CC BY
50
ТРАНСПОРТ
Белякин С. К.
Курганский государственный университету. Курган
АКУСТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ НЕЙТРАЛИЗАТОРОВ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Рассматривается метод проектирования комбинированных глушителей шума транспортных средств с помощью матричного метода эквивалентных четырехполюсников. Предложена схема для расчета акустических характеристик фильтроэлементов, преве-дены их матрицы передачи.
Экологические требования, предъявляемые к выпускаемым автомобилям, непрерывно повышаются. Во многих случаях они являются определяющим фактором при оценке конкурентоспособности автомобилей. Для выполнения норм на выбросы вредных веществ (Правила № 49, 83 ЕЭК ООН) автотранспортные средства необходимо оснащать устройствами дополнительной обработки отработавших газов (ОГ). Наиболее распространенными такими устройствами являются нейтрализаторы. Помимо очистки ОГ, нейтрализаторы выполняют функции глушителя шума. Выполнение Правила № 51-03 ЕЭК ООН по шуму без высокоэффективных глушителей невозможно. Акустическая мощность незаглушенного шума выхлопа автомобильного двигателя достигает 10-100 Вт (130-140 дБА) и в десятки, и сотни раз превосходит мощности отдельных источников шума [1]. В связи с тем, что разработка нового глушителя примерно в 10-15 раз дешевле изменения конструкции двигателя с целью снижения его шумности, проблеме акустического расчета глушителей шума уделяется большое внимание.
На начальной стадии проектирования глушителя требуется определить необходимое заглушение. Оно представляет собой разность между незаглушенным и допустимым уровнями глушителя шума, которые обычно измеряются в дБА. Допустимые уровни шума регламентируются в нормативных документах.
Шум систем выпуска ОГдвигателей внутреннего сгорания имеет широкополосный характер. Для определения частотных величин требуемого заглушения необходимо располагать спектрами незаглушенного шума системы выпуска и одним из предельных спектров, рекомендованных Международной организацией стандартизации ИСОТК-43 [2]. Спектр незаглушенного шума системы выпуска может быть рассчитан [3] или измерен. Проведенные нами исследования подтверждают то, что необходимые степени заглушения шума и соотношения между ними в различных частотных областях определяются спецификой шумовых характеристик двигателя, а также требованиями к шуму автомобиля, на котором он устанавливается (рис. 1).
Проектирование глушителей шума является сложной инженерной задачей, включающей в себя необходимость решения не только газодинамических и акустических проблем, но и вопросы обеспечения необходимых эксплуатационных характеристик систем. При решении подобных задач технической акустики используют мате-
матические модели акустических процессов. Они позволяют математически описать и охарактеризовать процессы возмущения, излучения и распространения шума, а также анализировать возможные методы влияния на акустические процессы. Математическое моделирование позволяет определить аналитические связи амплитудно-частотной характеристики передачи глушителя и его входного сопротивления со структурной схемой глушителя и его геометрическими параметрами, а также проводить оптимизацию разрабатываемой конструкции, исходя из величины, частотного диапазона необходимого снижения шума выпуска и заданной формы скоростной характеристики двигателя.
-Окгавный спектр незаглушенного шума выпуска автобуса КАВЗ-39769, измеренный в
соответствии с методикой Правила № 51 ЕЭК ООН - Допустимый предельный спектр внешнего шума обеспечивающий общий уровень 78 ДБА
Желательный спектр шума выпуска, при котором он не оказывал бы влияния на внешний шум автомобиля Требуемое заглушение
Рис. 1. Определение величины требуемого заглушения
Анализ литературы показал, что для математического моделирования глушителей наиболее приемлем матричный метод эквивалентных четырехполюсников. При матричном методе анализа система представляется как некий «черный ящик», имеющий вид четырехполюсника, на вход которого подаются два различных сигнала и с выхода снимаются два сигнала той же физической природы, что и на входе.
Глушитель как линейный четырехполюсник в общем случае распространения плоских звуковых волн может быть описан матричным уравнением, связывающим акустическое давление РД11) и линейную колебательную скорость частиц среды Ц^) на входе и выходе Р2(^, через коэффициенты матрицы передачи Т Тп, Т„, Т„
ГР.М1 т т 1 А 1 В
РАЛ. т т - С о _ РМ
(1)
Коэффициенты матрицы передачи используются для расчета акустической эффективности глушителя в виде спектральных характеристик. Матричный метод позволяет представить конструкцию глушителя в виде цепочки N последовательно соединенных элементарных четырехполюсников. Результирующая матрица передачи получается путем перемножения матриц передачи отдельных элементов глушителя [4]:
т 1 А т 1 в т 1 А\ т 1
т _ с т о _ т _ С1 т
Т Т
1 А2 1 В
т т
-*- Г"-> 1 п
т т
1 Ш ±В1
т т
-*- п\т 1 ГУ
(2)
В процессе проектирования производится рациональная компоновка глушителя из правильно подобранных и (или) вновь созданных элементов в целях обеспечения заданной акустической эффективности в диапазо-
нах частот, определенных ранее.
На рисунке 2 конструкция нейтрализатора представлена в виде последовательности десяти элементов. В работах исследователей уже описан ряд типовых элементов, используемых при проектировании реактивных глушителей шума, приведены матрицы передачи участка прямой трубы (элементы 1,3,7,9, рис. 2) [5], круглого концевого отверстия (элемент 10) [6], элементов с внезапным расширением (элемент 2) и внезапным сужением (элемент 8) [6].
dА = d -Jn ,
(3)
где о - пористость фильтроматериала;
¿Ф
- средняя по длине площадь пор в поперечном сечении фильтроэлемента; - площадь поперечного сечения фильтроэлемента.
1 2 3 4
' / v
К
Uu Uj
Рис. 2. Схема нейтрализатора
Однако существующая методика акустического моделирования глушителей шума с помощью метода передаточных матриц не учитывает звукопоглощение в блоках каталитических нейтрализаторов (элементы 4,5,6). Исходя из этого ряд типовых элементов глушителей шума был дополнен отрезком канала с внутренним звукопоглощением [7].
Предложена схема для расчета акустических характеристик фильтроэлемента (рис. 3).
С точки зрения акустики фильтроэлемент может быть представлен в виде последовательно расположенных элементов: входной канал (1), скачкообразное сужение (2), отрезок канала с «особыми» свойствами (3), скачкообразное расширение (4), выходной канал (5). Диаметр
канала с/ф определяется по формуле:
Рис.3. Схема для расчета акустических характеристик фильтроэлемента
При выводе матриц передачи элементов были решены в алгебраической форме одномерные линейные уравнения неразрывности, движения в форме Эйлера, уравнение состояния, сохранения количества движения, уравнение Бернулли.
Матрица передачи входного торца (элемент 4, рис. 2) имеет вид:
KJhM2 2М„
(l + 2/Ц )Zh2 1 + 2/Ц
(4)
Матрица передачи блока (элемент 5, рис. 2) нейтрализатора:
cos(кстЬф) ± sin(кстЬф) -^sin {кстЬф)
jZ'hsm(kcmL0) соs(kcn,L0) + aK^L sin (кстЬф)
(5)
Матрица передачи для выходного торца (элемент 6, рис. 2):
1 1
KdZh3M3
2М,
(l + 2М2 )Z;e 1 + 2М2
(6)
где -характеристический импеданс блока нейтрализатора, Тю -характеристический импеданс канала после нейтрализатора, числа Маха газового потока в канале до и после блока соответственно; М2- среднее число Маха
потока в блоке; ос- удельный коэффициент поглощения ЗПМ; Ки, Кй -коэффициенты местных потерь давления на
/ -\k + ja/
торцах блока, LH- длина нейтрализатора; Кст ~ I / 1+А/2 J " конвективное волновое число, учитывающее
перенос звуковых волн потоком; к =
волновое число при распространении звука в неподвижном газе; j
мнимая единица.
СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 1
173
В приведенных формулах верхний знак используется в случае распространения звуковых волн по течению газа, нижний - против течения.
Коэффициенты матрицы передачи в уравнениях учитывают не только движение газовой среды, но и потери акустической энергии при прохождении звуковых волн по нейтрализатору.
Разработанная методика акустического расчета блока фильтроэлемента обеспечивает решение важной прикладной задачи - проектирование комбинированных глушителей шума. Она позволяет достаточно точно рассчитать на стадии проектирования акустические характеристики комбинированных реактивно- диссипативных глушителей с блоками нейтрализации ОГ, снизив тем самым объем доводочных работ.
Список литературы
1. Старобинский Р.Н. Теория и синтез глушителей для впускных и
выпускных систем двигателей внутреннего сгорания: Дисс.... д-ра техн. наук. - Тольятти: ТПИ, 1982. - 333 с.
2.Борьба с шумом/Под ред. Е.Я. Юдина. - М.: Стройиздат, 1964.
3.Разумовский М.А. Прогнозирование шумовых характеристик поршневых двигателей. - Минск: Высшая школа, 1981. - 39 с.
4. Салливан Дж. У. Моделирование шума выхлопной системы двигателя
//Аэрогидромеханический шум в технике/Пер. с англ. - М.: Мир, 1983,- С.233-256. б.Комкин А.И., Тупое В.В. К расчету акустических характеристик
глушителей шума//Вестник МГТУ. Серия «Машиностроение».-1994. -№3. - С. 118-124.
6. Ткаченко Ю.Л. Разработка и внедрение методики акустического расчета
реактивных глушителей шума транспортныхсредств:Дисс. ...канд. техн. наук. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998,- 148 с.
7,Белякин С.К. Разработка метода акустического расчета комбинированных глушителей шума транспортных средств: Дисс.... канд. техн. наук. - Курган: Курганский гос. ун-т, 2000,- 189 с.
Бел я кин С. К., Гулезов A.C. Курганский государственный университету. Курган
ПРОГРАМНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ КОМБИНИРОВАННЫХ ГЛУШИТЕЛЕЙ ШУМА
Представлена автоматизированная программа реализации метода акустического расчета комбинированных глушителей шума, обеспечивающая решение важной прикладной и научно-исследовательской задачи проектирования высокоэффективных глушителей шума с наименьшими затратами времени и материальных средств.
Шум системы выпуска отработавших газов двигателей внутреннего сгорания является одним из факторов, определяющих конкурентоспособность автомобилей на мировом рынке [1]. Необходимость математического моделирования физических процессов, происходящих в глушителях, очевидна, поскольку не требуется много времени на проектирование, изготовление и испытание опытного образца глушителя. Кроме того, можно оптимизировать имеющуюся схему глушителя, изменяя его параметры, чтобы получить требуемую эффективность.
В настоящее время для расчета акустических характеристик глушителей шума широко используется матричный метод эквивалентных четырехполюсников. Этот метод позволяет связать звуковое давление и колебательную скорость частиц среды (линейную, объемную или
массовую) на входе глушителя со звуковым давлением и колебательной скоростью на выходе через матрицу передачи глушителя, рассматриваемого как эквивалентный четырехполюсник. При этом любая конструктивная схема глушителя представляется в виде последовательного соединения л -го числа различных составляющих элементов. Свойства любого глушителя шума описываются его матрицей передачи, состоящей из комплексных коэффициентов ТА, TD.
Каждый элемент характеризуется набором геометрических и физических параметров и описывается соответствующей матрицей передачи. Результирующая матрица передачи всего глушителя в целом будет представлять собой произведение матриц передачи отдельных составляющих элементов [2].
Зная коэффициенты матрицы передачи глушителя, можно рассчитать его акустическую эффективность, определив вносимые потери, характеризующие акустические свойства данной конструкции [3].
f |Re(Zrl) IL = 20 lg —^^ B[l(Re(Zrj2)
где Zs - внутренний импеданс источника шума; Zr1 и Zr2 -импедансы,определяемые условиями излучения звука концевыми отверстиями источника и глушителя.
Исследователями определен ряд типовых элементов, составляющих большинство конструкций глушителей шума, проведено их математическое описание в удобном для проведения расчетов виде [3,4]. Изменяя параметры отдельных элементов, получаем оптимальную конструкцию глушителя. Для исследования влияния различных параметров на эффективность глушителя авторами была разработана автоматизированная программа расчета Ecosl Для реализации данного проекта на основе введенных пользователем значений базовых параметров было выбрано Delphi 3.0. Вся база данных находится в одном файле, к ней возможен быстрый доступ, кроме того, она может находиться на сервере.
При визуальном создании схемы глушителя пользователь задает перечень типовых элементов, их геометрические размеры и другие, необходимые для описания элементов параметры. Программа при создании нового элемента включает его в связный список элементов и в дальнейшем отслеживает изменение всех его параметров. Расчет матриц передачи элементов производится по следующему алгоритму:
- распределяется массив записей, причем число записей равно количеству параметров элемента;
- для каждого параметра из списка элементов извлекается формула расчета. Потом вызывается главная функция анализатора ConvertString с этой формулой в качестве параметра. После вызова этой функции во внутренних структурах математического модуля остается Р-код этой функции, количество и тип ее аргументов;
- так как порядок задания параметров соответствует порядку их вычисляемости, для каждого параметра задаются начальные значения;
- вызывается функция Crazy Optimize, которая и возвращает результат;
- результат помещается в значение параметра, для которого извлекалась формула;
- все повторяется до момента вычисления значений матрицы передачи ТА, Т# Т0 TD.
После расчета матрицы передачи рассчитывается акустическая эффективность глушителя. В случае необходимости изменяется ряд параметров и расчет повторяет-
TAZra+TB+Zs(TcZra+TD)
ZS+Zr, 1
,(1)
