Способ акустических исследований системы впуска двигателя внутреннего сгорания Российский патент 2025 года по МПК G01M15/02 

Изобретение относится к области акустики, в частности, к методам проведения экспериментальных исследований и виброакустической доводки системы впуска двигателя внутреннего сгорания.

Одним из наиболее интенсивных источников шума транспортного средства является его энергетическая установка - двигатель внутреннего сгорания (ДВС), включая системы выпуска отработавших газов и впуска топливно-воздушной смеси в рабочие цилиндры. При исследовании звукового поля, излучаемого впускной системой ДВС, различают две составляющие - газодинамический звук, возникающий на срезе воздухозаборного патрубка, и структурный (корпусной) звук, образующийся в результате звукового переизлучения вибрирующими стенками корпусных элементов, в частности - воздухозаборного патрубка, воздухоочистителя, расширительных камер, ресиверов.

Периодическое открытие впускного клапана (клапанов) в одном из цилиндров ДВС вызывает пульсирующий перепад давления газа с соответствующим генерированием и распространением по тракту системы впуска пульсаций воздуха и упругих волн до и после клапана (в полости цилиндра ДВС по отношению к окружающей среде). Пульсации воздуха и упругие волны разрежения-сжатия воздушной среды по трассе системы впуска распространяются, со скоростью звука, от впускного клапана к открытому срезу патрубка воздухоочистителя, а также в направлении свободных отводных тупиковых впускных труб с закрытыми впускными клапанами. Частота пульсаций определяется по формуле:

, Гц, где

n - частота вращения коленчатого вала ДВС, мин^-1;

i - число цилиндров;

τ - тактность двигателя.

Звуковое газодинамическое поле, образуемое многократно отражающимися упругими акустическими волнами в сложном геометрическом объеме впускной системы, в том числе и с переизлучением энергии этих упругих волн в окружающую среду посредством динамического возбуждения стенок элементов системы впуска, вызывает структурные вибрации корпусных элементов впускной системы, которые являются источниками корпусного шума.

Акустические исследования, в целях оптимизации конструкции, в частности, впускной системы ДВС по виброакустике, выполняют в акустических полубезэховых (с жестким звуко отражающим полом, потолок и стены изнутри футерованы звукопоглощающим материалом) или, предпочтительно, безэховых (потолок, пол и стены изнутри футерованы звукопоглощающим материалом) испытательных камерах, оснащённых стендом, измерительными микрофонами, ДВС, закреплённым на стенде, балансирным (приводным / тормозным) агрегатом, кинематически связанным с коленчатым валом ДВС, агрегатами обеспечения работы ДВС, аппаратурой управления режимами работы ДВС, по меньшей мере, одной автоматизированной системой сбора, измерения и обработки данных и, наконец, испытываемой впускной системой (источником акустического шума), установленной на ДВС. Более подробное описание испытательных акустических камер и примеры их использования в качестве оценочного инструментария виброакустических качеств ДВС, в частности, их систем впуска, приведено в статье Фесины М.И., Дерябина И.В., Ломакина В.В., Малкина И.В. «Моторный виброакустический стенд - как эффективное инструментальное средство исследований и улучшения шумовых характеристик двигателей внутреннего сгорания. Справочник. Инженерный журнал», №11 2007 г., стр. 55…62 (начало статьи) и № 1, 2008, стр. 50…55 (продолжение статьи), а также в цитируемых в статье материалах. Из этой же статьи известна и методика проведения испытаний, заключающаяся в установке в акустической безэховой камере, на заданных от объекта оценки (источника / излучателя акустического шума) расстояниях, измерительных микрофонов, в подключении микрофонов к системе сбора, измерения и обработки данных и последующем измерении уровней звукового давления, формируемого исследуемым объектом.

В статье также отмечено, что при проведении ряда исследовательских и доводочных работ по виброакустике, дополнительно к применяемому штатному расстоянию между измерительным микрофоном и той или иной поверхностью излучателя шума, равному 1 м (см. ГОСТ Р ИСО 3746-2013 «Акустика. Определение уровней звуковой мощности и звуковой энергии источника шума по звуковому давлению. Ориентировочный метод с использованием измерительной поверхности над звукоотражающей плоскостью»), целесообразно использование иных измерительных расстояний; в частности, заявителем используются утвержденные соответствующими апробированными инструкциями по испытаниям измерительные расстояния «ближнего акустического поля», равные 0.06 м, 0.1 м и 0.25 м. При этом в статье указано, что смещение измерительного микрофона в зону более высокой концентрации звуковой энергии не всегда является достаточным для обеспечения требуемого эффективного ослабления маскирующего фона, формируемого посторонними (непосредственно не относящимися к объекту исследований) близкорасположенными интенсивными излучателями шума; что в этих случаях, с целью получения дополнительной звукоизоляции от воздействия фонового шумового излучения в зоне установки измерительного микрофона, применяют шумопонижающие экраны в той или иной степени дополнительно поглощающие / изолирующие фоновое шумовое излучение; Экран (фр. écran) - предмет, отделяющий одну среду от воздействия другой. На рис. 5 статьи изображена схема расположения ДВС с тестируемой системой впуска, двух измерительных микрофонов и звукопоглощающего экрана. Где экран, в поперечном сечении, образован Г-образно, и со смыканием кромок, установленными панелями, ограждающими верхнюю и боковую части ДВС со стороны исследуемой системы впуска, включающей в себя корпус воздухоочистителя c впускным патрубком, воздухозаборный шланг и впускной ресивер. При этом экран сформирован с возможностью трассировання впускного патрубка воздухоочистителя через соответственно расположенную панель экрана, установлен с выступанием данного патрубка над поверхностью экрана со стороны расположения измерительных микрофонов, которые, в свою очередь, размещены, один с фронтальным удалением от плоскости среза впускного патрубка, а другой с радиальным удалением от стенок впускного патрубка, на расстояния 0,06 м.

В примечаниях к рисунку 5 указано, что поз. 5 обозначен «плоскообъемный звукопоглощающий экран кулисного типа». Кулисы - (фр. coulisse) плоские части театральной декорации, расположенные по бокам сцены параллельно или под углом к рампе. Вместе с тем, в измерительной акустике под термином кулисы понимают и множество ограждающих маскируемую поверхность объёмных поглотителей энергии звука, сформированных из звукопоглощающего пористого, вспененного или волокнистого материала.

Учитывая, что раскрутка коленчатого вала при полной нагрузке ДВС, для системы впуска, является наиболее «шумным» режимом работы, частоту вращения коленчатого вала ДВС, в процессе исследований, варьируют от минимальных до максимальных оборотов.

Недостатком способа акустических исследований системы впуска, представленного в вышеупомянутой статье, является применение экранов, формируемых плоскими, в плане, панелями. Указанное вытекает из следующих обстоятельств:

- Пористые, волокнистые или вспененного типа звукопоглощающие материалы, при небольшой их толщине, обладают недостаточными звукопоглощающими свойствами в области средних и низких частот, что ухудшает звукоизоляцию не актуальных, для тестируемого узла, корпусных деталей ДВС и, соответственно, влияет на качество оценки акустических характеристик системы впуска.

- Кулисы, сформированные в виде треугольных призм или пирамид, эффективны в случае, когда их высота превышает четверть длины заглушаемой волны.

- Частичное экранирование ДВС приводит к распространению звуковых волн, генерируемых незащищёнными экраном частями двигателя, в пространство безэховой камеры, к их частичному отражению от поверхностей камеры и расположенного в камере оборудования c дальнейшим проникновением в зону измерений в качестве фонового шума.

При этом известно, что термонагруженные детали системы выпуска ДВС могут нагреваться до температуры + 850°С, а теплостойкость пористых или пенистых звукопоглощающих материалов, чаще всего, не превышает + 400°С. Из последнего обстоятельства вытекает необходимость дистанцирования панелей от теплонагруженных деталей ДВС, как следствие, увеличение их габарита и, соответственно, звукоотражающих свойств.

- Применение плоских панелей для формирования экранов затрудняет вывод за зону экранирования отдельных элементов системы впуска, примыкающих к корпусу ДВС (например, корпуса воздухоочистителя, воздухозаборного шланга, резонаторных камер).

Задачей изобретения является создание способа акустических исследований системы впуска ДВС, обладающего расширенными технологическими возможностями и повышенной точностью измерений.

Задача решается в способе акустических исследований системы впуска ДВС, заключающемся в установке в акустической безэховой камере ДВС, оборудованного исследуемой системой впуска, в экранировании ДВС с возможностью выступания исследуемой части системы впуска за пределы экрана, в установке измерительных микрофонов на расстоянии «ближнего акустического поля» от исследуемых зон элементов системы впуска, в коммутации измерительных микрофонов с регистрирующей и анализирующей аппаратурой, в измерении и регистрации уровней звукового давления на определенных задачами исследований режимах работы ДВС.

Технический результат достигается тем, что экранирование ДВС осуществляют посредством колпака* с толщиной стенок не менее 0,2 м, ограждающего двигатель сверху и с его боковых сторон, снабжённого прорехой**, выполненной с возможностью выступания исследуемой части двигателя за пределы защищаемого колпаком пространства, где колпак сформирован из прошивных матов из супертонкого базальтового волокна в двух или шести сторонней обкладке кремнезёмной тканью (термины по ГОСТ Р 52953-2008 Материалы и изделия теплоизоляционые. Термины и определения и по ТУ 23.99.19-002-02500345-2003)

* - Колпак - устанавливаемое, преимущественно неподвижно, в том числе составное, изделие, предназначенное для защиты чего-либо. В контексте заявляемого термин применён исходя из некоторой его фигуральной аналогии обозначенному термином колпак в «Фортификационном словаре» В.Ф.Шпека, Типография ВИА КА им. В.В. Куйбышева, М.1946: - Колпак - монолитный или сборный элемент фортификационного сооружения…, устанавливаемый неподвижно на …основании... защищает от осколков, пуль и мин; Фортификационное сооружение - сооружение, возводимое для …защиты бойцов и материальной части от средств поражения... Степень совершенства …зависит от …возлагаемых на сооружение задач.

** - ПРОРЕХА - распоротое, разрезанное или разорванное место в ткани, в одеже - Толковый словарь Даля; отверстие; лазейка, щель, прокол, брешь, пробел - Словарь русских синонимов и сходных по смыслу выражений, под. ред. Н. Абрамова, М.: Русские словари, 1999; застегивающийся передний разрез у брюк - Толковый словарь русского языка С. Ожегова и Н. Шведовой, М. Азъ, 1995.

Изобретение поясняется фигурой 1, где схематично изображены установленный в акустической безэховой камере ДВС, оборудованный системой впуска, исследуемые элементы которой выведены за пределы экранирующего ДВС колпака, а также измерительные микрофоны, размещённые в ближнем акустическом поле исследуемых элементов системы впуска.

Позициями на Фиг. 1 обозначены:

1 - Исследуемая система впуска,

2 - ДВС,

3 - модуль впуска,

4 - воздухозаборный шланг,

5 - воздухоочиститель,

6 - впускной патрубок,

7 - измерительные микрофоны,

8 - акустически экранирующий колпак

Заявляемый способ акустических исследований системы впуска ДВС может быть реализован следующим образом:

На моторном стенде (не показан), расположенном в акустической безэховой испытательной камере (не показана) закрепляют ДВС 2 в комплекте с исследуемой системой впуска 1. Коленчатый вал (не показан) ДВС 2 соединяют с балансирным агрегатом (не показан; входит в состав испытательной камеры), системы питания и охлаждения (не показаны) ДВС 2 соединяют с агрегатами (не показаны; входят в состав испытательной камеры) обеспечения работы ДВС 2 и аппаратурой (не показана; входит в состав испытательной камеры) управления режимами работы ДВС 2.

Исследуемая система впуска включает в себя модуль 3 впуска, воздухозаборный шланг 4, воздухоочиститель 5 и впускной патрубок 6.

С целью повышения объективности и достоверности результатов измерений уровней звукового давления в исследуемых измерительных точках (для уменьшения фонового шума, излучаемого со стороны ДВС), выполняют акустическое экранирование ДВС 2. Экранирование ДВС 2 осуществляют посредством колпака 8 с толщиной стенок не менее 0,2 м, ограждающего двигатель сверху и с его боковых сторон. Где колпак 8 выполнен заблаговременно сформированным из прошивных матов, содержащих в своём составе наполнитель из супертонкого базальтового волокна и двух или шестистороннюю обкладку из кремнезёмной ткани. При этом колпак 8 выполнен снабжённым прорехой, сформированной с возможностью трассирования (на Фиг. 1 показано условно) исследуемой части ДВС 2 за пределы экранируемого колпаком 8 пространства, установленным, на период испытаний, с выступанием воздухозаборного шланга 4, воздухоочистителя 5 и впускного патрубка 6 (входят в состав исследуемой системы впуска 1) в пространство безэховой камеры (не показана), за пределы ограниченного колпаком 8 пространства ДВС 2.

После размещения колпака 8 выполняют установку измерительных микрофонов 7, которые, в свою очередь, соединяют с системой сбора, измерения и обработки данных (не показана; входит в состав испытательной камеры), содержащей анализатор спектра частот и компьютер. При этом измерительные микрофоны 7 устанавливают в области ближнего звукового поля, предпочтительно, на расстоянии 0,06…0,1 м, от излучающих звук элементов системы впуска.

После завершения монтажных работ осуществляют тестовые работы, заключающиеся в варьировании, при полной нагрузке ДВС 2, частоты вращения коленчатого вала от минимальных до максимальных оборотов, в измерении уровней звукового давления, формируемого локальными элементами исследуемого объекта, в регистрации измеренных значений и их анализе.

Работа изобретения поясняется следующим:

Доминирующими частотами звукового излучения четырехтактного четырехцилиндрового ДВС являются частоты второй моторной гармоники, определяемые по формуле:

, Гц, где

n - частота вращения коленчатого вала ДВС, мин^-1,

что в диапазоне оборотов ДВС 1000…6000 мин^-1 соответствует 33-200 Гц. Соответственно, область низких и средних частот звукового излучения является наиболее важной с точки зрения препятствия проникновению фонового шума со стороны корпусных деталей ДВС в исследуемую зону излучения звука со стороны элементов системы впуска ДВС.

Из книги Иванова Н.И., Никифорова А.С. «Основы виброакустики» - СПб, Политехника, 2000, стр. 281, таблица 12.9, известно, что коэффициент звукопоглощения матов из супертонкого базальтового волокна является более высоким, по сравнению с минерало-ватными акустическими плитами, ватой из капронового волокна и войлоком; существенная разница в звукопоглощающих свойствах отмечена в низком и среднем частотном диапазоне 125-500 Гц. Например, в сравнении с минерально-ватными акустическими плитами, коэффициент звукопоглощения мата из супертонкого базальтового волокна выше в октавной полосе частот с центром 125 Гц - в 8 раз, 250 Гц - в 4 раза, 500 Гц - 1,4 раза.

Серийно выпускаются известные, например, из интернет-ресурса https://terma-n.ru/products_list/maty-proshivnye-iz-bazaltovogo-supertonkogo-volokna?ysclid=m3rar8bx8a612115775, просмотрен 21.11.2024, маты прошивные из базальтового супертонкого, с диаметром до 3 мкм, волокна (БСТВ), предназначенные для огнезащиты конструкций, тепло - и звукоизоляции помещений и оборудования, в обкладке кремнезёмной тканью с двух сторон или с двух сторон и с торцов.

Маты характеризуются высокой прочностью, стойкостью к повреждениям и виброустойчивостью за счет большой длины волокон, низкой гигроскопичностью (в 6 раз ниже, чем у стеклянных волокон, см. https://distant.itcpb.ru/pluginfile.php/9784/mod_resource/content/1/Базальтовое_волокно.PDF), сохраняющейся в течение всего срока эксплуатации, устойчивостью к воздействию агрессивных химикатов, диапазоном рабочей температуры от минус 260 до + 900°С, способностью кратковременно выдерживать температуру 1000°С.

Обкладка из кремнеземной ткани обеспечивает работоспособность матов при температуре до + 1000°С и обладает сравнимым, с базальтовым волокном, коэффициентом звукопоглощения (см. http://umnietkani.ru/all-news/sravnitelnaya-kharakteristika-volokon-statya-76543.html дата обращения 22.07.2024).

Высокие огнестойкие свойства базальтовых волокон и кремнеземной ткани позволяют производить экранирование ДВС с возможностью прилегания матов к его термонагруженным элементам, например, к выхлопному коллектору, к нейтрализатору отработавших газов, к трубам и глушителю системы выпуска ДВС.

Толщина акустического колпака 8, величиной 0,2 м обеспечивает более высокие значения коэффициента звукопоглощения в области низких частот, что актуально для шумоглушения корпусного шума ДВС.

К примеру, звукопоглощающий мат из супертонких базальтовых волокон толщиной 0,05 м имеет нормальный коэффициент звукопоглощения 0,05 на частоте 100 Гц, толщиной 0,1 м - 0,19, толщиной 0,2 м - 0,7 (см. https://www.vztm.ru/izdel-bzm-2 дата обращения 22.07.2024).

Заявляемый способ акустических исследований системы впуска двигателя внутреннего сгорания обеспечивает повышение точности результатов измерений шума системы впуска ДВС.

Использование: для акустических исследований системы впуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют установку в акустическую безэховую камеру ДВС, который оборудован исследуемой системой впуска, экранируют ДВС с возможностью выступания исследуемой части системы впуска за пределы экрана, выполняют установку измерительных микрофонов на расстоянии ближнего акустического поля от исследуемых зон элементов системы впуска, осуществляют коммутацию измерительных микрофонов с регистрирующей и анализирующей аппаратурой, измеряют и регистрируют уровни звукового давления при работе ДВС, при этом экранирование ДВС осуществляют посредством колпака с толщиной стенок не менее 0,2 м, ограждающего двигатель сверху и с его боковых сторон, снабжённого прорехой, выполненной с возможностью трассирования исследуемой части двигателя за пределы защищаемого колпаком пространства, где колпак сформирован из прошивных матов, содержащих в своём составе наполнитель из супертонкого базальтового волокна и двух- или шестистороннюю обкладку из кремнезёмной ткани. Технический результат: повышение точности результатов измерений шума системы впуска двигателя внутреннего сгорания. 1 ил.

Способ акустических исследований системы впуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС), заключающийся в установке в акустическую безэховую камеру ДВС, который оборудован исследуемой системой впуска, в экранировании ДВС с возможностью выступания исследуемой части системы впуска за пределы экрана, в установке измерительных микрофонов на расстоянии ближнего акустического поля от исследуемых зон элементов системы впуска, в коммутации измерительных микрофонов с регистрирующей и анализирующей аппаратурой, в измерении и регистрации уровней звукового давления при работе ДВС, отличающийся тем, что экранирование ДВС осуществляют посредством колпака с толщиной стенок не менее 0,2 м, ограждающего двигатель сверху и с его боковых сторон, снабжённого прорехой, выполненной с возможностью трассирования исследуемой части двигателя за пределы защищаемого колпаком пространства, где колпак сформирован из прошивных матов, содержащих в своём составе наполнитель из супертонкого базальтового волокна и двух- или шестистороннюю обкладку из кремнезёмной ткани.