Poszukiwanie źródła rezonansu – badania wibroakustyczne silników spalinowych w praktyce; cz. 1

Badania wibroakustyczne pozwalają na bieżącą ocenę stanu technicznego silnika spalinowego. Diagnozowanie to może się odbywać podczas jego pracy, co dodatkowo eliminuje koszty związane z jego zatrzymaniem i ponownym uruchomieniem, dlatego też jest tańsze od innych metod i ekonomicznie uzasadnione. Istnieje nawet możliwość badania bezkontaktowego, jak w przypadku badań hałasu czy też laserowego pomiaru drgań.

Pomiary poziomu hałasu akustycznego SPL

Umożliwia nam to wykrycie zawczasu pojawiających się problemów, co pozwala zminimalizować koszty ewentualnych napraw silnika. Potencjalne uszkodzenia, które mogą wystąpić, to: nieprawidłowy montaż układu rozrządu, zużycie silnika spowodowane nadmiernymi obciążeniami mechanicznymi (przekroczenie maksymalnej prędkości obrotowej), bądź nadmiernym obciążeniem cieplnym (górna część tłoka, pierwszy pierścień). Dodatkowo można również wykryć takie nieprawidłowości jak: niewłaściwy kąt wtrysku, zastosowanie nieodpowiedniego paliwa, czy też zlokalizować źródło niepotrzebnego rezonansu. Wiele z tych problemów, pomimo ciągłego doskonalenia oprogramowania CAD/CAE, nie da się do końca przewidzieć podczas etapu konstruowania silnika, dlatego tak ważne jest przeprowadzenie badań na prawdziwym obiekcie, o czym traktuje poniższy artykuł.

Badany metodami wibroakustycznymi obiekt to prototypowy rzędowy czterocylindrowy turbodoładowany silnik spalinowy o zapłonie iskrowym. Rozmieszczenie mikrofonów podczas pomiaru poziomu hałasu SPL (skrót pochodzi od angielskiego Sound Pressure Level) przedstawia rysunek 1. Zainstalowano pięć mikrofonów pomiarowych, od strony kolektora ssącego, od układu wydechowego, od strony przedniej (układ rozrządu), od strony tylnej oraz od góry. Wszystkie zostały umieszczone w odległości 1 m od silnika. Dodatkowo jeden z nich – dolny, z powodu braku miejsca zamontowano w odległości 15 cm od miski olejowej. Drugą przyczyną takiego właśnie ustawienia był duży poziom hałasu dochodzący z tego obszaru (miska olejowa jest wykonana z innego materiału niż reszta silnika). Także tłumiący charakter oleju ma wpływ na poziom hałasu wydobywający się z miski olejowej.

Mikrofony nie muszą być ustawione na stałe, dzięki temu będzie można dokonać pomiaru innych części silnika (np. urządzeń pomocniczych, turbosprężarki, itp.) w zależności od potrzeb. Należy zwrócić uwagę, aby przy każdym pomiarze kąt padania fali akustycznej w stosunku do mikrofonu wynosił 0°.

Innych komplikacji dostarczy pomiar hałaśliwości urządzeń pomocniczych. Z powodu zbyt bliskiego usytuowania chłodnicy względem nich, podczas pomiaru należy wyłączyć jej wentylator, żeby swoją pracą nie zakłócał wyników badań.

Wyniki pomiaru mogą być przedstawione zarówno w formie liczbowej, jak i w postaci wykresów dwu- lub trzywymiarowych. Z tym, że wykres zawierający trzy wielkości można zaprezentować w postaci tzw. diagramu Campbell’a (Rys. 2).

Redukuje on liczbę osi z trzech do dwóch, gdyż trzecią mierzoną wielkość przedstawia w formie kolorów (mapa barwna).

Na osi x znajduje się częstotliwość [Hz], na osi y amplituda [mm], natomiast na osi z dziedzina pomiarowa (czas [s] lub obroty silnika [1/min]). Rysunek 3 przedstawia przykładowy diagram Campbell’a. Widać na nim wyraźnie zaznaczoną częstotliwość podstawową wału korbowego (zaznaczonego cyfrą 1) oraz jej harmoniczne (zaznaczone kolejnymi cyframi od 2 do 10).

Podczas przeprowadzania badań hałasu aerodynamicznego silnika stwierdzono jego zwiększony poziom, przekraczający średnią wartość uzyskiwaną podczas badań innych silników podobnego typu. Dotyczyło to przede wszystkim hałasu dochodzącego z przedniej strony silnika.

Rysunek 4 prezentuje poziom hałasu SPL [dB] przedniej części silnika (front side) w dziedzinie obrotów wału korbowego n [1/min]. Kolorem czerwonym został zaznaczony poziom ogólny. Poziomy hałasu poszczególnych zakresów częstotliwości oznaczono następującymi kolorami (czarny: 100-1000 Hz, zielony: 1001-2000 Hz, niebieski: 2001-3000 Hz, żółty: 3001-4000 Hz, błękitny: 4001-5000 Hz, magenta: 5001-6000 Hz, ciemnobrązowy: 6001-7000 Hz, pomarańczowy: 7001-8000 Hz, różowy: 8001-9000 Hz oraz jasnobrązowy: 9001-10000 Hz).

Na wykresie zauważono znacznie odbiegający od innych zakresów częstotliwości poziom hałasu w zakresie 1001-2000 Hz. Jego wartość jest bardzo zbliżona do poziomu ogólnego, co oznacza, że jest ona jego najbardziej dominującą składową.

Postanowiono dokładniej przyjrzeć się temu problemowi. Domyślano się, że hałas może mieć swoje źródło w jednym z urządzeń pomocniczych silnika. Dlatego też zmierzono poziom hałasu SPL każdego z nich.

Badania przeprowadzono zarówno przy pełnym obciążeniu silnika (podczas trwającego 120 sekund pomiaru zmieniano stopniowo obroty silnika od 1300 obr/min do 5900 obr/min, przy przepustnicy otwartej w 100%), jak i przy braku obciążenia silnika (podobny sposób przeprowadzenia do powyższego, lecz przepustnica była cały czas otwarta na poziomie 12%). Wyniki tej analizy zostały zaprezentowane na rysunku 6.

Wykres ten, prezentujący poziom hałasu SPL urządzeń pomocniczych przy pełnym obciążeniu silnika, pozwala stwierdzić, że największą hałaśliwością odznacza się rolka prowadząca pasek klinowy, znajdująca się przy pompie wody (numer 7 na rysunku 5) – poziom oznaczony kolorem różowym, oraz pompa wody (nr 5) – kolor żółty. Poziom hałasu SPL pozostałych urządzeń został zaznaczony następującymi kolorami: czerwonym – koło pasowe na wale korbowym (nr 1), czarnym – sprężarka układu klimatyzacji (nr 2), zielonym – alternator (nr 3), niebieskim – pompa wspomagania układu kierowniczego (nr 4), błękitnym – napinacz pasa (nr 6) oraz pomarańczowym – rolka prowadząca pasek klinowy, znajdująca się przy alternatorze (nr 8).

Na rysunku 7 – podobnie jak na rysunku 6 – przedstawiono poziom hałasu urządzeń pomocniczych SPL, lecz tym razem w sytuacji braku obciążenia silnika. Użyto tych samych kolorów i oznaczeń. Z porównania tych wartości wynika, że hałaśliwość urządzeń pomocniczych jest ogólnie niższa w przypadku braku obciążenia. Jest to zrozumiałe, gdyż wzrost obciążenia silnika powoduje wzrost poziomu hałasu mechanicznego, który jest częścią jego ogólnego poziomu.

Jak widać, zarówno podczas badania pod pełnym obciążeniem, jak i przy braku obciążenia silnika, największym poziomem hałasu charakteryzowała się rolka prowadząca pasek klinowy (przy pompie wody) oraz pompa wody. Żeby znaleźć powiązanie pomiędzy ogólnymi poziomami hałasu SPL zakresów częstotliwości, a poziomami hałasu urządzeń pomocniczych, przedstawiono wyniki badań w formie wspomnianego diagramu Campbell’a.

Rysunek 8 ukazuje poziom hałasu SPL poszczególnych częstotliwości f (oś x) dla kolejnych wartości obrotów silnika n (oś y). Po kolei zaprezentowane są diagramy poziomu hałasu koła pasowego na wale korbowym, sprężarki układu klimatyzacji, alternatora oraz pompy wspomagania układu kierowniczego. Na każdym z nich można wyraźnie zauważyć częstotliwość rezonansową 1250 Hz. Stwierdza się to na podstawie tego, że praktycznie dla każdej wartości obrotów n dla danej częstotliwości f występuje zwiększona wartość poziomu hałasu SPL. Uwidocznia to wąski „stożek” rozszerzający się pod nieznacznym kątem wraz ze wzrostem obrotów.

Rysunek 9 jest analogiczny do ósmego. Zawiera diagramy Campbell’a poziomu hałasu SPL pompy wody, napinacza pasa oraz rolek prowadzących pasek klinowy – przy pompie wody i przy alternatorze. Na każdym z diagramów widać wyraźnie częstotliwość rezonansową o wartości 1250 Hz. Może być ona przyczyną zwiększonego poziomu hałasu, gdyż znajduje się w dominującym zakresie częstotliwości 1001 – 2000 Hz.

Powstanie rezonansu mógł spowodować pasek klinowy, dlatego przeprowadzono również badania bez jego obecności, w celu wyeliminowania jego wpływu na wyniki pomiarów. Tym razem zakres obrotów zmieniany był tylko w zakresie od 1300 obr/min do 4500 obr/min, gdyż silnik, pozbawiony chłodzenia przez pompę wody (napędzana jest za pomocą paska klinowego), mógł ulec uszkodzeniu.

Rysunek 10 pokazuje poziomy hałasu SPL koła pasowego na wale korbowym – sprężarki układu klimatyzacji, alternatora oraz pompy wspomagania układu kierowniczego. Kolorem czerwonym zaznaczono pomiar przy zamocowanym pasku klinowym, a kolorem czarnym pomiar przy zdjętym pasku klinowym. Spośród tych czterech urządzeń najbardziej hałaśliwym jest alternator, pozostałe są wyraźnie cichsze.

Na rysunku 11, podobnie jak na poprzednim, przedstawione są wykresy poziomu hałasu SPL urządzeń pomocniczych. Obejmują one pomiar hałaśliwości pompy wody, napinacza pasa oraz rolek prowadzących pasek klinowy. Najbardziej hałaśliwe okazały się: pompa wody oraz znajdująca się przy niej rolka prowadząca pasek klinowy. Wyniki badań dowodzą, że po zdjęciu paska poziom hałasu SPL zmniejszył się znacznie, co bardzo dobrze ukazują wszystkie wykresy. Różnice w poziomach hałasu przekraczają nawet 5 dB. Jednak podczas badania pompy wody i znajdującej się przy niej rolki prowadzącej pasek klinowy nie stwierdzono aż tak dużego wpływu braku paska klinowego (różnice około 1 – 2 dB). Oznacza to, że w tym przypadku pasek nie wpływa na ogólny poziom hałasu SPL w ich rejonie.

Oprócz badań akustycznych zostały również przeprowadzone badania drganiowe, gdyż założono istnienie podobieństwa podczas analizy diagramów Campbell’a poziomu hałasu akustycznego SPL i poziomu prędkości drgań L_V. Rezonans o częstotliwości 1250 Hz powinien być wówczas widoczny także na diagramach poziomu prędkości drgań L_V. O wynikach tych i następnych prób, oraz o wprowadzonych na ich podstawie modyfikacjach konstrukcji silnika napiszemy w następnej części artykułu.

Piotr Cabaj

artykuł pochodzi z wydania 5 (116) maj 2017