一种用于内燃机的排气消声器

本发明涉及机械工程技术领域，具体涉及一种用于内燃机的排气消声器。

背景技术：

随着我国工业化水平的提高，人们对操作环境的要求有所提升。内燃机的排气噪声问题一直是nvh(噪声、振动、舒适性)工程师们关注的问题，亟待解决。传统的内燃机消声器由于管道壁面较薄，体积较大，消声器内部声波会导致消声器壳体发生振动，并向外辐射出一部分声能量。而且，传统的内燃机排气消声器散热性能不好，因此流经内燃机排气消声器内部的气流温度较高，高温气流也会导致消声器的降噪性能大大降低，同时也加快了消声器的老化速度。为了能更加有效的提高消声器的降噪性能，对内燃机的排气消声器进行了改进设计。本发明为内燃机排气消声器设计提供了新的解决方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于设计一种用于内燃机的排气消声器，来提高内燃机消声器的降噪性能，为内燃机消声器的设计提供新的解决方法。

本发明由扩张腔1、波纹穿孔管2、波纹内衬3、吸声材料4和消声器自适应有源控制系统s组成，其中波纹穿孔管2在扩张腔1内部，固接于扩张腔1两端面处，扩张腔1与波纹穿孔管2中轴线重合；波纹内衬3与扩张腔1内壁接触，固接在扩张腔1两端面处；吸声材料4填充在波纹内衬3与扩张腔1之间的空隙处；内燃机消声器自适应有源控制系统s与扩张腔1固接。

所述波纹内衬3由曲线方程控制，在笛卡尔坐标系其表达式为：

其中b为曲线方程的幅值；t为曲线方程的周期；b1表示该曲线方程的中心线与坐标轴y轴之间的距离；将曲线沿着x轴偏移b0，b0为曲线偏移的宽度，经过封闭处理形成闭合曲面；再将闭合曲面沿着y轴旋转，形成波纹内衬(3)实体；在本发明中设置的b为5mm，t为10，b1为50mm，为0，b0设置为0.5mm。排气消声器其他具体尺寸参数跟据消声器的工作环境来设定。

所述波纹穿孔管2由波峰高度m、相邻波峰之间的距离n、波峰宽度p、穿孔直径q四个参数组成；波纹穿孔管可以增大消声器内气流速度幅值，减小孔口有效流动面积，增大穿孔的声阻，使内燃机的排气消声器降噪性能提高；波纹穿孔管消声器的内部整体速度梯度提高，随着速度梯度的增大，声阻增大，声能量耗散效果相应增强，传递损失增大；波纹穿孔管消声器的扩张腔1、波纹穿孔管2与穿孔形成了亥姆赫兹谐振器，同时，由于波纹截面的变化而形成的声阻抗失配，使得声波在与声阻抗突变的界面处产生反射和干扰效应，达到提高传递损失的目的。在设计消声器时，根据应用具体场合进行相应尺寸的调整。

所述吸声材料4填充在波纹内衬3与扩张腔1之间空隙处，用于吸收从扩张腔1壳体辐射出的声能量，降低辐射噪声；吸声材料4主要由密度，流阻率，孔隙率，曲折因子，粘性特征长度，热效特征长度六个参数决定。

所述内燃机消声器自适应有源控制系统s与扩张腔1固接。内燃机消声器自适应有源控制系统s由参考传感器5、次级声源6，误差传感器7和控制器8组成；参考传感器5固接在消声器入口处，次级声源6固接在扩张腔1右端面内壁处；误差传感器7，控制器8固接在扩张腔1外壁面处；内燃机排气噪声主动控制技术可以很好的弥补噪声被动控制技术的不足，在降低低频噪声时，主要由内燃机消声器自适应有源控制系统s进行降噪。

本发明的工作过程和原理如下：

1.声波从消声器入口传入内燃机的排气消声器，通过消声器结构对声波进行滤波处理。

1)一部分声波经波纹穿孔管沿着y轴方向从消声器出口传出。在声波流经波纹穿孔管2以及波纹内衬3时，首先，由于波纹穿孔管消声器的扩张腔1、波纹穿孔管2与穿孔形成了亥姆赫兹谐振器，衰减了一部分声能。扩张腔1内部声波传播过程中会发生反射，同样衰减一部分声能；其次，由于截面的改变，起到阻抗失配的效果，降低了声能，传递损失增大。轴向传递损失计算公式为：

其中，tla表示轴向传递损失，wi表示消声器入口声功率，wo表示消声器出口声功率。

2)另一部分声波辐射沿着扩张腔1径向(x轴方向)传播。在声波径向传播过程中，声波遇到波纹内衬3，声波会反射和透射，反射的声波会抵消传来的声波。另外，从波纹内衬3透射的声波遇到吸声材料，会吸收一部分声能，降低一部分噪声。在声波经过扩张腔1壳体时，还会发生反射与透射现象，同样使得辐射噪声降低。横向传递损失计算公式为：

其中，tltp表示横向传递损失，wrad表示辐射声功率。

总的传递损失计算公式表示为：

其中，tltotal表示总传递损失。因此，可以从理论上证明本发明的内燃机排气消声器可以提升消声器的传递损失。

2.从气流温度及速度角度分析本发明的降噪原理。由于温度降低会促使消声器的降噪性能提升，波纹穿孔管2与波纹内衬3的波纹结构可以增大气流与壁面的接触面积，更加有利于散热。同时，由于穿孔以及波纹的存在，会增大消声器内部气流的速度梯度，声阻增大，声能量耗散效果相应增强提高传递损失。同时波纹内衬3可以提高消声器壳体的刚度，减少壳体振动。

3.本发明通过内燃机消声器自适应有源控制系统s很好地弥补了噪声被动控制技术的不足。由于抗性消声器主要对特定的低频噪声可以起到很好的降噪效果，但降噪频段往往较窄，只限用于特定场合。因此本发明由主动控制系统来降低低频噪声。其工作原理为，两列频率相同、相位差固定的声波，叠加后产生相消性干涉，从而减弱声能。参考传感器5采集发动机产生的初级噪声信号作为参考信号；误差传感器7采集误差信号，作为控制器8的输入，控制器8能够控制次级声源6不断的产生抵消发动机产生的初级噪声的次级噪声，起到降噪的效果。

本发明的有益效果在于：

1.本发明对内燃机消声器内部结构进行改进设计，保持消声器所占用的空间不变。本发明的目的是通过对消声器内部结构进行改进，优化内燃机排气消声器的降噪性能。

2.本发明是在扩张腔1壳体内壁上附加一层波纹内衬3。由于传统消声器壳体较薄，脉动的气流流经消声器，很容易使壳体发生振动。波纹内衬3结构可以增加壳体强度，减少振动，降低消声器辐射出的噪声。同时波纹内衬3增加了内壁与高温气流的接触面积，有助于散热，提高消声器的降噪性能。

3.本发明在扩张腔1壳体内壁与波纹内衬3结构的空隙处添加吸声材料4，有效的消耗更多的声能量。吸收扩张腔1壳体向外界辐射的声能量。

4.本发明将传统的直通穿孔管消声器改进为具有波纹形穿孔管2的消声器，具有波纹形穿孔管2的消声器有效的提高了传递损失。

5.消声器自适应有源控制系统s能够控制次级声源6不断产生次级噪声，来抵消发动机产生的初级噪声，解决了抗性消声器体积较大，降噪频段较窄的问题。

附图说明

图1为内燃机排气消声器的轴测图

图2为内燃机排气消声器的半剖视图

图3为内燃机排气消声器的半剖视图c部分局部放大图

图4内燃机排气消声器的自适应有源控制系统s的原理示意图

图5内燃机排气消声器的自适应有源控制系统s内部声波抵消示意图

图6波纹穿孔管2示意图

图7内燃机排气消声器扩张腔1、波纹穿孔管2与波纹内衬3装配示意图

图8内燃机排气消声器吸声材料4半剖示意图

其中：1.扩张腔2.波纹穿孔管m.波峰高度n.相邻波峰之间的距离p.波峰宽度q.穿孔直径3.波纹内衬4.吸声材料s.消声器自适应有源控制系统5.参考传感器6.次级声源7.误差传感器8.控制器

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，内燃机排气消声器由扩张腔1、波纹穿孔管2、波纹内衬3、吸声材料4及消声器自适应有源控制系统s组成，其中波纹穿孔管2在扩张腔1内部，固接于扩张腔1两端面处，扩张腔1与波纹穿孔管2中轴线重合；波纹内衬3与扩张腔(1)内壁接触，固接在扩张腔1两端面处；吸声材料4填充在在波纹内衬3与扩张腔1之间空隙处；内燃机消声器自适应有源控制系统s与扩张腔1固接。

如图2、图3、图7所示，所述波纹内衬3由曲线方程控制，在笛卡尔坐标系其表达式为：

其中b为曲线方程的幅值；t为曲线方程的周期；b1表示该曲线方程的中心线与坐标轴y轴之间的距离。将曲线沿着x轴偏移b0，b0为曲线偏移的宽度，并经过封闭处理形成闭合曲面。再将闭合曲面沿着y轴旋转，形成波纹内衬(3)实体。在本图例中设置的b为5mm，t为10，b1为50mm，为0，b0设置为0.5mm。排气消声器其他具体尺寸参数跟据消声器的工作环境来设定。

如图6、图7所示，所述波纹穿孔管2由波峰高度m、相邻波峰之间的距离n、波峰宽度p、穿孔直径q四个参数组成；波纹穿孔管可以增大消声器内气流速度幅值，减小孔口有效流动面积，增大穿孔的声阻，提高内燃机的排气消声器降噪性能；波纹穿孔管消声器的整体内速度梯度提高，随着速度梯度的增大，声阻增大，声能量耗散效果相应增强，传递损失增大；波纹穿孔管消声器的扩张腔1、波纹穿孔管2与穿孔形成了亥姆赫兹谐振器，同时，由于波纹截面的变化而形成的声阻抗失配，使得声波在与声阻抗突变的界面处产生反射和干扰效应，达到提高传递损失的目的。在设计消声器时，根据具体场合进行相应尺寸的调整。

如图2、图3、图7、图8所示，所述吸声材料4填充在波纹内衬3与扩张腔1之间空隙处，用于吸收从扩张腔1壳体辐射出的声能量，降低辐射噪声；吸声材料4主要由密度、流阻率、孔隙率、曲折因子、粘性特征长度、热效特征长度六个参数决定。

如图4，图5所示，所述内燃机消声器自适应有源控制系统s与扩张腔1固接。内燃机消声器自适应有源控制系统s由参考传感器5、次级声源6，误差传感器7和控制器8组成；参考传感器5固接在消声器入口处，次级声源6固接在扩张腔1右端面内壁处；误差传感器7，控制器8固接在扩张腔1外壁面处；内燃机排气噪声主动控制技术可以很好的弥补噪声被动控制技术的不足，在降低低频噪声时，主要由内燃机消声器自适应有源控制系统s来进行降噪。