Улучшение шумовых характеристик тракторного дизеля на основе акустического совершенствования его системы выпуска тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 11.00.11, кандидат технических наук Мустафа Аммар Мухамед

• Мустафа Аммар Мухамед
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мустафа Аммар Мухамед

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Перечень условных сокращений

ВВЕДЕНИЕ

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

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

1.2. Механизм формирования шума выпуска двигателя

1.3. Методы расчета систем выпуска с глушителями шума

1.4. Заключение и постановка задач исследования

Глава 2. МЕТОД РАСЧЕТА РЕЗОНАТОРНОГО ЭЛЕМЕНТА

ГЛУШИТЕЛЕИ ШУМА ВЫПУСКА ДИЗЕЛЕЙ

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

2.2. Расчетная модель концентрического резонатора глушителя шума выпуска дизеля

2.3. Основные выводы по главе 2

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

3.1. Основные задачи экспериментальных исследований

3.2. Экспериментальная установка и оборудование

3.3. Методика экспериментальных исследований

3.4. Оценка погрешностей измерений

\

\

\

Глава 4.АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРСТИК СИСТЕМ ВЫПУСКА ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ

4.1. Анализ достоверности разработанного метода расчета концентрических резонаторов

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

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

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

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 диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение шумовых характеристик тракторного дизеля на основе акустического совершенствования его системы выпуска»

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.

Заключение диссертации по теме «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», Мустафа Аммар Мухамед

Основные результаты и выводы

1. Разработаны научно обоснованные принципы построения уточненной расчетной модели резонансных устройств для снижения мощности акустического излучения, вызванного процессом выпуска дизеля.

2. Предложен метод расчета концентрических резонаторов, учитывающий влияние газодинамических характеристик потока отработавших газов в системе выпуска на массово-диссипативные свойства перфорации.

3. Разработаны алгоритм и процедура комплексного расчетно-экспериментального метода исследования спектральных компонентов падающей (прямой) волны давления в системе выпуска дизеля.

4. По результатам исследования разработаны рекомендации по выбору рационального конструктивного оформления резонансных элементов глушителей шума от процесса выпуска дизелей.

5. На базе предложенного метода и разработанных рекомендаций создан приоритетный опытный образец глушителя шума с повышенной акустической эффективностью, обеспечивающий по сравнению с серийным вариантом дополнительное заглушения шума на выпуске тракторного дизеля Д-4601 на 2.1 дБ по общему уровню и на 2.0 дБ А по шкале «А».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мустафа Аммар Мухамед, 1999 год

Список использованной литературы

1. Разумовский М.А. Борьба с шумом на тракторах. -Минск : Наука и техника, 1973. -84 с.

2. Луканин В.Н. Шум автотракторных двигателей внутреннего сгорания. -М. : Машиностроение, 1971. -234 с.

3. Луканин В.Н., Гудцев В.Н., Бочаров Н.Ф. Снижение шума автомобиля. -М.: Машиностроение, 1981.-305 с.

4. Справочник по тракторным дизелям / Под ред. В.А. Взорова. М. : Машиностроение, 1987. -389 с.

5. Григорьян Ф.Е. Расчет и проектирование глушителей шума энергоустановок. -Л.: Энергия, 1980. -403 с.

6. Старобинский Р.Н. Математическое обеспечение инженерных расчетов шумов от систем впуска и выпуска // Деп. Рук. НИИНавтопром. -Рег.№ Д 586. -Тольяти, 1980. С.23-34.

7. Борьба с шумом на производства. Справочник / Под ред. Е.Я. Юдина. -М. : Машиностроение, 1985. -308 с.

8. Инзель Л.И. Основы глушения шума выхлопа двигателей внутреннего сгорания. -М. : Машгиз, 1949. -406 с.

9. Разумовский М.А. Прогнозирование шумовых характеристик поршневых двигателей. -Минск : Высшая школа, 1981. -38 с.

Ю.Шапиро Б.К. Основы Расчета глушителей шума выхлопа // Тр. ЦИАМ. -1968. -№47. С.4-15.

П.Юдин Е.Я., Строкин A.A. Расчет шума незаглушенного выпуска двухтактного мотоциклетного двигателя // Тр. МВТУ. Вып.1. -1973. С.43-53.

12.Davis O.D., Stokes G.M., Moore D., Stevens G.L., "Theortical and experimental investigation of mufflers with comments on engine exhaust muffler design". NASA 1192. 1954.

1 З.Ленин И.М. Автомобильные и тракторные двигатели. -М. : Высшая школа, 1976. -407 с.

И.Ивин В.И., Васильев Л. А. Структура и интегральные характеристики потока в выпускном канале двигателя при стационарных и нестационарных условиях // Двигателестроение. -1985. -№ 1. СЛ4-17.

15.Lighthill M.I. On the energy seattered from the interaction of turbulence with second or shock waves. Proc. Cambridge Phil. Soc/49 1953. P. 531-557.

16.Kerrebrock J.L. The interaction of flow discontinuities with small disturbance in a compressible fluid. Ph. D. Thesis calif inst. Tech. 1956. 134 p.

17.Ribner H.S. Acoustic energy from shock-turbulence interaction. J. Fluid mech. Vol 35.2/ 1969. P. 299-310.

18.Мунин А.Г., Кузнецов B.M., Леонтьев E.A. Аэродинамические источники шума. -М.: Машиностроение, 1981. -248 с.

19.Тузов Л.В. Глушители шума в отечественном и зарубежном дизелестроение. -М.: Машиностроение, 1989. -204 с.

20. Аэродинамический шум в технике / под ред. Р.С. Хикменга. -М. : Мир, 1980. С. 233-256.

21.Баженов Д.В., Баженова Л.А., Римский-Корсаков А.В. Влияние турбулентности набегающего на тело потока на интенсивность излучения вихревого звука // Акустико-аэродинамические исследования АН СССР. -М. : Наука, 1975.-101 с.

22.Борьба с шумом под ред. Е.Я. Юдина. -М. : Стройиздат, 1964. -407 с.

23.Ефимов Б.M. Моделирование колебаний и акустического излучения пластин в турбулентном пограничном слое // Тр. ЦАГИ. -Вып. 1539. -С. 64-73.

24.Серов JI.M. Методы размерностей и подобия в механике. -М. : Гостехтеориздат, 1957. -375 с.

25.Stewart G.W. Acoustic wave filters // the phisical review. -1922. -V.xx. -№ 6. -P. 528-551.

26.Clude Martin. Problem der dampfung des fbspufteballes der krafifahzengmotoren. -1983. -183 p.

27.Лепендан Л.Ф. Акустика. -M. : Высшая школа, 1978. -402 с.

28.Андреев Н.Н. К расчету глушителей для моторов внутреннего сгорания // ЖТФ. -Вып. 6. -1946. -С.38-42.

29.Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. -М. : Наука, 1969.-823 с.

30.Авиационная акустика. Том 1, том II / Под ред. А.Г. Мунина. -М. : Машиностроение, 1989. -242 е., 258 с.

31.0лсон Г.Н. Динамические аналогии. -М. : ИЛ, 1968. -587 с.

32.Осипов Г.Л. Измерение шума машин и оборудования. -М. : Комитет стандартов, 1968. —124 с.

33.Alfredson R.J., Davies P.O. A.L. "The design of silencers for internal combustion engine " // Jour. Sound and Vib. -15. -№2. -389-408 p.p.

34. Alfredson R.J., Davies P.O. A.L. Performance of exbaust silencer components // Jour. Sound and Vib. -15. -№ 2. - 175-196 p.p.

35.Mutgala B.R.C.? Soedel W. Mathematical model of helmholtz resonator type gas oscillation discharges of tow-stroke cgell engines // Jour. Sound and Vib. -41. № 4. - 479-491 p.p.

36.Мунир Хабиба, Ежов С.П. Методы расчета мощности акустического излучения в момент критического выпуска // 46-ая н.-т. конференция МАДИ : Тезисы докл. -1988. С. 34-35.

37.Луканин В.Н. Акустические качества быстроходных двигателей // Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания : Тр. МАДИ. -М., 1978. -С. 85-89.

38.Момонтов М.А. Некоторые случаи течения газа по трубам, насадкам и проточным сосудам. -М. : Машиностроение, 1951. -491с.

39.Старобинский Р.Н. Теория и синтез глушителей шума для систем впуска и выпуска газов двигателей внутренего сгорания : Дис.... Док. Техн. Наук. -М., 1982.

40.Старобинский Р.Н. Волновые матрицы и эквивалентные представления глушителей // Борьба с шумом : Всесоюзная конф. По борьбе с шумом и вибрацией. -Челябинск, 1980. С. 298-300.

41. Young C.I. J., Croker M.J.? Prediction of transmission loss in mufflers by the finite-element method // Jour. Acoust. Soc. Am. -57. -№1. 1975.-144-148 p.p.

42.Craggs A.A. Finite element method for damped acoustic systems: An application to evaluate the performance of reactive mufflers // Jour. Sound and Vib. -48. -№ 3. -1976. -377-392.

43.Parrott T.L.? An improved method for design of expansion-chamber with application to an operational helicopter // NASA. TND- 7309.

44.Скучик Е.И., Основы акустики. -M. : Мир, 1976. -546 с.

45.Методика расчета концентрических резонаторов глушителей шума выпуска ДВС / Гольнев B.C., Турмачев В.В., Фомин В.М., Ермолович И.В., Мустафа A.M. // Тракторы и сельскохозяйственные машины. -1998. -№ 5. - С. 34-38.

46.Скуридин А.А., Михеев В.М. Борьба с шумом и вибрацией судовых ДВС. -Л.: Судостроение, 1970. -435 с.

47.Остроумов Г.А. Основы нелинейной акустики. -Л. : ЛГУ, 1987. -132 с.

48.Луканин В.Н. Классификация излучателей акустической энергии в ДВС / Тр. МАДИ. -Вып. 162. -М., 1978. -С. 145-150.

49.Изотов А.Д., Скобцев E.H., Тузов Л.В. Методы снижения вибраций и шума дизелей. -Л. : Машгиз, 1962. - 320 с.

50.Искович М.А. Общая акустика. -М. : Наука, 1973. -453 с.

51.Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерение в судостроении. -Л. : Судостроение, 1968.-245 с.

52.Коваль И.А., Симеон А.Э., Гильман Л.С. Шумообразование в выпускной системе ДВС // Двигателестроение. М. -№ 9.-С.58-60.

53.Девис Г.Н. современная акустика. М.: Мир, 1962. -478 с.

54.Дженкинс Г.Н., Вайс Д.И. Спектральный анализ и его приложение. -М.: Мир, 1971.-654 с.

55.Блохинцев Д.И. Акустика неоднородной движущейся среды. -М. : Наука, 1981.-206 с.

56.Гиневский A.C., Власов Е.В., Колесников A.B. Аэроакустические взаимодействия. -М. : Машиностроение, 1987. -177 с.

57.Аэрогидродинамический шум в технике / Под ред. Р. Хиклинга. -М. : Мир, 1980. -333 с.

58.Блохинцев Д.И. Возбуждение звука потоком. -М. : Гостехиздат, 1956.-235 с.

59.Беранек Л.Р. Акустические измерения. -М. : Наука, 1982. —432 с.

60.Суворов Г.А., Лихницкий A.M. Импульсный шум и его влияние на организм человека. -Л.: Медицина, 1975.-321 с.

61 .Белл А. Шум : Профессиональная вредность и общественное зло. -М. : Мир, 1978.-132 с.

62.Карагодина И.Л. Борьба с шумом и вибрацией в городах. -М. : Медицина, 1979.-180 с.

63.Егоренков Б.А. Нормирование и оценка шума ДВС // Автомобильная промышленность. -1985. -№ 7. - С. 25-26.

64.Енукидзе Б.М., Тольский В.Е. Проблемы снижение шума и вибрацийАТС//Автомобильная промышльность.-1985-№7.-С.1-3.

65.Алексеев И.В. Проблемы акустической доводки ДВС // Двигателестроение. -1982. - № 3. -С. 55-57.

66.Терёхин А.С. Влияние уровня звукового давления на акустическую эффективность глушителей шума // Труды МВТУ.

- М. : Машиностроение, 1978. - № 273. -С. 23-27.

67.Design and applications in diesel engineering // S/D/ Haddad? N/ Watson, etc. -New York : Ellis Horwood limited. -1984. - p. 339.

68 Jngard K.U. On the theory and design of acoustic resonators // JASA, 1953. - Vol. 25. - № 6. P.p. 1037-1061.

69.Morse P.M., Ingard K.U. Theoretical acoustics. New York : Me graw-Hill Book Company, 1968. -V. XIX. P. 927.

70.Аэродинамика / Сб. тр. под редакцией А.В. Римского-Корскакова.

- Наука, М. : 1980.

71.Гольнев B.C. , Фомин В.М., Мустафа A.M. методика расчета концентрических резонаторов глушителей шума выпуска ДВС // Тракторы и сельскохозяйственные машины. -1998.-№ 5.-С.14-17.

72.Преображенский В.П. Технические измерения и приборы, М. : Энергия, 1987. -703 с.

73.Гутер Р.С., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. М. : Наука, 1990.

- 275 с.

74.Ржевкин С.И. К вопросу о присоединенной массе в неоднородных акустических волноводах // Акустический журнал. -1965. -Т.Н. -№ 3. - С. 371-379.

75. Турмачёв В.Ф., Мустафа A.M. , Фомин В.М. Глушитель шума выпуска двигателя внутреннего сгорания // Патент РФ№99104995.-1998.