МНОГОКАМЕРНЫЙ ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к машиностроению, в частности двигателестроению, а именно, к многокамерным глушителям шума выхлопа двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС).
Известны глушители шума выхлопа для ДВС, конструкции которых описаны в патентах РФ №№641140, 1245726, 1043329, 1019082, 1010306. Указанные конструкции глушителей шума выхлопа для ДВС содержат цилиндрический корпус с торцевыми стенками, впускную и выпускную камеры, впускной и выпускной патрубки, срезы которых размещены соответственно внутри полостей впускной и выпускной камер. Такие глушители относительно просты в изготовлении, но недостаточно эффективны по шумозаглушению для выполнения современных требований более жестких стандартов на внешний и внутренний шум транспортных средств.
Известен глушитель шума выхлопа для ДВС с более высокой эффективностью заглушения шума выхлопа, авторское СССР №1420193, МКИ7 F 01 N 1/00, БИ №32/88, (см. также Волгин С.Н. и др. Цветной иллюстрированный альбом. Автомобили ВАЗ-2110, ВАЗ-2111, ВАЗ-2112 и их модификации. Москва, «Третий Рим»), принятый в качестве прототипа, который в настоящее время
применяется на ряде моделей автомобилей ОАО «АВТОБАЗ» и СП «GM-AVTOVAZ». Глушитель шума выхлопа для ДВС содержит цилиндрический корпус с торцевыми стенками, три камеры, - впускную, выпускную и промежуточную, разделенные перегородками, соосные впускной и выпускной патрубки, срезы которых размещены соответственно внутри впускной и выпускной камер и два промежуточных патрубка, расположенных аксиально по обе стороны от оси корпуса, по которым через открытые прямые и боковые срезы патрубков проходит выхлопной газ из впускной камеры, через промежуточную, в выпускную камеру и резонатор, установленный на выпускном патрубке. Для ослабления передачи шума из промежуточного патрубка в выпускную камеру на выпускном прямом срезе этого патрубка установлена торцевая заглушка, препятствующая передаче звука вместе с прямым потоком газов, а выход газов и звука происходит через перфорации в боковой поверхности патрубка. Перегородка в промежуточной камере (задняя по ходу глушителя) содержит крупные отверстия и не выполняет функции разделяющего элемента камеры, и по сути - является технологическим крепежным элементом для фиксации заданных пространственных положений патрубков и кожуха резонатора. Известная конструкция глушителя позволяет использовать его в настоящее время, в частности, на легковых автомобилях, так как он обладает вполне высокой шумозаглушающей эффективностью, как на средних частотах (за счет использования трех расширительных камер), так и на высоких частотах - в том числе и за счет наличия концентричного резонатора, смонтированного на выпускном патрубке, что позволяет удовлетворять требованиям действующих национальных и международных стандартов, лимитирующих внешний и внутренний шум транспортных средств. Недостатком этой конструкции глушителя является уменьшение эфективности шумоглушения на резонансных частотах промежуточного патрубка соединяющего промежуточную и выпускую камеры глушителя, что обуславливает передачу и излучение интенсивного звука, на этих частотах, из глушителя в окружающую среду и не удовлетворяет более жестким перспективным требованием действующих национальных и международных стандартов, лимитирующих внешний и внутренний шум транспортных средств.
Решение технической задачи предполагает повышение шумозаглушающей эффективности глушителя за счет увеличения эффективности рассеивания акустической энергии, на резонансной частоте промежуточного патрубка
соединяющего промежуточную и выпускную камеры глушителя. Для увеличения рассеивания энергии именно на этой частоте, расположение отверстий перфораций на промежуточном патрубке выбирается таким образом, чтобы на его выходной части формировался четвертьволновый резонатор настроенный на подавление резонансной частоты колебаний газа в проточной части патрубка. При этом учитываются реальные параметры течения газа, такие как вытекание газа преимущественно через последние ряды отверстий перфорации, вихревые потери и т.п.
Решение технической задачи заключается в том, что предлагается устройство многокамерного глушителя шума выхлопа ДВС, содержащее цилиндрический корпус с торцевыми стенками, в котором образованы впускная, промежуточная и выпускная камеры, разделенные перегородками, а также соединяющие полости этих камер впускной, выпускной и промежуточные патрубки, по крайней мере, один из которых заглушен на выходном участке, а его стенки на этом участке частично перфорированы, и отличающаяся тем, что суммарная площадь отверстий перфораций промежуточного патрубка составляет (1.1...1.6) от площади проходного поперечного сечения промежуточного патрубка, а перфорированный участок промежуточного патрубка размещен таким образом, что
тупик
0.9
патр
патр
L+L=(0.25...0.4) (L+0.3 d),
где:
патр
L - длина промежуточного патрубка от его свободного открытого входного среза до заглушки;
патр
d - диаметр проходного поперечного сечения промежуточного патрубка;
тупик
L - длина тупиковой части промежуточного патрубка, отсчитываемая между заглушкой и последним рядом отверстий перфорации;
0.9
L - длина перфорированного участка промежуточного патрубка, имеющего площадь боковых отверстий перфорации равную 0.9 от площади проходного поперечного сечения промежуточного патрубка.
Благодаря этой особенности устройства глушителя, как показали исследования опытных образцов, достигнута высокая эффективности его работы (высокое шумозаглушение) преимущественно в диапазоне оборотов
максимального крутящего момента на коленчатом вале ДВС.
Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".
Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость". При этом полезная модель может быть осуществлена в условиях промышленного производства с использованием стандартного оборудования, современных материалов и технологии.
Другие особенности и преимущества заявляемой полезной модели станут понятны из следующего детального описания, приведенного исключительно в форме не ограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие предпочтительный вариант реализации, на которых;
Описание полезной модели поясняется на чертежах и графиках, где:
- на фиг.1, 2 представлена схема конструктивного исполнения заявляемого глушителя.
- на фиг.3а и 3б схематично показаны пути прохождения стационарного и колебательного потоков отработавших газов, из промежуточного патрубка 12 в выпускную камеру 7 глушителя при возбуждении резонансных колебаний газа в промежуточном патрубке 12.
Условные обозначения физических параметров характеризующих работу глушителя приведены ниже:
3
светлые стрелки  - стационарный поток выхлопных газов (м/с);
3
темные стрелки  - колебательный объемный расход выхлопных газов (м/с);
в
q - колебательный объемный расход выхлопных газов в % волновой резонатор через сечение В промежуточного патрубка 12;
В - сечение входа выхлопных газов в  волновой резонатор 25 промежуточного патрубка 12 (за последним рядом отверстий перфораций 20);
A
q - колебательный объемный расход выхлопных газов в сечении А промежуточного патрубка 12 (отделяющего неперфорированную и перфорированную части патрубка 12);
20
q - колебательный объемный расход выхлопных газов через отверстия перфорации 20 из полости промежуточного патрубка 12 в полость выпускной камеры 7 (равен объемному расходу выхлопных газов через промежуточный патрубок 12);
19
q - колебательный объемный расход выхлопных газов на входе (открытом срезе) промежуточного патрубка 12;
020
V - эпюра распределения стационарных скоростей выхлопных газов истекающих через отверстия перфорации 20 промежуточного патрубка 12 в полость выпускной камеры 7 (изображена светлыми стрелками);
20
М - эпюра распределения колебательных скоростей выхлопных газов истекающих через отверстия перфорации 20 промежуточного патрубка 12 в полость выпускной камеры 7 (изображена темными стрелками);
19
Р - колебательное давление выхлопных газов в полости промежуточной камеры 8 у свободного открытого среза 19 промежуточного патрубка 12;
А - сечение входа выхлопных газов в перфорированный участок промежуточного патрубка 12;
019
V - стационарная скорость выхлопных газов в полости промежуточной камеры 8 у свободного открытого среза 19 промежуточного патрубка 12.
Конструкция многокамерного глушителя шума выхлопа ДВС, представленная на фиг.1 и фиг.2, содержит цилиндрический корпус 1 с торцевыми стенками 2 и 3, в котором посредством двух поперечных перегородок 4 и 5 образованы три камеры: впускная камера 6, выпускная камера 7 и промежуточная камера 8, соосно расположенные впускной патрубок 9 и выпускной патрубок 10 и аксиально размещенные по обе стороны от оси корпуса промежуточные патрубки 11 и 12. Впускной патрубок 9 сообщается с впускной камерой 6 через отверстия перфорации 13, на патрубке 9. Со стороны прямого среза находящегося в камере 7 в патрубке 9 установлена торцевая заглушка 14. Выпускной патрубок 10 сообщается с выпускной камерой 7 через открытый прямой срез 15. Промежуточный патрубок 11 сообщается с камерой 6 одновременно через прямой срез 16 и через отверстия перфорации 17, а с камерой 8 - через прямой срез 18.
Промежуточный патрубок 12 сообщается с промежуточной камерой 8 через открытый свободный срез 19, а с выпускной камерой 7 - через отверстия перфорации 20 на патрубке 12. С другой стороны прямого среза промежуточного патрубка 12 установлена торцевая заглушка 21.
На участке выпускного патрубка 10 в полости промежуточной камеры 8 образован концентричный резонатор 22, посредством перфорирования щелевыми отверстиями 23 участка патрубка 10, закрытого (охваченного) сплошным цилиндрическим кожухом 24.
Работает глушитель обычным образом.
Выхлопные газы, совместно с шумовой энергией газового потока, при реализации рабочего процесса ДВС, подводятся к глушителю по трубопроводной магистрали системы выпуска, распространяются по впускному патрубку 9 глушителя и через отверстия перфорации 13 поступают в полость впускной камеры 6 глушителя. В зонах отверстий перфораций 13 в полости камеры 6 вследствие резкого расширения акустического волновода и обусловленного этим скачкообразного изменения волнового сопротивления, определяемого соотношением суммарной площади проходных сечений отверстий перфорации 13 впускного патрубка 9 к площади проходного сечения камеры 6, звуковые волны частично отражаются обратно к источнику излучения (выпускному клапану - на чертежах не показан). Данному процессу способствует также торцевая заглушка 14, перекрывающая прямую передачу неослабленного в глушителе звука из впускного патрубка 9 в выпускной патрубок 10. Неотраженная часть энергии звуковых волн передается и транспортируется по направлению к прямому срезу 16 и отверстиям перфорациям 17 промежуточного патрубка 11. Передача звуковой энергии осуществляется через прямой открытый срез 16 патрубока 11. Перфорированный участок, охваченный герметичным кожухом, выполняет положительную шумодемпфирующую функцию по подавлению собственных резонансных колебаний газа в патрубке 11, как участка волновода (трубы) определенной длины с открытыми с двух сторон концевыми участками 16 и 18. Вследствие скачкообразного изменения волнового сопротивления, определяемого соотношением проходных сечений камеры 6 и промежуточного патрубка 11, аналогичным образом звуковые волны частично отражаются в сторону источника излучения (к выпускному клапану) и частично передаются из полости камеры 6
019
19
19
020
20
через прямой срез 18 промежуточного патрубка 11 в промежуточную камеру 8, где вследствие резкого расширения акустического волновода на свободном срезе 18 в полости камеры теряют часть звуковой энергии и, далее, передаются к свободному открытому срезу 19 промежуточного патрубка 12 и характеризуются физическими параметрами V, q и Р и, вследствие резкого сужения акустического волновода, частично отражаются, в том числе дополнительно и от торцевой заглушки 21 патрубка 12, обратно в сторону источника излучения (к выпускному клапану), а частично передаются из полости камеры 8 через отверстия перфорации 20 промежуточного патрубка 12, в полость выпускной камеры 7 характеризуются физическими параметрами V, и q, где вследствие процесса резкого расширения на пути распространения по акустическому волноводу в полости камеры теряют часть звуковой энергии и, далее, частично передаются к свободному срезу 15 выпускного патрубка 10 и, вследствие резкого сужения проходного сечения патрубка 10, как передающего элемента акустического волновода, частично отражаются в сторону источника излучения (к выпускному клапану) и частично проходят по выпускному патрубку 10, попадают в полость резонаторной камеры 22, образованной перфорированными отверстиями 23 участка патрубка 10, охваченного сплошным цилиндрическим кожухом 24, теряют в резонаторной камере 24 энергию заданного частотного диапазона в процессе фрикционных резонансных (с большими амплитудами) колебаний газа и далее по выпускному патрубку 10 и выхлопной трубе (не показана) выделяются в атмосферу.
Однако, эффективность работы известной конструкции глушителя (прототипа) значительно уменьшается, с возникновением частотных полос пропускания незаглушенной звуковой энергии при возбуждении в промежуточном патрубке 12 резонансных колебаний газа на частотах с длинами звуковых волн приближенно соответствующих удвоенному расстоянию от динамического (эффективного акустического) среза патрубка 12, находящегося вблизи его свободного открытого среза 19 до эффективного акустического среза, находящегося слева от первого ряда перфораций 20 (в сечении А на фиг.3а).
20
020
На фигуре 3а и 3б показаны распределение колебательных акустических (V) и стационарных (V) скоростей газа при резонансных колебаниях в промежуточном патрубке 12 для двух случаев. На фиг.3б левый срез перфорированной части патрубка в качестве имитационного примера условно
A
19
20
A
20
B
20
А
B
3
3
непосредственно закрыт жесткой (глухой) заглушкой (без формирования тупиковой части - резонатора) в качестве иллюстрации анализа работы устройства без применения  волнового резонатора 25. В этом случае, на резонансной частоте колебаний газодинамического потока выхлопных газов (q, м/сек) на левом заглушенном конце промежуточного патрубка 12 возбуждаемые колебания давления выхлопных газов на входе 19 (p) беспрепятственно передаются из полости промежуточного патрубка 12 через перфорации 20 практически без изменения амплитуды (q= ~ q, где q - колебательный расход газа через перфорации 20) и соответственно интенсивно передают звук в полость выпускной камеры 7. Акустические потери энергии в отверстиях перфорации 20 несколько снижают интенсивность резонанса, однако это снижение для реально допустимой минимальной площади перфорации не очень велико, т.к. последняя не может быть выполнена очень маленькой из-за резкого увеличения гидравлического сопротивления (газодинамического противодавления) глушителя проходному потоку выхлопных газов. В случае, если на левом срезе промежуточного патрубка 12 сформирован четвертьволновой резонатор 25 (как это представлено на фиг.3а), колебательный поток выхлопных газов устремляется внутрь полости указанного четвертьволнового резонатора (колебательный объемный расход (q, м/сек) именно на «опасной» резонансной частоте и только маленькая часть колебательного объемного расхода газового потока (q=q - q) проникает в полость выпускной камеры 7 через отверстия перфораций 20. Акустические колебания в этом случае передаются в выпускную камеру 7 в значительно меньшей степени и общая передача звука через глушитель значительно ослабляется.
В случае отсутствия стационарного потока газов в промежуточном патрубке 12 длина резонатора должна быть равна четверти длины звуковой волны или должна быть в два раза меньше эффективной длины участка трубы патрубка 12 без резонатора. Реальный газодинамический процесс оказывается намного сложнее, т.к. стационарный поток выхлопных газов преимущественно выходит из промежуточного патрубка 12 в выпускную камеру 7 через задние (вблизи условного сечения В) отверстия перфорации 20 (фиг.3а) и частично запирает их. Поэтому эффективная длина четвертьволнового резонатора оказывается больше длины неперфорированной части 1-тупик резонатора и зависит от скоростного и нагрузочного режима работы ДВС (объемного расхода стационарного потока
выхлопных газов).
Компьютерное моделирование акустических и газодинамических процессов протекающих в устройстве согласно заявляемой конструктивной схемы глушителя показали, что рациональным, с точки зрения обеспечения высокой эффективности его (глушителя) работы (обеспечение высокого шумозаглушения преимущественно в диапазоне оборотов максимального крутящего момента на коленчатом вале ДВС), является выбор заданных площадей и расположения отверстий перфорации 20 из соотношений 1 и 2
F<sub>перф</sub>=(1.1...1.6) F<sub>патр</sub>
(1)
и
L<sub>тупик</sub>+L<sub>0.9</sub>=(0.25...0.4) (L<sub>патр</sub>+0.3 d<sub>патр</sub>)
(2),
где
перф
F - суммарная площадь отверстий перфораций 20 промежуточного патрубка 12,
патр
F - площадь проходного поперечного сечения промежуточного патрубка 12,
патр
L - длина участка промежуточного патрубка 12 от его свободного открытого входа 19 до заглушки 21,
патр
d - диаметр проходного поперечного сечения промежуточного патрубка 12,
тупик
L - длина части промежуточного патрубка 12, отсчитываемая расстоянием между заглушкой 21 и последним рядом отверстий перфорации 20,
0.9
L - длина перфорированного участка промежуточного патрубка 12 имеющего площадь боковых отверстий перфораций 20 равную 0.9 от площади поперечного сечения промежуточного патрубка 12.
перф
патр
перф
патр
При меньшей суммарной площади отверстий перфораций 20 (F<1.1 F) - неприемлемо велико гидравлическое сопротивление глушителя потоку выхлопных газов а при (F > 1.6 F) - четвертьволновой
перф
патр
тупик
резонатор 25 слабо акустически связан с полостью промежуточного патрубка 12 и работает, в связи с этим, неэффективно. С другой стороны, проведенное компьютерное моделирование газодинамических и акустических процессов показывает также, что в диапазоне изменений площадей перфораций F=(1.1...1.6) F при меньшей длине неперфорированной части промежуточного патрубка L (вне заявляемого диапазона) - резонансная частота четвертьволнового резонатора 25, формируемого тупиковым участком патрубка между заглушкой 21 и отверстиями перфорации 20 на скоростных режимах работы ДВС в зоне оборотов максимального крутящего момента двигателя оказывается существенно выше резонансной частоты колебаний газа в проточной части патрубка 12, при большей длине - ниже и резонансные колебания в обеих отмеченных случаях вне указанного диапазона значений - подавляются недостаточно эффективно.
Разумеется, полезная модель не ограничивается описанным устройством ее реализации, показанным исключительно на прилагаемых фигурах. Остаются возможными изменения различных конструктивных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема притязаний настоящей полезной модели.