ТЕРМОАКУСТИЧЕСКИЙ ГЛУШИТЕЛЬ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использована для глушения шума выпуска газов в двигателе внутреннего сгорания.
В настоящее время широко распространены реактивные и абсорбционные глушители, а также комбинированные реактивно-абсорбционные глушители. Однако стремление к созданию глушителей, обладающих эффективностью в широком диапазоне частот, приводит к усложнению конструкции и увеличению массогабаритных параметров. Кроме того, глушители, обеспечивающие снижение шума свыше 35 дБ, создают большое аэродинамическое сопротивление проходящим через них отработавшим газам (далее ОГ), что приводит к высоким насосным потерям в двигателе.
Одним из перспективных способов снижения шума выпуска ОГ является использование термоакустического эффекта, заключающегося в понижении температуры ОГ. Термоакустический глушитель автомобильного двигателя, в котором реализован упомянутый эффект, может использоваться в дополнение к базовому глушителю для выполнения перспективных требований к уровню шума, производимого автомобильными двигателями. При этом массогабаритные параметры базового глушителя могут быть снижены.
Из уровня техники известен глушитель автомобильной выхлопной системы, предназначенный для снижения уровня звукового давления за счет охлаждения ОГ (JP 2012154251 А, 16.08.2012). В основе работы глушителя лежит использование термоакустического охлаждающего устройства, представляющего собой термоакустический двигатель, установленный в системе выпуска автомобильного ДВС. Термоакустическое охлаждающее устройство состоит из герметичной петлевой трубы с рабочим телом, теплообменников для нагрева и охлаждения рабочего тела, а также регенеративного теплообменника. Данная конструкция глушителя имеет увеличенные массогабаритных параметры выхлопной системы, что приводит к сложности использования в составе современных легковых автомобилей, и повышению стоимости выхлопной системы.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является термоакустический глушитель шума ОГ (KR 20090042340 А, 30.04.2009), в котором снижение шума ОГ обеспечивается путем их охлаждения. Глушитель, установленный в выхлопной системе, содержит последовательно соединенные впускную трубу, корпус, создающий сопротивление потоку ОГ, и выпускную трубу, и теплообменник, который установлен на выпускной трубе и снижает температуру ОГ. Корпус, создающий сопротивление потоку ОГ, представляет собой каталитический нейтрализатор или глушитель. Теплообменник содержит пластины для рассеивания тепла ОГ, выполненные из керамической структуры с квадратными ячейками, металлической ваты, капиллярных пористых материалов и сеток из специальной нержавеющей стали. Внутреннее пространство теплообменника, используемое для движения охлаждающей жидкости (далее ОЖ), образовано несколькими радиальными каналами и кольцевым каналом, расположенным снаружи теплообменных элементов. Подача ОЖ в теплообменник организована со стороны его боковой поверхности и направлена в один из радиальных каналов.
Раздельное исполнение теплообменника для охлаждения ОГ и шумоподавляющего устройства может привести к увеличению массогабаритных параметров термоакустического глушителя, поскольку каждый компонент должен иметь собственный корпус, соединительную магистраль и элементы крепления.
Кроме того, организация подачи охлаждающей жидкости и отсутствие каких-либо направляющих элементов, регулирующих расход охлаждающей жидкости в канале, могут стать причиной неравномерного распределения ОЖ в пространстве между теплообменными элементами. В результате этого возникнут неравнозначные условия работы теплообменных элементов, при которых интенсивность охлаждения части теплообменных элементов будет отличаться. Результатом этого станет снижение эффективности и удельной тепловой мощности теплообменника в целом.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на разработку термоакустического глушителя автомобильного двигателя, снижающего шум ОГ путем их охлаждения, обладающего компактными размерами, надежной и эффективной работой, при этом, по уровню снижения шума не уступающий аналогам,
причем указанная разработка
должна привести к снижению расхода топлива в рабочем температурном режиме (прогрев), что повысит эффективность работы двигателя, используемого с разрабатываемым термоакустическим глушителем.
Технический результат заключается в повышении эффективности работы термоакустического глушителя автомобильного двигателя, обладающего меньшими размерами и уменьшенной массой конструкции.
Технический результат достигается тем, что термоакустический глушитель автомобильного двигателя, размещенный в системе выпуска ОГ по ходу их движения, после каталитического нейтрализатора газов, включает в себя теплообменник, через который проходит охлаждающая жидкость, снижая температуру ОГ двигателя, причем глушитель также включает в себя две камеры расширения, внутри которых установлены элементы из звукопоглощающего материала и перфорированные стенки, которые повторяют конфигурацию внутренней поверхности камер, расположенные между тремя теплообменными секциями поочередно, которые выполняют роль теплообменника, причем каждая из теплообменных секций содержит расположенные внутри теплообменные трубы, заполненные пористым металлом, а снаружи снабженные установленными впускным и выпускным патрубками для подачи охлаждающей жидкости в межтрубное пространство и отвода охлаждающей жидкости из межтрубного пространства, проходящей через турбулизаторы потока, при этом выпускной и впускной патрубки соседних теплообменных секций соединены друг с другом с помощью гибкого трубопровода, а для подачи и отвода ОГ из теплообменных секций и камер расширения в состав термоакустического глушителя введены впускной и выпускной коллекторы, содержащие внутри элемент из звукопоглощающего материала и проницаемую перфорированную стенку, которые повторяют конфигурацию внутренней поверхности коллекторов, при этом теплообменные секции, камеры расширения, впускной и выпускной коллекторы образуют единый модульный корпус.
Конструкция термоакустического глушителя также имеет следующие дополнительные отличия:
- впускной и выпускной коллекторы имеют коническую форму, которая ограничивает аэродинамическое сопротивление при расширении и сужении потока ОГ, а применительно к впускному коллектору, выбранная форма также способствует равномерному распределению потока ОГ на входе в теплообменные трубы;
- теплообменные секции, камеры расширения, впускной и выпускной коллекторы имеют крепежные фланцы, которые соединены друг с другом крепежными элементами, причем между фланцами расположен уплотнительный элемент, указанный вид крепления элементов термоакустического глушителя позволяет конструкции быть модульной с легкозаменяемыми деталями, что обеспечивает удешевление процесса производства и упрощение замены неисправных модулей конструкции.
Полезная модель иллюстрируется тремя чертежами, на которых представлен общий вид термоакустического глушителя автомобильного двигателя (фиг. 1), продольный разрез глушителя (фиг. 2) и поперечный разрез третьей теплообменной секции глушителя (фиг. 3).
Термоакустический глушитель состоит из трех теплообменных секций 1, каждая из которых снабжена двумя крепежными фланцами 2, уплотнительными 3 и крепежными 4 элементами и содержит расположенные внутри теплообменные трубы 5, заполненные пористым металлом 6. Причем фланцы 2 теплообменных секций 1 также являются трубными решетками для пучка теплообменных труб 5, обеспечивающих шахматное расположение теплообменных труб 5, а объем, ограниченный внутренней поверхностью теплообменной секции 1 и внешними поверхностями теплообменных труб 5 образует межтрубное пространство 7 секции 1.
Каждая теплообменная секция 1 снабжена установленными снаружи впускным 8 и выпускным 9 патрубками, которые используются, соответственно, для подачи охлаждающей жидкости в межтрубное пространство 7 и отвода охлаждающей жидкости из межтрубного пространства 7, при этом для обеспечения гидравлической связи межтрубного пространства 7 каждой теплообменной секции 1 патрубки 8 и 9 последовательно соединены с помощью гибкого трубопровода 10.
Перпендикулярное расположение патрубков 8 и 9 относительно теплообменных труб 5 обеспечивает встречно-поперечное движение охлаждающей жидкости и ОГ.
В состав термоакустического глушителя входят камеры расширения 11, расположенные между теплообменными секциями 1 и снабженные крепежными фланцами 12. Внутри камер расширения 11 установлены элементы из звукопоглощающего материала 13 и проницаемые перфорированные стенки 14, которые повторяют конфигурацию внутренней поверхности камер 11.
В состав термоакустического глушителя входят впускной и выпускной коллекторы 15 и 16, предназначенные для подачи и отвода ОГ из теплообменных секций 1 и камер расширения 11.
Каждый из коллекторов 15 и 16 оснащен крепежными фланцами 17 и содержит внутри элемент из звукопоглощающего материала 18 и проницаемую перфорированную стенку 19, которые повторяют конфигурацию внутренней поверхности коллекторов 15 и 16.
Теромоакустический глушитель размещается в системе выпуска ОГ автомобильного двигателя после каталитического нейтрализатора по ходу движения ОГ. Выбранное расположение глушителя обусловлено необходимостью подачи в нейтрализатор ОГ с высокой температурой, что требуется для осуществления окислительно-восстановительных реакций в присутствии катализатора.
ОГ, имеющие на выходе из двигателя высокую остаточную энергию и температуру, поступают во впускной коллектор 15 глушителя, который имеет расширение проходного сечения в продольном направлении.
Двигаясь вдоль расширяющегося впускного коллектора 15, поток ОГ принимает безотрывную форму движения относительно внутренней перфорированной стенки 19 впускного коллектора 15, а также имеет достаточно равномерное распределение поля скоростей на выходе из впускного коллектора 15.
Перфорированная стенка 19 впускного коллектора 15 обеспечивает проникновение ОГ в полость, заполненную звукопоглощающим материалом 18. В результате этого происходит диссипативное снижение части шума ОГ, обеспечиваемое потерями акустической энергии на трение в звукопоглощающем материале.
Затем поток ОГ поступает в трубное пространство первой теплообменной секции 1, в котором движется через теплообменные трубы 5, заполненные элементами из пористого металла 6. Коническая форма впускного коллектора 15 обеспечивает равномерное распределение потока ОГ на входе в теплообменные трубы 5.
При движении ОГ через элементы из пористого металла 6 происходит увеличение скорости движения газов внутри теплообменных труб 5, в результате чего повышается коэффициент теплоотдачи от ОГ к элементам из пористого металла 6 и стенкам теплообменных труб 5. В итоге повышается эффективность теплообмена со стороны ОГ.
Также применение элементов из пористого металла 6 позволяет повысить тепловую мощность, передаваемую от ОГ, что становится возможным за счет увеличения площади теплообменной поверхности.
Пройдя через первую (по движению ОГ) теплообменную секцию 1, ОГ поступают в первую (по движению ОГ) камеру расширения 11, в которой поток газов расширяется. Через перфорированную стенку 14 камеры расширения 11 часть потока ОГ проникает в полость со звукопоглощающим материалом 13, в которой происходит диссипативное снижение шума ОГ.
Далее поток ОГ последовательно проходит через вторую теплообменную секцию 1, вторую камеру расширения 11 и третью теплообменную секцию 1, в которых происходят аналогичные процессы, описанные выше.
На выходе из третьей теплообменной секции 1 ОГ поступают в выпускной коллектор 16, имеющий сужение проходного сечения в продольном направлении. Выбранная конфигурация выпускного коллектора 16 направлена на снижение негативного влияния, возникающего при уменьшении площади проходного сечения.
Коническая форма впускного 15 и выпускного 16 коллекторов позволяет снизить завихрения в потоке ОГ, влияющие на общее аэродинамическое сопротивление термоакустического глушителя.
Для охлаждения ОГ в теплообменных секциях 1 используется охлаждающая жидкость (далее ОЖ), которая подается в межтрубные пространства 7 каждой теплообменной секции 1.
В теплообменных секциях 1 организована встречно-поперечная схема движения охлаждающей жидкости относительно ОГ, согласно которой охлаждающая жидкость через впускной патрубок 8 из внешнего охлаждающего контура (на чертежах не показан) сначала поступает в межтрубное пространство 7 третьей теплообменной секции 1, в которой происходит поперечное обтекание теплообменных труб 3.
Во время движения в межтрубном пространстве 7 ОЖ проходит через турбулизаторы потока (на чертежах не показаны), которые увеличивают площадь теплообменной поверхности и коэффициент теплоотдачи между охлаждающей жидкостью и наружной поверхностью теплообменных труб 5. Результатом этого становится повышение тепловой мощности, передаваемой ОЖ в теплообменных секциях 1 термоакустического глушителя.
Совместная работа пористого металла и турбулизаторов потока позволяет достичь высокого коэффициента теплопередачи, что обеспечивает снижение массогабаритных параметров и стоимости теплообменных секций 1.
Для отвода ОЖ из межтрубного пространства третьей теплообменной секции 1 используется выпускной патрубок 9, который соединен с впускным патрубком 8 второй теплообменной секции 1. Для соединения применяется гибкий трубопровод 10, упрощающий работы во время сборки термоакустического глушителя.
Особенность взаимного расположения впускного 8 и выпускного 9 патрубков на трех теплообменных секциях 1 показана на фиг. 3. Патрубки 8 и 9 имеют параллельное расположение со смещением осей. В результате этого решения движение ОЖ в поперечном сечении межтрубного пространства 7 согласовано с расположением теплообменных труб 5, благодаря чему достигается снижение гидравлического сопротивления межтрубного пространства 7 теплообменных секций 1.
Поскольку межтрубные пространства 7 каждой теплообменной секции 1 гидравлически связаны между собой, в результате чего ОЖ последовательно проходит через каждую секцию 1, то описанные для третьей теплообменной секции 1 процессы полностью повторяются для второй и первой теплообменных секций 1.
Через выпускной патрубок 9 первой теплообменной секции 1 ОЖ возвращается во внешний охлаждающий контур. Отметим, что упомянутый контур гидравлически связан с системой охлаждения двигателя и отопителем салона транспортного средства.
Для циркуляции ОЖ через межтрубное пространство 7 теплообменных секций 1 используется циркуляционный насос (на чертежах не показан). Для управления расходом охлаждающей жидкости через теплообменные секции 1 используется электрический привод циркуляционного насоса. Например, на режимах холостого хода и прогрева холодного двигателя расход охлаждающей жидкости снижается, а на средних и высоких нагрузочно-скоростных режимах расход увеличивается.
Заявляемый термоакустический глушитель позволяет достичь максимального снижения уровня шума выпуска ОГ, составляющего до 5-6 дБ в зависимости от нагрузочно-скоростного режима работы двигателя. При этом использование тепловой мощности, получаемой при охлаждении ОГ, обеспечивает сокращение времени прогрева двигателя не менее чем на 10%, а также снижение расхода топлива на режиме прогрева более чем на 5%.
Снижение массогабаритных параметров термоакустического глушителя достигается за счет использования вышеописанного компактного теплообменника с высокой удельной мощностью, а также реализации модульной конструкции термоакустического глушителя, в которой используется последовательное соединение теплообменных секций и камер расширения без применения промежуточных соединительных элементов, то есть с использованием единого (одного) модульного корпуса для всех элементов термоакустического глушителя.
Таким образом достигается повышение эффективности работы термоакустического глушителя автомобильного двигателя, обладающего меньшими размерами и уменьшенной массой конструкции.
Кроме того, повышается эффективность работы двигателя, который используется с разрабатываемым термоакустическим глушителем, за счет рекуперации тепловой энергии ОГ, при которой сокращается время выхода двигателя на рабочий температурный режим после холодного пуска, а также снижается расход топлива на этом режиме.