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, МКИ7 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 «АВТОВАЗ» 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 малая эффективность шумозаглушения в области низких частот, особенно на частоте основной рабочей гармоники ДВС (частоте рабочего процесса), и в отдельных высокочастотных диапазонах, 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.
Заявляемая конструкция глушителя предполагает повышение его шумозаглушающей эффективности за счет увеличения рассеивания низкочастотной акустической энергии, на основной частоте выхлопа (рабочего процесса) во всем диапазоне оборотов ДВС (например, для четырехцилиндрового четырехтактного ДВС - это ″f=2n/60″Гц), где резонансное возбуждение основной моторной гармоники, является особенно опасным, а сам режим работы - наиболее шумоактивным. Эти улучшения технических характеристик достигаются за счет выполнения одного или нескольких сквозных компенсационных отверстий в торцевой заглушке промежуточного патрубка, соединяющего промежуточную камеру с выпускной камерой, образующих сквозные каналы в структуре (стенке) заглушки, выполненных таким образом, что с одной стороны суммарная площадь этих отверстий не так велика, что бы существенно увеличить величину
транспортируемого звука по боковому промежуточному патрубку из промежуточной камеры в выпускную), а с другой - образованная поверхность трения в сквозных каналах заглушки уже достаточна для эффективного фрикционного рассеивания резонансных звуковых колебаний при продавливании пульсирующего газа через образованные в заглушке сквозные каналы отверстий прямым высокоскоростным пульсирующим потоком газов при колебаниях столба газов в промежуточной трубе. Предпочтительным является, когда суммарная площадь поверхности сквозных каналов, образованных компенсационными отверстиями в торцевой заглушке, определяется из соотношения
КАН
патр
F=0,02...0,06 F
где
кан
отв
заг
F - суммарная площадь поверхности сквозных каналов отверстий перфорации в заглушке, определяемая выражением (Р × t);
отв
Р - суммарный периметр отверстий перфорации в заглушке;
заг
t - толщина стенки заглушки;
патр
F - площадь поперечного проходного сечения промежуточного патрубка.
Полезная модель поясняется на чертежах и графиках.
На фиг.1, 2 и 3 представлена схема конструктивного исполнения заявляемого глушителя.
На фиг.4, 5, 6 и 7 представлены варианты конструктивного исполнения в торцевой заглушке промежуточной трубы заявляемого глушителя круглых отверстий, с образованием сквозных каналов в ее структуре (стенке).
На фиг.8 схематично показаны пути прохождения отработавших газов в глушителе, в частности, из промежуточной камеры 8 в выпускную камеру 7, в конструкциях глушителей без отверстий в торцевой заглушке 23 (прототипе) и с отверстиями 27 в торцевой заглушке 23 (по заявляемой конструкции).
На фиг.9 схематично показаны распределения звуковых давлений в глушителе и пути прохождения газов в первой фазе колебаний.
На фиг.10 схематично показаны распределения звуковых давлений в
глушителе и пути прохождения газов во второй фазе колебаний.
На фиг.11 графически показаны общие уровни шума выхлопа, регистрируемые измерительным микрофоном у свободного среза хвостовой трубы глушителя, в конструкции глушителя без отверстий в торцевой заглушке 23 (прототипе) и с отверстиями 27 в торцевой заглушке 23 (по заявляемой конструкции).
На фиг.12 графически показаны уровни шума выхлопа на основной частоте следования "2n/60" выхлопных импульсов (рабочего процесса) четырехцилиндрового четырехтактного ДВС в конструкции глушителя без отверстий в торцевой заглушке 23 (прототипе) и с отверстиями 27 в торцевой заглушке 23 (по заявляемой конструкции).
На фиг.13 графически показаны 1/3 октавные спектры шума выхлопа на оборотах максимального крутящего момента ДВС в конструкциях глушителей без отверстий в торцевой заглушке 23 (прототипе) и с отверстиями 27 в торцевой заглушке 23 (по заявляемой конструкции).
Конструкция многокамерного глушителя шума выхлопа ДВС, представленная на фиг.1, 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 с установленной в ней технологической перегородкой 9 с крупными отверстиями 10 (см. разрез А-А на фиг.2), связывающими обе части камеры, соосно расположенные впускной патрубок 11 и выпускной патрубок 12 и аксиально размещенные по обе стороны от оси корпуса промежуточные патрубки 13 и 14. Впускной патрубок 11 сообщается с впускной камерой 6 через отверстия перфорации 15, на патрубке 11 со стороны прямого среза в камере 7 установлена торцевая заглушка 16. Выпускной патрубок 12 сообщается с выпускной камерой 7 через открытый прямой срез 17. Промежуточный патрубок 13 сообщается с камерой 6 одновременно через прямой срез 18 и через отверстия перфорации 19, а с камерой 8 - через прямой срез 20. Промежуточный патрубок 14 сообщается с промежуточной камерой 8 через прямой срез 21, а с выпускной камерой 7 - через отверстия перфорации 22 на патрубке 14. Со стороны свободного
прямого среза промежуточного патрубка 14 в выпускной камере 7 установлена торцевая заглушка 23 (см. схему на фиг.3, разрез В-В). На участке выпускного патрубка 12 в полости промежуточной камеры 8 образован концентричный резонатор 24, посредством перфорирования щелевыми отверстиями 25 участка патрубка 12, закрытого (охваченного) сплошным цилиндрическим кожухом 26. В торцевой заглушке 23 промежуточной трубы 14, выполнены одно или несколько компенсационных отверстий 27 (фиг.4 и 5), образующие сквозные канал (поз. Д, при одном отверстии) или каналы (поз. Е, при нескольких отверстиях), см. фиг.6 и 7 между полостями промежуточной трубы 14 и выпускной камеры 7. На фиг.4, 5, 6 и 7 показаны варианты исполнения круглых отверстий, но при этом не исключается выполнение отверстий другой геометрической формы, например овальной или прямоугольной.
Работает глушитель обычным образом.
Выхлопные газы, совместно с шумовой энергией газового потока, при реализации рабочего процесса двигателя (ДВС), подводятся к глушителю по трубопроводной магистрали системы выпуска (см. фиг.1 и 8), распространяются по впускному патрубку 11 и через отверстия перфорации 15 поступают в полость впускной камеры 6 глушителя. В зонах отверстий перфораций 15 в полости камеры 6 вследствие резкого расширения акустического волновода и обусловленного этим скачкообразного изменения волнового сопротивления, определяемого соотношением суммарной площади проходных сечений отверстий перфорации 15 впускного патрубка 11 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 16, перекрывающая прямую передачу неослабленного в глушителе звука из впускного патрубка 11 в выпускной патрубок 12. Неотраженная часть энергии звуковых волн передается и транспортируется по направлению к прямому срезу 18 и отверстиям перфорациям 19 промежуточного патрубка 13. Кроме передачи звуковой энергии через прямой открытый срез 18, в патрубок 13, происходит также передача звуковой энергии через его перфорированный отверстиями 19 концевой участок (боковой срез) с соответствующими фрикционными потерями звуковой энергии при прохождении звуковых волн через
указанные отверстия 19. Кроме того, концевой перфорированный участок выполняет положительную шумодемпфирующую функцию по подавлению собственных резонансных колебаний газа в патрубке 13, как участка волновода (трубы) определенной длины с открытыми с двух сторон концевыми участками. Вследствие скачкообразного изменения волнового сопротивления, определяемого соотношением проходных сечений камеры 6 и промежуточного патрубка 13, аналогичным образом звуковые волны частично отражаются в сторону источника излучения (к выпускному клапану) и частично передаются из полости камеры 6 через прямой срез 20 промежуточного патрубка 13 в промежуточную камеру 8, где вследствие резкого расширения акустического волновода на свободном срезе 20 в полости камеры по обе стороны от технологической перегородки 9 (фиг.2) с крупногабаритными отверстиями 10 теряют часть звуковой энергии и, далее, передаются к свободному срезу 21 промежуточного патрубка 14 и вследствие резкого сужения акустического волновода, частично отражаются, в том числе дополнительно и от торцевой заглушки 23, обратно в сторону источника излучения (к выпускному клапану), а частично передаются из полости камеры 8 через отверстия перфорации 22 промежуточного патрубка 14, 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 17 выпускного патрубка 11 и, вследствие резкого сужения проходного сечения патрубка 11, как передающего элемента акустического волновода, частично отражаются в сторону источника излучения (к выпускному клапану) и частично проходят по выпускному патрубку 12, попадают в полость резонаторной камеры 24, образованной перфорированными отверстиями 25 участка патрубка 12, охваченного сплошным цилиндрическим кожухом 26, теряют в резонаторной камере энергию заданного частотного диапазона в процессе фрикционных резонансных (с большими амплитудами) колебаний газа и далее по выпускному патрубку 12 и выхлопной трубе (на схемах фиг.1 и 8 не показана) выделяются в атмосферу.
Однако, эффективность работы глушителя (прототипа) значительно уменьшается, с возникновением частотных полос пропускание незаглушенной звуковой энергии при возбуждении в нем резонансных колебаний на низких частотах, совпадающих с собственными частотами колебаний газа в глушителе.
Низшая собственная частота колебаний (низшая собственная мода) определяется собственной частотой синфазных колебаний газовых масс в патрубках 13 и 14, сжимающих (разжимающих) газ в камерах 6, 8 и 7, работающих при низкочастотных колебаниях как газовые пружины. Механизм таких собственных колебаний поясняется фигурами 9 и 10. Первая фаза колебаний (первая половина периода) иллюстрируется фиг.9. Под действием перепада давлений газа в камерах 6 и 7 газ в патрубке 13 устремляется из камеры 6 в камеру 8, а в патрубке 14 - из камеры 8 в камеру 7. Высокое давление в камере 8 показано косой штриховкой, низкое, в камере 7 - крестообразной штриховкой.
Двигающиеся массы пульсирующего газа в патрубках 13 и 14 сжимают газ (сжимают газовую пружину) в камере 8 и одновременно разжимают газ в камере 7. Давление в камере 8 повышается, а в камере 7 - понижается. Наступает вторая фаза колебаний, изображенная на фиг.10. Во второй фазе - газ в патрубках движется в противоположную сторону и потом снова повторяется первая фаза.
В первой фазе колебаний (фиг.9), ввиду наличия компенсационных отверстий 27, образующих в торцевой заглушке 23 сквозные каналы с поверхностями трениями, при резонансных колебаниях пульсирующий столб транспортируемого газа интенсивно продавливается через каналы компенсационных отверстий 27, что обеспечивает дополнительные фрикционные потери на рассеивание звуковой энергии вследствие процессов трения на внутренних поверхностях каналов отверстий, снижающие интенсивность резонансных колебаний, устраняющие пропускание звука на данных частотах и повышающие, за счет этого, шумозаглушающую способность глушителя. Суммарная площадь поверхности каналов отверстий 27 в торцевой заглушке 23 промежуточного патрубка 14, образованная суммарным периметром (длиной окружности) отверстия или нескольких отверстий умноженным на толщину (t) стенки заглушки 23 выбирается таким образом, чтобы обеспечить повышенные потери (рассеивание) резонансной звуковой энергии в глушителе на заданных наиболее шумоактивных режимах ДВС - с одной стороны, а с другой стороны, - существенно не нарушить акустическую настройку выпускной камеры 7 вследствие некоторого возможного усиления волновой связи через промежуточный патрубок 14 между камерами 8 и 7, как звукопроводящего соединительного канала, через слишком большую площадь поверхности сквозных каналов отверстий 27. В противных случаях (с большой суммарной площадью поверхности сквозных
каналов отверстий 27), существенная часть звуковой энергии передается непосредственно из промежуточной камеры 8 в выпускную 7, и далее через выхлопную трубу - в атмосферу. Вследствие этого, возможно возникновение дополнительной нежелательной передачи как низкочастотного, так и высокочастотного звука, заметно ухудшающей шумозаглушающие характеристики глушителя в целом.
Компьютерное моделирование акустических и газодинамических процессов заявляемой конструктивной схемы глушителя показали, что рациональным, с точки зрения обеспечения высокой эффективности его работы (высокого шумозаглушения) преимущественно в диапазоне оборотов максимального крутящего момента на коленчатом вале ДВС, является выбор суммарной площади поверхности каналов отверстий 27 в торцевой заглушке 23, определяемой по выражению
кан
патр.
F=0,02...0,06 F;
где,
кан
отв
заг
F - суммарная площадь поверхности сквозных каналов отверстий в заглушке, определяемая выражением (Р × t);
отв
Р - суммарный периметр (длина окружности - для варианта круглых отверстий) отверстий 27 в заглушке 23;
заг
t - толщина стенки заглушки 23;
патр
F - площадь поперечного проходного сечения промежуточного патрубка 14.
При меньшей суммарной площади поверхности каналов отверстий 27 в торцевой заглушки 23 промежуточного патрубка 14 - рассеивание резонансной звуковой энергии будет недостаточно эффективно, при большей - недопустимо увеличивается прямое пропускание звука из промежуточной камеры 8 в выпускную камеру 7 на низких и высоких частотах, которое далее - интенсивно переизлучается выпускным патрубком 12 в выхлопную трубу и в открытое пространство.