II. TÍNH TỐN CÁC Q TRÌNH CƠNG TÁC
2.8. Các nguồn gây ồn của động cơ IFA W50
Như chúng ta đã biết, mức độ ồn của các loại động cơ điêzen là khác nhau,
vì mức độ ồn của các nguồn ồn động cơ khác nhau. Những nguồn ồn của động cơ
IFA W50 bao gồm: * Ồn do nạp. * Ồn do thải.
* Ồn do bơm cao áp.
* Ồn do Piston đảo trong khe hở nhiệt giữa piston và xy lanh. * Ồn do mất cân bằng về lực qn tính và mơ men lật động cơ.
* Ồn do quạt hút của hệ thống làm mát động cơ.
* Ồn do cơ cấu chuyển động bánh răng phối khí.
* Ồn do cơ cấu phối khí.
Tất cả các nguồn ồn trên có cường độồn mạnh phát ra được xác định bằng
phương pháp nghiên cứu theo từng bộ phận, ta sẽ tìm được những nguồn ồn chính và nguồn ồn chung.
2.8.1. Hệ thống nạp khí, thải khí cháy.
Hệ thống nạp khơng khí, thải khí cháy được dùng để cấp khơng khí tới các xi lanh của động cơ điêzen và dẫn khí thải từ xy lanh ra ngồi. Các cụm chi tiết chính của hệ thống là bộ lọc khơng khí hoặc bộ tiêu âm trên cửa nạp, các ống góp khơng khí nạp, ống góp khí xả, bộ tiêu âm khí xả.
Bộ lọc sạch khí hay phin lọc khơng khí dùng để làm sạch khơng khí khỏi bụi
trước khi vào xy lanh.
• Bộtiêu âm dùng để làm sạch thơ khơng khí và giảm ồn trên đường nạp. • Ống dẫn khí nạp dùng để cấp khơng khí đến các kênh nạp; ở đầu khối xy lanh.
• Ống dẫn khí xả dùng để dẫn khí thải ra khỏi các xy lanh của động cơ, trên động cơ điêzen.
• Trên các động cơ điêzen khơng tăng áp tàu thủy được lắp đặt ống dẫn khí
thải làm sạch bằng nước.
hoặc vỏ làm mát bằng nước (đối với loại động cơ điêzen tàu thủy). Ở các động cơ điêzen có hệ thống làm mát đơn chiếc được lắp đặt loại ống dẫn khí xảkhơng được
làm mát. Nhưng tùy thuộc chức năng của động cơ mà lắp đặt cách nhiệt hoặc không cách nhiệt.
2.8.2. Ồn do quả trình nạp (Ồn do hút)
Ồn do hút là một trong những nguồn cơ bản của động cơ đốt trong, bản chất hình thành và thành phần ồn ở các hệ thống hút khác nhau thì khác nhau. Vì khi
động cơ thực hiện q trình nạp nhiên liệu, phần hỗn hợp khí nạp này có thể hình thành theo dạng xốy và sựdao động cột áp khơng khí ở hệ thống này. Ồn do xốy xuất hiện do sự hình thành xốy ở lớp biên của khơng khí hoặc khí cháy bao gồm những vật thể rắn đặt ở trên đuờng ống đi của dịng chảy, nó hình thành ở phía sau những vật mà ở đó các dịng khí xốy vào nhau, hoặc là sự phân dịng khí chảy bao quanh vật thể. Do vậy mơi truờng khơng khí bị rối loạn và đã phát ra tiếng ồn khí
động học.
Trong thành phần khí động học ở hệ thống hút của động cơ điêzen có rất nhiều các hình thức ồn. Song tỷ lệ của chúng trong mức ồn khí động học chung của chuyển động của điêzen là khác nhau. Do đó việc xem xét phân tích hệ thống hút
đuợc giới thiệu một cách hợp lý.
Kết quả của nhiều nghiên cứu cho thấy tuổi thọ của các chi tiết piston, xy
lanh và xéc măng động cơ, nhất là các xe làm việc trong mơi trường có nhiều bụi phụ thuộc nhiều vào độ tinh khiết của khí nạp mới. Hút trực tiếp từ bên ngoài, tuy
sơ đồ nguyên lý của hệ thống và kết cấu của thiết bịcó đơn giản nhưng gây ồn lớn.
2.8.3. Ồn do thải
Tiếng ồn do thải là loại tiếng ồn hình thành rất phức tạp do thải khí đã qua
làm việc. Thành phần tần số của nó phụ thuộc cơ bản vào số lần thải trong một giây,
tính động lực của mỗi lần thải vào cơ cấu của hệ thống thải và sựđối áp trên đường
ống thải của động cơ. Cường độ lớn nhất trong phổ ồn khí thải thường xảy ra ở
vùng tần số thấp gần với tần số cơ bản của tần số thải trong một giây. Trong phổ này cũng tham gia một số lượng rất lớn các thành phần điều hồ có tần số là bội số
của tần số thải. Bởi vì vùng có cường độ lớn nhất trong phổ bao trùm từ 500 ÷
nhiều âm thanh có tần số cao hơn nảy sinh do sự hình thành xốy và các q trình tựdao động khi dịng khí đi qua cửa thải. Sựảnh hưởng rõ lên đường đặc tính tần số và cường độồn do thải là do chiều dài 1 của ống thải mà nó chính là sự cộng hưởng thể tích.
Theo tài liệu của phương pháp giảm ồn và rung của động cơ điêzen thì cột khí trong ống gây ra các dao động cộng hưởng và cường độồn của thải tăng lên rất nhanh khi tốc độ góc của động cơ đạt là:
Trong đó: Z. Số lần đánh lửa trong một vòng quay m. Thứ tựdao động
N. Thứ tự hình dạng dao động trong ống
C. Tốc độâm thanh trong khí đốt khi ở nhiệt độ nhất định
Giá trị của đại lượng N, m được chọn không phụ thuộc vào các đại lượng
khác. Do cường độồn khí thải của động cơ điêzen rất cao và dao động trong khoảng từ 105 ÷ 125dB. Bởi thế khi lắp đặt động cơ điêzen cần đặc biệt chú ý đến việc khử ồn khí thải. Điều này được thực hiện bằng cách lắp trên đường thải của động cơ bộ tiêu âm. Ý nghĩa cơ bản của bộ tiêu âm là giảm ồn các xung động áp lực trong dịng chảy của khí xả. Với bộ tiêu âm khơng được tạo ra một lực cản rõ rệt đối với dịng khí thải.
Đường thải của động cơ xe IFA W50 lắp trên xe tải vừa rất đơn giản. Gồm một đoạn ống ngắn 4 nối từ nắp xy lanh của động cơ đến bình tiêu âm rồi xả trực tiếp ra ngồi
Do đặc điểm của mơi trường sử dụng và nhu cầu trang bị nên hệ thống này rất đơn giản và khí thải gây ồn lớn cho môi trường xung quanh. Để giảm ồn cho xe
ô tô, người ta chỉ trang bị một bộtiêu âm đơn giản kiểu cộng hưởng gồm hai buồng: buồng trung tâm tạo xốy lốc dịng khí thải và xung quanh là buồng cộng hưởng - chủ yếu giảm động năng của dịng khí xốy trong
2.8.4. Ồn do q trình cơng tác
Việc tổ chức quá trình bốc cháy và cháy nhiên liệu trong xy lanh động cơ ảnh hưởng một cách rõ rệt đến các thông số chỉ thị của buồng trung tâm sang buồng
cộng hưởng có ngăn rộng.động cơ, cũng như ảnh hưởng đến mức ồn chung và thành phần phổâm. Để hiểu bản chất sự phát ồn ta hãy xem xét lại những khái niệm về quá trình tự bốc cháy và cháy.
Quá trình tạo thành hỗn hợp và nhiên liệu bốc cháy rất phức tạp; Thậm chí chúng chỉ sai lệch khơng đáng kểcũng dẫn đến tăng chi phí nhiên liệu, áp suất cháy
tăng, áp suất cháy tăng không theo quy luật, động cơ làm việc không êm, gây rung,
dao động và ồn. Sự tạo thành hỗn hợp làm việc bắt đầu từ thời điểm phun nhiên liệu
vào xy lanh động cơ. Quá trình phun diễn biến trong một thời gian rất ngắn, khơng q ba phần nghìn giây. Phần nhiên liệu được phun dưới 0,1 gam có thể tích khơng q 0,1 cm3 .
Để bảo đảm cháy nhanh và hoàn tồn, nhiên liệu cần phải trộn đều với khơng khí. Muốn vậy, nhiên liệu được phun vào buồng đốt với áp suất cao 22MPa và góc phun sớm là 12°.
Buồng đốt của động cơ là buồng cháy thống nhất trên đỉnh piston, có khả năng xốy lốc cao nên cho phép tăng Pa và giảm suất tiêu hao nhiên liệu ge (buồng
đốt thuộc loại thể tích - màng).
Quá trình tự bốc cháy trong xilanh của động cơ điêzen được chia thành 4 giai
đoạn cơ bản và đặc trưng như sau:
Giai đoạn 1
Là giai đoạn cháy trễ được đánh giá bằng khoảng thời gian từ khi bắt đầu phun nhiên liệu cho đến lúc đường cháy tách khỏi đường nén. Giai đoạn này có ảnh
hưởng rất lớn đến tồn bộq trình cháy. Vì đây là giai đoạn chuẩn bị cho quá trình hỗn hợp khí khơng đồng đều cháy được tốt. Cho nên giai đoạn này phản ứng xảy ra với tốc độ không lớn, sựthay đổi áp suất và nhiệt độ của khí trong xy lanh là không
đáng kể.
Giai đoạn 2
Giai đoạn này là giai đoạn phát triển của những trung tâm bốc cháy và lan tràn màng lửa, nó chiếm một khoảng thời gian từ lúc bắt đầu bốc cháy đến thời
điểm đạt áp suất cực đại. Ở giai đoạn này tốc độ toả nhiệt rất lớn, áp suất tăng lên
rất mạnh là do kết quả của việc chuẩn bị phần nhiên liệu phun vào ở giai đoạn cháy trễ càng lớn thì tốc độ tăng áp suất dp/dɸ tăng càng nhanh, và áp suất cực đại tăng
càng cao bởi vì trong thể tích làm việc khi đó được tích luỹ một sốlượng lớn nhiên liệu đã đến thời điểm bốc cháy.
Giai đoạn 3
Là giai đoạn cháy chính, nó được bắt đầu từ lúc áp suất đạt cực đại (Pmax) và kết thúc ở thời điểm quá trình cháy đạt nhiệt độ cực đại.
Trong giai đoạn này việc cung cấp nhiên liệu vào xy lanh cơ bản là chấm dứt. Khí hỗn hợp cơng tác chủ yếu được cháy trong giai đoạn này được tiến hành ở
tốc độ toả nhiệt thấp. Ngoài ra đặc trưng cho giai đoạn này là nhiệt độ khí rất cao, mặc dù vậy áp suất khí trong xy lanh lại giảm mãnh liệt.
Hình 2.6. Đồ thị cơng biểu diễn q trình cháy của động cơ điêzen
I, II, III, IV: Các giai đoạn của q trình cháy
C" ÷ C: Giai đoạn chuẩn bị các trung tâm bốc cháy (I)
C÷Z: Giai đoạn phát triển trung tâm bốc cháy và lan tràn màng lửa (II) Z÷T : Giai đoạn cháy chính của hỗn hợp cơng tác (III)
T÷X : Giai đoạn cháy rớt phần hỗn hợp còn lại (IV)
Giai đoạn 4
từ lúc nhiệt độtrong xy lanh đạt cực đại đến khi kết thúc quá trình cháy. Đặc trưng
của giai đoạn này là sự giảm tốc độ toả nhiệt và giảm tốc độ cháy.
Từ những quan điểm này và quá trình bốc lửa và cháy nhiên liệu ở động cơ
cho phép kết luận:
Sựảnh hưởng cơ bản đến ồn của động cơ ởhai giai đoạn 2 và 3. Việc tách ra thành từng giai đoạn từ toàn bộ quá trinh cháy đã giúp cho việc giải thích bản chất của tiếng ồn có liên quan đến quá trình này.
Tiếng gõ của động cơ điêzen trong q trình cháy có thể là do sựtăng áp suất với tốc độ lớn. Và trong một số trường hợp riêng biệt cịn có sự kích nổở đầu quá trình cháy nhiên liệu khi ở giai đoạn cháy trễ gây nên. Khi kích nổ trong xy lanh của
động cơ sẽ hình thành sóng áp lực tiếp xúc với thành ống lót gây lên rung động mạnh và là nguyên nhân làm xuất hiện âm thanh có tần số cao. Đây là hiện tượng hiểm và khơng bình thường mà ta có thể khắc phục bằng cách chọn góc phun sớm hoặc sử dụng loại nhiên liệu thích hợp hơn với việc tăng giai đoạn cháy trễ như Xokolic đã chỉ ra rằng: Mật độ của các trung tâm tự bốc cháy với giá trị bốc cháy
tăng lên với giá trị tương đối lớn của giai đoạn cháy trễ thì khơng thể loại trừđược sự lan truyền các sóng áp lực mạnh với tốc độ âm thanh lớn hơn.
Do ở giai đoạn 3 của sự cháy tiến triển không đồng đều dẫn đến sựtăng và
giảm áp suất theo thời gian có tính chất chu kỳ cục bộ. Điều đó làm xuất hiện khả năng cộng hưởng của ống lót và đỉnh pitston ở trong vùng có tần số cao, dẫn đến
làm tăng cường độ rung của điêzen. Nói chung giai đoạn này cũng đóng vai trị nhất
định về việc hình thành ồn trong động cơ điêzen phải nghiên cứu chúng.
Như vậy ồn do quá trình cháy được xác định bằng đặc tính của sự tiến triển
ban đầu và hai giai đoạn khác nhau của quá trình bốc cháy và cháy hỗn hợp, ta thấy
giai đoạn này được đặc trưng bởi sự tăng áp suất một cách đột ngột trong xy lanh. Các chi tiết của động cơ điêzen chịu tải trọng động lực theo đặc tính của tải trọng này giống sự va đập. Cường độ của tải trọng động lực được đặc trưng bởi tốc độ tăng áp suất dp/dɸ, thời gian tác động của tốc độ cực đai tăng áp suất và tỷ số Pz/Pc
như thực nghiệm đã chỉ ra khi dp/dɸ thay đổi ít thì tỷ sốPz/Pc ảnh hưởng rất rõ lên
biên độ của các thành phần ồn ở dải tần sốcao và trung bình. Ngồi ra các đặc tính
áp ở trên đường cháy và đường nén gần điểm chuyển tiếp hoặc là ở góc giữa hai
đường tiếp tuyến với đường nén và đường cháy ở điểm này. Khi tăng góc này thì
nội lực động lực được truyền tới các chi tiết của nhóm pitston xy lanh và cơ cấu tay quay thanh truyền chỉ xảy ra khi quá sớm hoặc quá muộn của sự bốc cháy. Thông
thường sự chuyển tiếp đột ngột từđường nén sang đường cháy (trên đồ thị cơng) có
liên quan đến giai đoạn cháy trễ lớn. Nghĩa là do tốc độ tăng, áp suất lớn trong q trình cháy khi có sự chuyển tiếp đột ngột từđường nén sang đường cháy thì xảy ra sự biến dạng cục bộ lớn của các chi tiết riêng biệt của động cơ điêzen mà sau này sẽ
thực hiện những dao động tắt dần và tần số riêng. Thậm chí với giá trịnhư nhau của tốc độ tăng áp suất cực đại thì đặc tính chuyển tiếp của đường nén sang đường cháy
ảnh hưởng một cách rõ rệt đến tải trọng động lực của các chi tiết động cơ điêzen và
tiếng ồn của nó.
Như vậy sự phát ồn có liên quan đến q trình cháy xảy ra ở tần số bất lợi
hơn đối với những dải tần số nghe được. Mức ồn của các dải tần có tần số cao và trung bình tạo lên do quá trình cháy phụ thuộc vào sự biến dạng của các chi tiết khi bốc cháy và khi cháy nhiên liệu cũng như ma sát trong ở trong các chi tiết đó. Tất cả những điều kiện trên đặc trưng cho một trong những nguyên nhân xuất hiện bức xạdao động có liên quan đến q trình bốc cháy và cháy nhiên liệu trong động cơ điêzen. Một trong những nguyên nhân khác là trong những giai đoạn của quá trình cháy tiếp sau khi bốc cháy và tăng áp suất đột ngột thì xuất hiện dao động của khí
trong xy lanh động cơ. Âm thanh đặc biệt - âm cao đặc biệt khi động cơ điêzen làm
việc dữ dội được gây ra bởi các dao động khí động ở trong xy lanh của động cơ ở
trong q trình cháy nhiên liệu.
Tóm lại, góc phun sớm nhiên liệu, trạng thái nhiệt của động cơ, tải trọng và số vịng quay của nó có thể liệt vào những yếu tố sử dụng cơ học có thểảnh hưởng
đến tiếng ồn do cháy.
Xét sựảnh hưởng của các thông số sử dụng tải trọng và tốc độ góc đến tiếng
ồn của động cơ ta thấy ở loại động cơ cao tốc loại nhẹ thì sựtăng dao động lớn nhất vào khoảng từ 3÷5 dB trong tồn bộ chế độ tải trọng. Nếu theo dõi sựthay đổi tần số và bội số của sốlượng bật lửa trong xy lanh thì sựtăng cường độở dải tần sổ này sẽ nhỏ hơn so với mức ồn chung. Nghĩa là dao động có tần số thấp của ống lót và
thân động cơ với tần số f phụ thuộc vào trị số áp suất trong xy lanh Pz. Song như ta đã biết, sựtăng mức ồn thay đổi không lớn bởi cường độdao động của tần số và bội số của số lần bật lửa thì nhỏhơn rất nhiều so với ở trên các tần số khác của phổ.