|
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
Захист відбудеться 25 червня 2004 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою : 01010, м. Київ-10, вул. Суворова, 1, 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 ÷ 8) 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.
Зв′язок роботи з науковими програмами, темами. Робота виконана в рамках НДР „Дослідження механіки та енергетики автомобілів і автопоїздів” № держреєстрації 0104U003346, 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.
Об′єкт 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 з′єднання 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 3001 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 - 2000” (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 здоров′я 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:
де  — частота обертання колінчастого валу, хв-1;
 — кількість циліндрів;
 — коефіцієнт тактності.
Запропонована формула буде мати такий вигляд :
де  - частота шуму відпрацьованих газів з урахуванням ефекту Доплера, Гц;
 — частотний зсув внаслідок ефекту Доплера.
Частотний зсув  знаходиться наступним чином :
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 :
Знаходимо швидкість руху відпрацьованих газів  :
де  — об′єм відпрацьованих газів, які щосекунди входять у глушник (пройшовши тракт від циліндрів двигуна по відвідних трубах), м3;
 — площа поперечного перерізу вихлопної труби, м2.
Об′єм відпрацьованих газів  знаходиться наступним чином :
де  — робочий об′єм 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 :
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 210 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. 1. 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 :
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 :
| 
