Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Улучшение шумовых характеристик тракторного дизеля на основе акустического совершенствования его системы выпуска

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Мустафа Аммар Мухамед, Москва

И ./ ■* . /' / •

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

На правах рукописи

МУСТАФА АММАР МУХАМЕД

4

УЛУЧШЕНИЕ ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКОГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЕГО СИСТЕМЫ ВЫПУСКА

11.00.11- Охрана окружающей среды и рациональное использование

природных ресурсов. 05.04.02- Тепловые двигатели.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.М. Фомин

Москва -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Перечень условных сокращений......................4

ВВЕДЕНИЕ.................................6

Глава I. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ СРЕДСТВ И МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ШУМА ВЫПУСКА ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ..........................10

1.1. Процесс выпуска - основной источник излучения звуковой энергии двигателей внутреннего сгорания..........10

1.2. Механизм формирования шума выпуска двигателя.....18

1.3. Методы расчета систем выпуска с глушителями шума . . .28

1.4. Заключение и постановка задач исследования.......35

Глава 2. МЕТОД РАСЧЕТА РЕЗОНАТОРНОГО ЭЛЕМЕНТА

ГЛУШИТЕЛЕИ ШУМА ВЫПУСКА ДИЗЕЛЕЙ.......38

2.1.Теоретические основы расчетной модели концентрического резонатора как составного элемента системы глушения шума выпуска дизеля..........................39

2.2. Расчетная модель концентрического резонатора глушителя шума выпуска дизеля.......................45

2.3. Основные выводы по главе 2.................52

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И БОРУДОВАНИЕ. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ....................57

3.1. Основные задачи экспериментальных исследований . . . .58

3.2. Экспериментальная установка и оборудование.......59

3.3. Методика экспериментальных исследований . ....... 64

3.4. Оценка погрешностей измерений...............68

\

\

\

Глава 4.АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРСТИК СИСТЕМ ВЫПУСКА ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ....................77

4.1. Анализ достоверности разработанного метода расчета концентрических резонаторов......................77

4.2. Методическое обоснование рационального выбора параметров концентрического резонатора для системы выпуска дизеля Д-4601...................................83

4.3. Анализ результатов сравнительных акустических испытаний системы выпуска дизеля Д-4601 .......................89

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ................101

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

102

Перечень условных обозначений.

- акустическая мощность шума, Вт; Ь - уровень звукового давления, дБ;

/ - частота, Гц;

г - расстояние от источника шума до точки замера, м;

с - скорость звука, м/с;

Уп - скорость потока, м/с;

со - круговая частота, с ;

Ре - среднее эффективное давление, МПа;

Р - текущее давление, МПа;

Т - текущая температура рабочего тела, К;

п - частота вращения коленчатого вала двигателя, мин;

Ие - эффективная мощность двигателя, кВт;

Ме - эффективный крутящий момент, Н.м;

- часовой расход топлива, кг/ч;

ве - удельный эффективный расход топлива, г/кВт.ч; вц - часовой расход воздуха, кг/ч; а - коэффициент избытка воздуха;

0 - угол опережения подачи топлива, град.п.к.в.; р - плотность, кг/м ;

V - объем, м ;

Су - изохорная теплоемкость, Дж/кг.К; Ср - изобарная теплоемкость, Дж/кг.К; (I - кинематическая вязкость отработавших газов; X - длина звуковой волны, м; М - число маха; Ъ - комплексный импеданс;

1 - толщина перфорированной стенки, м;

d - диаметр отверстий перфорации, м; F - коэффициент перфорации; С0 - коэффициент расхода отверстий перфорации; ип - колебательная скорость в отверстиях перфорации.

Индексы.

вып. - выпуск; вп. - впуск; вх. - вход; вых. - выход;

тах - максимальная величина; min - минимальная величина; ср. - средняя величина.

Сокращения. ДВС - двигатель внутреннего сгорания; КС - камера сгорания; ЦПГ - цилиндро-поршневая группа; Х.Х. - холостой ход;

ВАХ - вибро-акустическая характеристика;

ОАЧХ - обобщенная амплитудно-частотная характеристика.

ВВЕДЕНИЕ

Шумовое загрязнение окружающей среды является в настоящее время одной из главных экологических проблем. Восприятие шума достаточно индивидуально, поэтому его воздействие на человека имеет социально-психологический характер.

Длительное воздействие интенсивного шума на слух человека приводит к его частичной или полной потере. В зависимости от длительности и интенсивности его воздействия могут наступить необратимые потери слуха.

Действие шума на организм человека не ограничивается воздействием на орган слуха. Через волокна слуховых нервов раздражение шумом передается в центральную и вегетативную нервные системы, а через них воздействует на внутренние органы, приводя к значительным изменениям в функциональном состоянии организма, влияет на психическое состояние человека, снижает его работоспособность и возможность адекватного реагирования на изменение ситуации.

Данными последних исследований установлено, что последствия воздействия шума на человека характеризуются комплексом симптомов, к которым, кроме перечисленных выше, относятся: изменение функции пищеварения, сердечно-сосудистая недостаточность, нейроэндокриновые расстройства и др.

Одним из основных источников шума автомобильного и промышленного транспорта, сельскохозяйственной и дорожно-строительной техники является их энергетическая установка, в качестве которой используется, в основном, двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

С учетом важности проблемы, нормированием шума ДВС занимаются такие авторитетные международные организации как ООН,

ЕЭС и другие, которые разрабатывают рекомендации и стандартные нормирующие показатели шумовых характеристик и методики их оценки. Шум, производимый ДВС, в частности автотракторного типа, во всех странах является одним из важных показателей их технического уровня, а нормы шумности имеют устойчивую тенденцию к ужесточению через каждые 5 ... 10 лет.

В России внешний шум ДВС автотракторного типа регламентируется стандартами и отраслевыми нормативами. Наиболее серьезные проблемы связаны с эксплуатацией дизелей. Являясь более совершенным по сравнению с бензиновыми ДВС по возможности преобразования топливной энергии в механическую, дизельные двигатели в большинстве случаев более вибро- и акустически активны.

Основным источником шума дизельного двигателя, как, впрочем, и бензинового ДВС, является процесс выпуска отработанных газов (ОГ), а основным средством борьбы с шумом - глушители, устанавливаемые в систему выпуска.

Вопросам исследования и проектирования систем выпуска ДВС посвящены работы ряда ученых: Б.К. Шапиро, М.А. Разумовского, Н,М, Иванова, В.Н. Луканина, A.A. Скуридина, Л.В. Тузова, Р.Н. Старобинского, В.В. Тупова и др. Наиболее общие вопросы теории генерации шума разработаны Е.Я. Юдиным, Д.М. Блохинцевым, В.Е. Тольским, Б.Н. Нюниным, И.В. Алексеевым и др. Несмотря на то, что проблеме снижения шума выпуска посвящено значительное количество работ, задача выбора рациональной конструктивной схемы и параметров составных элементов глушителя с заданными характеристиками заглушения и гидравлического сопротивления на данный момент полностью не решена.

Теоретически, для любого двигателя может быть изготовлен глушитель, имеющий необходимую акустическую эффективность и

минимальное сопротивление. Однако глушитель такой конструкции может иметь большие размеры, что практически исключает возможность его использования на силовой установке. При разработке эффективных малогабаритных глушителей, имеющих приемлемые гидравлические сопротивления, возникают серьезные трудности, связанные с достижением эффекта необходимого снижения гармонических составляющих низкочастотной области спектра. Внедрение в практику двигателестроения высокоэффективных шумозаглушающих систем выпуска приводит к существенному уменьшению интенсивности составляющих шума в средне- и высокочастотной области, увеличивая при этом энергетическую разницу между ними и низкочастотными гармоническими составляющими спектра.

Низкочастотные составляющие аэродинамического шума в значительной степени определяют в настоящее время общие уровни звукового поля большинства автотракторных дизелей. Следует заметить, что большинство силовых установок отечественных промышленных и сельскохозяйственных тракторов, комбайнов, строительных машин и другой дизельной техники на сегодняшний день не обеспечивают удовлетворение нормативных требований существующего ОСТ 23.3.23-88 по показателям уровня шума процесса выпуска. С другой стороны, известные методы инженерных расчетов глушителей целесообразно уточнить с целью получения более обоснованных данных по рациональному выбору параметров, обуславливающих наибольшую эффективность шумоглушения в области низкочастотных гармоник.

На основании изложенного было определено основное направление исследования: разработка научно-обоснованного метода уменьшения общих уровней звуковой мощности систем выпуска тракторных дизелей за счет подавления интенсивности составляющих низкочастотной области спектра.

На защиту выносится:

установление закономерности влияния газодинамического состояния потока отработавших газов в системе выпуска дизеля на акустическую эффективность глушителя;

получение зависимостей, определяющих взаимосвязь конструктивных параметров резонансного элемента глушителя и его заглушающих свойств;

разработка методики расчета параметров резонансного заглушающего элемента, предназначенного для подавления низкочастотных составляющих спектра шума выпуска дизеля;

разработка рекомендаций по выбору рационального конструктивного оформления резонансных элементов глушителя с целью повышения его заглушающей эффективности в области частот до 300 Гц;

- опытная проверка разработанных научно-методических положений и рекомендаций на макетных образцах глушителей в условиях работающего дизеля.

Результаты исследования и рекомендации по расчету резонансных элементов глушителей шума выпуска дизелей опубликованы автором в работах [45,75]; теоретические и экспериментальные материалы работ доложены на научно-технических конференциях Российского университета дружбы народов в 1998 и 1999 гг., а также на научных семинарах и заседаниях кафедры «Комбинирование ДВС» университета.

Глава I. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ СРЕДСТВ И МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ШУМА ВЫПУСКА ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1. Процесс выпуска - основной источник излучения звуковой энергии двигателей внутреннего сгорания

Первые публикации в научно-технической литературе, посвященные анализу виброакустических характеристик двигателей, начали появляться в конце 60-х годов. Повышенное внимание с первых же публикаций было обращено на дизель. Как на более мощный источник излучения звуковой энергии по сравнению с бензиновым двигателем с аналогичными мощными показателями.

В России в последние годы отдельные работы сформировались в фундаментальные исследования [1, 2, 3, 5, 7, 8, 9], выполненные такими учеными как В.И. Зинченко, В.Н. Луканин, В.А. Тольский, Л.В. Тузов, Е.Я. Юдин, М.А, Разумовский, Б.Н. Нюнин и др. В 1984 г. За рубежом вышла монография [67], собравшая в себя многочисленные публикации известных авторов из США и Англии. Среди них А. Хэддок, Н. Ватсон, В. Скотт, Д. Мэннинг, М. Рассел, Д. Андертон и др.

Дизельный двигатель и проблемы совершенствования его акустических показателей анализируются в специальных обзорах по материалам российской и зарубежной печати. Большой практический интерес представляют работы, определяющие общие пути развития данного научного направления и ставящие перед собой задачи анализа путей и методов доводки виброакустических характеристик дизелей.

Во всех известных работах отмечается, что дизель представляет собой сложный интегрированный источник шума. Шум поршневого ДВС является следствием протекания совокупности рабочих процессов в цилиндрах, механизмах и системах при осуществлении

последовательности рабочих циклов преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию и далее в механическую работу. Часть этой энергии преобразуется в звуковое излучение.

По общепринятой в настоящее время классификации в ДВС различают источники аэродинамических шумов, генерируемых колеблющимися газовыми средами, и источники структурного шума, определяющих акустическое излучение, производимое колеблющимися элементами поверхностей двигателя. Системы газообмена и выпуска, относящиеся к источникам аэродинамических шумов, являлись изначально объектом пристального внимания ученых и специалистов.

Современный двигатель оборудуется, как правило, достаточно эффективными, с точки зрения шумоглушения, элементами систем выпуска и впуска. Причинами акустического излучения системы впуска являются колебания воздуха в воздухопроводе, в результате чего пиковые значения уровней шума и вибрации в воздуховоде могут достигать 130 дБ [6]. Шум системы выпуска проявляется из-за высоких скоростей истечения газов, обладающих высокой энергией, через горловины выпускных каналов. За клапанами формируется волна давления с высокой амплитудой, что приводит к возбуждению собственных колебаний элементов конструкции системы выпуска и шуму ударной волны, проходящей через систему. Этими явлениями обусловлен достаточно высокий уровень звуковой энергии, генерируемый и излучаемый в окружающую среду.

Установлено, что при работе ДВС звуковая отдача в окружающее пространство достигает величины порядка двух ватт. Интенсивность звукового поля двигателя определяется его эффективными показателями и режимами работы.

Сведения об основных источниках шума поршневых двигателей содержат его спектральные составляющие. По спектральному составу шум ДВС подразделяется:

- низкочастотный (основные энергетические составляющие шума расположены в диапазоне частот от 16 до 300 Гц);

- среднечастотный (основные энергетические составляющие шума расположены в диапазоне от 300 до 800 Гц);

- высокочастотный (основные энергетические составляющие шума расположены в диапазоне от 800 Гц и выше).

На основании имеющихся данных производится их классификация по степени влияния на общий уровень и спектральный состав шума. По укрупненной классификации источником низкочастотного шума являются аэродинамические возмущения среды (шум впуска и выпуска) и колебания наружных поверхностей двигателя. Интенсивность среднечастотных гармонических составляющих определяется шумом, возникающим при работе топливоподающей аппаратуры дизелей и вентиляторов системы охлаждения. Высокочастотный шум возникает в результате вибраций наружных поверхностей двигателя, что является следствием соударения в подвижных сочленениях кривошипно-шатунного механизма, в шестереннатых приводах, при посадке клапанов в седло и т. д. Одним из основных источников высокочастотного шума считают рабочий процесс двигателя.

В практике борьбы с шумом и вибрацией дизелей находят применение:

- активный метод (уменьшение шума и вибраций в источнике их возникновения);

- пассивный метод (изоляция и поглощение воздушного шума и звуковой вибрации, например, звукоизолирующие экраны, капотирование).

Снижение шума двигателей активными методами включает, например:

- установка глушителей шума впуска и выпуска;

-уменьшение колебаний навесных агрегатов двигателей введением дополнительных креплений;

- применение безударных профилей зубьев зубчатых передач и использование шестерен из синтетических материалов;

-смещение оси поршневого пальца относительно оси цилиндра;

- переход к малошумным процессам сгорания;

-повышение жесткости несущих элементов конструкции ДВС;

- применение полимерных и многослойных материалов.

Внедрение отмеченных средств в двигателестроение позволило

снизить интенсивности отдельных составляющих (от 400 Гц и выше) на 2 ... 6 дБ [2, 22, 37, 48, 53, 63, 66, 67], а общего уровня шума на 1 ... 2 дБ. Энергетические уровни шума низкочастотной области спектра практически остались без изменения.

Если проанализировать изменение уровней шума ДВС за последние два десятилетия, можно отметить тенденцию их роста. В общем балансе шума, при этом, выделяется рост интенсивности низкочастотных гармонических составляющих по сравнению со среднечастотными и высокочастотными составляющими спектра. Это обусловлено форсированием двигателей по оборотам и нагрузке и применением конструктивных материалов, обладающих высокими диссипативными свойствами. К этому следует добавить, что в арсенале средств борьбы с высокочастотной вибрацией в настоящее время появился ряд высокоэффективных вибродемпфирующих материалов и мастик на основе органических связующих, применение которых в двигателестроении вполне экономически доступно [57, 62, 65].

Таким образом, в ряд задач по борьбе с шумом дизелей входит задача снижения общих уровней шума, необходимость которого общепризнанна. Она сводится, в основном, к снижению уровней низ�