- Log in to post comments
موتورهای احتراق داخلی محرک اصلی بسیاری از سیستم‌ها می‌باشند. بخشی از انرژی شیمیایی مصرف شده توسط این اجزا مستقیما به انرژی صوتی ناشی از انفجار مخلوط سوخت و هوا تبدیل شده و بخش اندکی از بدنه موتور و غالب آن از سیستم تخلیه به بیرون منتقل می‌شود. بخشی از انرژی شیمیایی نیز به انرژی مکانیکی تبدیل شده و مقداری از این انرژی مکانیکی در المان‌ها و تجهیزات انتقال قدرت نیز به صدا تبدیل می‌شود. اغلب صدای تولید شده به این روش از طریق بدنه موتور به فضای بیرون منتقل می‌شود و سهم اندکی از آن از طریق سیستم تخلیه خارج می‌شود. علاوه بر این خروج دود حاصل از انفجار در مسیر سیستم تخلیه نیز منجر به تولید و انتشار نویز جریان می‌شود که تقریبا همه نویز جریان از طریق سیستم تخلیه به بیرون منتقل می‌شود. بنابراین سهم نویز ناشی از انفجار مخلوط سوخت و هوا در سیلندر و جریان سیال پرسرعت در مسیرهای خروجی، کل نویز خارج شده از سیستم تخلیه را تشکیل می‌دهد. برای رفع صدای خروجی از سیستم تخلیه از تجهیزاتی به نام اگزوز استفاده می‌شود. این المان‌ها در مسیر لوله تخلیه موتور قرار گرفته و منجر به کاهش انرژی صدا یا به عبارت دیگر افزایش افت انتقال صدا می‌شوند. در شکل ۱ نمایی از موتور احتراق داخلی مورد استفاده در اتومبیل و سیستم تخلیه و اگزوز مشاهده می‌شود.
شکل ۱ سیستم تخلیه موتور احتراق داخلی و محل نصب اگزوز برای افزایش افت انتقال صدا
همان‌طور که بیان شد وظیفه اگزوزها کاهش تراز صدای خروجی از سیستم تخلیه موتور احتراقی می‌باشد. این اجزاء، انرژی صدا را بصورت واکنشی و استهلاکی کاهش می‌دهند. عملکرد واکنشی ناشی از بازتابش‌های ایجاد شده در بخش‌های مختلف اگزوز و عملکرد استهلاکی ناشی از افت انرژی صوتی بوسیله مواد جاذب صدا می‌باشد. در شکل ۲ نمونه‌ای از ساختار داخلی اگزوز با عملکرد استهلاکی و واکنشی مشاهده می‌شود. هر کدام از این دو روش نقاط ضعف و قوتی به همراه دارند و در بسیاری از مواقع ترکیب این دو روش می‌تواند بهترین عملکرد را برای اگزوز به همراه داشته باشد. شکل‌ها و هندسه‌های مختلفی رفتار واکنشی یک اگزوز را تعیین می‌کند لذا طراحی بخش‌ها داخلی اگزوز برای رسیدن به بهترین عملکرد باید متناسب با محتوای فرکانسی موتور احتراقی باشد. استفاده از مواد جاذب صدا نیز باید بر همین اساس صورت پذیرد. رسیدن به یک طرح بهینه و کارآمد نیازمند بررسی‌ها تحلیلی، عددی و تجربی روی آکوستیک موتور و اگزوز می‌باشد و برای هر موتور احتراق داخلی منحصر به فرد است. در صنایع و کاربردهای گوناگون معمولا استانداردهایی وجود دارد که نویز منتشر شده از یک سیستم تخلیه را تعیین و حد مجاز آن را اعلام می‌کند. یکی دیگر از قیود طراحی همین حدود مجاز نویز خروجی از اگزوز می‌باشد که پس از ارزیابی سایر قیود آکوستیکی موتور احتراقی باید مورد نظر واقع شود.
شکل ۲ ساختار داخلی اگزوز استهلاکی (جذبی) و واکنشی
تست افت انتقال اگزوز در لوله امپدانسی مطابق شکل ۳ انجام می‌پذیرد. افت انتقال صدای اگزوز از روش تابع انتقال بر طبق استانداردهای ASTM 2611 و ISO10534-2 تعیین می‌شود. داده‌های حوزه زمان توسط میکروفن‌ها قبل و بعد از اگزوز اندازه‌گیری، تحلیل و پردازش می‌شوند. شبیه‌سازی عددی اگزوزها در نرم‌افزار کامسول مطابق شکل ۴ انجام می‌پذیرد و نتایج آن با نتایج تست‌های عملی مقایسه می‌شود. از مدل‌های عددی صحت‌سنجی شده برای توسعه، ارتقا و بهینه‌سازی طرح‌ها استفاده می‌شود.
شکل ۳ تست تجربی افت انتقال اگزوز در لوله امپدانسی آوالب
شکل ۴ شبیه‌سازی عددی آکوستیک اگزوز در نرم‌افزار کامسول
در کنار عملکرد آکوستیکی بسیار مطلوب اگزوزها در کاهش نویز خروجی موتور؛ به دلیل وجود مسیرهای پر پیچ و خم، افت فشار استاتیکی در جریان سیال رخ می‌دهد. هر جز داخلی منجر به مقداری افت فشار در جریان شده و لذا استفاده بدون دلیل و با تاثیر اندک از اجزای کاهنده صدا در ساختار اگزوز منجر به افزایش افت فشار جریان سیال می‌شود. در شکل ۵ تصویری شماتیک از مسیر جریان دود در داخل اگزوز مشخص شده است.
شکل ۵ نمای داخلی اگزوز و مسیر جریان سیال از بخش‌های مختلف آن
افت فشار در سیستم تخلیه یک موتور احتراقی منجر به کاهش راندمان موتور و مقدار بیش از حد آن باعث خفه کردن موتور می‌شود. بنابراین در طراحی اگزوز باید بحث پس‌فشار اگزوز بر روی موتور نیز مورد نظر قرار گیرد. بررسی افت فشار به عنوان یکی دیگر از قیود طراحی، توسط روش‌های دینامیک سیالات محاسباتی و تست‌های تجربی انجام می‌پذیرد. مدل عددی دینامیک سیالات یک نمونه اگزوز در شکل ۶ آمده است.
شکل ۶ مدل CFD اگزوز در نرم‌افزار کامسول
به عنوان جمع‌بندی در تحلیل و طراحی اگزوزها باید به دو جنبه افت انتقال صدا و افت فشار اگزوز توجه شود. تست‌های تجربی و شبیه‌سازی عددی نمونه‌ها همانند سایر حوزه‌های مهندسی لازم می‌باشد که توسط روش‌های بیان شده انجام می‌پذیرد. در نهایت رسیدن به مدلی بهینه شده مطابق با رفتار آکوستیکی موتور در دستور کار قرار دارد.