Разработка методики и инструментальных средств для прогнозирования структурного шума двигателя внутреннего сгорания

Актуальность работы. Интенсивный рост парка автотранспортных средств предопределяет усиление значимости проблемы шумового загрязнения среды обитания человека. Одним из наиболее активных источников шума автомобиля является двигатель внутреннего сгорания (ДВС), снижение акустического излучения которого невозможно без создания и применения эффективных методов моделирования' процессов образования шума, реализуемых на основе современных информационных технологий.

Шум ДВС, с учетом специфики образования его отдельных составляющих, подразделяют на аэродинамический и структурный. Аэродинамический шум по своему уровню значительно превышает структурный. Однако задача его снижения в настоящее время успешно решается путем подбора объема и структуры глушителя.

Снижение структурного шума представляет собой более сложную задачу, что связано с необходимостью комплексного описания процессов различной, физической природы. Поэтому в настоящее время основные усилия по снижению акустического излучения ДВС сконцентрированы именно в области моделирования и разработки практического инструментария, позволяющего при проектировании двигателя закладывать в его концепцию такие решения, которые обеспечат заданный уровень структурного шума. Естественно, что уменьшение акустического излучения ДВС нельзя рассматривать в отрыве от актуальных проблем снижения токсичности и улучшения экономичности двигателя.

Современные информационные технологии позволяют обеспечить реализацию разработанных методик моделирования шума двигателя в виде компонентов, входящих в единое информационное пространство (ЕИП) «ДВС». Его создание является важной задачей двигателестроения, решение которой позволяет разрабатывать конкурентоспособные образцы транспортных средств, существенно сокращая сроки их создания’и обеспечивая соответствие все более высоким требованиям, предъявляемым к их качеству.

Цель работы. Разработка интегрированной методики и инструментальных средств для прогнозирования структурного шума ДВС и анализ влияния конструкции и режима работы на акустическое излучение ДВС.

Методы — исследования. Теоретические исследования проводились на основе фундаментальных положений системного анализа, технической акустики, термодинамики. Реализация разработанных методик осуществлялась с использованием стандартных пакетов численного моделирования и инвариантных информационных средств, базирующихся на CALS-технологиях. Экспериментальные исследования осуществлялись на дизеле 8ЧН 12/13 с использованием типовых методик, принятых при анализе шума технических средств по ГОСТ Р 51 402−99 (ИСО 3746−95). Сбор и последующая обработка звукового давления-выполнялись с помощью микрофонов фирмы PCB Piezotronics и измерительно-вычислительного комплекса Pimento производства LMS.

Научная новизна.

1. Разработана методика прогнозирования акустического-излучения ДВС, объединяющая модели конструкции, рабочего цикла и источников структурного шума. Методика реализована в виде комплекса подсистем САПР «ДВС» с использованием современных информационных технологий.

2. Разработанный комплексподсистем позволяет формировать отдельные сегменты ЕРШ «ДВС» при моделировании конструкции кривошип-но-шатунного (КШМ) и газораспределительного (МГР) механизмов ДВС, его рабочего процесса, образования-структурного шума от рабочего процесса и перекладок поршней.

3. С использованием разработанного комплекса выполнен анализ влияния ряда компонрвочных схем поршневых ДВС, изменения их конструктивных параметров и режима работы на излучаемый ими структурный шум.

4. Проведена экспериментальная оценка структурного шума двигателя 8ЧН 12/13. Анализ результатов расчетного и физического экспериментов подтвердил эффективность принятой методики моделирования и разработанного комплекса для прогнозирования структурного шума двигателя.

Практическая ценность. Разработанные подсистемы геометрического моделирования «КШМ», «МГР», а также подсистемы «Рабочий цикл» и «Структурный шум» позволяют на стадии проектирования ДВС осуществлять анализ влияния параметров конструкции и режима работы на структурный шум двигателя, а также на его мощностные и экономические показатели.

Подсистемы геометрического трехмерного моделирования «КШМ» и «МГР» позволяют на основе разработанных параметрических моделей формировать обобщенную модель двигателя, а также оперативно получать при заданном уровне детализации двухи трехмерные модели отдельных деталей ДВС, а также его сборки. Данные модели позволяют определять массово-геометрические и инерционные. параметры элементов двигателя, необходимые для расчета его динамики и структурного шума, а также формировать конечно-элементные модели конструкции ДВС для оценки прочностных и динамических свойств.

Полученные экспериментальные результаты позволили оценить структурный шум перспективного дизеля 8ЧН 12/13 с наддувом экологического класса Евро-3.

Реализация работы. Разработанные в ходе выполнения диссертации подсистемы используются в научно-исследовательских и учебных целях на кафедре «Теплотехника и автотракторные двигатели» МАДИ (ГТУ).

Подсистемы геометрического моделирования «КШМ» и «МГР» применяются для визуализации конструктивных решений отдельных деталей, узлов и механизмов двигателя, их функционирования в процессе проектирования ДВС, а также для обеспечения учебного процесса как в составе интегрированного обучающего комплекса «ДВС», разрабатываемого на кафедре, так и в виде других дидактических средств.

Основные положения, выносимые на защиту: • интегрированная методика прогнозирования структурного шума ДВС от рабочего процесса и перекладок поршней при изменении компоновки, параметров его конструкции, рабочего процесса и режима работы;

• разработанные компоненты, формирующие сегменты ЕРШ «ДВС», реализованные в виде подсистем геометрического моделирования «КТТТМ» и «МГР», а также подсистем «Структурный шум» и «Рабочий цикл», обеспечивающие оценку структурного шума проектируемого двигателя;

•' результаты расчетного исследования влияния компоновочных схем, параметров конструкции, рабочего процесса и режима работы ДВС на уровень структурного шума от реализации рабочего цикла и перекладок поршней;

• результаты расчетного и натурного экспериментов по определению уровня ^ акустической мощности дизеля 8ЧН 12/13 по внешней скоростной-характеристике.

Личный вклад автора: интегрированная-методикамоделирования спектров и общего уровняаку-стической мощности основных источников структурного шума ДВС;

• подсистемы, геометрического моделирования «КШМ» и «МГР», разрабо танные с использованием инвариантных средств трехмерного моделирования и формирующие сегменты ЕИП «ДВС»;

• разработанный на основе современных информационных технологий, комплекс, использующий, при своей работе подсистемы геометрического моделирования «КШМ», «МГР» и подсистемы «Рабочий цикл», «Структурный шум», обеспечивающий прогнозирование структурногошума ДВС при его проектировании;

• расчетные исследования влияния компоновки, ряда параметров конструкции, рабочего процесса и режима работы двигателя* на уровень его структурного шума от рабочего процесса и перекладок поршней, выполненные с помощью разработанного комплекса;

• экспериментальные исследования акустического излучениядвигателя 8ЧН12/13, подтвердившие эффективность реализованной методики прогнозирования структурного шума двигателя.

Апробация * работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технических конференциях в МАДИ (ГТУ) (2007, 2009 гг.), ИМАШ РАН (2007 г.), МГТУ им. Н. Э. Баумана (2007 г.), г. Тольятти (2007 г.), МГИУ (2007 г.), ИЛУ РАН (2008 г.), ЮУрГУ (2008 г.) и экспонировались на выставках научных достижений МАДИ (ГТУ) (2006 г.) и «Образовательная среда-2008» на ВВЦ.

Публикации. Материалы исследований представлены в 11 печатных работах, опубликованных в научных журналах, сборниках и материалах конференций (из них 1 в издании, рекомендованном ВАК РФ).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы 144 страницы, включая 97 рисунков, 6 фотографий и 11 таблиц. Библиография содержит 114 источников.

127 ВЫВОДЫ.

1. Сформирована интегрированная методика прогнозирования структурного шума ДВС, обеспечивающая формирование ряда компонентов единого информационного пространства «ДВС» и включающая: модели конструкции, рабочего цикла и структурного шума ДВС. Интегрированная методика позволяет значительно сократить временные затраты и повысить, качество получаемойинформации.

2. На основе предложенной методики с использованием современных информационных технологий разработаны подсистемы геометрического > моделирования <<�Ю11М>> и <<МЕР>>, а также подсистемы «Структурный шум» и «Рабочий цикл», при реализации которых обеспечивается формирование компонентов сегмента «Виброакутика ДВС» единого: информационного пространства «ДВС» и прогнозирование структурного шума двигателя.

3. Сравнительная оценка полученных экспериментальных и-расчетных значений общего уровня структурного шума двигателя 8ЧН 12/13, а также уровня структурного шума от рабочего процесса двигателя 8ЧН12/12 по внешней — скоростной характеристике позволила сделать вывод, что использование интегрированной методики расчета структурного шума обеспечивает точность, приемлемую при выполнении акустических расчетов. Отклонение экспериментальных данных от расчетных находится в приемлемых для технической акустики пределах 0:. .2 дБ;

4. Исследование, влияния коэффициента короткоходности К^ЯЮ на уровень структурного шумапри постоянном рабочем объеме фиксации межцилиндрового расстояния аМ1, или толщины рубашки охлаждения между соседними цилиндрами позволило сделать следующие выводы:

• основным фактором, вызывающим. уменьшение уровня акустической мощности от рабочего процесса при увеличении К, является изменение диаметра цилиндра, так как спектральная плотность силового возбуждения конструкции от реализации рабочего процесса в цилиндре двигателя? пропорциональна площади поршня;

• при варьированиикоэффициента короткоходности К влияние изменения' при этом диаметра цилиндра-I), ходапоршня Б, массы двигателя-Мдвс, площади егошоверхности бдвсг Длины ¿-две и спектральной плотности С (}ф)) силового фактора взаимно5 компенсируется, поэтому общий уровень акустической мощностиот перекладок поршней остается практически неизменным;

• влияние дм. ц и на уровень акустической мощности как от рабочего, процессатак и от перекладок поршнейв заданных пределах изменения К несущественно.

5: Исследование изменения массово-геометрическихпараметров .двигателей при. варьировании коэффициента короткоходностиК показалочтос его увеличением-происходит следующее:

• при постоянстве амц масса дизелей уменьшилась на 0,3″.0−9%, площадь-• поверхности" увеличилась на 0,3. .2,4%,. при— этом наибольшие, изменения обеих величин относятся к двигателям К-образнои компоновки. На' пример, для дизеля. 8ЧН 12/12 масса уменьшилась на 4,6 кг (с 492,9 кг до 488−3 кг), аплощадь увеличилась ¡-на- 0−061 м2 (с 2,599 м² до 2,660 м2)-:

• в случае постоянства-/вц масса дизелейуменьшилась, на-5Д .6,0%, а площадь поверхности — на 3,9.7,7%, длина — на 5,8.8,4%, причем., наибольшие изменения соответствуют двигателямлинейнойкомпоновки.

Так, масса дизеля 4ЧН 11/12,5 уменьшилась на 15,2 кг (с 286,2 кг до.

2 2 ' ^ 271 кг), площадь поверхности — на 0,112 м (с 1,599 м до 1,487 м?), а длина —на.0,063 м (с 0,818 м до 0,755 м). 6. Исследование влияния К на. параметры рабочего цикла показало, что с его ростом от 0−8 до 1,2, происходит ухудшение мощностных и экономических показателей^ что-, вызвано в основномфостом механических потерь, обусловленных увеличением средней скорости поршня.

7. Сравнение уровней структурного шума по ВСХ дизеля с наддувом (8ЧН 12/12) и без наддува (84 12/12) показало, что применение наддува приводит к снижению уровня его структурного шума по ВСХ на 1,1.2,5 дБ. С использованием наддува можно получить одинаковую мощность при меньшей частоте вращения коленчатого вала (то есть дефорсировать двигатель, по частоте вращения коленчатого вала и, таким образом, уменьшить шум от перекладок поршней и износ деталей), и общий уровень шума дизеля 8ЧН 12/12 будет ниже, чем у 84 12/12. Так, Ие= 163 кВт соответствует 2600 мин" 1 для дизеля. 84 12/12 и 2000 мин" 1 — для 8ЧН 12/12. При этом общий уровень структурного шума* дизеля с наддувом меньше на 4,5 дБ.

8. Выполнены исследования влияния компоновочной, схемы и количества цилиндров двигателя на уровень его структурного шума1 по ВСХ, из результатов которых следует, что: уровень структурного1 шума К-образного двигателя, 6ЧН-11/12,5 от рабочего процесса выше на 4,5.5,1 дБ, от перекладок — на 3,2 дБ, а суммарный уровень — на З, 7. .4,4 дБчем двигателя бЧН 11/12,5 линейной компоновки. Причинами, этого являются большая площадь наружной' поверхности и меньшая длина К-образного двигателя- • уровни структурного шума от рабочего процесса, перекладок поршней и суммарный уровень структурного шума 6-цилиндрового двигателя > 6ЧН 11/12,5 на 3,2.3,5 дБ больше, чем у 4-цилиндрового'4ЧН 11/12,5 из-за больших величин спектральной плотности силового фактора и площади поверхности.

9. С использованием разработанных подсистем и методики> прогнозирования структурного шума показано, что величина зазора, А между юбкой поршня.

1 и, стенкой цилиндра существенным образом влияет на уровень структурного шума от перекладок поршней. При увеличении, А от 0,06 мм до ОД 4 мм уровень структурного шума на номинальном, режиме работы возрастает на 4,7.4,9 дБ независимо от компоновочной схемы и количества цилиндров двигателя. I N.