АКУСТИЧЕСКИЙ МОТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ И ДОВОДОЧНЫХ РАБОТ ПО ЗАГЛУШЕНИЮ ШУМА СИСТЕМЫ ВПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к контрольно-диагностическому оборудованию, в частности к испытательному стенду для проведения стендовых исследовательских и доводочных работ по заглушению шума системы впуска двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС).
При проведении опытно-конструкторских работ (ОКР) при разработке, исследованиях, доводке и постановке на производство конструкций ДВС широкое распространение получили стендовые испытания ДВС. В спектре исследовательских и доводочных работ при стендовых испытаниях ДВС важное место занимают работы по заглушению газодинамического и корпусного шума системы впуска ДВС, являющегося одним из основных источников возбуждения и излучения акустической энергии (в окружающую среду или кабину (салон) транспортного средства, используещего ДВС в качестве энергетической установки). Современные технологии виброакустических исследований и доводки конструкций ДВС предусматривают использование специальных строительных сооружений в виде виброизолированных безэховых или полубезэховых акустических камер, низкошумных приводных (тормозных) механизмов стендов, разнообразных устройств функционирования и управления работой стенда, измерительной и анализирующей аппаратуры
В качестве базового оборудования стенд испытаний ДВС содержит:
- автономный (виброизолированный) фундамент для поглощения вибраций, возникающих из-за действия в двигателе неуравновешенных сил и моментов инерции;
- фундаментную плиту (пазовую) для установки исследуемого ДВС и тормоза;
- стойки для установки и крепления ДВС на фундаментной плите;
- нагрузочный тормоз (гидравлический, электрический) для поглощения развиваемой ДВС мощности с устройством измерения крутящего момента на валу двигателя (тормоза);
- вал и специальные муфты для соединения коленвала ДВС с валом тормоза;
- устройства и коммуникации для подачи в двигатель охлаждаемого смазочного масла, охлаждающей жидкости системы охлаждения ДВС, отвода в атмосферу отработавших и картерных газов двигателя;
- устройства и коммуникации для питания двигателя топливом и воздухом с соответствующими датчиками и приборами для измерения расхода, температуры, давлений воздуха и топлива;
- специальные устройства для регулирования и определения отдельных параметров, влияющих на рабочий процесс и показатели ДВС (угол опережения зажигания, состав смеси, угол опережения начала впрыска);
- системы, обеспечивающие регулирование и управление ДВС в процессе испытаний;
- пульт с размещенными на нем органами пуска и управления ДВС;
- приборы для контроля работы двигателя и приборы для регистрации замеряемых величин;
- дополнительные устройства и приборы, предназначенные для специальных исследований с целью определения отдельных параметров ДВС (токсичности, дымности, шума, вибраций, тепловой напряженности, деформаций отдельных деталей и т.п.).
Для проведения стендовых виброакустических исследовательских и доводочных работ на ДВС нашли широкое применение специализированные нагрузочные стенды, установленные в специальных акустических (полузаглушенных или безэховых) камерах [например, 1, 2, 3, 4]:
[1] Adam Gavine. The American Way. Testing Technology International, November, 2000, p. 28.,.31;
[2] ГУП НИЦИАМТ «Акустический центр выполнит:». Автомобильная промышленность, 2000, №11, 1.
[3] Peter Brandstatt, Helmut V.Fuchs, and Manfred Roller. Novel silencers and absorbers for wind tunnels and acoustic test cells. Noise Control Eng. J. 50(2), 2002 Маг-Apr, 41-49.
[4] Peter Gutzmer und Reimer Pilgrim. Motorakustische Versuchs-und Meptechnik bei Porsche. MTZ, Motortechnische Zeitschrift, 48 (1987), 2, 47...50.
В частности, в [1] приведен пример использования полузаглушенной акустической камеры фирмы «Крайслер» (США), в [2] - акустический моторный стенд центрального автополигона ГУП НИЦИАМТ (г. Дмитров, Московской обл.) с жестким звукоотражающим полом, на пазовой плите которого с помощью специальных стоек закреплен исследуемый ДВС. Тормозные (или приводные - на режимах прокрутки двигателя без реализации в нем рабочего процесса) установки стенда (их 2) находятся на этом же уровне вне помещения акустической камеры и располагаются за стенами камеры в соседнем помещении (помещение машинного зала). Исследуемый ДВС с тормозной балансирной машиной соединяется с помощью специальных приводных валов (валов отбора мощности), обеспечивающих передачу крутящего или тормозного момента между ними. Концевые участки приводных валов закреплены с помощью специальных стоек к пазовой плите и непосредственно поверхности пола камеры. Трубопроводы и различные коммуникационные элементы систем питания, охлаждения, отвода выхлопных газов выводятся из пространства акустической камеры через специальные звукоизолированные проемы в полу (пазовой плите) камеры в машинное отделение стенда, оборудованное различными технологическими системами и агрегатами обеспечения функционирования стенда. Недостатками используемой концепции акустического моторного стенда является применение камеры с жестким звукоотражающим полом, искажающим реальное звуковое поле исследуемого ДВС (в особенности, - излучение звука нижней частью ДВС, находящейся в непосредственной близости от звукоотражающей поверхности пола, которая, как правило, у всех поршневых ДВС является наиболее шумовиброактивной). Именно в связи с этим, нижняя зона двигателя представляет для исследователей и доводчиков ДВС наибольший практический интерес и требует выполнения в этой зоне наиболее трудоемких и, по-возможности, наиболее точных и объективных исследований. С другой стороны, применение в качестве соединительных приводных элементов, соединяющих коленчатый вал ДВС и вал отбора мощности тормозной машины стенда, длинных карданных валов с опорными подшипниками в вертикальных стойках, установленных на пазовой
плите и непосредственно полу камеры, вызывает проблемы их центровки с коленчатым валом исследуемого ДВС, и, как следствие, - генерирование вибросил на частотах и порядковых гармониках их вращения, передаваемых через опорные связи как непосредственно исследуемому ДВС, вызывая его дополнительное шумоизлучение, так и некоторым присоединенным структурам акустической камеры (например, полу камеры), что влечет дополнительное искажение регистрируемых шумовых характеристик как исследуемого ДВС, так и излучение «паразитного» звука непосредственно защитными кожухами валов стенда, а также и излучение «паразитного» звука непосредственно полом акустической камеры, вследствие передачи этого вибрационного возбуждения на пол (пазовую плиту) через опорные стойки валов.
Акустический моторный стенд ф. BMW (см. [3]) содержит полностью безэховую камеру, а исследуемый ДВС устанавливается на звукопрозрачном решетчатом полу, что дает возможность проводить качественные исследования шумового излучения со стороны нижней части ДВС. Тормозная установка находится на одном уровне с ДВС в соседнем помещении за стеной безэховой камеры. Недостатком, также как и в [1], [2] является применение в качестве соединительной связи длинного вала, что вызывает проблемы его центровки с коленчатым валом исследуемого ДВС, и, как следствие, - генерирование вибросил на частотах и порядковых гармониках их вращения, передаваемых через опорные связи непосредственно исследуемому ДВС, вызывая его дополнительное шумоизлучение.
Более прогрессивным методом исследования и регистрации акустической энергии, излучаемой ДВС в стендовых условиях, является использование концепции акустического моторного стенда, описанного в публикации [4], применяемого в исследовательском центре фирмы «Порше» (ФРГ). В данном случае он предусматривает применение тормозного (нагрузочного) стенда, установленного по центру камеры внизу под поверхностью пола полностью заглушенной безэховой акустической камеры. Передача крутящего (тормозного) момента осуществляется при этом бесконечной гибкой связью - гладкоременной передачей. В этом случае, пол акустической камеры выполнен полностью виброизолированным от автономного фундамента, на котором установлен приводной (тормозной) стенд, а его поверхность (пола) покрыта эффективным шумопоглощающим материалом (специальными шумопоглощающими клиньями). Корпус двигателя, как объект исследования, в этом случае располагается вблизи
геометрического центра воздушного пространства камеры, т.е. в зоне наиболее удаленной от звукоотражающих поверхностей (с «наилучшей акустикой»). Нижняя зона исследуемого ДВС не находится вблизи звукоотражающей поверхности пола, как это имело место в [1] и [2], а является открытой для качественных, объективных измерений параметров акустического поля исследуемого ДВС.
Из патента ФРГ DE 4019581 А1 - [5], известна конструкция испытательного стенда ф. «БМВ» для исследований и доводочных работ по газодинамическому источнику шума ДВС - системе выпуска отработавших газов. Испытательный стенд представлен в виде комплекса двух камер, с выводом выхлопной трассы в отдельное безэховое помещение. Существенным недостатком данной конструкции является сложность и дороговизна строительного сооружения, сложность компоновки выхлопной трассы, невозможность многоцелевого (универсального) использования данной испытательной камеры. Излучение звука свободным срезом выхлопной трубы исследуемой системы выпуска производится в заглушенную камеру относительно небольших размеров (объема), что неблагоприятно с точки зрения получения объективных результатов измерений вследствие формирования интенсивного вклада отраженного акустического поля (в сравнении с излучением звука в пространство крупногабаритных камер).
Известен акустический моторный стенд, входящий в состав устройства для оценки уровня корпусного шума ДВС, описание которого приведено в [6] -свидетельстве на полезную модель Российской Федерации №20804, 27.11.2001, Бюл. №33, принимаемый в качестве ПРОТОТИПА. В данном случае, описанное устройство для оценки уровня корпусного шума ДВС, содержащее комплект виброакустической, измерительной, анализирующей и регистрирующей аппаратуры, объект исследований - ДВС, установленный на испытательном стенде в безэховой акустической камере с приточно-вытяжной вентиляцией, систему выхлопа, которая герметично выведена в технологическую систему отсоса выхлопных газов испытательного стенда, и крыльчатку вентилятора системы охлаждения ДВС, приведенную в нерабочее состояние - что, в комплексе обеспечивает исключение вклада уровней газодинамической составляющей шума системы впуска ДВС в точках установки измерительных микрофонов, расположенных вокруг корпуса ДВС, за счет герметичного подсоединения открытого среза воздухозаборного патрубка воздухоочистителя с гибким шлангом, осуществляющим забор воздуха в ДВС из полости сопла приточной вентиляции акустической камеры. В это же время, в практике исследовательских и доводочных
работ по виброакустике ДВС часто приходится решать прямо противоположную задачу - исключать вклад уровней корпусного шума ДВС, при исследовательских и доводочных работах по акустике элементов системы впуска ДВС. Это необходимо для качественной и количественной оценки звукового излучения, производимого элементами системы впуска ДВС и, в частности, газодинамического шума, производимого открытым срезом воздухозаборного патрубка воздухоочистителя системы впуска ДВС, при существенном снижении шума «посторонних акустических помех» для получения объективных оценок в более широком динамическом и частотном диапазонах. В данном случае, «посторонними акустическими помехами» является излучение звука, производимое вибрирующими поверхностями корпуса ДВС и вибрирующими стенками навесных вспомогательных агрегатов ДВС. Известные акустические моторные стенды, конструкция которых представлена в [1] - [б], не содержат специализированных устройств и технологий для обеспечения требуемой высокой звукоизоляции корпусного шума в технологиях исследовательских и доводочных работ по оценке эффективности устройств заглушения шума системы впуска ДВС. Именно, для решения данной технической задачи и предназначен акустический моторный стенд, конструкция которого представлена в заявляемой полезной модели.
Известны конструкции шумоизолирующих экранов, предназначенных для заглушения шума «посторонних помех» при выполнении исследовательских работ по оценке источников шума ДВС. В частности, в [7] - Everett Armold and Warner Frazer (Detroit Diesel Corp.), W.J.J.Hoge (Noise Cancellation Technologies, Inc.). Development of a Prototype Active Muffler for the Detroit Diesel 6V-92 ТА Industrial Engine. Статья SAE №911045, стр. 57-66, представлена конструкция шумоизолирующего экрана (см. фиг.3, 5 данной публикации), применяемого при исследовании шума системы выпуска дизельного двигателя 6V-92 ТА, для изоляции корпусного шума ДВС. Экран выполнен в виде прямоугольного деревянного щита, футерованного слоем пористого звукопоглощающего материала толщиной 25 мм. Недостатком данного экрана является его жесткая крупногабаритная конструкция, не дающая возможности применить экран для звукоизоляции корпусного шума ДВС в технологиях исследования газодинамического шума системы впуска ДВС, в особенности - компактных конструкций систем впуска, в случаях расположения свободного среза воздухозаборного патрубка непосредственно вблизи корпуса ДВС (например, впускные шланги и патрубки короткой длины или элементы впуска выполнены в
виде единого модуля).
Сущность полезной модели заключается в том, что в известном акустическом моторном стенде, установленном в безэховой камере с звукопрозрачным полом, содержащем, в частности, нагрузочный тормоз, элементы механической связи вала ДВС с валом нагрузочного тормоза, комплекты регулирующей, измерительной и анализирующей аппаратуры, объект исследования - ДВС с навесными агрегатами в сборе, смонтированный на стенде с помощью несущих цельнометаллических продольных и поперечных направляющих и цельнометаллических стоек, - корпус ДВС с навесными агрегатами охвачен звукоизолирующим кожухом, смонтированном на элементах устройства крепления ДВС на стенде, а также на опорной отдельной стойке, установленной на несущих элементах звукопрозрачного пола безэховой камеры посредством болтового соединения через виброизолирующие прокладки; при этом, несущая оболочка кожуха выполнена в виде сплошного перфорированного или тонкостенного металлического листа (предпочтительней из легко деформируемого металла -алюминиевого, медного, свинцового) или из аналогичного материала проволочной металлической сетки, а внешняя поверхность несущей оболочки футерована пористым звукопоглощающим материалом с защитным звукопрозрачным слоем;
структура кожуха содержит отверстие сопряжения с воздухозаборным патрубком воздухоочистителя системы впуска ДВС, плотно и беззазорно охватывающего его за счет применения эластичного резинового, пористого пенистого или волокнистого уплотнителя. Свободный звукоизлучающий срез воздухозаборного патрубка воздухоочистителя системы впуска располагается при этом вне пространства, охваченного кожухом корпуса ДВС с навесными агрегатами в сборе, т.е. в зоне, где обеспечен более низкий шумовой фон от посторонних источников шума (ДВС с навесными агрегатами). Внешняя звукопоглощающая футеровка кожуха обеспечивает при этом более слабое отражение звуковых волн, излучаемых непосредственно свободным срезом патрубка воздухоочистителя. Таким образом, реализуются условия обеспечения более широкого динамического и частотного диапазона исследований шума впуска. Измерительный микрофон устанавливается непосредственно вблизи излучающего звук свободного среза воздухозаборного патрубка воздухоочистителя системы впуска ДВС (расстояние от микрофона до среза патрубка определяется конкретной технологической процедурой исследователя).
Сущность полезной модели иллюстрируется на чертежах.
На фиг.1 представлена полностью заглушенная безэховая акустическая камера, в которой установлен заявляемый в качестве полезной модели акустический моторный стенд для исследовательских и доводочных работ по заглушению шума системы впуска ДВС.
На фиг.2 представлен фрагмент конструкции предлагаемого акустического моторного стенда для исследовательских и доводочных работ по заглушению шума системы впуска ДВС, содержащий устройство крепления ДВС на стенде с смонтированным звукоизолирующим кожухом.
На фиг.3 показана схема монтажа отдельной стойки крепления звукоизолирующего кожуха к звукопрозрачному полу испытательной камеры.
На фиг.4, 5, 6 представлены структурные составляющие звукоизолирующего кожуха.
На фиг.7 показан фрагмент звукоизолирующего кожуха с отверстием сопряжения с воздухозаборным патрубком воздухоочистителя системы впуска ДВС.
Полезная модель, изображенная на фиг.1, представляет собой моторный стенд, смонтированный в безэховой акустической камере 1, с установленной внизу под поверхностью пола 2 приводной (тормозной) балансирной асинхронной (или постоянного тока) машины 3 на виброизолированном специальными пружинами 4 автономном фундаменте 5. Внутренняя бетонная оболочка 6 камеры 1 установлена по периметру пола 7 на специальных пружинах 8, и полностью изолирована от внешней бетонной оболочки 9 (принцип строительства «камера в камере»). Пол 10 акустической камеры 1 виброшумоизолирован от фундамента 5, на котором установлена балансирная асинхронная машина 3, резиновыми уплотнениями 11. Поверхность пола 10, 2, стен 6 и потолка 12 камеры 1 покрыта специальными шумопоглощающими клиньями (кулисами) 13. Балансирная асинхронная машина 3 через элементы механических связей передает крутящий (тормозной) момент через нижний вал 14, установленный в корпусе 15 нижнего опорного подшипникового узла, приводной ремень 16, верхний вал 17, закрытый защитным кожухом 18. Область вращения приводного ремня 16 закрыта защитным кожухом 19. Объект испытаний - ДВС 20 монтируется через упругие резинометаллические опоры 21 и усиленные кронштейны 22 на вертикальных стойках 23, имеющих возможность перемещаться по поперечным направляющим 24 и фиксироваться в необходимом положении. Поперечные направляющие 24, в свою очередь, могут свободно перемещаться при выполнении монтажных работ, и
фиксироваться вдоль продольных направляющих 25. Продольные направляющие балки 25 устройства крепления ДВС на стенде, стойки 26 защитного кожуха 18, корпус 27 верхнего опорного подшипникового узла смонтированы на несущем силовом каркасе 28. Пол испытательной камеры 1 представляет собой звукопрозрачные решетки 29, установленные на несущих опорных стойках и изолированные от рамы 30 несущего силового каркаса 28. Воздушная полость камеры 1 вентилируется высокопроизводительной приточной 31 и вытяжной 32 вентиляцией. Корпус ДВС и его вспомогательные навесные агрегаты охвачены звукоизолирующим кожухом 33, имеющим отверстие сопряжения 34, в которое выведен воздухозаборный патрубок 35 воздухоочистителя.
Сущность полезной модели поясняется графически.
На фиг.2 представлен фрагмент конструкции заявляемого акустического моторного стенда, содержащий звукоизолирующий кожух (далее - кожух) 33, охватывающий корпус ДВС и его вспомогательные навесные агрегаты. В предлагаемом варианте исполнения кожух 33 смонтирован с одной стороны ДВС (со стороны расположения воздухозаборного патрубка воздухоочистителя системы впуска) на вертикальных стойках 23 устройства крепления ДВС на стенде посредством фиксации установочного кронштейна 36 кожуха 33 штатным стягивающим болтом 37 вертикальной стойки 23. С противоположной стороны ДВС кожух 33 смонтирован на отдельной стойке 38, содержащей монтажную шпильку 39, на которую устанавливается и фиксируется гайками 40 торцевая часть кожуха 33. Стойка 38 (см. фиг.3) выполнена в виде металлической трубы с внутренней резьбой в ее нижней части и устанавливается на решетке звукопрозрачного пола 29 ввинчиванием монтажного болта 41 в нижнюю полость трубчатой стойки и прижимающего ее к решетке пола 29. Для уменьшения передачи вибрационного возбуждения на стутуру кожуха 33, труба стойки 38 смонтирована к полу через упругую (например, резиновую) виброизолирующую прокладку 42. При необходимости, возможно выполнение крепления кожуха 33 к корпусу ДВС через более эффективные виброизолирующие элементы (на эскизах не показано) или применение комбинированного крепления кожуха, сочетающего варианты монтажа к вертикальным стойкам 23, поперечным направляющим балкам 24, к корпусу ДВС. Несущая пластичная металлическая оболочка 43 кожуха 33 выполняется из тонкостенного сплошного или перфорированного листа (см. фиг.4, 5 - например, алюминиевого, медного, свинцового и т.п.), охватывающего, в качестве экранирующего звукоизолирующего кожуха, «посторонние звукоизлучающие
поверхности» вибрирующих стенок корпуса ДВС и навесных агрегатов. Возможно конструктивное исполнение несущей оболочки 43 в виде металлической сетки (см. фиг.6) из пластичной проволоки (медной, алюминиевой, стальной). Внешняя поверхность несущей оболчки 43 (обращенная к стороне расположения измерительного микрофона 44) футерована пористым звукопоглощающим материалом 45 (например, открытоячеистым ППУ, волокнистым пористым звукопоглощающим матом из стеклянных, базальтовых или других типов волокон), обеспечивающим ослабление эффекта отражения звуковых волн, генерируемых непосредственно исследуемым источником звука (свободным срезом воздухозаборного патрубка системы впуска ДВС), т.е. способствующим образованию сободного звукового поля волн, непосредственно излучаемых исследуемым точечным излучателем (свободным срезом воздухозаборного патрубка) в сферическое пространство среды распространения - воздушную среду измерительного помещения безэховой камеры. Внешняя поверхность пористого звукопоглощающего материала 45 может быть облицована защитным звукопрозрачным слоем 46 (например, тонкой апюминизированной пленкой, малифлизом и т.п.). Выполнение несущей оболочки 43 перфорированной, в ряде случаев позволяет увеличить эффект подавления уровней шумов, излучаемых «посторонними источниками» - корпусом ДВС, навесными агрегатами ДВС за счет улучшения условий поглощения генерируемых ими звуковой энергии, внешней пористой футеровкой экрана несущей оболочки. Также, выполнение структуры несущей оболочки в виде перфорированной структуры - позволяет избежать преобразование ее в заметный вторичный излучатель звука в случаях ее интенсивного вибрационного возбуждения (из-за, например, недостаточно эффективной виброизоляции опорных связей с виброактивным корпусом ДВС или стендом).
В структуре кожуха 33 (см. фиг.7) имеется отверстие сопряжения 34 с воздухозаборным патрубком 35 воздухоочистителя системы впуска ДВС, плотно и беззазорно охватывающего его в зоне прохождения патрубка через структуру кожуха за счет применения эластичного (например, резинового, пенистого или волокнистого) уплотнителя 47, обладающего приемлемым звукоизолирующим эффектом и мягкой эластичной структурой, с высокой виброизоляцией, исключающей жесткое виброшумовозбуждение оболочки кожуха. Свободный звукоизлучающий срез воздухозаборного патрубка воздухоочистителя системы впуска располагается при этом вне пространства, охваченного кожухом корпуса
ДВС с навесными агрегатами в сборе, т.е. в зоне, где обеспечен более низкий шумовой фон от посторонних источников шума (ДВС с навесными агрегатами). Внешняя звукопоглощающая футеровка кожуха обеспечивает при этом более слабое отражение звуковых волн, излучаемых непосредственно свободным срезом патрубка воздухоочистителя. Таким образом, реализуются условия обеспечения более широкого динамического и частотного диапазона исследований шума впуска. Измерительный микрофон 44 устанавливается непосредственно вблизи излучающего звук свободного среза воздухозаборного патрубка воздухоочистителя системы впуска ДВС (расстояние от микрофона до среза патрубка определяется конкретной технологической процедурой исследователя).
Практическое применение заявляемого в качестве полезной модели акустического моторного стенда для исследовательских и доводочных работ по заглушению шума системы впуска ДВС позволяет ослабить негативное влияние на процессы объективных измерений звукового излучения шума, производимого системой впуска ДВС, за счет изоляции шумового излучения «посторонних источников шума» в точке (точках) измерений, т.е. увеличить динамический и частотный диапазон измерений исследуемых акустических параметров системы впуска ДВС (звукового излучения системы впуска ДВС) и, таким образом, повысить точность и объективность производимых оценок. Кроме этого, обеспечивается защита измерительного микрофона от воздействия высоких температур в случае расположения микрофона вблизи термонагруженных деталей ДВС.