拖拉機單缸柴油機原始噪聲特性分析

李 威，武 佩

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

0 引言

21世紀以來，隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，我國柴油機保有量呈現(xiàn)持續(xù)增長態(tài)勢。作為主要動力源，柴油機具有熱效率高、能量利用率好、經(jīng)濟性能好等優(yōu)點[1]，在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有著不可替代的作用。柴油機應用帶來便利的同時，其噪聲污染問題卻一直困擾著人們，嚴重的噪聲污染對工作人員的身心健康造成了很大危害。如果長時間處在較強烈的噪聲下，工作人員會感到頭暈目眩和心情煩躁，嚴重的可能會導致噪聲性耳聾和冠心病等心腦血管疾病[2]。噪聲污染問題已經(jīng)成為影響人們生活和威脅身心健康的一大因素，噪聲問題也成為目前熱點性話題，對降低柴油機噪聲的研究也一直是內(nèi)燃機行業(yè)重要的研究課題。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，為了追求更好的動力性，柴油機的功率不斷提高，振動與噪聲問題也相應更加突出[3]，政府出臺了相關(guān)的噪聲限制法規(guī)，對柴油機最高噪聲的限制要求更加嚴苛。柴油機噪聲源分為兩類：表面輻射噪聲和空氣動力噪聲。表面輻射噪聲是由柴油發(fā)動機中的燃料猛烈燃燒以及相關(guān)運動部件之間的機械沖擊引起的，經(jīng)機體表面向外界輻射的噪聲，主要包括燃燒噪聲和機械噪聲；空氣動力性噪聲主要包括進氣噪聲、排氣噪聲和風扇噪聲，主要是柴油機在進、排氣和風扇旋轉(zhuǎn)時，由于空氣不斷壓縮和膨脹而產(chǎn)生的噪聲，這部分噪聲可以直接輻射到周圍的空氣中[4]。相關(guān)研究表明，排氣噪聲是柴油機的主要噪聲源，因此降低柴油機的排氣噪聲具有決定性的意義。在工程實際中，降低排氣噪聲簡單有效的途徑就是安裝排氣消聲器[5]，消聲器的研究和設計隨著柴油機的廣泛應用也在快速發(fā)展。

消聲器的種類很多，根據(jù)消聲原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，可將其大致分為阻性消聲器、抗性消聲器和阻抗復合式消聲器。由于抗性消聲器具有低頻降噪效果好、結(jié)構(gòu)簡單、空間利用率高、耐腐蝕、使用壽命高等優(yōu)點，能很好適應柴油機排氣的溫度高、腐蝕性強的特點，而柴油機排氣噪聲頻譜主要呈低頻特性[6]，因此柴油機排氣消聲器通常選用抗性消聲器。抗性消聲器主要是通過管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的突變，使聲波在傳播時引起聲阻抗的改變，引起聲波在傳播過程中方向不斷變化，發(fā)生反射或干涉，消耗向外傳播的聲能，達到降低噪聲的目的，不同柴油機的噪聲頻譜不同，選擇合適的消聲器首先要明確柴油機的原始噪聲頻率特性。

1 單缸柴油機原始噪聲特性分析

1.1 單缸柴油機參數(shù)

針對江蘇常工動力機械有限公司生產(chǎn)的CG25型單缸柴油機進行排氣噪聲研究和測試，此柴油機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 CG25單缸柴油機技術(shù)參數(shù)表

1.2 單缸柴油機排氣噪聲測試

測試過程嚴格遵循GB/T25516-2010/ISO7235：2003《聲學管道消聲器和風道末端單元的實驗室測量方法—插入損失、氣流噪聲和全壓損失》和GB/T4759-2009《內(nèi)燃機排氣消聲器測量方法》的要求執(zhí)行。

CG25型單缸柴油機原始排氣噪聲測試過程如下。

(1)試驗場地選取內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學工科樓東側(cè)停車場，確保測試過程周圍10 m內(nèi)無反射物，減小反射噪聲對排氣噪聲測試值的影響，排氣噪聲測試值與背景噪聲聲壓級之差大于15 dB以上。

(2)將柴油機放置于試驗場地，拆除原裝排氣消聲器，安裝代替直管，代替直管的管徑和長度與原機消聲器相同。柴油機與代替直管中間放置隔聲板，以減少柴油機其他零部件噪聲對排氣噪聲測試值的影響。

(3)測點位置在與代替直管管口軸向成45°方向上，距離排氣管口中心0.8 m處，采用BK2250型聲級計記錄排氣噪聲信號，該聲級計可直接測得聲壓級，并且可以直接實現(xiàn)1/3倍頻程頻譜測試，存儲數(shù)據(jù)簡單方便，有利于做詳細的噪聲頻譜分析。測試前用4231型校準器對該聲級計做校準處理。將聲級計放于測點，傳聲器朝向排氣管口。

(4)啟動CG25型單缸柴油機，穩(wěn)定運轉(zhuǎn)10 min后，使Victor 6236P型數(shù)字轉(zhuǎn)速表前端轉(zhuǎn)速傳感器與柴油機飛輪中心同軸轉(zhuǎn)動，改變調(diào)速器調(diào)速按鈕位置控制柴油機轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速表顯示的轉(zhuǎn)速即為柴油機轉(zhuǎn)速。柴油機轉(zhuǎn)速分別在750 r·min-1、1 500 r·min-1、2 200 r·min-1下各運轉(zhuǎn)5 min后，使用聲級計記錄該柴油機的排氣噪聲數(shù)據(jù)，進行兩次試驗，測量結(jié)果取平均值，測量時采樣頻率取5 000 Hz。

2 單缸柴油機消聲頻帶分析

當柴油機汽缸在排氣沖程階段，排氣門打開，汽缸中的壓力高于大氣壓，并且高速高壓的廢氣迅速從汽缸中排出，沖擊排氣門周圍的氣體，汽缸周圍氣體發(fā)生壓力波動，產(chǎn)生排氣壓力脈動噪聲。單缸柴油機的排氣沖程都是按照發(fā)動機的配氣相位周而復始運動，因此柴油機具有周期性的排氣噪聲，并且可以根據(jù)計算公式獲得噪聲的基頻。計算公式為

f=nZ/60τ

式中：n為柴油機轉(zhuǎn)速，單位r·min-1；Z為柴油機氣缸數(shù)；τ為柴油機沖程系數(shù)。

由于柴油機通常在額定轉(zhuǎn)速下工作，因此重點分析額定轉(zhuǎn)速下排氣噪聲頻譜，在額定轉(zhuǎn)速下測得柴油機排氣速度不超過34 m·s-1。

CG25型單缸柴油機額定轉(zhuǎn)速n=2 200 r·min-1時，由公式計算得到此轉(zhuǎn)速下排氣噪聲的基頻f=18.33 Hz。額定轉(zhuǎn)速2 200 r·min-1排氣噪聲頻譜如圖1所示，可以看出2 200 r·min-1轉(zhuǎn)速下噪聲的峰值為113.02 dB，對應的頻率為118.8 Hz，因此額定轉(zhuǎn)速下應當重點控制118.8 Hz處的噪聲。

圖1 額定轉(zhuǎn)速2 200 r·min-1排氣噪聲頻譜圖

3 結(jié)論

CG25型單缸柴油機的排氣噪聲主要為低頻段的噪聲，排氣噪聲較高峰值主要集中500 Hz以內(nèi)。此柴油機的目標消聲頻段為500 Hz以內(nèi)的低頻區(qū)，重點控制500 Hz以內(nèi)的噪聲，此柴油機應選擇低頻降噪效果好，結(jié)構(gòu)簡單，耐腐蝕強的抗性消聲器，以有效降低噪聲污染。