ГЛУШИТЕЛЬ-РАЗДЕЛИТЕЛЬ ГАЗОВ
SILENCER-GAS SEPARATOR

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к глушителям шума выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и к разделителям газовых смесей на входящие компоненты.
Известны многокамерные глушители шума выхлопа двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с перфорированными стенками между камерами (см., например, [1] - патент RU №2330969), недостатками которых являются значительное сопротивление выхлопным газам из-за перфорированных перегородок между камерами и невозможность выделения вредных компонентов отработавших газов, что требует подвергать нейтрализации весь объем отработавших газов.
Известны глушители на принципе многократного расширения поступающих в них газов, которое происходит в камерах глушителей, разделенных перегородками и сообщающимися одна с другой, например, через перфорированные отверстия или закрепленные в перегородках трубки со скошенными концами, обращенными скосами к центру камеры (см., например, [2] - патент США №3016972). При этом происходит торможение газов на входе глушителя и на выходе цилиндров двигателя создается повышенное давление газов, что препятствует быстрому очищению цилиндров и приводит к неполному последующему наполнению цилиндров новой воздушно-топливной смесью, из-за чего увеличивается расход топлива и снижается коэффициент полезного действия (КПД). Кроме того, глушитель со скошенными трубками или отверстиями не позволяет равномерно ослабить весь акустический диапазон образующихся в таком глушителе и двигателе шумов, а только на определенных нескольких частотах, на которые настроены трубки. Также отсутствует возможность выделения вредных компонентов выбросов для последующей утилизации.
Известны глушители с несколькими завихрителями и перфорированными перегородками между ними (см., например, [3] - патент RU №838097, [4] - патент RU №2056507). В них закрученный поток сразу после входного завихрителя снижает сопротивление потоку выхлопных газов, но затем упирается в перегородку с отверстиями или трубки с отверстиями, что снова повышает сопротивление и приводит к развалу вихря и рециркуляционной тороидальной зоны, образованию турбулентности. Эти процессы сопровождаются шумообразованием в широком диапазоне звуковых частот, в том числе и с частотой вращения двигателя, после чего все эти образовавшиеся акустические шумы необходимо в дальнейшем подавить в глушителе, что не всегда удается. Во время развала вихря и образования турбулентности в отверстиях перфорации, в стенках перегородок или трубах возникают акустические колебания высокого уровня, которые передаются на выход глушителя, а те частоты, которые совпадают с собственной частотой трубки, дополнительно усиливаются по амплитуде. Также в указанных устройствах отсутствует возможность выделения вредных компонентов для последующей раздельной утилизации.
Для снижения стоимости и увеличения ресурса работы был предложен глушитель нейтрализатор (см., например, [6] - патент на полезную модель RU №63455), в котором расширяются функции устройства путем совмещения в нем функций глушителя и нейтрализатора за счет установки ультрафиолетовой лампы, завихрителей в виде углублений спиральной формы, покрытия внутренней поверхности трубы слоем катализатора и расширенных камер на торцах устройства. В результате закручивания потока газов в корпусе такого глушителя нейтрализатора увеличивается время взаимодействия выхлопных газов с ультрафиолетовым излучением УФ-лампы, а функции глушения обеспечиваются за счет расширения газов в цилиндрических камерах большого диаметра на торцах корпуса устройства.
Глушитель по патенту RU №2022126 [7] является наиболее близким техническим решением по снижению сопротивления и вредного воздействия шума выхлопа ДВС на окружающую среду к предлагаемому глушителю поэтому взят за прототип.
В глушителе по патенту RU №2022126, содержащем трубчатый корпус, внутри которого расположена центральная (внутренняя) труба, между которой и корпусом по всей длине трубы установлены кольцевые вставки, образующие спиральный завихритель, размещенные на определенных расстояниях друг от друга. Вставки имеют несколько радиальных разрезов, образующих лепестки, каждый из которых повернут вокруг своей радиальной оси таким образом, что совместно они образуют прерывистую винтовую линию, при этом расстояния между кольцевыми вставками уменьшаются от входного до выходного патрубка глушителя, а сами вставки выполнены упругими. Так как образованная таким образом винтовая линия является не сплошной, а прерывистой, образована не целой спиралью, а состоит из отдельных лепестков кольцевых вставок, то происходит перемешивание газов соседних винтовых каналов, что выравнивает в них давление и приводит к интенсификации звуковых волн. Выравниванию давления в соседних каналах, а значит успокоению потока газов и уменьшению шума в нем, способствует также упругость лепестков, особенно в начале глушителя, когда разница давлений в соседних каналах бывает существенной.
Недостатками глушителя прототипа по патенту RU №2022126 являются пожароопасность из-за наличия сквозного открытого отверстия центральной грубы, значительный вес глушителя из-за большого количества кольцевых вставок и втулок, возможное появление собственных резонансных явлений упругих лепестков из-за широкого спектра частот ДВС и узлов автомобиля, невозможность свободного естественного перемешивания закрученных соседних витков потока газов из-за жесткой винтовой линии, образованной вставками, и невозможность выделения вредных компонентов выбросов для дальнейшей утилизации.
Задачей изобретения является создание глушителя выпуска отработанных газов, исключающего перечисленные недостатки аналогов и прототипа и обеспечивающего:
- снижение пожароопасности;
- уменьшение веса и материалоемкости;
- исключение появления собственных резонансных явлений;
- возможность выделения вредных веществ отработавших газов для их автономной утилизации;
- снижения составляющей структурного звука.
Поставленная задача изобретения решается тем, что пульсирующий поток выхлопных газов через конусный входной патрубок подают на вход цилиндрического корпуса и закрепленный на входе корпуса соосно многолопастный завихритель потока отработавших газов (ОГ) в виде отрезка трубы (ступицы) с установленными на ее наружной поверхности спиралевидными лопастями, например, в виде приваренных полосок металла или вырезанных из цельной детали на станке с ЧПУ, имеющими угол наклона к перпендикулярной оси глушителя плоскости 50-80 градусов в начале завихрителя и плавно уменьшающимся до 7-15 градусов в конце завихрителя, наружные кромки лопастей завихрителя закреплены к внутренней поверхности цилиндрического корпуса, а к ступице многолопастного завихрителя на его выходе прикреплена центральная (внутренняя) труба длиной 0.3-0.6 от длины цилиндрического корпуса, при этом диаметры центральной трубы равны соответствующим наружному и внутреннему диаметрам ступицы многолопастного завихрителя, на конце центральной трубы закреплено разрезное кольцо, соединяющее цилиндрический корпус и центральную трубу, при этом угол наклона плоскости разрезного кольца к плоскости, перпендикулярной оси глушителя, равен минимальному углу 7-15 градусов наклона лопастей многолопастного завихрителя к плоскости, перпендикулярной оси глушителя, а в конце центральной трубы установлен дополнительный лопастный завихритель с тем же направлением закрутки потока ОГ. Кроме того, перед выходным патрубком по оси центральной трубы установлена открытая со стороны входного патрубка трубка, второй конец которой через отверстие в цилиндрическом корпусе подсоединен к штуцеру вывода легких фракций вредных веществ ОГ, а в цилиндрическом корпусе перед выходным патрубком закреплена гильза с наружным диаметром, равным 0.94 - 0.98 внутреннего диаметра цилиндрического корпуса, приваренная бортиком гильзы на выходе к цилиндрическому корпусу, для сбора тяжелых фракций вредных веществ ОГ, при этом полость между гильзой и цилиндрическим корпусом через отверстия в корпусе связана со штуцером для отвода тяжелых фракций вредных веществ ОГ.
Кроме того, к концу цилиндрического корпуса присоединен конусный выходной патрубок, через который ОГ из глушителя-разделителя поступают в окружающую среду.
Кроме того, лопасти дополнительного лопастного завихрителя могут выполняться из стенки центральной трубы.
Кроме того, многолопастный завихритель или часть цилиндрического корпуса, или весь корпус могут быть изготовлены из сплава, поглощающего звуковые волны.
Установка на входе глушителя между цилиндрическим корпусом и центральной (внутренней) трубой многолопастного завихрителя, а внутри центральной трубы дополнительного лопастного завихрителя с определенными углами наклона лопастей обеспечивает:
- эффективное шумоглушение за счет увеличения пути взаимодействия и взаимоглушения закрученных пульсирующих газов практически на всей длине глушителя и увеличения времени и количества их переотражений от внутренних стенок цилиндрического корпуса;
охлаждение приосевых слоев, обуславливающее появление дополнительной составляющей шумоглушения, так как многолопастный завихритель формирует закрученный (вихревой) поток и, в соответствии с эффектом Ранка, происходит заметное охлаждение приосевых слоев потока и центральной трубы (см. А.П. Меркулов. «Вихревой эффект и его применение в технике». М. Машиностроение, 1969 г.), причем на каждые 90-110 градусов снижения температуры потока ОГ происходит снижение звукового давления и шума на 5-6 дБ (см.: к.т.н. В.Я. Груданов. «Утилизация энергии отработавших газов и экология». Автомобильная промышленность, 1989, №1, с. 16);
- разделение компонентов ОГ с разной плотностью по диаметру трубы, так, что на максимальном радиусе на внутренних стенках цилиндрического корпуса центробежными силами закрученного потока будут располагаться молекулы с большей плотностью компонентов (двуокись азота, двуокись углерода и макрочастицы сажи, обладающие большей плотностью), а в приосевой области за центральной трубой будут располагаться преимущественно молекулы фракций с меньшей плотностью (окись азота, окись углерода и микрочастицы сажи).
Это позволяет в дальнейшем утилизировать выделенные компоненты наиболее удобным для каждого компонента способом, например, путем рециркуляции в цилиндрах ДВС или дожиганием, или нейтрализацией химикатами или катализаторами и др.
Установка внутри центральной трубы трубы дополнительного лопастного завихрителя с тем же направлением закрутки позволяет снизить пожароопасность, так как за счет закручивания потока ОГ искры центробежными силами выносятся на внутреннюю поверхность цилиндрического корпуса и, взаимодействуя с ней. гасятся.
Установка гильзы с наружным бортиком в конце глушителя-разделителя газов с зазором относительно цилиндрического корпуса, заглушенной с конца корпуса, например, с помощью сварки буртика к корпусу, создает полость сбора тяжелых фракций ОГ, сообщающуюся со штуцером отвода тяжелых фракций ОГ через отверстия в цилиндрическом корпусе, и отвод их на дальнейшую утилизацию.
Установка в центральной приосевой зоне трубки, направленной открытым концом к входному патрубку и связь ее второго конца со штуцером для отвода легких фракций вредных выбросов выхлопных газов обеспечивает отведение их на дальнейшую утилизацию.
Выполнение деталей крепления глушителя-разделителя газов, или цилиндрического корпуса, или его части, или многолопастного завихрителя из сплава, поглощающего звуковые волны (например, медь - 70%, марганец - 30%) или иного материала, слабо передающего звуковые волны, позволяет снизить структурный шум, передающийся в конструкциях по металлу.
Совокупность указанных признаков предложенного глушителя-разделителя газов позволяет исключить недостатки аналогов и прототипа.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где:
- на фиг. 1 показана конструкция устройства глушителя-разделителя газов ДВС (разрез) без устройств отвода вредных компонентов на утилизацию;
- на фиг. 2 показана схема отражений звуковых волн в глушителе-разделителе газов после многолопастного завихрителя и отмечены зоны когерентных звуковых взаимодействий;
- на фиг. 3 показана конструкция устройства глушителя-разделителя газов ДВС со штуцерами для отвода легких и тяжелых фракций вредных веществ отработавших газов на дальнейшую раздельную (автономную) утилизацию.
Устройство глушителя-разделителя газов ДВС фиг. 1 включает: входной патрубок 1; многолопастный завихритель 2 со ступицей 3, установленный соосно оси глушителя и представляющий собой отрезок трубы (ступицу 3), на наружной поверхности которой расположены спиралевидные лопасти, например, в виде приваренных полосок металла или вырезанных из цельной детали на станке с ЧПУ, при этом угол наклона лопастей к плоскости, перпендикулярной оси глушителя на входе завихрителя может составлять 50-80 градусов, а к выходу завихрителя этот угол плавно уменьшается до 7-15 градусов (эффективность таких углов подтверждена испытаниями); цилиндрический корпус 4; центральную трубу 5; разрезное кольцо 6 крепления конца центральной трубы 5 к цилиндрическому корпусу 4 (при этом внутренний и наружный диаметр центральной трубы для удобства соединения, например, сваркой, может быть равен внутреннему и наружному диаметру отрезка трубы завихрителя), причем угол наклона плоскости разрезного кольца к плоскости, перпендикулярной оси глушителя, равен 7-15 градусов; дополнительный завихритель 7 и выходной патрубок 8.
На фиг. 3 дополнительно показаны гильза 9 с наружным бортиком, приваренным к цилиндрическому корпусу 4 со стороны выхода глушителя, штуцер 10 с отверстием 11 (отверстий может быть несколько) на корпусе 4 для отвода тяжелых фракций отработавших газов, трубка 12, связанная со штуцером 13 на корпусе 4, для сбора и отвода легких фракций отработавших газов.
Работа глушителя-разделителя выхлопа отработавших газов ДВС
При входе пульсирующего потока ОГ в глушитель-разделитель основная часть потока проходит через многолопастный завихритель 2 потока ОГ, преобразующий поступательное движение ОГ в ускоренное вращательное движение потока по кольцевым (винтовым) линиям между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и наружной поверхностью внутренней трубы. Остальная часть потока, двигающаяся по внутренней трубе, проходит через дополнительный завихритель 7 и также преобразуется во вращательное движение, совпадающее по направлению вращения (закрутки) с направлением вращения основного потока ОГ. Дополнительный завихритель 7 преобразуют поступательное движение ОГ во внутренней трубе во вращательное и снижает пожароопасность глушителя за счет отбрасывания искр центробежными силами закрученного потока к стенкам цилиндрического корпуса и их гашения при взаимодействия со стенками корпуса.
Движущиеся ОГ под воздействием центробежных сил в соответствии с плотностью входящих газов занимают концентрические объемы в радиальном направлении:
- более тяжелые фракции - двуокись азота, двуокись углерода и макрочастицы сажи, обладающие большей плотностью, занимают концентрические объемы наружных слоев и выводятся через гильзу 9 и отверстия в цилиндрическом корпусе 11 в штуцер 10. установленный на цилиндрическом корпусе 4, для дальнейшей утилизации;
- легкие фракции - окись азота, окись углерода и микрочастицы сажи занимают концентрические объемы внутренних слоев и отводятся через приосевую зону через трубку 12 наружу на штуцер 13 отвода легких фракций на дальнейшую утилизацию.
Учитывая, что поступательное движение пульсирующего потока ОГ, входящего в глушитель, с помощью завихрителей 2 и 7 преобразуется в ускоренное вращательное движение по кольцевым (винтовым) линиям между внутренней трубой 5 и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 4 и внутри внутренней трубы 5, фронт звуковой волны продольный на входе во входной патрубок 1 глушителя-разделителя лопастными завихрителями 2 и 7 также преобразуется в циркуляционный вихревой поток, в котором ОГ вращаются по кольцевым (винтовым) линиям. Многократные отражения фронта звуковой волны от внутренней поверхности цилиндрического корпуса вызывают возникновение когерентных звуковых волн (четных и нечетных отражений, см. фиг. 2), которые, в итоге, вместе с потерями на отражение звуковых волн дают ослабление исходных звуковых волн, то есть, приводят к уменьшению пульсации закрученного вокруг внутренней трубы потока отработавших выхлопных газов, которые перед выходным патрубком смешиваются с потоком отработавших газов, движущихся по внутренней трубе и за ней.
Второй составляющей ослабления звуковых волн является то, что средняя длина хода закрученной завихрителем 2 звуковой волны длиннее хода звуковой волны потока, двигающегося по внутренней трубе, а эти звуковые волны когерентны и их взаимодействие (наложение) также дает уменьшение пульсаций звуковой волны на выходе глушителя.
Третьей составляющей ослабления звуковых волн является снижение температуры ОГ у наружной поверхности внутренней (центральной) трубы и охлаждение самой трубы, которое происходит из-за появления разности температур в высокоскоростном вихревом потоке, обусловленном охлаждением внутренних слоев и повышение температуры наружных слоев закрученного потока ОГ (см. А.П. Меркулов. «Вихревой эффект и его применение в технике». М., Машиностроение, 1969 г.), причем на каждые 90-110 градусов снижения температуры потока ОГ происходит снижение звукового давления и шума на 5-6 дБ (см.: к.т.н. В.Я. Груданов. «Утилизация энергии отработавших газов и экология». Автомобильная промышленность, 1989, №1, с. 16).
Разрезное плоское кольцо 6 соединяет цилиндрический корпус 4 и внутреннюю трубу 5, исключая перемещения внутренней трубы 5. При этом плоскость кольца 6 совпадает с плоскостью наклона лопастей на выходе завихрителя 2, то есть с плоскостью винтовых линий движения ОГ между цилиндрическим корпусом 4 и трубой 5 после завихрителя 2 и не препятствует движению ОГ (то есть, не создает дополнительного сопротивления газам), и исключает возникновение турбулентности между витками ОГ до и после разрезного кольца 6, и, следовательно, не приводят к увеличению сопротивления системы выпуска, так как скорости боковых поверхностей соседних витков ОГ одинаковы.
Был изготовлен образец предлагаемого глушителя-разделителя для ДВС ЯМЗ-236 НЕ с турбокомпрессором. Габариты образца глушителя-разделителя газов: диаметр 125 мм длина 930 мм, объем 11,5 литра (для сравнения - серийный глушитель автомобиля УРАЛ без нейтрализатора имеет диаметр 250 мм, длину 1000 мм, объем 49 литров, а серийный глушитель МАК 2.36-1201010 имеет объем 94 литра).
При испытаниях предлагаемого глушителя-разделителя в составе автомобиля УРАЛ получены следующие результаты: сопротивление выпуска 8 кПа (допуск 10 кПа), уровень шума на III, IV и V скоростях движения автомобиля при замерах слева составил 86, 85 и 85 дБ (децибел), а при замерах справа - 89, 87 и 86 дБ (в сумме со структурным шумом). При этом корпус образца глушителя-разделителя газов не был закреплен к раме автомобиля из-за отсутствия металлорукава между ДВС и глушителем (глушитель висел консольно на жестком креплении фланца к выпускному коллектору ДВС). поэтому большую долю в шум вносил структурный шум и не удалось более точно выделить вклад самого глушителя.
Кроме того, при испытаниях было зафиксировано повышение на 20-40 градусов температуры цилиндрического корпуса образца глушителя-разделителя по сравнению с температурой серийного глушителя, что подтверждает наличие вихревого эффекта.
Возрастание уровня шума образца глушителя-разделителя на III, IV и V передачах справа на 1-3 дБ по сравнению с уровнем шума слева можно объяснить только тем, что с уменьшением скорости движения автомобиля с пятой до третьей передачи возрастает амплитуда вибраций ДВС и ограждающих конструкций автомобиля и глушителя-разделителя, закрепленного жестко с ДВС через выпускной коллектор, то есть возрастает составляющая структурного шума. Эта составляющая может быть обусловлена отсутствием качественного крепления образца глушителя-разделителя газов к корпусу (раме и др.) автомобиля и отсутствием штатного гибкого металлического рукава между глушителем и ДВС, развязывающего глушитель от вибраций ДВС.
Для измерений слева ее влияние на результаты измерений существенно меньше.
Для сравнения: серийный глушитель автомобиля УРАЛ с ДВС ЯМЗ-236 без турбонаддува показал уровень шума 89 дБ при замерах слева и справа, глушитель МАК 2.36-1201010 с катализатором и ДВС ЯМЗ-236 НЕ с турбокомпрессором показал сопротивление выпуска 8 кПа, уровень шума при замере слева и справа автомобиля 86 дБ.
Из сравнения, предлагаемого и штатных глушителей следует: предлагаемый глушитель-разделитель газов превосходит штатный глушитель автомобиля УРАЛ при меньшем в 4 раза объеме и может иметь сопоставимые результаты по шуму с глушителем МАК 2.36-1201010 с катализатором при замерах слева и превышает на III передаче уровень шума на 1-3 дБ при замерах справа, при соответствии сопротивления и при меньшем в 8 раз объеме. Уровень шума предлагаемого глушителя при замерах справа может быть снижен до 86 дБ и менее путем установки между глушителем и ДВС стандартного металлорукава, как у штатных глушителей и закрепления глушителя к раме.