Влияние процессов утилизации энергии отработавших газов поршневых двигателей внутреннего сгорания на газодинамические и акустические характеристики глушителей шума

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.

1. Greenhouse 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.2017.08.066

2. Trubaev, 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.

3. Вулис, Л.А. Термодинамика газовых потоков / Л.А. Вулис. – М.; Л.: Госэнергоиздат, 1950. – 304 с.

4. 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.

5. Шатров, М.Г. Шум автомобильных двигателей внутреннего сгорания / М.Г. Шатров, А.Л. Яковенко, Т.Ю. Кричевская. – М.: МАДИ, 2014. – 68 с.

6. 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/10.21122/2227-1031-2021-20-5-434-444

7. Груданов, 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.

8. 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.

9. 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.

10. Иванов, Н.И. Борьба с шумом и вибрациями на путевых и строительных машинах / Н.И. Иванов. – М.: Транспорт, 1978. – 272 с.

11. 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.

12. 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.

13. Разумовский, М.А. Борьба с шумом на тракторах / М.А. Разумовский. – Минск: Наука и техника, 1973. – 208 с

14. Безручко А.Ф. Улучшение характеристик глушителей шума сельскохозяйственных тракторов: автореф. дис. … канд. техн. наук / А.Ф. Безручко. – Минск, 1989. – 15 с.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. Груданов, В.Я. Утилизатор тепла отработавших газов / В.Я. Груданов, К.Н. Тупальский, А.Н. Рубанов. // Автомобильная промышленность. – 1986. – №7. – С. 11–12.

19. 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.

20. Груданов, В.Я. Математическое моделирование процессов утилизации энергии отработавших газов ДВС / В.Я. Груданов, Е.И. Широков // Двигателестроение. – 1990. – №9. – С. 13–16.

21. 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.

22. 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.

23. 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.