СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ШУМА СИСТЕМЫ ВЫПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
NOISE REDUCTION METHOD OF EXHAUST SYSTEM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Измерение относится к области транспортного машиностроения, более конкретно - к способам снижения шума отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано для снижения внешнего шума транспортного средства (ТС), например автомобиля.
Известен способ снижения шума отработавших газов ДВС, заключающийся в том, что выпуск отработавших газов осуществляют через глушитель, установленный на трубе системы выпуска, который описан в книге «Контроль шума в промышленности: Предупреждение, снижение и контроль промышленного шума в Англии: Перевод с английского. / Под редакцией Дж.Д.Вебба. - Л., Судостроение, 1981, стр.155». При этом в качестве устройств, осуществляющих способ, используют различные типы глушителей: реактивные, основанные на использовании настроенных на определенные частоты специальных элементов, активные, представляющие собой диссипативные устройства, принцип действия которых состоит в преобразовании акустической энергии в тепловую, и глушители смешанного типа, сочетающие оба принципа действия. Глушители устанавливаются, как правило, на конце выпускной системы (см., например, схемы выпускных систем различных автомобилей, приведенные в книге «Снижение шума автомобиля», авторы: В.Н.Луканин, В.Н.Гудцов, Н.Ф.Бочаров. - М.: Машиностроение, 1981, стр.91, рис.40.). Кроме глушителей в выпускных системах могут дополнительно устанавливаться расширительные камеры и нейтрализаторы.
Известно также, что характер шума выхлопа ДВС является широкополосным (см., например, «Техническая акустика транспортных машин: Справочник / Л.Г.Балишанская, Л.Ф.Дроздова, Н.И.Иванов и др.; Под ред. Н.И.Иванова. - С-Петербург: Политехника, 1992, стр.195»), при этом для низко- и среднечастотных областей спектра шума выпуска характерны дискретные составляющие, пропорциональные частотам следования вспышек топлива, а для области высоких частот - непрерывность спектра. В связи с этим, высокоэффективный глушитель, обеспечивающий нормативные требования по внешнему шуму автомобиля, должен одинаково хорошо снижать шум выпуска в широком диапазоне частот (от 20-30 Гц до 3-4 кГц), что чрезвычайно трудно реализовать в конкретной конструкции глушителя, поскольку к нему предъявляются очень жесткие требования: компактность, низкая себестоимость, долговечность и обеспечение определенной величины гидравлического сопротивления, регламентируемой двигателем. Последнее требование существенно ограничивает выбор возможных конструкций глушителей, в связи с чем разработка эффективного с точки зрения акустики глушителя весьма проблематична. Это и является существенным недостатком известного способа снижения шума системы выпуска ДВС и устройств (глушителей), реализующих способ.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является существенное повышение акустической эффективности известного способа снижения шума системы выпуска без повышения гидравлического сопротивления.
Достигается это тем, что в известном способе снижения шума системы выхлопа ДВС, заключающемся в выпуске отработавших газов через глушитель, устанавливаемый на трубе системы выпуска, согласно изобретению предварительно определяют спектр шума внутри трубы системы выпуска и определяют гармоники частоты следования выхлопов с повышенными уровнями шума в рабочем диапазоне оборотов двигателя, а затем перед глушителем устанавливают по меньшей мере один акустический резонатор с изменяемой резонансной частотой, сообщающийся горловиной с трубой системы выпуска, при этом частоту акустических колебаний резонатора при работе двигателя на любых оборотах рабочего диапазона синхронно настраивают на частоту гармоник следования выхлопов с повышенными уровнями шума.
Суть изобретения поясняется на фиг.1, на котором схематично приведено одно из возможных устройств для реализации заявляемого способа. На фиг.2 - вид I фиг.1 (увеличено).
Система выпуска отработавших газов содержит трубу 1, по которой отработавшие газы подаются от двигателя 2 к глушителю 3. Перед глушителем 3 установлен по меньшей мере один акустический резонатор 4 с изменяемой резонансной частотой, который, в простейшем случае, может быть выполнен в виде резонатора Гельмгольца с изменяемым объемом полости резонатора. Это может быть достигнуто тем, что у резонатора 4 дно 6 выполнено в виде подвижного поршня со штоком 7. Резонатор 4 сообщается своей горловиной 5 с трубой 1. Движение штока 7 показано стрелкой. Благодаря изменению объема резонатора V изменяется его резонансная частота. Со штоком 7 кинематически связан привод 8 (например, электродвигатель), на который по кабелю 9 поступает электрический сигнал с управляющего устройства 10, связанного с датчиком оборотов 11 двигателя 2. Датчик 11 может быть установлен на коленчатом валу двигателя 2 либо на других вращающихся его элементах, частота вращения которых зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя 2.
Резонансная частота резонатора Гельмгольца рассчитывается по формуле
С - скорость звука в газовой среде полости, м/с;
2
S - площадь горловины резонатора, м;
3
V -объем полости резонатора, м;
d - диаметр горловины резонатора, м;
l - длина горловины резонатора, м.
Из этой формулы видно, что уменьшая объем полости резонатора, его резонансная частота увеличивается (при неизменных значениях S, l, и d), и наоборот, увеличивая объем полости, резонансная частота уменьшается. Этот принцип и положен в основу устройства, осуществляющего реализацию заявляемого способа.
Частота следования вспышек в четырехтактном ДВС, равная частоте выхлопов отработавших газов, вычисляется по формуле
N - число оборотов коленчатого вала двигателя, об/мин;
Z - количество цилиндров в ДВС.
Рассмотрим, для примера, 6-цилиндровый дизельный ДВС с числом оборотов от 900 до 2100 (900 об/мин - частота холостых оборотов, 2100 об/мин - максимальная частота вращения коленчатого вала). Следовательно, основная (первая гармоника) частота следования выхлопов данного двигателя будет расположена в диапазоне 45-105 Гц, вторая гармоника основной частоты расположена в диапазоне 90-210 Гц, третья - в диапазоне 135-315 Гц и т.д. Предположим далее, что при определении спектра шума внутри трубы системы выпуска (при изменении числа оборотов коленчатого вала от 900 до 2100 об/мин) было выявлено, что повышенные уровни шума возникают на частотах 60, 80 и 100 Гц, а также на частотах 240 и 280 Гц. Это означает, что превалирующими в образовании шума выхлопа являются первая и третья гармоники частоты следования выхлопов ДВС (для данного примера). Следовательно, для снижения шума системы выпуска один из резонаторов должен быть настроен на изменение его резонансной частоты в диапазоне 45-105 Гц (первая гармоника), а другой - в диапазоне 135-315 Гц (третья гармоника). Таким образом, при совпадении частот, на которых имеются повышенные уровни шума в системе выпуска, с резонансными частотами резонаторов будет происходить снижение шума системы выпуска. Привод 8 штока 7 синхронно настраивает резонансную частоту резонатора на частоту следования выхлопов ДВС, например, для приведенного выше ДВС при числе оборотов двигателя N=1730 об/мин частота следования выхлопов первой гармоники будет равна 86,5 Гц, и привод 8 обеспечивает такое положение поршня 6, что резонансная часта резонатора при полученном значении объема полости резонатора также равна 86,5 Гц.
Работает устройство следующим образом (см. фиг.1). При работе двигателя 2 отработавшие газы поступают в трубу 1 и далее в глушитель 3. Датчик оборотов 11 двигателя 2 формирует электрический сигнал, пропорциональный числу оборотов, который по кабелю 9 поступает на управляющее устройство 10, которое усиливает его и передает по кабелю 9 на привод 8, кинематически связанный со штоком 7, осуществляющим перемещение поршня 6. При этом при увеличении оборотов двигателя (увеличение частоты следования выхлопов) поршень 6 перемещается вниз, т.е. объем V полости резонатора уменьшается и его резонансная частота увеличивается, а при уменьшении оборотов двигателя 2 (уменьшение частоты следования выхлопов) поршень 6 перемещается вверх, объем V резонатора увеличивается и его резонансная частота уменьшается, соответствуя по величине частоте следования выхлопов двигателя 2 (либо ее гармоникам). Резонатор 4 соединен своей горловиной 5 с полостью трубы 1. При этом резонатор 4, синхронно настраиваемый на частоту следования частоты выхлопов двигателя 2 (либо гармоник), снижает амплитуду акустических колебаний на частоте следования выхлопов во всем рабочем диапазоне оборотов двигателя. Снижение шума резонатором 4 происходит благодаря трению при колебаниях газовой среды в горловине 5 резонатора. Увеличить трение в горловине 5 можно путем установки внутри нее продуваемого материала, например металлической сетки. Таким образом, на вход глушителя 3 поступает шум с пониженным уровнем, который далее снижается непосредственно глушителем 3. Установка резонаторов с изменяемой резонансной частотой не приводит к увеличению гидравлического сопротивления системы выпуска в целом.
Реализация заявляемого способа осуществляется следующим образом. Для конкретного типа двигателя, установленного, например, на автомобиле, предварительно определяют спектр шума внутри трубы системы выпуска. Для этого измеряют звуковое давление внутри трубы перед глушителем с помощью акустического датчика в рабочем диапазоне оборотов двигателя (от холостых оборотов до максимальных) и проводят спектральную обработку информации. После этого по спектру шума определяют гармоники частоты следования выхлопов (например, первую гармонику, вторую и т.д.) с повышенными уровнями шума в рабочем диапазоне оборотов двигателя. Затем перед глушителем устанавливают по меньшей мере один акустический резонатор с изменяемой резонансной частотой, сообщающийся горловиной с трубой системы выпуска, при этом частоту резонансных колебаний резонатора при работе двигателя на любых оборотах рабочего диапазона синхронно настраивают на частоту гармоники следования выхлопов с повышенными уровнями шума. Последовательность действий способа завершена.
По сравнению с известными способами снижения шума систем выпуска ДВС заявляемый способ позволяет эффективно и целенаправленно снижать шум частотных составляющих с повышенным уровнем, не увеличивая гидравлического сопротивления системы выпуска.
По мнению заявителя, предлагаемое техническое решение, обладающее новизной, наличием существенных отличительных признаков и промышленной применимостью, может быть защищено патентом на изобретение.