柴油机排气噪声控制机理分析

内燃机噪声是由多种声源发出的噪声叠加而成的，内燃机在运转时，根据其工作原理、工作状态及有关的声学理论，大致可分为空气动力性噪声，燃烧噪声和机械噪声。不同形式、型号的内燃机以及同一种内燃机在不同的运转工况下，各种噪声源对总噪声的影响是不同的。一般情况下，空气动力性噪声对内燃机整机噪声的影响大于燃烧噪声与机械噪声，空气动力性噪声中又以排气噪声的影响最大，这一点在柴油机特别是单缸柴油机中表现得尤为显著。

我国的内燃机事业起步较晚，在噪声控制方面的技术落后于日本、美国、欧洲等发达国家，进展也较缓慢，因此，如何控制和降低内燃机的噪声已成为一项当务之急的重要研究任务。

一、排气噪声的主要构成及产生机理

控制内燃机排气噪声，首先要对排气噪声的主要构成和产生机理进行理论研究。排气噪声是由于内燃机周期性排放高压、高温废气，使周围空气的压强和密度不断受到扰动而产生的噪声，主要包括：以发动机排气次数为基频的排气噪声、管道内气柱共振噪声、气缸亥姆霍兹共振噪声、排气歧管处的气流吹气声、废气喷注和冲击噪声、气门杆背部的卡门涡流噪声和排气系统管道内壁面处的紊流噪声等。

1.基频排气噪声

内燃机气缸排气门开启时，气缸内燃气突然以高速喷出，气流冲击到排气道内气门附近的气体上，使其产生压力剧变而形成压力波，从而激发出噪声。由于排气门的工作是周期性的，因而这种噪声也是周期性的，呈明显的低频特性，其频率为每秒钟的排气次数，计算公式为：

式中：Z为内燃机气缸数；n为转速，rpm；τ为冲程系数，四冲程为2，二冲程为1。

JD42型柴油机标定转速为2200r/min，计算得其排气基频为18Hz。图1为该型柴油机排气噪声的低频部分，从图中可以看出，以18Hz为基频的20谐次内均出现了噪声峰值，与计算结果吻合，其中前7个谐次的噪声峰值较为明显。

图1 低频部分的排气噪声

2.排气管道内气柱共振噪声

在排气系统管道中的空气柱，在周期性排气噪声的激发下，因发生共振而产生空气柱共振噪声。其共振频率只与当地声速和排气管道的长度有关，计算公式如下：

式中：c为当地声速；l为排气管道长度。

当n＝1，2，3，……时，此时管内将产生共振(管道的声阻抗为0)，激发出频率为 的气柱共振噪声。单缸机的排气噪声在诸多产生噪声的因素中，管道气柱共振噪声显得特别突出。

JD42型柴油机排气管的长度约为24cm，标况运转时排气口的温度约为630℃，计算得其管道气柱共振频率为1491Hz。

3.气缸亥姆霍兹共振噪声

单缸机的排气门开启时，正在排气的气缸与排气管相通，此时排气管中的气体在声波的压力下而运动，具有一定的质量和惯性，称为声质量，同时充满气体的气缸相当于一个弹簧，具有阻碍压力变化的特性，称为声顺，构成了一个亥姆霍兹共振器，由于气缸内气体共振，激发出噪声，其共振频率为：

式中，s为排气管截面积；v为气缸容积；l为排气管长；r为排气管半径。

JD42型柴油机的气缸容积为1.592L，排气管半径为30mm，缸内排气温度约为700℃，计算得该柴油机的气缸亥姆霍兹共振噪声频率为301Hz，由图2可以看出，300Hz附近存在噪声峰值。

图2 排气噪声频谱图

4.废气喷注和冲击噪声

在自由排气阶段，排气门处会由于高速的气流喷注而产生强烈的喷注噪声；由于气体的粘性，废气排出后，会带动排气门后的气体一起运动，产生卷吸作用，使周围气体发生旋转，形成涡流，辐射出涡流噪声。另外，排气门附近存在着气体压力的不连续面，产生冲击波，从而产生冲击噪声。废气喷注和冲击噪声是连续宽带的高频噪声，这种噪声的峰值频率为：

式中，st为斯托哈尔数，其数值与超临界压力比有关；d为喷口特征尺寸。

在强制排气阶段，废气流经排气门处也会产生喷注噪声，此时的峰值频率为：

式中，v为废气流经排气门处的流速，d为排气门直径。

5.排气管内壁面处的摩擦及紊流噪声

在超临界排气阶段，在排气门附近的一段气道内气体流动速度接近当地声速此时废气的流动是紊流流动，紊流在管壁上存在一个很薄的附面层 ，在范围内，流体的流速从0增加到0.99 ， 为管道中心的流速，由于流速的急剧变化产生涡流。另外由于管壁附近的气体存在很大的温度梯度，此温度梯度加剧了气流的紊流程度，增加了涡流强度，排气道内壁面较大的粗糙度，也增强了管壁面的涡流。

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