На элементах разовоздушного тракта двигателя возможна вторичная генерация шума, излучение которого можно свести к минимуму путем уменьшения скорости газовой среды и специальным профилированием элементов, обтекаемых потоком.

Таким образом, первоочередной задачей является снижение звуковых колебаний, распространяющихся в газовой среде впускной и выпускной систем. Этой цели служат глушители шума, которые содержат элементы, размещенные последовательно или параллельно потоку. По принципу действия (преобладанию физического процесса) их разделяют на диссипативные (абсорбционные) и реактивные. В первых акустическая энергия превращается в тепловую, во вторых отражается к источнику. Более строго, диссипативные элементы частично также отражают волны, а в реактивных энергия колебаний после переотражений переходит в тепловую.

Диссипативные элементы, в которых параллельно потоку размещен звукопоглощающий материал (ЗПМ), например, асбест, минеральная вата, стеклянное волокно, используют сравнительно редко в глушителях двухтактных ДВС по следующим причинам. На выпуске активная поверхность ЗПМ покрывается конденсатом, закоксовывается, в результате чего ухудшаются его звукопоглощающие свойства. Поэтому диссипативные элементы используют в глушителях выпуска, рассчитанных на малый ресурс работы (например, для спортивных мотоциклов). Иногда в одной из камер реактивного глушителя (чаще в последней) применяют ЗПМ для поглощения прошедшей звуковой энергии. На впуске необходимая толщина ЗПМ для снижения шума оказывается неприемлемо большой, так как наиболее интенсивные составляющие звуковых колебаний находятся в низко- и среднечастотных областях спектра. К диссипативным элементам, размещенным последовательно потоку, можно отнести воздушный фильтр, который частично поглощает звуковую энергию, преимущественно на средних и высоких частотах.

Перспективным является использование диссипативных элементов в виде перфорированных перегородок или сеток, расположенных в пучностях колебательной скорости собственных мод глушителей.

Реактивные шумоглушащие элементы разделяют на резонатор-ные и камерные. Резонаторные элементы содержат камеру 1, сообщающуюся с трубопроводом 2, по которому передается звуковая энергия, или через отверстия 3 в его стенке или через трубку 4 (рис. 8.4). Они настроены на сравнительно узкую частотную полосу заглушения, поэтому применяются обычно для подавления шума, вызванного собственными колебаниями среды в газовоздушном тракте или в двигателях, работающих на постоянном скоростном режиме.

Камерные элементы представляют собой проточную камеру 2 в которую газ подается и отводится через трубки 3 или отверстия (рис. 8.5). Эти элементы, имеющие более широкую полосу заглу 240

Рис. 8.4. Резонаторные шумоглушащие элементы:

а - с концентрической камерой; б - с ответвленной камерой; I - камера; 2 - трубопровод: 3 - отверстия: 4 - горло реэо натора в виде трубки

1 2 3

Рис. 8.5. Схема камерного шумоглуша щего элемента:

J - входное отверстие; 2 - камера; 3 выходной трубопровод

шения, нашли преимущественное распространение в глушителях двухтактных ДВС, в том числе транспортных, эксплуатируемых на переменных скоростных режимах. Кроме того, как иока.зывает опыт, камерные глушители при одинаковых с резонаторными размерах обладают большей эффективностью шумоглушения. При рассмотрении вопросов, связанных с расчетом и проектированием глушителей, основное внимание уделяется камерным элементам.

Глушители влияют на газодинамические процессы в смежных с цилиндром системах, а следовательно, на эффективные характеристики двигателя. Например, присоединение к выпускной трубе правильно сконструированного глушителя приводит к увеличению мощности и снижению удельного расхода топлива двигателя на 25 ... 30 % на номинальном скоростном режиме. Поэтому при оценке совершенства конструкции глушителя следует принимать во внимание не только качество глушения шума, но и его влияние на эффективные показатели двигателя. Кроме того, глушители должны иметь небольшие размеры, массу и материалоемкость, обладать высокими технологичностью и коррозионной стойкостью. Таким жестким противоречивым требованиям очень трудно удовлетворить, конструируя глушитель на основе традиционных методов эмпирического проектирования. Поэтому все большее распространение получают теоретические методы проектирования глушителей.

8.3. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГЛУШИТЕЛЕЙ

ГЛУШИТЕЛИ ВПУСКА

Процесс проектирования глушителя впуска начинают с постановки требований к его характеристикам. Влияние глушителя на Эффективные показатели ДВС определяется воздействием его входного сопротивления Zbx на процесс наполнения кривошипной камеры топливовоздушной смесью. Определим требуемое значение Zbx, исходя из заданной внешней скоростной характеристики проектируемого двигателя. В. П. Иванов предложил скоростные

9 в. М. Кондрвшов и др. 241

Тип скоростной характеристики

2 3 4

0,15 ... 0,20 0,20 ... 0,30 0,30 ... 0,40 0,40 ... 0,65

0,2 ... 0,3 0,3 ... 0,4 0,4 ... 0,45 0,45 ... 0,55

0,04 ... 0,06 0,07 ... 0,09 0,08 ... 0,10 0,30 ... 0,40

характеристики двухтактных двигателей в зависимости от их формы разделить на четыре типа: от пиковых (первый тип), характерных для спортивных мотоциклов, до пологих (четвертый тип), присущих дорожным моделям.

Критерием оценки формы характеристики является коэффициент динамичности

Ки - iN ~ fio.76w)Miv> (8.8)

где «лг и rto,75jv - скоростные режимы, соответствующие максимальной мощности двигателя Nemsx и 0,75JVe шах-Каждому типу характеристики соответствуют определенные диапазоны изменения параметров An = An/n<p и Aumn - = A"W«<p (табл. 8.3), где An = Пд - п,; Апмк = «лг - "дг?

и Пф - скоростные режимы, при которых имеют максимум характеристики крутящего момента М„р и коэффициента избытка продувочного воздуха фо.

Задавшись необходимой формой скоростной характеристики, по известной величине п определяем скоростной режим п<р, при котором достигается максимальное наполнение кривошипной камеры:

Пф = + Тп +Тпд)- (8.9)

Исследованиями Ф. Нагао установлено, что наполнение кривошипной камеры будет максимальным при условии, что время открытия впускного окна

(8.10)

где Т„ - период собственных колебаний среды в системе кривошипная камера - впускной канал, нагруженный на входное сопротивление глушителя (Zbx)-

Таким образом, задавшись формой скоростной характеристики одноцилиндрового двухтактного двигателя и используя зависимости (8.9) и (8.10), по известным значениям фазы Фп впуска и среднего объема V. op кривошипной камеры, выбранным предварительно длине /j и диаметру впускного канала находим

Рио. 8.6. Схемы устройства глушителей впуска двигателя мотоцикла:

а - «Восход-ЗМ» (V = 175 см, показан с карбюратором; б - «Ямаха-СУ50» (V = 50 см"); / - впускной патрубок; 2 - карбюратор; 3 - соедниитель-иая муфта; i - входное отверстие глушителя (по направлению движения воли); 5 - первая камера; 6 ~ соединительный трубопровод (отверстие); 7 - вторая камера; 8 воздушный фильтр; 9 трубопровод

выходное отверстие; 10 ввходиов

требуемое значение реактивной части входного сопротивления глушителя на частоте ©к " nlT [50]:

Im (Zbx. тр)« Pep [0,035аФвп/(У„. срПф) -28 {k + 0,425di)n/(f хФвп)],

(8.11)

где Pop - средняя плотность среды в системе кривошипная камера - впускной канал; - площадь проходного сечения впускного канала.

Что касается активной части входного сопротивления, то в целях повышения фо в процессе проектирования глушителя следует получать минимально возможные значения Re (Zbx). Важным этапом проектирования глушителя является разработка его структурной схемы, исходя из соответствующих условий: величины и частотного диапазона необходимого заглушения, размеров, массы, специфики размещения глушителя. Успешное решение в значительной степени зависит от опыта и интуиции проектировщика. Рассмотрим лишь рекомендации общего характера.

Глушитель должен оказывать минимальное сопротивление постоянной и максимальное переменным составляющим пульсирующего воздушного потока, поэтому его строят по схеме фильтра низких частот. При этом акустические инерционные элементы включают последовательно, а акустические податливости - параллельно газовому потоку, что конструктивно соответствует системе последовательно расположенных камер, соединенных трубками. Для обеспечения достаточной эффективности глушители выполняют двух- и трехкамерными общим объемом, равным 15-20 рабочим объемам Vh двигателя. В зависимости от габаритных ограничений и условий размещения на изделии возможны различные варианты компоновки глушителя.

На рис. 8.6, а показана схема, состоящая из двух отдельных камер, соединенных между собой двумя внешними трубопроводами. Объем первой камеры 5 составляет около 7Vh, а второй 7 - 2Vh- Общий объем глушителя, не превышающий llFh, уже нельзя считать достаточным, в связи с ужесточением норм по шуму. Глушитель, схема которого представлена на рис. 8.6, б, также

9* 243

двухкамерный g выходным трубопроводом 10, выполненный в едином корпусе. Объем глушителя составляет 24Fh- Гидравлическое сопротивление сравнительно высокое. Для уменьшения входного сопротивления глушителей впуска целесообразно объем первой камеры увеличить до lOVh, воздушный фильтр 8 расположить в последней камере, переходы от труб к камерам выполнить плавными. В случае интенсивного шумообразования на частоте 1/4-волнового резонанса впускного канала при закрытом впускном окне целесообразно в схему глушителя ввести резонаторный элемент, настроенный на эту частоту.

Методика расчетного проектирования включает математическое моделирование глушителя с последующей оптимизацией его параметров в целях удовлетворения поставленным требованиям к его входному сопротивлению и эффективности шумоглушения.

Принимая во внимание, что наиболее интенсивные составляющие шума впуска расположены в низко- и среднечастотном диапазонах, волновое движение в элементах глушителя можно считать одномерным. Для камер сравнительно большого диаметра d следует уточнять частотный звуковой диапазон существования плоских волн:

/ < 0,586а/й.

(8.12)

Длина элементов глушителя может быть соизмерима с длиной звуковой волны.

Исследование распространения волн давления конечной амплитуды (до 200 кПа) в элементах глушителя показало, что при разработке его математической модели можно пренебречь конвективным ускорением и нелинейностью уравнения состояния. Если пренебречь потерями давления в местных сопротивлениях, например в местах изменения сечения трубопровода, соединения его с камерами и т. п., а также считать, что воздушный поток отсутствует, то расчет глушителя может быть выполнен акустическим методом. Для оценки точности расчетов эффективности шумоглушения и входного сопротивления глушителя, выполненных на основе линейной акустики, характеристики были вычислены для нескольких вариантов впускной системы двигателей [501. По совокупности сопоставленных результатов, полученных теоретическим и экспериментальным способами, сделан вывод о применимости акустических методов для инженерных расчетов глушителей впуска двухтактных карбюраторных ДВС.

В связи с тем, что процесс впуска является периодическим, спектр шума, излучаемого выходным отверстием глушителя в окружающую среду, будет гармоническим с дискретными составляющими на частотах, кратных частоте /о повторения тактов всасывания, значение которой соответствует значению, полученному на скоростном режиме двигателя в момент измерения уровня шума при его нормировании. По.этому расчет спектра шума впуска, 244

так же как и спектров прочих связанных с ним величин, заключается в определении их дискретных значений на частотах

щ = 2jti7o,

где i - 1, 2, 3 ... т - порядковый номер рассматриваемой гармонической составляющей.

Количество т вычисляемых спектральных составляющих зависит от интересующего частотного диапазона уровня шума впуска и ограничений, накладываемых условием (8.12). Значение jf-й гармонической составляющей спектра уровней звуковой мощности на выходе из глушителя находим с помощью зависимости

Lp(Ш() = 20Ig [ QvвыхM/Qvo] + lOlg Re[Z„M/Z} -f 117,

(8.13)

где QvBbixiii) - значение г-й гармонической составляющей спектра объемной колебательной скорости в выходном отверстии глушителя, м*/с; Qvo = 1 м*/с; Re [Z (tOi) I - значение действительной част импеданса излучения выходного отверстия на частоте «г, кг/(м*.с); Zq = 1 кг/(м*.с).

Импеданс излучения круглого выходного отверстия без

фланца

Z„ (со) - р„(оУ8лао + 1(оО,359ро/УК. (8.14)

и круглого отверстия с фланцем, если размеры фланца достаточно велики по сравнению с длиной волны звука,

2„ (ш) = Роа)74яао + J6iO,mpo/VK, (8.15)

где Ро и йо - соответственно плотность среды и скорость звука в отверстии; Ро - площадь отверстия; / = У-1.

Приведенные выражения для Za (и) тем точнее описывают импеданс излучения выходного отверстия глушителя, чем меньше по сравнению с единицей отношение диаметра d отверстия к длине звуковой волны X. Обычно удовлетворительная для практических расчетов точность наблюдается до частоты /гр. и - «о/Со)- Например, если диаметр отверстия do - 0,05 м, то /гр.и =2184 Гц (при Оо = 343 м/с), т. е. приведенные формулы применимы для расчетов практически во всем частотном диапазоне существования шума впуска.

Амплитудно-частотный спектр объемной скорости на выходе глушителя i Qv вых (®j) Ii используемый в уравнении (8.13), связан с аналогичным спектром на его входе Qy вх (u>i) I зависимостью

QvBHx(«0! = QvB.(<»i)/C(<i)i), (8.16)

где К (ю,) - амплитудные значения характеристики передачи глушителя по объемной скорости на угловой частоте w.