CC BY
102
Вдовикина О.А., Вдовикин А.И., Суменков С.В., Косова Н.Н. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ГЛУШИТЕЛЕЙ
Автомобильный глушитель относится к системе выпуска отработавших газов (или выхлопной системе) и призван осуществлять целый ряд функций: отводить отработавшие газы от двигателя, обладать акустической эффективностью, минимизировать противодавление, а также желательно - снижать концентрацию токсичных веществ. Под названием «глушитель» обычно подразумевают либо всю выхлопную систему в целом, либо только оконечную часть системы, оказывающую, как правило, наибольшее влияние на уровень шума выхлопа.
Снижение уровня шума ужесточается постоянным введением поправок к Правилам ЕЭК ООН 51 и обеспечивается развитием и внедрением новых технологий. За последние годы в европейских странах шум легковых автомобилей уменьшился на 10...12 дБА (децибелы акустические) [1]. В России согласно ГОСТ Р 41.59-2001 общий уровень шума, создаваемого автомобилем (в том числе отработавшими газами), не должен превышать 7 4 дБА при разгоне на второй и третьей передачах на измерительном участке длиной 20 м и на расстоянии 7,5 м от оси автомобиля [2].
Глушитель является деталью автомобиля, которая выходит из строя чаще, чем другие элементы. Это связано с расположением глушителей в экстремальной зоне под днищем автомобиля: внутри глушителя
температура достигает нескольких сотен градусов, а наружная часть постоянно находится под воздействием внешней среды в условиях влаги, грязи, ударов о днище и неровности дороги, а также в условиях постоянной вибрации. Рабочий процесс двигателя генерирует первичный шум на частоте 125 Гц, а поток отработавших газов, проходящих по системе с высокой скоростью, генерирует шум в диапазоне 1000.1500 Гц. В связи с этим средний срок службы глушителя - 2.3 года. Модели, выполненные из нержавеющей стали, служат дольше - до 5 лет, алюминированные - до 2 лет, а изготовленные из нелегированной стали выходят из строя в лучшем случае через 1.1,5 года.
Система выпуска автомобиля во многом определяется формой днища и конструкцией подвески и в целом представляет собой гетерогенную структуру, обеспечивающую разделение целей защиты. Основными компонентами конструкции систем глушителей являются:
выпускной трубопровод (коллектор), служащий для отвода отработавших газов от цилиндров двигателя и являющийся самой термонагруженной частью;
приемная труба, обеспечивающая наилучшую очистку цилиндров двигателя от отработавших газов за счет своей конфигурации;
собственно глушители с подводящими и отводящими трубами, предназначенные для снижения шума потока отработавших газов (обычно от одного до трех, а в автомобилях зарубежного производства - до пяти), в том числе предварительные глушители - резонаторы;
виброизолирующие муфты («гофры») , устанавливающиеся между приемной трубой и собственно глушителем и служащие для снижения изгибающей нагрузки на приемную трубу вследствие колебаний двигателя;
нейтрализатор отработавших газов.
Современная классификация собственно глушителей как элементов гетерогенной структуры системы выпуска подразделяет их по принципу действия на реактивные, диссипативные и комбинированные, а по конструктивным особенностям - на прямоточные и лабиринтные.
Принцип действия реактивного глушителя основан на сложении звуковых волн и на эффекте их взаимного уничтожения (рис. 1).
камеры
перфорированные трубы
Рис. 1
Современные реактивные глушители построены по принципу лабиринтных, включают несколько камер различной длины, разделенных перегородками, через которые проходят перфорированные трубы, имеющие изгибы, сужения, заглушки. Достоинствами являются достаточно эффективное подавление некоторых форм колебаний и поглощение высокочастотного шума. Основными недостатками являются повышение массы и металлоемкости и генерация вторичного шума на высоких скоростях потока газов и на резонансных частотах. Для уменьшения вторичного шума устанавливают дополнительные глушители, выполненные по классической схеме концентрического резонатора, настроенного на определенную частоту, которые в свою очередь также увеличивают массу.
Среди многообразия предлагаемых решений реактивных глушителей можно отметить следующие оригинальные конструкции.
Глушитель (рис. 2) построен по принципу прямоточного.
Единственная камера, имеющая диаметр приемной трубы 2И=2" (2 дюйма), содержит перегородки,
перекрывающие просвет на половину. Каждая следующая перегородка смещена в плоскости сечения на 180о. Три группы перегородок установлены с постоянным шагом И=1" (1 дюйм), количество перегоро-
док в группе уменьшается в направлении выхода (11-5-3). Достоинство - акустическая эффективность для отечественных автомобилей. Недостаток - сложность обслуживания и ремонта ввиду уникальности конструкции.
Глушитель (рис. 3) построен по принципу лабиринтного.
Камера состоит из нескольких стаканов, вставленных один в другой и обращенных встречно (конструктивное закрепление стаканов не показано). Звуковой поток многократно отражается и рассеивается. Хотя решение патентно защищено, недостатком может оказаться недостаточный отвод тепла и повышенное противодавление.
Принцип действия диссипативных глушителей основан на преобразовании звуковой энергии в тепловую звукопоглощающим материалом (рис. 4) .
перфорированная труба
Рис. 4
Диссипативные глушители построены по принципу прямоточных, имеют одну камеру, заполненную минеральным волокном, и перфорированную трубу, обернутую стальной «путанкой». Звуковые колебания отработавших газов проходят в полость камеры через перфорацию и поглощаются волокном. Преимуществами таких глушителей являются простота конструкции и лучшее гашение высокочастотного шума по сравнению с реактивными. Основные недостатки - меньшая эффективность на низких частотах и вредность производства минерального заполнителя.
Появление комбинированных глушителей было вызвано желанием объединить преимущества реактивных и диссипативных глушителей. Основным элементом реактивных глушителей остается расширительная камера, обладающая простотой конструкции и эффективностью, мало меняющейся под воздействием потока газов, но недостаточной на высоких частотах. Для увеличения акустической эффективности расширительных камер в них стали применять звукопоглощающее волокно, например, базальтовое жаростойкое (до 500 оС) . Конструкция комбинированного глушителя представляет собой последовательное соединение лабиринтной камеры реактивного глушителя с прямоточной камерой диссипативного глушителя, заполненной волокном (рис. 5).
Рис. 5
Достоинством комбинированных глушителей является высокая акустическая эффективность в широком диапазоне частот. Недостатки определяются в основном свойствами звукопоглощающих материалов, коэффициент звукопоглощения которых зависит от толщины и плотности. Если с увеличением толщины слоя коэффициент поглощения увеличивается, то влияние плотности неоднозначно для высоких и средних частот. По результатам испытаний [1] оптимальной признана плотность минераловатного волокна 100 кг/м3.
Основными неисправностями элементов систем выпуска под воздействием температуры, влаги и термоциклов являются их сквозная коррозия, трещины, а также деформации вследствие ударов.
Проектирование глушителей по математическим моделям колебательных процессов сопровождается достаточно жесткими и противоречивыми ограничениями, накладываемыми на структурную схему и характеристики гетерогенной структуры системы выпуска. Основные сложности моделирования сопряжены с не-стационарностью и сильной нелинейностью процессов, необходимостью учета влияния температуры и высокой скорости газового потока, а также наличием источника вторичного шумообразования и неопределенностью акустического сопротивления двигателя как первичного источника шума.
Существующие методы расчета и проектирования используют в основном одномерные подходы, которые давали удовлетворительные результаты для тихоходных двигателей с небольшими скоростями потока и низкими частотами колебаний. Кроме того, для волн, длины которых имеют порядок характерных размеров глушителей, одномерные приближения уже не применимы, а методы геометрической акустики - еще не применимы, а в области повышенных частот звуковое поле в глушителе не может считаться одномерным в принципе.
В связи с этим целесообразным является применение в глушителях дискретных рабочих сред для повышения акустической эффективности (рис. 6).
дискретная рабочая среда
Рис. 6
Дискретные рабочие среды используются для виброударозащиты изделий различного назначения и показывают эффективность гашения колебаний в широком диапазоне частот, не изменяя основных свойств гетерогенных структур - резонансных частот. Экспериментальными исследованиями установлено, что их эффективность проявляется не только в резонансной, но и в дорезонансной и зарезонансной областях. Кроме того, к настоящему времени имеются динамические модели некоторых гетерогенных структур, содержащих дискретные рабочие среды, а также теоретически и экспериментально определены механикотехнологические характеристики дискретных рабочих сред [3]. Демпфирующие свойства дискретных рабочих сред наиболее явно проявляются в области частот виброкипения в виде быстрого затухания колебаний.
Применение дискретных рабочих сред в автомобильных глушителях обеспечивают эффективность гашения при импульсном режиме работы многоцилиндрового двигателя. Дискретные рабочие среды выдерживают воздействие высоких температур, не подвержены коррозии, обладают достаточной прочностью. Глушители на основе дискретных рабочих сред просты в обслуживании и ремонте, экономичны и долговечны.
Сравнение параметров проводилось с использованием программного продукта Data Mining.
Литература
1. С.В. Белоцерковский, В.Е. Тольский. Автомобильные глушители: современные требования, тенденции развития, методы расчета и испытаний:: Тюнинг выхлопных систем от «Систем выхлопа» в Пе-
тербурге - http://www.sistema-vihlopa.ru.
2. Автомобильные глушители - http://www.base.polstr.ru.
3. О.А. Вдовикина, Р.В. Умрихин. Инновационная методика определения диссипативных свойств дискретных рабочих сред // Труды ХХ международного симпозиума «Новые технологии в образовании, науке и экономике» - г. Сидней, Австралия, 2008.
