Основным фактором, вызывающим уменьшение уровня акустической мощности рабочего процесса, является изменение диаметра цилиндра, так как спектральная плотность силового возбуждения конструкции от реализации рабочего процесса в цилиндре двигателя пропорциональна площади поршня.

Постоянство межцилиндрового расстояния или толщины рубашки охлаждения между цилиндрами в процессе исследования не оказало существенного влияния на уровень структурного шума ДВС.

При варьировании коэффициента короткоходности K влияние изменения D, S, MДВС, SДВС, LДВС и спектральной плотности силового фактора G(kf0) взаимно компенсируется, поэтому уровень акустической мощности от перекладок поршней остается практически неизменным. Следует отметить, что с увеличением K при прочих равных условиях произошло незначительное уменьшение Ne и Мк.

Рис. 7. Акустические показатели двигателей одинаковой размерности с

разными компоновочными схемами

Влияние компоновочной схемы проанализировано на примере двигателей 6ЧН 11/12,5(L) и 6ЧН 11/12,5(V). Как видно из рис. 7, уровень структурного шума двигателя V-образной компоновки значительно выше, что может быть объяснено большей площадью его наружной поверхности и меньшей длиной при сравнимой массе (371,9 кг для ДВС линейной компоновки и 383 кг для V-образной). По внешней скоростной характеристике уровень структурного шума V-образного двигателя от рабочего процесса выше на 4,5…5,1 дБ, от перекладок – на 3,2 дБ, а суммарный уровень – на 3,7…4,4 дБ.

Оценка влияния количества цилиндров на уровень шума произведена на примере двигателей 4ЧН 11/12,5 и 6ЧН 11/12,5(L). Анализ результатов сравнения их структурного шума по ВСХ (рис. 8) показал, что уровни структурного шума от рабочего процесса, перекладок поршней и суммарный уровень 6-цилиндрового двигателя больше на 3,2…3,5 дБ.

Факторами, обуславливающими более высокий уровень структурного шума двигателя 6ЧН 11/12,5(L), являются большие величины спектральной плотности силового фактора, которая пропорциональна количеству цилиндров, и площади наружной поверхности.

Рис. 8. Акустические показатели двигателей одинаковой размерности и

компоновочной схемы с разным количеством цилиндров

С использованием разработанного комплекса выполнен анализ влияния величины зазора ? между юбкой поршня и цилиндром на уровень структурного шума дизелей с различным количеством цилиндров от перекладок поршней для номинального режима работы дизелей при базовом K (рис. 9).

В результате при увеличении ? от 0,06 мм до 0,14 мм уровень структурного шума возрастает на 4,7…4,9 дБ независимо от компоновочной схемы и количества цилиндров двигателя.

В четвертой главе приведены методика и результаты экспериментального определения звуковой мощности перспективного двигателя 8ЧН 12/13 экологического класса Евро-3 от основных источников структурного шума. Полученные результаты эксперимента позволили оценить эффективность предложенной комплексной методики расчета структурного шума ДВС.

Рис. 9. Уровень структурного шума от перекладок поршней при изменении

зазора между юбкой поршня и цилиндром на номинальном режиме работы ДВС

Измерения спектров и уровней звуковой мощности были выполнены на моторном стенде АМО «ЗИЛ» по ГОСТ Р 51402-99 (ИСО 3746-95) с применением измерительно-вычислительного комплекса Pimento.

Измерения проводились на 6 режимах по внешней скоростной характеристике двигателя, включая частоты, соответствующие максимальному крутящему моменту (1640 Нм при 1300 мин-1), минимальному удельному эффективному расходу топлива (208 г/кВт ч при 1100 мин-1) и номинальной мощности (280 кВт при 1900 мин-1). Результаты эксперимента показаны на рис. 10 и 11.

Рис. 10. Спектры и общие уровни звуковой мощности дизеля 8ЧН 12/13 для

ряда режимов его работы

Рис. 11. Экспериментальные и расчетные суммарные уровни структурного

шума (от рабочего процесса и перекладок поршней) дизеля 8ЧН 12/13 по

внешней скоростной характеристике

Результаты расчетного и натурного экспериментов показали, что значения общих уровней звуковой мощности, определенные в третьоктавных частотных полосах спектра, для разных частот вращения коленчатого вала различаются в пределах от 0,8 до 2,0 дБ, что является удовлетворительным для технической акустики.

Разработана интегрированная методика прогнозирования структурного шума ДВС, обеспечивающая формирование ряда компонентов единого информационного пространства «ДВС» и включающая модели конструкции, рабочего цикла и структурного шума ДВС. Разработанная методика позволяет значительно сократить временные затраты и повысить качество получаемой информации.

На основе предложенной методики с использованием современных информационных технологий разработаны подсистемы геометрического моделирования «КШМ» и «МГР», а также подсистемы «Структурный шум» и «Рабочий цикл», при реализации которых обеспечивается формирование компонентов сегмента «Виброакустика ДВС» единого информационного пространства «ДВС» и прогнозирование структурного шума двигателя.

Сравнительная оценка полученных экспериментальных и расчетных значений общего уровня структурного шума двигателя 8ЧН 12/13, а также уровня структурного шума от рабочего процесса двигателя 8ЧН 12/12 по внешней скоростной характеристике позволила сделать вывод, что использование методики расчета структурного шума обеспечивает точность, приемлемую при выполнении акустических расчетов. Отклонение экспериментальных данных от расчетных для разных частот вращения коленчатого вала находится в приемлемых для технической акустики пределах 0…2 дБ.

Исследование влияния коэффициента короткоходности K=S/D в пределах от 0,8 до 1,2 на уровень структурного шума при постоянном рабочем объеме iVh, фиксации межцилиндрового расстояния ам.ц или толщины рубашки охлаждения между соседними цилиндрами tв.ц позволило сделать следующие выводы:

основным фактором, вызывающим уменьшение уровня акустической мощности от рабочего процесса при увеличении K, является изменение диаметра цилиндра, так как его спектральная плотность пропорциональна площади поршня;

при варьировании коэффициента короткоходности K влияние изменения при этом диаметра цилиндра D, хода поршня S, массы двигателя MДВС, площади его поверхности SДВС, длины LДВС и спектральной плотности G(kf0) силового фактора взаимно компенсируется, поэтому уровень акустической мощности от перекладок поршней остается практически неизменным;

влияние ам.ц и tв.ц на уровень акустической мощности как от рабочего процесса, так и от перекладок поршней в заданных пределах изменения K несущественно.

Исследование изменения массово-геометрических параметров двигателей при варьировании коэффициента короткоходности K показало, что с его увеличением происходит следующее:

при постоянстве ам.ц масса дизелей уменьшилась на 0,3…0,9%, площадь поверхности увеличилась на 0,3…2,4%, при этом наибольшие изменения обеих величин относятся к двигателям V-образной компоновки. Например, для дизеля 8ЧН 12/12 масса уменьшилась на 4,6 кг (с 492,9 кг до 488,3 кг), а площадь увеличилась на 0,061 м2 (с 2,599 м2 до 2,660 м2);

в случае постоянства tв.ц масса дизелей уменьшилась на 5,1…6,0%, а площадь поверхности – на 3,9…7,7%, длина – на 5,8…8,4%, причем наибольшие изменения соответствуют двигателям линейной компоновки. Так, масса дизеля 4ЧН 11/12,5 уменьшилась на 15,2 кг (с 286,2 кг до 271 кг), площадь поверхности – на 0,112 м2 (с 1,599 м2 до 1,487 м2), а длина – на 0,063 м (с 0,818 м до 0,755 м).

Выполнены исследования влияния компоновочной схемы и количества цилиндров двигателя на уровень его структурного шума по внешней скоростной характеристике, из результатов которых следует, что:

уровень структурного шума V-образного двигателя 6ЧН 11/12,5 от рабочего процесса выше на 4,5…5,1 дБ, от перекладок – на 3,2 дБ, а суммарный уровень – на 3,7…4,4 дБ, чем двигателя 6ЧН 11/12,5 линейной компоновки. Причинами этого являются большая площадь наружной поверхности и меньшая длина V-образного двигателя;

уровни структурного шума от рабочего процесса, перекладок поршней и суммарный уровень структурного шума 6-цилиндрового двигателя 6ЧН 11/12,5 на 3,2…3,5 дБ больше, чем у 4-цилиндрового 4ЧН 11/12,5 из-за больших величин спектральной плотности силового фактора и площади поверхности дизеля.

С использованием разработанных подсистем и методики прогнозирования структурного шума показано, что величина зазора ? между юбкой поршня и стенкой цилиндра существенным образом влияет на уровень структурного шума от перекладок поршней. При увеличении ? от 0,06 мм до 0,14 мм уровень структурного шума на номинальном режиме работы возрастает на 4,7…4,9 дБ независимо от компоновочной схемы и количества цилиндров двигателя.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

Шатров, М.Г. Методика и некоторые результаты расчета структурного шума двигателя внутреннего сгорания для формирования компонентов единого информационного пространства «ДВС» / М.Г. Шатров, А.Л. Яковенко // Вестник МАДИ (ГТУ). – М.: МАДИ (ГТУ), 2009. – Вып. 1(16). – С. 10–18.