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 концентрическую резонаторную камеру, установленную 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 концентрической резонаторной камеры, смонтированной на выпускном патрубке, что позволяет удовлетворять требованиям действующих национальных и международных стандартов, лимитирующих внешний и внутренний шум транспортных средств. Недостатком этой конструкции глушителя является неполное использование потенциальной заглушающей способности объема глушителя из-за неоптимального взаимного соотношения объемов камер в области низких частот, особенно на частоте основной рабочей гармоники ДВС (частоте рабочего процесса - частоте следования выхлопных импульсов), что обуславливает дополнительную передачу и излучение звука на этих частотах из глушителя в окружающую среду и не удовлетворяет более жестким перспективным требованием проектов 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 шумозаглушение 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
соединяющие полости этих камер впускной, выпускной и промежуточные патрубки, и отличающееся тем, что:
длина каждого из промежуточных патрубков составляет не менее половины от суммарной длины внутренних объемов впускной, промежуточной и выпускной камер глушителя (с вычетом толщин внутренних перегородок, разделяющих полости впускной, промежуточной и выпускной камер);
объем промежуточной камеры составляет (0,57) от суммарного внутреннего объема впускной, промежуточной и выпускной камер глушителя (V) (объемы камер определяются с учетом, вычитания объемов, занимаемых в них внутренними узлами, т.е. трубами, охваченными внешними кожухами резонаторов);
объемы впускной и выпускной камер по отдельности составляют 0,18 и 0,26 V соответственно.
Интервал отклонений от заявляемых геометрических значений может составлять +/-1% и зависит от допусков конструкторской документации.
Благодаря этой особенности устройства глушителя достигается максимальное уменьшение значений низших собственных частот глушителя обусловленных колебаниями газа в промежуточных патрубках как сосредоточенных масс, и как показали исследования опытных образцов, обеспечивается высокая эффективность 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 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 поняты 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,
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 впускной камерой 6 через прямой срез 16, а с промежуточной 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. Со стороны впускной камеры 6 в срезе промежуточного патрубка 12 установлена глухая торцевая заглушка 21.
На фиг.3 приведены результаты сравнительных испытаний общих уровней шума выхлопа системы выпуска, в комплектации с глушителем прототипом и глушителем, выполненным, в совокупности с заявляемыми значениями и соотношениями объемов, камер.
На фиг.4 приведены сравнительные спектры звукового давления на оборотах максимального крутящего момента двигателя.
Работает глушитель обычным, образом.
Выхлопные газы совместно с шумовой энергией пульсирующего газового потока, при реализаций рабочего процесса ДВС, подводятся к глушителю по трубопроводной магистрали системы выпуска, распространяются по впускному патрубку 9 глушителя и через отверстия перфораций 13 поступают в полость впускной камеры 6 глушителя. В зонах отверстий перфорации 13 в полости камеры 6 в следствии 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 глухая торцевая заглушка 14, перекрывающая прямую передачу неослабленного в глушителе звука из впускного патрубка 9 в выпускную камеру 7 и далее 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 чaстичнo, пpoxoдят по впycкномy патрубку 10, попадают, в полость патрубка 10, охваченного сплошным м цилиндрическим кожухом 24, отверстиями 23, теряют в резонаторной камере 22 энергию заданного частотного диапазона в процессе фрикционных резонансных (с большими амплитудами) колебании газа и далее по впускному патрубку 10 и выхлопной трубе (не показана) выделяются в атмосферу.
Однако, возможная более высокая эффективность работы известной конструкции глушителя (прототип) используется недостаточно полно, в области
низких частот - значительно ухудшается, с возникновением частотных полос пропускания незаглушеной звуковой энергии из-за неоптимального распределения объёмов камер в области заглушения низких звуковых частот, особенно на частоте основной рабочей гармоники ДВС (частоте следования выхлопных импульсов), что обуславливает дополнительную передачу и излучение звука, из глушителя в окружающую среду и не удовлетворяет более жестким перспективным требованием проектов национальных и международных стандартов, лимитирующих внешний, и внутренний шум транспортных средств.
Характер движения выхлопных газов с учетом колебательных процессов на низших резонансных частотах определяет тем, что объемы (массы) газа в каждом из промежуточных патрубков колеблются при этом, как сосредоточенные, массы, в то вpeмя как объeмы газa в кaмepaх глушителя -работают как упругие пружины. Частоты этих низкочастотных, колебаний в камерах глушителя зависят от суммарного объёма газов в глушителе, инерции газовых, масс, сосредоточенных в полостях промежуточных, патрубков, и распределения суммарного объёма глушителя и чем больше длины патрубков (массы газов в патрубков), тем ниже низшие собственные частоты колебаний полостей в камерах глушителя и тем дальше они отстоят от вынужденной частоты возбуждения основной рабочей гармоники ДВС (частоты рабочего процесса, т.е. частоты следования выхлопных импульсов). Величина максимального объема камер глушителя ограничена его компоновочными, габаритными и стоимостными показателями, длины промежуточных патрубков также лимитированы принятой длиной камер, стесненными условиями компоновки труб в камерах и при необходимости их настройки на эффективное подавление звукбвбгб излучения на резонансных частотах камер. Соотношение величин объемовкамер между собой должно быть выбрано по требованиям эффективного заглушенйя шума выхлопа таким образом, чтобы обеспечить наиболее низкие значения большей из резонансных частот, соответствующих собственным колебаниям газа в собственных формах (модах) с индексами 1 и 2 (т.е. на первой и второй собственных модах).
Компьютерное моделирование акустических и газодинамических процессов протекающих в заявляемом устройстве, согласно описанной 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 описанных выше конструктивных параметров из следующих соображений;
а) длина каждого из промежуточных патрубков должна составлять не менее половины от суммарной длины внутренних объемов впускной, промежуточной и выпускной камер глушителя;
б) объем полости промежуточной камеры должен составлять 0,57 от суммарного внутреннего объема полостей впускной, промежуточной и выпускной камер глушителя (V);
в) объемы полостей впускной и выпускной камер по отдельности должны составлять 0,18 и 0,26 V соответственно.
Для соотношений выходящих из заявляемых значений (в любую сторону, так как увеличение объема одной из камер автоматически уменьшает объем другой при неизменных габаритах корпуса глушителя) - резонансные частоты на первой или второй собственных модах (или обеих, или, по крайней мере, на одной из них) - повышаются и, по крайней мере, одна из них приближается к рабочим частотам возбуждения двигателя (к частоте следования выхлопных импульсов при работе двигателя на оборотах максимального момента на коленчатом вале), что ухудшает эффективность заглушения шума выхлопа глушителем в этом важном диапазоне частот и скоростном режиме работы двигателя вследствие возбуждения и передачи резонансных колебаний газов из камер в выпускную трубу глушителя и далее - в окружающую среду.
Таким образом, реализуется конструкция высокоэффективного по шумозаглушению многокамерного глушителя выхлопа ДВС, за счет ослабления резонансных усилений звуковой энергии на низких частотах (низших собственных модах полостей камер глушителя), что позволяет в конечном итоге уменьшить акустическое загрязнение окружающей среды транспортными средствами, оборудованными поршневыми ДВС.