Устройство для оценки уровня газодинамического шума системы выпуска отработавших газов двигателей колесных транспортных средств

Изобретение относится к технике исследований источников шума колесных транспортных средств, выполняемых в акустической полубезэховой камере и конкретно имеет отношение к конструкциям устройств, применяемых для экспериментальных стендовых исследований газодинамического шума системы выпуска отработавших газов двигателей колесных транспортных средств.
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 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.
Измерение шума выпуска отработавших газов ДВС колесного транспортного средства (в частности, легкового автомобиля) для оценок достигнутых значений уровней излучаемого газодинамического шума выпуска, последующих сравнительных оценок эффективности шумозаглушающих характеристик глушителей шума системы выпуска, а также корпусного шума, излучаемого динамически возбуждаемыми стенками корпусов глушителей, трубопроводов и тонкостенных термоизолирующих экранов элементов системы выхлопа отработавших газов производится с использованием измерительных микрофонов, располагаемых вблизи (на заданном конкретном расстоянии) от свободного (открытого) среза выхлопной трубы или от вибрирующей шумоизлучающей стенки корпусного элемента системы выпуска ДВС автомобиля, установленного в акустической полубезэховой камере на динамическом стенде с беговыми барабанами. Во время стендовых акустических исследований системы выпуска отработавших газов ДВС колесного транспортного средства, установленного на беговых барабанах динамического стенда, как правило, очень трудно добиться необходимой точности результатов измерений уровней звука при оценках эффективности шумозаглушающих характеристик различных конструкций глушителей. Причина сложности получения объективных результатов заключается в наличии высокого уровня "паразитного" маскирующего шумового фона в точке измерений (в зоне установки измерительного микрофона) вблизи среза выхлопной трубы. Высокий "паразитный шумовой фон", воспринимаемый в данном случае как "помехи", передается в эту измерительную зону в первую очередь из пространства моторного отсека исследуемого транспортного средства в виде шумового излучения работающего ДВС (излучения звука от вибрирующих поверхностей корпусных деталей ДВС, аэрогазодинамического шума систем впуска и охлаждения ДВС), от вращающихся на барабанах стенда шин, контактирующих с рабочей поверхностью беговых барабанов стенда и излучающих шум вследствие этого взаимодействия, шума излучаемого трансмиссионными агрегатами транспортного средства, а также от корпусного шума глушителей шума выпуска и пр. Проблему ослабления уровня "паразитного" маскирующего шумового фона специалисты в области акустических исследований решают, например, применением дополнительных шумоизолирующих устройств в виде специальных акустических экранов, капсул, звукоизолирующих перегородок. Более эффективным методом является вывод выхлопной трассы вне пространства кузова колесного транспортного средства для максимального удаления от источников «паразитного шумового фона» и последующего звукоизолирования этих источников.
Из публикации Klaus Peter Mayer und Bernd Nowotny "Ein Berechnungsverfahren fur Abgasschalldampfer von Viertaktmotoren", MTZ Motortechnische Zeitschrift 42 (1981) №10, стр. 391-396 известен комплекс для оценки шума системы выхлопа ДВС, содержащий две расположенные рядом, разделенные межкамерной перегородкой, испытательные камеры. В одной из камер установлен моторный стенд, с установленной на стенде исследуемой системой выпуска, а в другой, которая выполнена звукозаглушенной, установлен измерительный микрофон. При этом свободный срез хвостовой части выхлопной трубы исследуемой системы выпуска выводится через соединительное окно в межкамерной перегородке в звукозаглушенную камеру. Данный комплекс для оценки шума системы выхлопа ДВС является сложным и дорогостоящим, требует строительства двух дорогостоящих камер. Кроме того, цитируемый комплекс измерительных камер характеризуется, с одной стороны, сложностью трассирования выхлопной трубы через соединительное окно межкамерной перегородки объектов испытаний (зависит от конкретной модели двигателя и конструктивных особенностей выхлопной системы), а с другой стороны, сложностью обеспечения высокой звукоизолирующей способности упомянутой межкамерной перегородки. В особенности сказанное относится к применению выхлопных автомобильных систем, в которых корпуса глушителей и нейтрализаторов располагаются не соосно, в частности, в случае применения выхлопных систем со сдвоенными выхлопными трассами (характерно для автомобилей с V-образными 8-цилиндровыми двигателями).
Из патента на изобретение DE 4019581, 5 МПК G01M 15/00, публ. 02.01.1992, известно устройство для оценки корпусного и газодинамического шума систем выхлопа двигателя внутреннего сгорания, содержащее комплекс, состоящий из трех камер, одна из которых выполнена безэховой. Где выхлопной трубопровод выполнен выведенным в безэховую камеру. Существенным недостатком данной конструкции является ее узкая специализация, сложность и дороговизна строительного сооружения, сложность монтажа выхлопной системы двигателя, невозможность многоцелевого (универсального) использования данной испытательной камеры. Излучение звука 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).
Из публикации Mineichi INAGAWA, Коо NAKAMURA "Reducing Exhaust System Noise of Heavy Trucks", JSAE Review, 1980, №2, p. 41-52, фиг. 15, стр. 48 известно устройство для исследования корпусного и газодинамического шума системы выпуска ДВС колесного транспортного средства, в частности, грузового автомобиля. Данное устройство предусматривает трассирование исследуемой системы выпуска вбок за пространство колесного транспортного средства. При этом вблизи транспортного средства со стороны выхлопной трассы и вблизи свободного среза выхлопной трубы установлены звукоизолирующие панели несущие конструктивные элементы которых, в свою очередь, обеспечивают трассирование трубопроводов исследуемой системы выпуска. Недостатком данного устройства является интенсивная передача вибровозбуждения, генерируемого корпусным и газодинамическим шумом исследуемой системы выпуска двигателя внутреннего сгорания, на пол испытательной камеры посредством конструктивных элементов звукоизолирующих панелей, что вызывает дополнительное динамическое возбуждение пола испытательной камеры и, соответственно, излучение им дополнительного структурного шума, искажающего реальные характеристики акустического излучения элементов системы выпуска.
Из публикации Frank Lehringer "Die Berechnung der akustischen Eigenschaften von Abgasanlagen mit Hilfe von Transfermatrizen", Automobil Industrie, 1988, №6, стр. 3-15, известноустройство для исследования корпусного и газодинамического шума системы выпуска двигателя внутреннего сгорания колесного транспортного средства, снабженное звукоизолирующими экранами опорные стойки которых использованы также в целях трассирования исследуемой выхлопной системы. Данное устройство обладает такими же недостатками, что и предыдущее устройство.
Из публикации Frank Lehringer und Dieter Kattge "Schallabstrahlung von Abgasanlagen", ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 87 (1985) 10, стр. 559-563, фиг. 3, 4, стр. 560, известно устройство для исследования корпусного и газодинамического шума системы выпуска двигателя внутреннего сгорания колесного транспортного средства, содержащее сформированную звукоизолирующими экранами выгородку, где размещены и элементы исследуемой системы выпуска, и измерительные микрофоны, установленные с приближением к трубопроводам и корпусам глушителей исследуемой системы выпуска. При этом экраны являются жесткими опорными связями трубопроводов выхлопной трассы, принимающими вибрационное воздействие от вибрирующих участков трубопроводов, что приводит к динамическому возбуждению структур экранов и, соответственно, к переизлучению структурного шума вибрирующих стенок перегородок в пространство с установленными измерительными микрофонами. Кроме этого, большая площадь поверхности установленных перегородок вызывает возникновение звукоотражающих эффектов от падающих на перегородки звуковых волн, излучаемых элементами исследуемой системы выпуска с последующим искажением звукового поля в измерительных точках. Вышеперечисленные недостатки приводят к искажению реальных шумозаглушающих характеристик глушителей шума выпуска двигателя колесного транспортного средства. Цитируемое устройство, кроме упомянутых выше недостатков, характеризуется также большими габаритами и высокой трудоемкостью процесса подготовки системы выпуска к исследованиям.
Из патента на полезную модель RU 48224, МПК G01M 17/00, G01H 5/00, публ. 27.09.2005 известно устройство для оценки уровня корпусного шума, излучаемого элементами системы выпуска отработавших газов двигателей колесных транспортных средств, включающее в себя полубезэховую камеру, содержащую звукоотражающий пол и беговые барабаны с установленным на барабанах транспортным средством, звукоизолирующую перегородку, подвеску системы выпуска отработавших газов, закрепленную на полу полубезэховой камеры через виброизолирующие подложки, исследуемую систему выпуска отработавших газов, упруго закрепленную на подвеске, а также легкосъемные звукопоглощающие маты и измерительные микрофоны, размещенные в непосредственной близости от элементов исследуемой системы выпуска. Где звукоизолирующая перегородка выполнена с возможностью трассирования исследуемой системы выпуска через звукоизолирующий массив перегородки, расположенной со смещением к установленному на барабанах транспортному средству, а звукопоглощающие маты расположенными на поверхности пола полубезэховой камеры под исследуемой системой выпуска.
Данное устройство характеризуется высокими акустическими свойствами вследствие применения виброизолированной от пола подвески и упругого крепления исследуемой системы выпуска, а также вследствие наличия звукоизолирующей перегородки и звукопоглощающих матов. Вместе с тем, указанное устройство не позволяет проводить высокоточные измерения уровней газодинамического шума системы выпуска отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, регистрируемые вблизи открытого среза выхлопной трубы глушителя. Указанное обусловлено корпусным шумом, излучаемым элементами системы выпуска, преимущественно стенками корпусов камер глушителей, искажающим реальное акустическое поле, образованное газодинамическими пульсациями отработавших газов.
Задачей полезной модели было создание устройства для высоко точной оценки уровня газодинамического шума системы выпуска отработавших газов двигателей внутреннего сгорания колесных транспортных средств.
Указанная задача решается в устройстве для оценки уровня шума системы выпуска отработавших газов двигателей внутреннего сгорания колесных транспортных средств, содержащем полубезэховую акустическую камеру с жестким звукоотражающим полом, а также расположенные в камере звукоизолирующую перегородку, подвеску системы выпуска отработавших газов, исследуемую систему выпуска отработавших газов, упруго закрепленную на подвеске, измерительные микрофоны, и звукопоглощающие маты, размещенные на поверхности пола полубезэховой камеры в зоне расположения элементов исследуемой системы выпуска.
Задача решается тем, что корпуса глушителей шума исследуемой выхлопной трассы помещены в емкости, полость которых заполнена сыпучим шумовибродемпфирующим веществом.
При этом, оппозитно расположенные торцевые стенки емкостей выполнены снабженными технологическими вырезами и крышками вырезов, сформированными с образованием отверстий обеспечения трассирования трубопроводов исследуемой выхлопной системы; упомянутые трубопроводы выполнены установленными в упомянутых отверстиях с использованием шумовиброизолирующих прокладок.
Полезная модель поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 показаны полубезэховая акустическая камера с расположенными в ней транспортным средством, звукоизолирующей перегородкой, подвеской системы выпуска отработавших газов, исследуемой системой выпуска отработавших газов и звукопоглощающими матами. Где позициями показаны:
1 - полубезэховая камера;
2 - звукопоглощающая облицовка кулисного типа;
3 - пружины;
4 - фундамент динамического барабанного стенда;
5 - беговые барабаны;
6 - колесное транспортное средство;
7 - звукоизолирующая перегородка;
8 - измерительный микрофон;
9 - исследуемая система выпуска отработавших газов;
10 - подвеска выхлопной трассы;
11 - раструб устройства для дистанционного отвода выхлопных газов;
12 - пол испытательной полубезэзовой камеры;
13 -звукопоглощающие маты;
14 - емкости с глушителем и сыпучим вибродемпфирующим веществом.
На фиг. 2 показано поперечное сечение емкости, охватывающей глушитель исследуемой системы выпуска отработавших газов. Где позициями показаны:
15 - глушитель исследуемой системы выпуска;
16 - вибродемпфирующее вещество;
17 - люковое закрытие емкости;
18 - рукоятка люкового закрытия емкости
На фиг. 3 показан вид емкости со стороны одного из трубопроводов глушителя.
Где позициями показаны:
19 - технологический вырез;
20 - трубопровод глушителя;
21 - шумовибродемпфирующая прокладка емкости;
22 - крышка технологического выреза;
23 - шумовибродемпфирующая прокладка крышки;
24 - резьбовые отверстия.
Общие характеристики заявляемого устройства, с опорой на известный уровень техники, понятны из графических материалов Фиг. 1…3 и пояснений к обозначениям, примененным на этих фигурах, детали же будут понятны из ниже следующего описания.
Исследуемая система выпуска 9 отработавших газов (из уровня техники известно, что содержит трубопроводы 20 и глушители 15) выполнена упруго закрепленной на подвеске 10. Звукопоглощающие маты 13 выполнены уложенными на полу 12 полубезэховой камеры 1 под испытываемой системой выпуска 9.
С целью реализации полезной модели каждый из глушителей 15 исследуемой системы выпуска 9 выполнен размещенными в емкости 14, заполненной сыпучим вибродемпфирующим веществом 16, в качестве которого может быть использованы кварцевый песок, свинцовая или чугунная дробь, а также их сочетание в заданных условиями испытаний пропорциях. Каждая из емкостей 14 сформирована в виде открытой сверху, относительно пола 12 полубезэховой камеры 1, преимущественно, прямоугольной коробки, выполненной из толстостенного листового металла, снабженной плотно устанавливаемым люковым закрытием 17, содержащим рукоятку 18. Расположенные ортогонально, относительно продольной геометрической оси выступающих из глушителя 15 трубопроводов 20, стенки каждой из емкостей 14 выполнены снабженными технологическими вырезами 19, сформированными с возможностью дистанцированного, относительно стенок и люкового закрытия 17, размещения глушителя в полости емкости 14. Каждая из емкостей 14 выполнена снабженной крышками 22 технологических вырезов 19, выполненными из толстостенного листового металла. Крышки 22 и технологические вырезы 19 выполнены и расположены с образованием отверстий трассирования трубопроводов 20 исследуемой системы 9 выпуска, сформированных с возможностью дистанцированного прохождения стенок трубопроводов 20 относительно стенок упомянутых отверстий. Позиционирование и плотность установки крышек 22 обеспечены применением резьбовых крепежных элементов (не показаны); на Фиг. 3 условно показаны выполненные в стенках емкости 14 расположенные вблизи периферии технологических вырезов 18 резьбовые отверстия (обозначены поз.24) и выполненные в крышках 22 со смещением к их периферии (в соответствии с расположением резьбовых отверстий 24) без резьбовые отверстия (показаны без нумерации).
Каждая из емкостей 14 выполнена снабженной уплотнителями, любой из которых образован шумовибродемпфирующей прокладкой 21 емкости и шумовибродемпфирующей прокладкой 23 крышки, соответственно установленными между трубопроводами 20 расположенного в емкости 14 глушителя и стенками отверстий трассирования трубопроводов. Прокладки 21 и 23 выполнены из негорючего, стеклянного или базальтового, волокнистого материала.
Измерительный микрофон 8 выполняют расположенным, как правило, вблизи открытого среза хвостовой трубы исследуемой системы 9 выпуска отработавших газов под заданными условиями испытаний углом и на заданном условиями испытаний расстоянии.
Эффективность шумоизолирующих экранов, сформированных из широко применяемых в промышленности шумопоглощающих материалов, при относительно небольших толщинах экранов, ограничена областью средних и высоких частот ввиду слабого звукопоглощения на низких частотах. Кроме того, возможность применения экранов, в ряде случаев, ограничена компоновочными характеристиками полубезэховой камеры, а также размещаемого в камере оборудования и объекта испытаний.
Размещение глушителя в емкости 14, заполненной сыпучим вибродемпфирующим веществом 16, звукоизолирует, по меньшей мере с частичным поглощением звуковой энергии, «паразитный» шумовой сигнал глушителя 15 в широкополосной области звукового спектра; наличие шумовибродемпфирующих прокладок 21, 23, установленных между трубопроводами 20 расположенного в емкости 14 глушителя и стенками отверстий трассирования трубопроводов минимизирует передачу вибродинамических пульсаций глушителя 15 и трубопроводов 20 на стенки емкости 14.
Использование полезной модели сводит к минимуму уровень шумовых помех, исходящих, в первую очередь, от излучающих структурный шум стенок корпусов глушителей выхлопной трассы, что обеспечивает повышение точности и объективности результатов оценки уровней газодинамического шума системы выпуска отработавших газов двигателей колесных транспортных средств.