ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА ВЫПУСКА Российский патент 1994 года по МПК F01N1/08 

Объект заявки относится к системам выпуска отработавших газов, преимущественно двигателей внутреннего сгорания.

Известны глушители, действие которых основано на придании выхлопным газам вихревой структуры путем их тангенциальной подачи и выведения из корпуса глушителя. Известные глушители имеют ряд недостатков (первый излишне сложен и металлоемок, второй имеет недостаточные шумоглушащие качества) [1] .

Наиболее близким по назначению к заявляемому является глушитель, содержащий цилиндрический корпус, разделенный перфорированной перегородкой на впускную и "выпускную" камеры. Впускной патрубок подключен тангенциально к впускной камере. По оси той же камеры вмонтирован выпускной патрубок, т.е. он частино утоплен в ее полости.

В центральном отверстии перегородки установлено цилиндроконическое сопло так, что оно частично входит в выпускной патрубок с образованием кольцевой щели [2].

Что касается недостатков прототипа по-существу, то они есть и заключаются в повышенном сопротивлении его проточной части, поскольку осуществляется редуцирование высокоскоростного первичного потока. Целью предлагаемого изобретения является снижение аэродинамического сопротивления, величина которого прямо пропорциональна потерям мощности двигателя, шум выпуска которого снижает глушитель.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем впускной патрубок, тангенциально вмонтированный во входную камеру, выполненную в форме полого тела вращения, сообщенный с входной камерой выпускной патрубок, а также содержащем резонансную камеру, сообщенную с расположенным по оси входной камеры пассивным соплом, согласно изобретению:
1. Входная и резонансная камеры расположены последовательно (по ходу движения газового потока), причем резонансная камера герметично соединена с пассивным соплом по крайней мере одним рециркуляционным каналом, расположенным снаружи впускной камеры, вдоль нее;
2.Устройство снабжено соосным пассивному соплу дополнительным патрубком для подсоса атмосферного воздуха в приосевую область входной камеры;
3. Входная камера выполнена с переменным поперечным сечением, в частности, имеет ступенчатую (в плане) форму;
4. Выходной патрубок тангенциально вмонтирован в стенку резонансной камеры;
5. Резонансная камера образована эксцентрично охватывающим входную камеру кожухом, причем кожух содержит торцовые стенки, в одну из которых вмонтирован выходной патрубок, а в другую - дополнительный патрубок для подсоса атмосферного воздуха;
6. Рециркуляционный канал выполнен в виде четвертьволнового резонатора;
7. На входе дополнительного патрубка (сообщающего приосевую область входной камеры с атмосферой) установлена дополнительная вихревая камера, выполненная в виде полого диска, соосного дополнительному патрубку, и имеющая минимум один сквозной канал, тангенциальный боковой поверхности камеры.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в снижении противодавления на выхлопе путем снижения аэродинамического сопротивления проточной части глушителя ( при сохранении шумоглушащих качеств прототипа).

Если в прототипе входной поток газа редуцируется в самом начале проточной части глушителя, а потери при этом прямо пропорциональны исходному (максимальному) уровню кинетической энергии газа, то в предлагаемом устройстве входное сопротивление проточной части значительно ниже, а редуцирование вихревого потока осуществляется в средней (или задней) части глушителя (через резонансную камеру и рециркуляционный канал, связывающий последнюю с пассивным соплом входной камеры). Поскольку в средней и задней частях проточной части вихревой поток движется уже в устойчивом режиме и его энергия уже снижена в ходе предшествующей закрутки, то редуцирование и рециркуляционный перепуск газа из резонансной камеры в пассивное сопло влечет существенно меньшие энергетические потери. Кроме того, объект заявки имеет и такое существенное отличие, как наличие дополнительного приосевого патрубка, сообщающего приосевую зону входной камеры с атмосферой. По этому патрубку воздух засасывается внутрь проточной части глушителя и вследствие тепломассообмена с выхлопными газами снижает их температуру и давление, что дополнительно приглушает шум выхлопа двигателя.

Выполнение рециркуляционного канала в виде четвертьволнового резонатора обеспечивает дополнительное шумоподавление не резонансных частотах порядка 2 кГц, к которым наиболее чувствителен слух человека.

Возможность подсоса холодного атмосферного воздуха в приосевую область входной камеры не вызывает сомнения, поскольку вихревой поток в этой камере имеет ярко выраженный радиальный градиент давления (как в классическом вихревом эжекторе), и приосевой области соответствует зона разряжения (т.е., давление в ней ниже атмосферного). Такого свойства начисто лишен прототип, поскольку наличие в нем перфорированной перегородки (разделяющей входную и "выходную" камеры) влечет выравнивание давлений на входе в выпускной патрубок до осредненного по длине проточной части значения. Т.е., хотя в описании устройства-прототипа и была поставлена принципиально верная задача - разделить исходный поток на потоки высокого и низкого давлений - конструктивные признаки этого устройства не обеспечивают ее выполнения (и даже, напротив, вызывают выравнивание давления в проточной части, хотя изначально перепад давлений существует за счет закрутки потока).

В технике известны вихревые эжекторы, резонансные камеры и четвертьволновые резонаторы. Однако, заявляемая совокупность признаков обеспечивает новое полезное свойство - снижение противодавления на выхлопе при сохранении шумоглушащих качеств проточной части.

На фиг.1 дан общий вид устройства с местным разрезом; на фиг.2 - вариант исполнения глушителя с рециркуляционным каналом в виде эксцентричного кожуха и осевым расположением выходного патрубка; на фиг.3 - то же, вид сбоку; на фиг. 4 - вариант исполнения глушителя с расположением резонансной камеры в разрыве выходного патрубка, входной камерой цилиндро-конической формы и дополнительной камерой на входе атмосферного патрубка.

Предлагаемое устройство содержит сообщаемый с трактом выпуска двигателя внутреннего сгорания (на фиг. не показан) впускной патрубок 1, который тангенциально вмонтирован во входную камеру 2. Последняя выполнена в виде полого тела вращения и может иметь как постоянное (фиг.2), так и переменное по своей длине поперечное сечение (фиг. 1,4). В частности, входная камера может быть конической либо ступенчатой формы (в плане). Для выпуска отработавших газов в атмосферу служит выпускной патрубок 3, сообщенный через проточную часть глушителя с входной камерой 2. В состав проточной части помимо вышеуказанных элементов входит также резонансная камера 4, которая расположена между входной камерой 2 и выпускным патрубком 3 (либо установлена в разрыве выпускного патрубка как на фиг.4).

Входная 2 и резонансная 4 камеры расположены последовательно по ходу движения газового потока. По оси входной камеры 2 установлено пассивное сопло 5, сообщенное по крайней мере одним рециркуляционным каналом 6 с резонансной камерой 4. При этом роль рециркуляционного канала 6 может выполнять один или несколько трубопроводов (фиг.1, 4), либо этот канал может быть образован зазором между внешней поверхностью входной камеры 2 и охватывающим эту камеру кожухом 7 (фиг.2, 3). Выпускной патрубок 3 может быть вмонтирован тангенциально боковой поверхности камеры 4 или установлен вдоль оси глушителя. Оба варианта непосредственного отношения к отличительным признакам предлагаемого изобретения не имеют и равноценны друг другу.

Устройство может быть снабжено дополнительным патрубком 8, который установлен соосно пассивному соплу 5 и служит для сообщения приосевой области камеры 2 с атмосферой. Дополнительный патрубок 8 работает на всасывание атмосферного воздуха, поскольку по оси вихревого потока газов в камере 2 существует область разрежения. При этом патрубок 8 может либо охватывать пассивное сопло 5 (фиг.1), либо быть охватываемым соплом 5 (фиг.2).

Кроме того, на входе в патрубок 8 может быть установлена дискообразная дополнительная вихревая камера 11 (фиг.4). Камера 11 соосна входной камере 2 и имеет по крайней мере один сквозной канал 12, тангенциальный боковой поверхности камеры 11. Канал 12 служит для поступления внешней среды - атмосферного воздуха - в полость вихревой камеры 11. Тангенциальное направление поступления воздуха в дисковую камеру 11 влечет вихревой характер течения в этой камере, а также в ее продолжении - дополнительном патрубке 8, что стабилизирует работу всей вихревой проточной части глушителя (А.Г.Мелентьев. Исследование совместной работы вихревых устройств. Сборник "Вихревой эффект и его применение в технике". Куйбышев, 1988г). Помимо одного тангенциального канала 12 может быть также несколько каналов, например, в виде прорезей в стенке камеры 11.

В варианте исполнения глушителя (фиг.2) резонансная камера 4 образована передней частью кожуха 7, эксцентрично охватывающего входную камеру 2. В этом случае кожух имеет переднюю 9 и заднюю 10 торцевые стенки.

В переднюю стенку 9 кожуха 7 вмонтирован выпускной патрубок 3, а в заднюю стенку 10 кожуха 7 вмонтирован дополнительный патрубок 8. Эксцентриситет "е" боковых поверхностей камеры 2 и кожуха 7 (фиг.3) нужен из конструктивных соображений, чтобы обеспечить тангенциальный ввод патрубка 1 в камеру 2 и обеспечить при этом герметичность проточной части глушителя. В этом варианте исполнения средняя и задняя части зазора между камерой 2 и кожухом 7 служат рециркуляционным каналом 6.

В случае выполнения канала 6 в виде одной или нескольких соединительных труб, его длина может быть задана из расчета кратности четверти длины звуковой волны, лежащей в диапазоне резонансных пиков шума выхлопа. При этом каналы 6 становятся четвертьволновыми резонаторами, что расширяет диапазон шумоглушения по сравнению с прототипом, а также с ранее описанными вариантами исполнения.

Устройство работает следующим образом.

Поток отработавших газов через тангенциальный патрубок 1 поступает во входную камеру 2, где приобретает вихревое течение, для которого характерна радиальная градиентность давления.

В приосевой области вихревого потока в проточной части глушителя существует пониженное давление, а на периферии камер 2 и 4 - повышенное. Под действием перепада давлений между приосевой зоной проточной части, периферией резонансной камеры 4 и атмосферой по активному соплу 5 через рециркуляционный канал (каналы) 6 расширившийся в камере 4 поток (его часть) циркулирует в приосевую область камеры 2, попутно охлаждаясь, а через дополнительный патрубок 8 туда же подсасывается холодный атмосферный воздух. При этом проточная часть глушителя выполняет функцию камеры смешения. В результате эжекции охлажденного газа и послойного распределения кольцевых потоков в камере смешения возникает эффект многослойного отражения в вихревой среде.

Расположение рециркуляционного канала 6 вне проточной части глушителя обеспечивает промежуточное охлаждение выхлопных газов (т.е. рециркуляционный канал(ы) 6 функционально является еще и радиатором, так как через свою стенку отдает теплоту выхлопных газов окружающей среде). В этой особенности объект заявки (наряду с прямым смешением выхлопа с холодным воздухом, подсасываемым через патрубок 8) радикально отличается от прототипа, у которого перепуск газа повышенного давления происходит внутри корпуса, а патрубок 8 отсутствует.

Установка на входе в дополнительный патрубок 8 вихревой камеры 11 способствует стабилизации вихревого потока в проточной части глушителя за счет уменьшения в ней зоны обратных токов, свойственной зонам смешения вихревых и прямоструйных потоков.

После прохождения резонансной камеры 4 поток отработавших газов через патрубок 3 выбрасывается в атмосферу. Расположение выхлопного патрубка на периферии проточной части (по ходу вращения винтового вихря) обеспечивает снижение потерь статического давления, что дополнительно снижает противодавление на выхлопе двигателя внутреннего сгорания.

Предлагаемое устройство (по сравнению с прототипом) обеспечивает снижение внутреннего аэродинамического сопротивления (при сохранении вихревых шумоглушащих принципов действия).

Как известно, снижение шума путем создания вихревой структуры потока выхлопных газов, в сравнении с базовыми реактивными глушителями дроссельного типа, достигается при меньших энергетических потерях.

Использование: в системах выпуска двигателей внутреннего сгорания, конкретно, в глушителях шума выпуска вихревого типа. Сущность изобретения: глушитель содержит вихревую входную камеру 2 в форме полого тела вращения, в стенку которой тангенциально вмонтирован впускной патрубок 1, а также содержит резонансную камеру 4 и выхлопной патрубок 3. Резонансная камера 4 сообщена проточной частью глушителя с выхлопным патрубком 3, а также сообщена с соосным камере 2 пассивным соплом 8. Новым в глушителе является взаимное расположение камер 2 и 4 в сочетании с соединением сопла 8 и камеры 4 посредством рециркуляционного канала (либо нескольких каналов), расположенных вдоль камеры 2 (снаружи этой камеры). Глушитель может быть снабжен дополнительным патрубком для подсоса атмосферного воздуха в приосевую область вихря, а резонансная камера 4 может быть образована зазором между внешней поверхностью входной камеры 2 и эксцентрично охватывающим ее кожухом 7. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА ВЫПУСКА, содержащий корпус с впускным и выпускным патрубками, входную и резонансную камеры, расположенные последовательно по потоку, причем впускной патрубок расположен тангенциально к входной камере, выполненной в виде полого тела вращения и соединенной с выпускным патрубком, а резонансная камера сообщена с пассивным соплом, расположенным по оси входной камеры, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одним рециркуляционным каналом, расположенным снаружи вдоль впускной камеры, а резонансная камера герметично соединена с пассивным соплом при помощи рециркуляционного канала. 2. Глушитель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным патрубком, расположенным соосно с пассивным соплом и сообщающим приосевую область входной камеры с атмосферой. 3. Глушитель по п.2, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен полой дисковой камерой, выполненной с тангенциальным сквозным боковым каналом и расположенной на входе в дополнительный патрубок соосно с входной камерой. 4. Глушитель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что выходной патрубок расположен тангенциально к стенке резонансной камеры. 5. Глушитель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен кожухом с торцевыми стенками, в одной из которых установлен выходной патрубок, а в другой - дополнительный патрубок, причем кожух расположен эксцентрично относительно входной камеры, а резонансная камера образована кожухом и входной камерой. 6. Глушитель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что рециркуляционный канал выполнен в виде четвертьволнового резонатора. 7. Глушитель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что входная камера выполнена с переменным поперечным сечением. 8. Глушитель по пп.1, 2 и 7, отличающийся тем, что входная камера выполнена со ступенчатым поперечным сечением.