Расчетное исследование газодинамического подхода для снижения шума выпуска в двухтактном двигателе

Полный текст

Обоснование

Поршневой ДВС – тепловой двигатель циклического действия. Интенсивные пульсации потока газов на выходе из газовоздушного тракта (ГВТ) создают шум, характеризуемый совершенно недопустимыми уровнями звукового давления, если не применять глушители [1].Интенсивные волновые явления в ГВТ современных ДВС приводит 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 соединенные 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 назовем«диссипативным»[2, с. 83]).

В конструкцию глушителя может быть заложен и другой подход – «газодинамический»[2]. В проточной части таких глушителей камеры соединены еще 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. Т. е., 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 учтет методика, если в ее основе не лежит детальная трехмерная (3D) модель. Такая модель учтет реальную геометрию и потребует мелкоячеистой сетки и больших вычислительных мощностей. Исследователи углубляют методологию в этом направлении более двух десятилетий. Ранние работы основаны на расчете по 1Dмодели пульсирующего течения в каналах ГВТ, сопряженных с 3D расчетом течения в глушителе (с заданной более или менее реалистично 3D геометрией; см., например, [6]). Расчетом 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 расчета необходимо выявить широкий интервал масштабов вихревых структур. В областях размером порядка расстояний, на которых располагают микрофон шумомера (измеряя спектр и эквивалентное звуковое давление) – также детально рассчитать возмущение по уравнения акустики. Такие задачи решают сопряженно с решением уравнений детальной 3Dмодели 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].Эти разработки также могут быть применены для калибровки быстросчетных 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, сопряженные с моделями микрофонов и шумомеров.

В данном исследовании, с применением имеющихся моделей и методики, авторы оценили сравнительными расчетами 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 расчет возмущений в окружающей среде. Определив уровень шума и показатели двигателя с серийным глушителем на режиме полной мощности и частоте вращения, близкой к номинальной, далее исследовали глушитель с изменением в структуре. В 1Dмодель глушителя добавлен длинный канал, соединяющий две его камеры. Найдены оптимальные параметры глушителя такой конструкции. Далее расчетным путем 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

Цель расчетного 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. 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 расчетами по 1D модели термо- и газодинамических процессов в двухтактном поршневом двигателе и с применением специальной расчетной методики оценивался уровень звукового давления на выпуске. Для предельной оценки эффективности подхода выполнена расчетная 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 рисунке 1 показан общий вид двигателя. В таблице 1 – параметры двигателя, заявленные производителем.

Рис. 1. Двигатель РМЗ-551i

Fig. 1. RMZ-551i engine

Таблица 1. Краткая техническая характеристика

Table 1. Key technical specifications of the engine

Тип	2-тактный
Число цилиндров	2
Диаметр цилиндра, мм	76
Ход поршня, мм	61
Мощность, л. с.	65
Система топливоподачи	С инжектором
Система смазки	Раздельная
Система выпуска	С резонатором

Для моделирования двигателя был применен 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. Structure of the 1D engine model in ALLBEA

1D модель содержит модели отдельных элементов (каналов и емкостей, 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.

Трехмерная (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 расчетные области для 3D расчетов расходных характеристик всех групп окон и продувочной характеристики рабочей камеры при газообмене. Расчеты выполнены в CFD-пакете по отработанной методике, результаты обработаны и подставлены в 1Dмодель 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. 3D model of the exhaust system

Резонатор в двигателе используется для повышения мощности и экономичности за счет 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 – сложной трехмерной формы (см. рис. 3), он был упрощенно представлен в 1D модели в виде набора профильных каналов (см. рис.2; выделены элементы серийного глушителя). Профиль резонатора в 1Dвключал 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 создает противодавление. В данном двигателе глушитель состоит из двух камер разного объема, которые соединены отверстиями в общей перегородке. Схема глушителя показана на рис. 4.

Рис. 4. Схема серийного глушителя

Fig. 4. Schematic of the stock muffler

На рисунке 2 контуром обведены элементы 1Dмодели данного (серийного) глушителя.

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

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

где  – 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]:

где  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 расчета уровня звукового давления в точке окружающей среды на основе данных о пульсирующем потоке на выходе из глушителя (из 1D расчета). Методика была разработана на кафедре двигателей внутреннего сгорания УГАТУ и применялась для проектирования выпускных систем, оценки и оптимизации глушителей (см., например, [3]).

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

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

Затем принята измененная 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 модель измененного глушителя показана на рис. 6.

Рис. 5. Схема глушителя c длинным соединительным каналом

Fig. 5. Schematic of the modified muffler with extended connecting channel

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

Fig. 6. Sub-model of the modified muffler in 1D model

Основные размеры  и канала (элемент Pipe №24 на рис. 6) сделаны оптимизируемыми параметрами, как и диаметр  каждого из 2 отверстий, оставленных в перегородке между камерами. Суммарный объем двух камер глушителя  был оставлен равным 5103 см³, что соответствует объему серийно выпускаемого глушителя. Объем канала (с учетом толщины его стенок в 0,8 мм) в 1D модели вычитался из объемов камер пропорционально их исходным значениям, для которых = . Исходный объем  первой по потоку газов камеры глушителя также подбирался.

Отыскивали максимум целевой функции (ЦФ), определенной как

где Δ  – среднеквадратичное отклонение скорости потока газов на срезе выходного патрубка глушителя от средней скорости потока на этом срезе:

ЦФ, обратно пропорциональная Δ , служила критерием оптимальности (вместо  )из-за отсутствия в ALLBEA адекватной модели микрофона.

Кроме ЦФ, учитывалось ограничение: расчетная мощность двигателя не должна быть более чем на 3 % ниже расчетной мощности с серийным глушителем (41,09 кВт). В расчете 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. Таким образом, 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 расчет 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 расчет процесса и по результатам вычисляет и возвращает значение ЦФ или штрафное значение. В данной работе для 1Dрасчета процесса в ГВТ двигателя, включая глушитель, модуль вызывал расчетную программу – солвер пакета ALLBEA.

Результаты

Расчетом оценен предельный эффект относительного изменения объема 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 путем введения «настроенного» соединительного канала и выполнена оптимизации основных размеров глушителя измененной схемы.Для найденного оптимального варианта глушителя были рассчитаны показатели работы двигателя и звуковое давление на выпуске в диапазоне частот вращения коленчатого вала. Проведен анализ полученных данных.

Расчет мощности и уровня шума с серийным глушителем

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

Оптимизация структуры и параметров глушителя

Выполнена расчетная оптимизация глушителя с «настроенным» каналом, сообщающим две камеры параллельно отверстиям в перегородке (см. рис. 5 и 6). Найденному максимуму ЦФ соответствует минимум  = 1,812 м/c при следующих значениях параметров глушителя:  = 1810 мм,  = 31,0 мм,  = 20,5 мм,  1786 см³.

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

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 рисунке 8.

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

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

Рис. 8. Расчетные показатели для двигателя с оптимизированным глушителем

Fig. 8. Calculated speed characteristic for an engine with an optimized muffler

Обсуждение

Расчетные 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 расчетную 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 расчетный уровень звукового давления примерно на 8 дБ превышает минимум, т. е. газодинамическая настройка перестает оказывать эффект.Это ожидаемый результат, аналогичный снижению эффекта волновой настройки впускных и выпускных каналов основной (мощностной) части газовоздушного тракта.

Не были исследованы усложненные 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 емкостей, которые «отфильтровывают» высокочастотную составляющую пульсаций. Для расчета звукового давления применена методика на основе расчета возмущений в среде, производимых пульсациями потока на срезе глушителя. Однако численный расчет возмущений по 2D модели движения воздуха как невязкой упругой среды не передает эффектов вихреобразования в турбулентной струе. По этим причинам расчетная оценка резервов газодинамического подхода к созданию глушителей шума выпуска достаточно ориентировочна даже для случая сравнительных расчетов, результаты которых выражены в относительных величинах (в дБ).

Таким образом,нужны дополнительные экспериментальные исследования для подтверждения получаемых результатов или же для «настройки» применяемых моделей. Перспективнее же 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 расчетов, основанных на одномерной модели процесса и методике расчета в 2D возмущений в окружающей среде, показали возможность снижения шума выпуска на 7 дБ по сравнению с серийным двухкамерным глушителем. Расчетная 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, примененная методика и инструменты могут быть рекомендованы для оперативных оценок и расчетной 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 расчетных 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 расчетов. Все 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 проведенным 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

Author contribution: А.А. Chernousov – searched for and analyzed the publications, wrote and edited the text of the manuscript; R.D. Enikeev – designed and oversaw the research and finally approved the paper; R.E. Dadashov – performed 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

Уфимский университет науки и технологий

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

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Двигатели внутреннего сгорания»

Россия, 450076, Российская Федерация, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Заки Валиди, д. 32

Рустэм Далилович Еникеев

Уфимский университет науки и технологий

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

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Двигатели внутреннего сгорания»

Россия, 450076, Российская Федерация, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Заки Валиди, д. 32

Решад Эльманович Дадашов

Уфимский университет науки и технологий

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

магистр техники и технологий, аспирант кафедры "Двигатели внутреннего сгорания"

Россия, 450076, Российская Федерация, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Заки Валиди, д. 32

Список литературы

Дополнительные файлы