和曲線3分別表示未裝進氣管消聲器的A計權(quán)曲線和線性曲線；曲線2、4分別表示裝進管消聲器后的A計權(quán)曲線和線性曲線。
從圖3曲線對比可以看出，進氣管噪聲從105.8dB(A)降為98.8dB(A)。中頻聲壓級波峰得到了較大的削減。
參照圖4～
圖10，按本發(fā)明設(shè)計的進氣管消聲器能方便地裝設(shè)在現(xiàn)有柴油機上。根據(jù)柴油機進氣系統(tǒng)所限定的安裝尺寸，可靈活地將其串接在柴油機進氣道中；也可以將依本發(fā)明設(shè)計的進氣管消聲器耦合在空氣濾清器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。顯然，這種結(jié)構(gòu)的空氣濾清器不僅能滿足發(fā)動機工作性能方面的要求，而且滿足了對進氣管噪聲的消聲方面的要求，使柴油機的性能得到進一步的提高。
本發(fā)明的進氣管消聲裝置耦合在干式空氣濾清器10、20的結(jié)構(gòu)中，它們的殼體可以連為一體。濾清器10、20的殼體11、21與消聲器的殼體側(cè)壁2及端蓋4連接，如圖4、圖5所示。這樣，帶有穿孔6的進氣管1與空氣濾清器10、20的濾芯氣道聯(lián)通，其A端位于空氣濾清器10、20的內(nèi)部，其B端為空氣濾清器10、20的出口。
本發(fā)明的進氣管消聲裝置耦合在濕式空氣濾清器30的結(jié)構(gòu)中，它的殼體可以連為一體。濾清器30的殼體31與消聲器的殼體側(cè)壁2及端蓋3連接，如圖6所示。帶有穿孔6的進氣管1與空氣濾清器30的進氣管32為一體連通。消聲器的B端位于空氣濾清器30的內(nèi)部，其A端與空氣濾清器30的粗濾器33連接。
本發(fā)明的進氣管消聲裝置與干式空氣濾清器40串接時，它的進氣管1的A端與空氣濾清器40的粗濾器42串接，它的B端與空氣濾清器40的進氣口41串接，如圖7所示。另外，進氣管1的A端也可以與空氣濾清器40的出氣口43串接，如圖8所示。
本發(fā)明的進氣管消聲裝置與濕式空氣濾清器50串接時，它的進氣管1的A端與空氣濾清器50的粗濾器52串接，它的B端與空氣濾清器50的進氣口51串接，如圖9所示。另外，進氣管1的A端也可以與空氣濾清器50的出氣口53串接，如
圖10所示。
表二為上海－50拖拉機安裝本發(fā)明進氣管消聲器后、噪聲質(zhì)量狀況與原來狀況及國內(nèi)外同類型拖拉機噪聲質(zhì)量狀況的對比表。
表二.改進后拖拉機噪聲與原來狀況及國內(nèi)外拖拉機噪聲對比表
上海－50拖拉機以前述495A型柴油機為動力。長期以來該機的噪聲指標值一直達不到國家標準要求。采用本發(fā)明設(shè)計，在495A型柴油機進氣系統(tǒng)中如圖9所示串接了一進氣管消聲器后，致使上海拖拉機廠的這一難題得到了解決。在洛陽拖拉機研究所拖拉機產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心對上海－50拖拉機噪聲質(zhì)量的三次檢測中，拖拉機駕駛員耳旁噪聲值由原來的＞96dB(A)穩(wěn)定地達到了JB／NQ37.2－86所規(guī)定的優(yōu)級品水平，平均降低了3～4dB。靜態(tài)環(huán)境噪聲及動態(tài)環(huán)境噪聲均降低4dB左右，同時，發(fā)動機和拖拉機的動力性和經(jīng)濟性仍維持原來水平未變。(均見表二)。
在洛陽拖拉機研究所舉辦的輪式拖拉機質(zhì)量評比中，上海－50拖拉機還因安裝了本發(fā)明的消聲器而榮獲噪聲質(zhì)量單項獎，得到了有關(guān)專家的認可。
權(quán)利要求1.一種包括有進氣管、限定空間體積的擴張腔殼體的柴油機進氣管消聲器，其特征在于，a.進氣管1穿過由上述殼體2，3，4所限定的擴張腔空間，該進氣管1的進口端A和出口端B為一體連通；b.上述進氣管1位于所述擴張腔5之內(nèi)部分的中間一段穿有聯(lián)通進氣管1氣道和擴張腔5的許多小孔6。
2.如權(quán)利要求1所述的進氣管消聲器，其特征在于，所述進氣管1與擴張腔5的中心線大體重合，其截面積S1與柴油機進氣道相匹配。
3.如權(quán)利要求2所述的進氣管消聲器，其特征在于，所述小孔6的穿孔率≥25％，穿孔面積的總和為進氣管1橫截面積S1的1.2～1.5倍。
4.如權(quán)利要求3所述的進氣管消聲器，其特征在于，所述消聲器與柴油機空氣濾清器統(tǒng)籌設(shè)計耦合為一體。
5.如權(quán)利要求1～4所述的進氣管消聲器，其特征在于，所述消聲器的殼體側(cè)壁2和端蓋4與干式空氣濾清器10、20的殼體11、21連為一體，所述消聲器進氣管1的進口端A與空氣濾清器10、20的濾芯氣道相接通。
6.如權(quán)利要求1～4所述的進氣管消聲器，其特征在于，所述消聲器的殼體側(cè)壁2和端蓋3與濕式空氣濾清器30的殼體31連為一體，所述消聲器進氣管1與空氣濾清器30的進氣管32為一體連通。
7.如權(quán)利要求1～3所述的進氣管消聲器，其特征在于，所述消聲器的進氣管1串接在粗濾器42、52與空氣濾清器40、50的進氣口41、51之間。
8.如權(quán)利要求1～3所述的進氣管消聲器，其特征在于，所述進氣管1的進口端A與空氣濾清器40、50的出口43、53相連接。
專利摘要柴油機進氣管消聲器，根據(jù)高速柴油機進氣管噪聲的頻譜特性，在供氣系統(tǒng)中改進了進氣管消聲器的設(shè)計和安裝，減小進氣管道傳播的柴油機燃燒噪聲，既使其工作噪聲得到有效降低，又保持柴油機工作性能不變。消聲器的進氣管穿過殼體所限定的擴張腔。該進氣管的進口端與出口端相互連接，并且在上述擴張腔之內(nèi)的進氣管中間一段穿有許多小孔，形成聲傳播中的不連續(xù)結(jié)構(gòu)。本消聲器可以串接在進氣道或耦合在空氣濾清器中，體積小便于安裝。
文檔編號F02M35/12GK2032256SQ8820314
公開日1989年2月8日 申請日期1988年2月5日 優(yōu)先權(quán)日1988年2月5日
發(fā)明者左勝祥, 洪家高, 季竹奎, 欒正浩, 經(jīng)正剛, 諸巧云 申請人:上海拖拉機廠