УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ШУМА ВЫХЛОПА СИСТЕМ ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЕЙ КОЛЕСНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Полезная модель относится к технике исследования источников шума колесных транспортных средств, выполняемых в акустической полубезэховой, с жестким звукоотражающим полом камере и конкретно имеет отношение к конструкциям устройств защиты измерительных микрофонов, применяемых при экспериментальных исследованиях эффективности шумозаглушающих характеристик глушителей шума систем выпуска отработавших газов двигателей колесных транспортных средств, преимущественно легковых автомобилей.
Решение проблемы уменьшения акустического загрязнения окружающей среды и улучшения акустического комфорта наземных колесных транспортных средств - важная актуальная задача разработчиков и исследователей транспортной техники, требующая больших материальных, временных и интеллектуальных затрат. Наиболее мобильными и продуктивными процессами исследований и доводки, в частности, колесных транспортных средств по шуму и виброкомфорту являются экспериментальные исследования, проводимые в стендовых условиях, с привлечением многообразной техники имитации скоростных и нагрузочных режимов идентичных дорожным (полевым) условиям испытаний (например, динамических стендов с беговыми барабанами), стационарной измерительной и анализирующей аппаратуры. Постоянные, не зависящие от погоды и состояния дорожного покрытия условия испытаний, удобство съема и анализа измерительной информации способствуют все более широкому распространению стендовых исследований виброакустических процессов, протекающих в наземных колесных транспортных средствах. Ввиду того, что основным виброшумоактивным источником транспортного средства является его энергетическая установка - двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и, в особенности, его система газообмена, включающая систему впуска и систему выпуска отработавших газов, как наиболее интенсивных газодинамических источников шума, то весьма важно проводить их исследования и доводку на динамическом стенде при имитации различных
скоростных и нагрузочных режимов (изменяя обороты ДВС, угол открытия дроссельной заслонки и т.п.) в аналогичных условиях свободного звукового поля (в которых находится транспортное средство на автостраде или полевых условиях в процессе его эксплуатации).
Достаточно полную имитацию условий скоростных и нагрузочных режимов движения автомобиля в реальных дорожных условиях можно достичь на стендах с беговыми барабанами, практика использования которых нашла широкое распространение на предприятиях производящих автотранспортную технику и в НИИ. С другой стороны - условия свободного звукового поля возможно реализовать поместив этот динамический стенд с беговыми барабанами в специальное строительное сооружение - полубезэховую или безэховую акустическую камеру.
В связи с этим, современные технологии исследования акустических процессов, реализующихся на транспортных средствах (автомобилях, тракторах, мотоциклах и пр. видах колесных транспортных средств) предусматривают, в частности, применение специальных низкошумных беговых барабанов, позволяющих имитировать различные скоростные и нагрузочные режимы работы энергетических и трансмиссионных агрегатов транспортных средств в условиях размещения их в специальных безэховых или полубезэховых акустических камерах, способствующих формированию свободного звукового поля в зонах измерений.
Безэховая (полностью заглушенная) или полубезэховая (заглушенная, с отражающим полом) испытательные камеры представляют собой помещение, установленное на отдельном, виброизолированном от основного здания фундаменте. В такой камере размещается динамический стенд с беговыми барабанами (или моторный тормозной стенд), виброизолированный от основного здания и корпуса камеры. Привод и тормозная установка размещаются в подвальном, или находящимся на одном уровне с камерой, специальном машинном помещении. Для приближения акустических свойств камеры к свободному звуковому полю выполняется направленное согласование акустических импедансов (сопротивлений) воздушной среды в свободном пространстве камеры и в пористой структуре звукопоглощающего материала, облицовывающего (футерующего) звукоотражающие поверхности стен, потолка, пола. Именно, поэтому конструкция звукопоглощающей облицовки стен (пола, потолка) камеры выполняется пористой и имеет структурную
плотность (пористость), плавно изменяющуюся по глубине покрытия в направлении распространения звуковых волн к жесткой звукоотражающей поверхности стен (пола, потолка). Причем, наибольшая плотность пористой звукопоглощающей облицовки реализуется непосредственно у стенок камеры, а наименьшая - на внешнем (приемном) поверхностном слое звукопоглощающей футеровки стен и потолка помещения испытательной камеры. Необходимые условия такого волнового согласования сред распространения и поглощения звука в зонах стен и потолка достигаются, в частности, применением различных объемных поглотителей звука клиновой формы (клинья, кулисы). Основными материалами, из которых изготавливаются звукопоглощающие поглотители, являются открытоячеистый пенополиуретан, стекловолокно, супертонкое базальтовое волокно, винипор с огнестойкой пропиткой.
Испытательные камеры для акустических исследований транспортных средств, как правило, оборудуются мощными низкошумными приточными и вытяжными вентиляционными установками, способными эффективно осуществлять общеобменную вентиляцию всего пространства испытательной камеры. Кроме этого, дополнительно применяются вентиляторные воздуходувки для локального охлаждающего направленного обдува отдельных термонагруженных агрегатов транспортного средства и его энергетической установки.
Измерение шума выпуска отработавших газов двигателя колесного транспортного средства (в частности, легкового автомобиля) для оценок достигнутых значений уровней излучаемого газодинамической составляющей шума выпуска (шума выхлопа) и последующих сравнительных оценок эффективности шумозаглушающих характеристик глушителей шума системы выпуска производится с использованием измерительных микрофонов, располагаемых вблизи (на заданном конкретном расстоянии) от свободного (открытого) среза выхлопной трубы системы выпуска двигателя автомобиля, установленного в акустической полубезэховой камере на динамическом стенде с беговыми барабанами.
Известно устройство оценки шума систем выпуска отработавших газов ДВС колесного транспортного средства, в частности, легкового автомобиля, представленное в публикации Walter Seeger "Geraususchabstrahlung eines Verbrennungsmotors. Einfluss der Ansaug - und Absauggerausche auf das
Fahrzeug-lnnengerausch".Automobil-lndustrie, 1985, №5, р.515...526. Устройство включает полубезэховую акустическую камеру с установленным динамическим стендом с беговыми барабанами, измерительные микрофоны с регистрирующей и анализирующей аппаратурой. Здесь, в частности, оценка уровней и спектров шумов систем выпуска ДВС производится на стенде с беговыми барабанами в полубезэховой акустической камере на автомобиле Opel-Kadett GSI с установкой измерительного микрофона у свободного среза хвостовой трубы глушителя системы выпуска отработавших газов ДВС без применения каких-либо устройств дополнительной шумоизоляции измерительного пространства в зоне установки измерительного микрофона, что, вследствие этого, влечет регистрацию интенсивных «посторонних шумовых помех» (паразитного шумового фона) от корпуса силового агрегата, от приводных барабанов стенда, контактирующих с вращающимися шинами, от агрегатов трансмиссии и, таким образом, снижает достоверность проводимых оценок акустических параметров исследуемых глушителей шума выпуска отработавших газов. С другой стороны, измерительный микрофон, располагаемый вблизи свободного среза хвостовой трубы глушителя, подвергается существенным неблагоприятным воздействиям выхлопных газов, содержащих твердые частицы (сажу) и пары конденсата (воду). Также имеет место термическое воздействие выхлопных газов на чувствительный элемент измерительного микрофона, негативно влияющее с точки зрения его долговечности, потери чувствительности и т.п.
Известно устройство оценки шума системы выхлопа ДВС, представленное в публикации Klaus Peter Mayer und Bernd Nowotny «Ein Berechnungsverfahren fur Abgasschalldampfer von Viertaktmotoren», MTZ Motortechnische Zeitschrift 42 (1981) №10, стр.391-396. Устройство представляет собой расположенные рядом две спаренные испытательные камеры, в одной из которых смонтирован моторный стенд с присоединенной исследуемой системой выпуска, причем, свободный срез хвостовой части выхлопной трубы исследуемой системы выпуска выводится через соединительное окно в межкамерной перегородке во вторую, звукозаглушенную камеру, с установленным в ее пространстве, в непосредственной близи от свободного среза, измерительным микрофоном. Данное устройство оценки шума системы выхлопа ДВС требует строительства дополнительных дорогостоящих камер и применения дополнительного
стендового оборудования. Выхлопной свободный срез хвостовой трубы глушителей размещен вблизи пористой звукопоглощающей облицовки камеры, что может вызывать загрязнение этой зоны твердыми частицами и химически активным конденсатом, содержащихся в выхлопных газах системы выпуска, а также оказывает неблагоприятное воздействие на звукопоглощающую облицовку из-за высокой температуры выхлопных газов. Представленный комплекс измерительных камер для исследования шума систем выхлопа отличается дороговизной и сложностью дополнительного специального строительного сооружения, сложностью компоновки выхлопной трассы через соединительное окно межкамерной перегородки в процессе монтажа реальных объектов испытаний (конкретной модели двигателя и конкретного типа выхлопной системы) и обеспечения при этом высокой звукоизолирующей способности межкамерной перегородки. В особенности, это относится к применению выхлопных автомобильных систем (трасс) одновременно с продольным и поперечным расположением корпусов глушителей, с сдвоенными автономными выхлопными трассами (например, в широко применяемых V-образных 8-цилиндровых двигателях легковых автомобилей). В данном случае, измерительный микрофон для оценки уровня и спектра шума выхлопа, излучаемого открытым срезом хвостовой трубы системы выпуска отработавших газов, подвергается аналогичным неблагоприятным воздействиям попадающих на него выхлопных газов.
Из свидетельства на полезную модель Российской Федерации №40796, МПК 7 G 01 М 17/00, публ., БИ №27, 27.09.2004, известна конструкция устройства для оценки шума системы выпуска ДВС транспортного средства, ПРОТОТИП, содержащая акустическую полубезэховую камеру, динамометрический стенд с беговыми барабанами, шумоизолирующий экран, смонтированный под задним бампером автомобиля, измерительный микрофон, установленный вблизи открытого среза хвостовой трубы системы выпуска отработавших газов ДВС исследуемого транспортного средства (в частности, автомобиля). Недостатком известного устройства оценки шума системы выпуска, как и вышеописанных устройств, является незащищенность измерительных высокочувствительных мембран микрофонов в составе измерительного устройства от воздействия на чувствительную мембрану микрофона твердых частиц и паров конденсата (влаги), содержащихся в выхлопных газах систем выпуска отработавших газов двигателя транспортного средства, продуктов износа вращающихся шин задней
оси, взаимодействующих с «шероховатой» поверхностью вращающихся беговых барабанов, близко расположенных к зоне установки микрофона, что изменяет чувствительность микрофонов вследствие осаждения этих частиц на поверхности чувствительных элементов микрофонов - мембран (для обычно используемых в практике таких измерений - микрофонов конденсаторного типа), уменьшает срок службы дорогостоящих измерительных микрофонов, отрицательно влияет на точность акустических измерений.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в реализации функции защиты измерительных микрофонов при исследовании газодинамической составляющей шума системы выпуска отработавших газов (шума выхлопа) ДВС колесного транспортного средства.
Указанный технический результат при осуществлении заявляемой полезной модели достигается тем, что в известном устройстве оценки шума системы выпуска отработавших газов ДВС, содержащем, в частности, акустическую полубезэховую камеру, динамометрический стенд с беговыми барабанами, измерительный микрофон, установленный вблизи открытого среза хвостовой трубы системы выпускав отработавших газов ДВС исследуемого транспортного средства - между измерительным микрофоном и открытым срезом хвостовой трубы установлен передвижной защитный экран, выполненный на основе тонкого моющегося, огнестойкого, микропористого, звукопрозрачного, газопроницаемого материала. Каркас защитного экрана смонтирован на автономной опорной стойке с возможностью регулирования местоположения экрана по высоте и углу наклона в вертикальной плоскости, при этом, основание опорной стойки выполнено в виде треножного элемента, содержащего регулировочные винты, контактирующие с полом испытательной камеры через упругую виброизолирующую прокладку. Микропористая структура материала экрана, образующая защитную оболочку, не генерирует звуковые волны при возбуждении ее пульсирующим газовым потоком выхлопных газов в отличие от аналогичных оболочек, выполненных из тонких звукопрозрачных газонепроницаемых пленок и, таким образом, не вносит собственных «паразитных» шумовых излучений в уровни шума выхлопа, регистрируемые измерительным микрофоном. В это же время, ее микропористая структура защищает зону установки микрофона от прямого попадания на его чувствительный элемент паров конденсата (водяного пара), частиц сажи, высокотемпературного нагрева газов.
Использование заявляемого устройства для оценки шума выхлопа не ограничено его применением исключительно в акустических камерах, и оно может использоваться на открытых пространствах, как это требуют технологические процедуры измерения шума выхлопа автотранспортных средств согласно международных норм (правило №51-02 Европейской Экономической комиссии при Организации Объединенных наций - ЕЭК ООН) или национальных требований Российских стандартов ГОСТ Р41.51-2004 и ГОСТ Р52231-2004. Данные требования стандартов предусматривают установку измерительного микрофона шумомера в 0.5 м от свободного среза хвостовой трубы глушителя. Такое близкое расположение хвостовой трубы глушителя с истекающим потоком выхлопных газов относительно чувствительного элемента измерительного микрофона, как уже было отмечено выше, весьма неблагоприятно с точки зрения сохранения им функциональных свойств (долговечности, точности) и требует применения защитных элементов, не искажающих звуковое поле процесса выхлопа в измерительной зоне.
Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".
Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Сущность полезной модели иллюстрируется на чертежах.
На фиг.1-2 представлено устройство оценки шума систем выпуска отработавших газов ДВС колесных транспортных средств. Позициями на фиг.1-2 обозначены:
1 - внешняя бетонная оболочка полубезэховой камеры;
2 - внутренняя бетонная оболочка полубезэховой камеры;
3 - звукопоглощающая облицовка кулисного типа;
4 - пружины;
5 - фундамент динамического барабанного стенда;
6 - жесткий звукоотражающий пол;
7 - беговые барабаны;
8 - исследуемое транспортное средство;
9 - крепежный трос;
10 - срез хвостовой трубы глушителя системы выпуска отработавших газов двигателя исследуемого транспортного средства;
11 - измерительные микрофоны;
12 - шумоизолирующий экран;
13 - передвижной защитный звукопрозрачный экран.
На фиг.3 представлена конструкция (вид спереди) передвижного защитного звукопрозрачного экрана, заявляемого в качестве полезной модели устройства для оценки шума выхлопа систем выпуска отработавших газов ДВС колесных транспортных средств.
На фиг.4 представлен вид А (сверху) передвижного защитного звукопрозрачного экрана, заявляемого в качестве полезной модели устройства для оценки шума выхлопа систем выпуска отработавших газов ДВС колесных транспортных средств.
На фиг.5 показано сечение по В-В каркаса передвижного защитного звукопрозрачного экрана.
На фиг.6 представлены общие уровни шума, замеряемые в 0.25 м от среза выхлопной трубы основного глушителя под углом 60° к ее оси, легкового автомобиля, установленного на стенде с беговыми барабанами в полубезэховой акустической камере (измерения проведены в полубезэховой камере Управления специальных испытаний АВТОВАЗа), без применения защитного экрана и в варианте применения защитного экрана в составе заявляемого устройства для оценки шума выхлопа систем выпуска отработавших газов ДВС колесных транспортных средств.
На фиг.7-10 представлены 1/3 октавные спектры уровней шума, замеряемые в 0.25 м от среза выхлопной трубы основного глушителя под углом 60° к ее оси, легкового автомобиля, установленного на стенде с беговыми барабанами в полубезэховой акустической камере, на различных режимах работы ДВС (измерения проведены в полубезэховой камере Управления специальных испытаний АВТОВАЗа), без применения защитного экрана и в варианте применения защитного экрана в составе заявляемого устройства для оценки шума выхлопа систем выпуска отработавших газов ДВС колесных транспортных средств.
На фиг.11-16 представлены общие уровни и 1/3 октавные спектры уровней шума, замеряемые в 0.25 м от среза выхлопной трубы основного
глушителя под углом 60° к ее оси, легкового автомобиля, установленного на стенде с беговыми барабанами в полубезэховой акустической камере, на различных режимах работы ДВС (измерения проведены в полубезэховой камере Управления специальных испытаний АВТОВАЗа), без применения защитного экрана и в варианте применения защитного экрана, мембрана которого выполнена из алюминизированной лавсановой пленки.
Передвижной защитный экран 13 содержит защитную звукопрозрачную мембрану 14, выполненную на основе тонкой микропористой, моющейся, огнестойкой, влаго-масло-бензостойкой защитной звукопрозрачной, газопроницаемой волокнистой структуры. Защитная мембрана 14 установлена в полимерном каркасе 15 кольцевидной формы между двумя сопрягаемыми кольцами 16 и фиксируется стягивающими винтами 17. Каркас 15 защитного экрана, в свою очередь, монтируется на автономной опорной стойке 18 посредством крепежного хомута 19. Крепежный хомут 19 устанавливается на вертикальной сплошной металлической трубке опорной стойки 18 и стягивается соединением винт-гайка 20. Такое крепление каркаса защитного экрана к опорной стойке позволяет целенаправленно выполнять регулировку местоположения экрана по высоте и углу наклона в вертикальной плоскости для требуемого позиционирования экрана в зависимости от расположения свободного среза хвостовой трубы системы выпуска ДВС исследуемого транспортного средства и месторасположения измерительного микрофона, с учетом направления истекающего потока отработавших газов ДВС. Основание 21 опорной стойки выполнено треножного типа, в виде трех металлических, сплошного квадратного профиля, опорных элементов 22, исходящих из одной зоны, противоположные концы которых равноудалены друг от друга (угол β между направляющими лучами опорных элементов равен 60°). Опорные элементы 22 содержат регулировочные винты 23, с помощью которых производится выбор наиболее устойчивого положения опорной стойки защитного экрана. Для уменьшения передачи вибрационного возбуждения на элементы защитного экрана (стойки, каркаса), регулировочные винты 23 контактируют с полом испытательной камеры через упругие (например, резиновые) виброизолирующие прокладки 24. Защитный звукопрозрачный экран 13 устанавливается между зоной измерительного микрофона 11 и испускающим отработавшие газы ДВС свободным срезом 10 хвостовой трубы системы выпуска ДВС исследуемого транспортного средства, обеспечивая,
таким образом, необходимую защиту от прямого попадания твердых частиц и конденсата, содержащихся в выхлопных газах, на чувствительный элемент измерительного микрофона без существенного искажения свободного звукового поля в измерительном пространстве микрофона. Малые габариты элементов 15, 18 и 21 экрана также способствуют минимизации искажений звукового поля в зоне установки измерительного микрофона. Применение в качестве защитной мембраны 14, например, тонкой газонепроницаемой структуры типа алюминизированной лавсановой пленки - недопустимо ввиду значительных величин, вносимых ею искажений звукового поля в зоне установки измерительного микрофона. Газовые пульсации, стационарный поток выхлопных газов и высокие уровни звукового давления, излучаемого открытым (свободным) срезом хвостовой трубы глушителя системы выпуска отработавших газов ДВС возбуждают в этом случае (при применении, например, алюминизированной лавсановой пленки) интенсивные мембранные колебания газонепроницаемой пленки, что, в свою очередь, влечет генерирование этой пленкой вторичного и весьма интенсивного звука, искажающего реальное шумовое излучение газодинамической составляющей шума выпуска отработавших газов (шума выхлопа), как это следует из фиг.11-16. Применение же в качестве защитной мембраны 14 защитного экрана 13, выполненной согласно заявляемого технического решения из звукопрозрачной, газопроницаемой волокнистой структуры, позволяет (см. фиг.6-10) минимизировать искажения звукового поля, регистрируемого измерительным микрофоном без установленного защитного экрана.
Практическая реализация предлагаемой конструкции устройства оценки шума систем выпуска отработавших газов двигателей колесных транспортных средств позволяет увеличить срок службы дорогостоящих измерительных микрофонов, повысить качество проведения акустических измерений при исследовании транспортных средств в условиях безэховых (полубезэховых) камер.