Глушитель

Полезная модель относится к функциональным элементам выхлопных систем двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств, а также может быть использована в стационарных силовых установках, оснащенных ДВС, в других источниках пульсирующих газовых потоков и выпускных трактах.
В контексте данной заявки термин "глушитель" применен в самом широком смысле - как устройство, которое уменьшает передачу звука через канал, не препятствуя переносу среды, то есть, не только в отношении такого функционального элемента, как основной глушитель, предназначенный для окончательного гашения звука системы выпуска отработавших газов, но также и в отношении других глушителей, таких как:
- резонатор (вспомогательный глушитель), предназначенный для глушения пиковых низкочастотных звуков, возникающих при открытии выпускных клапанов ДВС, а также для компенсации резонансных колебаний, возникающих при поочередной детонации топливной смеси;
- пламегаситель - дополнительный резонатор;
- стронгер (прямоточный глушитель), предназначенный для оптимизации работы выхлопной системы, ускорения и закручивания движения отработанных газов и для создания препятствия давлению противотока. Стронгер напрямую не отвечает за компенсацию звуковых волн, однако при попадании в него звуковой волны она подвергается дополнительному гашению.
В современных конструкциях глушителей шума автомобильных ДВС для улучшения глушения звука расширительной цилиндрической камеры с внутренними перфорированными трубами широко используют звукопоглощающие набивки камер волокнистыми материалами. В качестве примера можно привести конструкцию глушителя шума автомобильных ДВС, описанное в патенте на полезную модели №15494, опубл. 20.10.2000 г. Глушитель содержит корпус с установленной в нем осевой перфорированной трубой, окруженной композитным звукопоглощающим материалом. В патенте №15494 отмечено, что в качестве композитного звукопоглощающего материала может применяться стеклянное волокно, и/или базальтовое волокно, и/или металлическое волокно, и/или стеклянный холст, и/или стеклянная сетка. Установленные между осевой перфорированной трубой и корпусом перфорированные перегородки делят внутренний объем на камеры. Перегородки также способствуют снижению уровня звука.
В настоящее время большинство фирм, производящих легковые автомобили, используют глушители, в конструкции которых между корпусом и осевой перфорированной трубой применяется набивка из минерального, часто базальтового, волокна, так называемые диссипативные глушители. Обладая достаточно высокими термостойкими и звукопоглощающими характеристиками, такая волокнисто-пористая звукопоглощающая набивка ослабляет нежелательные дефектные резонансные высокочастотные "свисты" глушителя. Однако такая конструкция имеет и ряд существенных недостатков, основные из которых следующие:
- набивка из волокнистого минерального материала активно впитывает и накапливает в полости химически агрессивный конденсат, содержащийся в выхлопных газах, что вызывает ускоренную внутреннюю коррозию стенок и перегородок корпуса глушителя, существенно сокращая срок его эксплуатации. Это вынуждает применять дорогостоящие нержавеющие хромникелевые стали для изготовления корпуса и осевой трубы,
- заполнение расширительных камер глушителя волокнистой шумопоглощающей набивкой вызывает некоторую потерю эффективности глушения низкочастотного шума, вследствие частичной потери объема полости расширительной камеры, заполняющей набивкой,
- в процессе длительной эксплуатации устройства уменьшается пористость волокнистой набивки камеры из-за накапливающегося воздействия частиц углерода (сажи) и жидкого конденсата ("закоксовывание" пор), что влечет ухудшение звукопоглощающих характеристик волокнистой набивки и соответствующее снижение шумозаглушающей способности глушителя в целом;
- работа двигателя на форсированных режимах приводит к плавлению и спеканию минерального наполнителя и выходу глушителя из строя;
- применение матов из минеральных тонкодисперсных волокон в технологии производства глушителей связано с вредными условиями производства, вследствие возможного попадания мелких частиц волокон через органы дыхания в организм человека.
Известны конструкции глушителей, лишенные указанных выше недостатков за счет частичного или полного отказа от применения набивки из минерального наполнителя - так называемые резонансные и отражательные глушители (в терминологии ГОСТ 31328-2006 Шум. Руководство по снижению шума глушителями).
В патенте на полезную модель №185332, опубл. 30.11.2018 описана конструкция глушителя, корпус которого разделен внутренними перегородками на входную, центральные и выходную расширительные камеры. Входная камера полностью заполнена звукопоглощающей набивкой (базальтовым волокном). Труба установлена в указанных перегородках вдоль оси корпуса и имеет в центральных камерах сужения проходного сечения, перенаправляющие поток отработавших газов. В перегородках выполнены группы отверстий, организующие движение указанного потока внутри корпуса. В перегородке между входной камерой, полностью заполненной звукопоглощающей набивкой, и смежной с ней центральной камерой выполнены две группы отверстий, расположенные симметрично относительно оси корпуса. В остальных внутренних перегородках выполнено по одной группе отверстий, поочередно расположенных с противоположных сторон относительно оси корпуса. Энергия шума отработавших газов двигателя внутреннего сгорания первично поглощается набивкой во входной камере. Звуковые волны, попадающие в центральные незаполненные волокном камеры и проходящие через группы отверстий, значительно гасятся за счет интерференции с отраженными волнами, возникающими при столкновении с глухими участками перегородок. Конструкция позволяет значительно снизить выходной шум отработавших газов ДВС, однако вследствие наличия входной камеры, заполненной звукопоглощающей минеральной набивкой сохраняет недостатки, присущие диссипативным конструкциям.
В качестве прототипа выбран автомобильный глушитель, описанный в патенте на полезную модель №63454, опубл. 27.05.2007. Автомобильный глушитель содержит цилиндрический корпус с торцевыми стенками, соосные впускной и выпускной патрубки, внутренние поперечные перегородки с крестообразными прорезями в перфорации. Как описано в патенте №63454, при входе отработанных газов через впускной патрубок происходит изэнтропическое расширение во входной секции и образуются слабые ударные волны, которые при прохождении через перфорированную перегородку уменьшают свои параметры (давление, скоростной напор) за счет интерференции газовых потоков и вихреобразования при выходе их из каналов крестообразной формы. Поток газов, проходя через каждую из последующих перфорированных перегородок, ослабевает, что усиливает эффект шумопоглощения. В глушителе по прототипу не предусмотрено применение звукопоглощающей набивки, то есть она не обладает соответствующими недостатками, описанными выше. Однако описанная в патенте конструкция №63454 не может обеспечить достаточно эффективное шумопоглощение, т.к. глушитель не обладает отдельными расширительными камерами, которые позволяют гасить колебания давления выхлопных газов, и все камеры фактически представляют из себя классические резонаторные камеры, каждая из которых будет иметь свою основную частоту и обертоны, порождая паразитные звуковые колебания на различных оборотах работы ДВС. Кроме того, выхлопные газы при проходе через достаточно большие крестообразные прорези создают аэродинамические вихри на кромках прорезей, что приводит к последующей генерации звуковых волн непредсказуемой частоты и возникновению резонансных колебаний в камерах глушителя на различных частотах. Также следует отметить, что весь объем отработанных газов проходит через ряд перегородок с крестообразными прорезями. Это приводит к повышению гидравлического сопротивления и повышению температуры на выходе.
В основу полезной модели поставлена задача расширения арсенала средств и создания новой конструкции глушителя. Достигаемый технический результат - повышение эффективности гашения звуковой волны в широком диапазоне частот с исключением возможности возникновения резонансных колебаний в камерах глушителя, при одновременном снижение гидравлического сопротивления.
Задача решается тем, что заявленный глушитель имеет цилиндрический корпус с торцевыми крышками. Внутри корпуса установлена перфорированная осевая труба, объем между корпусом и осевой трубой разделен на расширительные камеры, свободные от набивки. Между смежными камерами установлена поперечная перегородка, имеющая форму кольца с отбортовками по внутреннему отверстию и по внешнему контуру, в перегородке выполнены отверстия путем прокола без потери материала с образованием зазубренных краев.
Отверстия в перегородке могут быть равномерно распределены по окружности.
Глушитель может иметь, по меньшей мере, две расширительные камеры.
Для того, чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности полезной модели, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описаны варианты конкретной реализации применительно к глушителям различных конструкций. Примеры реализации иллюстрируются Фигурами чертежей, на которых схематично представлены конструкции:
Фиг. 1 - пламегаситель коллекторный, Фиг. 2 - пламегаситель, Фиг. 3 - резонатор, Фиг. 4 - стронгер, Фиг. 5 - перегородка между камерами.
Глушитель имеет цилиндрический корпус 1. Цилиндр может быть круговым или эллиптическим. Длина корпуса составляет от 80 мм до 800 мм, диаметр - от 75 мм до 200 мм. Корпус 1 для улучшения характеристик по глушению звука на мощных ДВС может быть двухслойным. Корпус закрыт торцевыми крышками, которые могут быть плоскими (крышки 2), конусообразными (крышка 3 на Фиг. 1), округлыми. Крышки могут быть завальцованы, присоединены при помощи сварки или составлять единое целое с корпусом, как это показано на Фиг. 4. Внутри корпуса 1 по его оси установлена перфорированная труба 4. Перфорационные отверстия, выполненные в осевой трубе 4, могут иметь округлую форму (пробивные отверстия), но возможно также использование щелевой перфорации с жалюзи (аэродинамическими козырьками). Степень перфорации может составлять от 15% до 34%. Перфорированная осевая труба 4 может быть присоединена к входному и выходному патрубку (см. Фиг. 4).
Между корпусом 1 и осевой трубой 4 установлена поперечная перегородка 5, разделяющая объем на расширительные камеры 6. Перегородок 5 может быть несколько - две и более, таким образом, конструкции может иметь две (Фиг. 1) и более расширительных камер 6. Камеры 6 не имеют набивки (заполнителя), их длина варьируется в пределах от 40 мм до 250 мм.
Перегородка 5 имеет форму кольца с отбортовкой 7 по внешнему контуру, контактирующей с корпусом 1 глушителя, и отбортовкой 8 внутреннему отверстию, контактирующей с осевой трубой 4. Перегородка фиксируется при помощи сварки.
В перегородке 5 выполнены отверстия путем прокола. Отверстия могут быть расположены по окружности. При выполнении прокола происходит пластическая деформация материала перегородки с образованием конусов, вершины которых при дальнейшей деформации разрываются и в отличие от круглых калиброванных отверстий образуются отверстия с зазубренными краями 9.
Работа глушителя основана на принципе деструктивной интерференции звуковых волн, согласно которому в камерах устройства созданы условия наложения звуковых волн. Перегородка служит отражателем, причем наличие выступающих зазубрин на краях отверстий перегородок способствует "дроблению" волн, изменению их частотных параметров и многократному изменению направленности. В результате смешивания первичных звуковых волн с отраженными от плоскости перегородки и от выступов с зазубринами, достигается ослабление результирующей акустической волны. Звук, проходя через каждую из последующих перфорированных перегородок, ослабевает, что усиливает эффект шумопоглощения. Кроме того, такое "дробление" позволяет исключить возникновение резонансных колебаний. В отличие от прототипа, в котором весь объем отработанных газов проходит через отверстия в перегородках, в заявляемой полезной модели основной поток газа проходит через трубу 4. То есть, перегородки не привносят значительного увеличения гидравлического сопротивления.