автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка методики и инструментальных средств для прогнозирования структурного шума двигателя внутреннего сгорания

ЯКОВЕНКО Андрей Леонидович

На правах рукописи

СО-

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СТРУКТУРНОГО ШУМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 СЕН

Москва 2009

003477419

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете) на кафедре «Теплотехника и автотракторные двигатели».

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Шатров М.Г.

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Тольский В.Е.

кандидат технических наук, доцент Мягков Л.Л.

Ведущая организация - МГТУ «МАМИ».

Защита состоится " 20 " октября 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.04 ВАК Минобрнауки РФ при Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский пр-т, д. 64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан" 47- " СДЛ^ууО^^^уЭу. 2009 г.

Отзывы на автореферат просим представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, в адрес диссертационного совета.

Телефон для справок: (499) 155-93-24.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор У В.А. Максимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Интенсивный рост парка автотранспортных средств предопределяет усиление значимости проблемы шумового загрязнения среды обитания человека. Одним из наиболее активных источников шума автомобиля является двигатель внутреннего сгорания (ДВС), снижение акустического излучения которого невозможно без создания и применения эффективных методов моделирования процессов образования шума, реализуемых на основе современных информационных технологий.

Шум ДВС, с учетом специфики образования его отдельных составляющих, подразделяют на аэродинамический и структурный. Аэродинамический шум по своему уровню значительно превышает структурный. Однако задача его снижения в настоящее время успешно решается путем подбора объема и структуры глушителя.

Снижение структурного шума представляет собой более сложную задачу, что связано с необходимостью комплексного описания процессов различной физической природы. Поэтому в настоящее время основные усилия по снижению акустического излучения ДВС сконцентрированы именно в области моделирования и разработки практического инструментария, позволяющего при проектировании двигателя закладывать в его концепцию такие решения, которые обеспечат заданный уровень структурного шума. Естественно, что уменьшение акустического излучения ДВС нельзя рассматривать в отрыве от актуальных проблем снижения токсичности и улучшения экономичности двигателя.

Современные информационные технологии позволяют обеспечить реализацию разработанных методик моделирования шума двигателя в виде компонентов, входящих в единое информационное пространство (ЕИП) «ДВС». Его создание является важной задачей двигателестроения, решение которой позволяет разрабатывать конкурентоспособные образцы транспортных средств, существенно сокращая сроки их создания и обеспечивая соответствие все более высоким требованиям, предъявляемым к их качеству.

Цель работы. Разработка интегрированной методики и инструментальных средств для прогнозирования структурного шума ДВС и анализ влияния конструкции и режима работы на акустическое излучение ДВС.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе фундаментальных положений системного анализа, технической акустики, термодинамики. Реализация разработанных методик осуществлялась с использо-

ванием стандартных пакетов численного моделирования и инвариантных информационных средств, базирующихся на CALS-технологиях. Экспериментальные исследования осуществлялись на дизеле 8ЧН 12/13 с использованием типовых методик, принятых при анализе шума технических средств по ГОСТ Р 51402-99 (ИСО 3746-95). Сбор и последующая обработка звукового давления выполнялись с помощью микрофонов фирмы PCB Piezotronics и измерительно-вычислительного комплекса Pimento производства LMS.

Научная новизна

1. Разработана методика прогнозирования акустического излучения ДВС, объединяющая модели конструкции, рабочего цикла и источников структурного шума. Методика реализована в виде комплекса подсистем САПР «ДВС» с использованием современных информационных технологий.

2. Разработанный комплекс подсистем позволяет формировать отдельные сегменты ЕИП «ДВС» при моделировании конструкции кривошипно-шатунного (КШМ) и газораспределительного (МГР) механизмов ДВС, его рабочего процесса, образования структурного шума от рабочего процесса и перекладок поршней.

3. С использованием разработанного комплекса выполнен анализ влияния ряда компоновочных схем поршневых ДВС, изменения их конструктивных параметров и режима работы на излучаемый ими структурный шум.

4. Проведена экспериментальная оценка структурного шума двигателя 8ЧН 12/13. Анализ результатов расчетного и физического экспериментов подтвердил эффективность принятой методики моделирования и разработанного комплекса для прогнозирования структурного шума двигателя.

Практическая ценность. Разработанные подсистемы геометрического моделирования «КШМ», «МГР», а также подсистемы «Рабочий цикл» и «Структурный шум» позволяют на стадии проектирования ДВС осуществлять анализ влияния параметров конструкции и режима работы на структурный шум двигателя, а также на его мощностные и экономические показатели.

Подсистемы геометрического трехмерного моделирования «КШМ» и «МГР» позволяют на основе разработанных параметрических моделей формировать обобщенную модель двигателя, а также оперативно получать при заданном уровне детализации двух- и трехмерные модели отдельных деталей ДВС, а также его сборки. Данные модели позволяют определять массово-геометрические и инерционные параметры элементов двигателя, необходимые для расчета его ди-

намики и структурного шума, а также формировать конечно-элементные модели конструкции ДВС для оценки прочностных и динамических свойств.

Полученные экспериментальные результаты позволили оценить структурный шум перспективного дизеля 8ЧН 12/13 с наддувом экологического класса Евро-3.

Реализация работы. Разработанные в ходе выполнения диссертации подсистемы используются в научно-исследовательских и учебных целях на кафедре «Теплотехника и автотракторные двигатели» МАДИ (ГТУ).

Подсистемы геометрического моделирования «КШМ» и «МГР» применяются для визуализации конструктивных решений отдельных деталей, узлов и механизмов двигателя, их функционирования в процессе проектирования ДВС, а также для обеспечения учебного процесса как в составе интегрированного обучающего комплекса «ДВС», разрабатываемого на кафедре, так и в виде других дидактических средств.

Основные положения, выносимые на защиту;

• интегрированная методика прогнозирования структурного шума ДВС от рабочего процесса и перекладок поршней при изменении компоновки, параметров его конструкции, рабочего процесса и режима работы;

• разработанные компоненты, формирующие сегменты ЕИП «ДВС», реализованные в виде подсистем геометрического моделирования «КШМ» и «МГР», а также подсистем «Структурный шум» и «Рабочий цикл», обеспечивающие оценку структурного шума проектируемого двигателя;

• результаты расчетного исследования влияния компоновочных схем, параметров конструкции, рабочего процесса и режима работы ДВС на уровень структурного шума от реализации рабочего цикла и перекладок поршней;

• результаты расчетного и натурного экспериментов по определению уровня акустической мощности дизеля 8ЧН 12/13 по внешней скоростной характеристике.

Личный вклад автора:

• интегрированная методика моделирования спектров и общего уровня акустической мощности основных источников структурного шума ДВС;

• подсистемы геометрического моделирования «КШМ» и «МГР», разработанные с использованием инвариантных средств трехмерного моделирования и формирующие сегменты ЕИП «ДВС»;

• разработанный на основе современных информационных технологий комплекс, использующий при своей работе подсистемы геометрического моделирования

«КШМ», «МГР» и подсистемы «Рабочий цикл», «Структурный шум», обеспечивающий прогнозирование структурного шума ДВС при его проектировании;

• расчетные исследования влияния компоновки, ряда параметров конструкции, рабочего процесса и режима работы двигателя на уровень его структурного шума от рабочего процесса и перекладок поршней, выполненные с помощью разработанного комплекса;

• экспериментальные исследования акустического излучения двигателя 8ЧН12/13, подтвердившие эффективность реализованной методики прогнозирования структурного шума двигателя.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технических конференциях в МАДИ (ГТУ) (2007, 2009 гг.), ИМАШ РАН (2007 г.), МГТУ им. Н.Э. Баумана (2007 г.), г. Тольятти (2007 г.), МГИУ (2007 г.), ИЛУ РАН (2008 г.), ЮУрГУ (2008 г.) и экспонировались на выставках научных достижений МАДИ (ГТУ) (2006 г.) и «Образовательная среда-2008» на ВВЦ.

Публикации. Материалы исследований представлены в 11/ печатных работах, опубликованных в научных журналах, сборниках и материалах конференций (из них 1 в издании, рекомендованном ВАК РФ).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы 144 страницы, включая 97 рисунков, 6 фотографий и 11 таблиц. Библиография содержит 114 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен обзор состояния исследований в области структурного шума ДВС. В результате обоснована актуальность, сформулированы цель и задачи работы.

В свое время в области шума автомобиля и его ДВС был проведен значительный объем расчетно-экспериментальных исследований, результаты которых нашли отражение в большом количестве научных работ. Значительный вклад в разработку способов исследования и методов снижения шума и вибраций поршневых двигателей внесли В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, В.Е. Тольский, М.А. Разумовский, В.И. Зинченко, М.Г. Шатров, Н.И. Назаров, Т. Priede, N. Lalor, G. Thien, M. Heckl и др.

Выполненный анализ акустического излучения современного ДВС показал, что его уровень в основном определяет структурный шум, наиболее значимыми

источниками которого являются рабочий процесс и соударения в подвижных сочленениях: перекладки поршней, механизм газораспределения и др.

Рассмотренные вопросы формирования акустического баланса двигателя, позволили определить способы оценки акустической мощности основных источников структурного шума двигателя. Представлена физическая модель образования его структурного шума, которую целесообразно реализовать с учетом современных возможностей, используя спектральные методы. Обзор методов исследования структурного шума ДВС позволил оценить их преимущества и недостатки. С учетом этого для решения задач диссертации решено применить ЗО-модели конструкции, модель рабочего процесса, использующую законы тепловыделения характерные для дизеля, модель для описания структурного шума корпусных деталей ДВС в виде эквивалентной цилиндрической оболочки.

Концепция САЬБ-технологий предполагает формирование интегрированной информационной модели ДВС, которая составляет основу единого информационного пространства «ДВС». Информационная модель двигателя представляет собой массив данных, которые формируют соответствующие подсистемы САПР «ДВС».

Для описания конструкции ДВС применяются обобщенные параметрические модели, которые позволяют оперативно формировать геометрические образы деталей конкретного ДВС, используя только наиболее значимые конструктивные параметры и установленные функциональные связи между ними.

Обобщенные параметрические модели позволяют формализовать описание конструкции ДВС. Относительно высокие исходные затраты при разработке таких моделей компенсируются в последующем при формировании модели конкретного двигателя и оперативном внесении изменений при ее доработке. Такой подход обеспечивает также преемственность двух- и трехмерных моделей. На рис. 1 представлена последовательность формирования модели от параметрического эскиза двухмерной модели конструкции (а) до трехмерной модели (б, в).

Анализ уровней использования информационной модели, методов моделирования конструкции и расчета структурного шума двигателя, необходимых на разных стадиях его жизненного цикла, позволил выделить следующие характерные особенности их применения на разных этапах проектирования ДВС: • на этапе внешнего проектирования ДВС (при формировании его концепции) для описания конструкции двигателя применяются двухмерные параметрические модели. Их использование приемлемо в процессе вычислительного

эксперимента при анализе большого числа вариантов за ограниченный временной интервал. Однако их применение ограничено точностью получаемой информации. На данном этапе для оценки структурного шума двигателя применяются аналитические и эмпирические зависимости. Например, уровень структурного шума по внешней скоростной характеристике (ВСХ) может быть определен по формуле

где ЬРПх - уровень шума двигателя для заданного режима по ВСХ; £р„ - уровень шума ДВС на номинальном режиме; АЬРп - приращение уровня шума при варьировании частоты вращения коленчатого вала двигателя и; АЬР - величина изменения уровня шума при изменении среднего эффективного давленияре;

а - двухмерная; б, в- трехмерная • при внутреннем проектировании (конструктивной проработке ДВС) применение аналитических и эмпирических формул неприемлемо ввиду малой

точности получаемых результатов, что обусловлено минимальным количеством параметров двигателя, используемых при расчетах. В этом случае при моделировании конструкции ДВС следует применять трехмерные модели, обеспечивающие конечно- и гранично-элементный анализ.

Выделены следующие основные направления снижения структурного шума двигателя, которые необходимо обеспечить соответствующими инструментальными средствами:

• изменение конструкции двигателя (повышение жесткости корпусных деталей, а также снижение среднего по поверхности уровня колебательной скорости шумоизлучающих поверхностей нагруженных и ненагруженных деталей двигателя путем создания выпукло-вогнутых форм стенок, использование единого блока коренных опор и др.);

• формирование рабочего процесса (уменьшение его динамичности путем многофазного впрыскивания топлива с помощью аккумуляторных систем на основе электронного управления, перехода на альтернативные виды топлива: природный газ, диметиловый эфир и т.д.);

• применение специальных мероприятий, индивидуальных для каждого транспортного средства и дорожной машины, в составе которых работает ДВС (капотирование отдельных поверхностей, капсулирование двигателя и т.д.).

В результате выполненного анализа сформулированы задачи работы. Задачи работы

1. Формирование интегрированной методики для прогнозирования структурного шума двигателя на различных этапах его проектирования, включающей в себя модели конструкции КШМ и МГР, рабочего цикла и источников структурного шума ДВС.

2. Разработка подсистем геометрического моделирования «Кривошипно-шатунный механизм» и «Механизм газораспределения» на основе обобщенных параметрических моделей, реализуемых с помощью средств современных информационных технологий.

3. Разработка подсистемы «Структурный шум» для оценки структурного шума двигателя, генерируемого корпусными деталями.

4. Интеграция реализованных подсистем в состав САПР «ДВС».

5. Расчетное исследование влияния на структурный шум ДВС его компоновочных схем, параметров конструкции, рабочего процесса и режима работы.

6. Экспериментальное исследование структурного шума дизеля 8ЧН 12/13 с целью оценки эффективности разработанной методики расчета структурного шума.

Во второй главе описаны модели образования структурного шума ДВС от основных источников, которые были использованы при разработке подсистемы «Структурный шум».

Методики расчета структурного шума, генерируемого рабочим процессом и перекладками поршней, базируются на частотном методе и спектральных преобразованиях силового фактора. При этом силовой фактор и колебательные характеристики конструкции представляются как функции G(f) и Пф от частоты: G(j) - сформированный с помощью преобразований Фурье образ временной функции силового фактора, а Пф - образ временной функции переходного процесса в структуре двигателя, который возбуждается силовым импульсом.

Мощность акустического излучения от источников структурного шума ДВС на частоте kfi, может быть рассчитана следующим образом:

PwWo) = zsWo) -pcSR- v?(S)m, (1)

где 5Д - площадь наружных поверхностей двигателя; с - скорость звука в воздухе, м/с; р - плотность воздуха, кг/м3; рс - волновое сопротивление воздуха; ^e(S)Wo) - средний по наружной поверхности квадрат эффективной скорости

колебаний; zsftyo) - относительный коэффициент сопротивления излучению, нормированный по площади наружных поверхностей двигателя 5Д.

Задача расчета мощности акустического излучения по данной методике сводится к формированию методов определения составляющих (1).

Средний по наружной поверхности квадрат эффективной скорости колебаний рассчитывается по формуле

v.

■*.(kf0) = 6,63-10 пу(}2 -1--(2)

где п - частота вращения коленчатого вала; Мд- масса двигателя, - спектральная плотность силового фактора, возбуждающего конструкцию ДВС; - входное сопротивление конструкции двигателя; т](1ф>) - коэффициент неупругих потерь.

При расчете входного сопротивления конструкции была использована модель эквивалентной цилиндрической оболочки. Условием эквивалентности ДВС и оболочки является равенство их масс, площадей наружных поверхностей и длин.

Силовой фактор от рабочего процесса Рг для многоцилиндрового двигателя определяется по формуле

рт=рЛ')-Гц-1,

где Рт(0 - давление газа в цилиндре двигателя в функции времени V, Г1Х - площадь поперечного сечения цилиндра; г - количество цилиндров.

Спектральная плотность С^к/п) силового фактора 1\ записывается в виде:

2я

(3)

Рис. 2. Схема силового взаимодействия поршня и зеркала цилиндра при перекладке

Поскольку не существует методов аналитического описания характера протекания давления газов в цилиндре двигателя, то для спектрального преобразования давление газа задается в виде массива [рг(шО]> который может быть получен по результатам расчетов или экспериментально. Для расчета спектральной плотности Ст(к/() используется преобразование Фурье, которое хорошо формализовано.

При моделировании шума от перекладок поршней перемещение поршня при его перекладке структурно подразделяется на

несколько фаз (рис. 2), для каждой из которых проводится анализ протекания боковой силы N.

Силовой фактор Л^д, возникающий при перекладке поршня в процессе его движения, представляется как совокупность силы N и суммарного силового воздействия при ударе поршня о стенку цилиндра^:

Л^д = 0 при движении поршня от опорной стенки цилиндра к

противоположной; /д = ПРИ ударе поршня о стенку цилиндра; N;¡=N на всем остальном протяжении перекладки.

При моделировании спектральной плотности силового фактора Ыд учитывается свойство линейности спектрального преобразования

Силовое воздействие Хуа представляет собой многоимпульсное возбуждение структуры двигателя (в течение рабочего цикла в цилиндре происходит от 6 до 8 перекладок), спектральная плотность С х (к/0) которого постоянна во всем диа-

уд

пазоне частот. Подобная картина соответствует генератору «белого шума».

Основная доля звуковой энергии от перекладок поршней сосредоточена в диапазоне частот 20 </< 4000 Гц. Расчет параметров каждого импульса затруднен ввиду сложности определения параметров упругого взаимодействия цилиндра и поршня при ударе. Поэтому временная реализации силового воздействия Худ интерпретируется в виде спектральной плотности Ох (А/^) одиночного эквивалентного импульса.

Спектральная плотность импульса рассчитывается по формуле:

Суд(экв)(^/о) = ^уд(экв1 ' Д'экв ^ Х^ (№о) >

ТС-А/0-Д/экв 5Д

где ^Д(ЭК8) - амплитуда импульса; Д?экв - продолжительность импульса.

Амплитуда импульса определяется по выражению

УД А/

N

где N - количество соударений поршня с цилиндром в течение полного рабочего цикла двигателя; ууд. - скорость соударения поршня с цилиндром.

Длительность эквивалентного импульса Д/зкв рассчитывается путем нормирования величины спада характеристики Суфщ^о) на заданном уровне (обычно принимается 3 дБ).

Необходимость решения задачи прогнозирования структурного шума ДВС предопределила разработку комплекса, включающего следующие подсистемы САПР «ДВС»:

• «КШМ», «МГР» - для геометрического моделирования конструкции двигателя;

• «Рабочий цикл» - для формирования модели рабочего цикла дизеля;

• «Структурный шум» - для отображения процесса структурного шумоизлу-чения от рабочего процесса и соударений в механизмах ДВС.

Подсистема «Рабочий цикл» была сформирована на основе методики, предложенной на кафедре «Теплотехника и автотракторные двигатели» МАДИ (ГТУ). Она адаптирована для использования в составе комплекса.

Разработанные с применением системы трехмерного моделирования подсистемы геометрического моделирования «КШМ» и «МГР», использующие обобщенные параметрические модели конструкции двигателя, сформированы с учетом требований САЬБ-технологий.

Модели, полученные при работе подсистем моделирования «КШМ» и «МГР», используются многоаспектно:

• дня определения массово-геометрических параметров деталей и механизмов ДВС (масса, площадь боковой поверхности, длина двигателя и т.д.), которые в дальнейшем могут применяться при расчете динамики КШМ, структурного шума;

• для оценки корректности функционирования элемента при работе ДВС на основе анимации его конструкции, а также рассмотрения его с различных точек зрения или характерных разрезов;

• для формирования конечно-элементных моделей, на базе которых при инженерном анализе определяются прочностные и колебательные характеристики элементов ДВС.

В третьей главе представлены свойства ДВС - объектов исследования, методика, программы и результаты анализа влияния параметров конструкции и режима работы ДВС на уровень его структурного шума.

Объектами исследования (табл.) были выбраны двигатели 4ЧН 11/12,5, 4ЧН 11/12,5, 8ЧН 12/12 и 8ЧН 12/13.

Программа вычислительного эксперимента предусматривала исследование влияния компоновочных схем (линейной и К-образной) и количества цилиндров двигателей при варьировании параметрами их конструкции, а также режима работы на структурный шум и массово-геометрические параметры двигателей.

Основные параметры исследуемых двигателей

Объект 'ц Компо- Nг ном» ^ном. ¡Ук, Д 5", К к

исследования новка кВт мин"1 л мм мм

4ЧН 11/12,5 4 I 102 2400 4,75 110 125 1,136 0,276

6ЧН 11/12,5 6 Ь, V 153 2400 7,13 110 125 1,136 0,276

8ЧН 12/12 8 V 190 2600 10,85 120 120 1,000 0,275

8ЧН 12/13 8 V 280 1900 11,76 120 130 1,083 0,295

Для оценки влияния компоновки и количества цилиндров на структурный шум двигателей были сформированы модели 6-цилиндровых дизелей линейной и К-образной компоновочных схем, параметры рабочего процесса и конструк-

ции которых (за исключением определяемых изменением компоновки) соответствуют двигателю 4ЧН 11/12,5.

С использование разработанного комплекса расчетный эксперимент проводился в следующей последовательности:

• формирование массива информации об исследуемом ДВС;

• разработка трехмерных моделей ДВС в подсистемах «КШМ» и «МГР»;

• расчет рабочих циклов и получение индикаторных диаграмм в подсистеме «Рабочий цикл»;

• расчет структурного шума от рабочего процесса и перекладок поршней в подсистеме «Структурный шум».

Для двигателей 4ЧН 11/12,5 и 8ЧН 12/12 расчет индикаторной диаграммы выполнялся с использованием данных, полученных экспериментально. Точность результатов расчета диаграммы косвенно оценивалась по экономическим и мощностным параметрам (рис. 3). Результаты расчета общего уровня структурного шума от рабочего процесса и перекладок поршней указанных двигателей по внешней скоростной характеристике представлены на рис. 4. а)

М, Нм

480

440 • 400' 360 ■ 320 •

э..

г/кВт ч 260 -

250 • 240 • 230 ■ 220 ■

1 1 1 —п^А 1

/ 1 'Н 1

( / 1

1

<1

А у

1 3

/

А

? 1 и

1Т1 А

\

/V. кВт -120 -100 -80 -60 -40 -20

б)

м, Нм

850 800 750 700 650

г/кВтч 250 ■

240 •

230-

210 200

А—о—1 1

с -"К

1

А

1 А

г 1 [

1

кВт -200 -180 -160 -140 -120 -100

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400

1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600

Л,

МИН"'

—•— эксперимент —О— расчет Рис. 3. Сравнение экспериментальных и расчетных показателей ДВС:

а - 4ЧН 11/12,5; б - 8ЧН 12/12 Сравните расчетных и экспериментальных уровней структурного шума от

рабочего процесса дизеля 8ЧН 12/12 (рис. 5) показало, что предложенная методика обеспечивает удовлетворительную для технической акустики точность расчета.

б)

lp,ab 120 •

116.

112 •

! I 1 ji

г \ и

Т

1 ! !

1200 1400 1600 1SOO 2000 2200 2400 2600 МИН

1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 мин

1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 мин

Ррп Р пер РЕ

Рис. 4. Изменение уровня структурного шума источников структурного шума ДВС по внешней скоростной характеристике: а - 4ЧН 11/12,5(1); б - 8ЧН 12/12(К); в - 6ЧН 11/12,5(1); г - 6ЧН 11/12,5(У)

Lp, ДБ 116 114 112 110 108 106

__ -i / s__>A г ~ зЛ 1-

i -1- ■

1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 п, мин 1 - -о - L

Р р Р 3

Рис. 5. Экспериментальные и расчетные уровни структурного шума от рабочего процесса дизеля 8ЧН 12/12 по внешней скоростной характеристике

В качестве примера использования разработанной методики проведен вычислительный эксперимент по оценке влияния изменения коэффициента коротко-ходности К=&'В двигателя на его акустические показатели. Исследование проводилось на номинальном режиме работы ДВС при постоянном рабочем объеме ¡У/,-Анализ выполнялся дня двух вариантов: при постоянстве межцилиндрового рас-

стояния ом ц и, следовательно, неизменной длине двигателя и при постоянной толщине рубашки охлаждения между цилиндрами tBд.

При изменении коэффициента короткоходности К от 0,8 до 1,2 (рис. 6) и постоянстве межцилиндрового расстояния (ам ц = const) уровень звуковой мощности двигателей от рабочего процесса уменьшился на 1,1...2,3 дБ, а при постоянстве толщины рубашки охлаждения (tBa = const) снизился на 1,3...2,9 дБ.

Соответственно, уровень акустической мощности от перекладок поршней при ам ц = const увеличился на 0,1... 0,7 дБ, а в случае /в ц = const - незначительно изменился в пределах: -0,3...+0,4 дБ (двигателям линейной компоновки соответствуют отрицательные значения, К-образной - положительные). Суммарный уровень звуковой мощности Lp £ уменьшился на 0,1... 1,4 дБ в зависимости от компоновки ДВС и количества цилиндров, причем большими значениями обладают двигатели линейной компоновки, а меньшими - К-образной.

а)

'•рруДБ 120-

б) L

116 112 108 104

100 *)

122

I I

I 1

ГТГ^

1

0,8 0 дБ 9 1,0 1,1 1,2

Р пер1 120-

ДБ

116 -112 108104 -100 •

1 i 1 I

-у—

■ с lil

а

1 i _L i________

0,8 0,9 1,0 1,1 1,2

К

118

110.

—л—4ЧН 11/12,5(Ц —о—6ЧН 11/12.5(0 —6ЧН 11/12,5(1/) -л^8ЧН 12/12(V)

-а„ц=С0П5Л ---(,и=С0П^---

Рис. 6. Изменение уровня структурного шума ДВС при варьировании коэффициента короткоходности К: а - рабочий процесс; б - перекладки поршней; в - суммарный уровень от рабочего процесса и перекладок поршней 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 к

При увеличении К массово-геометрические параметры двигателей изменялись следующим образом:

• при постоянстве амц масса двигателей уменьшилась на 0,3...0,9%, площадь поверхности увеличилась на 0,3...2,4%, при этом наибольшие изменения обеих величин относятся к двигателям К-образной компоновки;

?-т-' i i

—

ttn i— i I

—t H

• в случае неизменности /ви масса двигателей уменьшилась на 5,1...6,0%, а площадь поверхности - на 3,9...7,7%, длина - на 5,8...8,4%, причем наибольшие изменения соответствуют двигателям линейной компоновки.

Анализ результатов выполненного расчетного эксперимента позволил определить факторы, влияющие на излучаемую акустическую мощность ДВС.

Основным фактором, вызывающим уменьшение уровга акустической мощности рабочего процесса, является изменение диаметра цилиндра, так как спектральная плотность силового возбуждения конструкции от реализации рабочего процесса в цилиндре двигателя пропорциональна площади поршня.

Постоянство межцилиндрового расстояния или толщины рубашки охлаждения между цтиндрами в процессе исследования не оказало существенного влияния на уровень структурного шума ДВС.

При варьировании коэффициента короткоходности К влияние изменения Д 5, Мдвс, ¿»'две, ¿две и спектральной плотности силового фактора О{к/о) взаимно компенсируется, поэтому уровень акустической мощности от перекладок поршней остается практически неизменным. Следует отметить, что с увеличением К при прочих равных условиях произошло незначительное уменьшение Ые и Мк.

^ ^~Рпер ^ ^"Яр.п 1=1

-6ЧН11/12,5(/_)---6ЧН11/12,5(У)

Рис. 7. Акустические показатели двигателей одинаковой размерности с разными компоновочными схемами

Влияние компоновочной схемы проанализировано на примере двигателей 6ЧН 11/12,5(1) и 6ЧН 11/12,5(К). Как видно из рис. 7, уровень структурного шума двигателя К-образной компоновки значительно выше, что может быть объяснено большей площадью его наружной поверхности и меньшей длиной при сравнимой массе (371,9 кг для ДВС линейной компоновки и 383 кг для V-

образной). По внешней скоростной характеристике уровень структурного шума Г-образного двигателя от рабочего процесса выше на 4,5...5,1 дБ, от перекладок - на 3,2 дБ, а суммарный уровень - на 3,7... 4,4 дБ.

Оценка влияния количества цилиндров на уровень шума произведена на примере двигателей 4ЧН 11/12,5 и 6ЧН 11/12,5(1). Анализ результатов сравнения их структурного шума по ВСХ (рис. 8) показал, что уровни структурного шума от рабочего процесса, перекладок поршней и суммарный уровень 6-цилиндрового двигателя больше на 3,2...3,5 дБ.

Факторами, обуславливающими более высокий уровень структурного шума двигателя 6ЧН 11/12,5(£), являются большие величины спектральной плотности силового фактора, которая пропорциональна количеству цилиндров, и площади наружной поверхности.

1.р, дБ

Р пер Р р.г РI

-4ЧН11/12,5(£.)---6ЧН11/12,5(/.)

Рис. 8. Акустические показатели двигателей одинаковой размерности и компоновочной схемы с разным количеством цилиндров

С использованием разработанного комплекса выполнен анализ влияния величины зазора Д между юбкой поришя и 1{шиндром на уровень структурного шума дизелей с различным количеством цилиндров от перекладок поршней для номинального режима работы дизелей при базовом К (рис. 9).

В результате при увеличении А от 0,06 мм до 0,14 мм уровень структурного шума возрастает на 4,7...4,9 дБ независимо от компоновочной схемы и количества цилиндров двигателя.

В четвертой главе приведены методика и результаты экспериментального определения звуковой мощности перспективного двигателя 8ЧН 12/13 экологического класса Евро-3 от основных источников структурного шума. Полученные ре-

зультаты эксперимента позволили оценить эффективность предложенной комплексной методики расчета структурного шума ДВС. £•„ , дБ

Р пер м

120 • 116 • 112 ■ 108 ■ 104

100

0,07 0,09 0,11 0,13 А, ММ

.....4ЧН 11/12,5(1.)----6ЧН 11/12,5(Ц---6ЧН 11/12,5(У)

-8ЧН 12/12(V) — - Д6ы

Рис. 9. Уровень структурного шума от перекладок поршней при изменении

зазора между юбкой поршня и цилиндром на номинальном режиме работы ДВС

Измерения спектров и уровней звуковой мощности были выполнены на моторном стенде AMO «ЗИЛ» по ГОСТ Р 51402-99 (ИСО 3746-95) с применением измерительно-вычислительного комплекса Pimento.

Измерения проводились на 6 режимах по внешней скоростной характеристике двигателя, включая частоты, соответствующие максимальному крутящему моменту (1640 Нм при 1300 мин1), минимальному удельному эффективному расходу топлива (208 г/кВт ч при 1100 мин"1) и номинальной мощности (280 кВт при 1900 мин"1). Результаты эксперимента показаны на рис. 10 и 11.

—о— 900 мин"1 —^ 1900 мин"1 Рис. 10. Спектры и общие уровни звуковой мощности дизеля 8ЧН 12/13 для

ряда режимов его работы

1-р, дБ 120118116114112-

110108-1

п, мин"

Рис. 11. Экспериментальные и расчетные суммарные уровни структурного шума (от рабочего процесса и перекладок поршней) дизеля 8ЧН 12/13 по внешней скоростной характеристике

Результаты расчетного и натурного экспериментов показали, что значения общих уровней звуковой мощности, определенные в третьоктавных частотных полосах спектра, для разных частот вращения коленчатого вала различаются в пределах от 0,8 до 2,0 дБ, что является удовлетворительным для технической акустики.

ВЫВОДЫ

1. Разработана интегрированная методика прогнозирования структурного шума ДВС, обеспечивающая формирование ряда компонентов единого информационного пространства «ДВС» и включающая модели конструкции, рабочего цикла и структурного шума ДВС. Разработанная методика позволяет значительно сократить временные затраты и повысить качество получаемой информации.

2. На основе предложенной методики с использованием современных информационных технологий разработаны подсистемы геометрического моделирования «КШМ» и «МГР», а также подсистемы «Структурный шум» и «Рабочий цикл», при реализации которых обеспечивается формирование компонентов сегмента «Виброакустика ДВС» единого информационного пространства «ДВС» и прогнозирование структурного шума двигателя.

3. Сравнительная оценка полученных экспериментальных и расчетных значений общего уровня структурного шума двигателя 8ЧН 12/13, а также уровня структурного шума от рабочего процесса двигателя 8ЧН 12/12 по внешней скоростной характеристике позволила сделать вывод, что использование ме-

тодики расчета структурного шума обеспечивает точность, приемлемую при выполнении акустических расчетов. Отклонение экспериментальных данных от расчетных для разных частот вращения коленчатого вала находится в приемлемых для технической акустики пределах 0.. .2 дБ.

4. Исследование влияния коэффициента короткоходности K=S/D в пределах от 0,8 до 1,2 на уровень структурного шума при постоянном рабочем объеме iVh, фиксации межцилиндрового расстояния амц или толщины рубашки охлаждения между соседними цилиндрами /в ц позволило сделать следующие выводы:

• основным фактором, вызывающим уменьшение уровня акустической мощности от рабочего процесса при увеличении К, является изменение диаметра цилиндра, так как его спектральная плотность пропорциональна площади поршня;

• при варьировании коэффициента короткоходности К влияние изменения при этом диаметра цилиндра Д хода поршня S, массы двигателя Мдвс, площади его поверхности Здвс, длины ¿две и спектральной плотности G(kfo) силового фактора взаимно компенсируется, поэтому уровень акустической мощности от перекладок поршней остается практически неизменным;

• влияние ам ц и /а ц на уровень акустической мощности как от рабочего процесса, так и от перекладок поршней в заданных пределах изменения К несущественно.

5. Исследование изменения массово-геометрических параметров двигателей при варьировании коэффициента короткоходности К показало, что с его увеличением происходит следующее:

• при постоянстве аи.ц масса дизелей уменьшилась на 0,3... 0,9%, площадь поверхности увеличилась на 0,3... 2,4%, при этом наибольшие изменения обеих величин относятся к двигателям К-образной компоновки. Например, для дизеля 8ЧН 12/12 масса уменьшилась на 4,6 кг (с 492,9 кг до 488,3 кг), а площадь увеличилась на 0,061 м2 (с 2,599 м2 до 2,660 м2);

• в случае постоянства /вц масса дизелей уменьшилась на 5,1...6,0%, а площадь поверхности - на 3,9...7,7%, длина - на 5,8...8,4%, причем наибольшие изменения соответствуют двигателям линейной компоновки. Так, масса дизеля 4ЧН 11/12,5 уменьшилась на 15,2 кг (с 286,2 кг до 271

кг), площадь поверхности - на 0,112 м2 (с 1,599 м2 до 1,487 м2), а длина -на 0,063 м (с 0,818 м до 0,755 м).

6. Выполнены исследования влияния компоновочной схемы и количества цилиндров двигателя на уровень его структурного шума по внешней скоростной характеристике, из результатов которых следует, что:

• уровень структурного шума F-образного двигателя 6ЧН 11/12,5 от рабочего процесса выше на 4,5...5,1 дБ, от перекладок - на 3,2 дБ, а суммарный уровень - на 3,7...4,4 дБ, чем двигателя 6ЧН 11/12,5 линейной компоновки. Причинами этого являются большая площадь наружной поверхности и меньшая длина F-образного двигателя;

• уровни структурного шума от рабочего процесса, перекладок поршней и суммарный уровень структурного шума 6-цшшндрового двигателя 6ЧН 11/12,5 на 3,2... 3,5 дБ больше, чем у 4-цилиндрового 4ЧН 11/12,5 из-за больших величин спектральной плотности силового фактора и площади поверхности дизеля.

7. С использованием разработанных подсистем и методики прогнозирования структурного шума показано, что величина зазора Д между юбкой поршня и стенкой цилиндра существенным образом влияет на уровень структурного шума от перекладок поршней. При увеличении Д от 0,06 мм до 0,14 мм уровень структурного шума на номинальном режиме работы возрастает на 4,7.. .4,9 дБ независимо от компоновочной схемы и количества цилиндров двигателя.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Шатров, М.Г. Методика и некоторые результаты расчета структурного шума двигателя внутреннего сгорания для формирования компонентов единого информационного пространства «ДВС» / М.Г. Шатров, A.JL Яковенко // Вестник МАДИ (ГТУ). - М.: МАДИ (ГТУ), 2009. - Вып. 1(16). - С. 10-18.

Статьи:

2. Яковенко, A.JI. Результаты расчета акустической мощности основных источников структурного шума ДВС с использованием компонентов единого информационного пространства «ДВС» / А.Л. Яковенко, М.Г. Шатров, На-биль Гадир // Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе: тез. докл. научно-технической конференции «4-е Луканинские чтения». - М.: МАДИ (ГТУ), 2009. - С. 102-104.

3. Яковенко, А.Л. Разработка трехмерных параметрических моделей элементов конструкции ДВС для решения задач виброакустики двигателя / А.Л. Яковенко, A.B. Мочапов, М.Г. Шатров // Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе: тез. докл. научно-технической конференции «4-е Луканинские чтения». - М.: МАДИ (ГТУ), 2009. - С. 85-87.

4. Шатров, М.Г. Исследование виброакустических характеристик ДВС при изменении его конструктивных параметров/ М.Г. Шатров, А.Л. Яковенко; под общ. ред. Н.Т. Берберовой // Морская техника и технология: Вестник АГТУ, №5 - Астрахань: АГТУ, 2008. - С. 98-103.

5. Шатров, М.Г. Особенности использования трехмерного моделирования для описания конструкции двигателя внутреннего сгорания / М.Г. Шатров, А.Л. Яковенко // Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM - 2008): тез. докл. 8-й международной конференции. - М.: Институт проблем управления РАН, 2008. - С. 31.

6. Шатров, М.Г. Особенности использования трехмерного моделирования д тя описания конструкции двигателя внутреннего сгорания / М.Г. Шатров, А.Л. Яковенко; под общ. ред. Е.И. Артамонова // Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM - 2008): материалы 8-й международной конференции. - М.: Институт проблем управления РАД 2008. - С. 45-48.

7. Яковенко, А.Л. Использование параметрических трехмерных моделей конструкции ДВС в качестве источника массово-габаритных характеристик при выполнении виброакусгических исследований / А.Л. Яковенко, М.Г. Шатров; под ред. Ю.В. Рождественского (отв. ред.) и др.// Многоцелевые гусеничные и колесные машины: актуальные проблемы и пути их решения: материалы Международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения М. Ф. Балжи (16-17 октября 2008 г.). - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. - С. 184-186.

8. Шатров, М.Г. Особенности использования компонентов единого информационного пространства ДВС для улучшения его акустических характеристик / М.Г. Шатров, А.Л. Яковенко, C.B. Вирановский; под ред. H.A. Иващенко и Л.В. Грехова // Международная конференция «Двигатель - 2007», посвященная 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана: сб. науч. тр. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - С. 241-246.

9. Шатров, М.Г. Проблемы формирования компонентов единого информационного пространства поршневых двигателей внутреннего сгорания для улучшения их акустических качеств на стадии проектирования с использованием современных информационных технологий / М.Г. Шатров, А.Л. Яковенко, C.B. Вирановский; под ред. A.B. Васильева // Первый международный экологический конгресс "Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов ELPIT 2007»: сб. науч. тр. - Тольятти: ТГУ, 2007. - С. 222-227.

Ю.Шатров, М.Г. Применение трехмерного моделирования для совершенствования виброакустических характеристик поршневых двигателей внутреннего сгорания / М.Г. Шатров, А.Л. Яковенко, C.B. Вирановский // Российский ав-топром: теоретические и прикладные проблемы механики и машиностроения.: тез. докл. всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. - М.: ИМАШ РАН, 2007. - С. 32.

11. Яковенко, А.Л. Применение системы трехмерного моделирования дня проработки конструкции двигателя внутреннего сгорания и его систем / А.Л. Яковенко // VII Международная научно-практическая конференция «Молодые ученые -промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию: проблемы и новые решения»: сб. науч. докл. - М.: МГИУ., 2007. - С. 609-612.

Подписано в печать 23 июня 2009 г.

Формат 60x90/16

Объём 1,0 п.л.

Тираж 100 экз.

Заказ № 110909235

Оттиражировано на ризографе в ООО «УниверПринт» ИНН/КПП 7728572912X772801001

Адрес: 119333, г. Москва, Университетский проспект, д. 6, кор. 3. Тел. 740-76-47, 989-15-83. http: // www. uni verprint. ru

Введение.

Глава 1. Обзор литературы. Постановка цели и задач работы.

1.1. Структура акустического излучения ДВС.

1.1.1. Аэррдинамическйшшум- двигателя-.

1.1.2. Структурный-шум двигателя.

1.2. Источники и механизм образования структурного шума ДВС

1.2.1. Структурный шум от колебаний двигателя на подвеске.

1.2.2. Структурный шум от колебаний наружных поверхностей.

1.2.3; Механизм образования'структурного шума ДВС.

1.3. Акустический баланс ДВС.

Г.4: Методы исследования структурного шума;ДВС.

1.5. Применение современных информационных технологий при выполнении виброакустических исследований ДВС.

1.5:1. Использование САЬ8-технологий в области виброакустики ДВС.

1.5.2. Состав и структура ЕИП «ДВС» .•. 21;

1.5.3. Моделирование конструкции, рабочего процесса и структурного шума ДВС на различных этапах его жизненного цикла.

1.5.4. Использование систем трехмерного моделирования и инженерного анализа для решения задач виброакустики две.;. 28;

1.6. Методы снижения структурного шума ДВС.

1.7. Цель и задачи работы.

Глава 2: Моделирование структурного шума и конструкции двигателя внутреннего сгорания.

2.1. Модель для расчета акустической мощности основных источников структурного шума ДВС.

2.2. Моделирование структурного шума от рабочего процесса.

2.3. Методика расчета структурного шума от перекладок поршней.

2.4. Интегрированная методика и инструментарий для прогнозирования структурного шума двигателя внутреннего сгорания.

2.4.1. Подсистемы геометрического моделирования «КШМ» и «МГР».

2.4.2. Подсистема «Рабочий цикл».

2.4.3. Подсистема «Структурный шум».:.

Глава 3. Расчетное исследование влияния параметров конструкции, рабочего процесса и режима работы двигателя на уровень его структурного шума.

3.1. Объекты исследования.

3.2. Программа исследования.

3.3. Результаты исследования.

3.4. Анализ результатов расчетного исследования.

3.4.1. Влияние частоты вращения коленчатого вала на уровень акустической мощности источников структурного шума

3.4.2. Влияние коэффициента короткоходности К на уровень структурного шума от рабочего процесса и перекладок поршней.

3.4.3. Влияние коэффициента короткоходности К на мощностные и экономические показатели двигателя.

3.4.4. Влияние наддува на уровень структурного шума ДВС. 3.4.5. Влияние компоновочной схемы и количества цилиндров на уровень структурного шума ДВС.

3.4.6. Влияние зазора между юбкой поршня и цилиндром на уровень структурного шума от перекладок поршней.

Глава 4. Экспериментальное определение уровня структурного шума

4.1. Цели исследования.

4.2. Методика определения акустической мощности дизеля

8ЧН 12/13 по внешней скоростной характеристике.

4.2.1. Экспериментальная установка и применяемое оборудование.

4.2.2. Обработка результатов измерения звукового давления.

Расчет акустической мощности.

4.3. Результаты экспериментального определения спектров и уровней звуковой мощности дизеля 8ЧН 12/13.

4.4. Расчет уровней звуковой мощности источников структурного шума дизеля 8ЧН 12/13 с использованием реализованной методики прогнозирования структурного шума.

Выводы.

Актуальность работы. Интенсивный рост парка автотранспортных средств предопределяет усиление значимости проблемы шумового загрязнения среды обитания человека. Одним из наиболее активных источников шума автомобиля является двигатель внутреннего сгорания (ДВС), снижение акустического излучения которого невозможно без создания и применения эффективных методов моделирования' процессов образования шума, реализуемых на основе современных информационных технологий.

Шум ДВС, с учетом специфики образования его отдельных составляющих, подразделяют на аэродинамический и структурный. Аэродинамический шум по своему уровню значительно превышает структурный. Однако задача его снижения в настоящее время успешно решается путем подбора объема и структуры глушителя.

Снижение структурного шума представляет собой более сложную задачу, что связано с необходимостью комплексного описания процессов различной, физической природы. Поэтому в настоящее время основные усилия по снижению акустического излучения ДВС сконцентрированы именно в области моделирования и разработки практического инструментария, позволяющего при проектировании двигателя закладывать в его концепцию такие решения, которые обеспечат заданный уровень структурного шума. Естественно, что уменьшение акустического излучения ДВС нельзя рассматривать в отрыве от актуальных проблем снижения токсичности и улучшения экономичности двигателя.

Современные информационные технологии позволяют обеспечить реализацию разработанных методик моделирования шума двигателя в виде компонентов, входящих в единое информационное пространство (ЕИП) «ДВС». Его создание является важной задачей двигателестроения, решение которой позволяет разрабатывать конкурентоспособные образцы транспортных средств, существенно сокращая сроки их создания'и обеспечивая соответствие все более высоким требованиям, предъявляемым к их качеству.

Цель работы. Разработка интегрированной методики и инструментальных средств для прогнозирования структурного шума ДВС и анализ влияния конструкции и режима работы на акустическое излучение ДВС.

Методы - исследования. Теоретические исследования проводились на основе фундаментальных положений системного анализа, технической акустики, термодинамики. Реализация разработанных методик осуществлялась с использованием стандартных пакетов численного моделирования и инвариантных информационных средств, базирующихся на CALS-технологиях. Экспериментальные исследования осуществлялись на дизеле 8ЧН 12/13 с использованием типовых методик, принятых при анализе шума технических средств по ГОСТ Р 51402-99 (ИСО 3746-95). Сбор и последующая обработка звукового давления-выполнялись с помощью микрофонов фирмы PCB Piezotronics и измерительно-вычислительного комплекса Pimento производства LMS.

Научная новизна

1. Разработана методика прогнозирования акустического-излучения ДВС, объединяющая модели конструкции, рабочего цикла и источников структурного шума. Методика реализована в виде комплекса подсистем САПР «ДВС» с использованием современных информационных технологий.

2. Разработанный комплекс- подсистем позволяет формировать отдельные сегменты ЕРШ «ДВС» при моделировании конструкции кривошип-но-шатунного (КШМ) и газораспределительного (МГР) механизмов ДВС, его рабочего процесса, образования-структурного шума от рабочего процесса и перекладок поршней.

3. С использованием разработанного комплекса выполнен анализ влияния ряда компонрвочных схем поршневых ДВС, изменения их конструктивных параметров и режима работы на излучаемый ими структурный шум.

4. Проведена экспериментальная оценка структурного шума двигателя 8ЧН 12/13. Анализ результатов расчетного и физического экспериментов подтвердил эффективность принятой методики моделирования и разработанного комплекса для прогнозирования структурного шума двигателя.

Практическая ценность. Разработанные подсистемы геометрического моделирования «КШМ», «МГР», а также подсистемы «Рабочий цикл» и «Структурный шум» позволяют на стадии проектирования ДВС осуществлять анализ влияния параметров конструкции и режима работы на структурный шум двигателя, а также на его мощностные и экономические показатели.

Подсистемы геометрического трехмерного моделирования «КШМ» и «МГР» позволяют на основе разработанных параметрических моделей формировать обобщенную модель двигателя, а также оперативно получать при заданном уровне детализации двух- и трехмерные модели отдельных деталей ДВС, а также его сборки. Данные модели позволяют определять массово-геометрические и инерционные.параметры элементов двигателя, необходимые для расчета его динамики и структурного шума, а также формировать конечно-элементные модели конструкции ДВС для оценки прочностных и динамических свойств.

Полученные экспериментальные результаты позволили оценить структурный шум перспективного дизеля 8ЧН 12/13 с наддувом экологического класса Евро-3.

Реализация работы. Разработанные в ходе выполнения диссертации подсистемы используются в научно-исследовательских и учебных целях на кафедре «Теплотехника и автотракторные двигатели» МАДИ (ГТУ).

Подсистемы геометрического моделирования «КШМ» и «МГР» применяются для визуализации конструктивных решений отдельных деталей, узлов и механизмов двигателя, их функционирования в процессе проектирования ДВС, а также для обеспечения учебного процесса как в составе интегрированного обучающего комплекса «ДВС», разрабатываемого на кафедре, так и в виде других дидактических средств.

Основные положения, выносимые на защиту: • интегрированная методика прогнозирования структурного шума ДВС от рабочего процесса и перекладок поршней при изменении компоновки, параметров его конструкции, рабочего процесса и режима работы;

• разработанные компоненты, формирующие сегменты ЕРШ «ДВС», реализованные в виде подсистем геометрического моделирования «КТТТМ» и «МГР», а также подсистем «Структурный шум» и «Рабочий цикл», обеспечивающие оценку структурного шума проектируемого двигателя;

•' результаты расчетного исследования влияния компоновочных схем, параметров конструкции, рабочего процесса и режима работы ДВС на уровень структурного шума от реализации рабочего цикла и перекладок поршней;

• результаты расчетного и натурного экспериментов по определению уровня ^ акустической мощности дизеля 8ЧН 12/13 по внешней скоростной-характеристике.

Личный вклад автора: интегрированная-методика- моделирования спектров и общего уровняаку-стической мощности основных источников структурного шума ДВС;

• подсистемы, геометрического моделирования «КШМ» и «МГР», разрабо танные с использованием инвариантных средств трехмерного моделирования и формирующие сегменты ЕИП «ДВС»;

• разработанный на основе современных информационных технологий, комплекс, использующий, при своей работе подсистемы геометрического моделирования «КШМ», «МГР» и подсистемы «Рабочий цикл», «Структурный шум», обеспечивающий прогнозирование структурного- шума ДВС при его проектировании;

• расчетные исследования влияния компоновки, ряда параметров конструкции, рабочего процесса и режима работы двигателя* на уровень его структурного шума от рабочего процесса и перекладок поршней, выполненные с помощью разработанного комплекса;

• экспериментальные исследования акустического излучения; двигателя 8ЧН12/13, подтвердившие эффективность реализованной методики прогнозирования структурного шума двигателя.

Апробация * работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технических конференциях в МАДИ (ГТУ) (2007, 2009 гг.), ИМАШ РАН (2007 г.), МГТУ им. Н.Э. Баумана (2007 г.), г. Тольятти (2007 г.), МГИУ (2007 г.), ИЛУ РАН (2008 г.), ЮУрГУ (2008 г.) и экспонировались на выставках научных достижений МАДИ (ГТУ) (2006 г.) и «Образовательная среда-2008» на ВВЦ.

Публикации. Материалы исследований представлены в 11 печатных работах, опубликованных в научных журналах, сборниках и материалах конференций (из них 1 в издании, рекомендованном ВАК РФ).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы 144 страницы, включая 97 рисунков, 6 фотографий и 11 таблиц. Библиография содержит 114 источников.

127 ВЫВОДЫ

1. Сформирована интегрированная методика прогнозирования структурного шума ДВС, обеспечивающая формирование ряда компонентов единого информационного пространства «ДВС» и включающая: модели конструкции, рабочего цикла и структурного шума ДВС. Интегрированная методика позволяет значительно сократить временные затраты и повысить, качество получаемой; информации.

2. На основе предложенной методики с использованием современных информационных технологий разработаны подсистемы геометрического > моделирования <<Ю11М>> и <<МЕР>>, а также подсистемы «Структурный шум» и «Рабочий цикл», при реализации которых обеспечивается формирование компонентов сегмента «Виброакутика ДВС» единого: информационного пространства «ДВС» и прогнозирование структурного шума двигателя.

3. Сравнительная оценка полученных экспериментальных и;расчетных значений общего уровня структурного шума двигателя 8ЧН 12/13, а также уровня структурного шума от рабочего процесса двигателя 8ЧН12/12 по внешней ; скоростной характеристике позволила сделать вывод, что использование интегрированной методики расчета структурного шума обеспечивает точность, приемлемую при выполнении акустических расчетов. Отклонение экспериментальных данных от расчетных находится в приемлемых для технической акустики пределах 0:. .2 дБ;

4. Исследование, влияния коэффициента короткоходности К^ЯЮ на уровень структурного шума; при постоянном рабочем объеме фиксации межцилиндрового расстояния аМ1, или толщины рубашки охлаждения между соседними цилиндрами позволило сделать следующие выводы:

• основным фактором, вызывающим . уменьшение уровня акустической мощности от рабочего процесса при увеличении К, является изменение диаметра цилиндра, так как спектральная плотность силового возбуждения конструкции от реализации рабочего процесса в цилиндре двигателя? пропорциональна площади поршня;

• при варьировании; коэффициента короткоходности К влияние изменения' при этом диаметра цилиндра-I), хода; поршня Б, массы двигателя-Мдвс, площади егошоверхности бдвсг Длины ¿две и спектральной плотности С(}ф)) силового фактора взаимно5 компенсируется, поэтому общий уровень акустической мощности- от перекладок поршней остается практически неизменным;

• влияние дм.ц и на уровень акустической мощности как от рабочего, процесса; так и от перекладок поршней; в заданных пределах изменения К несущественно.

5: Исследование изменения массово-геометрических; параметров .двигателей при. варьировании коэффициента короткоходности; К показало; что; с его увеличением-происходит следующее:

• при постоянстве амц масса дизелей уменьшилась на 0,3„.0;9%, площадь-• поверхности» увеличилась на 0,3. .2,4%,. при;; этом наибольшие, изменения обеих величин относятся к двигателям К-образнои компоновки. На' пример, для дизеля. 8ЧН 12/12 масса уменьшилась на 4,6 кг (с 492,9 кг до 488;3 кг), аплощадь увеличилась ¡на- 0;061 м2 (с 2,599 м2 до 2,660 м2);:

• в случае постоянства-/вц масса дизелейуменьшилась ,на-5Д .6,0%, а площадь поверхности - на 3,9.7,7%, длина - на 5,8.8,4%, причем.,наибольшие изменения соответствуют двигателям; линейной- компоновки.

Так, масса дизеля 4ЧН 11/12,5 уменьшилась на 15,2 кг (с 286,2 кг до

2 2 ' ^ 271 кг), площадь поверхности - на 0,112 м (с 1,599 м до 1,487 м?), а длина —на.0,063 м (с 0,818 м до 0,755 м). 6. Исследование влияния К на. параметры рабочего цикла показало, что с его ростом от 0;8 до 1,2, происходит ухудшение мощностных и экономических показателей^ что-, вызвано в основномфостом механических потерь, обусловленных увеличением средней скорости поршня.

7. Сравнение уровней структурного шума по ВСХ дизеля с наддувом (8ЧН 12/12) и без наддува (84 12/12) показало, что применение наддува приводит к снижению уровня его структурного шума по ВСХ на 1,1.2,5 дБ. С использованием наддува можно получить одинаковую мощность при меньшей частоте вращения коленчатого вала (то есть дефорсировать двигатель, по частоте вращения коленчатого вала и, таким образом, уменьшить шум от перекладок поршней и износ деталей), и общий уровень шума дизеля 8ЧН 12/12 будет ниже, чем у 84 12/12. Так, Ие= 163 кВт соответствует 2600 мин"1 для дизеля. 84 12/12 и 2000 мин"1 - для 8ЧН 12/12. При этом общий уровень структурного шума* дизеля с наддувом меньше на 4,5 дБ.

8. Выполнены исследования влияния компоновочной, схемы и количества цилиндров двигателя на уровень его структурного шума1 по ВСХ, из результатов которых следует, что: уровень структурного1 шума К-образного двигателя, 6ЧН-11/12,5 от рабочего процесса выше на 4,5.5,1 дБ, от перекладок — на 3,2 дБ,,а суммарный уровень - на З,7. .4,4 дБ; чем двигателя бЧН 11/12,5 линейной компоновки. Причинами, этого являются большая площадь наружной' поверхности и меньшая длина К-образного двигателя; • уровни структурного шума от рабочего процесса, перекладок поршней и суммарный уровень структурного шума 6-цилиндрового двигателя > 6ЧН 11/12,5 на 3,2.3,5 дБ больше, чем у 4-цилиндрового'4ЧН 11/12,5 из-за больших величин спектральной плотности силового фактора и площади поверхности.

9. С использованием разработанных подсистем и методики> прогнозирования структурного шума показано, что величина зазора А между юбкой поршня

1 и, стенкой цилиндра существенным образом влияет на уровень структурного шума от перекладок поршней. При увеличении А от 0,06 мм до ОД 4 мм уровень структурного шума на номинальном,режиме работы возрастает на 4,7.4,9 дБ независимо от компоновочной схемы и количества цилиндров двигателя. I N

130

1. Автоматизированное проектирование поршней // Автостр. за рубежом. — М., 1999. -№ 12.-С. 11-12.

2. Алексеев, И.В. Влияние способа компоновки двигателей автомобилей и тракторов на их акустические показатели / И.В. Алексеев // Снижение шума поршневых ДВС: сб. науч. тр. МАДИ М.: МАДИ, 1984. - С. 47-69.

3. Алексеев, И.В. Основы теории поршневых двигателей внутреннего сгорания с пониженными уровнями акустического излучения: дис. .д-ра техн. наук 05.04.02: защищена 17.06.1986 / Игорь Владимирович Алексеев; МАДИ (ГТУ). М., 1986. - 287 с.

4. Алексеев, И.В. Формирование требований к акустическим показателям автомобильных двигателей / И.В. Алексеев // Поршневые двигатели и топлива в XXI веке: сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ) М.: МАДИ (ГТУ), 2003. -С. 168-172.

5. Алексеев, И.В. Акустически идеальные циклы поршневых ДВС / И.В. Алексеев // Двигателестроение. № 7. - М.: Машиностроение, 1983. — С. 3-7.

6. Али Исса Харти. Моделирование виброакустических характеристик источников структурного шума от соударений между элементами ДВС. дис. . канд. техн. наук 05.04.02: защищена 18.05.2000 / Али Исса Хартии; МАДИ (ГТУ). М., 2000. - 257 е., ил.

7. Брилинг, Н.Р. Теория короткоходного двигателя / Н.Р. Брилинг // Труды лаборатории двигателей — М., 1957.

8. Галевко, В.В. Совершенствование акустических качеств, автомобильных V-образных дизелей: дис. .канд. техн. наук 05.04.02: защищена 18.01.1983 / Владимир Владимирович Галевко; МАДИ (ГТУ). М., 1983'. -256 с.

9. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов ДВС: учебник для вузов/ В.Н. Луканин, К.А. Морозов, A.C. Хачиян и др.; под ред. В.Н. Луканина. — 3-е изд, перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2007. 479!с.: ил.

10. Двигатели внутреннего? сгорания. В 3 кн. Кн. 2. Динамика и конструирование: учебник для вузов / В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др.; под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2007. - 400 е.: ил.

11. Ерещенко, В.Е. Разработка мероприятий по уменьшению шума топ-ливоподающей аппаратуры дизелей: дис. .канд. техн. наук 05.04.02: защищена 25.04.1991 / Виктор Евгеньевич Ерещенко; МАДИ (ГТУ). М., 1990.-144 с.

12. Ерещенко, В.Е. Спектральный анализ силовых факторов, возникающих в топливном насосе высокого давления / В.Е. Ерещенко, C.B. Антонов //

13. Рабочие процессы в ДВС и их агрегатах: сб. науч. тр. МАДИ. М.: МАДИ (ГТУ), 1987. - С. 210-214.

14. Мыльнев; В.Ф. Шум и, вибрации поршневых двигателей. Источники,методы исследования: учебное пособие / В.Ф. Мыльнев, А.Б: Гасанов.

15. Новочеркасск: Изд-во ЮРГТУ, 2000. 92 е., ил.

16. Разумовский, М.А. Прогнозирование шумовых характеристик поршневых

17. J двигателей / М.А. Разумовский. — Минск.: 'Изд-во «Вышэйшая школа»,1981.-39 с.

18. Руссинковский, B.C. Разработка метода расчета вибрации иструктурного шума корпусных деталей автомобильных дизелей: дис. . канд. техн. наук. 05.04.02: защищена 09.06.2005 / B.C. Руссинковский; МГТУ им. Н.Э: Баумана. М., 2005. - 182 с.

19. Системы проектирования, технологической, подготовки производства1 иf управления этапами жизненного цикла промышленного продукта

20. CAD/C AM/PDM 2008): материалы 8-й международной конференции; под5 ред. Е.И. Артамонова—М.: Институт проблем управления РАН, 2008.i