Ocena emisji akustycznej pojazdu samochodowego Acoustic emission assessment of a motor vehicle

Andrzej Gągorowski

Politechnika Warszawska, Wydział Transportu

OCENA EMISJI AKUSTYCZNEJ POJAZDU

SAMOCHODOWEGO

Rękopis dostarczono: maj 2017

Streszczenie: Wobec zwiększających sie wymagań w zakresie emisji hałasu i komfortu podróży, etap

projektowania akustycznego stał się nieodłączną częścią całego procesu tworzenia pojazdu. W artykule zaproponowano sposób oceny emisji akustycznej pojazdu samochodowego z wykorzystaniem metod modelowania oraz wybranych parametrów pozwalających ocenić energię emitowaną do środowiska. Badania oparto na analizie poziomu ciśnienia akustycznego w przestrzeni otaczającej obiekt. Modelowanie i symulacje przepływów gazodynamicznych w systemie silnik -układ wydechowy – środowisko zewnętrzne oparto na specjalistycznym pakiecie obliczeniowym CFD (Computer Fluid Dynamics) - AVL AST.

Słowa kluczowe: pojazd samochodowy, emisja akustyczna, przepływ gazodynamiczny

1. WSTĘP

Dyrektywa nowego podejścia 2006/42/WE określa podstawowe wymagania bezpieczeństwa w zakresie projektowania i konstruowania maszyn, a także procedury oceny zgodności tych wyrobów z podstawowymi wymaganiami przed ich wprowadzeniem do obrotu handlowego na terenie Unii Europejskiej[2]. W zakresie hałasu dyrektywa formułuje wymóg zredukowania hałasu na etapie projektowania maszyny. W przypadku pojazdów samochodowych mamy do czynienia ze zjawiskiem o wiele bardziej złożonym niż to mam miejsce przy ocenie maszyn i urządzeń stacjonarnych. Ocena w zakresie emisji energii akustycznej przez pojazd drogowy wymaga uwzględnienia szeregu parametrów konstrukcyjnych, eksploatacyjnych oraz ruchowych[3-5, 7]. Dodatkowo w przypadku oceny emisji z dróg kołowych zachodzi konieczność uwzględnienia nie pojedynczego źródła, lecz często dużej ilości zróżnicowanych konstrukcyjnie pojazdów poruszających się ze zmienną prędkością. Należy również zauważyć, że rzeczywisty ruch kołowy charakteryzuje się różnym natężeniem i częstymi zmianami kierunku jazdy[x moja].

Zastosowanie skutecznej i dokładnej metody badawczej pozwala przewidzieć i ocenić rozkład pola akustycznego w określonych punktach przestrzeni otaczającej źródło a następnie emisję poza nią. Porównując znormalizowane metody wyznaczania parametrów akustycznych maszyn i urządzeń ( w tym poziomów mocy i ciśnienia akustycznego emisji), możemy dostrzec szereg różnic miedzy nimi[6, 14-18]. Różnice te dotyczą m.in.:

 kształtu powierzchni pomiarowej, jej wymiarów oraz zagęszczenia,  algorytmu obliczeniowego,

 warunków pomiarowych.

W pracy[6] przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych uwzględniających wpływ wybranych zmian powyższych czynników na poziomy generowanego ciśnienia i mocy akustycznej maszyn. Uzyskane wnioski pozwoliły stwierdzić, że pole akustyczne (powstałe w wyniku emisji energii przez źródło) jest bardzo „wrażliwe” na zmiany czynników wewnętrznych i oddziaływania zewnętrzne, a propagowane fale mogą ulegać zjawiskom tłumienia, dyfrakcji, interferencji oraz odbicia w zależności od zmieniających się warunków. Powyższe metody nie uwzględniają jednak bezpośrednio charakterystyk i cech konstrukcji układów maszyn i pojazdów oraz procesów wewnętrznych zachodzących podczas ich pracy i skupiają się głównie na pomiarach zmian w zewnętrznym środowisku. Dlatego w zaproponowanej metodzie skupiono się również na odwzorowaniu systemów i procesów wewnętrznych będących źródłem energii akustycznej generowanej na zewnątrz pojazdu. W artykule opisano I etap badań obejmujący analizę emisji akustycznej dla samochodu z silnikiem spalinowym w dolnym paśmie częstotliwości, tj. dla zakresu 0-5000 Hz.

2. OPIS METODY OCENY EMISJI AKUSTYCZNEJ

POJAZDU

Zaproponowana metoda oceny emisji akustycznej pojazdu samochodowego łączy w sobie elementy analizy dynamiki płynów (CFD) oraz techniki projektowania komputerowego przy uwzględnieniu określonego źródła energii akustycznej. Z punktu widzenia generowanej i przetwarzanej energii pojazd samochodowy w połączeniu z silnikiem spalinowym posiada cechy systemu przepływowego, w którym znaczącą rolę odgrywają gazy spalinowe[8, 9]]. Powyższy czynnik fluidalny bierze główny udział w procesie transportu i przetwarzania energii mechanicznej, cieplnej, chemicznej i akustycznej. Zachodzące silnie zmienne, złożone procesy gazodynamiczne w systemie silnik – układ wydechowy wymagają zastosowania metod obliczeniowych opartych na nieliniowej analizie numerycznej z wykorzystaniem metod elementów skończonych lub brzegowych[10, 12, 19]. W badaniach będących przedmiotem niniejszego artykułu zastosowano w procesie obliczeniowym technikę CFD - „Computer Fluid Dynamics” z wykorzystaniem specjalistycznego pakietu do zastosowań motoryzacyjnych -AVL AST.

Jak już wspomniano wcześniej, podczas przepływu przez kolejne struktury systemu silnik – układ wydechowy –środowisko zewnętrzne mamy do czynienia z dynamicznymi, lokalnymi zmianami temperatury (T), ciśnienia (p), prędkości (ν) i gęstości (ρ) spalin oraz powietrza. Uwzględniając zmiany tych parametrów w czasie, ich opis możliwy jest przy zastosowaniu nieliniowych równań Naviera - Stokesa lub Eulera[11], co z kolei wymusza zastosowanie metod numerycznych przy ich rozwiązywaniu. Wykorzystując zasadę zachowania pędu i opierając się na równaniach Eulera[1, 11] ruch cząstek akustycznych

z prędkością ν możemy opisać dla określonego kierunku w przestrzeni. Przykładowo dla kierunku x równanie Eulera możemy przedstawić w formie uproszczonej:

0 ) , ( ) , ( 0 w w  w w x t x p t t x Q U (1)

W przestrzeni otaczającej pojazd (jako źródła energii akustycznej), zmiany ciśnienia, gęstości i temperatury wywołane zaburzeniami ośrodka w ruchu falowym możemy opisać z uwzględnieniem odległości r od źródła następującymi równaniami[11, 13]:

(2) (3) (4) gdzie:

p0, ρ0, T0 – odpowiednio ciśnienie, gęstość i temperatura ośrodka w stanie równowagi.

pi(r,t), ρi(r,t), Ti(r,t) – zmienne w czasie wartości ciśnienia akustycznego, gęstości i temperatury ośrodka.

Zmiany ciśnienia akustycznego określane są dla umownej przestrzeni otaczającej nadwozie pojazdu, której granice wyznaczają płaszczyzny o wymiarach określonych zależnościami:

(5) (6) (7) gdzie:

l1, l2, l3 – główne wymiary bryły samochodu - odpowiednio długość , szerokość i wysokość,

Δrx, Δry, Δrz – regulowane, względne odległości od źródła odpowiednio w kierunku x, y, z. W końcowym etapie w określonych punktach przestrzeni pomiarowej wyznaczane są poziomy ciśnienia akustycznego Lpi dla analizowanego zakresu częstotliwości zgodnie ze wzorem: 2 0 log 10 ¸¸¹ · ¨¨© § p p Lpi fi (8) gdzie:

pfi – ciśnienie akustyczne w paśmie częstotliwościowym f w i-tym punkcie pomiarowym,

p0 – ciśnienie akustyczne odniesienia o wartości 2·10-5 Pa.

) , ( ) , (rt p0 p rt p r i x r l a 0,5₁' y r l b 0,5₂' z r l h 0,5₃' ) , ( ) , (rt U0 Ui rt U r ) , ( ) , (rt T0 T r t T r i

3. MODEL POJAZDU

Przedmiotem badań jest samochód osobowy z silnikiem spalinowym(rys.1). Badając pojazd samochodowy z punktu widzenia emisji energii akustycznej należy brać pod uwagę całą jego konstrukcję, przy czym głównymi urządzeniami stanowiącymi jej źródło są układ napędowy oraz wydechowy. Praca pozostałych podzespołów ma w tym zakresie ograniczone znaczenie. Pozostałe główne źródła jak oddziaływanie kół z nierównościami drogi czy też opór aerodynamiczny nie są przedmiotem niniejszych badań. W oparciu o rzeczywistą konstrukcję (na przykładzie samochodu osobowego Nissan Almera I Sedan 1.4 87KM) zbudowano model pojazdu do celów przeprowadzenia analizy CFD w środowisku programowym AVL AST. Model bryły pojazdu przedstawia rys. 1.

Jak wspomniano wcześniej, jako główne źródło emisji akustycznej w samochodzie przyjęto silnik – układ wydechowy. W samochodowym układzie wydechowym (traktowanym jako system fluidalny) na strukturę "twardą" składają się elementy konstrukcyjne tworzące kanały przepływowe i transportowe oraz urządzenia przetwarzające energię chemiczną, cieplną, mechaniczną i akustyczną, w tym katalizatory i tłumiki. Na sposób tworzenia oporów przepływu i kształtowanie energii akustycznej mają wpływ nie tylko tłumiki i katalizatory, ale również pozostałe elementy układu wydechowego jak kolektory, łączniki i elementy dolotowe i wylotowe.

Rys. 1. Model nadwozia z elementami podwozia

W tablicy 1 przedstawiono podstawowe parametry układu, w tym:  nadwozia i podwozia,

 układu napędowego,  układu wydechowego.

Model przepływu spalin w systemie silnik - układ wydechowy, jak wspomniano we wstępie, został zbudowany w środowisku programowym AVL AST (Advanced Simulation Tools) - AVL BOOST. Na rys. 2 przedstawiono zbudowany model połączeń.

Rys. 2. Model połączeń w systemie silnik - układ wydechowy

Tablica 1 Wybrane parametry modelu pojazdu

Parametry zewnętrzne nadwozia

pojazdu

Parametry silnika Parametry układu wydechowego

Długość(l1) Pojemność

skokowa Liczba cylindrów

Średnice kanałów środkowych, dolotowych i wylotowych

4320 mm 1392 cm3 4 5,1 mm

Szerokość(l2) Typ silnika Układ cylindrów długość układu wydechowego przed katalizatorem(część dolotowa-L0)

1690 mm benzynowy rzędowy 400 mm

Wysokość(l3) Moc silnika Liczba zaworów długość komory katalizatora(L1) 1365 mm 87 KM przy 6000

obr/min 16 200 mm

Rozstaw osi Maksymalny

moment obrotowy Stopień sprężania

długość układu wydechowego – kanał środkowy (L2) 2535 mm 116 Nm przy 4000

obr/min 10,0 : 1 1310 mm

Rozstaw kół - przód Montaż silnika Typ wtrysku długość część dolotowej przed tłumikiem(L3) 1476 mm z przodu,

poprzecznie

wielopunktowy

(MPI) 120 mm

Rozstaw kół - tył Rodzaj napędu - długość komory katalizatora(L4)

1461 mm Na przednią oś - 388 mm

4. BADANIA UKŁADU - ANALIZA EMISJI AKUSTYCZNEJ

Przeprowadzone obliczenia z uwzględnieniem modelu opisanego w rozdziale poprzednim pozwoliły wyznaczyć m.in wartości ciśnienia i prędkości lokalnych przepływów spalin w określonych przekrojach systemu silnik - układ wydechowy oraz w otoczeniu zewnętrznym bryły pojazdu przy zadanych warunkach brzegowych. Wyznaczone parametry akustyczne umożliwiły dokonanie oceny emisji układu przy uwzględnieniu założonych skokowych zmian parametrów przestrzeni pomiarowej(rys. 3). W tablicy 2 przedstawiono wybrane parametry odniesienia(początkowe) i warunki brzegowe(SB) przyjęte do obliczeń przy uwzględnieniu cyklu pracy silnika spalinowego czterosuwowego. Regulacja składu mieszanki paliwowej określona została poprzez współczynnik wyrażający stosunek powietrza do paliwa(A/F).

Przyjęto, ze energia akustyczna generowana na zewnątrz rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach wokół pojazdu. Kolejne obliczenia dotyczyły więc wyznaczenia zmian poziomów ciśnienia akustycznego w przestrzeni otwartej otaczającej badany pojazd zgodnie z procedurą przedstawioną w rozdziale 2.

Tablica 2 Wybrane parametry początkowe i warunki brzegowe

Prędkość obrotowa n[rpm] A/F Ciśnienie p[MPa] Temperatura T[o _C] 1000,0 14,5 0,1013 20,85

Jak już wcześnie wspomniano, w I etapie analizę częstotliwościową emisji akustycznej pojazdu przeprowadzono dla zakresu - 0÷5000Hz. Przykładowe wyniki dla wybranego przypadku regulacji przestrzeni pomiarowej otaczającej pojazd przy uwzględnieniu zależności (4)-(6) przedstawiono na rysunkach 4 i 5 . W omawianym przypadku dla wszystkich względnych odległości od źródła(Δrx, Δry, Δrz) przyjęto wartość 3000 mm.

Analizując wyznaczoną emisję akustyczną w przestrzeni wokół pojazdu można zauważyć znaczną zmienność poziomu ciśnienia w analizowanym paśmie częstotliwościowym. Duża dynamika zmian związana jest bezpośrednio z charakterem pracy silnika spalinowego oraz przepływami gazodynamicznymi w układzie wydechowym. Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że największe poziomy ciśnienia akustycznego generowane są w części przestrzeni za pojazdem. Jest to oczywiście związane z usytuowaniem głównego źródła czyli układu wydechowego i kierunkiem emisji spalin. Nie mniej jednak należy zauważyć, że energia rozprzestrzenia się wokół całego pojazdu przy uwzględnieniu braku przeszkód mogących wpływać na zachowanie się fal akustycznych w przestrzeni otwartej. Na rys. 4 pokazano przykładowy przebieg dla wybranego punktu (punkt 7 usytuowany za pojazdem– rys. 3) dla całego analizowanego pasma, natomiast rys. 5 przedstawia uśrednione wartości poziomu ciśnienia akustycznego z 9 wybranych punktów usytuowanych w przestrzeni otaczającej przednią, środkową i tylną części nadwozia (rys. 3).

Rys. 4. Przebieg poziomu ciśnienia akustycznego dla wybranego punktu przestrzeni pomiarowej

Rys. 5. Uśrednione wartości poziomu ciśnienia akustycznego z 9 punktów przestrzeni pomiarowej

5. PODSUMOWANIE

Z faktów przedstawionych we wstępie niniejszej pracy wynika złożoność zachodzących procesów i trudność w przeprowadzeniu poprawnej analizy akustycznej dla określonych

Poziom cisnienia akustycznego

-40 -20 0 20 40 60 80 Lp ( d B ) 50 500 5000 Częstotliwość f (Hz)

Poziom ciśnienia akustycznego - punkt 7 przestrzeni pomiarow ej (dB)

Layer_2

-10 0 10 20 30 40 50 60 Lp ( d B ) 50 500 5000 Częstotliwość f (Hz)

konstrukcji samochodowych i warunków eksploatacyjnych. W artykule przedstawiono propozycję metody oceny emisji akustycznej pojazdu osobowego z silnikiem spalinowym zastosowaniem technik CFD. Układ poddano badaniom w zakresie przenoszenia energii akustycznej z uwzględnieniem pasma częstotliwościowego charakterystycznego dla silników spalinowych pojazdów samochodowych. W I etapie uwzględniono ocenę w dolnym zakresie częstotliwościowym. Analizowane pasmo (0-5000 Hz) jest ważne ze względu specyfikę badanych układów konstrukcyjnych pojazdu( szczególnie układu wydechowego). Uzyskane wyniki pozwoliły ocenić dynamikę zmian w przepływie energii akustycznej w przestrzeni wokół pojazdu. Wykazały m.in. znaczną zmienność poziomu ciśnienia w analizowanym paśmie częstotliwościowym.

Dzięki uwzględnieniu cech konstrukcyjnych źródła oraz regulacji parametrów stref oddziaływania pola akustycznego metodę można dostosować do określonego pojazdu i warunków otoczenia, w którym odbywa się eksploatacja. Ocena rozkładu pola akustycznego może być dokonywana w określonych punktach przestrzeni badawczej. Osobny aspekt badawczy stanowi wpływ określonych regulacji w systemie silnik - układ wylotowy na charakterystyki parametrów emisji akustycznych.

Przedstawiona metoda badawcza może zostać rozszerzona o inne aspekty, dlatego będzie przedmiotem dalszych badań. Uzyskane wyniki mogą być podstawą do opracowania modelu dystrybucji mocy akustycznej dla pojazdu samochodowego jako źródła punktowego poruszającego się po drodze kołowej.

Badania prowadzono w ramach międzynarodowego programu: "AVL AST University Partnership Program"(AVL, Graz, Austria)

The research has been conducted in the international program: "AVL AST University Partnership Program" (AVL, Graz, Austria)

Bibliografia

1. Bies D. A. , Hansen C. H. :Engineering Noise Control Theory and Practice. Spon Press - Taylor & Francis Group, London and New York, Third edition 2003.

2. Dyrektywa 2006/42/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 17 maja 2006 r. w sprawie maszyn, zmieniająca dyrektywę 95/16/WE (przekształcenie).

3. Dyrektywa 2007/46/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 5 września 2007 r. ustanawiającą ramy dla homologacji pojazdów silnikowych i ich przyczep oraz układów, części i oddzielnych zespołów technicznych przeznaczonych do tych pojazdów („dyrektywa ramowa”) (Dz. Urz. UE L 263 z 09.10.2007, z późn. zm.).

4. Gągorowski A., Melon A.: Selected aspects of modelling mufflers for exhaust systems of vehicles. Journal of KONES, Institute of Aviation, vol. 20, nr 2, 2013, ss. 97-103.

5. Gągorowski A.: Badania hałasu drogowego z uwzględnieniem różnych metod obliczeniowych, w: Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Transport, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, vol. 89, 2013, ss. 19-33.

6. Gągorowski A.: Wyznaczanie mocy akustycznej maszyn i urządzeń, Logistyka, Instytut Logistyki i Magazynowania, nr 5, 2014, ss. 489-498 .

7. Gągorowski A.: Model prognozowania hałasu drogowego dla różnego dobowego ruchu. Logistyka, Instytut Logistyki i Magazynowania, nr 4, 2014, ss. 1835-1844.

8. Gągorowski A.: Badania wybranych struktur tłumików układów wydechowych w środowisku avl. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, Transport. vol. 112, 2016, ss. 101y110.

Naukowo - Techniczne, Warszawa 2008.

10. Ji Z., Ma Q., Zhang Z., Application of the boundary element method to predicting acoustic performance of expansion chamber mufflers with mean flow. Journal of Sound and Vibration, 173, pp: 57-71, 1994. 11. Lawrence E. Kinsler et al.: Fundamentals of Acoustics, 4th Edition, New York, N.Y. Wiley, 2000. 12. Lunev V. V.:Real Gas Flows with High Velocities. CRC Press 2009.

13. Malecki I.:Teoria fal i układów akustycznych. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1964. 14. PN 85/ N-01333 Hałas. Dokładne metody określania poziomu mocy akustycznej hałasu maszyn

w komorze bezechowej i w otwartej przestrzeni.

15. PN-EN ISO 3744:1999 Akustyka – Wyznaczanie poziomów mocy akustycznej źródeł hałasu na podstawie pomiarów ciśnienia akustycznego – Metoda techniczna stosowana w warunkach zbliżonych do pola swobodnego nad płaszczyzna odbijającą dźwięk.

16. PN-EN ISO 3746:1999 Akustyka - Wyznaczanie poziomów mocy akustycznej źródeł hałasu na podstawie pomiarów ciśnienia akustycznego -Metoda orientacyjna z zastosowaniem otaczającej powierzchni pomiarowej nad płaszczyzną odbijającą dźwięk

17. PN-EN ISO 9614-1:1999 Akustyka. Wyznaczanie poziomów mocy akustycznej źródeł hałasu na podstawie pomiarów natężenia dźwięku. Metoda stałych punktów pomiarowych.

18. PN-EN ISO 9614-2:2000 Akustyka - Wyznaczanie poziomów mocy akustycznej źródeł hałasu na podstawie pomiarów natężenia dźwięku - Metoda omiatania

19. Rathakrishnan E.: Applied gas dynamics. John Wiley and Sons, Singapore 2010

20. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 540/2014 z dnia 16 kwietnia 2014 r. w sprawie poziomu dźwięku pojazdów silnikowych i zamiennych układów tłumiących oraz zmieniające dyrektywę 2007/46/WE i uchylające dyrektywę 70/157/EWG.

ACOUSTIC EMISSION ASSESSMENT OF A MOTOR VEHICLE

Summary: Due to increasing requirements for noise emission and travel comfort, the acoustic design

stage has become an integral part of the whole process of creating a vehicle. The article proposes a method for evaluating the acoustic emission of a motor vehicle using modeling methods and selected parameters allowing to assess the energy emitted to the environment. The study was based on the analysis of sound pressure level in the space surrounding the object. Modelling and simulations of gas-dynamic flows in the engine and exhaust system were conducted using specialized computational package CFD(Computer Fluid Dynamics), the AVL AST.