Введение к работе
Актуальность работы. Расширение масштабов использования ^зольных двигателей на грузовых и легкосых автомобилях является характерной особенностью последних лет развития инрсвого автомобилестроения. Дизельные двигатели, имея серьезныз преимущества по топливной экономичности, вместе с этим обладает рядом недостатков по сравнена) с бензиновыми аналогами. Среда недостатков важное место занимают неудовлетворительные экологические характеристики, связанные, в частности,с проблемами аумности работы дизелей.
Тенденция неуклонного ужесточения норм предельно допустимых уровней внешнего шума автотранспортных средств обусловила необходимость сохранения на заданном уровне виброакустическнх характеристик АТС в течение всего срока службы.
Ра сегодняшни день установлено, что уровни внешнего шума автонобилей нерздхо превышают предельные значения, предусмотренные ГОСТ 27436-66. Особенно это касается автомобилей с большим сроком слуабы с начата эксплуатации.
Определяющее влияние на изменение акустических характеристик АТС в эксплуатации оказызазт повышение пуш^хуги их силовых установок, связаннее с изменением их технического состояния.
Однем из наиболее вгзпж параметров їяхнзчзсеого состояния ДБС является велктпки дтагхтралмю'.:о зазора uesgj поранен к гяль-зен ци.ттвяш. Hp'jcFeanc данного показателя, вследствие нзпартяза-ния пойзрхЕогїсй гклъзц цилиндра и юбки nopnew, скаэывазт влияние на из!.гененге нагр/женности структуры двпгателя сразу дь7-'~~ силовые! факторам: рабочим процессом и соударенвен поранл о гильзу з момент перехладки. Рэбоччй процесс я перекладка перппя
-г -
являются основными ксточникааи структурного шума ДБС, и их изменение в процессе эксплуатации может привести к существенному росту шушиэлучения дизельного двигателя.
Таким образом, анализ изменения акустических характеристик ДВС, вследстзие нзкенения величины диаметрального зазора между поринем и гильзой цшшндра, является актуальной задачей, решение которой на современном этапе долгно базироваться на детальных экспериментальных исследованиях и на разработке необходимых аналитических моделей иумообраэовання ДВС.
Настоящая работа направлена на формирование аналитических методов определения акустических характеристик двигателей на стадии проектирования с учетом изменения технического состояния цшшндро-пораяевоп группы ДВС в результате изнашивания.
Цэль работы. Исследование ВЕброакустических характеристик дизельного двигателя при изнашивании элементов его цнлкндро-поршневой группы и разработка физико-математической модели шумо-образования ДВС от перекладок поршней в условиях изношенной ЦПГ.
Научная новизна. Разработана физико-математическая модель шуыообраэования ДВС от перекладок поршней, основанная на использовании энергетического подхода и позволявшая оценивать изменение акустичесхих характеристик двигателя с измененной геометрией элементов цшшндро-поршневой группы. Разработан метод аналитического расчета величины силового фактора сопротивления, действующего на порнень при перекладке со стороны масляного слоя, учитывающий сложный характер движения поршня в пределах диаметрального зазора. Проведен расчетно-теоретический анализ влияния изменения силовых факторов перекладки при изнашивании ЦПГ на акустические характеристики данного источника структурного шума двигателя.
Практическая ценность работы состоит в том, что алгоритм и программа анализа на ЭВМ изменения акустических характеристик двигателя от перекладок поршней при изнашивании элементов его ЦПГ позволяют на стадии проектирования ДВС определять степень неиэбехного повышения шумности двигателя и оценивать необходимую эффективность технических решений, направленных на поддержание уровня акустического излучения ДВС на заданном уровне.
Предложенный ыетод расчетно-теоретического анализа позволяет учитывать фактор технического состояния двигателей автотранспортных средств, участвующих в двигеняи, дня повышения достоверности результатов при аналитическом определении степени шумового загрязнения городских территории, находячися в непосредственной близости от автотранспортных магистралей.
Результаты расчетного анализа дают возможность проводить научно обоснованное нормирование уровней внешнего шума автомобилей в эксплуатации с целью исключения неоправданного увеличения их шушости з течение всего срока службы.
Реализация результатов работы. Алгоритм и программа расчета виброакустических характеристик ДВС при нзнашвании элементов цклиндро-рорзневой грушш приняты к использованию управлением ГАИ города Кемерово.
Асробащя работы. Основные пологеняя и результаты работы были долозезн па 49,51 научно-методических и научно-практических конференциях/ЩИ, 1931,1533/, на сеісшарех и заседании кафедры "АЕТОтракторЕке двигатели" /ЩИ, 1930,1391,1332/.
Публикации. По теме диссертации опубликозагы 2 печатные работа.
Структура н объем работы. Диссертация состоят из введения, четырех глав, выводов, списка литературы. Она изгозена на 139
- 4 -страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц и 37 иллюстраций, библиография включает 109 наше кований.
В первой главе отмечается, что проведенные исследования н анализ работ, посвященных изучению акустических характеристик автотранспортных средств в эксплуатации, показывают, что имеет место факт неуклонного возрастания веєгонєго шума автомобилей при увеличенка их срока службы.
Баланс звуковой энергии, излучаемой автомобилем,показывает, что основным источником, формирующим его звуковое поле, является поршевой двигатель внутреннего сгорания, который в настоящее врзмя н на ближайшее будущее будет оставаться основным типом энергетических установок.
Отмечается, что техническое состояние двигателя монет изменяться в эксплуатации вследствие отклонения от ноизнаяьных значений регулируемых параметров и вследствие необратимого увеличения зазоров в подвиеенх сопряжениях элементов конструкции ДБС по причине изнашивания. Показано, что изменение величин данных параметров в эксплуатации приводит к повышению шумности работы двигателя. Отклонение регулируемых параметров технического состояния ДВС от заданных значений может быть устранено в процессе проведения реглаыентных работ по техническому обслуживанию двигателя, и тем самым цумопзлученне двигателя может быть восстановлено до уровня, соответствующего номинальному техническому состоянию ДВС. В свою очередь, увеличение зазоров вследствие изнашивания в подвижных сочленениях конструкции ДВС, величина которых не может быть восстановлена, приводит к возникновению
- 5 -ударного характера взаимодействия меаду сопрягаемыми поверхностями, что влечет за собой необратимое увеличение уровня шумоиэ-лучения ДВС.
Анализ влияния процессов изнашивания на изменение акустических характеристик основных источников структурного шума ДВС показал, что наиболее значимым с точки зрения формирования акустического излучения ДВС является техническое состояние цилиндро-поршевой группы двигателя, основным параметром работоспособности которой является величина диаметрального зазора метлу поршнем и гильзой цилиндра.
Рассмотрена динамика перекладки поршня в условиях изношенной цилнндро-поршновой группы. Показано, что характер изнашивания гильзы цилиндра обуславливает появление с увеличением срока слуабн неравномерности величины диаметрального зазора по длине гильзы цилиндра. Такой характер распределения зазора делает не-воэмикным использование известных на сегодняшни день моделей шумообразования ДВС от перекладки поршней, вследствие неопределенности величины зазора, необходимой для подстановки в аналитические вырааенЕЯ данных моделей.
В этой ситуации становится актуальной задача разработки физически обоснованной математической иодели иумообрЕЭОваяЕЯ ДВС от перекладок поршней с учетом изменения технического состояния ЦПГ.
На основании обзора отечественных и зарубезных литературных источников, а также на основании оценки существупцих методов исследования были сформулированы цель и задачи данной работы.
Во второй главе изложены физические основы шумообразования двигателей от рабочего процесса и перекладок поршней.
Проведен анализ существующих методов расчета индикаторных
дкагргмм рабочих циклов, позволяющих учитывать изменение технического состояния ЦПГ двигателя. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований позволил сделать вывод о том, что изнашивание элементов ЦПГ двигателя приводит к общему снегвнй) динажки протекания рабочего процесса, что не моает быть причиной повалення иушизлучення двигателя в эксплуатации. При иоделнрованли иуыообразовання двигателя от перекьадок поршей использовался энергетический подход, который позволил отказаться от необходимости определения форны силового фактора, возбуждающего конструкцию ДВС при ударной взаимодействии поршня с гильзой цилиндра в момент перекладки. На основании энергетического баланса колебательных явлений в структуре двигателя от данного источника мощность акустического излучения ДВС от перекладок поршней монет быть определена с помощь» выражения
где < - удельный нормированный коэффициент сопротивления излучению;
рс - волновое сопротивление среды, кг/мс;
«5 - площадь излучащей поверхности, ы;
И - масса двигателя, кг;
2, - коэффициент потерь;
Wk - кинетическая энергия поршня в момент соударения о гильзу цилиндра, Дк;
Т - период чередования рабочих циклов, с.
Таким образом, приращение мощности акустического излучения двигателя от перекладок поршней определяется приращением суммарной энергии соударения поршней о гильзы цилиндра за цикл работы двигателя.
- 7-В соответствии со схемой перекладки поршня в условиях изношенной ЦПГ (см. рпс.і) кинетическая энергия поршня в момент соударения может быть определена выражением
где Jz, 7в - момент инерции поршня относительно оси Z и В, кгм; $г, -рв - скорость вращательного движения пораня относительно
оси Z и В в момент соударения, 1/с; ц, Vb - поперечная схорость поступательного движения поршня вместе с осью Z и В, м/с; Юн - масса поршневого комплекта, кг. Скорость вращательного движения поршня *Pz, оказывающую определяющее влияние на величину Wk, можно определить из уравнения движения поршня относительно оси вращения (си. рнс.1).
где "й- угловое ускорение поршня относительно оси Z, і/с;
hi - суммарный момент от действующих на поршень сил и моментов относительно оси Z, Ни;
Cz - скорость изменения суммарного момента, ik/c;
І - время перекладки, с,
откуда угловая скорость вращения поршня.определится с помощью вы
ражения „
& =(Мг +Сгі/ф/& * 4,
а угловое перемещение выражением
Я-(MrtS/2 - Crt3/B)/Ji - Ы * А. В условиях изношенной ЦПГ, когда имеет место переменность величины диаметрального зазора, невозможно определить заранее утло-
Рис. і. Схема перекладки поршня в условиях изношенной ЦПГ вое перемещение поршня так ае, как и продолжительноть переклад-га, так как перекладка начинается на уровне одной величины зазора, а заканчивается уже на уровне другой. Вместе с этим величина Cz является переменной по времени перекладки и не может быть использована в качестве постоянного значения.
Для реяения данной проблемы предлагается представить общее время перекладки / в виде суммы большого, но заранее не известного количества сколь угодно малых отрезков времени л і/.
/= Zdl.
При этом малость отрезка времени 4 дает возможность принять
- 9 -допущение о том, что действующе на поршень силы и моменты изменяются, в пределах времени &І линейно, т.е. скорость их изменения за период hi будет постоянной.
Таким образом, за период временил/ поршень приобретет угловую скорость вращения л щи преодолеет угол поворота л $;. Затем, можно определить величину части зазора лЗі. пройденного кромкой поршня в поперечном направлении. В то хе время поршень продолжает свое поступательное движение вдоль оси цилиндра.После расчета части хода поршня лНі за время dj. становится возможным определение его расположения относительно иэноввнной части гильзы цилиндра. Следовательно, можно определить величину зазора, которую еще предстоит преодолеть кромке поршня до момента соударения с гильзой цилиндра.
После определения вышеперечисленных параметров на отрезке времени лі/ необходимо повторить расчет данных параметров на отрезке времени л i/*j, учитывая при этом, что скорость изменения силовых факторов Сі примет другое значение. Тогда угловая скорость и угловое перемещение к концу времени & //«.убудут равны
Ігіч = A-Pz/+ A~PziH 4>zi.J=Afzi + AfzH, а общее поперечное перемещение кромки поршня равно
Si* і = aSi + а$і*і Таким образом, постоянно отслеживая величину поперечного и продольного перемещения поршня и сравнивая величину пройденной части зазора с величиной непройдепной части, вычисления продолжаются до момента, когда непройденная часть диаметрального зазора будет равна нулю. Суммарная скорость $гпъ конце последнего
- 10-отрезка времени Сбудет определять энергию ударного взаимодействия поршня с гильзой цилиндра.
В этой главе подробно излагается методика аналитического определения силового фактора сопротивления движению поршня в момент перекладки со стороны иасляного слоя. В основу данной методики положен учет полного лобового сопротивления движению твердого цилиндра в жидкой среде и сопротивления трения жидкости на поверхности цилиндра. Учтен фактор ускоренного движения поршл в момент перекладки.
В этой же главе приведены аналитические выражения для определения остальных сил и моментов, действующих на поршень в процессе перекладки.
Изложенный подход поэволяет определять акустические характеристики ДВС от перекладок поршней при изменении геометрии элементов ЦПГ вследствие изнашивания.
Разработанная модель поэволяет без постановки натурных экспериментов методами численного моделирования прогнозировать вкб-роакустические характеристики двигателей с учетом изменения в процессе эксплуатации ДВС технического состояния ЦПГ.
В третьей главе приводятся результаты расчетного анализа влияния степени изношенности элементов ЦПГ двигателя на его акустические характеристики.
В качестве исходных данных для проведения расчетного анализа акустических характеристик ДВС от перекладок порошей использовались конструктивные размеры и параметры серийного двигателя КамАЗ-740.
В результате проведенного расчета были получены значения мощности акустического излучения двигателя КамАЗ-740, характерн-зущие степень увеличения шумности ДВС при различной величине за-
эора «езду поршней и гильзой цилиндра.
Анализ представленных зависимостей показал, что при изнашивании ЦПГ двигателя до величины зазора (на уровне верхней кромки юбки поршня при положении поршня в ВУТ) равной 0.21 ш, 0.28 ш и 0.36 мм (что соответствует 1-5, 2-й и 3-й степени изношенности ЦПГ) мощность акустического излучения двигателя увеличится соответственно на 27, 77 и 138 процентов во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала.
При проведении сравнительного анализа установлено, что наибольшее расхождение расчетных и экспериментальных значений приращения мощности акустического излучения ЛВС от перекладок поршней не превышает 2...4 Дб, что является нормальной точность» для инженерных расчетов в технической акустике двигателей.
С использованием приведенной расчетной модели был' реализован расчетный анализ влияния на акустические характеристики двигателя основных параметров процесса перекладки. Показано, что увеличение шумоизлучения ДВС от перекладок поршней при. изнашивании ЦПГ: на 38.9% определяется влиянием увеличения диаметрального зазора между поршнем и гильзой цилиндра.
Вместе с этим была проведена оценка отдельных перекладок в рамках одного рабочего цикла с точки зрения величины вносимой от них в структуру двигателя энергии соударения, и выявлены те, которые представляют собой основную причину повышения мощности акустического излучения ДВС при изнашивании элементов ЦПГ.
Установлено, что определяющее влияние на формирование акустического излучения ДВС от перекладок поршней оказывает перекладка поршня в ВЫТ в конце такта сжатия.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований шумоизлучения дизельного двигателя КамАЗ-740 с раз-
- 12 -личными по степени изношенности комплектами ЦПГ. Проведен спектральный анализ увеличения мощности акустического излучения двигателя при его работе по ВСХ и при прокрутке от постороннего источника. Проведен анализ спектров индикаторных диаграмм, характеризующих "шумность" процесса сгорания в условиях изношенной и неизношенной ЦПГ. Приводятся технические характеристики объекта исследования и условия его испытаний. Описаны экспериментальная установка и аппаратурный комплекс для проведения измерений, приведены акустические характеристики испытательного помещения.
Для определения акустических характеристик двигателя КамАЗ -740 при изменении технического состояния его ЦПГ была разработана программа экспериментальных исследований, в соответствии с которой на двигатель поочередно устанавливались три комплекта ЦПГ, отличающихся между собой лишь степенью изношенности, и регистрировались акустические характеристики ДВС на предусмотренных режимах работы. Таким образом, была исключена возможность влияния на акустику двигателя каких-либо других факторов.
Результаты измерения акустических характеристик двигателя КамАЗ-740 при работе по ВСХ с различными комплектами ЦПГ представлены на рис.2. Спектральный состав пумоизлучения ДВС и спектры индикаторных диаграмм для двигателя с изношенной и поизношенной ЦПГ представлены на рис.3 - 5.
Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что при увеличении степени изношенности ЦПГ двигателя происходит увеличение уровня излучаемой двигателем акустической мощности во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала при работе двигателя как по ВСХ, так и в режиме прокрутки.
Установлено, что повышение шумности работы ДВС при износе элементов ЦПГ происходит за счет увеличения "механической" сое-
Lw.fiR
Pec. 2. У/ровш мощности акустического излучения
двигателя КамАЗ-740 прн работе по БСХ: 1 - иовая ЦПГ; 2 - первая степень износа ЦПГ; 3 и 4 - вторая и третья степень износа ЦПГ
160 500 1600 5000 /,1
Рис. 3. Спектр звуковой мощности двигателя
КамАЗ-740 при работе по ВСХ /п = 2600 мин-1/: 1 - новая ЦПГ; 2 - третья степень износа ЦПГ
L*,fM
Еис. 4. Спектр звуковой мощности двигателя
КамАЗ-740 при прокрутке /П = 2600 мин-1/:
1 - новая ЦПГ; 2 - третья степень износа ЩЕ
315 800 2000 5000 /, Гц
Рис.5. Спектр индикаторной диаграммы двигателя
КамАЗ-740 при работе по ВСХ /П = 2600 мин-1
1 - новая ДОГ; 2 - третья степень износа ДОГ
- 15-тавлявщей структурного щуыа, т.е. по причине усиления возбуждения конструкция двигатэля от переклздок пораней. При зтсм повышение общего уровня тгумоизлучения происходят за счет увеличения энергии звукового излучения в средней я высокочастотной области акустического спектра, что является характерным для процесса иуыообрззоваякя от перекладок поршней.
Спектральній анализ силового фактора, возбуадасщего конструкций ДВС з результате реализации з цилиндрах двигателя рабочего процесса, показал, что изнашивание элементов ЦПГ не приводит к узэличеЕюз шумоизлученик от процесса сгорания, а наоборот наблюдается некоторое снияєевє значимости даяного Есточннка структурного куча, что объясняется снижением дннааики рабочего процесса, протекающего в условиях изношенной ЦПГ.
/