УСТРОЙСТВО СНИЖЕНИЯ ШУМА ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F01N1/02 

Изобретение относится к устройствам для снижения шума выхлопа ДВС.

Известны устройства снижения уровня шума выхлопа ДВС, основанные на многократном дросселировании выхлопных газов и/или изменении направления и скорости их движения. В большинстве случаев это достигается путем пропуска выхлопных газов через ряд преград, дроблением струи газов на большое число малых струй, а также за счет пропуска ее через преграду с малыми отверстиями [1]
Известно устройство снижения шума выхлопа ДВС без изменения направления движения выхлопной струи и без дробления ее на мелкие струи [2]
Наиболее близким к предлагаемому устройству является глушитель шума выхлопа ДВС, имеющий прямоточное движение общей струи, которая последовательно проходит четыре камеры соединенных друг с другом и с выходным патрубком соосно расположенными сужающимися соплами, выходное сечение которых равно сечению подводящего трубопровода [3] Объемы всех четырех камер устройства примерно одинаковы. Подводящая труба через раструб соединяется с первой камерой устройства, составляя с ней одну камеру большего объема.

Недостатком аналога, помимо небольшого числа камер устройства и незначительного изменения их объема по ходу движения струи, является малый скачок изменения сечения струи соответствующая ему малая степень уменьшения скачка давления при переходе струи из камеры в камеру, так как изменение сечений достигается только за счет увеличения площади сечения камер устройства. Все это приводит к тому, что для получения требуемой степени понижения шума выхлопа и соответствующей ему степени уменьшения изменения давления в струе выхлопных газов требуетcя существенное увеличение объема отдельных камер и глушителя в целом.

Задача изобретения состоит в разработке устройства для эффективного понижения шума выхлопа ДВС с обеспечением возможности повышения его мощности и экономичности.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для уменьшения шума выхлопа ДВС, содержащем корпус, разделенный поперечными перегородками на ряд камер, входной и выходной патрубки, камеры между собой, с входным и выходным патрубками связаны соосно расположенными одиночными сужающимися соплами с входным сечением меньше сечения подводящей трубы (входного патрубка).

Относительно медленные изменения давления в выпускном трубопроводе ДВС демпфируются в каждой камере устройства, уменьшаясь по величине и растягиваясь по времени. Степень уменьшения изменения давления тем выше, чем больше объем камеры и отношение поперечных сечений камеры и сопла. В силу поcледнего обcтоятельcтва cтепень уменьшения давления каждой камерой такого устройства значительно больше, чем у аналога. Общая величина уменьшения изменения давления для всего устройства равно произведению величины уменьшения изменения давления в каждой камере.

Фронт резкого изменения давления-разряжения, проходящий через сопло, в таком устройстве также ослабляется в каждой камере примерно во столько раз, во сколько площадь сечения камеры больше площади сечения сопла (12-16 и более раз). Общее ослабление фронта давления-разрежения в устройстве, состоящем из нескольких соединенных последовательно камер, равно произведению величин ослабления в каждой камере. Так ослабление в первых 4-5 камерах устройства прямого фронта давления-разрежения может составить несколько десятков тысяч раз. Таким образом, выбирая размеры устройства и особенно число камер, величина фронта давления-разрежения в предлагаемом устройстве может быть уменьшена до любого требуемого уровня.

Прямые и обратные фронты в пределах объема каждой камеры, многократно отражаясь от противоположных стенок, дают начало колебательным процессам в камере. Учитывая далеко не синусоидальный характер изменения давления в процессе выхлопа, на каких-то частотах вращения ДВС и режимах его работы, могут возникнуть устойчивые объемные резонансные колебательные явления изменения давления в камере. Амплитуда колебаний давления в камере на таких режимах работы ДВС может быть в несколько раз больше величины полуразмаха изменения давления при других режимах работы ДВС.

Для исключения взаимного негативного влияния объемного резонанса отдельных камер между собой и особенно на увеличение амплитуды резонансных колебаний в последней камере объемы отдельных камер, а при измененной по длине устройства величине поперечного сечения камер длины камер, должны относиться между собой как простые числа.

Для наиболее эффективного использования всего объема устройства отношение объема каждой последующей камеры к объему предыдущей (по ходу давления потока камеры) должно составлять уменьшающийся ряд чисел геометрической прогрессии или ряд уменьшающихся простых чисел с мало изменяющейся величиной отношения соседних чисел между собой.

В этом случае следующие числа представляют собой такого рода ряды уменьшающихся простых чисел, отношение отдельных членов которых отличаются друг от друга не более чем на 6%
Ряд 1. Простые числа: 97 41 17 7
Отношение соседних чисел
2,37-2,43 2,37; 2,41, 2,43
Ряд 2. Простые числа: 211 127 77 47 29 19
Отношение соседних чисел
1,53-1,66 1,66 1,65 1,64 1,62 1,53
Ряд 3. Простые числа: 133 97 71 53 41 31 23 17 13
Отношение соседних чисел
1,29-1,37 1,37 1,37 1,34 1,29 1,32 1,35 1,35 1,31
Приведенные ряды простых чисел могут использоваться для определения длин отдельных камер конкретных устройств. При этом может быть рекомендовано применение ряда 1 для устройств с числом камер до 4; ряда 2 для устройств с числом камер 4-6; ряда 3 для устройства с числом камер 6 и более.

Например, 5-камерное устройство с цилиндрическим корпусом общей длиной 400 мм с длинами отдельных камер 170:103:63:39:25 мм будет иметь отношение объемов и длин этих камер как отношение ряда простых чисел 127:77:47:29:19.

Могут быть использованы и другие ряды простых чисел.

Для снижения высокочастотного шума (шипения) вытекающей из устройства в атмосферу с большой скоростью струи газов и уменьшения потерь энергии выходной патрубок имеет расширяющийся по ходу движения струи диффузор с косым срезом, при установке устройства на объект наземного использования ориентированным вниз. Движение струи по диффузору снижает ее скорость и увеличивает давление. Наличие косого среза, ориентированного вниз, производит дополнительное отклонение струи в сторону среза и автоматически выравнивает (в пределах косого среза) давление в струе с давлением атмосферы, что дает дополнительный эффект снижения уровня шума выхлопа ДВС. Применение в качестве выходного патрубка расширяющегося диффузора возвращает струе значительную часть энергии, потраченной в первом по ходу струи сопле на ее разгон, и расширяет возможный диапазон увеличения скорости струи в устройстве вплоть до использования статического давления, существенно меньшего атмосферного.

Ограничение поверхности струи на большей части длины камеры трубой с раструбом на выходе и внутренним диаметром, равным диаметру сопла, уменьшает потери энергии на образование вихрей в камере, барботаж газов, что увеличивает эффективность устройств.

Учитывая высокую эффективность предлагаемого устройства понижения шума выхлопа ДВС, общая величина объема устройства может быть взята по нижней границе рекомендованных значений V_г=(1,5- 3,0) V_ДВС, т.е. V_г=1,5 V_ДВС, где V_ДВС рабочий объем ДВС.

Именно предлагаемое соотношение размеров отдельных камер, диаметров сопел и наличие диффузора с косым срезом позволяет наиболее эффективно использовать общий объем устройства. Подводящая труба в таких устройствах из-за наличия между ней и первой камерой устройства сопла используется как дополнительная камера, эффективность действия которой не менее эффективности остальных камер устройства.

На фиг. 1 приведен разрез с основными размерами предлагаемого устройства, пригодного для ДВС с рабочим объемом 1,3-1,6 дм³; на фиг. 2 показано то же устройство, в котором струя газов на большей части длины камер заключена в трубу с раструбом на входе и внутренним диаметром, равным диаметру выходного сечения сопла, которая обеспечивает контакт струи с объемом камеры только по узкой кольцевой щели в начале или конце каждой такой трубы.

Устройство снижения шума выхлопа ДВС содержит корпус 1, разделенный на шесть камер 2, объем и длины которых соотносятся между собой как ряд простых чисел: 127:77:47:29:19:13. Камеры между собой, с входным патрубком-диффузором 4 связаны соосно расположенными сужающимися соплами 5. Сопло выходного патрубка переходит в расширяющийся диффузор 6, заканчивающийся открытым в атмосферу косым срезом 7.

В устройстве (фиг. 2) струя газов на большей части длины каждой камеры движется в трубе 8 с раструбом на входе и сообщается с объемом камеры только по кольцевым щелям в начале 9 или конце 10 каждой трубы.

При работе устройства (фиг. 1 и 2) любое увеличение (уменьшение) давления на входе в какую-либо камеру приводит к увеличению (уменьшению) скорости истечения из сопла на входе в камеру. При неизменных в начальный момент величинах давления и скорости струи из сопла на выходе из камеры происходит повышение (снижение) притока газов в камеру над его расходом, а это увеличивает (уменьшает) давление в камере. Величина и характер изменения давления в камере оказываются существенно меньшими по величине и растянутыми по времени по отношению к изменению давления на входе в камеру. Величина изменения давления в струе газов на выходе из сопла последней камеры в таких устройствах может быть сделана сколь угодно малой. В диффузоре выходного патрубка струя газов замедляется, повышается ее давление до атмосферного и происходит спокойное без изменения давления и скорости истечение струи газов в атмосферу.

Общеизвестно, что непрерывное движение струи газов в выхлопной системе способствует улучшению протекания процессов газообмена, повышает экономичность и мощность ДВС.

Использование: в устройствах уменьшения шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Сущность изобретения: поток выхлопных газов ДВС в устройстве движется без изменения направления, единой струей и с большей, чем в подводящей трубе, скоростью. Струя проходит последовательно несколько демпфирующих камер, связанных между собой, с выходной трубой и выходным патрубком-диффузором, сужающимся соосно расположенными одиночными соплами. Для более эффективного использования объема устройства объемы его отдельных камер по направлению движения струи могут соотноситься между собой как ряд уменьшающихся чисел. Для снижения потерь на барботаж внутри устройства может быть предусмотрено движение струи в камерах по трубам, которые начинаются раструбами, обеспечивающими контакт струи с объемом каждой трубы только по узкой кольцевой щели на концах каждой трубы. Такое использование энергии выхлопных газов снижает уровень шума, способствует повышению эффективности протекания процессов газообмена, а следовательно, улучшает экономичность ДВС и позволяет уменьшить величину перекрытия органов газораспределения, увеличить продолжительность тактов всасывания и выхлопа, что приводит к дополнительному увеличению мощности и экономичности ДВС 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО СНИЖЕНИЯ ШУМА ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащее корпус, разделенный на ряд камер, входной и выходной патрубки, камеры соединены одна с другой и с выходным патрубком при помощи соосных сужающихся сопл, отличающееся тем, что входной патрубок выполнен с сужающимся выходным соосным соплом, диаметр выходного сечения всех сопл меньше внутреннего диаметра входного патрубка, а сопло выходного патрубка выполнено в виде диффузора со скошенным срезом на выходе. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отношение объема каждой последующей камеры к объему предыдущей камеры по ходу движения потока составляет уменьшающийся ряд чисел геометрической прогрессии или ряд уменьшающихся простых чисел. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что каждые нечетные по ходу движения потока выхлопа камеры снабжены трубками с раструбами на входе, размещенными соосно с соплами и имеющими внутренний диаметр, равный диаметру выходного сечения сопла, а входные и выходные участки труб расположены с образованием кольцевых щелей относительно входа и выхода сопла.