ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F01N1/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, а именно к глушителям шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Известен глушитель шума выхлопа для двигателя внутреннего сгорания, авторское свидетельство СССР N 1092290, МКИ F 01 N 1/00, БИ N 18/84, содержащий по меньшей мере одну цилиндрическую камеру с торцевыми стенками и соосными патрубками, срезы которых размещены внутри камеры.

Известная конструкция глушителя позволяет успешно использовать его на спортивных автомобилях, так как при минимальных гидравлических сопротивлениях он обладает наилучшими акустическими показателями и отличается простотой и малыми габаритами. Эффективность глушителя достигается за счет того, что максимальное расширение полосы заглушения и исключение конкретных периодических "провалов" в характеристике заглушения шума достигается за счет размещения динамических срезов патрубков в полости камеры глушителя в узлах низших собственных резонансных форм колебаний газа в камере, соответствующих точкам, где колебания звукового давления минимальны. Эффективные (динамические) срезы учитывают действительное удлинение пульсирующих газовых столбов, заключенных в полостях патрубков за счет влияния ближнего гидродинамического поля у среза патрубка, путем присоединения некоторой близлежащей массы газа у статического среза патрубка. Практически динамический срез "длиннее" статического (геометрического) среза на величину 0,2...0,4d, где d - диаметр проходного сечения соответствующего патрубка.

Описанная конструкция глушителя отличается компактностью и низкими гидродинамическими сопротивлениями, поскольку срезы патрубков расположены соосно и поток газов через полость глушителя транспортируется прямолинейно (без поворотов).

Конструкция описанного глушителя достаточно хорошо вписывается, в частности, в концепцию спортивных автомобилей, некоторых стационарных энергетических установок и т.п., однако для легковых автомобилей массового производства, для которых требования по предельно допустимому уровню шума значительно выше, эффективности такого глушителя явно недостаточно.

Дальнейшим совершенствованием описанного глушителя является конструкция (прототип), описанная в авторском свидетельстве СССР N 1420193, МКИ F 01 N 1/00, БИ N 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 повышенной эффективностью заглушения и более широким диапазоном полосы заглушения, которая в настоящее время применяется в ряде моделей автомобилей производства ОАО "АВТОВАЗ".

Глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания 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 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 проявились в процессе его эксплуатации, при необходимости совершенствования конструкции для соответствия более жестким требованиям автомобилей по предельным значениям уровней их внешнего шума, а анализ конструкции позволяет утверждать о потенциальных возможностях ее дальнейшего совершенствования. В частности, во всех вариантах конструкции глушителя, представленных на фиг. 1-3 видно, что наиболее энергоемкая первая (и все нечетные) продольная низшая собственная резонансная форма колебаний из средней (центральной) камеры глушителя свободно пропускается 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 (f4 = 4c/2L, где f - частота, c - скорость звука, L - длина средней камеры).

Крайние (боковые) камеры глушителя, фиг. 1, согласно графическому описанию прототипа представляющие собой идентичные резонаторы концентричного типа, настроены на один и тот же резонансный частотный диапазон, что приводит к неоправданному дублированию подавления резонансных режимов и, в конечном итоге, ограничивает (заужает) полосу заглушения, в данном случае способствует нежелательному взаимному резонансному взаимодействию боковых камер и не позволяет использовать каждую из камер для целенаправленного шумоподавления конкретного отдельного резонансного диапазона в заданной частотной области звукового спектра.

В современных конструкциях глушителей шума автомобильных ДВС для улучшения ослабления передачи звука на указанных резонансных модах расширительной цилиндрической камеры с внутренними трубами широко используют звукопоглощающие набивки камер волокнистыми материалами. В настоящее время практически всеми автомобильными фирмами используется конструкция предварительного глушителя шума системы выхлопа с набивкой полости камеры глушителя из базальтового волокна. Обладая достаточно высокими термостойкими и звукопоглощающими характеристиками, такая набивка в ряде случаев ослабляет резонансные высокочастотные "свисты" глушителя на 4-й продольной и 2-й радиальной собственных модах колебаний воздушного объема камеры. Однако такая конструкция имеет и ряд существенных недостатков, основные из которых следующие:
- Волокнистое базальтовое волокно активно впитывает химически агрессивный конденсат выхлопных газов, что вызывает ускоренную внутреннюю коррозию корпуса глушителя, существенно сокращая срок его эксплуатации. Следует здесь отметить, что именно внутренняя коррозия, а не механические нагрузки являются основной причиной разрушения глушителей автомобильных ДВС.

- Волокнистое базальтовое волокно, вследствие вышеуказанной причины, вынуждает применять дорогостоящие хром-никелевые стали, использовать дополнительные устройства отсоса конденсата из полости камеры различными диффузорными газоприемниками, что дополнительно усложняет конструкцию и делает ее более дорогой.

- В процессе эксплуатации базальтовые волокна частично выдуваются из полости глушителя в окружающую среду, что ведет к вредному и очень опасному для здоровья человека засорению воздушной среды мелкими частицами базальтовых волокон.

- В процессе длительной эксплуатации изменяется пористость волокнистой набивки камеры из-за воздействия частиц углерода (сажи) и жидкого конденсата, что влечет ухудшение звукопоглощающих характеристик волокнистой набивки и снижению шумозаглушающей способности глушителя в целом.

- Применение базальтовых волокон в технологии производства глушителей связано с вредными условиями производства, вследствие возможного попадания частиц волокон через органы дыхания в организм человека.

Предлагаемая ниже конструкция глушителя предполагает повышение его акустической эффективности за счет расширения частотного диапазона и амплитуды заглушения, исключения дефектных диапазонов резонансной передачи звука на наиболее энергоемких низших (первой и четвертой продольных и второй радиальной) собственных резонансных модах колебаний газового объема центральной камеры путем дополнительной акустической настройки глушителя, что достигается путем изменения конструктивных параметров прототипа.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном глушителе шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания, содержащем цилиндрический корпус с торцовыми стенками, в котором посредством поперечных перегородок образованы три камеры: входная, центральная и выходная, соосные входной и выходной патрубки, гидравлически подключенные к соответствующим камерам посредством перфорированных участков патрубков, и свободные срезы которых размещены в центральной камере, причем свободный динамический срез выходного патрубка размещен в узловой зоне второй низшей собственной продольной моды колебаний газового объема, заключенного в центральной камере, динамический срез входного патрубка размещен в узловой зоне первой низшей собственной продольной моды колебаний газового объема, заключенного в центральной камере, при этом суммарный объем крайних камер глушителя примерно, с допуском ± 0,05 величины объема, равен объему его центральной камеры и сами крайние камеры выполнены в виде разнонастроенных концентричных резонаторов, настроенных на подавление частот резонансных передач шума основной камеры на четвертой продольной и второй радиальной низших собственных резонансных модах колебаний газового объема центральной камеры.

Настройка резонаторов, образованных кольцевыми объемами крайних камер, сообщенных с патрубками посредством участков перфорации, осуществляется за счет подбора степени перфорации участков, динамической толщины отверстий перфорации, учитывающей присоединенную колеблющуюся массу воздуха в отверстиях перфорации и величины объема полостей соответствующей камеры и рассчитывается по известной формуле:
для четвертой продольной собственной моды колебаний газового объема центральной камеры

для второй радиальной собственной моды колебаний газового объема центральной камеры

где c - скорость звука,
L - длина центральной камеры,
F - суммарная площадь проходного сечения отверстий перфорации в заданной камере (входной, выходной),
h - длина горлышка резонатора (динамическая толщина отверстия перфорации), с присоединенной массой газа Δ h = 2(0,44 ),
F_отв - площадь одного отверстия,
V - объем соответственно входной (при настройке на подавление 4-й продольной собственной моды) или выходной (при настройке на подавление 2-й радиальной собственной моды) камеры глушителя,
D - приведенный диаметр корпуса глушителя. Для кругового цилиндра D = D_{цилиндра}; для корпуса, имеющего форму овала D = S/П, где S - площадь поперечного сечения овала и П - периметр этого сечения.

При таком конструктивном исполнении глушителя сводится к минимуму отрицательное влияние на его акустическую эффективность всех нечетных и низших (наиболее энергоемких) четных собственных резонансных мод колебаний газового объема в его расширительной камере, связанное с устранением полос пропускания (частотных провалов) на указанных выше собственных резонансных модах. Выбор различных объемов и резонансных настроек боковых камер глушителя исключает нежелательное резонансное взаимодействие этих камер.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где
на фиг. 1 показан общий вид глушителя шума выхлопа,
на фиг. 2 показана схема внутренних элементов глушителя,
на фиг. 3. ..6 показаны эпюры распределения полей звуковых давлений на низших (соответственно с первой по четвертую) собственных резонансных продольных модах колебаний газового объема в центральной камере глушителя,
на фиг. 7 и 8 показаны эпюры распределения полей звуковых давлений на низших (соответственно первой и второй) собственных резонансных радиальных модах колебаний газового объема в центральной и боковых камерах глушителя.

На эпюрах символом -P- обозначен модуль звукового давления.

Глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания, показанный на фиг. 1, содержит цилиндрический корпус 1 с торцовыми стенками 2 и 3, в котором посредством поперечных перегородок 4 и 5 образованы три камеры: входная 6, центральная 7 и выходная 8, соосные входной 9 и выходной 10 патрубки, гидравлически подключенные к соответствующим камерам 6 и 8 посредством перфорированных участков 11 и 12, и свободные срезы которых размещены в центральной камере 7, причем свободный динамический срез 13 выходного патрубка 10 размещен в узловой зоне второй низшей собственной продольной моды, фиг. 4, колебаний газового объема, заключенного в центральной камере 7, фиг. 2, динамический срез 14 входного патрубка 9 размещен в узловой зоне первой низшей собственной продольной моды, фиг. 3, колебаний газового объема, заключенного в центральной камере 7, фиг. 2, при этом суммарный объем крайних камер глушителя, с соотношением объемов 3 : 2, равен объему его центральной камеры, и сами крайние камеры выполнены в виде концентричных резонаторов, целенаправленно настроенных на частоты резонансных передач основной камеры на четвертой продольной, фиг. 6, и второй радиальной, фиг. 8, низших собственных резонансных модах колебаний газового объема центральной камеры 7.

Работает глушитель обычным образом.

Выхлопные газы по входному патрубку 9 поступают через свободный срез 14 в центральную камеру 7 глушителя и, вследствие внезапного расширения акустического волновода, определяемого соотношением проходных сечений патрубка 9 и камеры 7 частично отражаются обратно к источнику излучения (выпускному клапану), а частично передаются к свободному срезу 13 выходного патрубка 10, и, вследствие внезапного сужения проходного сечения акустического волновода, определяемого аналогичным соотношением проходных сечений камеры 7 и патрубка 10, аналогичным образом частично отражаются в сторону источника излучения и частично выводятся из камеры глушителя по патрубку 10 в атмосферу.

В процессе непрерывных отражений звуковых волн образующиеся обратные волны взаимодействуют с прямыми, вследствие противофазных наложений частично компенсируются в зонах резких изменений проходных сечений волновода и, соответственно, резкого изменения акустического сопротивления волновода и фрикционных потерь возникают также необратимые преобразования звуковой энергии в тепловую с соответствующим ослаблением передаваемой в окружающую среду звуковой энергии от системы выхлопа ДВС.

Звуковая энергия, транслируемая по газоводным патрубкам 9 и 10 глушителя в зонах перфорированных участков 11 и 12 претерпевает резонансное ослабление на отдельных частотных диапазонах, на которые настроена соответствующая акустическая камера 6 или 8.

В этом случае кольцевая масса газа, сосредоточенная вокруг патрубка, играет роль упругого элемента (пружины), а масса газа, сосредоточенная в отверстиях перфорации, играет роль колеблющейся массы на этой пружине.

В результате акустического резонанса (короткого акустического замыкания) на заданной частоте колебаний, амплитуда этих колебаний массы газа в горлышках перфорированных отверстий становится большой, фаза колебаний является противоположной фазе прямых и обратных волн этой же частоты, транслируемой по газоводу и вследствие существенного трения большеамплитудных колебаний о стенки перфорированных отверстий акустическая энергия преобразовывается в тепловую и таким образом происходит общее ослабление звуковой энергии в заданном (настроенном) частотном диапазоне.

При этом динамический срез 14 входного патрубка не возбуждает в центральной камере 7 глушителя наиболее энергоемкую первую, фиг. 3, собственную резонансную продольную моду колебаний объема камеры 7, поскольку он размещен в узловой зоне (со значением модуля давления около нуля) звукового давления на этой форме колебаний. Это относится и ко всем нечетным более высокочастотным аналогичным модам, см. фиг. 5. Одновременно с этим, возбужденная в камере 7 вторая продольная собственная мода, фиг. 4, не передается выходным патрубком 10 из камеры 7 в атмосферу, поскольку динамический срез 13 выходного патрубка 10 размещен в узле (нулевом значении звукового давления) этой формы колебаний. Возбужденная в центральной камере 7 четвертая продольная, фиг. 6, собственная резонансная форма колебаний подавляется настроенным на частоту рассматриваемой моды концентричных резонатором, образованным кольцевым объемом камеры 6 и отверстиями перфорации участка 11, в которых (отверстиях) в результате интенсивных резонансных колебаний звуковой волны значительная часть звуковой энергии преобразуется в тепловую. Совершенно аналогичный механизм подавления второй низшей радиальной собственной моды колебаний, фиг. 8, реализован концентричным резонатором, образованным кольцевым объемом выходной камеры 8 и отверстиями участка перфорации 12 и настроенным на доминирующую частоту этой моды. Что касается первой радиальной собственной моды, фиг. 7, то она не возбуждается в силу того, что ось выходного патрубка 10 проходит через центр тяжести объема центральной камеры 7, т.е. находится в узле колебаний этой моды.

Выполнение камер различных объемов в сочетании 0,3±0,05 : 0,5±0,05 : 0,2±0,05 позволяет избежать резонансных совпадений, более просто осуществлять настройку камер применением однотипной перфорации, расширить полосу заглушения шума.

Таким образом, за счет обеспечения более оптимальных, с точки зрения акустики, геометрических параметров элементов глушителя, достигается повышение его акустической эффективности.

В сравнении с прототипом заявляемый глушитель шума выхлопа имеет более широкий частотный диапазон и уровень заглушения и, следовательно, большую акустическую эффективность. Ожидаемый дополнительный эффект от использования предлагаемого глушителя в системе выпуска отработавших газов автомобилей ВАЗ взамен штатного (серийного) дополнительного глушителя составляет не менее 3 дБА.

Решение технической задачи направлено на повышение акустической эффективности предварительного глушителя системы выхлопа. Глушитель шума выхлопа ДВС содержит цилиндрический корпус с торцевым стенками, в котором посредством поперечных перегородок образованы три камеры: входная, центральная и выходная, соосные входной и выходной патрубки, гидравлически подключенные к соответствующим камерам посредством перфорированных участков, и свободные срезы которых размещены в центральной камере, причем свободный динамический срез выходного патрубка размещен в узловой зоне второй низшей собственной продольной моды колебаний газового объема, заключенного в центральной камере, динамический срез входного патрубка размещен в узловой зоне первой низшей собственной продольной моды колебаний газового объема, заключенного в центральной камере, при этом суммарный объем крайних камер глушителя равен объему его центральной камеры и сами крайние камеры выполнены в виде концентричных резонаторов, настроенных на подавление частот резонансных передач шума основной камеры на четвертой продольной и второй радиальной низших собственных резонансных мод колебаний газового объема центральной камеры. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания, содержащий цилиндрический корпус с торцевыми стенками, в котором посредством поперечных перегородок образованы три камеры: входная, центральная и выходная, соосные входной и выходной патрубки, гидравлически подключенные к входной и выходной камерам посредством перфорированных участков и свободные срезы которых размещены в центральной камере, причем свободный динамический срез выходного патрубка размещен в узловой зоне второй низшей собственной продольной моды колебаний газового объема, заключенного в центральной камере, отличающийся тем, что свободный динамический срез входного патрубка размещен в узловой зоне первой низшей собственной продольной моды колебаний газового объема, заключенного в центральной камере, при этом суммарный объем крайних камер глушителя равен объему его центральной камеры, а сами крайние камеры выполнены в виде концентричных резонаторов, настроенных на подавление частот резонансных передач шума основной камеры на четвертой продольной и второй радиальной низших собственных резонансных мод колебаний газового объема центральной камеры. 2. Глушитель по п.1, отличающийся тем, что соотношение объемов входной, центральной и выходной камер соответственно составляет 0,3 ± 0,05 : 0,5 ± 0,05 : 0,2 ± 0,05.