外文翻譯--內(nèi)燃機主動衰減排氣閥門設(shè)計 中文版

1、<p>　　內(nèi)燃機主動衰減排氣閥門設(shè)計</p><p>　　R. Boonen, P. Sas</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　能有效衰減內(nèi)燃機排氣噪聲的消聲器早就被發(fā)明了，這種消聲器主要是由連接緩沖容器的電動控制閥所組成。發(fā)動機的脈沖流在容器中得到緩沖且能持續(xù)控制閥門阻力盡讓少量的氣流進入空氣。這種氣流

2、沒有波動，因此幾乎不會產(chǎn)生噪聲。這種主動消聲器是由模擬電路實現(xiàn)的。首先，我們將通過對包括內(nèi)燃機和線性主動消聲器的模擬電路的研究來獲得消聲器與發(fā)動機之間的相互關(guān)聯(lián)。 然后，在單獨的電子模擬電路的基礎(chǔ)上建立詳細的閥門模型。它包括電氣，機械和執(zhí)行器閥門的氣流動態(tài)特性。然后模擬閥門執(zhí)行器來建立原型。主動消聲器已經(jīng)在低溫發(fā)動機模型下測試過了。其使用的壓縮氣體會使該裝置因氣流產(chǎn)生現(xiàn)實排氣噪聲。它不需要發(fā)動機和主動消聲器跟被動元件的預(yù)先連接，在非常低

3、的轉(zhuǎn)速下減輕脈沖。這是使用基于揚聲器作為主消聲器所不可能達到的效果。</p><p><b>　　1簡介</b></p><p>　　內(nèi)燃機在很多場合都有廣泛的應(yīng)用，其中在交通運輸方面所占份額最大。但與此同時，內(nèi)燃機在應(yīng)用過程中也造成了以一些問題，比如空氣污染和環(huán)境噪音。</p><p>　　在過去的幾十年，針對減少空氣污染，溫室效應(yīng)，噪聲污染

4、已經(jīng)有了嚴格的立法。今天，小型汽車的排放量限制在74分貝以內(nèi)，重型車輛的排放量限定在84分貝之內(nèi)。對于汽車，二氧化硫的排放量必須限制在190克/公里（歐盟第三至指令），并且這個數(shù)據(jù)會在2003年減少到170克/公里（歐IV） ，到2008年將會減小到140克/公里（歐盟五）.雖然這些數(shù)據(jù)乍一看沒有什么相關(guān)性，但他們確實對排氣系統(tǒng)的發(fā)展起著一定的影響指導(dǎo)作用。這個系統(tǒng)的發(fā)展方向是最小化被壓發(fā)動機，最大化發(fā)動機效率，而且要保證無噪音衰減性能

5、損失。當(dāng)下解決這個問題的最好辦法是發(fā)展主動排氣系統(tǒng)。</p><p>　　在近幾年工程師，科學(xué)家針對管道中的主動噪音消除進行了很多研究，也產(chǎn)生了很多專利。揚聲器系統(tǒng)被成功地應(yīng)用在通風(fēng)通道的商業(yè)領(lǐng)域。另外揚聲器系統(tǒng)還應(yīng)用到了固定的柴油發(fā)動機上。比如底特律柴油機公司和KEBA公司的AISM系統(tǒng)。在汽車上，有源音箱被開發(fā)應(yīng)用到六個或更多的氣缸發(fā)動機上。對于四缸發(fā)動機，揚聲系統(tǒng)的發(fā)動機在很極端的條件下排氣，這給系統(tǒng)帶來了

6、很多問題，比如說低噪音，效率和可靠性的問題。從概念上講，將可控閥應(yīng)用到排氣管上更加穩(wěn)健?？刂崎y門的元件可以比較小，而且控制嚴格精準(zhǔn)。它可以直接排放廢氣。閥門通過使用一個外部信號來實現(xiàn)阻力的無級變速。理論上講，閥門是純阻性的，它不可能從氣流中存儲能量。通過天然氣的流動，閥門產(chǎn)生的壓力下降。當(dāng)閥門的音速保持不變的時候，從而實現(xiàn)了主動消除噪音的效果。在圖一中，第一個圖形通過閥門的阻力特性反映了聲壓是如何影響流體流動的。第二個圖演示了如何通

7、過改變閥門的阻力使之下降從而產(chǎn)生相反方向的波動流。第三幅圖是將兩者的效果疊加在恒定流量上的結(jié)果?；谶@一理念，普瓦捷大學(xué)（一個執(zhí)法機關(guān)）正在研究開發(fā)噪聲衰減器。這項研究采用的是蝶閥在內(nèi)燃機試驗臺上的測試的方法。測試鉆</p><p>　　本文中所提到的致力于發(fā)展排氣消聲器的研究工作室以閥門的概念為基礎(chǔ)，它無需安裝消聲器和有源器件就可以用來處理發(fā)動機壓力排氣的聲音功率。產(chǎn)生的回壓要求比較低。繼有源器件之后，我們可

8、以安裝小的被動消聲器來衰減高頻噪聲。</p><p><b>　　2有源消聲器的發(fā)展</b></p><p><b>　　2.1原理</b></p><p>　　理論上來講，如果在源和閥門間沒有電容器元件而在速度源氣流中插入主動閥門，像內(nèi)燃機是沒有效果的。容器速度源強制將規(guī)定的氣流通過排氣系統(tǒng)，無論里面是否產(chǎn)生壓力。電容元

9、件可以使用管道或容器引入。當(dāng)閥門置入沒有適當(dāng)電容元件的引擎排氣管道時，會產(chǎn)生一個高背壓或僅低的衰減噪聲。</p><p>　　下圖2是使用控制閥門來控制容器速度源的最簡單系統(tǒng)。引擎作為容器速度源。在排氣中，包含電容C的容器和具有可變電阻R(t)的調(diào)節(jié)閥門相連。阻抗Z是尾管和露天散熱器的阻抗。從源來的氣流在電容C和依時電阻R(t)上發(fā)生分解?，F(xiàn)在，控制器必須使閥門阻力隨時間而變化，這樣使得通過阻力的波動氣流變?yōu)?。

10、</p><p>　　圖2 最簡單的在內(nèi)燃機，類似容器速度源上的主動控制閥方案</p><p>　　由電氣等效電路得到閥門電阻變化：</p><p><b>　　整理式(1)得：</b></p><p>　　通過閥門口得恒流為：</p><p>　　控制器按時間改變閥門阻力根據(jù)：</p>

11、;<p>　　其中R0是初始閥門阻力，同樣的結(jié)果可以通過在閥門后控制器最大限度減少壓力UZ實現(xiàn)。</p><p>　　這種簡單的考慮有兩個重要的后果。首先，通過平衡容器閥門組合，可以控制從任意容器速度源來的氣流。其次，只要電阻R(t)總是保持主動，R0可以任意選擇電阻R0可以得到優(yōu)化獲得最低的發(fā)動機回壓，來獲得高的發(fā)動機效率。</p><p>　　2.2 發(fā)動機和消聲器的電氣

12、等效模型</p><p>　　圖2中的簡單模型，看上去不是很現(xiàn)實的發(fā)動機排氣系統(tǒng)，因此該模型將擴大。容器速度源將由發(fā)動機模型代替，在發(fā)動機和主動消音器間連接風(fēng)管，在消聲器后連接尾管，由此而產(chǎn)生的電路圖如圖3。</p><p>　　電路的左邊部分是發(fā)動機模型。四個可變電容代替四個發(fā)動機氣瓶，其容積在最大和死體積間按正弦變化。開關(guān)電阻上部設(shè)置代替進氣門，下部設(shè)置代替排氣閥門。開關(guān)隨著凸輪軸起動

13、發(fā)動機閥門相同的順序驅(qū)動，排氣閥電阻后的四個短傳輸線代替汽缸導(dǎo)管與排氣直觀交界間的排氣導(dǎo)管。進氣端連接到電壓源代表大氣壓力相當(dāng)于100Kv。燃燒由脈沖電流源并聯(lián)電容的圓柱電容器充電來模擬。充電時間點對應(yīng)點火時間點。</p><p>　　右邊部分代表主動排氣系統(tǒng)。傳輸線T代表消聲器通過管子連接發(fā)動機。電容C代表緩沖區(qū)和控制閥可變電阻R(t)。傳輸線Tt代表尾管和連接Ra的電阻電感，La對應(yīng)球形散熱阻抗。在模擬中，同

14、位反饋控制器主導(dǎo)控制閥門阻力。這種控制器只需設(shè)置主動消聲器屬性。實際上，必須運用其他控制策略來處理閥門動作和錯誤傳感器影響間的時間延遲。</p><p>　　圖3裝有主動噪聲控制閥門的內(nèi)燃機電氣模擬電路</p><p>　　原則上來講，發(fā)動機的背壓通過選擇合適的緩沖空間電容器C設(shè)置在任何希望的閥門上。實際上，這將使主動消聲器可用空間和可接受背壓間妥協(xié)。</p><p&g

15、t;　　圖4 圖3電路中的模擬示意圖</p><p><b>　　2.3 模擬結(jié)果</b></p><p>　　在圖3的電路中，介紹了發(fā)動機參數(shù)為2000cm3的發(fā)動機。該管直徑60mm，發(fā)動機和消聲器間的管長500mm，尾管700mm長。背壓設(shè)置為10KPa，導(dǎo)致了12dm3的緩沖空間。初始執(zhí)行器閥門阻力設(shè)置為200k (1 =1 Pa s/m3)。反饋控制增益設(shè)置

16、為108。</p><p>　　圖4表示的是模擬的發(fā)動機指標(biāo)圖。其實，這個圖沒有物理意義，這是個“恒溫”模擬。僅在排氣閥開啟時間點的壓力必定有其正確值，即確定性的排氣噪聲。圖5顯示了尾管的排氣壓力?？刂破髟?.2s時激活，在0.2s激活控制器并不影響發(fā)動機中的氣流，如圖6中所示。發(fā)動機如容器速度源動作。在圖7中，表達了發(fā)動機的絕對背壓值。在瞬間接通控制器后，背壓回到預(yù)置值10kPa。</p><

17、;p>　　圖5 控制器在0.2s起動時的模擬尾管絕對壓力</p><p>　　圖6 模擬氣流通過排氣歧管</p><p>　　2.4 執(zhí)行器閥門電氣模擬模型</p><p>　　圖8展示了執(zhí)行器閥門的構(gòu)造，閥門有圓錐頭并由永久磁路中的音圈驅(qū)動。閥門能按照頭位移單調(diào)增加閥門阻力。這種阻力顯示在圖10中。這對于如阻力特征按照位置角度變的蝴蝶閥是一種優(yōu)勢。</

18、p><p>　　圖7 模擬發(fā)動機絕對背壓</p><p>　　圖8 音圈驅(qū)動執(zhí)行閥方案</p><p>　　圖9 圖10中音圈驅(qū)動執(zhí)行器閥門詳細電氣模擬電路</p><p>　　圖9表示了圖8中執(zhí)行器閥門的電氣模擬電路，該電路是閥門構(gòu)造的典型。另一中構(gòu)造，例如蝴蝶閥，會產(chǎn)生完全不同的電氣模擬電路。</p><p>　　電路

19、的左邊部分由音圈電阻R組成。轉(zhuǎn)化器Km通過永久磁電路中的音圈將當(dāng)前值轉(zhuǎn)換為力，力表現(xiàn)為閥體的大規(guī)模m移動，即電機線圈和閥門頭。閥體由旋轉(zhuǎn)彈簧k暫停和阻尼器d抑制。阻尼器可以在磁路中構(gòu)造成短路線圈。作為機械“電壓”時，閥門頭速度x將出現(xiàn)。閥門頭的氣流阻力取決于閥門頭位移，因此，必須將速度整合。整合由受控電流源G執(zhí)行，它的電流與應(yīng)用速度成比例。整合的閥門表現(xiàn)為電壓與電容比值為1.電壓源Xmax對應(yīng)零點和閥門關(guān)閉位置的距離。零位是懸掛彈簧施加

20、零力量的位置。通過確定閥門Xmax，可以考慮懸掛彈簧預(yù)緊力。當(dāng)?shù)竭_閉合位置時，開關(guān)sw關(guān)閉，整合停止。當(dāng)開關(guān)激活時，電阻1M使電流平滑。但其值相當(dāng)大卻不能扭轉(zhuǎn)整合。壓力源B在Vs中使用位移x和容器速度來產(chǎn)生壓降p[8]。這導(dǎo)致壓力通過口區(qū)S對閥頭施加力。這個力通過回轉(zhuǎn)1/s反饋給機械電路。</p><p><b>　　2.5 模擬結(jié)果</b></p><p>　　為了

21、模擬閥門，緩沖容量電容器必須和輸入節(jié)點并聯(lián)接入動態(tài)氣流側(cè)。發(fā)動機作為源將由容器速度源代替，來節(jié)省計算量。容器速度源也要與輸入節(jié)點并聯(lián)。該源產(chǎn)生對應(yīng)發(fā)動機排氣的氣流，如圖6所示。在電氣節(jié)點連接了一個比例反饋控制器。這個控制器產(chǎn)生與作為錯誤信號的氣流Vs交流部分成比例的電流。</p><p>　　執(zhí)行器閥門組件的值為：R = 4 , Km = 16 N/A, m = 96 · 10?3 kg, k =<

22、;/p><p>　　12 · 103 N/m, d = 125 Ns/m and S = 916 · 10?6 m2.圖11表示模擬氣流通過尾管。控制器在2s激活，該非線阻力并不明顯影響衰減性能。閥頭位移在圖12中。頭和口間的距離大概1.5mm，波動控制在0.4mm數(shù)量，這些都是設(shè)計語音線圈和磁鐵的寶貴數(shù)據(jù)。</p><p>　　通過語音線圈的電流表示在圖13中。閥門用來補

23、償背壓消耗的電力相關(guān)數(shù)量在78W。聲音本身的衰減僅需要5W電。如有需要，4.4A直流電不斷電力的結(jié)果可以靠與電機并聯(lián)的應(yīng)力彈簧來補償。這就減少了78W的電力到理論上的零。</p><p>　　圖10 執(zhí)行器閥門氣流阻力按照錐頭閥門閥頭位移變化</p><p>　　圖11 氣流脈沖通過尾管時的衰減，控制器在2s起動</p><p>　　圖12 執(zhí)行器閥頭位移，控制器在

24、2s起動</p><p>　　圖13 電流通過執(zhí)行器閥門聲音線圈，控制器在2s起動</p><p><b>　　3 實驗結(jié)果</b></p><p>　　3.1 冷發(fā)動機模擬器</p><p>　　主動消聲器的發(fā)展已經(jīng)開發(fā)出冷發(fā)動機模擬器。該設(shè)備使用壓縮空氣產(chǎn)生現(xiàn)實排氣噪音并允許進行新排氣系統(tǒng)概念的聲學(xué)和流體動力學(xué)實驗，

25、而不采取防范環(huán)境熱和腐蝕直接在內(nèi)燃機上進行。</p><p>　　發(fā)動機的排氣噪聲是在排氣循環(huán)時產(chǎn)生的。當(dāng)排氣閥打開時，膨脹周期末端的殘余壓力排出到排氣歧管壓力水平。然后，殘余的氣體由活塞清除。術(shù)語“排污”和“位移”用來表示排氣循環(huán)的這兩個階段。排污階段相對于整個排氣階段來說持續(xù)時間很短且和排氣噪聲負責(zé)。通常情況下，排氣周期從下死點前曲柄角40o～60O開始。直到下死點，氣體由汽缸和排氣歧管間的壓力差排出。汽缸體

26、積的變化在活塞運動的下死點仍然很小，約10%到15%。對排氣閥門阻力而言，排氣脈沖可以近似為一個常數(shù)排放量。位移只要發(fā)生在大氣水平且于排氣閥門在上死點關(guān)閉時結(jié)束。相對于排污階段位移階段產(chǎn)生的噪聲可以忽略不計。冷發(fā)動機模擬器將僅產(chǎn)生排污壓力脈沖。</p><p>　　圖14 冷發(fā)動機模擬器工作流程</p><p>　　圖15 冷發(fā)動機模擬器配備的主動排氣消聲器</p><

27、p><b>　　3.2 工作原理</b></p><p>　　冷發(fā)動機模擬器工作流程如圖14所示。它是由活塞固定在下死點的普通發(fā)動機塊組成。其進氣口將通過擴展容器和減壓閥連接到傳統(tǒng)加壓送風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。提供的壓力與在發(fā)動機擴張周期結(jié)束排氣閥打開時間點的殘余壓力相對應(yīng)。發(fā)動機缸體的凸輪機構(gòu)由電機驅(qū)動，其速度可在頻率轉(zhuǎn)換器設(shè)置。在進氣時，汽缸接收進氣歧管壓力水平。當(dāng)出口閥打開時，汽缸和壓力脈沖進入

28、排氣管放電。這種放電對應(yīng)發(fā)動機排氣循環(huán)的排污階段。這些從模擬器來的壓力脈沖展現(xiàn)類似常規(guī)內(nèi)燃機的行為。研究中所提出的冷發(fā)動機模擬器已經(jīng)用大眾1600cm3發(fā)動機建立。</p><p>　　為了證明冷發(fā)動機模擬器聲學(xué)特征相當(dāng)于這些常規(guī)發(fā)動機，對其聲阻抗和源譜進行了比較。同時，電氣模擬電路也將以確定聲阻抗和源頻譜來驗證。</p><p>　　圖16 冷發(fā)動機模擬器的排氣聲阻抗</p>

29、<p>　　圖17 開動冷發(fā)動機模擬器的排氣聲阻抗</p><p>　　圖18 圖3電氣模擬電路發(fā)動機部分的排氣聲阻抗模擬</p><p>　　圖19 冷發(fā)動機模擬器排氣排氣聲源頻譜</p><p>　　圖20 開動內(nèi)燃機模擬器排氣排氣聲源頻譜</p><p>　　圖21 圖3電氣模擬電路發(fā)動機部分的排氣源頻譜模擬</p&

30、gt;<p><b>　　3.3 排氣聲阻抗</b></p><p>　　圖17和16本的聲學(xué)阻抗在發(fā)動機排氣管。聲學(xué)阻抗測量按照ISO/金融衍生工具10543-2程序[9]。該方法使用轉(zhuǎn)移功能定位在兩個麥克風(fēng)之間連接到發(fā)動機排氣波導(dǎo)。從這個傳遞函數(shù)，聲阻抗的計算后產(chǎn)生的反射系數(shù)從實測傳遞函數(shù)。為了防止發(fā)動機擾亂反射系數(shù)的測量過程中，發(fā)動機與電動馬達運行和進是密封的。圖16給出

31、了聲阻抗冷發(fā)動機模擬器，在1000轉(zhuǎn)運行。該參考阻抗（0分貝）對應(yīng)連接波導(dǎo)特性阻抗Z0=347 K表。該中心提出了聲學(xué)測量阻抗一747立方厘米雷諾引擎。在圖18，模擬的聲阻抗發(fā)動機零件圖中的線性化電路三是提出。線性化的含義是：（1）開關(guān)不操作，即三個開關(guān)總是打開和關(guān)閉;（2）氣瓶電容器固定與活塞的量在中間位置。這三個阻抗曲線是相似的。該-20分貝/段以下的第一線，是反共振決定由氣缸和多方面的音量。在反共振本身就是亥姆霍茲共振圓柱體體積之

32、間，在空氣質(zhì)量多方面的。所有后續(xù)的內(nèi)部共振多方面的共鳴。該階段的聲學(xué)即阻抗范圍介于- 90度和90澳，之間的電容和電感的阻抗范圍。</p><p><b>　　3.4 排氣源頻譜</b></p><p>　　圖19和20本的聲壓譜測量管道內(nèi)的流形路口背后冰冷的發(fā)動機模擬器和運作內(nèi)燃機分別。圖21展示聲壓譜在多方面的模擬模擬電路的電氣連接提出圖3。在絕對水平上的依賴氣缸

33、壓力排氣閥開啟時間點和汽缸容積，排氣閥門的阻力和連接的阻抗。壓力-20 dB的衰減水平在高頻率/十年。最后，該冷發(fā)動機模擬器展品相同的行為作為一個真正的引擎聲就現(xiàn)象。</p><p><b>　　3.5 主動消聲器</b></p><p>　　一個活躍的消音器，閥門執(zhí)行器的基礎(chǔ)上發(fā)展在上一節(jié)中，已建成和測試。一個寒冷的發(fā)動機模擬器的照片配備的有源消聲器中顯示的數(shù)字14

34、。兩種類型的控制器進行測試，即一個X -LMS自適應(yīng)前饋控制和反饋控制器前饋控制器在商業(yè)可在Digisonix。反饋控制器在研究開發(fā)項目和實施在模擬電子硬件。參考文獻[10]如何提供更多的信息反饋控制器發(fā)達。反饋的帶寬控制器是100赫茲。這兩種控制算法也有類似的表現(xiàn)。所提出的結(jié)果獲得使用反饋控制。</p><p><b>　　3.6 衰減性能</b></p><p>

35、　　圖22顯示了。在排氣開放時間點汽缸壓力為400kPa,控制器在0.6s起動。低頻脈沖從排氣噪聲中消去。控制器開關(guān)時尾管壓力譜如圖23。消聲器可以減輕非常低頻率的噪音，這在揚聲器系統(tǒng)是極難使用的。脈沖頻率為10Hz(300rpm)。控制開與關(guān)SPL降低到13dBL,而后值4dBA。</p><p>　　圖22 啟動控制器時的尾管壓力</p><p>　　圖23 反饋控制開關(guān)聲學(xué)尾管壓力頻

36、譜</p><p>　　圖24 電流通過執(zhí)行器閥門聲音線圈，控制器在0.15s起動</p><p>　　圖25 發(fā)動機背壓從17kPa降到2kPa時尾管的RSM壓力</p><p><b>　　3.7 電能消耗</b></p><p>　　在圖24日，通過的電流測量執(zhí)行器的閥門音圈同時激活控制器的顯示。該控制器始于0.1

37、5秒該語音線圈電阻為3.6。相關(guān)的功率消耗，減輕閥門排氣噪聲值約4.5條，這是與模擬電源一致的。3.8 發(fā)動機背壓</p><p>　　圖25中，平均背壓對發(fā)動機排氣顯示。背壓為衡量利用壓電電阻傳感器，并通過一個過濾1 Hz的二階低通濾波器。背壓從17千帕下降到2千帕在測量過程中通過減少通過執(zhí)行器的直流電流閥門音圈。同時，聲壓在尾管水平進行監(jiān)測。如式（4）各國，聲音衰減性能是獨立的反壓，只要初步阻力R0的仍然不

38、夠高，這樣的總電阻R（噸）不會成為負數(shù)。通過通過執(zhí)行器閥門降低直流電流音圈，初步阻力降低。一旦低于10千帕的反壓匯，住宅（t）應(yīng)該成為負，這是身體不可能的。隨著因此，噪聲衰減能力大大下降。后面的10千帕的壓力值對應(yīng)于是消聲器的價值開發(fā)。原則上，可以盡量減少背壓為每個額外的發(fā)動機工作點控制器，以獲得最大的發(fā)動機效率。4 結(jié)論</p><p>　　一種內(nèi)燃機排氣消聲活躍噪音發(fā)達，使用帶有緩沖液執(zhí)行器閥門，有能力削弱

39、對低頻分量排氣噪音不預(yù)連接被動沉默。該研究項目負責(zé)人以下結(jié)論：1。任何排氣從往復(fù)式發(fā)動機噪音可以通過平衡緩沖衰減量與發(fā)動機背壓。背壓可以選擇，然后緩沖量可確定（或反之亦然）。2。一種電子模擬電路模擬，提出內(nèi)燃機上的有源消聲器。聲阻抗和源頻譜模擬引擎的類似的這些真正的引擎。3、執(zhí)行器閥門本身是模擬使用電氣模擬電路，其中，電氣，機械和流體動力學(xué)特性模型化的細節(jié)。從這些結(jié)果，原型執(zhí)行器閥門可以構(gòu)造。4、冷機模擬器研制的生成實際使用壓