Расчетное исследование газодинамического подхода для снижения шума выпуска в двухтактном двигателе

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Поршневой ДВС — тепловой двигатель циклического действия. Интенсивные пульсации потока газов на выходе из газовоздушного тракта (ГВТ) создают шум, характеризующийся совершенно недопустимыми уровнями звукового давления, если не применять глушители [1]. Интенсивные волновые явления в ГВТ современных ДВС приводят к сильным пульсациям давления и др. параметров в потоке на выходе из «мощностной» части системы выпуска или впуска. Колебания давления и пульсации расхода особенно интенсивны при применении газодинамической настройки.

От глушителя шума выпуска требуется преобразовать поток с пульсациями в стационарное (в идеале) и c малой скоростью потока истечение газов в атмосферу.

Конструкция глушителей шума выпуска ДВС обычно содержит соединённые отверстиями и короткими каналами камеры. Демпфирование пульсаций параметров газа в таких глушителях сопряжено с диссипативными процессами при перетекании и взаимодействии с элементами звукопоглощающей набивки. Такой подход к созданию систем глушения шума пульсирующих потоков называется «диссипативным» [2].

В конструкцию глушителя может быть заложен и другой подход — «газодинамический» [2]. В проточной части таких глушителей камеры соединены ещё и относительно длинными каналами. Последние обеспечивают задержку прибытия волны давления в последнюю камеру глушителя «в противофазе» с возмущением от перетекания через отверстия и короткие каналы. Как результат, существенно ослабляются пульсации параметров в камере и скорости потока в выпускном патрубке. То есть, при данном подходе пульсации потока ослабляют, используя в основном волновые, а не диссипативные эффекты. Поэтому реализующий такой подход глушитель при сопоставимых габаритах, предположительно, можно сделать эффективнее, существенно не усложняя и не утяжеляя конструкцию.

Методы моделирования на ЭВМ шума впуска и выпуска ДВС традиционно опираются на одномерные модели, позволяющие учесть пульсации потока в сечениях ГВТ. Модели и методики для оперативной оценки уровней звукового давления и оптимизации конструкций глушителей разрабатывались и проходили проверку [3, 4]. Применяя такие методики и инструменты [5], оптимизировали и затем испытывали глушители шума выхлопа.

Далеко не все действительные источники и частоты спектра газодинамического шума ДВС учтёт методика, если в её основе не лежит детальная трёхмерная (3D) модель. Такая модель учитывает реальную геометрию и требует мелкоячеистой сетки и больших вычислительных мощностей. Исследователи углубляют методологию в этом направлении более двух десятилетий. Ранние работы основаны на расчёте по 1D модели пульсирующего течения в каналах ГВТ, сопряжённых с 3D расчётом течения в глушителе (с заданной более или менее реалистичной 3D геометрией; см., например, [6]). Расчётом течения в камерах и каналах глушителя с умеренно высокой детализацией в 3D выявляют, как минимум, крупномасштабные нестационарные структуры.

На этой основе можно детально рассчитать струйное нестационарное истечение газов в окружающую среду. Для адекватности расчёта необходимо выявить широкий интервал масштабов вихревых структур. В областях размером порядка расстояний, на которых располагают микрофон шумомера (измеряя спектр и эквивалентное звуковое давление), также удаётся детально рассчитать возмущение по уравнения акустики. Такие задачи решают сопряжённо с решением уравнений детальной 3D модели течения в струе используя высокоточные численные методы. В такой постановке исследуют шум выхлопа, применяя и коммерческие CFD-решатели, и свои наработки по моделям и методам аэроакустики [7]. Указанные разработки могут быть применены для калибровки быстросчётных моделей акустических полей в окружающей среде, которые позволяют оперативно оценивать спектры и интегральные показатели шума двигателей и других систем в CAE-пакетах [8–10], реализующих одномерные модели процессов в двигателях, сопряжённые с моделями микрофонов и шумомеров.

В данном исследовании, с применением имеющихся моделей и методики, авторы оценили сравнительными расчётами предельные возможности глушителя «газодинамического» типа. Нелинейные процессы во всем ГВТ двухтактного двигателя с «настроенной» выпускной системой (содержащей резонатор и глушитель) рассчитывали по одномерной (1D) термогазодинамической модели. Уровень звукового давления, характеризующий шум, вызванный пульсирующим потоком на выходе из глушителя, оценивали по методике, включающей 2D численный расчёт возмущений в окружающей среде. Определили уровень шума и показатели двигателя с серийным глушителем на режиме полной мощности и частоте вращения, близкой к номинальной, далее исследовался глушитель с изменением в структуре. В 1D модель глушителя добавлен длинный канал, соединяющий две его камеры. Найдены оптимальные параметры глушителя такой конструкции. Затем расчётным путём оценены показатели двигателя и шум выпуска в широком диапазоне частот вращения двигателя.

Расчеты по примененной методологии позволят примерно оценивать эффективность схем глушителей, реализующих «газодинамический» подход, как это показано применительно к двухтактному двигателю с волновой настройкой выпускной системы.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель расчётного исследования состояла в теоретической оценке пределов снижения уровня шума выпуска двухтактного форсированного двигателя при реализации в нем «газодинамического» подхода к уменьшению пульсаций потока газов на выходе из глушителя.

МЕТОДЫ

Исследованы возможности «газодинамического» подхода для уменьшения шума выпуска двухтактных двигателей внутреннего сгорания. Рассматриваемый подход состоит в использовании относительно длинного соединительного канала для обеспечения временной задержки прихода волны в последнюю из камер глушителя. Разделение импульсов и их временное смещение позволяют ослабить колебания параметров газа в последней камере, что приближает течение через короткий выхлопной патрубок к стационарному.

Исследование имело теоретический характер (вычислительный эксперимент). Численными расчётами по 1D модели термо- и газодинамических процессов в двухтактном поршневом двигателе и с применением специальной расчётной методики оценивался уровень звукового давления на выпуске. Для предельной оценки эффективности подхода выполнена расчётная оптимизация параметров соединительного канала и камер глушителя, нацеленная на минимальный шум выпуска с сохранением уровня мощности серийного двигателя.

В качестве объекта исследования взят двигатель РМЗ-551i производства концерна «Русская механика». Этот двухтактный двухцилиндровый двигатель имеет рабочий объем 553 см³. Двигатель находит применение в различных гражданских областях, включая использование на снегоходах, аэросанях, аэролодках и парапланах. Образец двигателя имеется в распоряжении кафедры ДВС УУНиТ и исследовался на испытательном стенде. На рис. 1 показан общий вид двигателя. В табл. 1 — параметры двигателя, заявленные производителем.

Рис. 1. Двигатель РМЗ-551i.

Fig. 1. The RMZ-551i engine.

Таблица 1. Краткая техническая характеристика

Table 1. The key technical specifications of the engine

Для моделирования двигателя был применён созданный в УУНиТ [11] программный пакет ALLBEA выпуска 2023 г., включающий программы ALLBEA OPTIM [12] и ALLBEA NOISE.

В графической среде пакета собрана структурная схема 1D модели процессов в газовоздушном тракте (ГВТ) двигателя (рис. 2).

Рис. 2. Структура 1D модели двигателя в ALLBEA.

Fig. 2. The structure of the 1D model of the engine in the ALLBEA.

1D модель содержит модели отдельных элементов (каналов и ёмкостей, включая кривошипные и рабочие камеры двигателя), а также модели соединений (местных сопротивлений, обратных пластинчатых клапанов, газообменных окон и «тройников»), взятых из библиотеки моделей, реализованных в ALLBEA.

Трёхмерная (3D) геометрическая модель двигателя, включающая все компоненты ГВТ, предоставлена концерном «Русская Механика». Геометрические модели были изучены чтобы адекватно представить в 1D модели структуру ГВТ (см. рис. 2), геометрию компонентов и законы открытия выпускных и продувочных окон. Основываясь на 3D моделях деталей проточной части, были созданы расчётные области для 3D расчётов расходных характеристик всех групп окон и продувочной характеристики рабочей камеры при газообмене. Расчёты выполнены в CFD-пакете по отработанной методике, результаты обработаны и подставлены в 1D модель в виде таблично заданных характеристик.

Выпускная система двигателя, включающая выпускные патрубки, тройник, резонатор и глушитель, показана на рис. 3.

Рис. 3. 3D модель системы выпуска.

Fig. 3. The 3D model of the exhaust system.

Резонатор в двигателе используется для повышения мощности и экономичности за счёт волновых эффектов в потоке газов. Он наиболее эффективен на частоте вращения «настройки», на которой значительная часть топливовоздушной смеси, выходящей из рабочих камер в систему выпуска, возвращается обратно в камеру до закрытия выпускных окон. Резонатор данного двигателя имеет сложную трёхмерную форму (см. рис. 3). Он был упрощённо представлен в 1D модели в виде набора профильных каналов (см. рис. 2; выделены элементы серийного глушителя). Профиль резонатора в 1D включал прямой и обратный конические участки, а также центральный внутренний канал в обратном коническом участке.

Волновые процессы в резонаторе и вызванные ими колебания потока на входе в глушитель весьма интенсивны. Для сглаживания пульсаций в глушителях используют перфорированные перегородки и сетки. Прохождение газом этих препятствий снижает уровень шума, но создаёт противодавление. В данном двигателе глушитель состоит из двух камер разного объёма, которые соединены отверстиями в общей перегородке. Схема глушителя показана на рис. 4.

Рис. 4. Схема серийного глушителя.

Fig. 4. The scheme of the stock muffler.

На рис. 2 контуром обведены элементы 1D модели данного (серийного) глушителя.

После создания 1D модели двигателя и ввода всех необходимых исходных данных, модель была проверена на точность и показала удовлетворительное соответствие расчётных и измеренных на стенде показателей на ряде рабочих режимов. Задача точной настройки модели не ставилась, так как модель предназначалась для сравнительных расчётов эффективности глушителей шума выпуска — серийного и оптимизированного.

Шум, производимый потоком из выпускной системы, оценивали эффективным звуковым давлением, определённым как среднеквадратическое отклонение давления от давления в невозмущённой среде (в Па):

$p_{\text{эф}}=\sqrt{\frac{1}{\text{τ}}{\int }_{t_0}^{t_0+\text{τ}}\left[p\right(t)-p_a{]}^2}\approx \sqrt{\frac{1}{N}{\sum }_{i=1}^N{\left(p_i-p_a\right)}^2}\text{,}$

где N — число узловых значений давлений, взятых с постоянным шагом в интервале времени  (равном или кратном периоду пульсаций).

В акустике уровень звукового давления выражают относительно характерного (опорного) значения (в дБ). Принято выражение с десятичным логарифмом этого отношения [2, 13]:

$L=20\lg (p_{\text{эф}}/p_0)\text{,}$

где $p_0=2\cdot {10}^{-5}$ Па — опорное значение.

Было принято расположение точки на расстоянии 500 мм от среза выпускного патрубка и под углом 45 градусов к его оси [14].

Так как модель микрофона не встроена в ALLBEA, применена специальная методика расчёта уровня звукового давления в точке окружающей среды на основе данных о пульсирующем потоке на выходе из глушителя (из 1D расчёта). Методика была разработана на кафедре двигателей внутреннего сгорания УГАТУ и применялась для проектирования выпускных систем, оценки и оптимизации глушителей (см., например, [3]).

Для расчётов по этой методике применена программа ALLBEA NOISE. Программа рассчитывает возмущения в окружающей среде по 2D осесимметричной модели. Обработка численных данных даёт оценку уровня звукового давления в точке.

Вначале выполнен расчёт показателей и уровня звукового давления на выпуске двигателя с серийным глушителем. Также выполнен ряд расчётов, в которых изучено влияние относительно объёма первой камеры глушителя, проходных сечений отверстий и замены их части коротким каналом на уровень шума выпуска и на мощность двигателя. Расчётами выявлена бесперспективность оптимизации параметров серийного глушителя; результаты этих расчётов здесь не приведены.

Затем принята изменённая схема, с добавлением длинного соединительного канала между камерами глушителя (рис. 5), реализующая газодинамический подход к снижению пульсаций потока. Канал вписывается в общий объем и размеры глушителя. Элементы 1D модели изменённого глушителя показаны на рис. 6.

Рис. 5. Схема глушителя c длинным соединительным ¬каналом.

Fig. 5. The scheme of the modified muffler with the extended connecting channel.

Рис. 6. Подмодель глушителя с каналом, соединяющим две камеры.

Fig. 6. The 1D submodel of the muffler with the channel connecting two chambers.

Основные размеры $L_{\text{т}}$ и $D_{\text{т}}$канала (элемент Pipe № 24 на рис. 6) сделаны оптимизируемыми параметрами, как и диаметр $D_{\text{отв}}$ каждого из 2 отверстий, оставленных в перегородке между камерами. Суммарный объем двух камер глушителя  был оставлен равным 5103 см³, что соответствует объёму серийно выпускаемого глушителя. Объем канала (с учётом толщины его стенок в 0,8 мм) в 1D модели вычитался из объёмов камер пропорционально их исходным значениям, для которых $V_1+V_2=V$. Исходный объем $V_1$ первой по потоку газов камеры глушителя также подбирался.

Задача оптимизации связана с поиском максимума целевой функции (ЦФ), определённой как

$f(L_{\text{т}},D_{\text{т}},D_{\text{отв}},V_1)={\left(\Delta u_{\text{ср.кв}}\right)}^{-1},$

где $\Delta u_{\text{ср.кв}}$ — среднеквадратичное отклонение скорости потока газов на срезе выходного патрубка глушителя от средней скорости потока на этом срезе:

$\Delta u_{\text{ср.кв}}=\sqrt{\frac{1}{N}{\sum }_{i=1}^N{\left(u_i-u_{\text{ср}}\right)}^2,}$

$u_{\text{ср}}=\frac{1}{N}{\sum }_{i=1}^N{u}_i$.

ЦФ, обратно пропорциональная $\Delta u_{\text{ср.кв}}$, служила критерием оптимальности (вместо ) из-за отсутствия в ALLBEA адекватной модели микрофона.

Кроме ЦФ, учитывалось ограничение: расчётная мощность двигателя не должна быть более чем на 3% ниже расчётной мощности с серийным глушителем (41,09 кВт). В расчёте ЦФ для варианта, нарушившем ограничение, алгоритму оптимизации вместо значения ЦФ передавалось «штрафное» значение (признак недопустимого варианта).

Таким образом, были подобраны параметры глушителя с наименьшими, согласно ЦФ, пульсациями скорости на выходе в атмосферу, но при этом без существенной потери мощности двигателя. Описанная оптимизационная задача была решена для двигателя на режиме полной мощности при частоте вращения вала = 5000 об/мин. Задача оптимизации заключается в определении таких значений переменных, которые приводят к максимальному снижению уровня шума при минимальных изменениях конструкции глушителя и мощности на указанной частоте.

Оптимизационный расчёт был автоматизирован с применением программы ALLBEA OPTIM [12]. Программа использует генетический алгоритм поиска глобального максимума ЦФ с ограничениями. Программу настраивают на конкретную задачу оптимизации задавая параметры алгоритма и подключая внешний программный модуль на языке С или С++. Модуль при каждом вызове для вычисления ЦФ принимает текущие значения оптимизируемых параметров, подставляет их в расчёт процесса и по результатам вычисляет и возвращает значение ЦФ или штрафное значение. В данной работе для 1D расчёта процесса в ГВТ двигателя, включая глушитель, модуль вызывал расчётную программу — солвер пакета ALLBEA.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Расчётами проведена оценка предельного эффекта относительного изменения объёма камер глушителя и добавления соединительного канала между ними. По описанной методологии были рассчитаны показатели двигателя и уровень шума при использовании серийного глушителя. Затем была модифицирована конструкция глушителя путём введения «настроенного» соединительного канала и выполнена оптимизации основных размеров глушителя изменённой схемы. Для найденного оптимального варианта глушителя были рассчитаны показатели работы двигателя и звуковое давление на выпуске в диапазоне частот вращения коленчатого вала. Проведён анализ полученных данных.

РАСЧЕТ МОЩНОСТИ И УРОВНЯ ШУМА С СЕРИЙНЫМ ГЛУШИТЕЛЕМ

Для серийного глушителя (см. рис. 2–4) расчётное значение уровня звукового давления на выпуске составило 105,9 дБ на режиме полной мощности и = 5000 об/мин. Расчётное значение эффективной мощности двигателя: 41,09 кВт.

ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ ГЛУШИТЕЛЯ

Выполнена расчётная оптимизация глушителя с «настроенным» каналом, сообщающим две камеры параллельно отверстиям в перегородке (см. рис. 5 и 6). ­Найденному максимуму ЦФ соответст­вует минимум $\Delta u_{\text{ср.кв}}$ = 1,812 м/c при следующих значе­ниях параметров глушителя: $L_{\text{т}}$ = 1810 мм, $D_{\text{т}}$ = 31,0 мм, $D_{\text{отв}}$ = 20,5 мм, $V_1=$ 1786 см³.

Расчётные зависимости скорости потока и температуры выхлопных газов на выходе из серийного и из оптимизированного глушителя на рис. 7 приведены для сравнения в виде графиков от угла поворота вала в пределах одного периода пульсаций (½ оборота: двигатель двухцилиндровый). Расчётная эффективная мощность двигателя: 40,06 кВт при = 5000 об/мин.

Рис. 7. Величины на срезе серийного (- - -) и оптимизированного (––) глушителя.

Fig. 7. Values at the outlet of the stock (- - -) and the optimized (––) muffler.

При найденных оптимальных параметрах глушителя рассчитаны показатели двигателя на ряде частот вращения при полной мощности (т.е., по внешней скоростной характеристике). В рассчитанных режимных точках по описанной выше методике определены уровни звукового давления . Графики эффективной мощности и показаны на рис. 8.

Рис. 8. Расчётные показатели для двигателя с оптимизированным глушителем.

Fig. 8. Calculated characteristic curves for the engine with the optimized muffler.

ОБСУЖДЕНИЕ

Расчётные оценки показали возможность уменьшить примерно на 7 дБ шум на выпуске двигателя РМЗ-551i добавив «настроенный» канал между двумя камерами глушителя. Оптимизированный глушитель компонуется в габаритах серийного глушителя и уменьшает расчётную эффективную мощность двигателя лишь на 2,5% (для той же частоты вращения, равной 5000 об/мин).

Следует отметить, что уже на частоте 3000 об/мин расчётный уровень звукового давления примерно на 8 дБ превышает минимум, т. е. газодинамическая настройка перестаёт оказывать эффект. Это ожидаемый результат, аналогичный снижению эффекта волновой настройки впускных и выпускных каналов основной (мощностной) части газовоздушного тракта.

За рамками настоящего исследования остались усложнённые структурные схемы глушителя (например, с двумя параллельными соединительными каналами разной длины). Структуру и параметры таких глушителей можно оптимизировать и для равномерного снижения шума выпуска в широком интервале частот вращения вала.

Ограничения методики и инструментов могут существенно повлиять на результаты, т. к. не вполне адекватно учтены некоторые физические процессы, происходящие внутри глушителя и в истекающей струе. Так, пульсации потока на срезе выпускного патрубка рассчитывались по глобально одномерной модели, где камеры глушителя были представлены «нульмерными» моделями ёмкостей, которые «отфильтровывают» высокочастотную составляющую пульсаций. Для расчёта звукового давления применена методика на основе расчёта возмущений в среде, производимых пульсациями потока на срезе глушителя. Однако численный расчёт возмущений по 2D модели движения воздуха как невязкой упругой среды не передаёт эффектов вихреобразования в турбулентной струе. По этим причинам расчётная оценка резервов газодинамического подхода к созданию глушителей шума выпуска достаточно ориентировочна даже для случая сравнительных расчётов, результаты которых выражены в относительных величинах (в дБ).

Таким образом, необходимы дополнительные экспериментальные исследования для подтверждения получаемых результатов или же для «настройки» применяемых моделей. Перспективнее комплексно совершенствовать модели акустических эффектов и измерительных приборов для прикладного ПО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теоретически оценена эффективность глушителя с «настроенным» длинным каналом между камерами на примере двухтактного двигателя РМЗ-551i. Результаты численных расчётов, основанных на одномерной модели процесса и методике расчёта в 2D возмущений в окружающей среде, показали возможность снижения шума выпуска на 7 дБ по сравнению с серийным двухкамерным глушителем. Расчётная мощность двигателя снизилась несущественно: на 2,5%.

Методика и инструменты накладывают ограничения, которые могут заметно влиять на результаты. Поэтому модели и методика требуют дополнительных экспериментальных исследований для подтверждения (и теоретических — для уточнения). Тем не менее, применённая методика и инструменты могут быть рекомендованы для оперативных оценок и расчётной оптимизации глушителей, использующих волновые эффекты. Имеет смысл автоматизировать оптимизацию многокамерных глушителей по нужным критериям с применением 1D моделей процессов в газовоздушных трактах двигателей.

Требуется совершенствовать программные средства в ряде аспектов, чтобы существенно повысить адекватность расчётных оценок акустических показателей ДВС. Разработка прикладных моделей акустических эффектов и измерительных устройств может быть выполнена специалистами в области вычислительной и технической акустики. Необходимо ликвидировать отставание математического обеспечения отечественных CAE-пакетов в этой области.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. А.А. Черноусов — сбор и анализ литературных источников, написание и редактирование текста статьи; Р.Д. Еникеев — постановка задачи, экспертная оценка, утверждение финальной версии; Р.Э. Дадашов — проведение расчётов. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведённым исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Государственного задания № FEUE-2023-0007 (УУНиТ).

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. А.А. Chernousov — search and analysis of literary sources, writing and editing the text of the manuscript; R.D. Enikeev — task formulation, expert opinion and approval the final version; R.E. Dadashov — performing computer simulations. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. The research was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the framework of the State Assignments № FEUE-2023-0007.

Об авторах

Андрей Александрович Черноусов

Автор, ответственный за переписку.
Email: andrei.chernousov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5541-8082
SPIN-код: 2885-6338

канд. техн. наук, доцент кафедры «Двигатели внутреннего сгорания»

Рустэм Далилович Еникеев

Email: rust_en@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-4683-1657
SPIN-код: 8556-3237

профессор, д-р техн. наук, заведующий кафедрой «Двигатели внутреннего сгорания»

Решад Эльманович Дадашов

Email: reshad.dadashov85@mail.ru
ORCID iD: 0009-0006-1429-8436
SPIN-код: 1957-4650

аспирант кафедры «Двигатели внутреннего сгорания»

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Двигатель РМЗ-551i.

Скачать (116KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Структура 1D модели двигателя в ALLBEA.

Скачать (255KB)

Метаданные

4. Рис. 3. 3D модель системы выпуска.

Скачать (90KB)

Метаданные

5. Рис. 4. Схема серийного глушителя.

Скачать (19KB)

Метаданные

6. Рис. 5. Схема глушителя c длинным соединительным ¬каналом.

Скачать (31KB)

Метаданные

7. Рис. 6. Подмодель глушителя с каналом, соединяющим две камеры.

Скачать (78KB)

Метаданные

8. Рис. 7. Величины на срезе серийного (- - -) и оптимизированного (––) глушителя.

Скачать (179KB)

Метаданные

9. Рис. 8. Расчётные показатели для двигателя с оптимизированным глушителем.

Скачать (148KB)

Метаданные