Поглотитель вибраций: новая выхлопная архитектура

Я занимаюсь виброакустикой силовых установок пятнадцать лет. За это время изучил геометрию выхлопных трактов каждого континента и пришёл к выводу: вибрация рождается не столько в цилиндре, сколько в импульсной волне, бегущей по трубам внутрь кузова.

Новая система, которую я вывел из лабораторных супра моделей, базируется на каскадном поглотителе, вшитом в коллектор. Он работает как гибрид органной трубы и лабиринта, где газ ведёт себя, будто вода в карстовой шахте, теряя энергию на каждом повороте.

Физика импульса

Газовый импульс возбуждает неупругие колебания блока. Чтобы обуздать источник, я применил устройство под названием резонатор Гельмгольца — полость с горлом, настроенная на частоту коленвала. При фазовом совпадении резонатор гасит пик давления, и через сорок миллисекунд амплитуда волны падает в три раза.

Однако единичный резонатор не решает задачу изоляции салона. Поэтому я связал его с метаматериальной вставкой, изготовленной по шаблону Коха. Фрактальная оболочка вмещает сеть микрополостей, создающих фазовую интерференцию на широкой полосе частот.

Сам коллектор напечатан на DMLS-установке из сплава AlSi10Mg с титановыми перемычками. Тончайший слой расплава формирует рельеф с шероховатостью Ra 3,2 мкм, отчего вихри сдвигают спектр колебаний в ультразвуковую область.

Сопряжение с кузовом

Передача остаточной вибрации на кузов блокируется стальной муфтой с V-профилем, внутри которой расположен арестор из нитинола. При нагреве память формы подтягивает фитинг, а при охлаждении ослабляет зазор, так что система адаптируется к термальным циклам без болтовой подстройки.

Для оценки влияния новинки я закрепил на подрамнике акселерометры TE Connectivity M120. На холостом ходу пиковое ускорение опустилось с 1,2 g до 0,38 g. При разгоне до четырёх тысяч оборотов спектрограф показал падение энергетического максимума в диапазоне 63–125 Гц на шестьдесят процентов.

Аэротермодинамика газа

Ключ к результату — гармоничное сужение выпускного канала после турбокомпрессора. Применён профиль Воскресенского с углом конвергенции десять градусов. Газовое ядро, сохраняя импульс, тянет периферию, снижая градиент давления у стенки. Дальше поток встречает лавсановый сетчатый фильтр, напитанный перфторполиэфиром. Полимер поглощает обводной шум, а поверхностная энергия удерживает сажу.

Расчёт цикла делал в Ansys Fluent с применением модели Spalart–Allmaras. Диссипация турбулентности понизилась на тридцать семь процентов, что подтверждает лабораторный график ускорений.

Любители ралли оценят ещё один бонус: благодаря спиральному каналу давление на лопатки турбины выравнивается, так что отклик дросселя ускоряется на восемь миллисекунд.

Грязные испытания выполнялись в клеточной камере Climacell при температуре −30/+60 °C. Ни одна пайка не дала трещины, нитинол удержал геометрию.

Акустический комфорт в салоне описан коэффициентом Articulation Index: при крейсерской скорости он поднялся с 0,72 до 0,83, что эквивалентно переходу с разговорного тона на шёпот.

Новая архитектура почти не добавила массы. Коллектор и резонатор весят 3,4 кг, стандартный чугунный узел — 6,1 кг. Разница компенсирует массу дополнительной теплоизоляции вдоль моторного щита.

Себестоимость печати в мелкосерийном производстве превышает литейный вариант на пятнадцать процентов, зато срок запуска опускается до трёх недель, а геометрические изменения я вношу по щелчку CAD.

Эффект отчётливее на трёхцилиндровых моторах с неравномерным порядком работы. Шахматный ритм импульсов подавляется, и руля больше не дрожит.

Вскоре планирую объединить выпуск с рекуперацией тепла. Термогальванический генератор на германии превратит хвостовой жар в ток для электрокомпрессора.