ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F01N5/02 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к глушителям шума для двигателей внутреннего сгорания.

Известен глушитель шума для двигателя внутреннего сгорания, содержащий цилиндрический корпус, соосные впускной и выпускной патрубки, соединенные с корпусом при помощи вставок в виде усеченных конусов, центральную трубу, соосные продольные цилиндрические перегородки, установленные коаксиально относительно центральной трубы с образованием кольцевых зазоров и выполненные с длиной, уменьшающейся от оси корпуса, и совмещением последней из них с корпусом, кольцевые поперечные перфорированные перегородки, установленные на торцах продольных перегородок с перекрытием кольцевых зазоров, трубы, установленные в противолежащих отверстиях перфорации поперечных перегородок, конический дефлектор, сопряженный основанием с входным торцом центральной трубы, входной и выходной коллекторы, соединяющие межтрубное пространство кольцевых зазоров, заполненное охлаждающим рабочим телом [1]
Однако в этом известном устройстве при движении охлаждающего рабочего тела справа вверх налево между входным и выходным коллекторами в узких кольцевых каналах наблюдаются застойные зоны, при этом входная часть центральной трубы не является поверхностью нагрева, что и обусловливает неинтенсивное охлаждение отработавших газов и, как следствие, неэффективное глушение шума выпуска.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к изобретению является устройство, содержащее цилиндрический корпус, соосные впускной и выпускной патрубки, соединенные с корпусом при помощи вставок в виде усеченных конусов, центральную трубу и соосные продольные цилиндрические перегородки, выполненные перфорированными, установленные коаксиально относительно центральной трубы с образованием кольцевых зазоров и выполненные с длиной, уменьшающейся от оси корпуса, и совмещением последней из них с корпусом, конические дефлекторы, сопряженные основанием с входным и выходным торцом центральной трубы, кольцевые поперечные перфорированные перегородки, установленные на торцах продольных перегородок с перекрытием кольцевых зазоров, трубы, расположенные в противолежащих отверстиях перфорации поперечных перегородок, входной и выходной коллекторы, установленные на боковой поверхности корпуса соосно между собой и соединяющие межтрубное пространство кольцевых зазоров, заполненное охлаждающим рабочим телом [2]
Однако в данном устройстве кольцевые продольные перфорированные перегородки имеют разную и произвольную пропускную способность, приводящую к дестабилизации течения охлаждающего рабочего тела. При этом геометрические параметры продольных перфорированных перегородок не связаны определенными соотношениями с основными размерами глушителя: диаметром впускного патрубка, диаметром корпуса и его длиной, что в целом и обеспечивает невысокую эффективность шумоглушения. Кроме того, из-за отсутствия конкретных соотношений не поддаются унификации глушители разных марок автомобилей.

Цель изобретения повышение эффективности шумоглушения и унификация.

Это достигается тем, что в предлагаемом глушителе шума для двигателя внутреннего сгорания, согласно изобретению площади проходных сечений в перфорированных цилиндрических перегородках и в перфорированной центральной трубе равны между собой и в два раза больше площади поперечного сечения входного коллектора, при этом количество отверстий перфорации в центральной трубе определяется по формуле
Z_т= 2, где квадратные скобки обозначают целую часть числа;
Z_т количество отверстий перфорации в центральной трубе;
d_в.к. диаметр входного коллектора;
d_т диаметр отверстий перфорации в центральной трубе.

Количество отверстий перфорации в цилиндрических перегородках уменьшается в направлении от центра к периферии и связаны между собой соотношением
Z_n= , n=1, 2, 3. где квадратные скобки обозначают целую часть числа;
Z_n количество отверстий перфорации n-ой перегородки;
n порядковый номер цилиндрической перегородки, считая от трубы;
Диаметры отверстий перфорации в перегородках увеличиваются в направлении от центра к периферии и связаны между собой соотношением
d_n= (1,272)ⁿ · d_т, n=1, 2, 3. где d_n диаметр отверстий перфорации n-ой перегородки.

Длины перфорированных цилиндрических перегородок связаны между собой соотношением
L_n= n=1, 2, 3. где L_n длина цилиндрической n-ой перфорированной перегородки;
L_т длина центральной перфорированной трубы.

Диаметры продольных цилиндрических перегородок связаны между собой соотношением
D_n= (1,272)ⁿ · D_в.п., n=1, 2, 3. где D_n диаметр n-ой цилиндрической перегородки;
D_в.п. диаметр впускного патрубка.

Кроме того, диаметр отверстий перфорации в центральной трубе принимается равным одному из чисел ряда Фибонеччи, начиная с пятого: 5 или 8, или 13 и т. д.

Определение количества отверстий перфорации в центральной трубе по формуле
Z_т= 2, определение количества отверстий перфорации в продольных перегородках по формуле
Z_n= , n=1, 2, 3. определение диаметров отверстий перфораций по формуле
d_n= (1,272)ⁿ · d_т, n=1, 2, 3. определение длин продольных перегородок и соответствующих им перфорированных участков по формуле
L_n= n=1, 2, 3. определение диаметров продольных перегородок по формуле
D_n= (1,272)ⁿ · D_в.п., n=1, 2, 3. позволяет создать одинаковую пропускную способность кольцевых продольных перфорированных перегородок по всему тракту движения охлаждающего рабочего тела, включая входной и выходной коллекторы, и тем самым, стабилизировать течение охлаждающего рабочего тела и, таким образом, повысить эффективность шумоглушения.

Если Z_т≠ 2 при соблюдении всех остальных отличительных признаков, то пропускная способность перегородок не будет соответствовать пропускной способности впускного и выпускного коллекторов, что приведет к необоснованному увеличению местных сопротивлений, дестабилизации потока рабочего тела и, как следствие, снижению эффективности шумоглушения.

Если d_n ≠ (1,272)ⁿ · d_т или Z при соблюдении всех остальных отличительных признаков, то пропускная способность продольных перфорированных перегородок будет разная, что обусловит нежелательное вихpеобразование и снижение тем самым эффективности шумоглушения.

Если L_n≠ при соблюдении всех остальных отличительных признаков, то продольные перегородки будут иметь непропорциональные между собой длины, что нарушит равенство внутренних поверхностей кольцевых продольных каналов, ско-рость движения рабочего тела в каждом канале изменится, а это приведет к дестабилизации движения потоков в каналах и снижению эффективности шумоглушения.

Если D_n ≠ (1,272)ⁿ · D_в.п. при соблюдении всех остальных отличительных признаков, то в этом случае продольные кольцевые каналы будут иметь непропорциональные площади поперечных сечений и, как следствие, нежелательную турбулизацию, завихрения потока рабочего тела и снижение эффективности шумоглушения.

Таким образом, только соблюдение всех отличительных признаков позволяет стабилизировать поток охлаждающего рабочего тела на всем пути его движения и повысить эффективность шумоглушения.

Выбор диаметра отверстий перфорации в центральной трубе в соответствии с математическим рядом Фибоначчи облегчает методику расчета глушителей и позволяет повысить степень унификации основных внутренних элементов глушителей разных марок автомобилей. Принимать d_т<5 нецелесообразно по конструктивным соображениям, тем более, что принцип "золотой" пропорции начинает проявляться достаточно точно с пятого числа ряда Фибоначчи, т. е. с числа 5.

На фиг. 1 показана принципиально-конструктивная схема глушителя шума, вид сбоку с частичными вырывами; на фиг. 2 разрез А А на фиг. 1.

Глушитель шума содержит цилиндрический корпус 1, соосные впускной 2 и выпускной 3 патрубки, соединенные с корпусом при помощи вставок в виде усеченных конусов 4 и 5, центральную трубу 6 и соосные продольные цилиндрические перегородки 7, выполненные перфорированными, установленные коаксиально относительно центральной трубы с образованием кольцевых зазоров и выполненные с длиной, уменьшающейся от оси корпуса, и совмещением последней из них с корпусом, конические дефлекторы 8 и 9, сопряженные основанием с входным и выходным торцом центральной трубы, кольцевые поперечные перфорированные перегородки 10 и 11, установленные на торцах продольных перегородок с перекрытием кольцевых зазоров, трубы 12, установленные в противолежащих отверстиях пеpфорации поперечных перегородок, входной 13 и выходной 14 коллекторы, установленные на боковой поверхности корпуса соосно между собой и соединяющие межтрубное пространство кольцевых зазоров, заполненное охлаждающим рабочим телом. Для повышения эффективности глушитель имеет тепловую изоляцию 15.

Диаметр центральной трубы D_т равен диаметру впускного патрубка D_в.п.

Диаметр корпуса глушителя равен диаметру последней продольной цилиндрической перегородки, т. е. корпус совмещен с последней цилиндрической перегородкой.

Длина центральной трубы L_т, а также количество продольных цилиндрических перегородок n выбирается конструктивно исходя из габаритных размеров глушителя шума определенного типа транспортного средства.

Впускным патрубком 2 глушитель подключен к выхлопному коллектору двигателя внутреннего сгорания, а выпускным патрубком 3 к выхлопной трубе автомобиля.

Коллектором 13 глушитель шума подсоединен к вентилятору, а коллектором 14 к потребителю утилизированной энергии, например, к кузову автомобиля, предназначенного для перевозки хлеба типа АФХО-131М.

Таким образом, образована достаточно компактная и простая акустическая системы, все внутренние элементы которой выполнены с учетом аэродинамического профилирования и связаны между собой строго определенными математическими соотношениями на основе закономерностей чисел Фибоначчи.

Глушитель шума работает следующим образом.

При включении двигателя внутреннего сгорания образующиеся отработавшие газы по впускному патрубку 2 поступают в корпус 1, проходят по трубам 12, которые охлаждаются потоком воздуха, нагнетаемого вентилятором по входному коллектору 13.

В трубах 12 отработавшие газы интенсивно охлаждаются и далее по выпускному патрубку 3 выбрасываются в атмосферу.

При охлаждении скорость газов снижается, и следовательно уровень шума уменьшается, причем, чем интенсивнее охлаждение отработавших газов, тем эффективнее шумоглушение.

В данной конструкции глушителя шума имеет место интенсивное охлаждение отработавших газов по следующим причинам.

Все продольные перфорированные цилиндрические перегородки и центральная труба имеют одинаковую пропускную способность (коэффициент использования площади K), а следовательно, и равное аэродинамическое (гидравлическое) сопротивление (со стороны нагреваемой среды воздуха). Это достигается тем, что все основные геометрические параметры перфорации связаны между собой приведенными уравнениями;
глушитель шума имеет развитую конвективную и лучистую поверхность нагрева, практически все внутренние элементы конструкции участвуют в теплообмене;
при движении охлаждающего рабочего тела (воздуха) снизу вверх между входным 13 и выходным 14 коллекторами имеет место поперечное обтекание (омывание) элементов поверхности нагрева глушителя, в частности, труб 12, что интенсифицирует теплоотдачу.

В данной конструкции глушителя практически отсутствуют застойные зоны, все его внутренние элементы хорошо продуваются воздухом, при этом сначала воздушный поток от входного коллектора 13 равномерно расширяется, заполняет внутренний объем центральной трубы 6, а затем равномерно сужается и через выходной коллектор 14 подается к потребителю утилизированной энергии. А это, в свою очередь, также способствует интенсификации теплообмена между двумя средами.

Наличие у центральной трубы 6 конических дефлекторов 8 и 9 способствует снижению аэродинамического сопротивления при движении отработавших газов по глушителю. При этом дефлекторы 8 и 9 интенсивно охлаждаются изнутри, что также способствует эффективному снижению шума.

В центральной трубе 6 поток воздуха расширяется и статическое давление в этом месте возрастает. Здесь создается запас давления, который необходим для преодоления последующих аэродинамических сопротивлений при прохождении воздуха через перфорацию. Это стабилизирует движение воздуха в выводном коллекторе 14 и повышает, тем самым, качество утилизированной теплоты. Причем, при движении воздуха снизу вверх через многочисленную перфорацию внутренних элементов глушителя шума поток разделяется на все более мелкие струи и их аэродинамический шум при этом несколько снижается, что также положительно сказывается на общем эффекте заглушения шума выпуска.

В данной конструкции все параметры продольных перфорированных перегородок 7 связаны между собой строго определенными математическими соотношениями на основе закономерностей чисел Фибоначчи, что приводит к стабилизации движения охлаждающего рабочего тела (воздуха) через многослойную перфорацию внутренних элементов глушителя шума и повышению эффективности шумоглушения и унификации.

Количество и диаметры отверстий перфорации продольных цилиндрических перегородок 7 и центральной трубы 6 связаны математическим соотношением с диаметром входного 13 (равно как выходного 14) коллектора, что также способствует стабилизации движения охлаждающего рабочего тела и повышению эффективности шумоглушения.

Для подтверждения вышеизложенного приведем конкретные примеры, при этом будет исходить из того, что для серийных глушителей характерны следующие геометрические соотношения:
2,0≅ ≅ 3,0
500 ≅ L_г ≅ 1000 мм
50 ≅ D_в.п. ≅ 100 мм
П р и м е р 1. Начальные условия: тип автомобиля ЗиЛ-131;
длина стандартного глушителя 870 мм.

Глушитель снабжен двумя впускными патрубками равного диаметра. Диаметр впускного патрубка d_в.п.=65 мм.

Принимаем: диаметр впускного патрубка D_в.п.=Dэкв.в.п.

Определяем количество отверстий перфорации в продольных перегородках.

Z_т= 22 312
Z₁= 192
Z₂= 118
Определяем диаметр отверстий перфорации в продольных перегородках
d_т=8 мм
d₁=(1,272)¹ · d_т=1,272х8=10,2 мм
d₂=(1,272)² · d_т=(1,272)²х8=13 мм
Определяем длины продольных цилиндрических перегородок
L_т=500 мм
L₁= 393 мм
L₂= 309 мм
L_к= L₃= 243 мм
Определяем диаметры продольных перегородок
D_т=D_в.п.=90 мм
D₁=(1,272)¹ · D_в.п.=1,272х90=114,48 мм
D₂=(1,272)² · D_в.п.=(1,272)²х90=145,62 мм
D_к=D₃=(1,272)³ · D_в.п.=(1,272)³х90=185 мм
Определяем пропускную способность каждой перфорированной продольной перегородки
K_т= 0,1411
K₁= 0,1411
K₂= 0,1409
Из расчетов следует, что K_т=K₁=K₂, т. е. пропускная способность всех продольных перфорированных перегородок и центральной трубы одинаковая. В этом случае имеет место стабилизация потока охлаждающего рабочего тела при движении через кольцевые каналы, что, безусловно, способствует повышению эффективности шумоглушения. Изменяя исходные данные и исходя из габаритных размеров серийных глушителей шума, можно рассчитать новые глушители для всех марок отечественных автомобилей: ГАЗ, ЗиЛ. КамАЗ, КрАЗ и т. д.

Однако нетрудно видеть, что если мы нарушим хотя бы одно из указанных соотношений, то пропускная способность перфорированных продольных перегородок будет разная, что приведет к снижению эффективности работы устройства.

П р и м е р 2.

Принимаем Z_n= при соблюдении всех остальных признаков.

Тогда
Z_т= 2 312
Z₁= 178
Z₂= 101
K_т= 0,1411
K₁= 0,1308
K₂= 0,1205
Из расчетов следует, что K_т ≠ K₁ ≠ K₂, что делает пропускную способность перфорированных перегородок неодинаковой. Это дестабилизирует движение охлаждающего рабочего тела.

П р и м е р 3. Принимаем d_n=(1,45)ⁿ · d_т при соблюдении всех остальных признаков.

Тогда
d_т=8 мм
d₁=1,45 · d_т=11,6 мм
d₂=1,45²хd_т=16,8 мм
K_т= 0,1411
K₁= 0,1826
K₂= 0,2353
B этом случае также K_т ≠ K₁ ≠ K₂.

П р и м е р 4. Принимаем L_n= при соблюдении всех остальных признаков.

Тогда
L₁= 333 мм
L₂= 222 мм
L₃= 148 мм
K_т= 0,1666
K₁= 0,1965
K₂= 0,2313
И в этом случае K_т ≠ K₁ ≠ K₂.

П р и м е р 5. Принимаем, что D_n=(1,4)ⁿ x D_в.п. при соблюдении всех остальных признаков.

Тогда D_т=90 мм
D₁=1,4 х D_в.п.=126 мм
D₂=1,4² х D_в.п.=176,4 мм
K_т= 0,1411
K₁= 0,1282
K₂= 0,1163
И в этом случае K_т ≠ K₁ ≠ K₂.

В заключение напомним, что ряд Фибоначчи имеет вид: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, и т. д. при этом 1,618 (Воробьев Н. Н. Числа Фибоначчи. М. Наука, 1969, 112 с.). Заметим, что 1,272.

Изобретение может быть использовано для снижения шума выпуска отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и частичной утилизации при этом их энергии. Глушитель шума содержит цилиндрический корпус, соосные впускной и выпускной патрубки, центральную трубу, соосные продольные цилиндрические перфорированные перегородки, трубы-газоходы, входной и выходной коллекторы, тепловую изоляцию. Площади проходных сечений в перфорированных цилиндрических перегородках и в перфорированной центральной трубе равны между собой и в два раза больше площади поперечного сечения входного коллектора. Количество и диаметры отверстий перфорации центральной трубы и продольных цилиндрических перегородок, а также диаметры и длины продольных цилиндрических перфорированных перегородок и центральной перфорированной трубы связаны между собой определенными соотношениями на основе принципа "золотой" пропорции, так что коэффициент перфорации во всех продольных перегородках и центральной трубе остается постоянным. Это позволяет получить по всему аэродинамическому тракту охлаждающего рабочего тела одинаковую пропускную способность, стабилизировать движение потока охлаждающего рабочего тела и повысить эффективность шумоглушения и унификацию внутренних элементов конструкции. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий цилиндрический корпус, соосные впускной и выпускной патрубки, соединенные с корпусом при помощи вставок в виде усеченных конусов, центральную трубу и соосные продольные цилиндрические перегородки, выполненные перфорированными, установленные коаксиально относительно центральной трубы с образованием кольцевых зазоров и выполненные длиной, уменьшающейся от оси корпуса, и совмещением последней из них с корпусом, конические дефлекторы, сопряженные основанием с входным и выходным торцами центральной трубы, кольцевые поперечные перфорированные перегородки, установленные на торцевых продольных перегородках с перекрытием кольцевых зазоров, трубы, установленные в противолежащих отверстиях перфорации поперечных перегородок, входной и выходной коллекторы, установленные на боковой поверхности корпуса соосно между собой и соединяющие межтрубное пространство кольцевых зазоров, заполненное охлаждающим рабочим телом, отличающийся тем, что перфорированная цилиндрическая перегородка и перфорированная цилиндрическая труба выполнены с площадями проходных сечений, равными между собой и по меньшей мере в два раза превышающими площадь поперечного сечения входного коллектора, причем количество Z_т отверстий перфорации в центральной трубе определено зависимостью
Z_т = [2(d_{в . к .} / d_т)²],
где квадратные скобки обозначают целую часть числа;
d_{в . к .} - диаметр входного коллектора;
d_т - диаметр отверстий перфорации в центральной трубе,
количества отверстий перфорации в цилиндрических перегородках уменьшаются в направлении от центра к периферии и связаны между собой соотношением
Z_n = [Z_т / (1,618)ⁿ],
где квадратные скобки обозаначают целую часть числа;
Z_n - количество отверстий перфорации n-й перегородки;
n - порядковый номер цилиндрической перегородки, считая от трубы,
диаметры отверстий перфорации в перегородках увеличиваются в направлении от центра к периферии и связаны между собой соотношением
d_n = (1,272)ⁿd_т,
где d_n - диаметр отверстий перфорации n-й перегородки,
длины перфорированных цилиндрических перегородок связаны между собой соотношением
L_n = L_T / (1,272)ⁿ,
где L_n - длина цилиндрической n-й перфорированной перегородки;
L_T - длина центральной перфорированной трубы,
диаметры продольных цилиндрических перегородок связаны между собой соотношением
D_n = (1,272)ⁿ • D_{в . п .},
где D_n - диаметр n-й цилиндрической перегородки;
D_{в . п .} - диаметр впускного патрубка. 2. Глушитель по п.1, отличающийся тем, что диаметр отверстий перфорации в центральной трубе равен одному из чисел математического ряда Фибоначчи, начиная с числа 5 или последующих чисел ряда.