内燃机两工况自动跟随的排气消声器的制作方法

本发明涉及一种内燃机排气消声器。

技术背景

工程机械和车辆广泛采用内燃机作为动力，近年来，人们对于内燃机的振动噪声控制的要求也越来越严格，噪声控制已经逐渐成为相关产品进入市场的技术壁垒。内燃机整机噪声主要来源于发动机的排气噪声，降低排气噪声最常用的方法是在发动机的排气管道系统中安装排气消声器，排气消声器既能允许气流顺利通过，又能有效地阻止或减弱声能向外传播，是控制排气噪声的一种简单而有效的方法。在噪声控制工程中得到了广泛的应用。消声器种类很多，根据消声原理与结构可分为阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合式消声器三类。抗性消声器可分为扩张式消声器和共振腔消声器，共振腔消声器是利用共振结构的阻抗引起声波的反射而进行消声。它由小孔板和共振腔构成，小孔的直径为φd，孔颈的有效长度为L_k，共振腔的体积为V，声速为c,其结构如图1所示。

共振腔消声器的消声机理：共振腔消声器由一段开有若干小孔的管道和管外一个密闭的空腔所组成，管道和空腔通过小孔连接。小孔和空腔组成一个共振腔振动系统，当气流的声波频率和共振腔振动系统的共振频率接近时，系统会发生共振，小孔孔颈中一定质量的空气柱流动速度加快，摩擦阻力增大，大量声能转化为热能而消耗掉，从而达到消声的目的。共振腔消声器的共振频率可通过公式计算得出：

式中f₀——共振腔共振频率；

c——声速；

S₀——小孔截面面积；

V——共振腔体积；

L_k——孔颈的有效长度。

由式(1)可知，每一个共振结构都具有一定的共振频率，这个共振频率由小孔截面面积、共振腔体积、孔颈的有效长度所决定，所以结构参数一定的共振腔消声器共振频率通常是特定的，其消声量在共振频率附近较高，消声效果好，当噪声频率与共振频率相差较大时，消声量急剧下降，消声效果差，共振消声器的消声特性如图2所示。

如图2可知，共振腔消声器具有频率选择性强的特点，通常只能满足内燃机某一种工况下的消声要求，但是在以内燃机为动力的工程机械和车辆的噪声控制标准中，或相关噪声控制规范的试验和测量中，怠速和高速往往是最重要的两种试验和测量以及评价的工况。内燃机在怠速和高速工况下，其噪声的主要频率不相同，使得采用了共振腔结构的排气消声器并不能兼顾满足内燃机在怠速和高速这两种工况下消声要求。

技术实现要素：

本发明要克服现有技术的只在其共振频率附近下消声效果好、只能在特定工况下有效消声的缺点，提供一种内燃机两工况自动跟随的排气消声器，能够在两种工况下都有良好的消声性能。

随着内燃机工况不一样，本发明的消声器可以分别对应不同的共振频率，能兼顾满足怠速和高速这两种工况下消声要求，能够解决现有共振腔消声器只对一种工况下的噪声可以有效消声的问题。

本发明的内燃机两工况自动跟随的排气消声器，包括一段管道1和管道1外的一个密闭的第一共振腔21，其特征在于：所述的管道1的壁面上开有第一圆孔13，第一圆孔13连通管道1的内腔和第一共振腔21；管道1的与所述的第一圆孔13相对的内壁上设有第一圆柱11，第一圆柱11伸入第一圆孔13；第一圆柱11所用的材料的膨胀系数小于管道1和第一共振腔21所用的材料的膨胀系数。

进一步，在所述的管道1上相对于第一共振腔21的一侧设有第二共振腔22，所述的管道1的壁面上开有第二圆孔14，第二圆孔14连通管道1的内腔和第二共振腔22；管道1的与所述的第二圆孔14相对的内壁上设有第二圆柱12，第二圆柱12伸入第一圆14孔；第二圆柱12所用的材料的线膨胀系数小于管道1和第二共振腔22所用的材料的线膨胀系数。

优选地，第一圆柱11和第二圆柱12采用线膨胀系数较小的石英材料制造，管道1和第一共振腔21、第二共振腔22采用线膨胀系数较大的铝合金材料制造。

本发明的消声器在消声器制造材料上，选用特定线胀系数的材料，并合理地设计消声器的共振腔结构参数。内燃机在怠速和高速工况下，排气温度的不同，导致消声器的工作温度也不同，由于材料的热变形，使孔颈的有效长度Lk和小孔截面面积S0发生较大变化，根据式(1)可知消声器的共振频率也随之改变，分别对应怠速和高速工况下两种不同的共振频率，从而内燃机在怠速和高速这两种工况下都能满足降低排气噪声的要求。

本发明中的共振腔消声器是一种结构简单的消声器，内燃机在怠速工况下，温度较低，共振消声器孔颈的有效长度较大、小孔截面面积较小，对应的共振频率小；内燃机在高速工况下，温度较高，由于消声器材料发生热变形现象，使影响消声器共振频率的一些结构参数大小发生了改变，其中共振消声器孔颈的有效长度较小、小孔截面面积较大，由式(1)得出共振频率增大，从而实现内燃机两工况下自动跟随的消声功能。

本发明设计的内燃机排气共振腔消声器随着内燃机工况不一样，分别对应不同的共振频率，解决现有共振腔消声器只在一种工况下消声效果好的问题。

本发明共振腔消声器设计制造上，依据内燃机在不同的工况下，消声器的工作温度不同，利用材料的热膨胀特性，使消声器共振腔的结构发生不同程度地热变形，共振腔结构参数的大小发生了变化，共振频率大小也随着变化，最终兼顾满足内燃机在怠速和高速这两种工况下消声要求，实现内燃机两工况下自动跟随的消声功能。

本发明的优点是：一般结构固定的内燃机排气消声器通常共振频率是特定的，不能兼顾满足怠速和高速这两种工况下消声要求。本发明的内燃机排气消声器，利用内燃机怠速和高速这两种工况的排气温度不同，相应地消声器的工作温度也有两种，由于制造消声器材料的热变形不同，使共振腔结构参数的大小发生了变化，由式(1)可知系统的共振频率也有两种，所以内燃机在怠速和高速两种工况下会有两种不同的共振频率，能够实现在两种工况下都有较好的消声性能。

附图说明：

图1是现有共振消声器；

图2是现有共振消声器的消声特性示意图；

图3是本发明的结构示意图；

图中：1管道，11圆柱体；2.管道；3.共振腔；

图4是本发明的消声特性示意图。

具体实施方式

下面参照图3、4对本发明内燃机两工况自动跟随的排气消声器做进一步说明。

本发明的内燃机两工况自动跟随的排气消声器，包括一段管道1和管道1外的一个密闭的第一共振腔21。所述的管道1的壁面上开有第一圆孔13，第一圆孔13连通管道1的内腔和第一共振腔21；管道1的与所述的第一圆孔13相对的内壁上设有第一圆柱11，第一圆柱11伸入第一圆孔13；第一圆柱11所用的材料的膨胀系数小于管道1和第一共振腔21所用的材料的膨胀系数。

在所述的管道1上相对于第一共振腔21的一侧设有第二共振腔22，所述的管道1的壁面上开有第二圆孔14，第二圆孔14连通管道1的内腔和第二共振腔22；管道1的与所述的第二圆孔14相对的内壁上设有第二圆柱12，第二圆柱12伸入第一圆14孔；第二圆柱12所用的材料的线膨胀系数小于管道1和第二共振腔22所用的材料的线膨胀系数。

第一圆柱11和第二圆柱12采用线膨胀系数较小的石英材料制造，管道1和第一共振腔21、第二共振腔22采用线膨胀系数较大的铝合金材料制造。

某内燃机工作时，根据实测：在怠速工况下，排气噪声最主要的噪声频率约为178Hz，排气消声器的工作温度约为97℃；在高速工况下，排气噪声最主要的噪声频率约为270Hz，排气消声器的工作温度约为270℃。

本实施例在该内燃机原有的消声器基础上，增设一个共振腔结构，共振腔的内管道上开圆孔，并在管内安装热膨胀系数小的圆柱体(圆柱体的一端伸入圆孔内适当深度，圆柱体的另一端固定在内管道上)。消声器所增设的共振腔外壳和内管道采用线膨胀系数较大的材料制造，管道内的圆柱体选用线膨胀系数极小的材料制造。

当某内燃机在怠速工况下工作时，此时圆柱体的一端伸入内管道上的圆孔内某深度处，圆孔与圆柱体之间孔缝隙的有效截面面积S0较小，孔颈的有效长度Lk较大，根据式(1)可知，怠速工况下排气消声器的共振频率较小；在高速工况下，排气消声器的工作温度升高，采用线胀系数较大的材料制造的共振腔外壳和内管道发生较明显地膨胀变形，此时一端固定在内管道上的圆柱体随内管道的热膨胀而退出圆孔，使小孔颈的有效长度Lk减小，同时圆孔与圆柱体之间孔隙的有效截面面积S0因内管道的热膨胀变形而增大，由式(1)可知，高速工况下排气消声器的共振频率增大。内燃机在两种不同的工况下消声器的工作温度不同，利用材料的热膨胀特性，使消声器共振腔的结构发生不同程度地热变形，改变了共振腔结构参数的大小，由式(1)可知系统的共振频率也有两种，所以内燃机在怠速和高速两种工况下会有两种不同的共振频率，实现内燃机两工况下自动跟随的消声功能。

本发明设计的排气消声器的共振腔外壳和内管道均采用线膨胀系数较大的铝合金材料制造，管道内的圆柱体选用线膨胀系数极小的石英材料制造，在室温20℃时内管道上的圆孔直径φd为10.00mm，安装在管内的圆柱体直径φd为9.50mm，管壁厚为1.00mm，如图3所示。本共振腔消声器的共振频率计算理论上应该符合公式(1)，但由于内管道上的圆孔与圆柱体之间孔隙的有效截面面积S0以及孔隙的有效长度Lk均很难精确描述,使得该共振腔消声器的共振频率要采用公式(1)进行计算会有很大的困难，过于简化还会产生较大的误差。在此，可采用声学有限元仿真软件计算进行声学仿真计算，以获得该共振腔消声器的共振频率。根据内燃机怠速工况条件，其消声器排气温度为97℃，由线膨胀系数较大的铝合金材料制造的内管道和共振腔外壳发生热变形，内管道上的圆孔直径φd为10.02mm，圆柱体伸入圆孔内0.14mm处，安装在管内的圆柱体是由线膨胀系数极小的石英材料制造，几乎没有发生热变形，所以圆柱体直径φd仍为9.50mm，内管道的热变形引起圆柱体伸入内管道上圆孔内0.07mm处，用声学有限元仿真软件计算出共振频率为178Hz；根据内燃机高速工况条件，其消声器排气温度为270℃，线膨胀系数大的内管道和共振腔外壳发生热变形，内管道上的圆孔直径φd为10.05mm，线膨胀系数极小的石英圆柱体几乎没有发生热变形，所以圆柱体直径φd仍为9.50mm，此时，内管道的热变形引起圆柱体退出内管道上圆孔，圆孔与圆柱体之间距离为0.43mm，用声学有限元仿真软件计算其共振频率为270Hz，怠速和高速两种工况下的声学有限元仿真的共振消声器消声特性曲线如图4所示，曲线峰值对应的频率即为某内燃机排气消声器的共振频率。内燃机的不同工况，利用材料的热膨胀特性，使消声器共振腔的结构发生不同程度地热变形，共振腔结构参数的大小发生了变化，使内燃机排气消声器在两种不同的工况下有两种不同的共振频率，分别与某该内燃机在怠速和高速工况下实测得到的排气噪声的主要噪声频率相近，实现内燃机两工况下自动跟随的消声功能，能满足内燃机两工况下的噪声控制要求。(在声学有限元仿真过程中，为了考虑温度对声速大小的影响，不同温度下声速大小由C₀(t℃)＝331.5+0.6t1可得，在怠速工况下，排气消声器的温度为97℃，声速为390.67m/s；在高速工况下，排气消声器的温度为270℃，声速为496.2m/s)。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。