拖拉机单缸柴油机原始噪声特性分析

李 威，武 佩

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

0 引言

21世纪以来，随着工农业的快速发展，我国柴油机保有量呈现持续增长态势。作为主要动力源，柴油机具有热效率高、能量利用率好、经济性能好等优点[1]，在工农业领域有着不可替代的作用。柴油机应用带来便利的同时，其噪声污染问题却一直困扰着人们，严重的噪声污染对工作人员的身心健康造成了很大危害。如果长时间处在较强烈的噪声下，工作人员会感到头晕目眩和心情烦躁，严重的可能会导致噪声性耳聋和冠心病等心脑血管疾病[2]。噪声污染问题已经成为影响人们生活和威胁身心健康的一大因素，噪声问题也成为目前热点性话题，对降低柴油机噪声的研究也一直是内燃机行业重要的研究课题。

随着技术的不断发展，为了追求更好的动力性，柴油机的功率不断提高，振动与噪声问题也相应更加突出[3]，政府出台了相关的噪声限制法规，对柴油机最高噪声的限制要求更加严苛。柴油机噪声源分为两类：表面辐射噪声和空气动力噪声。表面辐射噪声是由柴油发动机中的燃料猛烈燃烧以及相关运动部件之间的机械冲击引起的，经机体表面向外界辐射的噪声，主要包括燃烧噪声和机械噪声；空气动力性噪声主要包括进气噪声、排气噪声和风扇噪声，主要是柴油机在进、排气和风扇旋转时，由于空气不断压缩和膨胀而产生的噪声，这部分噪声可以直接辐射到周围的空气中[4]。相关研究表明，排气噪声是柴油机的主要噪声源，因此降低柴油机的排气噪声具有决定性的意义。在工程实际中，降低排气噪声简单有效的途径就是安装排气消声器[5]，消声器的研究和设计随着柴油机的广泛应用也在快速发展。

消声器的种类很多，根据消声原理和内部结构的不同，可将其大致分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合式消声器。由于抗性消声器具有低频降噪效果好、结构简单、空间利用率高、耐腐蚀、使用寿命高等优点，能很好适应柴油机排气的温度高、腐蚀性强的特点，而柴油机排气噪声频谱主要呈低频特性[6]，因此柴油机排气消声器通常选用抗性消声器。抗性消声器主要是通过管道内部结构的突变，使声波在传播时引起声阻抗的改变，引起声波在传播过程中方向不断变化，发生反射或干涉，消耗向外传播的声能，达到降低噪声的目的，不同柴油机的噪声频谱不同，选择合适的消声器首先要明确柴油机的原始噪声频率特性。

1 单缸柴油机原始噪声特性分析

1.1 单缸柴油机参数

针对江苏常工动力机械有限公司生产的CG25型单缸柴油机进行排气噪声研究和测试，此柴油机主要技术参数如表1所示。

表1 CG25单缸柴油机技术参数表

1.2 单缸柴油机排气噪声测试

测试过程严格遵循GB/T25516-2010/ISO7235：2003《声学管道消声器和风道末端单元的实验室测量方法—插入损失、气流噪声和全压损失》和GB/T4759-2009《内燃机排气消声器测量方法》的要求执行。

CG25型单缸柴油机原始排气噪声测试过程如下。

(1)试验场地选取内蒙古农业大学工科楼东侧停车场，确保测试过程周围10 m内无反射物，减小反射噪声对排气噪声测试值的影响，排气噪声测试值与背景噪声声压级之差大于15 dB以上。

(2)将柴油机放置于试验场地，拆除原装排气消声器，安装代替直管，代替直管的管径和长度与原机消声器相同。柴油机与代替直管中间放置隔声板，以减少柴油机其他零部件噪声对排气噪声测试值的影响。

(3)测点位置在与代替直管管口轴向成45°方向上，距离排气管口中心0.8 m处，采用BK2250型声级计记录排气噪声信号，该声级计可直接测得声压级，并且可以直接实现1/3倍频程频谱测试，存储数据简单方便，有利于做详细的噪声频谱分析。测试前用4231型校准器对该声级计做校准处理。将声级计放于测点，传声器朝向排气管口。

(4)启动CG25型单缸柴油机，稳定运转10 min后，使Victor 6236P型数字转速表前端转速传感器与柴油机飞轮中心同轴转动，改变调速器调速按钮位置控制柴油机转速，转速表显示的转速即为柴油机转速。柴油机转速分别在750 r·min-1、1 500 r·min-1、2 200 r·min-1下各运转5 min后，使用声级计记录该柴油机的排气噪声数据，进行两次试验，测量结果取平均值，测量时采样频率取5 000 Hz。

2 单缸柴油机消声频带分析

当柴油机汽缸在排气冲程阶段，排气门打开，汽缸中的压力高于大气压，并且高速高压的废气迅速从汽缸中排出，冲击排气门周围的气体，汽缸周围气体发生压力波动，产生排气压力脉动噪声。单缸柴油机的排气冲程都是按照发动机的配气相位周而复始运动，因此柴油机具有周期性的排气噪声，并且可以根据计算公式获得噪声的基频。计算公式为

f=nZ/60τ

式中：n为柴油机转速，单位r·min-1；Z为柴油机气缸数；τ为柴油机冲程系数。

由于柴油机通常在额定转速下工作，因此重点分析额定转速下排气噪声频谱，在额定转速下测得柴油机排气速度不超过34 m·s-1。

CG25型单缸柴油机额定转速n=2 200 r·min-1时，由公式计算得到此转速下排气噪声的基频f=18.33 Hz。额定转速2 200 r·min-1排气噪声频谱如图1所示，可以看出2 200 r·min-1转速下噪声的峰值为113.02 dB，对应的频率为118.8 Hz，因此额定转速下应当重点控制118.8 Hz处的噪声。

图1 额定转速2 200 r·min-1排气噪声频谱图

3 结论

CG25型单缸柴油机的排气噪声主要为低频段的噪声，排气噪声较高峰值主要集中500 Hz以内。此柴油机的目标消声频段为500 Hz以内的低频区，重点控制500 Hz以内的噪声，此柴油机应选择低频降噪效果好，结构简单，耐腐蚀强的抗性消声器，以有效降低噪声污染。