МНОГОКАМЕРНЫЙ ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к машиностроению, в частности двигателестроению, а именно к многокамерным, в частности, трехкамерным глушителям шума выхлопа двигателей внутреннего сгорания.
При работе камерного глушителя в месте расширения газопровода (т.е. в месте появления собственно камеры) создается скачкообразно увеличенное волновое сопротивление - "волновая пробка", что в определенных диапазонах частот звукового спектра препятствует беспрепятственному прохождению звука через глушитель без заметного ослабления, т.е. обеспечивается уменьшение уровня акустической энергии, излучаемой в окружающую среду. В такой конструкции глушителя (типа центральной расширительной камеры) имеется заданная граничная частота, начиная только с которой глушитель начинает эффективно работать (заглушать шум). В это же время, характеристика заглушения такого глушителя представляет собой не восходящую наклонную линию, указывающую на рост величины заглушения акустической энергии с увеличением частоты звукового спектра выхлопа, а кривую, как с ярко выраженными максимумами заглушения в отдельных частотных диапазонах, так и ярко выраженными "провалами" на отдельных дискретных частотах, или полосах частот в характеристике заглушения. В ряде случаев на частотах "провалов" в характеристике заглушения наблюдается не только нулевое заглушение шума, но даже некоторое усиление шума выхлопа на этих частотах.
Именно эти многочисленные "провалы" являются характерным "акустическим дефектом" конструкций камерных глушителей шума. Частоты на которых наблюдаются указанные "провалы", соответствуют частотам кратных гармоник полудлин волн, укладывающихся в трехмерном пространстве расширительной камеры глушителя между противолежащими жесткими стенками камеры глушителя. Для уменьшения числа таких провалов (сведения их к минимуму) и применяют различные конструктивные элементы в глушителях, например, внутреннее введение срезов патрубков газопровода в полость камеры глушителя в зоны, где эти кратные полудлинновые гармоники не будут возбуждаться, или же возбудившись - не будут выводиться (передаваться) из полости камеры дальше по выхлопной трассе газопровода в окружающую среду. Такими зонами исключения (существенного ослабления) возбуждения или передачи энергии низших собственных акустических мод камеры являются узлы (минимумы) колебаний звуковых давлений, распределенных по трехмерному пространству камеры на данных собственных модах.
Принцип ослабления возбуждения и/или передачи звуковой энергии низших собственных резонансных мод из полости камеры в газопровод реализован в известном однокамерном глушителе шума выхлопа для двигателя внутреннего сгорания, авторское свидетельство СССР №1092290, МКИ F 01 N 1/00, БИ №18/84, содержащем по меньшей мере одну цилиндрическую камеру с торцевыми стенками и соосными патрубками. Отличительной особенностью известного глушителя является то, что для повышения акустической эффективности заглушения шума расширительной камерой, при одновременном достижении низких гидродинамических сопротивлений, динамические (акустические) срезы подводящего и отводящего патрубков камеры (т.е. условно удлиненные на 0,2...0,4D от своего статического геометрического положения, за счет присоединенной массы колеблющегося газа на концевых участках патрубков, где D - диаметр проходного сечения соответствующего патрубка) размещены в узловых зонах низших собственных резонансных продольных форм (первой и второй) колебаний газового объема в камере глушителя, т.е. реализующихся по длине расширительной камеры, в зонах, где величина звукового давления на указанной акустической моде близка к нулю, что предотвращает (существенно ослабляет) дальнейшую передачу звуковой энергии этих форм (мод) колебаний наружным концевым срезом отводящего патрубка в окружающую среду.
Такая конструкция известного глушителя в ряде случаев хорошо вписывается, в частности, в концепцию спортивных автомобилей, некоторых стационарных энергетических установок с предъявляемой достаточно ограниченной невысокой величиной заглушения шума. Однако, ее акустической эффективности явно недостаточно для легковых автомобилей массового производства, поскольку здесь предъявляются значительно более жесткие требования национальных и международных стандартов по предельно допустимому значению уровней внешнего и внутреннего шума транспортных средств, предохраняющих окружающую среду от чрезмерного акустического загрязнения.
Дальнейшим совершенствованием рассмотренного типа глушителя является конструкция многокамерного глушителя, описанная в авторском свидетельстве СССР №1420193, МКИ F 01 N 1/00, БИ №32/88 (или более подробно см. Волгин С.Н. и др. Цветной иллюстрированный альбом. Автомобили ВАЗ-2110, ВАЗ-2111, ВАЗ-2112 и их модификации. Москва, "Третий Рим", 1998, с.30-31), обладающая существенно более высокой эффективностью заглушения шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания, как по величине, так и более широким частотным диапазоном полосы заглушения, которая, в частности, в настоящее время применяется в ряде моделей автомобилей серийного производства ОАО "АВТОВАЗ". Указанный выше глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания является трехкамерным, содержит корпус с торцевыми стенками и соосными впускным и выпускным патрубками, причем динамические срезы последних размещены внутри центральной камеры корпуса. Корпус глушителя выполнен овальным и снабжен по меньшей мере одной поперечной перегородкой с образованием камер с торцевыми стенками. Одна из камер (центральная) выполнена более длинной, длина ее равна длине большей оси овала корпуса. Внутренние срезы патрубков размещены в одной из камер и расположены на расстоянии 1/4L от торцевых стенок последней, где L - длина камеры. Длина большей оси овала корпуса составляет (1,6...2,5)d, где d - диаметр патрубка. Часть патрубка, проходящего через камеру, выполнена перфорированной, при этом неперфорированная часть патрубка от его внутреннего среза составляет L/2. Некоторые конструктивные недостатки глушителя, проявляющиеся в процессе его эксплуатации, при необходимости дальнейшего совершенствования конструкции для соответствия более жестким перспективным требованиям транспортных средств по предельным значениям уровней их внешнего шума, а также анализ
4
совершенства конструкции позволяют утверждать об имеющихся потенциальных возможностях ее дальнейшего улучшения. В частности, во всех известных вариантах рассмотренной конструкции глушителя, представленных на фиг.1-3 описания видно, что наиболее энергоемкая первая продольная низшая собственная резонансная форма колебаний (и все последующие нечетные формы) из средней (центральной) камеры глушителя, могут свободно пропускаться в окружающую среду через выпускной патрубок 5. Это же самое наблюдается и со второй повысотной (радиальной) собственной модой колебаний объема камеры. Резонансная передача звука из камеры в окружающую среду происходит и на четвертой продольной собственной моде колебаний объема камеры (f=4c/2L, где f - частота, с - скорость звука, L - длина средней камеры).
Крайние (боковые) камеры глушителя, фиг.1, согласно графическому описанию известного из общего уровня техники глушителя, представляющие собой идентичные торцевые резонаторы концентричного типа, настроены на один и тот же резонансный частотный диапазон заглушения шума, что приводит к неоправданному дублированию подавления звука идентичных резонансных режимов, что в конечном итоге, ограничивает (заужает) полосу заглушения глушителя, а так же, в данном случае, способствует нежелательному взаимному резонансному взаимодействию идентичных боковых (торцевых) камер и не позволяет использовать каждую из камер для целенаправленного шумоподавления конкретного отдельного (отличительного) резонансного диапазона в заданной частотной области звукового спектра.
В современных конструкциях глушителей шума автомобильных ДВС для повышения ослабления передачи звука на указанных собственных резонансных модах типа расширительной цилиндрической камеры с внутренними трубами широко используют звукопоглощающие набивки полостей камер волокнистыми пористыми материалами. В качестве примера можно привести конструкции глушителей шума автомобильных ДВС, описанные в свидетельствах на полезные модели №15494, МПК 7 F 01 N 1/24, 2000 г., №26595, МПК 7 F 01 N 1/00, 2002 г., №27408, МПК F 01 N 1/08, 2003 г., №28733, МПК 7 F 01 N 1/00, 2003 г. В частности, большинством автомобильных фирм производящих легковые автомобили, используется конструкция одного из глушителей шума системы выхлопа двигателя внутреннего сгорания с заполнением полости камеры (из нескольких камер) глушителя набивкой из базальтового волокна. Обладая достаточно высокими термостойкими и звукопоглощающими характеристиками, такая
волокнисто-пористая звукопоглощающая набивка, в большинстве случаев, ослабляет нежелательные дефектные резонансные высокочастотные "свисты" глушителя, в первую очередь, на "малогабаритных" 4ой продольной и 2ой радиальной собственных модах колебаний воздушного объема камеры. Однако, такая конструкция имеет и ряд существенных недостатков, основные из которых следующие:
- Пористая набивка из волокнистого базальтового волокна 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. Следует здесь же отметить, что именно внутренняя коррозия, а не механические нагрузки являются основной причиной разрушения глушителей автомобильных ДВС;
- Использование волокнистого базальтового волокна, вследствие вышеуказанной причины, вынуждает, в свою очередь, применять дорогостоящие нержавеющие хром-никелевые стали, использовать дополнительные устройства принудительного отсоса накопившегося конденсата из полости камеры различными диффузорными приемниками, что дополнительно усложняет конструкцию и делает ее более дорогой;
- В процессе эксплуатации транспортного средства базальтовые волокна частично выдуваются потоком выхлопных газов из полости глушителя в окружающую среду, что ведет к вредному и опасному для здоровья человека засорению воздушной среды мелкими частицами базальтовых волокон;
- Заполнение расширительных камер глушителя волокнистой шумопоглощающей набивкой вызывает некоторую потерю эффективности заглушения низкочастотного шума, вследствие частичной потери объема полости расширительной камеры, заполняющей набивкой (как правило - на частоте низшей нулевой собственной моды полости камеры);
- 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;
- Применение базальтовых волокон в технологии производства глушителей связано с вредными условиями производства, вследствие возможного попадания мелких частиц волокон через органы дыхания в организм человека.
В связи с изложенными выше техническими, стоимостными и экологическими недостатками и проблемами, продолжаются совершенствоваться конструкции многокамерных резонаторных глушителей, лишенные в той или иной мере многих недостатков присущих глушителям, содержащим волокнистые шумопоглощающие набивки.
В качестве прототипа рассмотрена конструкция глушителя шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания, описанная в авторском свидетельстве СССР №1618898, МПК 5 F 01 N, публ. 07.01.91, БИ №1. Глушитель содержит корпус с торцевыми стенками, первый и второй патрубки, установленные в торцевых стенках и частично помещенные внутри корпуса с размещением выходных срезов соответственно со стороны противоположных торцевых стенок и по разные стороны от срединной плоскости, перпендикулярной оси корпуса и проходящей через его геометрический центр, и поперечные перфорированные перегородки, причем первый патрубок пересекает перегородки и снабжен внутренним перфорированным участком, а второй размещен соосно корпусу и снабжен участком перфорации, размещенным между перегородками и помещенным в кожух.
Сложная геометрия одного из патрубков (два гиба по длине) усложняют конструкцию глушителя. Кроме того, анализ конструкции глушителя показывает, что в ней имеются возможности еще более повысить эффективность шумоглушения, а также уменьшить гидравлические и аэродинамические сопротивления, бутем дальнейшей оптимизации конструкции и взаимного расположения отдельных элементов шумоглушения.
Техническим результатом заявляемой полезной модели, который объективно проявляется при ее использовании, является упрощение конструкции, повышение ее технологичности, при увеличении эффективности снижения шума выхлопа.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели, охарактеризованный независимым п.1 формулы полезной модели, достигается тем, что в известном глушителе шума выхлопа отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащем цилиндрический корпус с торцевыми стенками, в котором посредством поперечных перфорированных перегородок
образованы три камеры, впускной и выпускной патрубки, один из которых расположен соосно корпусу, при этом полости патрубков подключены к полостям соответствующих камер посредством своих открытых срезов и сквозных перфорированных участков, в полости глушителя образованы одна впускная и две выпускных камеры, длины которых, соответственно, соотносятся как 3/8±0,01:2/8±0,01:3/8±0,01 от полной длины корпуса глушителя, впускной патрубок закреплен на торцевой стенке выпускной камеры, выполнен прямолинейным, расположен аксиально оси корпуса глушителя, его открытый срез и сквозной перфорированный участок расположены внутри полости принимающей выхлопные газы впускной камеры, при этом суммарная площадь проходного сечения открытого среза впускного патрубка соизмерима с суммарной площадью сквозных отверстий участка перфорации патрубка, кроме того, открытый срез патрубка расположен на расстоянии от поперечной перфорированной перегородки, ограничивающей впускную камеру, равном половине ее длины, за вычетом 0,2...0,4 внутреннего диаметра -D- своего поперечного сечения, выпускной патрубок расположен соосно корпусу, закреплен на торцевой стенке впускной камеры, его сквозной перфорированный участок и открытый срез, соответственно размещены в камерах, организующих отвод выхлопных газов и имеющих длины 2/8 и 3/8 общей длины глушителя, при этом сквозной перфорированный участок патрубка размещен между поперечными перфорированными перегородками, по обе стороны от середины образованной между ними камеры, симметрично срединной плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса глушителя, а его открытый срез размещен внутри смежной с ней камеры, на расстоянии от поперечной перегородки, равном половине длины камеры, в которой он расположен, за вычетом 0,2...0,4 внутреннего диаметра -D- своего поперечного сечения, кроме того, суммарная площадь проходного сечения открытого среза выпускного патрубка соизмерима с суммарной площадью сквозных отверстий участка перфорации патрубка, суммарная площадь отверстий перфорации в перегородке ограничивающей впускную камеру не менее чем в два раза превосходит суммарную площадь отверстий перфорации в перегородке, разделяющей выпускные камеры, а суммарная площадь отверстий перфорированного участка выпускного патрубка и отверстий перфорации в перегородке, размещенной в выпускных камерах, не менее суммарной площади отверстий перфорации в перегородке, ограничивающей впускную камеру.
В конкретно рассматриваемом примере конструктивного исполнения глушителя, опытный образец которого явился объектом акустических исследований (результаты приведены ниже), расстояние -а- между осями патрубков равно 63 мм, при этом патрубки имеют наружный диаметр 45 мм, толщину стенок s=1,5 мм, а сквозные перфорированные участки патрубков составлены из 72 отверстий перфорации диаметром d=5 мм и шагом h=10 мм. Поперечные перегородки выполнены в виде штампованной детали из металлического листа толщиной s=1,5 мм, расстояние -b- между перегородками составляет 125 мм, при этом в перегородке, размещенной внутри полости выходной камеры, выполнено 60 отверстий перфорации диаметром d=5 мм и шагом h=12,5 мм а в перегородке размещенной внутри полости выходной камеры выполнено 125 отверстий перфорации диаметром d=5 мм и шагом h=9 мм. Максимальный размер поперечного сечения корпуса глушителя составляет 200 мм, минимальный - 130 мм, а длина корпуса глушителя составляет 500 мм.
При таком конструктивном исполнении конструкция глушителя упрощается, а затраты на его изготовление снижаются. При этом эффективность глушителя не только не ухудшается, но и возрастает в связи с тем, что в новой конструкции созданы предпосылки для минимизации сопротивлений и увеличения доли рассеивания акустической энергии в отверстиях перфорации патрубков и перегородок. Кроме того, созданы условия, при которых вся полость корпуса глушителя (все три камеры) начинает эффективно работать (заглушать шум) с более низких частот, т.е. выполнять функцию эффективного низкочастотного заглушающего устройства. Оптимизация степени перфорации патрубков и внутренних перегородок, а также длин (объемов) камер, позволила обеспечить низкие акустические, гидравлические и аэродинамические сопротивления, что снизило потери мощности двигателя внутреннего сгорания.
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 промышленный выпуск полезной
модели возможен на стандартном оборудовании с применением известных, хорошо отработанных технологий.
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 котором показана схема предлагаемого глушителя шума выхлопа и его отдельных составляющих элементов.
На фиг.1 показан конкретный вариант конструктивного исполнения заявляемого глушителя выхлопа. Стрелками показана траектория движения выхлопных газов внутри корпуса глушителя;
На фиг.2 показано поперечное сечение по А-А корпуса глушителя;
На фиг.3 показан сборный модуль внутренних элементов глушителя, включающий установленные в перфорированных перегородках подводящий и отводящий патрубки;
На фиг.4 и 5 показаны виды "А" и "Б" на перфорированные перегородки;
На фиг.6 и 7 показана перфорированная перегородка входной камеры глушителя;
На фиг.8 и 9 показана перфорированная перегородка выходной камеры глушителя.
Буквенными обозначениями на чертежах показаны:
Х-Х - срединная поперечная плоскость глушителя;
Y-Y - продольная ось корпуса глушителя;
D - внутренний диаметр подводящего или отводящего патрубков, мм;
а - расстояние между осями патрубков, мм;
d -диаметр отверстий перфорации в патрубках и перегородках, мм;
b - расстояние между перегородками, мм;
h - шаг отверстий перфорации, мм;
s - толщина стенок патрубков и перегородок, мм.
На фиг.10...12 приведены результаты экспериментальной оценки эффективности заявляемого глушителя. Испытания проводились на легковом автомобиле класса В, установленном на динамометрическом стенде с беговыми барабанами в большой полубезэховой акустической камере. В частности:
На фиг.10 представлены графики изменения общих уровней звука (шума) выхлопа в дБА;
На фиг.11 представлены уровни шума выхлопа на основной частоте рабочего процесса (частоте следования выхлопных импульсов по выхлопной трассе), равной  Гц (где n - число оборотов четырехтактного четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания);
На фиг.12 представлен 1/3 октавный спектр уровней шума выхлопа, регистрируемый в 0,25 м от среза хвостовой трубы основного глушителя, под углом 60° к ее оси, на оборотах максимального крутящего момента n=3500 об/мин, при полной нагрузке (полностью открытая дроссельная заслонка).
Глушитель шума выхлопа, показанный на фиг.1, содержит цилиндрический корпус 1 с торцевыми стенками 2 и 3, в котором посредством поперечных перфорированных перегородок 4 и 5 образованы три камеры - впускная 6 и две выпускных 7 и 8, впускной 9 и выпускной 10 патрубки, один из которых расположен соосно корпусу 1, при этом полости патрубков 9 и 10 подключены к полостям камер посредством своих открытых срезов 11 и 12 и сквозных перфорированных участков 13 и 14. Отверстия перфорации в перегородках 4 и 5 соответственно показаны позициями 15 и 16. Отверстия перфорированных участков 13 и 14 соответственно показаны позициями 17 и 18. Патрубки 9 и 10 в перегородках 4 и 5 закреплены в цилиндрических отфланцовках 19 и 20, охватывающих наружные стенки патрубков и размещенных на каждой из перегородок в противоположные стороны
Работает глушитель, представленный на фиг.1, обычным образом. Выхлопные газы и сопровождающие их звуковые волны ("зашумленные" выхлопные газы) по впускному патрубку 9 попадают во впускную камеру 6 через открытый срез 11 и перфорированный участок 13. Из камеры 6 газовый и звуковой потоки, через отверстия перфорации 15 в перегородке 4 попадают в выпускную камеру 8 и, одновременно с этим через отверстия перфорации 18, открытый срез 12 в патрубке 10 и отверстия перфорации 16 в перегородке 5 газ и звук также
попадают в выпускную камеру 7. Из камеры 7 через открытый срез 12 и из камеры 8 через отверстия перфорации 14 значительно ослабленные звуковой и газопульсирующий потоки выводятся в окружающую среду. При этом, в процессе непрерывных многократных отражений звуковых волн в полостях камер глушителя, образующиеся обратные отраженные звуковые волны взаимодействуют с прямыми падающими звуковыми волнами и вследствие противофазных сложений (взаимодействий) - частично компенсируются. В зонах резких изменений поперечных сечений волновода и сопутствующего действия фрикционных потерь (в основном - трения газа о поверхности стенок сквозных отверстий перфорации), в особенности - при резонансных колебаниях газа с большими амплитудами колебаний в горлышках отверстий перфорации, возникают необратимые преобразования звуковой (колебательной) энергии в тепловую энергию (трение), с соответствующим ослаблением передачи звуковой энергии по выпускной системе последовательно из впускной, промежуточной и выпускной расширительных камер, в окружающую среду.
В сравнении с прототипом заявляемая полезная модель более технологична в изготовлении и отличается более простой конструкцией, что выражается выполнением обоих патрубков прямолинейными и выполнением всех отверстий перфорации на патрубках и перегородках в основном одинаковыми. Вместе с тем, более высокая эффективность глушителя достигнута за счет его более оптимальной акустической настройки, путем рационального размещения его отдельных элементов шумоглушения в расширительных камерах корпуса, подтверждаемой выполненными экспериментальными оценками, приведенными на фиг.10...12. Из представленных графиков наглядно видно, что шумозаглушающая эффективность заявляемой конструкции глушителя, смонтированного в составе штатных элементов серийной системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания легкового автомобиля производства ОАО "АВТОВАЗ", модели 2110, в сравнении с установленным штатным основным глушителем шума выхлопа в составе с другими штатными элементами системы (нейтрализатором, дополнительным глушителем), является существенно более высокой. Заявляемый глушитель в составе штатной системы выхлопа показал более высокую эффективность заглушения шума выхлопа:
- по общим уровням (фиг.10) - эффект дополнительного снижения шума в среднем составил 3 дБА;
- дополнительное (к штатной системе) снижение уровня шума на основной частоте рабочего процесса (фиг.11) составляет 2...11 дБА;
- в 1/3 октавном спектре с центрами 100...250 Гц уровень шума дополнительно (к штатной системе) снижен на 2...6 дБА, а в диапазоне частот 630...10000 Гц-до 6 дБА (фиг.12).
Благодаря применению технического устройства выполненного в соответствии с приведенным описанием и формулой полезной модели становится возможным с небольшими затратами на производство оперативно освоить новую, более эффективную и более качественную конструкцию глушителей выхлопа, приемлемую для массового использования на легковых автомобилях.
Разумеется, полезная модель не ограничивается описанным выше конкретным конструктивным примером ее осуществления, показанным на прилагаемых фигурах. Остаются возможными несущественные изменения различных элементов, либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящей полезной модели. В частности, отверстия перфорации могут быть не круглыми, а овальными, или в виде прорезных щелей, их взаимное расположение в сгруппированных поясах (не выходя за рамки ограничений формулы и описания) также может быть различным.