автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Исследование источников шума при процессе выпуска отработавших газов в поршневых двигателях внутреннего сгорания

(

г

государственный комитет ссср по народному образованию

московский ордена трудового красного знамени автомобильно-дорожный институт

"МОХАМЕД МУНЙР ЭЛЬ-САЙЕД ХАБИБА

На правах рукописи

УДК 621.43.065:534.8

ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ ШУМА ПРИ ПРОЦЕССЕ ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ В ПОРШЕВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

( Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1530

J

г "1

Работа выполнена на кафедре "Автотракторные двигатели" и в проблемной лаборатории транспортных двигателей Московского ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорокного института.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор В.Н. Луканин.

Консультант - кандидат технических наук,

доцент С.П. Егов.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Р.Н. Старобинский, кандидат технических наук, с.н.с. Н.С. Антонов.

Ведущая организация - ПО "Автозил" мы. Лихачева.

Защита состоится " " опрспя 1990 г. в"" " часы на заседании специализированного совета К 053.30.09 ВАК СССР по специальности 05.04.02 - Тепловые двигатели при Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорояном инсти- . туте по адресу: 125829, ГСП, Москва, А-319, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат просим присылать в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения.

Автореферат разослан 1126 и 1990 г.

Телефон для справок 155-03-28.

Ученый секретарь ' специализированного совета

канд.техн.наук, доцент Власов В.М.

J

Машбюро

1. Печатать техст и таблицы в рамку,

2. Коломияфры (страницы) - нечеткие печатать в правом углу, четные — в левом.

■ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

3.1!.-^'Актуальность проблемы. Научно-технический прогресс привел .^7Щ$дааобраэноыу увеличению числа источников различных шумов, интенсивности, расширении частотного диапазона и возрастанию времени их воздействия в условиях современного города и в производстве.

Шуи является составной частью окружающей человека природной среды и неразрывно связан о его жизнедеятельностью, сопровождает человека на протяжении всей его еизни, приводя к патологическим изменениям органов слуха. Именно поэтому появилась настоятельная необходимость борьбы с техническими ¡пумами, что является одним из аспектов защиты окружающей среды.

В настоящее время все развитые страны имеют нормативные требования к шуму транспортных средств, а также двигателей. Эти нормы согласуются с нормами международной организации по стандартизации и международной экономической комиссии, которые разрабатывают рекомендации и стандарты по методам измерения, оценни и нормирования пума. Законодательные нормы борьбы с шумом постоянно ужесточаются. Закон о контроле шума США первоначально определял максимальный допустимый уровень шума грузового автомобиля 86 дБА, в 1978 г. - 83 дБА и планирует довести ограничение до 80 дБА. Нормами, предусматриваемыми правилами ЕЭК ООН № 51 , а такхе ГОСТом 19358-85, устанавливается значительное снижение уровней шума транспортных средств, так, начиная с 1990 года вводятся ограничения 77...84 дБА в зависимости от типа транспортных средств.

Основной причиной повышенного шума транспортных средств является устанавливаемый на них поршневой двигатель внутреннего сгорания (ПДВС). Наиболее интенсивным источником шума ПДВС является процесс выпуска отрабогавших газов. Проблема решается постановкой глушителя. Разработка эффективного глушителя монет . быть успешво решена при знании источника шума. Существувцие . методы расчета источников■шума выпуска достаточно приблизительны и не учитывают конструктивных особенностей ПДВС.

Настоящая работа посвящена одному из самых мощных источников шума ПДВС - пума выпуска. Особенно велика интенсивность 'спектральных составляющих шума выпуска у рассматриваемых в

1_ \Л

данной работе поршневых двигателей внутреннего сгорания. Одна] теория, позволяющая на стадии проектирования двигателя определить интенсивность спектральных составлявших источника шума п] процессе выпуска отработавших газов, в настоящее время отсутс: вует. К сожадению, нет и систематизированных экспериментальны: данных, характеризующих процессы выпуска четырехтактных ПДВС. Результаты измерений, полученные рядом авторов, выбирались в звуковом позе произвольно, и поэтому такие результаты трудно < поставить.

Трудоемкость проведения акустических измерений, а также 1 обходиыость создания для этих целей стационарных помещений ил: открытых плочадок и оборудование их дорогостоящей измерительной аппаратурой или создание специальных стендов сдергивают ш следования в этом направлении.

В данное диссертационной работе рассматривается проблема разработки метода оценки по конструктивным и режимным параметрам двигателя уровня и частотного состава шума источника на в; пуске.

Цель работы. Разработка теоретической модели вумообразов ния при процессе выпуска, расчет степени влияния конструктивн: параметров двигателя на шумообразование на различных стадиях процесса выпуска, экспериментальная оценка шума выпуска и его составляющих, разработка метода расчета источника шума выпуск Объект исследования. Объектом исследования являлись двигатели КАМАЗ-740, ЗИЛ-645, ЗИ1-130, ЗМЗ-53, ВАЗ-2106, ВАЗ-210 Научная новизна. Разработана физико-математическая моде шумообразования при процессе выпуска. Подготовлено программно математическое обеспечение для расчетно-теоретяческого иссдед вания шумообрабования данного источника аэродинамического шум и оценки степени влияния на его параметры конструкции двигате и его элементов, а также режима работы. Установлено присутств нелинейных акустических колебаний при процессе выпуска и изие нение частотного состава вихревого шума по длине трубопровода Практическая ценность. Алгоритм и программа анализа на Э шумообразования при процессе выпуска позволяют снизить трудоз траты и время акустической доводки системы шумообразования, а также прогнозировать акустические показатели аэродинамически шума автомобиля на стадии его проектирования.

I? J ь

Машбюро

1. Печатать текст я таблицы в рамху.

2. Колонцифры (страницы) - нечетные печатать в врааом углу, четкие - ь левом.

Реализация результатов рабогы. Алгоритм и программа расчета шуыообразования при процессе выпуска использованы для.рас-1ета источников шума выпуска дизелей ЗИЛ. Рекомевдации, осно-занные на результатах расчетов по указанной программе, переданы ¡ля использования в Управление главного конструктора п/о АВТОЗИЛ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались ¡а аспирантских семинарах и заседаниях кафедры "Автотракторные [вигателя" МАДИ (1986, 1987, 1988), А5-Й научно-кегодической и щучно-исследовательской конференции МАДИ (1987 г.).

Публикации« По теме диссертации опубликованы 2 печатные )аботы.

Структура и объем рабогы. Диссертация состой из введения, [етырех глав,, выводов, списка литературы и прилокений; изложе-га на 162 страницах машинописного текста, содержит 2 таблицы и il иллюстрацию. Список использованной литературы включает 118 [аименований, в том числе 28 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлен обзор работ по исследованию 'сновных источников шума автотракторных двигателеЭ, методики X определения и путей снижения аэродинамического шума ПДВС. ри этом были использованы материалы работ, опубтакованных как ; ССР, так и за рубежом (Англия, Австрия, ФРГ, CEi, Япония).

Двигатель внутреннего сгорания является слоаным источником злучения звуковой энергии.

На основании аналитического обзора отмечается, что в пос-еднее время значительные успехи достигнуты в вопросах создания ысокозффективных методов снижения шума, излучаеиого колеблю-имися наружными поверхностями двигателя (структурного шума), сновными источниками структурного шума двигателя являются про-есс сгорания и механические шумы, возникающие пра соударениях еаду элементами двигателя, такими как кривошипно-аатунный КПШ), газораспределительный (ГРМ) механизмы и тошшво подающая ппарагура (ГПА).

В автотракторных двигателях, особенно в дизеипс, на малых средних частотах вращения коленчатого гсла двигаяеля в струк-урноы шуме двигателя преобладающим является шум о* рабочего-роцесса, а на высоких частотах доминирует механический шум • ИМ, ГРМ и ТПА.

. J L5 J

Мешбюро

1, Печатать тгхст в таблицы в рамку.

2, Копокию$ры (стрвкицы) - «ечеткыв печатать в правом утпу, четкие - в левом.

О П тя-[- I- е-nНП9 ГТТЛППИ« И ТÛJlbrn VPOMOfl лритаЧ.

Одним из все более иироко применяемых методов снижения структурного яума является капотирование двигателя, которое позволяет снизить механический шум на 7...12 дБ. Этот метод, несмотря на определенные неудобства в эксплуатации, необходимость увеличения системы охландения и достаточно высокую стоимость находит применение в городском транспорте и на двигателя коммунальных служб. При этом возникает проблема аэродинамического шума.

Анализ аэродинамических источников шунообразования акуси ческого излучения двигателя показал, чте отношения между ними по их интенсивности различны и зависят от типа двигателя, его конструктивных особенностей, а такяё от скоростного и нагрузочного режимов работы.

Анализ литературных источников показал, что наибольшие уровни аэродинамического шума двигателей характерны для таких источников, как системы выпуска и впуска и вентилятор, причем доминирующее положение в иумообразовании процессов газообмена занимает процесс выпуска. Этот источник аэродинамического шума, бесспорно, преобладает над всеми прочими, и он первый подвергся исследованию, однако до настоящего времени изучен недостаточно. Видимо, по этой причине создаваемые конструкции выпускных систем и глушителей не всегда обладают высокими заглушающими качествами. Качественная оценка интенсивности аэродинамического шума не вызывает разногласий, но в количественной оценке мнения авторов большинства работ расходятся.

Особый интерес представляет прогнозирование характеристш газодинамического шума для выпускных систем без заглушающих устройств, так как полученные при этом данные являются исходными для определения заглушающих характеристик систем выпуска при их разработке.

Анализ литературных источников показывает разнообразие подходов к источникам шума выпуска, но практически все считают, что он может быть рассмотрен с позиций линейной акустики.

Показано влияние системы заглушения на экономические,мощ-ностные и экологические показатели транспортного средства, где часто одна проблема решается за счет другой.

4

1_ J

Г "Л

На основании обзора сформулированы задачи настоящей

работы:

разработка физико-математической модели шумообразования при процессе выпуска;

разработка алгоритма и программы расчета акустических показателей аэродинамического шума при процессе выпуска и оценке влияния на них конструктивных параметров двигателя;

разработка методов снижения уровней шума при процессе выпуска, обеспечивающих полезный эффект снижения акустического излучения двигателя при допустимых экономических и мощностных потерях;

установление закономерности влияния'режимов работы двигателя на спектральный состав шума и его интенсивность;

разработка методов расчета спектра шума в источнике с целью получения надежных исходных данных при проектировании глушителя шума выпуска; •

совершенствование экспериментальных методик и разработка установок, в том числе безмоторных, позволяющих проводить акустические исследования при процессах газообмена ПДВС с регистрацией мощностных, экономических и акустических параметров с целью определения характеристик двигателя и выпускной системы, определяющих их акустические качества.

Во второй главе излагаются основы теории образования шума при процессе выпуска отработавших газов. Описано формирование источников шума при процессе выпуска.

Процесс выпуска и выталкивания отработавших газов в двигателе внутреннего сгорания происходит при изменении параметров рабочего тела. «

Первый период свободного выпуска " 11 начинается за 30...70° поворота коленчатого вала до НЙТ и характеризуется надкритическим истечением отработавших газов. Второй период свободного выпуска " оканчивается после НМТ. Истечение происходит при _уЗ ^-/З/Г/О«'Третий период выпуска отработавших газов - период выталкивания - происходит практически

при постоянном давлении в цилиндре (рис.1).

Четвертый и пятый этапы выпуска " ©V* " и а ГГ п происходят при открытии впускных клапанов , в период перекрытия;

-а

Маийюро

1, Печатать текст и таблицы в р&м»су.

2, Колонцифры (страницы) - нечетные печатать в правом у г/ту, четные — в левом,

3, Печатать с оаной стороны к только чеоко& л«гт©ь.

г

РисЛ. Индикаторная диаграмма с характерными участками шумообразования при выпуске отработавших газов

I-

Машбюро

1. Печатать текст и таблтщы в раыху.

2. Колонцифры (страницы) - нечетные печатать в правом углу, четные - в левом.

и

Первый этап начинается в момент открытия выпускного клапана, и процесс истечения происходит при параметрах газа Те и Ре , которые зависят от степени форсировки и некоторых конструктивных параметров двигателя. Давление в начале выхлопа обыг чно настолько значительно, что газы выходят с критической скоростью до тех пор, пока давление в цилиндре не понизится до

В начальный период выпуска ■" " при отрыве пограничного слоя газового потока струя распространяется в неподвижном газе, поток газа не занимает все критическое сечение ввиду сжатия струи, поэтому действительная скорость газа на коротком участке за клапанной целью может превышать скорость звука.

Вихревые зоны определяются спустя несколько миллисекунд после начала подъема, размер трехмерных вихревых зон в канале за клапаном зависит, как и при сингулярном отрыве, от продольного графика движения, складывающегося из факторов геометрической диффузорности ^ и гидродинамической нестационарности ^/о , что и объясняет факт уменьшения вихре-образовант о подъемом клапана; с другой стороны, при одинаковом подъеме клапана в ускоряющемся потоке газа размер вихревых зон меньше, чем при стационарном моделирующем течении, и еще заметнее, чем в замедляющемся потоке. Расходные характеристики выпускных клапанов при нестационарном течении именно поэтому оказываются выше полученных по результатам статической продувки.

Сложность задач, возникающих при изучении шума аэродинамического происхокдения, требует многосторонних исследований в граничных областях.

Используя пространственно-временные характеристики Бло-хинцева-Хоу для^вукового потока

*

где V - оСьеи, занимаемой турбулентной зоной смешения струи; £ - время;

7

L J I- -I

Маюбтор©

1. Печатать гесст и таблкиы в рамку.

2. Колокцифрм (страницы) - нечетные печатать ь правом угпу, четные - в левом.

1 п&чягргь г оаной стоп они и тогысо чермоЗ лепоСЬ

г ^ '

r*j*l - радиус, на котором производится данное исследование; Со - скорость звука в среде, получаем зависимость интенсивности шума от элементарного объема турбулентной струи: ,

,J U? / ЛРг)У IС fjv

cfr'tpfyvj Uc A "<ГХ

»

откуда на основании постоянной Лайгхилла определяется суммарная акустическая мощность элементарного объема:

где

О*/с<? ,

"¿J-

где - скорость конвекции турбулентных вихрей; ^ = ;

О -|характерный геометрический размер; )/&'*/г/* - интенсивность турбулентности;

- пульсационная скорость. Функция ^ ^/^//характеризует эффект усиления акустического излучения вследствие конвекции источников шума.

Максимум акустической мощности генерируется в зоне наибольшей активности турбулентности, где градиент средней скорости максимален.

Большая часть акустической энергии потока излучается на участке от седла клапана до сечения, удаленного на расстояние 10 диаметров горловины клапана. Примерно 65% суммарной акусти-

l8j

Млювуэро

1. Печатать текст и теблшш в рамху.

2. Колонцифры (страницы) - нечетные печатать в право« углу, четные - в левом.

3. Печатать с опной стороны и только чей*ой лмпоа.

'"ческой энергии струи излучается на начальном участке, где про-"1 извольный объем •, одна из геометрических составляющих которого равна диаметру тарелки клапана, излучает О,10...О,15 от акустической мощности струи.

Суныарная акустическая мощность вихревого шума определяется как

где

Спектральный состав вихревого шума газового потока определяется на основе теории случайных процессов^Суммарная интенсивность шума и спектральная плотность / связаны соот-

ношением

оо

о

Наиболее интенсивное излучение акустической энергии происходит на низких частотах, т.е. при малых числах Струхаля, а функция

¿^¿Ь]/с/1 ОДу/

показывает, что низкочастотное излучение происходит на больших расстояниях от клапана.

Рассмотрено влияние параметров рабочего процесса поршневого двигателя на формирование источников шума выпуска. В частности, указано влияние плотности газа на выпуске, противодавления среды, в которую происходит истечение, и температуры отработавшего газа на формирование источников шума. Особое влияние оказывает температура отработавших газов на местную скорость звука.

В третьей главе изложены методы измерения иума выпуска и результаты экспериментальных исследований шума.

I-

Машбюро

1. Печатать текст и таблицы в рамху.

2. Колокцпфры (страницы) - нечетные печатать а правом углу, четные - в левом.

3. Печатать с одной стороны и только чериоф л«тто4.

Рис. г;

Уровень вихревого шума при прохождении клапанной щели при различных высотах подъема клапана ^

Приводятся результаты исследований спектрального состава шума дизелей, карбюраторных двигателей, замеренных различными способами. Приводятся данные по измерениям акустической мощности в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя. Проведено исследование шума выпуска по углу поворота коленчатого вала двигателя (рис.2, 3). Безмоторные исследования пума при истечениеии газового потока через клапан при обеспечении надкритического истечения дали интересный материл для уточнения физической модели^

В четвертой главе приводятся результаты по расчетной

модели источника шума выпуска, который принимается как

»

где I%Сшг нум от импульсной составляющей; Ийг - шум от обтекания клапана;

- шуы от обтекания втулки клапана; №сга- шуы газовой струи.

Учитывая, что шум, генерируемый потоком при обтекании элементов клапана, в некоторых случаях достаточно значителен, он учитывается наравне с другими источниками:

•

В го не время учитывается и -комплексное излучение шума потоком, где проявляется характеристика шума источниками, имеющими различные характеристики: ыонополь, диполь, квадру-пояь.

.....- ___

Приведен расчет импульсной составляющей, с частотой следования импульсов

_ / _ . /7 .2

" зо?

Машбюро

1, Печатать теист к таблицы в ранку.

2, Коломшфры (страницы) - нечетные печатать в правом углу, четные — в левом..

3, Печатать с оциой стороны и толыю черной леятой.

г "1

где - частота вращения коленчатого вала;

1 - число цилиндров; t - тактность двигателя. Круговая частота основного тона

си = 27/ъ _____

Объемная скорость на выпуске моает быть представлена в виде гармонических составляющих

оо

_ У ft J =0.5 VcP Vm.y>n(iu}0t V- if)

где ]/cp - средняя объемная скорость;

\Zffif - амплитуда -Й гармонической составляющей; ^ - фазовый угол.

Т

Y-ro J°V(tJ № 1U!0tdt

& = 2/То / LUotdt

Звуковая мощность 2 -й импульсной составляющей равна

......

где 3(Г~ активная составляющая сопротивления излучению.

W3/» ... ^ - ^

где безразмерное сопротивление;

/С - ллои(Ях16.- поперечного сечения выпускного канала. Общая звуковая мощность низкочастотного излучения (рис.4) .

L.J ! LI3-J

г

^ Т 1 §111

/ 1 'У 1Д

¡11 1 / 1 * 1 У «'/ 1 /

/1

\0 1 р

1 > / / гчГ г

/ 1 1

1 \

Ш § « §

я г

* а *>>

а> а а: н о а> о а

Рн

«г Ч

I

I I

1

I

I

5?

§

м а о

Й -

я о « £

а

5 *

§>4

3 ^ я

о ••

я я

я а

к я я

о

ы о к

г

со

о ©

3

я и <о V о ев Р. и

(=с

я

о

со а а

я я л я .

К «о а » и к

Я Э" щ о

я

я о

о. я

о

Я <0

о я

К Рч

со а

о я • Рч

1_

у

I__I

машбюро

1. Печатать техст и таблицы в рамку,

2. Колонцифры (страницы) - нечеткие печатать в правом гтпу.

четные - в левом. Печатать с олиой стопоиы и тлпкт

г -"I

Верхний предел суммы, теоретически равный бесконечности, в настоящем случае следует ограничить частотой 500 Гц.

Значение Vm; можно определить разложением в ряд Фурье импульса объемного расхода отработавшего газа за выпускным клапаном или используя расчетную зависимость.

Рассмотрены вторичные источники шума, генерируемые системой "цилиндр - клапан" как резонансной системой, излучаемые поверхность») глушителя и труб и др.

Изложенный алгоритм реализован в программе, которая дана в приложении к диссертационной работе.

Основные результаты и выводы:

I. Анализ процессов образования шума на выпуске подтвердил, что его мощность зависит от конструктивных параметров двигателя и режимов его работы. Такая трактовка не является новой. Однако впервые отмечено значительное влияние вихревого шума струи на общий шум при процессе выпуска.

2. Формализованы физические предпосылки моделирования аэродинамического шума при процессе выпуска в поршневых двигателях внутреннего сгорания.

3. Уточнена физико-математическая модель шумообразования при процессе выпуска отработавших газов, на основании которой составлена программа анализа на ЭВМ акустических характеристик источника шума выпуска.

Проведен расчетный анализ акустических характеристик двигателя от шума выпуска, который показал, что источники, составляющие шум выпуска поршневого двигателя внутреннего сгорания без турбонаддува, могут дать суммарную составляющую 178 дБ. Экспериментальные, исследования подтвердили наличие суммарного источника шума выпуска 170 + 180 дБ.

5. Анализ процесса формирования шума выпуска показал, что интенсивность составляющих источника вихревого шума зависит от расстояния от седла клапана, и позволяет рекомендовать определенные средства заглушения.

6. Расчетные и экспериментальные данные позволяют получить

достоверные уровни моторных гармоник, которые следует учитывать в расчетах системы заглушения, вплоть до 19-ой.

х) Авторское свидетельство в процессе оформления.

Машбюро

1. Печатать текст и таблицы в ракху.

2. Колонцифры (страницы) - нечетные печатать в правом углу, четные — в левом.

3. Печатать с одной стороны и только черной лелтвв.

?. Проведена оценка степени влияния на акустическую мощность излучения системой выпуска конструктивных параметров двигателя и рехиыов работы двигателя.

8. На базе разработанной модели предлокен метод получения характеристики необходимого заглушения шума выпуска, который может быть использовав йля~конструкторских разработок систем выпуска и шуиоглушения.

9. Разработанная физико-математическая модель позволяет прогнозировать акустическую мощность системы выпуска и проводить расчетные эксперименты при отработке конструкции заглушающих систем ПДВС.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Ыунир Хабиба. Противодавление систем выпуска и топливная экономичность ДВС. Тезисы докл. на 45-й научно-технической конференции МАДИ. - М., 1988.

2. Нунир Хабиба, Ехов С.П. Методы расчета мощности акустического излучения в момент критического выпуска. Тезисы докл. на 46-й научно-технической конференции МАДИ. - М., 1989.

Л

А