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, МКИ 7 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 впускную 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.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, подразумевает повысить эффективность работы глушителя, в частности, обеспечить высокое шумозашлушение преимущественно в диапазоне оборотов максимального крутящего момента на коленчатом вале ДВС.
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, на одном из которых выполнен внешний рассеивающий замкнутый объем, связанный с внутренним объемом полости патрубка через
отверстия перфорации в стенках промежуточного патрубка и отличающееся тем, что:
эфф
эфф
перфорированный участок промежуточного патрубка размещен таким образом, что, по крайней мере, 80% площади отверстий перфорации расположены между условными плоскостями отстоящими на расстояниях 0.4L от одного из концевых срезов промежуточного патрубка и 0.2L - от другого концевого среза промежуточного патрубка,
площадь отверстий перфораций составляет при этом 0.5...1.8 от площади проходного поперечного сечения промежуточного патрубка,
объем, образованный внешним охватывающим участок промежуточного патрубка кожухом и наружными стенками промежуточного патрубка составляет 0.25...0.65 от внутреннего объема полости промежуточного патрубка,
где
патр
L - длина промежуточного патрубка;
d - диаметр проходного 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;
- на фиг.1, 2 представлена схема конструктивного исполнения заявляемого глушителя.
- на фиг.3а, 3б и 3в схематично показаны пути прохождения колебательного и стационарного потоков отработавших выхлопных газов ДВС, через промежуточный патрубок 11 при возбуждении в нем резонансных колебаний газа и эпюры распределения колебательных давлений на первых двух собственных резонансных формах колебаний (собственных модах) газа в промежуточном патрубке 11.
Условные обозначения физических параметров характеризующих работу глушителя приведены ниже:
17
q - колебательный объемный расход выхлопных газов из промежуточного патрубка 11 через перфорации 17 во внешний замкнутый рассеивающий объем 26;
16
q - колебательный объемный расход выхлопных газов в сечении среза 18 из впускной камеры 6 в промежуточный патрубок 11;
18
q - колебательный объемный расход выхлопных газов в сечении среза 18 из промежуточного патрубка 11 в промежуточную камеру 8;
6
P - колебательное давление выхлопных газов в полости впускной камеры 6 у свободного открытого среза 16 промежуточного патрубка 11;
11
Р - колебательное давление выхлопных газов на резонансных частотах в полости промежуточного патрубка 11.
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. Концевая часть впускного патрубка 9, находящаяся в полости выпускной камеры 7, закрыта глухой торцевой заглушкой 14. Выпускной патрубок 10 сообщается с выпускной камерой 7 через открытый прямой срез 15. Промежуточный патрубок 11 сообщается с камерой 6 через прямой срез 16, а с камерой 8 - через прямой срез 18 и с объемом 26 между патрубком 11 и кожухом 27 - через отверстия перфорации 17. 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 глухая 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 промежуточного патрубка 11. Вследствие скачкообразного изменения волнового сопротивления, определяемого соотношением проходных сечений камеры 6 и промежуточного патрубка 11, звуковые волны частично отражаются в
сторону источника излучения (к выпускному клапану) и частично передаются из полости камеры 6 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, 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, 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) выводятся в атмосферу.
Однако, эффективность работы известной конструкции глушителя (прототипа) значительно ухудшается с возникновением частотных полос пропускания незаглушенной звуковой энергии при возбуждении в промежуточном патрубке 11 резонансных колебаний газа с частотами для которых на длине промежуточного патрубка 11 приближенно укладывается целое число (n) длин звуковых полуволн. Наиболее опасные низкочастотные резонансы на кратных собственных модах с n=1 и n=2.
На фигуре 3б и 3в показаны распределения колебательных акустических давлений газа (Р) при резонансных колебаниях в промежуточном патрубке 11 для случаев низших собственных мод с n=1 и n=2.
11
26
Под действием колебаний давления, возбуждаемых в промежуточном патрубке 11 (Р), часть колебаний расхода продавливается в замкнутый (охваченный кожухом 27) объем 26 (V). При этом часть колебательной энергии
при таком продавливании через отверстия перфорации 17 вследствие потерь на трение - рассеивается и интенсивность резонансных колебаний газа в полости промежуточного патрубка 11 - уменьшается.
17
26
Для наиболее эффективного рассеивания резонансной колебательной энергии месторасположение отверстий 17 перфораций промежуточного патрубка 11, их площади (F) и объем полости (V) образованный кожухом 27, должны быть согласованы как между собой, так и с режимом работы ДВС.
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 взаимосогласованный выбор этих конструктивных параметров из следующих соображений:
17
эфф
эфф
а. по крайней мере 80% площади отверстий перфорации (F) промежуточного патрубка 11 должны быть расположены между условными плоскостями, отстоящими на расстояниях 0.4L от одного из концевых срезов промежуточного патрубка 11 и 0.2L - от другого концевого среза промежуточного патрубка 11,
где
патр
L - длина промежуточного патрубка 11;
d - диаметр проходного сечения промежуточного патрубка 11.
17
17
б. площадь отверстий перфораций (F) промежуточного патрубка 11 должна составлять 0.5...1.8 от площади поперечного проходного сечения перфорации (F) промежуточного патрубка 11,
26
11
в. объем полости 26 образованной внешним кожухом 27 и наружными стенками промежуточного патрубка 11 (V) должен составлять 0.25...0.65 от внутреннего объема полости промежуточного патрубка 11 (V)
где
17
F - суммарная площадь отверстий перфораций 17 промежуточного патрубка 11,
11
F - площадь проходного поперечного сечения промежуточного патрубка 11,
26
V - объем газовой полости 26, образованный между патрубком 11 и кожухом 27,
11
V - внутренний объем полости патрубка 11.
Указанное расположение отверстий перфорации 17 (см. выше, пункт "а") позволяет эффективно демпфировать как первый (n=1) так и второй (n=2) резонанс промежуточного патрубка 11 на его низших собственных модах (n=1 и n=2), для которых максимальные колебания давления (Р) возбуждаются в зоне середины промежуточного патрубка 11 (n=1) и на расстоянии четверти длины промежуточного патрубка 11 от его свободных срезов (концевых участков) 16 и 18 (n=2), см. фиг.3б и 3в.
17
11
17
11
17
11
При площади отверстий перфораций F=(0.5...1.8)F, выбор значений F<0.5F (см. выше, пункт "б") приводит к тому, что сопротивление отверстий перфораций 17 при прохождении газового потока слишком велико и количество газа продавливаемого в замкнутый объем полости 26, образованный кожухом 27 и стенками патрубка 11 слишком мало. При F>1.8F - оно (сопротивление) слишком мало и, соответственно, мало вследствие этого, рассеивание звуковой энергии.
26
11
26
11
При слишком малом объеме замкнутой полости, образуемой стенками кожуха 27 и промежуточного патрубка 11 V<0.25V (см. выше, пункт "в"), ввиду ограниченной сжимаемости малого количества газа, только очень маленькое его количество (газа) продавливается через отверстия перфорации 17 в полость камеры 26 и рассеивание звуковой энергии и газовых пульсаций - невелико. При V>0.65V и при заданной суммарной площади отверстий перфораций 17 - по соотношению (2) - возникают нежелательные (паразитные) низкочастотные резонансы снижающие шумозаглушающую эффективность глушителя на оборотах
максимального момента.
Таким образом, реализуется конструкция высокоэффективного по шумозаглушению многокамерного глушителя шума выхлопа ДВС, за счет исключения резонансных усилений звуковой энергии транспортируемого потока выхлопных газов в его промежуточном заглушающем конструктивном элементе - патрубке 11, посредством которого впускная камера 6 глушителя сообщается с промежуточной камерой 8, что позволяет уменьшить акустическое загрязнение окружающей среды транспортными средствами, оборудованными поршневыми ДВС.
Полезная модель обеспечивает высокую эффективность работы глушителя (высокое шумозаглушение) преимущественно в диапазоне оборотов максимального крутящего момента на коленчатом вале ДВС.