НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Федоров Володимир Вікторович

УДК 621.43.065; 629.113/.115

ПОКРАЩАННЯ ЕКОЛОГІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ

АВТОТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ

ЗА РАХУНОК ЗМЕНШЕННЯ ЇХ РІВНЯ ЗОВНІШНЬОГО ШУМУ

Спеціальність 05.22.02 — Автомобілі та трактори

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Київ

Науковий керівник : | доктор технічних наук, професор

САХНО Володимир Прохорович,

Національний транспортний університет, завідуючий кафедрою „Автомобілі”

Офіційні опоненти : | доктор технічних наук, професор

КУРНІКОВ Іван Петрович,

Національний транспортний університет, завідуючий кафедрою „Виробничі системи і сервіс на транспорті”

кандидат технічних наук, професор

МАРЧУК Микола Михайлович,

Український державний університет водного господарства та природокористування, завідуючий кафедрою “Автомобілі та автомобільне господарство”

Провідна установа : | Національний аграрний університет Кабінету Міністрів України, кафедри “Трактори і автомобілі” та “Експлуатація машин та інженерний менеджмент”, м. Київ

Захист відбудеться 25 червня 2004 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .059.03 в Національному транспортному університеті за адресою : 01010, м. Київ-10,  вул. Суворова, , ауд. 333.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного транспортного університету за адресою : 01103, Україна, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий 21 травня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради Посвятенко Е.К. 

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Автомобільний транспорт представляє велике значення для народного господарства України. Він є досить конкурентноспроможним у порівнянні з іншими видами транспорту, а в деяких областях народного господарства — лідируючим. Крім позитивних характеристик автотранспортні засоби (далі — автомобілі) мають, і негативні. Однією з негативних характеристик автомобілів є шумове забруднення довкілля.

Шум автомобілів досить негативно впливає на здоров’я людей, особливо у містах. За останнє десятиліття в Україні значно зросла кількість автомобілів і щільність транспортних потоків. Україна ввела Правила ЄЕК ООН, що знизило допустиму межу рівня шуму на (3  ) дБА. Тому проблема шумового забруднення автомобілями довкілля стала більш актуальною.

Автомобіль є складною акустичною системою, що складається з багатьох окремих акустичних джерел. Одним із основних джерел шуму автомобіля є відпрацьовані гази двигуна. Тому одним із засобів по зменшенню шуму автомобілів є боротьба саме з цим джерелом шуму за рахунок використання глушників шуму відпрацьованих газів двигунів.

Останнім часом досягнуто значних успіхів в створенні ефективних глушників шуму автомобільних двигунів. З іншої сторони ще не можна вважати, що існуючі глушники повністю відповідають вимогам, які до них пред’являються, перш за все в плані шумопридушуючої ефективності.

Тому актуальною є задача вдосконалення існуючих глушників шуму відпрацьованих газів шляхом створення принципово нових конструкцій глушників, в яких будуть використовуватись крім відомих принципів шумопридушення й нові, а також по новому використовуватись відомі принципи шумоглушіння.

Звязок роботи з науковими програмами, темами. Робота виконана в рамках НДР „Дослідження механіки та енергетики автомобілів і автопоїздів” № держреєстрації U003346, що виконується кафедрою „Автомобілі” Національного транспортного університету.

Мета роботи — покращання екологічних показників автотранспортних засобів за рахунок зменшення їх рівня шуму, що досягається вдосконаленням конструкції глушників.

Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні задачі :

1. Проведено аналіз існуючих конструкцій глушників відпрацьованих газів ДВЗ автомобілів. Проведено класифікацію глушників шуму відпрацьованих газів ДВЗ.

2. Розроблено алгоритм вибору глушників шуму відпрацьованих газів ДВЗ.

3. Розроблено математичну модель для визначення акустичної ефективності запропонованого глушника шуму та проаналізовано складові формули, яка описує дану математичну модель.

4. Створено комплексний глушник шуму відпрацьованих газів ДВЗ.

5. Проведено експериментальні дослідження спроектованого глушника.

Обєкт дослідження — автотранспортний засіб з системами впуску і випуску відпрацьованих газів та глушіння їх шуму.

Предмет дослідження — глушник шуму відпрацьованих газів двигуна внутрішнього згорання автотранспортного засобу.

Методи дослідження. В дисертаційній роботі використані аналітичні методи для визначення складових шуму та експериментальні методи для визначення ефективності окремо взятого глушника та ефективності глушника в цілому.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному :

- запропоновано математичну модель для визначення акустичної ефективності комплексного глушника шуму та проаналізовано складові формули, яка описує дану математичну модель;

- на ідентичності фізичних процесів, що протікають в процесі шумоглушіння, виконана класифікація глушників шуму;

- доведена необхідність враховувати ефект Доплера при дослідженні зовнішнього шуму автомобіля, в результаті чого уточнена формула для визначення частоти шуму відпрацьованих газів ДВЗ;

- запропоновано спосіб визначення швидкості звуку у відпрацьованих газах ДВЗ за допомогою вимірювання затухання акустичних хвиль без глушника та з глушником.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена методика розрахунку реактивних глушників шуму з метою поліпшення їх ефективності та екологічних показників ДВЗ. Запропонована послідовність зєднання елементів глушника, яка забезпечує його найбільшу акустичну ефективність при використанні на ДВЗ автотранспортних засобів. Захищений патентом газовий екран дозволить підвищити ефективність глушника. Захищений патентом глушник впроваджено на ДВЗ електрозварювального агрегату АДД виробництва ЗАТ “ІНТЕРТЕХСЕРВІС”, який знаходився в експлуатації ДКП “Київгаз”.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, що виносяться на захист, отримані здобувачем самостійно та опубліковані у 8 наукових працях та в тезах доповідей 60-ї (Київ, 2004 р.) наукової конференції професорсько-викладацького складу і студентів НТУ. В роботах, у співавторстві, здобувачу належать : в роботі [1] — положення вимірювання не лише загального рівня шуму автомобіля, але й спектральної щільності його потужності; [2] — спосіб визначення швидкості звуку у відпрацьованих газах двигуна внутрішнього згорання; [3] — класифікація глушників шуму; [4] — необхідність зменшення методологічної похибки при вимірюванні зовнішнього шуму автотранспортних засобів; [5] — наявність залежності частоти шуму відпрацьованих газів двигуна внутрішнього згорання від його параметрів; [6] — пропозиція пунктів 1, 2, 3 і 4 формули винаходу при створенні конструкції глушника; [7] — викладення матеріалу в представленій послідовності при створенні методики розрахунку глушників; [8] — пропозиція пунктів 1, 2, 3 і 4 формули винаходу при створенні конструкції глушника.

Апробація результатів роботи.  Основні положення і результати роботи були викладені, обговорені та схвалені на наступних конференціях : 56-й (Київ, 2000 р.), 58-й (Київ, 2002 р.) та 60-й (Київ, 2004 р.) наукових конференціях професорсько-викладацького складу і студентів НТУ, науковій конференції „Проблеми автомобільного транспорту  ” (Київ, ДержавтотрансНДІпроект, 2000).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 8 друкованих роботах (6 статтях у фахових виданнях та в 2 деклараційних патентах України).

Структура та обсяг роботи. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та трьох додатків. Список використаних джерел вміщує 88 найменувань. Робота містить 148 сторінок. Текст ілюструється 54 рисунками, містить 16 таблиць та 3 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, представлено загальну характеристику роботи, перераховано коло задач, які вирішуються, сформульовано мету і задачі дослідження, показано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів дослідження.

У першому розділі показано, що акустичний шум є шкідливим фактором для здоровя людини і з шумом автомобілів необхідно боротись. Згідно ДСТУ UN/ECE R 51-02-2002 для автомобілів встановлені норми шуму лежать в межах 74 80 дБ А в залежності від типу і призначення автомобілів.

Розглянуто основні джерела шуму автомобіля та рівняння акустичного балансу. Встановлено, що основними джерелами шуму автомобіля є ДВЗ, системи газообміну двигуна, вентилятор, ведучі мости, шини. Однією найбільшою складовою у сумарному зовнішньому шумі автомобіля є шум відпрацьованих газів.

Розглянуто існуючі методи дослідження шуму автомобілів. Однією із задач дослідження шуму автомобіля є локалізація зони (або зон), яка вносить найбільший внесок в загальний шум окремого агрегату автомобіля чи автомобіля в цілому. Розглянуто методи дослідження шумності автомобільних шин, аналітичне дослідження впливу параметрів процесу згорання на шум дизеля.

Оскільки шум відпрацьованих газів є одним з найбільших, то особливу увагу приділено цьому виду шуму, з яким борються за допомогою глушників шуму відпрацьованих газів. Проведено аналіз існуючих конструкцій глушників відпрацьованих газів двигунів автомобілів, зроблено висновок про недостатню ефективність існуючих глушників та необхідність створення більш ефективного глушника.

У другому розділі була розглянута математична модель для визначення акустичної ефективності запропонованого глушника шуму та проаналізовані складові формули, яка описує дану модель. Запропонований глушник є комплексним : створений на базі реактивного глушника, має ряд

додаткових компонент (еліптичний поперечний переріз, отвори, канали, сопло).

В ході аналізу були отримані наступні положення.

1. Враховуючи ефект Доплера, зроблено уточнення формули частоти шуму відпрацьованих газів ДВЗ. Ефект Доплера виникає у спектрі шуму відпрацьованих газів, оскільки звукові хвилі, що створюють шум, переміщуються у рухомому середовищі (відпрацьованих газах). До уваги приймався той факт, що напрямок руху звукових хвиль і відпрацьованих газів збігався, а також те, що швидкість звукових хвиль більше швидкості руху відпрацьованих газів на певну величину.

Відома формула частоти спектра шуму відпрацьованих газів ДВЗ має наступний вид:

, | (1)

де — частота обертання колінчастого валу, хв-1;

— кількість циліндрів;

— коефіцієнт тактності.

Запропонована формула буде мати такий вигляд :

, | (2)

де частота шуму відпрацьованих газів з урахуванням ефекту Доплера, Гц;

— частотний зсув внаслідок ефекту Доплера.

Частотний зсув знаходиться наступним чином :

, | (3)

де — частота звуку, який випромінюється (в даному випадку );

— швидкість руху джерела звуку відносно приймача (в даному випадку це швидкість руху відпрацьованих газів у вихлопній трубі); —

кут між джерелом звуку і його приймачем (в даному випадку );

— швидкість звуку в середовищі, де знаходяться джерело і приймач.

З урахуванням усього вищесказаного формула (3) буде мати такий вигляд :

. | (4)

Знаходимо швидкість руху відпрацьованих газів :

, | (5)

де — обєм відпрацьованих газів, які щосекунди входять у глушник (пройшовши тракт від циліндрів двигуна по відвідних трубах), м3;

— площа поперечного перерізу вихлопної труби, м2.

Обєм відпрацьованих газів знаходиться наступним чином :

, |

(6)

де  — робочий обєм циліндра, л;

— коефіцієнт, який враховує зміну об’єму відпрацьованих газів під час їх руху від циліндрів до глушника.

Після ряду перетворень формули (2) з врахуванням формул (1), (4) ? (6) маємо уточнену формулу частоти шуму відпрацьованих газів ДВЗ :

. |

(7)

Застосування формули (7) замість (1) при розрахунках частоти шуму відпрацьованих газів ДВЗ може істотно підвищити точність розрахунку реактивних глушників. Так, наприклад, для ДВЗ італійського виробництва RD точність визначення частоти шуму відпрацьованих газів завдяки врахування ефекту Доплера зросла на 6 %.

2. Запропоновано метод розрахунку швидкості звуку у відпрацьованих газах ДВЗ, завдяки застосуванню якого значно зросте точність розрахунків глушників.

Суть методу полягає в наступному. Для реалізації методу вибирається реактивний глушник певної довжини (рис. 1). Вимірюється рівень шуму відпрацьованих газів ДВЗ без глушника та з глушником для ряду значень частоти шуму відпрацьованих газів, отримується різниця рівнів шуму (ефективність) .

Рис. . Схема реактивного глушника (до визначення швидкості звуку у відпрацьованих газах ДВЗ) :

1, 3 вхідна і вихідна трубки відповідно;

2 порожнина глушника.

З іншої сторони, відомо, що ефективність реактивних глушників вираховується за формулою :

, | (8)

де — коефіцієнт розширення ( площа поперечного перерізу глушника, м2);

— хвильове число, де — частота випромінюваного шуму у відпрацьованих газах, Гц;

— довжина камери розширення глушника, м.

З формули (8) маємо формулу для отримання значень швидкості звуку у відпрацьованих газах ДВЗ :

|

(9)

В формулу (9) почергово підставляються значення частот і відповідні їм рівні звукопоглинання , що були отримані за допомогою вимірювань,

параметри глушника і — відомі. В результаті одержується ряд значень швидкості звуку , які осереднюються. Це і є остаточний результат.

Також швидкість звуку можна отримати за частотою шуму відпрацьованих газів, якій відповідає максимальний рівень шумоглушіння реактивного глушника :

.

Розглядалась залежність точності результатів, що можуть бути отримані за даним методом. Точність результатів залежить від наступних умов :

а) організаційних : дотримання однакових акустичних умов навколо досліджуваного об’єкту, підтримання роботи двигуна в заданому робочому режимі, фіксування мікрофону в заданому положенні у просторі і т. п.;

б) технічних : погрішність частотної характеристики мікрофону, точність роботи всіх блоків вимірювально-обчислювального комплексу і т. п.;

в) параметричних : частота дискретизації та тривалість запису акустичного сигналу.

Наведено опис експериментальної установки для визначення швидкості звуку у відпрацьованих газах двигуна.

3. Досліджено вплив отворів, які використовуються в комплексних глушниках, на ефект шумоглушіння останніх. Елементами багатьох акустичних систем є отвори, через які проходить звук. Використання отворів у запропонованому глушнику дає додаткову ефективність, оскільки відбиття звуку (і газу) від стінок глушника практично не відбувається, тому що звук (і газ) буквально ковзає по еліпсоїдній поверхні глушника (крива на рис. 2) перед тим як дійти до отворів. В цьому випадку з певним наближенням можна говорити про ефект акустичного клину, який підсилює звукопоглинаючі властивості запропонованого глушника. Наближення існує лише тому, що звукопоглинаючі властивості матеріалу, з якого виготовлений глушник (сталь), значно гірші відповідних властивостей традиційних звукопоглинаючих матеріалів.

Рис. . Конструктивна схема комплексного глушника (до пояснення акустичного опору групи отворів)

Було розглянуто формулу, яка описує акустичний опір групи отворів, та зроблено її аналіз.

Було розглянуто вплив ефекту Доплера на результати досліджень зовнішнього шуму рухомого автомобіля. Цей ефект особливо значний для високочастотного вузькосмугового шуму. При швидкості руху автомобіля 60 км/год, під кутом 37  відносно спостерігача частотний зсув Доплера становить для випромінюваної автомобілем частоти звуку 2 кГц — 160 Гц, а для випромінюваної частоти 10 кГц — 800 Гц.

Зовнішній шум автомобіля має багато складових, причому, було доведено, що пріоритетнішою серед них є складова шуму відпрацьованих газів. На основі цього проводились аналітичні дослідження глушників шуму відпрацьованих газів. Перш за все була зроблена класифікація глушників відпрацьованих газів, за допомогою якої було доведено, що оптимальним глушником шуму відпрацьованих газів двигуна є реактивний глушник або комплексний глушник на базі реактивного. Також був представлений алгоритм вибору глушників шуму відпрацьованих газів двигунів автомобілів.

В третьому розділі представлено експериментальні дослідження створеного глушника. Мета досліджень заключалась у наступному :

1) визначення наявності в спектрі шуму відпрацьованих газів крім основної (першої) гармоніки вищих гармонік, енергії яких порівнянні з основною;

2) визначення гармоніки частоти відпрацьованих газів ДВЗ, на яку необхідно розраховувати реактивну складову запропонованого комплексного глушника;

3) визначення шумопоглинаючого ефекту всіх додаткових компонентів глушника : еліптичного поперечного перерізу, отворів, каналів та сопла;

4) встановлення ефективності запропонованого глушника.

Дані дослідження проводились на електрозварювальному агрегаті АДД , який працював на ДВЗ італійського виробництва RD 210. Пріоритетність для проведення даних експериментів була надана агрегату, оскільки у порівнянні з автомобілем він є кращою експериментальною установкою, яку можна з допустимим наближенням вважати стендовою моделлю (при умові знятих кожусі та коробі). Взагалі таку модель агрегату можна вважати “квазічистою”. Абсолютно чистою не можна, оскільки корективи на результати вимірювання все таки були : зі сторони панелі управління, вентилятора та системи впуску.

Дослідження здійснювались в два етапи. На першому етапі визначались рівні шумів відпрацьованих газів зі старим глушником та без глушника на відстані 0,5 м (під кутом 45 ), рівні шумів впуску та вентилятора. Також визначався шум агрегату на відстані 10 м при встановленому старому глушнику та без нього. На другому етапі визначався рівень шуму відпрацьованих газів з новим глушником на відстані 0,5 м (під кутом 45 ) та рівень шуму агрегату на відстані 10 м при встановленому новому глушнику.

В результаті проведених експериментальних досліджень було встановлено :

1) у спектрі шуму відпрацьованих газів крім основної (першої) гармоніки присутні вищі гармоніки, енергії яких порівнянні з основною. Причому, це спостерігалось як мінімум до 7-ї гармоніки включно;

2) розрахунок реактивної компоненти комплексного глушника необхідно здійснювати не лише на основну гармоніку частоти шуму відпрацьованих газів, але й на третю. Це призводить до значної економії затрат при виготовленні глушника та його розміщенні на автомобілі. Так, для двигуна з частотою шуму відпрацьованих газів 50 Гц, проектуванням глушника не на першу гармоніку, а на третю, зменшено поздовжній його розмір втричі або на 1,3 м;

3) встановлена наближена сумарна ефективність додаткових компонентів створеного глушника (еліптичний поперечний переріз, отвори, канали, сопло) (3 8) дБ;

4) ефективність глушника, який застосовувався при випробуваннях на електрозварювальному агрегаті АДД 3001 з ДВЗ RD 210 : а) безпосередня (на відстані 0,5 м, під кутом 45 ) 13 дБ і 14 дБА; б) відносна (відносно старого глушника, на відстані 0,5 м, під кутом 45 ) 5 дБ(А); в) загальна (на відстані 10 м) 3 дБ(А). Застосування глушника на автомобілі ВАЗ-2121 „Нива” привело до зниження акустичної потужності автомобіля на 3 дБ(А) при частоті обертання колінчатого валу 900 хв-1 і на 2 дБ(А) при 3000 хв-1.

На рис. 3 представлені графіки загальної ефективності запропонованого глушника та його ефективності відносно старого глушника в залежності від частоти (виміряно на 0,5 м, 45 ).

В четвертому розділі розглянуто практичне застосування результатів аналітичних досліджень, одержаних у другому розділі.

Рис. 3. Графіки загальної ефективності запропонованого глушника та його ефективності відносно старого глушника (виміряно на 0,5 м, 450)

Перш за все приведено методику розрахунку реактивних глушників, Дана методика включає наступні етапи : 1) розрахунок частоти відпрацьованих газів ДВЗ; 2)  визначення швидкості звуку у відпрацьованих газах; 3) розрахунок площі поперечного перерізу вихлопної труби; 4)  розрахунок довжини реактивного глушника; 5) визначення обєму глушника; 6) визначення розмірів осей еліпсу; 7) визначення ефективності глушника.

Для прикладу застосування запропонованої методики були зроблені розрахунки реактивних глушників для двигуна мод. ЗМЗ-672-11 (використовується на автобусах ПАЗ-672 М, ПАЗ-3201, ПАЗ-3205 та інш.) та для двигуна італійського виробництва RD 210.

Загальний вигляд створеного комплексного глушника представлений на рис. .

Глушник працює таким чином.

Відпрацьовані гази надходять у порожнину між стінкою корпусу 1 і днищами 4 і 5, де одержують можливість розширюватися у всьому обсязі, створюючи “хвильову пробку”. Внаслідок того, що порожнина корпусу в перетині виконана у вигляді еліпсу, а вісь випускного патрубка 6 збігається з першою фокальною віссю еліптичного перетину корпусу, то в силу геометричних властивостей еліпсу, фронт звукового тиску, розповсюджуючись в усі боки від першої фокальної осі, відбивається від внутрішньої еліптичної поверхні розширювальної камери корпусу й організовано переміщується в напрямку другої фокальної осі, втрачаючи ще частину енергії. Після цього потік газу дроселюється через отвори 7 у канали між стінками корпусу 1, 2 і вставками 3, при цьому втрачається ще частина енергії потоку, згладжується пульсація потоку і відбувається інтерференція звукових хвиль сусідніх струменів.

Взаємне розташування вставок 3 виключає прямолінійне або еліптичне проходження фронту звукових складових в силу перекриття траєкторії виступами сусідніх вставок.

Просуваючись між вставками 3, звукові хвилі змушені постійно змінювати напрямок руху, наштовхуючись на стінки вставок 3, у значній мірі втрачаючи енергію. При цьому відбувається інтерференція звукових хвиль.

Через перетин вихідного щілинного отвору сопла 8 гази виводяться широким фронтом.

Висока акустична ефективність глушника забезпечується за рахунок послідовного проходження відпрацьованих газів через акустично ефективні елементи глушника.

Спочатку відпрацьовані гази попадають в порожнину великого обєму, яка працює як глушник реактивного типу, де поглинання звуку відбувається внаслідок утворення “хвильової пробки”, що утруднює проходження звуку на вибраній частоті через інертність маси повітря.

Оскільки порожнина виконана у вигляді еліпсу, а вісь вхідного патрубка збігається з одним із фокусів еліпса, то звукові хвилі розповсюджуються від вхідного фокусу до еліптичної стінки, відбиваються від останньої, сходяться в першому фокусі та розповсюджуються далі назад у випускну трубу.

Рис. 4. Загальний вигляд створеного комплексного глушника :

1 і 2 відповідно внутрішній і зовнішній корпуси еліпсоподібної форми;

3  хвилеподібні вставки;

4 і 5 відповідно заднє і переднє днище;

6 впускний патрубк;

7  наскрізні отвори;

8  вихідне щілинне сопло.

Поділ потоку відпрацьованих газів шляхом дроселювання через отвори 7 дає значне зниження шуму на всіх частотах, тому що отвори згладжують різницю тиску окремих струменів газу і покращують шумоглушіння шляхом інтерференції звукових хвиль сусідніх струменів.

Особливо суттєве глушіння шуму відбувається при проходженні газів по хвилястому каналу, оскільки звуковій хвилі доводиться увесь час змінювати напрямок руху, натикаючись на стінки каналу, тобто стінки вставок 3.

Виконання вихідного отвору у вигляді поздовжньої щілини великої загальної площі зменшує швидкість потоку відпрацьованих газів та їх турбулентність, що різко зменшує шум.

Отже, за акустичною ефективністю при такій компактності елементів шумоглушіння розроблений глушник не має собі рівних.

Безпечний глушник і в пожежному відношенні. При вході в камеру із впускної труби відпрацьовані гази різко зменшують швидкість. Найважчі тверді частки, наприклад, сажі (а саме більш масивні частки здатні зберігати високу температуру, тліти) осідають на дно реактивної камери, звідси періодично видаляються через спеціальний отвір, закритий при звичайній роботі заглушкою. Якщо якась тліюча частка і попаде в отвір 7, то вдаряючись об вставки 3 при русі по хвилястих каналах, вона остаточно згасне.

Було запропоновано додатковий спосіб зменшення шуму відпрацьованих газів ДВЗ : використання газового екрану (рис. 5).

Рис. . Екранний глушник

У запропонованому способі зменшення шуму (газовому екрані) використовувався наступний акустичний ефект. Коли звук і різношвидкісні шари струменю розповсюджуються в одному напрямку, звук повертається в бік шару з меншою швидкістю, а зустрічний звук, навпаки, загинається в бік шару з більшою швидкістю. У запропонованому газовому екрані наявний перший випадок напрямки руху основного струменю, екрану і звуку збігаються. В основному профілі (рис. 6, а), де швидкість газів екрану менша швидкості газу основного струменя, звук виходить назовні струменю, а в “перевернутому” профілі (рис. 6, б) всередину. Тобто, в першому випадку звук виходить в оточуюче середовище, а в другому спрямовується в звукопоглинаючий матеріал екранного глушника, чим збільшується шумопонижуючий ефект глушника.

Розглянемо схему (рис. 7) проходження звуку з основного струменю (індекс 1) через екран (індекс 2) в оточуюче середовище (індекс 3). Вважаючи, що на цій невеликій відстані між зрізом сопла і звукопоглинаючим матеріалом швидкість газу змінюється стрибком від значення до значення , закон заломлення має вид

, | (10)

де і швидкість звуку в основному струмені та екрані відповідно,    кут падіння, кут заломлення.

Рис. . Профілі потоку газіва основний, б “перевернутий”

Рис. . Схема проходження звуку з основного струменю (1) через екран (2) в оточуюче середовище (3)

Після ряду перетворень формула (10) буде мати вид (при умові ) :

. | (11)

Оскільки , то (де ), тобто (11) запишемо як :

. | (12)

Умова відбиття. Граничним випадком є , тобто звукові хвилі не проходять в газовий екран, а йдуть вздовж межі основного струменю і екрану в звукопоглинаючий матеріал екранного глушника.

Таким чином, . Тепер можна визначити для випадку, коли звукові хвилі йдуть вздовж межі основного струменю :

.

Визначимо різницю швидкостей для загального випадку, виходячи з рівняння (12) :

.

Оскільки , то , то для даного випадку можна ввести модуль , тоді

.

Отже, забезпечивши вирахувану різницю швидкостей газів екрану і газів основного струменю, ми направимо всю звукову енергію основного струменю на екранний глушник, чим не допустимо її виходу в оточуюче середовище. Такий захід підвищить ефективність шумоглушіння.

Для визначення ефективності створеного глушника при застосуванні його на автомобілі (визначення рівня зниження акустичної потужності автомобіля) були проведені експериментальні дослідження на автомобілі ВАЗ-2121 „Нива”.

Дослідження глушника на автомобілі здійснювались в два етапи. На першому етапі визначались осереднений рівень звукового тиску, одержаний в результаті вимірювань звукового тиску у контрольних точках навколо автомобіля та рівень шуму відпрацьованих газів зі старим глушником та без глушника на відстані 0,5 м (під кутом 45 ). На другому етапі проводились аналогічні вимірювання з новим глушником.

Застосування нового глушника на автомобілі ВАЗ-2121 „Нива” привело до зниження акустичної потужності автомобіля на 3 дБ(А) при частоті обертання колінчастого валу 900 хв-1 і на 2 дБ(А) при 3000 хв-1.

У додатках наведені копії деклараційних патентів № 31715А “Спосіб глушіння шумів та пристрій для його здійснення” і № 6160 “Спосіб глушіння шумів та пристрій для його здійснення” та довідка про впровадженого комплексного глушника, виготовленого згідно патенту № 31715А .

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішена науково-технічна задача зменшення рівня шуму автотранспортних засобів шляхом вдосконалення конструкції глушників шуму відпрацьованих газів ДВЗ.

Основні наукові результати, висновки та практичні рекомендації роботи можна сформулювати у наступному вигляді.

1. Виконана класифікація глушників шуму відпрацьованих газів за характером фізичних процесів, які протікають в них, а не за конструктивними особливостями. На основі розробленої класифікації створено алгоритм вибору глушника шуму відпрацьованих газів ДВЗ для конкретного автомобіля.

2. Обгрунтована необхідність врахування ефекту Доплера при вимірюванні зовнішнього шуму автомобіля. При швидкості руху автомобіля 60 км/год, під кутом 37  відносно спостерігача частотний зсув Доплера становить для випромінюваної автомобілем частоти звуку 2 кГц — 160 Гц, а для випромінюваної частоти 10 кГц — 800 Гц.

З урахованням ефекта Доплера  здійснено уточнення формули частоти шуму відпрацьованих газів ДВЗ, що в свою чергу істотно підвищує точність розрахунку глушника. Так, для двигуна RD 210 точність визначення частоти шуму відпрацьованих газів завдяки врахування ефекту Доплера зросла на 6 %.

3. Запропоновано метод розрахунку швидкості звуку у відпрацьованих газах ДВЗ, завдяки застосуванню якого зросте точність розрахунків глушників.

4. Визначено порядок розміщення шумопридушуючих елементів у комплексному глушнику шуму з метою одержання найбільшої акустичної ефективності глушника : розширювальна камера з еліптичним поперечним перерізом, отвори, канали, сопло. При даному порядку розміщення елементів досягається максимальний ефект шумопридушення. Конструкція глушника захищена деклараційним патентом України.

5. Проведено експериментальні дослідження запропонованого глушника. Визначено ряд показників, що характеризують його ефективність. Ефективність глушника, який застосовувався при випробуваннях на електрозварювальному агрегаті АДД 3001 з ДВЗ RD 210 : 1) безпосередня (на відстані 0,5 м, під кутом 45 ) 13 дБ і 14 дБА; 2) відносна (відносно старого глушника, на відстані 0,5 м, під кутом 45 ) 5 дБ(А); 3) загальна (на відстані 10 м) 3 дБ(А).

Застосування глушника на автомобілі ВАЗ-2121 „Нива” привело до зниження акустичної потужності автомобіля на 3 дБ(А) при частоті обертання колінчастого валу 900 хв-1 і на 2 дБ(А) при 3000 хв-1.

6. Встановлена наближена сумарна ефективність додаткових компонент створеного глушника (еліптичний поперечний переріз, отвори, канали, сопло) (3 8) дБ.

7. Експериментально підтверджено, що в спектрі шуму відпрацьованих газів крім основної (першої) гармоніки присутні вищі гармоніки, енергії яких порівнянні з основною, причому, це спостерігалось як мінімум до 7-ї гармоніки включно.

Виходячи з цього доказано, що розрахунок реактивної компоненти комплексного глушника необхідно здійснювати не лише на основну гармоніку частоти шуму відпрацьованих газів, але й на третю. Це призводить до значної економії затрат при виготовленні глушника та його розміщенні на автомобілі. Так, для двигуна з частотою шуму відпрацьованих газів 50 Гц, проектуванням глушника не на першу гармоніку, а на третю, зменшено поздовжній його розмір втричі або на 1,3 м.

8. Створена методика розрахунку реактивних глушників, що базується на більш точному розрахунку частоти шуму відпрацьованих газів ДВЗ та визначенні швидкості звуку у відпрацьованих газах. За даною методикою були розраховані глушники для двигунів RD 210 та мод. ЗМЗ-672-11. Точність методики підтверджена результатами експериментальних досліджень.

9. Запропоновано спосіб збільшення ефективності глушника газовим екраном, який створюють навколо вихлопного струменю. Даний спосіб захищений деклараційним патентом України.

10. Захищений патентом глушник впроваджено на ДВЗ електрозварювального агрегату АДД виробництва ЗАТ “ІНТЕРТЕХСЕРВІС”, який знаходився в експлуатації ДКП “Київгаз”.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Федоров В.В., Сахно В.П. Вплив ефекту Доплера на результати вимірювання зовнішнього шуму автомобіля // Автошляховик України. 1998, № 2. С. 23.

2. Сахно В.П., Федоров В.В.  Визначення швидкості звуку у вихлопних газах двигуна внутрішнього згорання. — “Акустичний вісник”, 2000, № 1. — С.   77.

3. Федоров В.В., Сахно В.П. Класифікація глушників шуму // Автошляховик України. 2000, № 2. С. 13 16.

4. Сахно В.П., Федоров В.В. До питання щодо сертифікації транспортних засобів по рівню зовнішнього шуму // Збірник наукових праць “Проблеми автомобільного транспорту”, 2000. — С. 75 79.

5. Федоров В.В., Сахно В.П. Уточнення формули для визначення частоти вихлопу відпрацьованих газів ДВЗ /Автошляховик України. 2001. № 2. С. 25 26.

6. Федоров В.В., Сахно В.П., Капко А.О., Федоров В.А. Спосіб глушіння шумів та пристрій для його здійснення. Деклараційний патент № 31715А, бюлетень “Промислова власність” № 7-II, 15.12.2000 р.

7. Федоров В.В., Сахно В.П. Розрахунок реактивних глушників // Автошляховик України. 2001. № 4. С. 20 21.

8. Федоров В.В., Сахно В.П., Терещенко В.П. Спосіб глушіння шумів та пристрій для його здійснення. Деклараційний патент № 61608 А, бюлетень “Промислова власність” № 11, 17.11.2003 р.

АНОТАЦІЯ

Федоров В.В. Покращання екологічних показників автотранспортних засобів за рахунок зменшення їх рівня зовнішнього шуму. — Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.02 — Автомобілі та трактори. — Національний транспортний університет, Київ, 2004.

В роботі виконано науково-практичне обгрунтування і дослідження важливої задачі зменшення рівня шуму автотранспортних засобів шляхом вдосконаленням конструкції глушників.

Проведено аналіз існуючих джерел шуму автомобілів, методів боротьби з шумом автомобілів, конструкцій глушників шуму відпрацьованих газів ДВЗ автомобілів та зроблено їх класифікацію, яка основана на ідентичності фізичних процесів, що протікають в процесі шумоглушіння. Розроблено алгоритм вибору глушників шуму випуску ДВЗ.

Розроблена математична модель для визначення акустичної ефективності запропонованого глушника шуму. В ході її аналізу було  запропоновано спосіб визначення швидкості звуку у відпрацьованих газах ДВЗ за допомогою вимірювання затухання акустичних хвиль в експериментальній установці без глушника та з глушником, а також  уточнено формулу для визначення частоти шуму відпрацьованих газів ДВЗ шляхом внесення поправки, яка враховує ефект Доплера.

На базі розробленої моделі акустичної ефективності глушника створено комплексний глушник шуму відпрацьованих газів ДВЗ. Для підтвердження його акустичної ефективності проведено експериментальні дослідження на двох експериментальних моделях з ДВЗ : автомобілі та електрозварювальному агрегаті.

Створена методика розрахунку реактивних глушників. Запропоновано додатковий спосіб зменшення шуму відпрацьованих газів ДВЗ за рахунок використання газового екрану.

Ключові слова : автотранспортний засіб, двигун внутрішнього згорання, рівень шуму, глушник шуму, відпрацьовані гази, спектр шуму, акустична ефективність.

АННОТАЦИЯ

Федоров В.В. Улучшение экологических показателей автотранспортных средств за счет уменьшения их уровня внешнего шума. — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.02 — Автомобили та тракторы. — Национальный транспортный университет, Киев, 2004.

В работе выполнено научно-практическое обоснование и исследование важной задачи уменьшения уровня шума автотранспортных средств за счет усовершенствования конструкции глушителей.

Проведен анализ существующих источников шума автомобилей, методов борьбы с шумом автомобилей, конструкций глушителей шума отработанных газов ДВС автомобилей.

Сделана классификация глушителей шума отработанных газов по характеру физических процессов, которые протекают в них, а не по конструктивным особенностям. На основании разработанной классификации создан алгоритм выбора глушителей шума отработанных газов ДВС для конкретных автомобилей.

С целью решения поставленной задачи уменьшения уровня шума автотранспортных средств создан комплексный глушитель шума отработанных газов ДВС. Для аналитического исследования даного глушителя была разработана математическая модель для определения акустической эффективности глушителя. В ходе ее анализа были получены следующие положения :

- уточнена формула частоты шума отработанных газов ДВС за счет внесения поправки, которая учитывает эффект Доплера;

- предложен способ определения скорости звука в отработанных газах ДВС, который реализуется путем измерения затухания акустических волн в экспериментальной установке с глушителем и без глушителя;

- исследовано влияние отверстий, которые используются в комплексном глушителе, на эффект шумоглушения даного глушителя.

Было доказано, что эффект Доплера влияет на результаты исследований внешнего шума движущегося автомобиля.

На базе разработанной формулы акустической эффективности глушителя был создан комплексный глушитель шума выпуска ДВС. Были проведены экспериментальные исследования данного глушителя, в результате которых была подтверждена его эффективность, а также исследован спектр шума отработанных газов ДВС. Экспериментальные исследования глушителя осуществлялись на двух экспериментальных моделях с ДВС : автомобиле и электросварочном агрегате.

Создана методика расчета реактивных глушителей. В данной методике учитывались положения об  уточнении формулы частоты шума отработанных газов ДВС и способе определения скорости звука в отработанных газах ДВС. Представлены примеры расчета реактивных глушителей шума отработанных газов для двигателей моделей RD 210 и ЗМЗ-672-11.

Предложен дополнительный способ уменьшения шума отработанных газов ДВС путем использования газового экрана, который создают вокруг выхлопного потока.

Ключевые слова : автотранспортное средство, двигатель внутреннего сгорания, уровень шума, глушитель шума, отработанные газы, спектр шума, акустическая эффективность.

ABSTRACT

Fedorov V.V. The improvement of ecological parameters of vehicles at the expense of reduction the level of an external noise. Manuscript.

Thesis on obtaining of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.22.02 “Automobiles and tractors”. — National Transport University, Kiev, 2004.

The scientific and practical substantiation is executed in the work and research of the relevant task of reduction the noise level created by vehicles by advancing of a design the new silencers. The analysis of present noise sources of automobiles is held, the methods of noise abatement of automobiles and designs of silencers for the automobiles are offered, their classification, founded on a uniformity and identity of physical processes is executed, which one flow past during damping a noise. The algorithm of selection the silencers for engines is designed.

Worked out the mathematical model of acoustic efficiency of an offered silencer. During its analysis the way of definition of the speed sound in exhaust gasses of engines with the help of measurement of damping of acoustic waves in the trial type without a silencer and with a silencer was offered. The mathematical model for definition of frequency of exhaust gasses of engines is updated by depositing the correction, which one allows for Doppler effect.

On the basis of a designed mathematical model of acoustic efficiency of the silencer are generated an integrated silencer of a delivery of the internal combustion engine. For endorsement of its acoustic efficiency the experimental researches on two pilot models with the automobile engine and on an electric welding unit are held.

The technique of calculation of jet silencers is generated. The padding way of noise reduction of exhaust gasses of engines is offered at the expense of usage of a gas screen.

Keywords: the vehicle, the internal combustion engine, noise level, silencer, exhaust gasses, spectrum of a noise, acoustic efficiency.