Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ существующих способов снижения уровня шума выпуска и методов расчёта и глушения. постановка задачи исследования 8
1.1. Влияние шума выпуска на общий уровень шума двигателя 8
1.2. Существующие теории возникновения шума в процессе выпуска 9
1.3. Способы снижения шума выпуска и устройства для их осуществления . 15
1.4. Методы акустического расчёта глушителей . 23
1.5. Обоснование выбора темы исследования и постановка задачи 32
Глава 2. Растётно-экспериштальное исследование шум00ера30вания и глушения в выпускной системе ДВС 34
2.1. Шумообразование при выпуске 34
2.2. Расчётно-экспериментальное исследование мероприятий по снижению уровня шума в выпускной системе . 66
Глава 3. Применение полученных результатов по расчёту глушения для проектирова ния рациональной выпускной системы двигателя 6чн 13/11,5 (СМД-72) і 95
3.1. Расчет выпускной системы двигателя СВД-72 с высокочастотными глушителями, встроенными в выпускные коллекторы 95
3.2. Рациональная конструкция выпускной системы с высокочастотными глушителями для каждого цилиндра 149
Выводы 152
Литература 153
- Влияние шума выпуска на общий уровень шума двигателя
- Способы снижения шума выпуска и устройства для их осуществления
- Шумообразование при выпуске
- Расчет выпускной системы двигателя СВД-72 с высокочастотными глушителями, встроенными в выпускные коллекторы
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС и последующих Пленумов ЦК предусматриваются серьезные меры по повышению производительности труда во всех областях народного хозяйства, в частности в сельскохозяйственном производстве, на транспорте и других /I/. Повышение производительности труда является основой роста благосостояния советского народа, улучшения условий жизни трудящихся и укрепления экономической мощи страны. Т.к. в течение ближайших лет практически не возможно увеличение числа работающих в народном хозяйстве, то повышение производительности труда является основой для дальнейшего роста производства всех отраслей народного хозяйства.
Конкретная задача поставлена перед тракторным и сельскохозяйственным машиностроением: повысить технический уровень и качество выпускаемой для сельского хозяйства продукции, с тем, чтобы добиться ее конкурентоспособности на мировом рынке. По условиям труда механизаторов и по воздействию на окружающую среду выпускаемые отечественными заводами тракторы, комбайны и другие сельхозмашины не должны уступать лучшим зарубежным образцам. В частности уровень шума на рабочем месте механизатора не должен превышать 85 дЕА, т.е. величины, определяемой санитарными нормами.
Значительный резерв повышения технического уровня двигателей в направлении снижения их общего шума имеется в совершенствовании выпускных систем. Уменьшение уровня шума выпуска способствует существенному повышению производительности труда /64/. В то же время, потери мощности на заглушающие устройства должны быть минимальными.
Совершенствованию глушителей шума выпуска и методов рас-
чета шума выпуска уделяется серьезное внимание с самого начала серийного производства двигателей внутреннего сгорания.Однако, несмотря на длительные и многочисленные исследования по этому вопросу, в настоящее время существует большое количество расчетных методов, рекомендаций и типов глушителей шума выпуска, причем точность расчетов глушителей по большинству известных методов не достаточна для проектирования глушителя без последущих доводочных работ. Наиболее распространенные методы расчета в настоящее время: I/ расчет по формулам для расширительной и резонаторной камеры; 2/ расчет активных глушителей по формуле А.И.Белова или по усовершенствованной методике, описанной в работе /19/; 3/ расчет по методу электроакустической аналогии с использованием одномерной модели выпускной системы.
Совершенный: метод расчета глушителей предложен в настоящее время Р.Н.Старобинским. В этом методе принята трехмерная модель выпускной системы, отдельные элементы системы рассматриваются как волноводы, а для расчета снижения уровня шума также используется электроакустическая аналогия.
Вопросам шушобразования и расчета исходного спектра шума выпуска уделялось меньше внимания, однако и по этим вопросам имеется ряд работ /15/, /21/, /33/, /34/, /39/, где описываются источники шума при выпуске и различные модели процесса излучения звука из выпускной системы. В большинстве из перечисленных работ в качестве модели источника шума принят точечный источник типа "монополь", расположенный на открытом конце выпускной трубы. Точность расчета уровня и спектра шума выпуска для такой модели, особенно в диапазоне высоких частот, недостаточна. Кроме того, такая модель не учитывает нелинейные эффекты в выпускной системе и не повволяет определить пути
уменьшения шумообразования при выпуске. В то же время, в выпускной системе, вследствие истечения с высокой скоростью струи газов из клапана, возникают модулированные по частоте и амплитуде звуковые колебания. Природа колебаний, возбуждаемых струей газа, описана в работе Лайтхилла /35/. Поскольку колебания имеют конечную амплитуду, то, согласно /25/, в выпускной системе происходит акустическое детектирование, т.е. выделение гармонических составляющих низкочастотного колебания, модулирущего излучаемое струей газа высокочастотное колебание. Как показали исследования автора, учет амплитуды звукового давления детектированного колебания позволяет более точно рассчитать уровень шума выпуска, чем это позволяет сделать расчет только для источника типа "монополь". Кроме того, такой подход позволяет наметить путь уменьшения шумообразования при выпуске: уменьшить амплитуду колебания несущей частоты и парциальные коэффициенты модуляции. Для этого достаточно:
Уменьшить скорость истечения струи газа в свободное пространство выпускного канала;
Уменьшить амплитуду высокочастотного колебания,создаваемого струей газа в момент наибольшей скорости струи, для чего установить на каждый цилиндр двигателя высокочастотный глушитель.
Для расчета выпускных систем с такими глушителями применялся метод электро-акустической аналогии с использованием одномерной модели выпускной системы, в которой отрезки труб представлялись как двухполюсники. Такой способ расчета получается проще, чем способ с использованием модели в виде четырехполюсника.
Кроме того, для большинства частот элементы выпускной системы нет необходимости представ-
лять как волноводы, а можно рассматривать как трубы, т.е. применять одномерную модель.
Экспериментальные исследования подтвердили адекватность разработанной модели новообразования реальным процессам, происходящим в выпускной системе в течение такта выпуска.
В соответствии с результатами проведенных расчетных и экспериментальных исследований даны рекомендации по совершенствованию выпускных систем двигателей СЗД, в частности, внедрена в производство эффективная конструкция глушителя, защищенная авторским свидетельством СССР № 878983 /7/.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:
новая модель процесса и методика расчета шумообразова-ния, основанная на анализе термодинамических процессов в выпускной системе двигателя, учитывающая явление акустического детектирования;
методика расчета акустического сопротивления элементов выпускной системы, учитывающая отношения длины элемента к длине волны звука;
рекомендации по совершенствованию выпускных систем дизелей СЩ.
Работа выполнена в Головном специализированном конструкторском бюро по двигателям средней мощности, г. Харьков.
Влияние шума выпуска на общий уровень шума двигателя
Двигатель внутреннего сгорания содержит ряд систем, узлов и агрегатов, которые при работе являются источниками шума различного характера и интенсивности. В частности, кривошипно-ша-тунный механизм и клапанный механизм газораспределения - источники механического шума, а системы впуска и выпуска - источники аэродинамического шума. Для большинства современных быстроходных двигателей уровень механического шума значительно (на 20...30 дБ) ниже уровня аэродинамического шума /31/, /39/,/59/, причем из аэродинамических источников особенно интенсивным является выпускная система. По данным Хекла /59/, шум всасывания на 10 дБ ниже шума выпуска. В.Н.Луканин /39/ приводит данные по источникам шума для двигателей ЯМЗ-236, ЗИЯ-І30 и Д-37М, причем уровень шума выпуска указан на расстоянии 5 м от двигателя. Пересчитанный для расстояния 0,25 м от среза выпускной трубы уровень шума двигателя ЯМЗ-236 составляет 136 дБ, а двигателя ЗИЛ-І30-І30 дБ. В то же время шум всасывания составляет соответственно 122 и 116 дБ, шум процесса сгорания НО и 104 дБ, шум вентилятора 104 дБ. Аналогичное соотношение уровней механического шума и шума выпуска имеется для исследованных автором двигателей 4Ч:.- : 12/14, 6ЧН 13/11,5 и 8ЧН 13/11,5 в различных модификациях (СВД-І4, СЭДЦ-17, СЩ-20, СВД-72, СЩ-80).
Уровень шума выпуска для указанных двигателей находится в пределах 116... 126 дБА, а уровень механического шума - в пре делах 96...103 дБ.
Таким образом, выпускная система большинства современных двигателей является источником наиболее интенсивного шума и в значительной мере определяет общий уровень шума двигателя. Б связи с этим, выпускная система нуждается в применении различных способов и устройств, снижающих уровень шума выпуска. При этом, однако, не должны существенно ухудшаться мощностно-эко-номические показатели двигателя. Т.е. в решении задачи по снижению шума двигателя вопрос снижения шума выпуска является наиболее важным.
Для создания эффективной системы снижения шума выпуска необходимо иметь правильное описание процессов, происходящих при выпуске и приводящих к возникновению шума.
Вопросам шумообразования при выпуске уделяется внимание с самого начала массового производства двигателей внутреннего сгорания. Однако несмотря на большое количество исследований в этой области, единой теории, удовлетворительно описывающей шумообразование в процессе выпуска, нет. Ряд авторов /21/, /33/, /49/, /55/ считает, что шум выпуска является результатом истечения из открытого конца выпускной трубы пульсирующего потока газа. Расчет уровня шума выпуска для такой модели процесса шумообразования производится в зависимости от величины и формы импульсов давления в выпускной трубе, а также с учетом объемной скорости газа.
В частности, расчет уровня шума выпуска по методу Клуге /24/ сводится к определению по эмпирической формуле зависимости звукового давления от параметров газа в выпускном коллек торе. Кривую объемной скорости газа в клапане Клуге заменяет прямоугольным импульсом и определяет звуковой давление по формуле где F - площадь трубопровода (коллектора); pQc - акустическое сопротивление газовой среды; в - объемная скорость газа в клапане.
Таким же образом определяется спектр шума выпуска в работе Л.И.Инзеля /24/» Однако форма кривой объемной скорости определяется Л.И.Инзелем более точно, с учетом термодинамических параметров в цилиндре и выпускном коллекторе (для двигателя без турбонаддува).
При определении уровня шума в различных частотных диапазонах по методам Клуге и Л.И.Инзеля максимальный уровень шума получается на основной частоте выпуска.
Способы снижения шума выпуска и устройства для их осуществления
Уровень звуковой мощности при этом должен быть таким же, как и для одного цилиндра, т.е. L0- 100 дБ. Фактически для двигателя СЩ-І4 измеренный уровень звукового давления на расстоянии 0,25 м от среза выпускной трубы составил 127 дБ. Отклонение расчетной величины от экспериментально измеренной составляет 27 дБ на основной частоте и не может считаться удовлетворительным. Такое расхождение расчета с экспериментом объясняется тем, что уровень шума по всему спектру определяется в значительной мере шумообразованием в органах газораспределения, зависящим от скорости истечения струи газа из выпускного клапана в пространство выпускного канала. Т.к. на скорость истечения влияет форма клапана, то от формы клапана, а также от формы седла в зоне фаски клапана зависит уровень шума выпуска по всему спектру. Это указано в работах /31/, /36/, /59/, а также подтверждается специальным экспериментом, поставленным автором. Описание и результаты эксперимента приведены в главе I.. Таким образом, модель, объясняющая шумообразование при выпуске, должна учитывать не только расход газа, но и, что не менее важно, скорость истечения газа из клапана в течение всего периода выпуска. Метод расчета уровня высокочастотного шума, основанный на теории подобия, описан в работе М.А.Разумовского /49/. По этому методу уровень высокочастотного шума проектируемого двигателя определяется с помощью безразмерного критерия: подобия в зависимости от уровня шума базовой модели двигателя. Критерий подобия: где U,Uo, 0l,cfo - соответственно скорости потока газа и диаметры выпускного тракта у проектируемого двигателя и базовой модели.
Расчет, основанный на теории подобия, может, при наличии базовой модели, дать близкий к реальному результат для высокочастотного шума. В то же время,для диапазона низких частот в работе /49/ предлагается известная модель процесса, где источником шума является отверстие выпускной трубы, моделируемое плоской мембраной. Взаимосвязь между уровнями высокочастотного и низкочастотного шума в работе /49/ не устанавливается.
Таким образом, в имеющихся по шуму выпуска работах не полностью учитываются факторы, влияющие на шумообразование в процессе выпуска, а приводимые в указанных работах модели недостаточно полно описывают процессы шумообразования. На недостаточную изученность процесса шумообразования в выпускной системе указывается, в частности, в работе /39, с.171/.
Несмотря на недостаточную изученность процессов возникновения шума при выпуске, работы над уменьшением уровня шума выпуска ведутся в течение всего периода производства двигателей внутреннего сгорания.
В настоящее время имеется большое разнообразие в подходе к этому вопросу со стороны производителей двигателей и заглушающих устройств к ним. Однако большинство конструктивных решений можно объединить в следующие направления: I/ уменьшение шумообразования в процессе выпуска; 2/ уменьшение шума, излучаемого выпускной системой.
Уменьшение шумообразования в источнике является наиболее радикальным, однако и наиболее сложным направлением в снижении уровня шума выпуска. Однако результаты, достигнутые к настоящему времени в этом направлении, не позволяют создать двигатель, не нуждающийся в глушителе. В то же время, для двигателя с уменьшенным шумообразованием уменьшается и необходимая эффективность глушителя, поэтому даже частичные результаты в этом направлении могут быть полезны.
Одно из устройств для уменьшения шумообразования запатентовано в США /46/. В выпускном канале имеется 2 клапана с разными фазами открытия. Один из клапанов открывается раньше и выходящая из него струя газов дросселирует выпуск из второго клапана. В результате уменьшается уровень шума выпуска.
Необходимо, однако, отметить, что наибольший уровень шума получается при надкритическом истечении. Поэтому в том клапане, который открывается первым, создается достаточно мощный звуковой импульс, который ничем не глушится при излучении. Поэтому двигатель с указанным устройством должен иметь достаточно эффективный глушитель.
Более перспективным решением является оптимизация формы выпускного тракта в зоне у седла и клапана двигателя, направленная на уменьшение скорости истечения струи газов в полость выпускного канала.
Шумообразование при выпуске
По данным Клуге,А.Г.Ельника, Б.А.Егоренкова и А.А.Строкина и других авторов шум при выпуске образуется вследствие появления волны давления за выпускными клапанами в процессе выпуска из цилиндра отработавшего газа.
Излучателем звука является отверстие выпускной трубы, причем, вследствие малости размеров отверстия, его можно считать точечным источником типа "монополь". При таком предположении уровень шума выпуска на основной частоте двигателя -—— І20
(для четырехтактного дизеля) и на кратных ей частотах зависит от амплитуды объемной скорости (расхода) выхлопных газов.
Однако этот источник возникновения шума выпуска на низких частотах - не единственный в выпускной системе. Расчетная величина уровня шума для излучения монопольного типа не соответствует реальному уровню шума выпуска, в частности, двигателей СВД-І4 и СЩ-62, что указывает на существование в выпускной системе процессов, приводящих к возникновению низкочастотного шума более высокой интенсивности, чем монопольное излучение.
Рассмотрим предельный случай, когда мгновенный расход газа из отверстия выпускной трубы является гармонической функцией с частотой, равной основной частоте выпуска, составляющие кратных частот отсутствуют, т.е. на основной частоте излучается вся звуковая энергия процесса выпуска /30/. В этом случае G=G0 (j-sL/l СО/-?), (2.1) L-n где oJ. - g$i- основная частота выпуска; - число цилиндров; П - частота вращения двигателя, об/глин. Очевидно, максимальное значение расхода газа 0тйК- 2G0, а среднее значение расхода за период равно секундному расходу двигателя и равно G0 . Амплитуда колебаний расхода получается максимально возможной для данного двигателя и, соответственно, максимальным получается расчетный уровень шума на основной частоте, который для этого случая равен общему уровню шума выпуска. Для источника типа "монополь" расчетный уровень звукового давления относительно порогового значения н0 = 2.10 u Па определяется по формуле /5, с.119/ где р0 - плотность окружающей среды; q0 - средний секундный объемный расход газа; J - частота пульсаций монополя. Рассматривая пример расчета для двигателя 44 :. 12/14 (СЩ-І4), получаем: Gn8- 330 кг/час; G0SS 0,092 кг/сек; / = 4т 1800 . 60 Go QQ-— - гДе Р плотность газа; Для условий в выпускной трубе двигателя СЩ-І4 $ = 0,5 кг/м3; р0= 1,03 кг/м3. Расстояние от центра отверстия выпускной трубы до точки замера составляло 0,3 м. При этих условиях уровень шума выпуска получается: L= 2000 — Щ- =120 Об . Экспериментально измеренные уровни шума для двигателя СВД-І4 составляют: общий уровень LJUH. e D уровень шума на основной частоте Lso =127 дБ.
Таким образом, уровень шума выпуска, измеренный экспериментально, существенно превышает предельный для источника типа "монополь". Если учесть, что реальный спектр шума имеет широкий диапазон и расчетная амплитуда звука основной частоты будет ниже, чем в рассмотренном предельном случае, то разница между расчетным и измеренным уровнями шума на основной частоте будет еще больше, что и получается при расчете шума по формулам, приведенным в работах /21, с.ИЗ/, /24/.
Аналогичное расхождение между расчетным и экспериментальным результатами, только в большей степени, получается для двигателя 6ЧН 13/11,5 (СЩ-62).
Рассматривая, как и для СВД-І4, предельный случай, определим переменную составляющую расхода газа, создающую звуковые колебания на выходе из выпускной трубы как источник типа "монополь". Так как двигатель СЩ-62 имеет импульсную систему наддува, то переменная составляющая расхода существует и находится в зависимости от пульсации давления в коллекторе перед турбиной.
Расчет выпускной системы двигателя СВД-72 с высокочастотными глушителями, встроенными в выпускные коллекторы
Задачей, решаемой при расчете глушения в выпускной системе, является определение разности между уровнями шума при ис ходной системе (без глушителя) и при системе с глушителем. При этом уровень звуковой мощности вторичного шума, возбуждаемого в глушителе потоком газа, должен быть не менее, чем на 10 дБ ниже уровня звуковой мощности, который должна обеспечить система с глушителем /28, с.14-15/. В случае использования метода электроакустической аналогии разность уровней может быть определена из сравнения эквивалентных электрических схем исходной системы и системы с глушителем /5/, /16/. Поэтому правильное описание выпускной системы двигателя как акустической системы и ее представление в виде эквивалентной электрической схемы является основным условием получения точного результата и наиболее сложным вопросом при расчете заглушения. Реальная выпускная двигателя внутреннего сгорания представляет собой ряд последовательно соединенных элементов, таких как трубы с открытыми концами или с концами, закрытыми крышками с комплексными акустическими импедансами (например, выпускной коллектор, закрытый сппловым аппаратом турбины). Кроме того, в выпускную систему входят перфорированные перегородки и экранирующие поверхности, представляющие собой индуктивные сопротивления. Практически в каждом из элементов имеются прямые и отраженные волны, т.к. каждый последующий элемент является акустическим импедансом для предыдущего. Поэтому, в зависимости от параметров последовательно присоединенных элементов, в каждом элементе существует бегущая волна и стоячая волна.
В общем случае элементы выпускной системы являются волноводами с жесткими стенками, в которых могут распространяться несколько форм колебаний одинаковых частот одновременно, при условии, что Л/h , где h - характерный поперечный размер элемента /60, с.7/. Однако для волн звукового диапазона такое соотношение -/h. не выполняется для большинства элементов выпускных систем современных автотракторных двигателей, в частности, для двигателей типа СЩ, рассматриваемых в настоящей работе. Поэтому, для большинства рассматриваемых частот можно пользоваться одномерной моделью. Для тех частот, где одномерная модель не дает удовлетворительного результата, можно ввести соответствующие поправочные коэффициенты. Расчет осуществляется путем составления эквивалентной электрической схемы,где каждый элемент системы с распределенными параметрами заменяется элементом с сосредоточенными параметрами, причем, в зависимости от соотношения размеров элемента и длины волны, элемент может изображаться как активное, индуктивное, емкостное сопротивление, или совокупность этих сопротивлений. Такой подход к рассмотрению элементов системы позволяет получить расчетное заглушение в выпускной системе на основе линейной акустики /71/, /72/ с использованием эмпирических коэффициентов, близкое к экспериментально измеренному, не прибегая к точному расчету элементов по методу, рассмотренному в работе /37, с.124-130/ для звукового поля в трубе с импедансными крышками, к определению передаточных функций элементов сложной геометрической формы и системы в целом.
В наиболее простом случае, когда линейные размеры элементов акустической системы, соответствующей реальной выпускной системе двигателя, меньше длины волны в рассчитываемом частотном диапазоне, акустическая система может сыть представлена как система с сосредоточенными параметрами в виде индуктивных и емкостных сопротивлений /37, с.93/.
