陳影彬

摘 ?要：基于傳統(tǒng)型船用擴(kuò)張式排氣消聲器，根據(jù)擴(kuò)張式排氣消聲器的基本特性來(lái)設(shè)計(jì)消聲器，使其能夠滿足消聲效果好，阻力損失小，重量輕，體積小要求。并分析影響柴油機(jī)排氣消聲器消聲性能的各種主要參數(shù)，以及如何正確選取消聲器各主要參數(shù)的方法。

關(guān)鍵詞：船用柴油機(jī)排氣消聲器 ?參數(shù) ?消聲器容積 ?消聲量

在船舶上，機(jī)艙是一個(gè)多噪聲區(qū)也是船舶環(huán)境污染的主要來(lái)源之一。機(jī)艙噪聲的產(chǎn)生主要由船舶主機(jī)及輔機(jī)工作時(shí)進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲、燃燒噪聲及機(jī)械噪聲等共同組成了的一個(gè)強(qiáng)烈的綜合性噪聲，其引起的噪聲污染目前已占到船舶噪聲污染的80%。在這幾個(gè)噪聲源中，排氣噪聲最為突出，其主要是低頻噪聲和諧波高頻噪聲成分，最大噪聲量可高達(dá)130 dB（A）。對(duì)輪機(jī)人員身體健康和船舶環(huán)境造成重大危害。因此，降低排氣噪聲勢(shì)在必行，最主要的解決措施就是在主輔機(jī)排氣口設(shè)計(jì)安裝有效的消聲器。

船舶消聲器的設(shè)計(jì)主要取決于對(duì)消聲器主要參數(shù)的選擇

1、船用柴油機(jī)排氣消聲器內(nèi)氣流速度的確定

經(jīng)試驗(yàn)及理論分析得知，一般消聲器前插入管的氣流速度可取v=60～90m/s;消聲器內(nèi)部的氣流速度應(yīng)控制在40～60m/s范圍內(nèi)。

2、船用柴油機(jī)排氣消聲器進(jìn)氣管內(nèi)徑d1的確定

根據(jù)柴油機(jī)排出流量Q，選擇合適的氣流速度v，便可確定流通面積F，從而確定進(jìn)氣管直徑d1

因?yàn)?? F=Q/v，F(xiàn)= ■

所以 ? ■

式中，Q為排氣流量，m3/s;V為排氣平均速度，m/s;

排氣流量Q一般由柴油機(jī)制造廠提供。若生產(chǎn)廠家未提供，有條件的也可以對(duì)該柴油機(jī)進(jìn)行排氣流量的實(shí)測(cè)，無(wú)條件的，也可以通過(guò)理論計(jì)算確定。理論公式如下：

柴油機(jī)進(jìn)氣流量 Q進(jìn)=nηvVh/60τ（1）

柴油機(jī)排氣流量 Q排=Q進(jìn)*Te/Ts

式中：n為柴油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速，r/min;ηv為充量系數(shù)，柴油機(jī)ηv=1，增壓柴油機(jī)ηv=增壓比;τ為沖程數(shù)，四沖程τ=2，二沖程τ=1;Vh為柴油機(jī)排量，m3/s;TS為柴油機(jī)進(jìn)氣溫度，K;Te為柴油機(jī)排氣溫度，或渦輪增壓器出口溫度，K。

3、船用柴油機(jī)排氣噪聲基頻及諧波的確定

柴油機(jī)排氣噪聲基頻及諧波可用下式表示

■ ? ? ? ?x=1，2，3……

當(dāng)x=1時(shí) ? 基頻 = ■

式中：n—主機(jī)轉(zhuǎn)速;Z—主缸數(shù);τ—沖程系數(shù)，四沖程τ=2，二沖程τ=1。

4、噪聲在排氣管中的聲速及其波長(zhǎng)的確定

柴油機(jī)排氣噪聲聲速可用下式計(jì)算：

■

式中：t-柴油機(jī)排氣溫度，若是增壓柴油機(jī)，t為增壓器出口排氣溫度。單位：0C

排氣噪聲的波長(zhǎng)可以由以下公式求得：

■

5、船用柴油機(jī)消聲器腔數(shù)的確定

消聲器容積Ve和縱橫比L/D確定之后，若空腔分隔的腔數(shù)n越多從理論上講，最大衰減量為（20lgm-6）·n，高頻消聲效果好，而低頻消聲效果差，而且，制造時(shí)材料消耗和加工時(shí)間增多，成本增加。反之，若空腔分隔的腔數(shù)越少，則低頻消聲聲效果好，材料消耗和工時(shí)減少，但高頻消聲效果差。因此，消聲器分隔的腔數(shù)多少，應(yīng)與消聲特性和消聲量相配合。一般，消聲器的腔數(shù)n可根據(jù)消聲量選擇。

A類消聲器 ?消聲量>10dB（A） n=2～3

B類消聲器 ?消聲量>15dB（A） n=3～4（2）

C類消聲器 ?消聲量>20dB（A） n>4

6、船用柴油機(jī)消聲器各腔長(zhǎng)度的確定

第一腔長(zhǎng)度L1的確定十分重要，它承擔(dān)著消聲器的主要消聲性能和緩沖高溫高速脈動(dòng)氣流的任務(wù)。一般，第一腔的容積不應(yīng)小于柴油機(jī)排量Vh的1～3倍。

第一腔的長(zhǎng)度L1應(yīng)取其峰值頻率波長(zhǎng)的1/4，即L1=λ/4。第一腔長(zhǎng)度L1確定之后，第二腔長(zhǎng)度L2、第三腔長(zhǎng)度L3等便可相繼確定。L2=0.5L1，L3=0.5L2。這樣，消聲器便可形成消除低、中、高頻噪聲的全頻消聲器。

7、船用柴油機(jī)排氣消聲器擴(kuò)張比 m 的確定。

通常擴(kuò)張比m總是大于1的，而要取得明顯的效果，則m應(yīng)取大于5的數(shù)值。

TLmax=201gm-6;

式中TLmax為消聲器第一腔最大消聲量一般TLmax=12～18

設(shè)TLmax=18dB（A），令m=s21，則m=15.8≈16.

8、船用柴油機(jī)消聲器本體內(nèi)徑的確定

由■得，D= ■=4d

式中，d1為消聲器進(jìn)口內(nèi)徑。一般，m=5～16。

9、船用柴油機(jī)消聲器內(nèi)各腔連接方法的確定

消聲器內(nèi)各腔的長(zhǎng)度確定之后，只要流通面積一定，腔與腔之間用管子或管子開多孔連通，本質(zhì)上無(wú)多大差別。用管子連接時(shí)其插入管長(zhǎng)度選擇1/4L和1/2L，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，插入管長(zhǎng)度可比計(jì)算長(zhǎng)度減少（0.3～0.4）d，d為插入管子內(nèi)徑。

試驗(yàn)證明，中心對(duì)正插入管的插入深度越大，其阻力系數(shù)就越大，性能下降就越多。隨著兩插入管的接近，高速脈動(dòng)氣流越不能在消聲器中得到充分膨脹，排氣仍以脈動(dòng)形式從排氣管中排出，出入口處排氣產(chǎn)生的渦流越強(qiáng)，因而某些頻率便形成再生噪聲。因此，最好是采用錯(cuò)開式內(nèi)插管，它能避免簡(jiǎn)單膨脹腔出現(xiàn)通過(guò)頻率的缺點(diǎn)，又能使氣流在消聲器內(nèi)得到充分的膨脹，其消聲性能較好。

用多孔連通時(shí)，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需在隔板上沖出幾個(gè)小孔即可。但空腔不能被充分地隔開，不能充分發(fā)揮多腔的作用，還殘留著單個(gè)空腔的性能，空腔長(zhǎng)度在500～600 Hz范圍內(nèi)產(chǎn)生峰值，并使高頻的消聲效果變差。endprint

若保持排氣孔的總面積恒定不變，開一個(gè)孔、二個(gè)孔，三個(gè)孔或三個(gè)以上的孔相比較，因膨脹比m一定，所以消聲效果相差不大。但因孔徑越小，越能增加其聲能損失，從而減少了高頻成分，聽起來(lái)感覺柔和些。

10、船用柴油機(jī)消聲器排氣尾管和管徑的性能確定

尾管的長(zhǎng)度不是越長(zhǎng)越好。經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果證明，尾管在某長(zhǎng)度時(shí)能增加消聲器的消聲量，但繼續(xù)增長(zhǎng)尾管，達(dá)到某一值后，排氣噪聲反而增大，若再超過(guò)此長(zhǎng)度，又能增加消聲器的消聲效果。為了確定排氣消聲器排氣尾管的最佳長(zhǎng)度，最好用臺(tái)架試驗(yàn)確定。

消聲器內(nèi)空腔的最大衰減量為20lgm-6，所以尾管的直徑越小，擴(kuò)張比m越大，管壁處的聲能損失增加，就會(huì)使消聲器的消聲性能越好。由此可知，尾管的直徑在允許的范圍內(nèi)越小越好。但管徑越小，氣流速度越大，產(chǎn)生的氣流再生噪聲也越大，背壓增加，性能惡化。設(shè)計(jì)時(shí)必須注意此點(diǎn)。

一般來(lái)說(shuō)，為獲得良好的消聲效果，低速時(shí)應(yīng)采用細(xì)而長(zhǎng)的尾管，高速時(shí)應(yīng)采用粗而短的尾管。這尾管應(yīng)用于柴油機(jī)，效果更加顯著。也可以采用雙管排氣方式，單管時(shí)低速排氣，雙管時(shí)高速排氣，由蝶形閥控制。

11、船用柴油機(jī)消聲量在排氣系中安裝位置的確定

消聲器在排氣系中的安裝位置，對(duì)消聲效果也有較大影響，這是由于消聲器相對(duì)于排氣系內(nèi)最大壓力的位置對(duì)輻射噪聲有影響，而且抗性消聲器聲能的有效反射與消聲器的位置有很大關(guān)系。設(shè)消聲器的前管長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，消聲器的后管長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，從柴油機(jī)的排出口至消聲器尾管排出口的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則L= L1十消聲器本體長(zhǎng)度十L2。所以，消聲器的安裝位置一般推薦值如下：

L1/L=0～0.21; 0.37～0.47;0.6～0.72;0.85～0.94 ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

最不利的位置為：L1/L=0.21～0.37;0.47～0.6; 0.72～0.85;0、94～1.00，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定最佳安裝位置。

12、船用柴油機(jī)排氣消聲器有效容積的確定

消聲器的結(jié)構(gòu)確定之后，其容積大小的選擇也是很重要的。容積過(guò)小，往往導(dǎo)致柴油機(jī)功率損失過(guò)大，消聲效果下降;容積過(guò)大，雖有消聲量大、阻力損失小、對(duì)脈動(dòng)氣流的緩沖作用大等優(yōu)點(diǎn)，但也往往使安裝使用不便，而且造成材科浪費(fèi)。下面介紹估算消聲器容積V。的大小。

消聲器容積■（4）

式中，C——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，根據(jù)消聲器所要達(dá)到的指標(biāo)而定：

A 類消聲器 ? ?消聲量>10dB（A） ? C=2—3，

B 類消聲器 ? ?消聲量>15dB（A） ? C=4—5，

C 類消聲器 ? ?消聲量>20dB（A） ? C=7—8，

D 類消聲器 ? ?消聲量>25dB（A） ? C=10—13.

Ki——?dú)飧仔拚担?i——?dú)飧讛?shù);Kz——內(nèi)燃機(jī)沖程數(shù)修正系數(shù)，四沖程及Kz=1，二沖程及Kz=2;Kt——消聲器應(yīng)用于不同類型內(nèi)燃機(jī)的修正系數(shù)，非增壓柴油機(jī)，Kt =1，非增壓汽油機(jī)，Kt=0.98，增壓內(nèi)燃機(jī)，Kt=增壓比;Kn——內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速修正系數(shù).Kn=0.7—10-4nb（nb為標(biāo)定轉(zhuǎn)速）;■——內(nèi)燃機(jī)壓縮比修正系數(shù)，汽油機(jī)■，柴油機(jī)■ ;Vh——內(nèi)燃機(jī)排量，L。

對(duì)于排氣系統(tǒng)有兩個(gè)消聲器的V型內(nèi)燃機(jī)排氣缸用一個(gè)消聲器，每個(gè)消聲器的容積：■

當(dāng)V型內(nèi)燃機(jī)只有一個(gè)消聲器時(shí)，消聲器的容積：

■

13、船用柴油機(jī)排氣消聲器消聲量的確定

消聲器消聲量：■

式中：■，Li—消聲器各腔長(zhǎng)度，K—波數(shù)，m—擴(kuò)張比。

總之：擴(kuò)張比m增大，消聲器的消聲量也增大，此時(shí)需要縮小消聲器入口或者出口管的直徑，或者增大消聲器外殼的直徑。消聲器入口直徑不應(yīng)小于船用柴油機(jī)排氣歧管出口或排氣口的直徑，否則因排氣背壓增高，將使柴油機(jī)消聲器的功率損失增大，則同時(shí)也會(huì)使排氣流速增大，容易激發(fā)再噪聲，易影響到消聲器的實(shí)際消聲效果。消聲器出口直徑可以等于略小于入口直徑。消聲器外殼尺寸不能為了獲得大的消聲量而取得過(guò)大，因?yàn)橥鈿こ叽邕€要受到船體等條件的限制。

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[5] 林輝江，內(nèi)燃機(jī)排氣消聲器主要參數(shù)的選擇（二）《內(nèi)燃機(jī)》2001.5

（作者單位：江西省九江市船舶檢驗(yàn)局）endprint