ДВУХКОНТУРНЫЙ АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА
TWO-STAGE ACOUSTOELECTRIC NOISE KILLER

Изобретение относится к устройствам, снижающим шум, возникающий от работающего двигателя, может быть использовано в прямоточных выхлопных системах транспортных средств, оснащенных двигателями внутреннего сгорания (ДВС).
Известны глушители выхлопа для ДВС, конструкции которых описаны в патентах РФ №56960, 2511868, 2392532, 2001109126, а также ГОСТ 31328-2006.
Из предшествующего из уровня техники известен многокамерный глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания (патент SU 56960), который содержит 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, на участке выпускного патрубка которого размещен концентричный резонатор, образованный перфорированным участком выпускного патрубка и цилиндрическим кожухом, охватывающим перфорированный участок выпускного патрубка.
Недостатком этого устройства является то, что при знакопеременном изменении оборотов двигателя внутреннего сгорания не стабилизируется уровень акустического шума глушителя.
Также известен камерный глушитель шума (патент РФ №2511868), который содержит цилиндрический корпус, жестко соединенный с торцевым впускным и выпускным патрубками, с центральной перегородкой, корпус изнутри облицован звукопоглощающей конструкцией, а центральная перегородка выполнена в виде звукопоглощающего элемента, имеющего остов, который с двух сторон облицован звукопоглощающим материалом, причем остов звукопоглощающего элемента имеет возможность поворота в плоскости, перпендикулярной направлению движения аэродинамического потока, а звукопоглощающая конструкция выполнена из трех слоев звукопоглощающего материала.
Недостатком этого изобретения является сравнительно высокое аэродинамическое сопротивление, что снижает эффективность ДВС, либо приводит к возрастанию расхода топлива.
Также известны глушители, конструкции которых описаны в патенте РФ №2392532, ГОСТ 31328-2006. Указанные конструкции глушителей шума выхлопа для ДВС содержат 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, на участке выпускного патрубка которого размещен концентричный резонатор, образованный перфорированным участком выпускного патрубка.
Недостатками являются сравнительно низкая эффективность шумоглушения, отсутствие необходимых условий для увеличения срока службы двигателя внутреннего сгорания; ни в одном известном глушителе не используется расширительная камера переменного объема, что не позволяет обеспечить одинаковый уровень снижения шума при изменении числа оборотов двигателя.
В качестве прототипа принят глушитель шума по патенту РФ 2503828, «Акустоэлектрический глушитель шума», класс F01N 00, заявл. 02.03.2012. Глушитель шума, содержащий корпус, внутри которого образована расширительная камера, на торцах которой смонтированы входной и выходной патрубки, разделенная поперечной перегородкой на зоны высокочастотного и низкочастотного снижения шума, внутри смонтирована перфорированная труба, соединяющая входной и выходной патрубки, при этом корпус глушителя, выполненный из ферромагнитного материала, помещен в цилиндр, жестко прикрепленный к корпусу транспортного средства, а глушитель внутри цилиндра прикреплен с помощью пружин, работающих на растяжение, на цилиндре встроена многовитковая катушка, выходы которой через выпрямительное устройство и реле-регулятор подключены к аккумулятору транспортного средства.
Недостатком этого глушителя является то, что конструкция обеспечивает снижение амплитуды поперечных колебаний глушителя, но недостаточно сильно влияет на продольную составляющую разности на входе и выходе глушителя, что сохраняет определенный уровень акустического шума.
Техническим результатом изобретения является снижение уровня акустического ДВС за счет преобразования разности продольной составляющей давления выпускаемых (выхлопных) газов в электрическую энергию; повышение уровня мощности электрической энергии, возвращаемого в систему электропитания ДВС, за счет дополнительного контура акустоэлектрического преобразования; стабилизация уровня акустического шума глушителя при знакопеременном изменении оборотов двигателя внутреннего сгорания, за счет динамического изменения внутреннего объема резонатора; увеличение срока службы двигателя внутреннего сгорания путем улучшения условий хранения двигателя внутреннего сгорания при длительных простоях путем герметизации отверстия магнитным поршнем.
Технический результат достигается тем, что в заявленном устройстве, содержащем корпус, выполненный из ферромагнитного материала, внутри которого образована расширительная камера, помещенный в цилиндр, при этом цилиндр жестко крепят к корпусу транспортного средства, а глушитель внутри цилиндра крепят с помощью пружин, работающих на растяжение; на цилиндр наносят (встраивают) многовитковую катушку, выходы которой через выпрямительное устройство (выпрямительный мост) и реле-регулятор подключаются к аккумулятору транспортного средства, на торцах расширительной камеры смонтированы входной и выходной патрубки, расширительная камера разделена на две части перфорированной отверстиями трубой, одним концом соединена со входным патрубком, другой конец заглушен упорной стенкой, внутри трубы помещен поршень-клапан из ферромагнитного материала, между ним и упорной стенкой помещена возвратная пружина, а на перфорированной трубе размещена дополнительная (вторая) многовитковая катушка, выходы которой через второе выпрямительное устройство (выпрямительный мост) и второе реле-регулятор подключаются к аккумулятору транспортного средства.
Заявленное устройство поясняется чертежами, где на:
фиг. 1 - вариант конструктивного исполнения заявляемого глушителя в статическом состоянии;
фиг. 2 - рисунок, поясняющий стабилизацию уровня акустического шума на минимальном уровне при изменении числа оборотов двигателя.
Конструкция двухконтурного акустоэлектрического глушителя шума выхлопа отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, представленная на фиг. 1, содержит трубопровод 1, демпферный элемент 2, впускной трубопровод 3, пружинящие элементы 4, которые закреплены между корпусом глушителя 5 и цилиндром 6. Цилиндр жестко закреплен к корпусу транспортного средства 19.
Внутри глушитель представляет собой расширительную камеру 7, на левом торце которой смонтирован входной патрубок 8. В расширительной камере смонтирована перфорированная труба 9, вплотную прилегающая к стенкам камеры. Перфорированная труба одним концом соединена с входным патрубком 8, другим - с упорной стенкой 12. Исполнение отверстий перфорированной трубы 9 может быть различным, но предпочтительнее использовать крестообразные (патент РФ на полезную модель №63454), так как крестообразное направление движения потока газов уменьшает продольную составляющую вектора скорости и соответственно скорости истечения газов из выхлопной трубы, уменьшая при этом шум выхлопа. Размеры, количество и взаимное расположение крестообразных отверстий на поверхности решетки определяются с учетом параметров ДВС.
Внутрь трубы с крестообразными отверстиями 10 помещен поршень-клапан, выполненный из ферромагнитного материала, при этом следует учесть, что площадь части поршня, соединенной с отверстием входного патрубка, должна быть больше площади отверстия входного патрубка. Между поршнем-клапаном 11 и входным патрубком 8 размещена возвратная пружина 13. Сверху на перфорированную трубу намотана многовитковая катушка 14 таким образом, чтобы не перекрывать крестообразные отверстия, выводы которой через выпрямительное устройство №2 и реле-регулятор №2 подключены к аккумулятору транспортного средства 18.
Сверху на цилиндр 6 намотана многовитковая катушка 15, выводы которой через выпрямительное устройство 16 и реле-регулятор 17 (из состава транспортного средства) подключены к аккумулятору транспортного средства 18.
Работает двухконтурный акустоэлектрический глушитель следующим образом.
Глушитель шума, изготовленный из ферромагнитных материалов, помещают в цилиндр. При этом цилиндр жестко крепят к корпусу транспортного средства, а корпус глушителя закрепляют с помощью пружинящих элементов, работающих на растяжение, к цилиндру. Внешняя часть входного патрубка глушителя шума крепится к трубопроводной магистрали системы выпуска посредством демпфирующего элемента, выполненного в виде гофрированной трубы из высокотемпературного материала, с целью недопущения поломки трубопроводной магистрали при поперечных колебаниях глушителя. На цилиндр наматывают (закрепляют) многовитковую катушку, в результате чего получается соленоид.
Соленоид представляет собой проволочную катушку цилиндрической формы (Бондарев Б.В. Курс общей физики. Кн. 2: Учеб. пособие - М.: Высшая школа, 2003 г., стр. 148).
Соленоид характеризуют количеством витков N, намотанных на единицу длины l. Каждая пара витков, расположенных симметрично относительно некоторой плоскости, перпендикулярной к оси соленоида, создает в любой точке этой плоскости магнитную индукцию В, параллельную оси. Следовательно, и результирующее поле в любой точке внутри и вне бесконечного соленоида может иметь лишь направление, параллельное оси (Савельев И.В. Курс общей физики. Том 2. - М.: Наука, 1978 г., стр. 142).
Л
0
F=qVB=qVµNI/l, где
Л
F - сила Лоренца;
q-заряд;
V - скорость заряда;
В - магнитная индукция.
Вне соленоида поле отсутствует. Из теоремы о циркуляции и теоремы Гаусса следует, что внутри соленоида В=const. Чтобы найти величину В, надо применить теорему о циркуляции к прямоугольному контуру, одна сторона которого проходит вдоль образующей внутри цилиндра, а другая - вне (фиг. 2): Магнитная индукция внутри соленоида равна (Черноуцан А.И. Краткий курс физики. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002, стр. 107-109):
0
B=µNI/l, где
В - магнитная индукция;
0
µ - магнитная постоянная;
N - количество витков;
I - сила тока;
l - длина соленоида.
Согласно теории Максвелла переменные электрическое и магнитное поля взаимосвязаны и одновременно существуют в пространстве. Там, где есть одно из этих полей, непременно есть и другое поле. При колебаниях глушителя из ферромагнитного материала внутри многовитковой катушки возникает переменное магнитное поле и соответствующее переменное напряжение на зажимах катушки. По катушке течет ток, возникает магнитное поле внутри цилиндра, которое препятствует колебанию глушителя вверх-вниз.
Выхлопные газы, обладающие шумовой энергией газового потока, при реализации рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания (ДВС), подводятся к глушителю по трубопроводной магистрали системы выпуска, распространяются по впускному трубопроводу и поступают в полость впускной камеры глушителя. При этом газы создают акустическое давление за счет столкновения со стенками глушителя, за счет чего происходят его поперечные колебания, которые являются источником акустического шума.
1
2
Вторым источником шума является разность давления газов на выходе глушителя (V) и атмосферным давлением (V).
1
2
ΔV=V-V
В описании изобретения «Акустоэлектрический глушитель шума» по патенту РФ №2503828 подробно описаны способы снижения шума за счет снижения вибрации глушителя в поперечной составляющей.
Снижение шума за счет снижения разности давлений газов в продольной составляющей происходит за счет введения второго контура в перфорированной трубе глушителя. Законы акустических и электромагнитных полей действуют так же, как в описании контура №1.
Стабилизация уровня акустического шума глушителя происходит за счет следующего. При выключенном двигателе внутреннего сгорания магнитный поршень-клапан закрывает входные отверстия глушителя за счет воздействия возвратной пружины, упираясь в концы перфорированной трубы (пружина в свободном состоянии).
При запуске и использовании ДВС выхлопные газы воздействуют на поршень-клапан, который перемещается в сторону упорной стенки, сжимая пружину. Последовательно открываются крестообразные отверстия, снижается давление газа в перфорированной трубе, при этом:
крестообр.отверстий
вх.отверстий
вых.отверстий
ΣS=S+S.
При перемещении магнитного поршня-клапана относительно катушки №2 на ее выводах возникает переменное напряжение, которое подается на выпрямительное устройство, реле-регулятор, в аккумулятор транспортного средства.
Также при перемещении магнитного поршня происходит пропорциональное динамическое изменение рабочего объема расширительной камеры глушителя, при этом скорость истечения газов снижается за счет изменения площади проходного сечения глушителя, а резкие (ударные) изменения давления истекших газов демпфируются магнитным полем самоиндукции катушки №2.
На фиг. 2:
Р - давление на выходе ДВС;
W - объем камеры глушителя;
ΔV - разность давлений на выходе глушителя и атмосферным явлением;
1
2
N, N- число оборотов в минуту (обычный глушитель);
3
4
N, N - число оборотов в минуту (двухконтурный акустоэлектрический глушитель шума);
N - число оборотов в минуту;
А - уровень шума, A=f (ΔV).
На фиг. 2(а) представлена зависимость уровня акустического шума от давления от ДВС. Кривая представляет собой функцию от разности давлений на входе и выходе глушителя. При этом общий объем камеры глушителя остается постоянным.
На фиг. 2(б) представлен принцип стабилизации уровня акустического шума. Объем камеры является величиной переменной (вследствие действия поршня-клапана). При увеличении давления на входе двухконтурного акустоэлектрического глушителя объем камеры увеличивается, при этом уровень акустического шума остается постоянным.
Кроме того, при выключенном двигателе внутреннего сгорания расширительная камера закрыта магнитным поршнем-клапаном, что способствует сохранению двигателя в условиях неблагоприятной внешней среды и длительному (сезонному) хранению.
Технико-экономический эффект состоит в том, что за счет использования законов акустических и электромагнитных полей достигается снижение амплитуды колебаний глушителя как поперечной, так и продольной составляющей, что приводит к снижению акустического шума; за счет динамического изменения внутреннего объема глушителя обеспечивается стабилизация уровня акустического шума глушителя при знакопеременном изменении оборотов ДВС; за счет закрытия выпускного отверстия при выключенном ДВС обеспечивается увеличение срока службы ДВС.