vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2022-67-3-307-317vestift-755Research ArticleЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕНPOWER ENGINEERING, HEAT AND MASS TRANSFERВлияние процессов утилизации энергии отработавших газов поршневых двигателей внутреннего сгорания на газодинамические и акустические характеристики глушителей шумаThe influence of the processes of utilization of exhaust gases of reciprocating internal combustion engines on the gas dynamic and acoustic characteristics of noise silencersГрудановВ. Я.GrudanovV. Ya.

Груданов Владимир Яковлевич – доктор технических наук, профессор

пр. Независимости, 99, 220023, Минск

Vladimir Ya. Grudanov – D. Sc. (Engineering), Professor

99, Nezavisimosty Ave., 220023, Minsk

rektorat@bsatu.byТкачеваЛ. Т.TkachevaL. T.

Ткачева Людмила Тимофеевна – кандидат технических наук, доцент

пр. Независимости, 99, 220023

Ludmila T. Tkacheva – Ph. D. (Engineering), Associate Professor

99, Nezavisimosty Ave., 220023, Minsk

БелохвостовГ. И.BelokhvostovG. I.

Белохвостов Геннадий Иванович – кандидат технических наук

пр. Независимости, 99, 220023, Минск

Guennadi I. Belokhvostov – Ph. D. (Engineering), Associate Professor

99, Nezavisimosty Ave., 220023, Minsk

gbelohvostov@gmail.comБренчМ. В.BrenchM. V.

Бренч Марина Валерьевна – старший преподаватель

пр. Независимости, 99, 220023, Минск

Marina V. Brench – Senior Lecturer

99, Nezavisimosty Ave., 220023, Minsk

rektorat@bsatu.byПинчукА. А.PinchukA. A.

Пинчук Анна Андреевна – аспирант

пр. Независимости, 99, 220023, Минск

Anna A. Pinchuk – Graduate Student

99, Nezavisimosty Ave., 220023, Minsk

РусскихВ. В.RusskikhV. V.

Русских Виктор Владимирович – магистрант

пр. Независимости, 99, 220023, Минск

Viktor V. Russkikh – Master’s Student

99, Nezavisimosty Ave., 220023, Minsk

Белорусский государственный аграрный технический университетBelarusian State Agrarian Technical University202209102022673307317Copyright © Груданов В.Я., Ткачева Л.Т., Белохвостов Г.И., Бренч М.В., Пинчук А.А., Русских В.В., 20222022Груданов В.Я., Ткачева Л.Т., Белохвостов Г.И., Бренч М.В., Пинчук А.А., Русских В.В.Grudanov V.Y., Tkacheva L.T., Belokhvostov G.I., Brench M.V., Pinchuk A.A., Russkikh V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/755

Представлены научные основы проектирования глушителей шума двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с утилизацией теплоты отработавших газов, обеспечивающих выпуск газовых потоков с улучшенными газодинамическими и акустическими характеристиками. Изучен термодинамический анализ процессов утилизации энергии отработавших газов. Термодинамический анализ показал, что утилизация теплоты отработавших газов приводит к повышению термического коэффициента полезного действия (КПД) цикла Отто. Выполнен также эксергетический анализ теплообменных процессов в глушителе и определены пути повышения его термодинамической эффективности. Установлено, что глушитель шума с размещенным внутри теплообменником-змеевиком с позиции второго закона термодинамики, выраженного посредством эксергетического анализа, является более совершенной термодинамической системой по сравнению с обычным глушителем. Дано математическое описание процессов утилизации в условиях внешнего теплового воздействия, при этом выявлен характер влияния теплового воздействия на изменение давления, температуры и плотности. На основе метода Л.А. Вулиса получены аналитические уравнения изменения давления, температуры и плотности. Процессы утилизации энергии отработавших газов способствуют снижению температуры газов, возрастанию плотности, уменьшению скорости потока и падению давления, то есть имеет место эффект (закон Л.А. Вулиса) теплового торможения газового потока, обусловливающего снижение уровня шума при меньшем противодавлении и увеличении КПД двигателя.

The scientific basis for the design of noise suppressors for internal combustion engines with exhaust gas heat recovery, providing the release of gas flows with improved gas-dynamic and acoustic characteristics, is presented. The thermodynamic analysis of the processes of energy utilization of exhaust gases has been studied. Thermodynamic analysis showed that the utilization of exhaust gas heat leads to an increase in the coefficient of performance (COP) of the Otto cycle. An exergy analysis of heat exchange processes in the muffler was also carried out, and ways to increase its thermodynamic efficiency were determined. It has been established that a noise silencer with a heat exchanger-coil installed inside, from the position of the second law of thermodynamics, expressed by means of exergy analysis, is a more advanced thermodynamic system compared to a conventional silencer. A mathematical description of the recycling processes under conditions of external thermal exposure is given, while the nature of the influence of thermal exposure on changes in pressure, temperature and density is established. Based on the method of L.A. Vulis analytical equations for changes in pressure, temperature and density are obtained. Exhaust gas energy recovery processes contribute to a decrease in gas temperature, an increase in density, a decrease in flow velocity and a pressure drop, i.e. there is an effect (law of L.A. Vulis) of thermal stagnation of the gas flow, which causes a decrease in the noise level with less back pressure and an increase in engine efficiency.

глушители шумадвигатель внутреннего сгоранияотработавшие газыутилизационный теплообменниктермодинамический анализэксергияэнтропияnoise mufflersinternal combustion engineexhaust gasesrecycling heat exchangerthermodynamic analysisexergyentropyReferencesGreenhouse gas emissions from heavyduty natural gas, hybrid, and conventional diesel on-road trucks during freight transport / D.C. Quiros [et al.] // Atmospheric Environment. – 2017. – Vol. 168. – P. 36–45. https://doi.org/10.1016/j. atmosenv.2017.08.066Quiros D. C., Smith J., Thiruvengadam A., Huai T. Greenhouse gas emissions from heavyduty natural gas, hybrid, and conventional diesel on-road trucks during freight transport. Atmospheric Environment, 2017, vol. 168, pp. 36–45. https:// doi.org/10.1016/j.atmosenv.2017.08.066Trubaev, P.A. Exergic analysis of technological heat devices / P.A. Trubaev, E.А. Zajtsev, P.V. Besedin // IJPT. – 2016. – Vol. 8, №4. – P. 24968–24975.Trubaev P. A., Zajtsev E. А., Besedin P.V. Exergic analysis of technological heat devices. International Journal of Pharmacy and Technology, 2016, vol. 8, no. 4, pp. 24968–24975.Вулис, Л.А. Термодинамика газовых потоков / Л.А. Вулис. – М.; Л.: Госэнергоиздат, 1950. – 304 с.Vulis L.A. Thermodynamics of Gas Flows. Moscow, Leningrad, Gosenergoizdat Publ., 1950. 304 p. (in Russian).Инзель, Л.И. Основы глушения шума выхлопа двигателей внутреннего сгорания / Л.И. Инзель. – М.: Изд-во и 1-я тип. Машгиза в Лгд, 1949. – 196 с.Inzel L.I. Fundamentals of Muffling Exhaust Noise of Internal Combustion Engines. Moscow, Publishing House and 1st Type. Mashgiza in Lgd, 1949. 196 p. (in Russian).Шатров, М.Г. Шум автомобильных двигателей внутреннего сгорания / М.Г. Шатров, А.Л. Яковенко, Т.Ю. Кричевская. – М.: МАДИ, 2014. – 68 с.Shatrov M. G., Yakovenko A. L., Krichevskaya T. Yu. Noise of Automobile Internal Combustion Engines. Moscow, Moscow Automobile and Road Engineering State Technical University, 2014. 68 p. (in Russian).Груданов, В.Я. Научно-практические подходы к совершенствованию конструкций глушителей шума поршневых двигателей внутреннего сгорания на основе теории чисел / В.Я. Груданов, Г.И. Белохвостов, Л.Т. Ткачева // Наука и техника. – 2021. – Т. 20, №5. – С. 434–444. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2021-20-5-434-444Grudanov V. Ya., Belokhvostov G. I., Tkacheva L.T. Scientific and practical approaches to improving the designs of noise dampers of piston internal combustion engines based on the theory of numbers. Nauka i tekhnika = Science and Technique, 2021, vol. 20, no. 5, pp. 434–444 (in Russian). https://doi.org/10.21122/2227-1031-2021-20-5-434-444Груданов, В.Я. Моделирование и оптимизация гидравлических и акустических характеристик глушителей шума поршневых двигателей на основе теории чисел / В.Я. Груданов, Г.И. Белохвостов, Л.Т. Ткачева // Горная механика и машиностроение. – 2020. – №4. – С. 28–42.Grudanov V. Ya., Belokhvostov G. I., Tkacheva L.T. Modeling and optimization of hydraulic and acoustic characteristics of piston engine noise mufflers based on number theory. Gornaya mekhanika i mashinostroenie = Mining Mechanical Engineering and Machine-Building, 2020, no. 4, pp. 28–42 (in Russian).Груданов, В.Я. Теория чисел в развитии машиностроительного комплекса Республики Беларусь / В.Я. Груданов, Е.Н. Филидович, Г.И. Белохвостов // Инженер-механик. – 2020. – Т. 86, №1. – С. 7–9.Grudanov V. Ya., Filidovich E. N., Belokhvostov G.I. Number theory in the development of the machine-building complex of the Republic of Belarus. Inzhener-mekhanik [Mechanical Engineer], 2020, vol. 86, no. 1, pp. 7–9 (in Russian).Груданов, В.Я. Моделирование и оптимизация гидравлических и акустических характеристик глушителей шума поршневых двигателей / В.Я. Груданов, Л.Т. Ткачева // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. – 2017. – Т. 57, №4. – С. 17–28.Grudanov V. Ya., Tkacheva L.T. Modeling and optimization of hydraulic and acoustic characteristics of piston engine noise silencers. Vestnik Belorussko-Rossiiskogo universiteta = The Belarusian-Russian University Herald, 2017, vol. 57, no. 4, pp. 17–28 (in Russian).Иванов, Н.И. Борьба с шумом и вибрациями на путевых и строительных машинах / Н.И. Иванов. – М.: Транспорт, 1978. – 272 с.Ivanov N.I. The Fight Against Noise and Vibrations on Track and Construction Machines. Moscow, Transport Publ., 1978. 272 p. (in Russian).Лубянченко, А.А. Улучшение виброакустических характеристик глушителей шума выпуска двигателей внутреннего сгорания большой мощности: автореф. дис. … канд. техн. наук / А.А. Лубянченко; БалтГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова. – СПб., 2017. – 22 с.Lubyanchenko A.A. Improvement of Vibroacoustic Characteristics of Noise Mufflers for the Release of High-Power Internal Combustion Engines. St. Petersburg, 2017. 22 p. (in Russian).Дробаха, М.Н. Снижение внешнего шума транспортных машин глушителями (на примере трактора МТЗ 82): дис. … канд. техн. наук / М.Н. Дробаха.– СПб., 2004. – 148 л.Drobakha M.N. Reduction of External Noise of Transport Vehicles with Silencers (on the Example of the MTZ-82 Tractor). St. Petersburg, 2004. 148 p. (in Russian).Разумовский, М.А. Борьба с шумом на тракторах / М.А. Разумовский. – Минск: Наука и техника, 1973. – 208 сRazumovskii M.A. Noise Control on Tractors. Minsk, Nauka i tekhnika Publ., 1973. 208 p. (in Russian).Безручко А.Ф. Улучшение характеристик глушителей шума сельскохозяйственных тракторов: автореф. дис. … канд. техн. наук / А.Ф. Безручко. – Минск, 1989. – 15 с.Bezruchko A.F. Improving the Characteristics of Noise Silencers of Agricultural Tractors. Minsk, 1989. 15 p. (in Russian).Комкин, А.И. Разработка современных методов расчета и проектирования автомобильных глушителей с требуемыми характеристиками: дис. … д-ра техн. наук / А.И. Комкин; Балтийский госуд. техн. ун-т «Военмех» имени Д.Ф. Устинова. – СПб., 2012. – 48 с.Komkin A.I. Development of Modern Methods of Calculation and Design of Automobile Mufflers with the Required Characteristics. St. Petersburg, 2012. 48 p. (in Russian).Быков А.И. Исследование акустических характеристик резонаторов Гельмгольца в системах снижения шума: автореф. дис. … канд. техн. наук / А.И. Быков; БалтГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова. – СПб., 2021. – 22 с.Bykov A.I. Investigation of Acoustic Characteristics of Helmholtz Resonators in Noise Reduction Systems. St. Petersburg, 2021. 22 p. (in Russian).Белоцерковский, С.В. Автомобильные глушители: современные требования, тенденции развития, методы расчета и испытаний / С.В. Белоцерковский, В.Е. Тольский // Техн. акустика. – 2001. – №1. – С. 30–37.Belotserkovsky S. V., Tolskyi V.E. The automobile mufflers: the modern requirements, tendencies of development, methods of calculations and tests. Tekhnicheskaya akustika = Technical Acoustics, 2001, no. 1, pp. 30–37 (in Russian).Груданов, В.Я. Утилизатор тепла отработавших газов / В.Я. Груданов, К.Н. Тупальский, А.Н. Рубанов. // Автомобильная промышленность. – 1986. – №7. – С. 11–12.Grudanov V. Ya., Tupal’sky K. N., Rubanov A.N. Exhaust gas heat utilizer. Avtomobil’naya promyshlennost’ [Automotive Industry], 1986, no. 7, pp. 11–12 (in Russian).Груданов, В. Я., Анализ и оценка математической модели процессов утилизации энергии отработавших газов / В.Я. Груданов, С.В. Жестков // Изв. вузов. Энергетика. – 1990. – №9. – С. 13–16.Grudanov V. Ya., Zhestkov S.V. Analysis and evaluation of the mathematical model of the processes of waste gas energy utilization. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Energetika. [News of Higher Educational Institutions. Energy], 1990, no. 9, pp. 13–16 (in Russian).Груданов, В.Я. Математическое моделирование процессов утилизации энергии отработавших газов ДВС / В.Я. Груданов, Е.И. Широков // Двигателестроение. – 1990. – №9. – С. 13–16.Grudanov V. Ya., Shirokov E.I. Mathematical modeling of the processes of utilization of the energy of exhaust gases of the internal combustion engine. Dvigatelestroyeniye, 1990, no. 9, pp. 13–16 (in Russian).Бабенко, В.А. Расчетное и экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в охлаждаемых автомобильных глушителях шума / В.А. Бабенко, В.Я. Груданов // Проблемы тепло- и массообмена в процессах и аппаратах при использовании вторичных энергоресурсов и альтернативных источниках энергии: Междунар. шк.-семинар, сентябрь, 1990. – Минск: ИТМО им. А.В. Лыкова АН БССР, 1990. – С. 66–76.Babenko V. A., Grudanov V. Ya. Computational and experimental study of hydrodynamics and heat transfer in cooled automobile noise silencers. Problemy teplo- i massoobmena v protsessakh i apparatakh pri ispol’zovanii vtorichnykh energoresursov i al’ternativnykh istochnikakh energii: Mezhdunarodnaya shkola-seminar, sentyabr’, 1990 [Problems of Heat and Mass Transfer in Processes and Apparatuses Using Secondary Energy Resources and Alternative Energy Sources: International School-Seminar, September, 1990]. Minsk, A.V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the Academy of Sciences of the BSSR, 1990, pp. 66–76 (in Russian).Груданов, В. Я., Теплоотдача и гидравлическое сопротивление в процессах утилизации теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания / В.Я. Груданов, В.М. Осипов // Изв. вузов. Энергетика. – 1990. – №3. – С. 81–84.Grudanov V. Ya., Osipov V.M. Heat transfer and hydraulic resistance in the processes of heat utilization of exhaust gases of internal combustion engines. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii Energetika [News of Higher Educational Institutions. Energy], 1990, no. 3, pp. 81–84 (in Russian).Груданов, В.Я. Физико-химические и теплообменные процессы в каталитических нейтрализаторах с утилизацией теплоты отработавших газов / В.Я. Груданов // Двигателестроение. – 1991. – №1. – С. 47–49.Grudanov V. Ya. Physico-chemical and heat exchange processes in catalytic converters with utilization of exhaust gas heat. Dvigatelestroyeniye, 1991, no. 1, pp. 47–49 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.