摘要:为了深入了解柴油机微粒过滤器的声学特性,揭示声波在微粒过滤器中的传播规律,在考虑微粒过滤器的结构尺寸对声波传播影响基础上,建立了柴油机微粒过滤器的声学模型,计算了微粒过滤器的插入损失和传递损失。在稳流试验台上进行了微粒过滤器的压力损失与流量测试试验,运用测得的数据计算了微粒过滤器的渗透率。同时在全消声实验室中测试了微粒过滤器的插入损失,将测试结果与计算结果进行对比,证明了声学模型的正确性。
关键词:柴油机微粒过滤器;压降;声学特性;插入损失;传播常数
中图分类号:ＴＫ411.12 文献标志码:Ａ
引言近年来随着人们环境保护意识的加强,内燃机排放法规越来越严格,到2007年按美国环境保护要求载重车的柴油机微粒(ＰＭ)排放量从现在的0.134ｇ/(ｋＷ·ｈ)减少到0.0134ｇ/(ｋＷ·ｈ)。欧洲和日本也将严格载重车的排放法规,大幅度降低柴油机微粒排放。为了满足如此严格的柴油机微粒排放法规,使用柴油机废气排放微粒过滤器是必不可少的。近年来有关柴油机微粒过滤器的文献很多,大部分都是关于微粒过滤器的材料、压降、再生、微粒减少和寿命等问题,对微粒过滤器的声学特性研究甚少,而过滤器在排气系统中的出现会对汽车的排气噪声产生很重要的影响,如何兼顾微粒过滤器的过滤性、消声性和经济性是优化设计微粒过滤器的关键。近年来利用废气过滤器减小排气噪声越来越引起广泛关注。
柴油机微粒过滤器是一种由带有许多蜂窝孔的陶瓷堇青石或碳化硅构成的蜂窝结构,排气首先从开口单元管的一端进入过滤器后被迫通过毛孔壁再从过滤器的后端排出。废气通过微粒过滤器后会使排气噪声发生较大变化,因此,对汽车研究者来说,一个固有的问题即声学特性问题是一个重大的挑战。尽管关于柴油机微粒过滤器的文献很多,然而,一个全面合理的反映过滤器声学性能预测与设计关系的文献仍然缺乏,因此研究声在微粒过滤器中的传播特性具有重大意义[1-5]。
1 均匀流的声学方程
在管道中,控制声波传播的基本方程是Ｎａｖｉ ｅｒ Ｓｔｏｋｅｓ方程、连续方程、能量方程和状态方程,假设在管道截面中流体速度均匀分布并忽略轴向温度和压力梯度,那么对于柴油机微粒过滤器中两个相邻管(如图1所示)中波动量的基本运动方程可以用ｅｘｐ(-ｉωｔ)表示为
1)动量方程
2 微粒过滤器压降测量与渗透率计算
为了计算微粒过滤器的插入损失需要确定过滤器的渗透率,而通过稳流试验测量微粒过滤器的压降和质量流量的方法可以计算渗透率,流过薄壁管的质量守恒方程可以表示为
ｖｍ(Ｌ·(2ａ+2ｂ))·2Ｎ=Ｑ(17)
式中:Ｎ为过滤器的单元管数目,用方程(5)和(17)可以计算ｖｍ和渗透率ｋｗ。压力损失试验和渗透率计算结果如图2和图3所示。
3 微粒过滤器插入损失测量
对于零温度梯度和恒定压力源,系统的插入损失可以表示为
ＩＬ=201ｇ｜ｐ1/ｐ2｜=ＳＰＬ1-ＳＰＬ2
通过测量未安装过滤器时系统的声压级ＳＰＬ1和安装过滤器时系统的声压级ＳＰＬ2可以很容易获得插入损失。插入损失试验是在常温下用洁净的微粒过滤器在全消声实验室中进行的。
图4是测量ＤＰＦ插入损失的试验装置图。用于试验的两个钢管的内径是140ｍｍ,长度是1.16ｍ,把一个扬声器安装在钢管的一端作为激励源,把麦克风安装在钢管的另一端,距离钢管2的端部1.44ｍ并与钢管同一高度,如图4所示。随机噪声发生器通过放大器使扬声器产生激励噪声,麦克风信号通过放大器放大,再经过模拟转换器转换成数字信号储存在Ｂ＆Ｋ信号分析仪中进行处理。在试验过程中采用相同的声源来激励安装过滤器和未安装过滤器两种情况,通过测量两种情况下的声压级可以得到ＤＰＦ的插入损失。理论计算和测量结果如图5所示,从图5可以看出,计算值与试验值很好吻合。另外,运用微粒过滤器的声学特性计算程序也计算了微粒过滤器的传递损失,得到的传递损失如图6所示。
4 结论
(1) 本文创建了微粒过滤器的传播常数和传递矩阵的计算模型,计算了插入损失和传递损失。测量了微粒过滤器的压力损失,计算了渗透率,获得了压力损失和渗透率的变化规律。为了测量柴油机微粒过滤器的插入损失,采用一种测量声压级的间接方法,测量结果表明,试验装置和试验方法简单易行,并可以较精确的确定ＤＰＦ的声学特性,多次试验结果表现出很好的一致性,理论计算结果与试验结果吻合很好,验证了理论分析的正确性。
(2) 该项研究为汽车排气系统柴油机微粒过滤器的声学特性预测提供了理论依据,所建立的声学模型可用于稳定流动流体在毛孔式吸声材料中的声波传播分析。
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