Способ акустических исследований системы впуска двигателя внутреннего сгорания
METHOD FOR ACOUSTIC RESEARCH OF THE INTAKE SYSTEM OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области акустики, в частности, к методике проведения экспериментальных исследований и доводке по виброакустике 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:
где
-1
n – частота вращения коленчатого вала ДВС, мин;
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 выпускной 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 и № 1, 2008, (продолжение) стр.50…55, а также в цитируемых в статье материалах. Из этой же статьи известна и методика проведения испытаний, заключающаяся в установке в 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 исследовательских и доводочных работ по виброакустике заявитель, дополнительно к применяемому штатному расстоянию между измерительным микрофоном и той или иной поверхностью излучателя шума, равному 1 м, использует и другие измерительные расстояния, утвержденные соответствующими апробированными инструкциями по испытаниям, в частности, расстояния «ближнего акустического поля» равные 0.06 м, 0.1 м и 0.25 м. При этом 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. В работе также упомянуто, что при оценке шума впуска наиболее предпочтительной точкой установки измерительных микрофонов является расстояние 0,06 м от плоскости свободного среза воздухозаборного патрубка или от поверхности стенки корпусного элемента системы впуска ДВС. 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.
В статье Deryabin I., 2020. «On the issue of reducing the sound level emitted by the intake system of an internal combustion engine», Journal of Physics: Conference Series 1679 052026, doi:10.1088/1742-6596/1679/5/052026 уточняется - при исследовании уровня звука, излучаемого системой впуска ДВС, измерительные микрофоны устанавливают в двух точках, а именно, на расстоянии 0,06 м от геометрического центра открытого среза впускного патрубка и на расстоянии 0,06 м от геометрического центра стенки резонаторной камеры; частоту вращения коленчатого вала ДВС в процессе исследований изменяют от 1500 об/мин до 6000 об/мин в режиме имитации полной нагрузки ДВС. В статье также приведены результаты испытаний.
В публикации Малкина И.В. «Разработка технических средств снижения шумовых излучений системы газообмена двигателя легкового автомобиля», Диссертация, ГНЦ РФ ФГУП"НАМИ", - Москва, 2014, фиг. 2.26, стр. 96-97, приведена принципиальная схема (дублируется на Фиг. 1 описания) системы впуска ДВС современного легкового автомобиля, где 1 – впускные клапаны головки блока цилиндров ДВС, 2 – впускные патрубки, 3 – газосборный ресивер, 4 – корпус дроссельной заслонки , 5 – промежуточная труба, 6 – камера (корпус) воздухоочистителя, 7 – фильтрующий элемент, 8 – воздухозаборный патрубок, 9 – резонатор Гельмгольца, 10 – расширительная резонаторная камера, 11 – четвертьволновый резонатор, 12 – пористая звукопоглощающая панель, 13 – открытый шумоизлучающий срез воздухозаборного патрубка, 14 – компенсационный канал (дренажное отверстие), 15 – акустический патрубок, в виде консольного участка, размещённого в полости камеры рессивера или воздухоочистителя, 16 – отверстия перфорации, 17 – измерительный микрофон (при проведении стендовых акустических исследований системы впуска). Обобщая - для уменьшения уровня шума, излучаемого системой впуска, в ее конструкции применяют различные шумозаглушающие устройства: акустические патрубки, расширительные камеры, резонаторные глушители (четвертьволновые и Гельмгольца) и шумопоглощающие материалы. При этом резонаторные глушители настраиваются на частоту звукового спектра с наиболее высоким (резонансным) уровнем звукового давления.
Для расчета резонаторных глушителей используют известные зависимости, цитированные, в частности, в упомянутой выше статье Deryabin I., 2020. «On the issue of reducing the sound level emitted by the intake system of an internal combustion engine», Journal of Physics: Conference Series 1679 052026, doi:10.1088/1742-6596/1679/5/052026, а также в описании к патенту RU 2677621, 6МПК G10K 11/16, E04H 5/00, публ. 17.01.2019.
Собственная частота резонатора Гельмгольца:
f
R
R
III
III
-  - собственная резонансная частота в Гц акустического резонатора Гельмгольца ,
- V
R
k
III
3
- объем камерной части акустического резонатора Гельмгольца , м,
- K
R
p
III
- проводимость горловой части акустического резонатора Гельмгольца , м,
S
R
g
III
2
-  - площадь проходного сечения в горловой части акустического резонатора Гельмгольца , м,
- L
R
R
III
- динамическая длина горловой части акустического резонатора Гельмгольца , м,
h
g
-  - геометрическая (габаритная) длина горловой части акустического резонатора Гельмгольца, м,
- t
C
o
о
- температура воздуха, установившаяся в воздушной полости пространственной зоны установки системы впуска ДВС, С;
- π
= 3,14.
L
I
r
Геометрическая длина  четвертьволнового акустического резонатора:
- f
r
– частота настройки резонатора, Гц,
d
пр
м
- - приведенный гидравлический диаметр проходного сечения трубчатой части четвертьволнового акустического резонатора произвольной геометрической формы, ,
- π
= 3,14,
- S
т
м
2
– площадь проходного сечения, в , трубчатой части четвертьволнового акустического резонатора.
d
d
d
пр
кр
кр
Для приведенного гидравлического диаметра круглого проходного сечения =, где  – диаметр круга.
Однако, несмотря на существующие расчетные методы проектирования резонаторных глушителей системы впуска ДВС, определяющим и окончательным методом является экспериментальное исследование и доводка проектируемых конструктивных исполнений различных вариантов системы впуска, в составе которой использованы резонаторные глушители (резонаторы), см. книгу Иванова Н.И., Никифорова А.С. «Основы виброакустики» – СПб, Политехника, 2000, стр. 326, первый абзац под параграфом 15.2 и далее до стр. 337.
Экспериментальные исследования предполагают изготовление набора опытных образцов резонаторов различных объемов с последующим их монтажом/демонтажом в состав исследуемой системы впуска ДВС, проведение акустических измерений и окончательный выбор оптимальной конструкции резонаторного глушителя. Данный способ исследований является весьма трудоемким и затратным и, в силу ограниченного количества опытных образцов, не обеспечивает наиболее оптимального выбора объема резонатора.
Задачей изобретения является создание способа акустических исследований системы впуска ДВС, обладающего расширенными технологическими возможностями, повышенной точностью и более низкими затратами при проведении такого вида исследований.
В качестве прототипа принят известный из патента RU 2652161, 6МПК В06В 1/00, публ.25.04.2018, способ акустических исследований звукопоглотителей с резонансными элементами, заключающийся в установке в малошумном помещении, оснащённом системой сбора, измерения и обработки данных, регулируемого источника акустического шума и измерительного микрофона, подключённого к системе сбора, измерения и обработки данных, в акустическом отделении источника шума экраном, содержащим в своём составе исследуемый звукопоглотитель, в последующем поэтапном формировании источником шума звуковых колебаний и в измерении посредством микрофона и системы сбора, измерения и обработки данных, на каждом из этапов формирования звука, уровней звукового давления. При этом в качестве системы сбора, измерения и обработки данных используют анализатор спектра частот и компьютер.
Способ по патенту RU 2652161 предполагает экранирование, с использованием исследуемого звукопоглотителя, регулируемого источника шума от микрофона и измерение уровней звукового давления после прохождения звука через экран. Процесс доводки систем впуска ДВС по виброакустике исключает использование каких бы то ни было дополнительных средств шумоподавления, кроме изолирующих микрофон от фонового шумового излучения и тех, что могут быть использованы непосредственно в составе систем впуска ДВС.
Терминологические пояснения:
1. Резонаторные глушители (резонаторы) – частотонастроенные шумозаглушающие устройства (резонаторы Гельмгольца, четвертьволновые и полуволновые акустические резонаторы), предназначенные для
диссипативного поглощения (рассеивания, демпфирования) звуковой (акустической) энергии, распространяемой в рассматриваемой газодинамической (аэродинамической) системе, к которой они подключены; наиболее эффективное использование акустических резонаторов относится к поглощению резонансных звуковых колебаний на выделяющихся частотных составляющих в спектрах шумового излучения газодинамической (аэродинамической) системы.
2. Собственная (резонансная) частота f - частота колебаний, на которой имеет место явление резонанса (в данном случае, частота звука f на которой наблюдается акустический резонанс, характеризуемый существенным усилением амплитуд звукового давления).
3. Добротность частотной характеристики резонаторной колебательной системы – количественная характеристика резонансных свойств колебательной системы, численно равная отношению собственной частоты резонансной системы к ширине полосы частот, на границах которой энергия системы при вынужденных колебаниях в 2 раза меньше энергии на резонансной частоте.
4. Добротность частотной характеристики акустического резонатора – параметрическая характеристика акустического резонатора, указывающая на внутренние диссипативные потери, возникающие как в составных структурах (элементах) акустического резонатора, так и обусловленными внешними энергетическими потерями, непосредственно связанными с процессом излучения звука в окружающую среду, на который также расходуется определенная часть колебательной энергии акустического резонатора.
Задача решается в способе акустических исследований, заключающемся в установке в малошумном помещении, оснащённом системой сбора, измерения и обработки данных, регулируемого источника акустического шума и измерительного микрофона, подключённого к системе сбора, измерения и обработки данных, в последующем поэтапном формировании источником шума звуковых колебаний и в измерении посредством микрофона и системы сбора, измерения и обработки данных, на каждом из этапов формирования звука, уровней звукового давления, где в качестве системы сбора, измерения и обработки данных используют анализатор спектра частот и компьютер.
Технический результат достигается тем, что
расч
расч
расч
- в качестве регулируемого источника акустического шума используют макетный резонатор, заблаговременно встроенный в систему впуска ДВС, коленчатый вал которого кинематически связан с балансирным агрегатом, выполненный с возможностью варьирования, с шагом 0,1 л, объема его внутренней полости от 0,9V до 1,1V, где V – объем резонаторного глушителя, определенный расчетным методом,
- измерительный микрофон устанавливают в ближнем акустическом поле, предпочтительно, на расстоянии от 0,06 до 0,1 м, от излучающего звук (исследуемого) элемента (исследуемой) системы впуска,
расч
- на начальном этапе объём полости макетного резонатора устанавливают равным 1,1V после чего выполняют разгон ДВС, в режиме его максимальной нагрузки, от оборотов холостого хода до максимальных оборотов, в процессе которого выполняют измерение и регистрацию уровней звукового давления, формируемого расположенным перед микрофоном источником звука,
расч
- затем поэтапно, с шагом 0,1 л, уменьшают объём полости макетного резонатора до величины 0,9V, и на каждом из этапов изменения объёма резонатора выполняют разгон ДВС, в режиме его максимальной нагрузки, от оборотов холостого хода до максимальных оборотов, а в процессе любого из разгонов выполняют измерение и регистрацию уровней звукового давления, формируемого расположенным перед микрофоном источником звука,
- после завершения всех этапов испытаний выбирают объем макетного резонатора, соответствующий минимальному уровню шума, излучаемому со
стороны системы впуска ДВС, выбранную величину объёма реализуют в конструкции рабочего резонаторного глушителя.
Изобретение поясняется рисунками:
Фиг. 1, где приведена принципиальная схема системы впуска ДВС современного легкового автомобиля; цитируется по публикации Малкина И.В. «Разработка технических средств снижения шумовых излучений системы газообмена двигателя легкового автомобиля», Диссертация, ГНЦ РФ ФГУП"НАМИ", - Москва, 2014, фиг. 2.26, стр. 96-97. Обозначение позиций, приведённое на Фиг.1, соответствует нумерации, принятой в цитируемой работе.
Фиг. 2, где схематично изображена исследуемая система впуска ДВС, оснащённая, на период испытаний, макетным резонатором;
Фиг. 3, где показана схема макетного резонатора.
Позициями на фиг. 2 и 3 обозначены:
1 – модуль впуска;
2 – акустический патрубок;
3 – расширительная камера;
4 – воздухоочиститель;
5 – впускной патрубок;
6 – цилиндр макетного резонатора;
7 – измерительный микрофон;
8 – поршень макетного резонатора.
Заявляемый способ акустических исследований системы впуска ДВС может быть реализован следующим образом:
На моторном стенде (не показан), расположенном в малошумном помещении, предпочтительно, в акустической безэховой или полубезэховой испытательной камере (не показана) закрепляют исследуемый в комплекте с изучаемой (настраиваемой/оптимизируемой) системой впуска ДВС (на фиг. не показан). Коленчатый вал ДВС соединяют с балансирным агрегатом (не показан; входит в состав испытательной камеры), системы ДВС (не показаны) соединяют с агрегатами (не показаны; входят в состав испытательной камеры) обеспечения работы ДВС и аппаратурой (не показана; входит в состав испытательной камеры) управления режимами работы ДВС.
Исследуемая система впуска, включает в себя, см. Фиг.2, модуль впуска 1, акустический патрубок 2 модуля впуска, расширительную камеру 3, воздухоочиститель 4 и впускной патрубок 5.
В исследуемую систему впуска ДВС встраивают макетный резонатор. Место сопряжения макетного резонатора и системы впуска выбирают исходя из компоновочных условий подкапотного пространства транспортного средства, где, в последующем, предполагается использование резонатора с оптимизированным по результатам испытаний объёмом. В области ближнего звукового поля, предпочтительно на расстоянии 0,06…0,1 м от излучающего звук элемента системы впуска, устанавливают измерительный микрофон 7 (на фиг. 2 микрофон 7 показан установленным вблизи открытого среза впускного патрубка 5), который соединяют с системой сбора, измерения и обработки данных (не показана; входит в состав испытательной камеры, содержит анализатор спектра частот и компьютер с предустановленным специализированным программным обеспечением).
Макетный резонатор может быть выполнен образованным цилиндром 6, один из торцов которого заглушен (показано графически), а также поршнем 8, установленным в цилиндре с возможностью аксиального смещения, и патрубком (показан графически), расположенным со стороны заглушенного торца цилиндра (на Фиг. 2 и 3 показано аксиальное, относительно стенок цилиндра 6, расположение патрубка).
В составе исследуемой системы впуска ДВС цилиндр 6 макетного резонатора выполнен установленным неподвижно; расположение патрубка цилиндра определяется также, как оговаривалось выше, компоновочными условиями подкапотного пространства транспортного средства, где предполагается последующее использование оптимизированного по объёму резонатора (на Фиг. 2 патрубок цилиндра показан расположенным аксиально к акустическому патрубку 2 модуля впуска 1).
расч
расч
расч
расч
расч
Геометрические размеры цилиндра и ход поршня выбраны исходя из возможности изменения объёма цилиндра, расположенного под поршнем 8, по меньшей мере, от 0,9V до 1,1V или от 1,1V до 0,9V, где V – объем резонаторного глушителя, определенный расчетным методом. При этом макетный резонатор выполнен с возможностью поочерёдной фиксации положения поршня 8 в цилиндре 6 с шагом (а), обеспечивающим этапное изменение под поршневого объёма цилиндра на 0,1 л.
расч
расч
Диапазон изменения объема макетного резонатора выбран исходя из частотных характеристик известных резонаторных глушителей, обладающих высокой добротностью (см. книгу Иванова Н.И., Никифорова А.С. «Основы виброакустики» – СПб, Политехника, 2000, стр 324, табл. 15.1, вторая снизу строка таблицы). Диапазон изменения объёма макетного резонатора от 0,9V до 1,1V, с шагом изменения 0,1 л оптимален для точного определения частоты резонаторного глушителя, при которой уровень шума, излучаемого системой впуска ДВС, будет минимальным.
расч
На начальном этапе исследований поршень 8 макетного резонатора устанавливают в положение, при котором объём полости, заключённой между стенками цилиндра 6, его заглушенным торцом и поршнем 8 (объём макетного резонатора), соответствует увеличенному на 10% объему внутренней полости резонаторного глушителя, определенному (для данного типа ДВС и исследуемой системы впуска) расчетным методом (1,1V). Затем выполняют разгон (раскрутку коленчатого вала) ДВС от величины оборотов холостого хода до величины максимальных оборотов в режиме имитации полной нагрузки ДВС. В процессе разгона ДВС осуществляют постоянный мониторинг уровня звукового давления, формируемого расположенным перед микрофоном 7 источником звука (элементом системы впуска). Посредством системы сбора, измерения и обработки данных выполняют спектральный анализ сигналов, полученных от микрофона 7, измерение их параметров и регистрацию полученных результатов.
Совершенно очевидно, что при наличии многоканальной системы сбора, измерения и обработки данных количество одновременно используемых микрофонов может быть увеличено.
После завершения первого этапа исследований выполняют останов ДВС. Затем, поршень 8 смещают в сторону заглушенного торца цилиндра с таким расчётом, чтобы объём макетного резонатора был уменьшен, относительно предыдущего значения, на величину 0,1 л (на Фиг. 3 – шаг смещения поршня обозначен буквой «а»). После чего опять выполняют раскрутку ДВС в режиме его полной нагрузки, сопровождаемую постоянным сбором, анализом и записью данных сигнала, формируемого микрофоном 7. После завершения второго этапа выполняют останов ДВС.
Описанный выше алгоритм повторяют, пошагово уменьшая объём полости макетного резонатора на величину 0,1 л и для каждого из полученных смещением поршня 8 объёмов макетного резонатора производят раскрутку, с последующим остановом, ДВС, сопровождаемую постоянным сбором, анализом и записью данных сигнала, формируемого микрофоном 7.
расч
Завершающим положением поршня 8 является такое его позиционирование в цилиндре 6, при котором объём полости макетного резонатора соответствует уменьшенному на 10% объему внутренней полости резонаторного глушителя, определенному (для данного типа ДВС и исследуемой системы впуска) расчетным методом (0,9V).
По данным спектрального анализа и по результатам измерений параметров сигналов, полученных от микрофона 7, зарегистрированным в ходе последовательных изменений объёма макетного резонатора, всякий раз сопровождаемых раскруткой ДВС от величины оборотов холостого хода до величины максимальных оборотов в режиме его полной нагрузки, выбирают объем макетного резонатора, соответствующий минимальному уровню шума, излучаемого со стороны системы впуска ДВС; полученный результат используют при окончательной (предсерийной) отработке конструктива системы впуска ДВС.
Заявляемый способ акустических исследований системы впуска двигателя внутреннего сгорания обеспечивает снижение затрат на проведение доводочных работ системы впуска ДВС по виброакустике, а также создание системы впуска с минимально возможным уровнем акустического шума.