ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F01N1/02 F01N1/08 

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению.

Известен глушитель шума выхлопа для двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с торцовыми стенками, поперечную перфорированную перегородку и входной и выходной патрубки, внутренние срезы которых расположены в корпусе по обе стороны перегородки, при этом срезы патрубков расположены на равных расстояниях от перегородки, причем срез одного патрубка размещен по оси корпуса на равном расстоянии от торцовых стенок, а срез другого на равном расстоянии между срезом первого и торцовой стенкой в центре тяжести условного квадранта поперечного сечения корпуса. Внутренний участок выходного патрубка может быть выполнен перфорированным [1] Такое выполнение глушителя позволяет максимально расширить полосу заглушения за счет размещения срезов патрубков в узлах низших (первой, второй и третьей) форм колебаний газа в камере соответствующих точкам, где колебания звукового давления минимальны. Повышению эффективности шумоглушения способствует также реализация благоприятных условий для рассеивания колебательной энергии на перегородке, поскольку она размещена в узле четвертой низшей собственной формы колебаний объема газа, заключенного в камере глушителя.

Однако в этом глушителе невозможно исключить возбуждение и пропускание всех наиболее энергонесущих низших собственных форм (даже до десяти первых), и в первую очередь нулевой формы колебаний как наиболее энергоемкой, что вызывает необходимость введения в конструкцию дополнительных последовательных рассеивателей звуковой энергии в виде перфорированных перегородок, дефлекторов и пр. вызывающих повышение гидросопротивлений и снижение эффективных показателей двигателей. Хотя возбуждаемые срезом входного патрубка низшие собственные нечетные моды не пропускаются через выходной патрубок, они, имея значительную энергию, динамически воздействуют на стенки корпуса глушителя, которые, возбуждаясь, переизлучают шум в окружающую среду. Для подавления этого структурного шума используют многослойные оболочки, смонтированные на корпусе "металл металл", демпфирующие изгибные вибрации стенок за счет сухого кулонового трения металлических слоев вследствие различных деформаций слоев и преобразования этих вибраций в тепловую энергию; используют многослойный материал для оболочки корпуса типа "металл пластик металл", в которых демпфирование и преобразование энергии происходит в пластиковом слое; используют звукотеплоизолирующие материалы в виде соответствующей прослойки между стенкой корпуса и дополнительным металлическим кожухом, жестко закрепленным на корпусе; увеличивают изгибную жесткость стенок за счет увеличения их толщины и сообщения соответствующей рельефной (ребристой) геометрии.

Однако такая конструкция имеют ограниченную эффективность, материалоемка, включает материалы, вредные для окружающей среды, например асбест, усложняет технологию изготовления и пр.

Известна усовершенствованная конструкция глушителя, в котором оси патрубков размещены в горизонтальных плоскостях и корпус выполнен с дренажным отверстием под центром среза выходного патрубка со смещением от номинального положения на величину не более 1,5 радиуса патрубка. Дренажное отверстие в данном случае предназначено для постоянного отвода во внешнюю среду образующегося в полости глушителя конденсата, что повышает долговечность глушителя [2] Одновременно с этим наличие названного отверстия позволяет снизить вибрактивность стенки корпуса глушителя, поскольку создаются условия для короткого акустического замыкания внутренней полости глушителя с окружающей средой, между внешней и внутренней поверхностями изгибно-колеблющейся стенки, что ведет к некоторому уменьшению структурного шума корпуса глушителя.

Однако одного такого отверстия совершенно не достаточно как для получения ощутимого снижения структурного шума так и для подавления нулевой пульсирующей моды путем ее дросселирования, а выполнение нескольких таких отверстий в корпусе недопустимо, так как это ведет к нарушению основной функции глушителя. Кроме того, из камеры глушителя через отверстие в окружающую среду происходит некоторое излучение диффузного звука, т.е. звука с примерно одинаковой плотностью распределения энергии по всему пространству камеры вследствие многократного отражения от ее стенок.

Цель изобретения повышение эффективности глушения шума путем ослабления корпусного (структурного) и газодинамического звука глушителя без дополнительного дросселирования газового и звукового потоков с использованием традиционных дросселирующих шайб, заглушек, перфорированных перегородок, включаемых последовательно течению потока, и без применения дорогостоящих, недолговечных, вредных для окружающей среды материалов.

Сущность изобретения заключается в том, что глушитель шума выхлопа для двигателя внутреннего сгорания, содержащий по крайней мере одну камеру, сформированную корпусом с торцовыми стенками, на которых закреплены входной и выходной патрубки, внутренние срезы которых размещены в узловых зонах низших собственных резонансных форм газового объема, заключенного в камере, дополнительно снабжен перфорированным кожухом, установленным внутри, по крайней мере, приемной камеры глушителя с образованием воздушного зазора со стенкой корпуса глушителя, причем образующая кожуха параллельна продольной оси корпуса, а угловая длина поперечного сечения кожуха составляет по крайней мере часть угловой длины поперечного сечения корпуса. В лучшем случае кожух должен быть замкнутым.

Такое конструктивное выполнение учитывает то, что именно в приемной камере глушителя (если глушитель многокамерный) имеют место максимальные пульсации газового потока с наиболее интенсивной нулевой (пульсирующей) модой колебаний и максимальные уровни звукового давления (максимальная концентрация звуковой энергии). При этом параллельное расположение перфорированного кожуха (в направлении газового потока) позволяет ослабить пульсации газового потока и уровней звука за счет "проталкивания" их через отверстия в кожухе в основную камеру, практически не уменьшая объема камеры глушителя как ресивера; ослабить все возбуждаемые низшие собственные резонансные моды воздушных объемов камер глушителя, в том числе не только возбуждающие стенки корпуса, но и передаваемые на вход выходного патрубка (нулевую "пульсирующую" моду колебаний); повысить звукоизоляцию корпуса на низких частотах за счет включения в слоистую структуру воздушного слоя, заключенного между кожухом и стенкой корпуса глушителя; исключить использование в камере дорогостоящих звукопоглощающих материалов типа базальтового волокна, металлической шерсти и т.п. обладающих такими отрицательными качествами, как нестабильность звукопоглощающих характеристик из-за закоксовывания твердыми и смолистыми веществами, содержащимися в выхлопных газах, недолговечность вследствие выдувания их камеры газовым потоком и агрессивного воздействия на них химически активного конденсата, содержащегося в выхлопных газах.

Следует отметить, что применение параллельно расположенного в непосредственной близости от стенки корпуса перфорированного кожуха вследствие возможности реализации большого коэффициента перфорации не вызывает расстройки динамических срезов входного и выходного патрубков. Кроме того, никакого отрицательного воздействия на гидросопротивления глушителя перфорированный кожух не оказывает.

Наиболее предпочтительным вариантом является такой, когда кожух распространен по всей внутренней поверхности не только корпуса, но и торцовых стенок глушителя, т.е. в этом случае геометрическая форма перфорированного кожуха имеет вид несколько уменьшенной геометрической формы корпуса глушителя с его торцовыми стенками. Установка кожуха в корпусе глушителя может осуществляться одним из известных способов, например путем выполнения в корпусе или кожухе соответствующих установочных выступов, посредством которых осуществляется контакт и фиксирование кожуха в корпусе глушителя.

На фиг. 1 показан глушитель, внутри которого установлен перфорированный кожух, выполненный в виде кругового цилиндра с перфорированными торцовыми стенками; на фиг.2 показано сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 показан глушитель спортивного типа, в приемной камере которого установлен перфорированный кожух; на фиг.4 показано сечение Б-Б на фиг.3; на фиг.5 и 6 показаны выполненные в корпусе глушителя установочные выемки; на фиг.7 выполненные на кожухе установочные выступы.

Глушитель шума выхлопа для двигателя внутреннего сгорания содержит камеру 1, сформированную корпусом 2 с торцовыми стенками 3 и 4, на которых закреплены входной 5 и выходной 6 патрубки, внутренние срезы 7 и 8 которых размещены в узловых зонах низших собственных резонансных форм газового объема, заключенного в камере 1. На фиг.1 глушитель снабжен перфорированной поперечной перегородкой 9, что делает его двухкамерным. Дополнительно глушитель снабжен перфорированным кожухом 10, установленным внутри, по крайней мере, приемной камеры глушителя, т.е. камеры, в которой размещен срез 7, с образованием воздушного зазора со стенкой корпуса 2 глушителя, причем образующая кожуха 10 параллельна продольной оси 0-0 корпуса 2, а угловая длина поперечного сечения кожуха 10 составляет не менее половины угловой длины поперечного сечения корпуса 2. Кожух 10 снабжен перфорированным торцовыми стенками 11, размещенными эквидистантно торцовым стенкам 3 и 4 корпуса 2 глушителя. Условный диаметр кожуха 10 составляет 0,8.0,95 условного диаметра корпуса 2 глушителя, при этом условный диаметр вычисляется из выражения
D_ус 4F / П, где F площадь соответствующего сечения, м²;
П периметр этого сечения, м.

В данном случае установка кожуха 10 в корпусе 2 глушителя может осуществляться одним из известных способов, в частности путем выполнения в корпусе 2 или кожухе 10 соответствующих установочных выступов 12, посредством которых осуществляется контакт и фиксирование кожуха 10 (или его торцовых стенок 11) в корпусе 2 глушителя.

Глушитель работает следующим образом.

Поток выхлопных газов от двигателя через входной патрубок 5 проникает в камеру 1, где расширяется, теряя скорость и звуковую энергию, после чего через отверстия перфорации в перегородке 9 газ поступает к срезу 8 выходного патрубка 6. Через этот патрубок газ отводится из камеры 1 в атмосферу. При этом максимальное расширение полосы заглушения достигается за счет размещения срезов 7 и 8 патрубков 5 и 6 в узлах низших форм колебаний газа в камере 1, соответствующих точкам, где колебания звукового давления минимальны. Повышению эффективности шумоглушения способствует также реализация благоприятных условий для рассеивания колебательной энергии на перегородке.

Дополнительное рассеивание низкочастотных газовых и звуковых пульсаций происходит из-за эффективного их "продавливания" в воздушный кольцевой зазор, образованный перфорированным кожухом 10, его торцовыми стенками 11 и сплошным корпусом 2 и его стенками 3 и 4, через многочисленные отверстия связи (перфорацию), выполненные в кожухе 10 и его стенках 11. Ввиду "вихревых" сопротивлений (потерь), возникающих в отверстиях перфорации при "продавливании" пульсаций и их обратного тока через отверстия при отражении от жесткой сплошной стенки, происходит рассеивание энергии колебаний как за счет активных (вихревых), так и компенсационных (интерференционных) потерь.

Таким образом, вся (или большая часть) поверхность стенок корпуса 2 глушителя, переизлучающих звук, "защищается" перфорированным кожухом 10 и его торцовыми стенками 11, в связи с чем значительная часть энергии, излучаемая срезом 7 входного патрубка 5, "продавливается" через демпфирующие отверстия перфорации, котоpые вследствие наличия вихревых потерь в отверстиях исключают также низкочастотный резонанс камеры 1 на нулевой форме колебаний воздушного объема камеры 1, снижая добротность резонансной системы.

Перфорированный кожух 10 с торцовыми стенками 11 не вызывает расстройки динамических срезов 7 и 8 патрубков 5 и 6 вследствие возможной реализации большого коэффициента перфорации, параллельного и близкорасположенного размещения к стенкам глушителя. Кожух 10 не оказывает никакого отрицательного воздействия на гидросопротивления глушителя. Более того он оказывает положительное воздействие, поскольку, эффективно сгладив основную пульсирующую составляющую объемного расхода газа (а именно квадрат ее амплитуды определяет величину гидросопротивлений), можно использовать со значительным эффектом для акустики, без ухудшения гидросопротивлений в целом, хвостовую трубу (выходной патрубок) 6 глушителя с меньшим проходным сечением.

Перфорированный кожух 10 выполняет дополнительную функцию усилителя изгибной жесткости стенок корпуса 2, что благоприятно с точки зрения дополнительного ослабления излучения корпусного (структурного) звука.

Расстояние перфорированного кожуха 10 до сплошной стенки корпуса 2 глушителя, объем образованного при этом воздушного зазора, размеры и число отверстий перфорации устанавливаются в зависимости от конкретной ситуации, а именно в зависимости от объема массового расхода газов, "проталкиваемых" по выхлопной трассе (объем цилиндров, скоростной режим работы), величины и основной частоты и спектра пульсаций массового расхода (числа цилиндров, тактности, степени сжатия); в зависимости от перепадов площадей проходных сечений патрубков 5 и 6 и камеры 1 глушителя; в зависимости от конкретной конструкции глушителя (внутренних узлов, наличия последовательно подключенных дросселирующих шайб и перфорированных перегородок, числа расширительных камер, соотношения сечений входной и выходной труб глушителя и пр.); в зависимости от поставленных технических задач по величинам заглушения как корпусного, так и аэродинамического шума глушителя и т.д.

В связи с чрезвычайно большим числом конструктивных, эксплуатационных, технологических и экономических факторов, влияющих на максимальную эффективность использования заявляемой конструкции глушителя, предлагается в качестве базового направления принять, что условный диаметр перфорированной оболочки кожуха составляет 0,8.0,95 от условного диаметра стенки корпуса 2. При значениях ниже границ указанного диапазона конструкция кожуха 10 не позволяет реализовать в ней большое количество отверстий перфорации (большой суммарный периметр всех отверстий) и таким образом обеспечить высокое демпфирование пульсирующей газовой составляющей и звуковых давлений. Вместе с этим искажается звуковое поле в расширительной камере 1 глушителя и нарушается таким образом оптимальная настройка динамических срезов 7 и 8 патрубков 5 и 6 камерного глушителя. Если диаметр кожуха 10 превышает граничную величину указанного диапазона, то воздушный зазор становится слишком тонким для обеспечения условий эффективного "продавливания" пульсаций газа и звуковых давлений через перфорированный кожух 10 (и его стенки 11), а также слабо увеличивается звукоизоляция слоистой структуры перфорированный кожух воздушная прослойка сплошная стенка корпуса 2 в области низких частот. Наиболее предпочтительно при одном и том же коэффициенте перфорации в кожухе 10 и его стенках 11 выполнять большее число более мелких отверстий. В этом случае реализуется больший суммарный периметр всех отверстий (при одной и той же суммарной площади отверстий).

Предлагаемый глушитель в основном предназначен для автомобилей, в том числе спортивных.

Использование: в двигателестроении. Сущность изобретения: глушитель содержит по крайней мере одну камеру 1, сформированную корпусом 2 с торцовыми стенками 3 и 4, на которых закреплены входной 5 и выходной 6 патрубки, внутренние срезы 7 и 8 которых размещены в узловых зонах низших собственных резонансных форм газового объема, заключенного в камере. Глушитель дополнительно снабжен перфорированным кожухом 10, установленным внутрь, по крайней мере, приемной камеры глушителя с образованием воздушного зазора со стенками 2 глушителя, причем образующая кожуха 10 параллельна продольной оси корпуса 2, а угловая длина поперечного сечения кожуха 10 составляет не менее половины угловой длины поперечного сечения корпуса 2. Преимущественно глушитель предназначен для автомобилей. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий корпус с торцевыми стенками с закрепленными на них выходным и выходным патрубками и по меньшей мере одну камеру, причем внутренние срезы патрубков размещены в узловых зонах низших собственных резонансных форм газового объема, заключенного в камере, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен перфорированным кожухом, установленным внутри корпуса по меньшей мере в первой по ходу движения потока камере с образованием воздушного зазора, причем образующая кожуха параллельна продольной оси корпуса, а угловая длина поперечного сечения кожуха составляет не менее половины угловой длины поперечного сечения корпуса. 2. Глушитель по п.1, отличающийся тем, что кожух дополнительно снабжен перфорированными торцевыми стенками, размещенными эквидистантно торцевым стенкам корпуса. 3. Глушитель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что условный диаметр кожуха составляет 0,8 0,95 условного диаметра корпуса.