Алгоритм выбора концепции снижения шума дВС в составе автомобиля для его реализации в САПР «Поршневые Двигатели внутреннего сгорания» Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.43001.2: 683.3

М. Г. Шатров

Московский автомобильно-дорожный институт (государственный технический университет)

АЛГОРИТМ ВЫБОРА КОНЦЕПЦИИ СНИЖЕНИЯ ШУМА ДВС В СОСТАВЕ АВТОМОБИЛЯ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ В САПР «ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ»

Введение

Качества транспортного средства (ТС) как сложной технической системы достаточно многообразны. Большинство потребительских качеств автомобилей, и в частности экономико-мощностные и массогабаритные показатели, регулируются рыночной конъюнктурой через соответствие спроса и предложения, отражающего интересы отдельных индивидуумов и (или) коллективов общества. Экологические качества, в части токсичности, шума и вибрации, регламентируются законодательно государством, выразителем интересов общества в целом.

Существуют два принципиально отличных технических способа решения задачи:

- снижение уровня шума непосредственно источника;

- установление преграды или поглотителя шума между источником и получателем акустического излучения (отразить волну и направить ее в безопасном направлении, поглотить акустическую энергию).

Практика мирового автостроения выработала единый нормативный документ, регламентирующий предельные показатели транспортных средств - «Правила № 51» ЕЭК ООН, положенные в основу государственных стандартов большинства промышленно развитых стран (в России -ГОСТ 19358). Предписываемая «Правилами» методика определения акустических показателей, а также характерное для автомобиля соотношение между параметрами основных источников его шума предопределяют тот факт, что до 95 % нормативной излучаемой звуковой мощности приходится на его энергетическую установку.

Опыт двигателестроения показал, что доводка по акустическим показателям источников структурного шума двигателей, находящихся в производстве, как правило, экономически нецелесообразна, т. к. при этом требуется коренная реорганизация конструкции элементов, их структуры и процессов, возбуждающих в них звуковую вибрацию.

Экспериментальная доводка ДВС по виброакустическим показателям малоэффективна в связи с тем, что она длительна и дорогостояща, т. к. требует изготовления натурных образцов и соответствующей прецизионной аппаратуры и специальных акустически доработанных и приспособленных помещений.

Моделирование виброакустических качеств ДВС в настоящее время стало определяющим средством формирования его требуемых качеств.

В соответствии с вышеизложенным актуальными в разработке системы моделирования виброакустики автотранспортного средства являются следующие направления работ.

1. Разработка состава и структуры комплекса моделей для подготовки информации по сегменту «Виброакустика ПДВС в составе транспортного средства» информационного пространства ПДВС.

2. Поиск, отбор и адаптация в комплексе существующих моделей по различным аспектам виброакустики ПДВС и транспортного средства.

3. Разработка моделей различных уровней абстракции, требуемых для решения задач виброакустики на разных этапах ЖЦ ТС.

4. Формирование состава структуры единого информационного пространства «Виброакустика ПДВС» с учетом специфики его использования на различных этапах ЖЦ ДВС и транспортного средства.

С позиций системного анализа ДВС в составе транспортного средства первоочередной является разработка следующих моделей различных уровней абстракции, требуемых для решения задач виброакустики на разных этапах его ЖЦ.

1. Модели, позволяющие определить предельно допустимые показатели шума автомобиля и ДВС в соответствии с принятыми и перспективными законодательными ограничениями по их шуму.

2. Модели, описывающие рабочий процесс ПДВС.

3. Модели структурного шума ДВС от рабочего процесса и от перекладок поршня.

4. Модели конструкции корпусных и ненагруженных деталей ДВС.

5. Модели для анализа кинематики и динамики механизмов ДВС.

6. Модели систем ДВС, в первую очередь систем впуска и выпуска.

В связи с этим при выборе тактики акустической доводки двигателя особую актуальность приобретает проблема определения на стадии его разработки акустических характеристик основных источников структурного шума ДВС, таких как рабочий процесс и соударения между сопряжёнными подвижными элементами ДВС.

Разработка подходов к алгоритмизации процесса формирования состава основных источников шума ДВС и выбора путей управления его акустическим излучением в составе транспортного средства

Практика и опыт создания транспортных средств показали, что улучшение экологических качеств (токсичности, шума и вибрации) ДВС без учета автомобиля, в котором двигатель является его подсистемой, обречены на неудачу. Ранее данный аспект практически не актуализировался и в угоду к другим его качествам даже игнорировался, т. к. рамки требований к шуму транспортного средства были достаточно широки. Сейчас возрастающие требования к эффективности и качеству транспортных средств, а также жесткие ограничения на шумовое воздействие на человека делают такой подход единственным, обеспечивающим должный результат.

Базой для достижения потенциальных предельных возможностей по виброакустическим качествам автомобиля, и в том числе ДВС, является баланс звуковой мощности автомобиля, который основывается на предположении о независимости формирующих его источников.

Звуковая мощность, излучаемая автомобилем Рк авт Е, определяется звуковыми мощностями, излучаемыми двигателем РМ1 дВС и другими источниками шума автомобиля РМ1 авт (шум шин, трансмиссии, воздушные потоки, обтекающие автомобиль, и т. п.):

Р = Р + Р

^автЕ ™ДВС ^авт '

В свою очередь, звуковая мощность, генерируемая двигателем Рк дВС, формируется следующими источниками, принципиально отличающимися по природе возникновения:

- структурным шумом от колебаний наружных поверхностей ДВС Р„ ст;

- аэродинамическим шумом от процесса впуска РМ1 вп;

- аэродинамическим шумом от процесса выпуска Рк вып.

Тогда это можно представить в следующем виде:

Р = Р + Р + Р

™ДВС ^ст ^вп ^вып '

Рассмотрим возможности определения показателей структурного шума двигателя, исходя из необходимости обеспечить выполнение заданного норматива на шум автомобиля. Сейчас приняты соответствующие нормативы по допустимому шуму автомобиля в рамках стандарта «Правила № 51» ЕЭК ООН, которым руководствуется автомобильная промышленность всех развитых стран и на которые должна ориентироваться промышленность России.

Анализ проводится в предположении, что автомобиль представляет собой совокупность независимых источников шума, и в частности источников структурного шума ДВС, шума наполнения и шума выпуска.

Поскольку для современного автомобиля априори можно утверждать, что при доведенных системах впуска и выпуска основным источником его акустического излучения является структурный шум, выразим их вклад в суммарный шум автомобиля относительно структурного шума.

С использованием методики измерения шума автомобиля представляется целесообразным рассмотреть вклад каждого из его указанных независимых источников в нормативной точке измерительной полусферы, что соответствует методике экспериментального определения звуковой мощности движущегося автомобиля на мерном участке в соответствии с ГОСТ 19358. При этом нормативный показатель - уровень звука автомобиля ЬА, на расстоянии Я = 7,5 м от оси мерного участка дороги может быть рассчитан в предположении ненаправленного излучения им звуковой энергии в пространство, ограниченное полусферой указанного радиуса.

Структурный шум ДВС, полученный в стендовых условиях в предположении о ненаправленности источника акустического излучения, генерирует звуковую мощность РМ1 ст и создает в нормативной точке изме-

Р_

рительной полусферы интенсивность Jстп _ ——-, где Я - радиус измери-

2пЯ

тельной полусферы вокруг автомобиля.

Учитывая, что на пути распространения звука двигателя, капотированного в моторном отсеке автомобиля, часть звуковой энергии рассеивается в подкапотном пространстве, фактическая интенсивность структурного шума ДВС в точке нормирования составит

Р к Р

J нстф кап нст

2лЯ2 2пЯ2

Здесь ккап _ 10-0,1Д,“ - коэффициент звукопоглощения моторного отсека, представляющий собой долю звуковой мощности источников шума, расположенных в моторном отсеке, выходящей за пределы подкапотного пространства; Д£кап - величина снижения звуковой мощности структурного шума ДВС за счет его капотирования в моторном отсеке.

Величина звукопоглощения задается в техническом задании на разработку автомобиля и может варьироваться в пределах от 3 до 20 дБ, что перекрывает диапазон от акустически не обработанного моторного отсека до отсека в виде герметичной капсулы.

Она определяет в дальнейшем стратегию виброакустической доводки автомобиля, т. к. требуемая величина Jст ф в нормативной точке может быть обеспечена двумя способами:

- уменьшением Рн ст путем реорганизации и доводки рабочего процесса и конструкции двигателя;

- увеличением звукопоглощения на ограждающих двигатель элементах в его подкапотном пространстве.

Газодинамический шум системы впуска двигателя генерирует звуковую мощность Рн вп и имеет в точке нормирования интенсивность

Р

J нвп

2лЯ2

Учитывая тот факт, что система впуска ДВС обязательно оснащается элементами очистки воздуха, поступающего в двигатель, которые одновременно являются эффективными шумозаглушающими устройствами, для всех типов современных ДВС можно принять

Р < Р

1 н вп н ст*

Без применения специальных средств шумоглушения звуковая мощность системы впуска, не капотированной в моторном отсеке, т. е. полученная в стендовых условиях, составляет

Р = к Р

н вп вп н ст

где квп =10-0,1'Д£вп - коэффициент, представляющий собой долю звуковой мощности, излучаемой системой впуска, относительно звуковой мощности структурного шума двигателя.

Для систем впуска автомобильных ДВС значения Л£вп обычно находятся в пределах 3...6 дБ в зависимости от номинальной частоты вращения двигателя, акустической эффективности воздухоочистителей и наличия специальных глушителей шума процесса наполнения.

С учетом этого интенсивность

квп ■ Р Л, _-

2лД2

Если воздух поступает в двигатель из моторного отсека (подкапотного пространства), что характерно в первую очередь для легковых автомобилей и легких грузовых автомобилей, то фактическая звуковая мощность системы впуска определяется как Рм вп ф = ккап Рм вп, а интенсивность

к к Р

Л, = - "

вп кап ^ст

2лК2

Шум системы выпуска отработавших газов соответствует звуковой мощности РМ1 вып и вносит в точку нормирования интенсивность

Р

Л ____ мвып

2лД2

Учитывая, что системы выпуска отработавших газов в настоящее время оснащаются двухступенчатыми системами шумоглушения и нейтрализаторами отработавших газов, Рм вып << Рм ст. Тогда звуковую мощность выпуска можно представить относительно мощности структурного шума двигателя как

Рм вып квыпРМ ст’

где квъш = 10-0,1А£вып - коэффициент, представляющий собой долю звуковой мощности, излучаемой системой выпуска, относительно звуковой мощности структурного шума двигателя.

Величина Л£вып задаётся при отработке технического задания на проектирование системы выпуска и варьируется от системы выпуска дизелей с одной ступенью шумоглушения до системы выпуска двигателей с искровым зажиганием, двумя ступенями шумоглушения и нейтрализатором ОГ соответственно от 6 до 12 дБ.

С учетом этого

кР

Л вып мст

2пР2

Таким образом, все источники шума ДВС создадут в нормативной точке интенсивность

Р

ЛДВС _ Лст + Лвп + Лвып _ [ккап (1 + квп ) + квып ]

2пК

Учитывая, что в нормативную точку поступает звуковая энергия от отличных от двигателя источников шума автомобиля Р„ авт (шум шин, трансмиссии, воздушные потоки, обтекающие автомобиль), ее вклад в совокупную интенсивность в нормируемой точке составляет

Р авт

Л™. =-

2пК2

Соотнося Рм авт с уровнем структурного шума ДВС Рм ст, получим

Р = к Р

1 м авт л-авт^ м ст?

где кавт = 10-0,1А£авт. Для автомобилей величина ЛЬавт, как правило, > 10 дБ. Большая величина ЛЬавт объясняется особенностями методики определения нормативных акустических показателей автомобиля, предписываемой «Правилами № 51», согласно которой двигатель работает при максимальной подаче топлива с частотой вращения приблизительно равной (0,85.1,0) пном. При этом излучаемая структурой двигателя звуковая мощность близка к максимальной, а скорость движения автомобиля, влияющая на величину Равт, относительно невелика и составляет 55.60 км/ч.

С учетом сказанного

Р Р

Тавт Е _ ТДВС + Лавт _ [ккап (1 + квп ) + квып + кавт к Т2 _ кавт Е ~ 2 ,

2пК 2пК

и, соответственно, переходя от абсолютных значений интенсивности к её уровням, окончательно получим уровень интенсивности шумоизлучения автомобиля

Т Р

4вте _ 101^—а^_ 1018Р1 -101в2пК2 +1018кавтЕ_

Т 0 Рм0

_ Ь_-101в2пК2 +1018 кавт е ,

где Т = 10-12 Вт/м2, Р"0 = 10-12 Вт.

Требуемый нормативный уровень шума автомобиля по стандарту «Правила № 51» ЕЭК ООН в общем виде представим как [Ьнорм]. Следовательно, шум автомобиля должен хотя бы не превышать заданный уровень, т. е. необходимо выполнять соотношение Ьавт Е < [Ьнорм], а при минимально необходимых затратах на снижение шума автомобиля Ьавт Е = [Ьнорм].

Тогда уровень прогнозируемого необходимого структурного шума двигателя автомобиля не должен превышать

А.т = [ ^ ] + 10І82ПД2-10І8 кв

где кЕ = 10-0,1Лік" (і +10-0,1 ■Аівп)+10-0,1 •Аі“” +10-0,1 ^

а звуковая мощность структурного шума двигателя автомобиля должна 0 •

быть не более Р™ ст = Л0 • 1000,1 ст

Выводы

Предложенный алгоритм выбора стратегии снижения шума поршневого ДВС в составе транспортного средства позволяет быстро выбирать требуемую концепцию двигателя и эффективно реализовать ее с использованием САПР «ДВС» при минимально необходимых затратах на создание двигателя и автомобиля с уровнем шума, регламентированным «Правилами № 51» ЕЭК ООН.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Двигатели внутреннего сгорания: В 3 кн. Кн. 1: Теория рабочих процессов: Учеб. для вузов / В. Н. Луканин, К. А. Морозов, А. С. Хачиян и др.; Под ред. В. Н. Луканина и М. Г. Шатрова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2005. - 479 с.

2. Двигатели внутреннего сгорания: В 3 кн. Кн: 3. Компьютерный практикум. Моделирование процессов в ДВС: Учеб. для вузов / В. Н. Луканин, М. Г. Шатров, Т. Ю. Кричевская и др.; Под ред. В. Н. Луканина и М. Г. Шатрова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2005. - 414 с.

3. Скучик Е. Простые и сложные колебательные системы. - М.: Мир, 1971. - 557 с.

Получено 25.04.0б

THE ALGORITHM OF CHOICE OF THE CONCEPTION OF NOISE REDUCTION OF INTERNAL COMBUSTION PISTON ENGINES IN THE AUTOMOBILE FOR USE IN THE CAD "PISTON ICE"

M. G. Shatrov

In this article there are considered the questions of forming the algorithm of choosing the ways of reducing the noise of the automobile piston internal-combustion engines in the process of designing and their adaptation in CAD "Piston ICE". The main interrelations which can be used in designing of the engines with a set noise level are given.