Badania wpływu wybranych modyfikacji układu wydechowego motocykla na charakterystykę mocy i poziom hałasu

Transkrypt

1 OLESIŃSKI Sławomir 1 ZAJĄC Grzegorz 2 Badania wpływu wybranych modyfikacji układu wydechowego motocykla na charakterystykę mocy i poziom hałasu WSTĘP Wielu użytkowników pojazdów jednośladowych decyduje się na modyfikacje układu wylotowego spalin w wielorakich celach. Niestety, większość tego typu modyfikacji nie posiada odpowiednich atestów czy homologacji i nie powinno być dopuszczonych do użytkowania na drogach publicznych [7]. Wraz ze wzrostem liczby pojazdów jednośladowych w ostatnich latach, wzrasta ich wpływ nie tylko na środowisko czy społeczeństwo, ale również na samych użytkowników tych pojazdów[4]. Te czynniki wraz z danymi o zagrożeniu hałasem komunikacyjnym wszystkich grup społecznych oraz rozkładem hałasu drogowego doprowadziły do głębszej analizy tego zagadnienia i dalszych badań [3]. Niniejszy artykuł przedstawia badania wpływu wybranych modyfikacji układu wydechowego motocykla na charakterystykę mocy i poziom hałasu. 1. METODYKA BADAŃ W celu realizacji założeń homologacyjnych, wykonane zostały badania stacjonarne. Aby zasymulować ruch pojazdu oraz wytwarzany hałas w trakcie badań wykorzystana została inercyjna hamownia motocyklowa. Dzięki takiemu rozwiązaniu można było jednocześnie porównać poziomy hałasu w trakcie rozpędzania wraz z jednoczesną rejestracją wpływu wydechu na charakterystykę zewnętrzną pracy silnika, a więc moc maksymalną i moment obrotowy. W tym konkretnym przypadku zastosowano hamownię podwoziową inercyjną marki Grundmaster 6000 [5]. Podczas badań wykorzystano czterokanałowy miernik poziomu wibracji i dźwięku pierwszej klasy - SVAN 948, który jest zgodny z normą ISO2631-1&2[6]. Rozmieszczenie aparatury pomiarowej było zgodne z dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady 97/24/WE z roku 1997, co pozwoliło na odniesie wykonanych badań do rzeczywistych warunków [1]. Jedynym odstępstwem, które miało wpływ na wyniki badań był fakt, iż badania odbywały się w zamkniętym pomieszczeniu. Mikrofon był umieszczony w normowanej odległości 50 cm od wydechu, ale ponieważ betonowe ściany pomieszczenia znajdowały się w odległości mniejszej niż przewidziane przez normę 3 metry, co powodowało to efekt odbijania się fal akustycznych od ścian, co mogło skutkować zakłóceniami pomiarów. Obiektem badań był pojazd jednośladowy marki Honda Shadow VT1100 C3 Aero. Na obiekcie badań montowane były 3 typy układów wydechowych różniących się konstrukcją oraz homologacjami. Były to układy wydechowe instalowane seryjnie w europejskich i amerykańskich wersjach pojazdu oraz jeden zmodyfikowany układ wydechowy nie posiadający homologacji [2]. Różnice konstrukcyjne pomiędzy układami wydechowymi europejskim i zmodyfikowanym zaprezentowano na rysunku 1. 1 Sławomir Olesiński: skipolo@gmail.com 2 Grzegorz Zając: Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki w Krakowie, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Szynowych; Kraków; al. Jana Pawła II 37. Tel: , Fax:

2 Rys. 1. Układ wydechowy z europejskiej wersji motocykla (u góry) oraz zmodyfikowany układ wydechowy (poniżej) 2. ANALIZA WYNIKÓW Podczas analiza wyników wykorzystano normy hałasu zawarte w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 31 grudnia 2002 w sprawie warunków technicznych pojazdów oraz zakresu ich niezbędnego wyposażenia. Aby uzyskać widma hałasu w całym zakresie prędkości obrotowych, które są wykorzystywane w trakcie poruszania się pojazdem po drogach publicznych badania przeprowadzono przy różnych prędkościach obrotowych, a nie przy ustalonej prędkości obrotowej, jak w przypadku badań homologacyjnych. Taka metodyka badań pozwoliła na skorelowanie uzyskanych wyników z rzeczywistymi warunkami użytkowania pojazdu. Przy tak przyjętych warunkach badań, po sprawdzeniu histogramów analizy tercjowej poziomu hałasu dla każdego z układów wydechowych ustalono, że dalsza analiza tercjowa będzie dotyczyła zakresu częstotliwości od 16 Hz do 250 Hz, gdyż w nim występowały największe przekroczenia norm. Kolejnym etapem badań był pomiar hałasu nie obciążonego silnika przy zadanej prędkości obrotowej silnika. Pomiary odbywały się przy obrotach biegu jałowego, 2000 obr/min, 3000 obr/min, 4000 obr/min oraz 5000 obr/min. Otrzymane wyniki pozwalały na stwierdzenie, że tłumik zmodyfikowany nie powinien być dopuszczony do użytkowania na naszych drogach oraz że odróżnia się on istotnie od homologowanych odpowiedników. W przypadku tłumika europejskiego oraz amerykańskiego stwierdzono spełenie obowiązujących norm dla danego kraju oraz zbliżone wartości cech badanych przy prędkościach obrotowych obr/min, co może świadczyć o celowym zabiegu konstruktorów w celu obniżenia emisji hałasu przy najczęściej rozwijanych prędkościach obrotowych. W celu jak najbliższego odzwierciedlenia warunków rzeczywistych, w pracy poświecono wiele uwagi pomiarowi hałasu przy rozpędzaniu i wybiegu. Proces rozpędzania pojazdu jest z podstawowych elementów ruchu pojazdu w zmiennych warunkach drogowych. Podczas tego procesu pojazd emituje większy poziom hałasu, niż w przypadku jazdy ze stałą prędkością. Symulacja rzeczywistych warunków ruchu na hamowni podwoziowej polegała na próbie rozpędzania na 4 biegu, aż do momentu odcięcia paliwa przy pełnym otwarciu przepustnicy, a następnie wybiegu z jednoczesnym odłączeniem sprzęgła. Wyniki zaprezentowano na poniższym wykresie rysunek 2. Moment odcięcia dopływu paliwa dzieli wykres przedstawiony na tym rysunku na dwie części: I rozpędzanie na hamowni, symulacja procesu rozpędzania w rzeczywistych warunkach, II wybieg z jednoczesnym odłączeniem sprzęgła, łagodne zejście z obrotów, symulacja procesu dojeżdżania do skrzyżowania. 5107

3 Poziom hałasu [db] Poziom hałasu [db] Wartość skuteczna ciśnienia akustycznego RMS 130 I II max = db 120 max =116.8 db 110 max = db Czas [s] Wydech Europejski Wydech Amerykański Wydech Zmodyfikowany Rys. 2. Wykres funkcji wartości skutecznej ciśnienia akustycznego RMS w trakcie rozpędzania Zauważalnie duże różnice pomiędzy tłumikami pojawiają się w pierwszej części wykresu, skąd można wyciągnąć wniosek, że jest on kluczowy dla poziomu emitowanego hałasu. Po odłączeniu sprzęgła, na wybiegu, różnice są pomijalnie małe, a rejestrowany hałas wynikał głównie ze współpracy koła ze bębnem hamowni. Maksymalna różnica wynosi 11,8 db zmierzona zaraz przed odcięciem paliwa, co nasuwa wniosek, że wartość poziomu hałasu rośnie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej. Na potwierdzenie tej tezy, zaprezentowano wykresu poziomu hałasu w funkcji prędkości obrotowej silnika rysunek 3. Wartość skuteczna ciśnienia akustycznego RMS 125 I 120 II Prędkość obrotowa obr/min Wydech Europejski Wydech Amerykański Wydech Zmodyfikowany Rys. 3. Wykres funkcji wartości skutecznej ciśnienia akustycznego RMS podczas próby rozpędzania i wybiegu Analiza wykresu potwierdza tezę, że emitowany hałas jest zależny ob prędkości obrotowej silnika. Zmodyfikowany tłumik był najgłośniejszym z badanych. Maksymalny poziom hałasu otrzymany 5108

4 został przy prędkości obrotowej w przedziale od 4000 obr/min aż do odcięcia. Największe różnice w poziomach hałasu zaobserwowano na początku procesu rozpędzania, przy pełnym otwarciu przepustnicy ok. 20 db. Warto tutaj zaznaczyć bardzo dobre wytłumienie tłumika z wersji europejskiej, który nawet przy wysokich obrotach w trakcie rozpędzania emituje prawie tyle samo hałasu, co bęben hamowni. W celu zaprezentowania uzyskanych wartości minimalnych i maksymalnych poziomu hałasu w trakcie procesu rozpędzania załączono poniższą tabelę 1. Tab. 1. Wartości minimalne i maksymalne poziomu hałasu w trakcie rozpędzania Wartość Rodzaj układu wydechowego Europejski Amerykański Zmodyfikowany Maksymalna 110,7 db 116,8 db 122,5 db Minimalna 96,8 db 102,1 db 109,8 db Stwierdzono, że optymalne wykorzystanie dynamiki badanego motocykla w procesie rozpędzania spowoduje zmniejszenie emisji hałasu do środowiska. Odpowiada to utrzymaniu w trakcie rozpędzania prędkości obrotowej w przedziale obr/min (min. 80% maksymalnego momentu obrotowego). Takie wykorzystanie krzywej momentu obrotowego powoduje ograniczenie energochłonności ruchu oraz negatywnego wpływu na środowisko. Wpływ układu wydechowego na charakterystykę zewnętrzną silnika motocykla był kolejnym aspektem rozpatrywanym w pracy. Tabela 2 poniżej przedstawia wartości uzyskane w badaniach. Tab. 2. Wartości maksymalne mocy maksymalnej i momentu obrotowego dla układów wydechowych Charakterystyka Mocy Rodzaj układu wydechowego Europejski Amerykański Zmodyfikowany Moc maksymalna 42,76 KM 43,30 KM 47,06 KM Moment obrotowy 78,50 Nm 80,37 Nm 84,27 Nm Różnice wartości pomiędzy pomiędzy homologowanymi wersjami układu wylotowego spalin są pomijalnie małe i podczas jazdy w normalnym ruchu drogowym są nie odczuwalne. Przy porównaniu europejskiego układu ze zmodyfikowanym zaobserwowano przyrost mocy maksymalnej o 10% oraz momentu obrotowego o 7%. Wzrost wydajności jednostki napędowej był spowodowanym swobodnym rozprężeniem gazów wydechowych oraz niezaburzonym przepływem spalin. Podczas zmian tłumików nie było żadnej ingerencji w układ zasilania czy skład mieszanki, więc mieszanka paliwowo-powietrzna dostarczana do komory spalania nie była optymalna. Można wysunąć więc wniosek, że przy prawidłowej kalibracji układu zasilania uzyskane różnice byłyby jeszcze większe. WNIOSKI Montowanie niehomologowanych, przerabianych układów wydalania spalin przez entuzjastów jazdy na motocyklach ma szeroki wpływ na społeczeństwo oraz ich samych. Charakterystyka akustyczna zmodyfikowanego układu wydechowego nie spełnia żadnych obowiązujących norm. Uzyskana wartość maksymalna hałasu wyniosła 122,5 db, a ekspozycja na tym poziomie nie jest zalecana ze względu na ryzyko utraty słuchu, bądź jego trwałych uszkodzeń. 5109

5 Charakterystka akustyczna fabrycznie montowanych układów wydechowych odpowiada obowiązującym normom europejskim i polskim w zakresie emisji hałasu przez pojazdy jednośladowe. Rozbieżności w uzyskanych wartościach maksymalnego poziomu hałasu w trakcie próby wybiegu dla amerykańskiego układu wydechowego (116,8 db) oraz europejskiego (110,7 db) wynikają z odmienności konstrukcji mającej na celu otrzymanie wyników zgodnych z obowiązującymi odmiennymi normami w tym zakresie. Najkorzystniejszą charakterystykę momentu obrotowego i mocy maksymalnej uzyskano dla zmodyfikowanego układu wydechowego. Różnice w częściowej charakterystyce zewnętrznej wydechów europejskiego i amerykańskiego są pomijalnie małe. Streszczenie W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań różnych układów wydechowych spalin zamontowanych na pojeździe jednośladowym. Przeprowadzone badania miały na celu określenie wpływu układu wydechowego na charakterystykę zewnętrzną silnika oraz określenie jaki jest wpływ modyfikacji układu wydechowego spalin na poziom emisji hałasu. Pomimo przeprowadzenia badań stacjonarnych uzyskane wyniki można odnieść do warunków rzeczywistych, gdyż oprócz prób homologacyjnych, zgodnych z obowiązującymi normami zostały przeprowadzone próby rozpędzania i wybiegu symulujące proces ruszania i zwalniania pojazdu w warunkach rzeczywistych. Parametry akustyczne fabrycznie montowanych układów wydechowych odpowiadają obowiązującym normom europejskim i polskim w zakresie emisji hałasu przez pojazdy jednośladowe. Emisja hałasu ze zmodyfikowanego układu przekracza obowiązujące normy, naraża na niebezpieczeństwo uszkodzenia bądź utraty słuchu kierującego pojazdem. Słowa kluczowe: Układ wydechowy, modyfikacje, poziom hałasu, charakterystyka zewnętrzna silnika, moc maksymalna, moment obrotowy, motocykle Influence of gas exhaust system modification on noise level and engine performance Abstract The article presents the results of various gas exhaust systems mounted on one-track vehicle research. The point of conducted investigation was to define the influence of exhaust gas system modification on engine performance and emitted noise level. Running stationary tests allowed relating results with homologate runs accordingly to current law regulation. Thanks to coast-down tests achieved results can be related to actual situation of driving away. Acoustic parameters of manufacturer s gas exhaust systems are fulfilling actual Polish and European regulations. Noise emission generated from modified exhaust system is exceeding existing regulation and puts in risk of damage or loose hearing the driver. Keywords: Gas exhausts system, modification, noise emission, full load curve, torque, maximum power, motorbikes BIBLIOGRAFIA 1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady WE z dnia 17 czerwca 1997 r. W sprawie niektórych części i właściwości dwu- lub trzykołowych pojazdów silnikowych 2. Opracowanie własne oparte na danych fabrycznych 3. Raport Głównego Inspektoratu Ochrony Środowiska, Stan klimatu akustycznego w kraju w świetle badań Wojewódzkich Inspektoratów Ochrony Środowiska w latach Raport Poliskiego Zwiążku Przemysłu Motoryzacyjnego, Park pojazdów zarejestrowanych w Polsce , sierpień Strona internetowa 6. SVAN 948 Czterokanałowy analizator drgań i dźwięku, Materiały reklamowe, SVANTEK sp. z o.o. 7. Ulf Sandberg, Noise Emission from Powered Two-Wheeled Vehicles, Swedish National Road ant Transport Research Institute,