ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F01N1/08 

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

При работе камерного глушителя в месте расширения газопровода (т.е. в месте появления собственно камеры) создается скачкообразно увеличенное волновое сопротивление - "волновая пробка", что в определенных диапазонах частот звукового спектра препятствует прохождению звука через глушитель с дальнейшим ослаблением излучения его в окружающую среду. В такой конструкции глушителя (типа центральной расширительной камеры) имеется заданная граничная частота, начиная с которой глушитель начинает эффективно работать (заглушать шум). Однако характеристика заглушения такого глушителя представляет собой не восходящую наклонную линию, указывающую на рост величины акустического заглушения с увеличением частоты звукового спектра выхлопа, а кривую с выраженными максимумами заглушения в отдельных частотных диапазонах и ярко выраженными "провалами" на отдельных дискретных частотах в характеристике заглушения. В ряде случаев на частотах "провалов" в характеристике заглушения наблюдается не только нулевое заглушение шума, но даже некоторое усиление шума выхлопа на этих частотах. Именно эти многочисленные "провалы" являются "акустическим дефектом" конструкций камерных глушителей шума. Частоты, на которых наблюдаются указанные "провалы", соответствуют кратным гармоникам полудлин волн, укладывающихся в трехмерном пространстве камеры глушителя между противолежащими жесткими стенками камеры глушителя. Для уменьшения числа таких провалов, сведения их к минимуму и применяют внутреннее введение срезов патрубков газопровода в полость камеры глушителя в зоны, где эти кратные полудлинновые гармоники не будут возбуждаться, или же, возбудившись, не будут выводиться (передаваться) из полости камеры дальше по выхлопной трассе газопровода в окружающую среду. Такими зонами исключения возбуждения или передачи низших собственных мод камеры являются узлы (минимумы) колебаний звуковых давлений, распределенных по трехмерному пространству камеры на данных собственных модах.

Принцип ослабления возбуждения и/или передачи низших собственных резонансных мод из полости камеры в газопровод реализован в известном однокамерном глушителе шума выхлопа для двигателя внутреннего сгорания, авторское свидетельство СССР 1092290, МКИ F 01 N 1/00, БИ 18/84, содержащем по меньшей мере одну цилиндрическую камеру с торцевыми стенками и соосными патрубками. Отличительной особенностью известного глушителя является то, что для обеспечения высокой акустической эффективности заглушения шума расширительной камерой, при одновременном достижении минимальных гидродинамических сопротивлений, динамические (акустические) срезы подводящего и отводящего патрубков камеры (т. е. условно удлиненные на 0,2-0,4d от своего статического геометрического состояния, где d - диаметр соответствующего патрубка) размещены в узловых зонах низших собственных резонансных продольных форм (первой и второй) колебаний газового объема в камере глушителя, т.е. в зонах, где величина звукового давления на указанной акустической моде близка к нулю, что предотвращает (ослабляет) передачу звуковой энергии этих форм (мод) колебаний наружным срезом отводящего патрубка в окружающую среду.

Такая конструкция известного глушителя в ряде случаев хорошо вписывается, в частности, в концепцию спортивных автомобилей, некоторых стационарных энергетических установок с достаточно ограниченной величиной заглушения шума, однако ее акустической эффективности для легковых автомобилей массового производства явно недостаточно, поскольку здесь предъявляются значительно более жесткие требования национальных и международных стандартов по предельно допустимому значению уровней внешнего и внутреннего шума транспортных средств, охраняющих окружающую среду от акустического загрязнения.

Дальнейшим совершенствованием рассмотренного типа глушителя является конструкция многокамерного глушителя, описанная в авторском свидетельстве СССР 1420193, МКИ F 01 N 1/00, БИ 32/88 (или более подробно см. Волгин С.Н. и др. Цветной иллюстрированный альбом. Автомобили ВАЗ-2110, ВАЗ-2111, ВАЗ -2112 и их модификации. М. : Третий Рим, 1998, с.30-31), обладающая более высокой эффективностью заглушения шума выхлопа и более широким диапазоном полосы заглушения, которая, в частности, в настоящее время применяется в ряде моделей автомобилей серийного 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 (центральная) 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, проявляющиеся в процессе его эксплуатации, при необходимости дальнейшего совершенствования конструкции для соответствия более жестким перспективным требованиям транспортных средств по предельным значениям уровней их внешнего шума и анализ совершенства конструкции позволяют утверждать о потенциальных возможностях ее дальнейшего улучшения. В частности, во всех известных вариантах рассмотренной конструкции глушителя, представленных на фиг.1-3 описания, видно, что наиболее энергоемкая первая (и все последующие нечетные) продольная низшая собственная резонансная форма колебаний из средней (центральной) камеры глушителя свободно пропускается в окружающую среду через выпускной патрубок 5. То 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, с - скорость звука, L - длина средней камеры).

Крайние (боковые) камеры глушителя, фиг.1, согласно графическому описанию прототипа, представляющие собой идентичные торцевые резонаторы концентричного типа, настроены на один и тот же резонансный частотный диапазон заглушения шума, что приводит к неоправданному дублированию подавления идентичных резонансных режимов и, в конечном итоге, ограничивает (заужает) полосу заглушения, а также, в данном случае, способствует нежелательному взаимному резонансному взаимодействию боковых (торцевых) камер и не позволяет использовать каждую из камер для целенаправленного шумоподавлений 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 типа расширительной цилиндрической камеры с внутренними трубами широко используют звукопоглощающие набивки полостей камер волокнистыми пористыми материалами. В частности, практически всеми автомобильными фирмами используется конструкция одного из глушителей шума системы выхлопа с заполнением полости камеры глушителя набивкой из базальтового волокна. Обладая достаточно высокими термостойкими и звукопоглощающими характеристиками, такая набивка, в большинстве случаев, ослабляет нежелательные дефектные резонансные высокочастотные "свисты" глушителя, в первую очередь, 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:
- пористая набивка из волокнистого базальтового волокна активно впитывает и накапливает в полости химически агрессивный конденсат, содержащийся в выхлопных газах, что вызывает ускоренную внутреннюю коррозию корпуса глушителя, существенно сокращая срок его эксплуатации. Следует здесь же отметить, что именно внутренняя коррозия, а не механические нагрузки являются основной причиной разрушения глушителей автомобильных ДВС;
- использование волокнистого базальтового волокна, вследствие вышеуказанной причины, вынуждает, в свою очередь, применять дорогостоящие нержавеющие хромникелевые стали, использовать дополнительные устройства принудительного отсоса накопившегося конденсата из полости камеры различными диффузорными приемниками, что дополнительно усложняет конструкцию и делает ее более дорогой;
- в процессе эксплуатации транспортного средства базальтовые волокна частично выдуваются потоком выхлопных газов 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 устройства уменьшается пористость волокнистой набивки камеры из-за воздействия частиц углерода (сажи) и жидкого конденсата ("закоксовывание"), что влечет ухудшение звукопоглощающих характеристик волокнистой набивки и снижение шумозаглушающей способности глушителя в целом;
- применение базальтовых волокон в технологии производства глушителей связано с вредными условиями производства вследствие возможного попадания мелких частиц волокон через органы дыхания в организм человека.

В качестве прототипа принят основной глушитель шума выхлопа системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания автомобилей модельного ряда ВАЗ-2110, см. Волгин С.Н. и др. Цветной иллюстрированный альбом. Автомобили ВАЗ-2110, ВАЗ-2111, ВАЗ-2112 и их модификации. М.: Третий Рим, 1998, с.30-31.

Глушитель содержит четыре последовательных камеры для подавления шума в широкочастотном диапазоне. Он содержит овальный корпус, ограниченный плоскими торцевыми стенками. Камеры в корпусе образованы посредством трех поперечных перегородок и сообщаются между собой посредством перфорированных патрубков. В направлении газового потока камеры последовательно расположены следующим образом: входная, выходная и две дополнительные. При этом два патрубка - подводящий и отводящий - размещены соосно корпусу, а два промежуточных патрубка расположены аксиально и по обе стороны от оси корпуса глушителя. Для лучшей коррозионной стойкости корпус глушителя изготовлен из алюминированной стали и не имеет точек сварки. Все детали глушителя соединяются между собой завальцовкой.

Рассмотренный глушитель шума обладает высокой надежностью и долговечностью, но вместе с тем имеются необходимость и возможности повышения его акустической эффективности за счет внедрения в конструкцию прототипа отдельных мероприятий по акустической настройке конструкции камерного глушителя, для выполнения более жестких требований защиты окружающей среды от акустического загрязнения. Обусловлено это, в первую очередь, тем, что свободные срезы подводящего, отводящего и промежуточных патрубков в камере глушителя размещены без недостаточно "тонкого" и подробного исследования акустического поля и учета акустических явлений, происходящих в его отдельных камерах в результате возбуждения в них низших резонансных собственных форм колебаний газового объема, заключенного в соответствующей камере глушителя, что вызывает соответствующие акустические недостатки (дефекты) конструкции. В результате этого в характеристике заглушения на отдельных частотах образуются соответствующие "шумозаглушающие провалы", или недостаточные заглушения, что приводит к снижению акустической эффективности конструкции в целом. Недостатком является и то, что вторая и третья (по ходу газового потока от двигателя в окружающую среду) камеры глушителя имеют одинаковый объем (длину), что приводит к дублированию частотного диапазона заглушения и склонности к взаимному резонансному возбуждению камер.

Заявляемая конструкция глушителя предполагает повышение его акустической эффективности за счет расширения частотного диапазона и увеличения степени заглушения, исключения дефектных диапазонов резонансной передачи звука на наиболее энергоемких низших продольных и задиальных собственных резонансных модах колебаний газового объема центральной камеры, ослабления взаимодействия отдельных камер путем дополнительной акустической настройки глушителя.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном глушителе шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания, содержащем цилиндрический корпус с торцевыми стенками, в котором посредством поперечных перегородок образованы четыре последовательные камеры: входная, выходная и две дополнительные, соосно расположенные подводящий и отводящий патрубки и аксиально расположенные и размещенные по обе стороны от оси корпуса промежуточные патрубки, причем полости патрубков подключены к полостям камер посредством своих открытых срезов и сквозных перфорированных участков, дополнительные камеры расположены со стороны выходной камеры, длина входной камеры по крайней мере вдвое превышает длину выходной камеры; начало участка перфорации по ходу потока газа в подводящем патрубке размещено в зоне центра тяжести объема входной камеры, при этом суммарное сечение отверстий перфорации участка составляет (1,5-1,7) F_п.п, где F_п.п - площадь поперечного сечения подводящего патрубка; открытый динамический срез одного из промежуточных патрубков расположен в полости входной камеры, на расстояниях 1/4 длины камеры от ее торцевой стенки, при этом второй конец названного патрубка расположен в полости дополнительной камеры, примыкающей к выходной камере, и снабжен участком сквозной перфорации, начало которого по ходу газового потока расположено в середине названной дополнительной камеры; открытый динамический срез второго промежуточного патрубка размещен в упомянутой дополнительной камере, на расстоянии 1/4 ее длины от поперечной перегородки, образующей вторую дополнительную камеру, а противоположный конец названного патрубка размещен в выходной камере и снабжен участком сквозной перфорации, суммарная площадь отверстий которой составляет (1,5-1,7) F_д.п, где F_д.п - площадь поперечного сечения этого дополнительного патрубка; открытый динамический срез выходного патрубка размещен в середине выходной камеры, при этом часть патрубка, размещенная во второй дополнительной камере, снабжена участком сквозной перфорации, образующим совместно с камерой объемный резонатор, настроенный на частоту

где с - скорость звука;
F_отв - суммарная площадь отверстий перфорации;
h - "толщина" отверстия перфорации учетом присоединенной массы газа;
V_к - объем камеры 10.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где показан заявляемый глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания.

Глушитель выхлопа двигателя внутреннего сгорания содержит цилиндрический корпус 1 с торцевыми стенками 2 и 3, в котором посредством поперечных перегородок 4, 5 и 6 образованы четыре камеры: входная 7, выходная 8 и две дополнительные 9 и 10, соосно расположенные подводящий 11 и отводящий 12 патрубки и аксиально расположенные и размещенные по обе стороны от оси корпуса промежуточные патрубки 13 и 14, причем полости патрубков подключены к полостям камер посредством своих "открытых динамических срезов" и сквозных перфорированных участков ("мнимых срезов"). Дополнительные камеры расположены со стороны выходной камеры, длина входной камеры 7 по крайней мере вдвое превышает длину выходной камеры 8; начало участка перфорации 15 ("мнимый динамический срез") по ходу потока газа в подводящем патрубке 11 размещено в зоне центра тяжести объема входной камеры 7, при этом суммарное сечение отверстий перфорации участка составляет 1,5-1,7 F_п.п, где F_п.п - площадь поперечного сечения подводящего патрубка 11; открытый динамический срез 16 промежуточного патрубка 13 расположен в полости входной камеры 7, на расстоянии 1/4 длины камеры от ее торцевой стенки 2, при этом второй конец названного патрубка расположен в полости дополнительной камеры 9, примыкающей к выходной камере 8, и снабжен участком сквозной перфорации, начало которого 17, по ходу газового потока, расположено в середине названной дополнительной камеры 9; открытый динамический срез 18 второго промежуточного патрубка 14 размещен в упомянутой дополнительной камере 9, на расстоянии 1/4 ее длины от поперечной перегородки 6, образующей вторую дополнительную камеру 10, а противоположный конец названного патрубка размещен в выходной камере 8 и снабжен участком сквозной перфорации 19, суммарная площадь отверстий которой составляет 1,5. ..1,7 F_д.п, где F_д.п - площадь поперечного сечения этого дополнительного патрубка 14; открытый динамический срез 20 выходного патрубка 12 размещен в середине выходной камеры 8, при этом часть патрубка 12, размещенная в дополнительной камере 10, снабжена участком сквозной перфорации 21, образующим совместно с полостью камеры 10 объемный резонатор, настроенный на частоту

где с - скорость звука;
F_отв - суммарная площадь отверстий перфорации;
h - "толщина" отверстия перфорации учетом присоединенной массы газа;
V_к - объем камеры 10.

Работает глушитель обычным образом.

Поток выхлопных газов из подводящего патрубка 11 через отверстия 15 перфорированного участка поступает в входную камеру 7, где происходит его расширение, сопровождающееся частичной потерей звуковой энергии. Из камеры 7 выхлопные газы через открытый динамический срез 16 промежуточного патрубка 13 поступают в полость дополнительной камеры 9, где происходит вторичное расширение уже частично ослабленного потока газов, с соответствующим ослаблением звука. Из дополнительной камеры 9 через открытый динамический срез 18 второго промежуточного патрубка 14 и через отверстия перфорированного участка 19 выхлопные газы попадают в выходную камеру 8, где в очередной раз происходит расширение потока газов и потеря им звуковой энергии. Из выходной камеры 8 через открытый динамический срез 20 выходного патрубка 12 поток выхлопных газов направляется в сторону выхода в окружающую среду, достигая при этом участка перфорации 21, расположенного в дополнительной камере 10, т.е. в зону действия объемного резонатора, образованного полостью камеры 10 и отверстиями перфорации участка 21 и настроенного на подавление низких частот, которые не были заглушены предыдущими камерами глушителя.

Набегающие из подводящего патрубка волны возбуждают на входе в камеру (любую из представленных в конструкции глушителя четырех камер) колебания объемного расхода воздуха, которые, в свою очередь, возбуждают в ней (камере) звуковое давление. Амплитуда пропущенной волны равна среднему давлению у среза отводящего для этой камеры патрубка и определяется в основном передаточной функцией объема камеры. На низких частотах, для которых наибольший линейный размер камеры меньше 1/4 длины волны, звуковое давление во всех точках камеры почти одинаково и она работает как акустическая емкость. Звуковое давление в камере и передача звука через нее (камеру) тем меньше, чем меньшее количество газа попадает за половину периода колебаний, т.е. чем выше частота колебаний и чем больше объем камеры. Для камеры достаточно большого объема большая часть энергии набегающих волн отражается в подводящий патрубок (обратно к источнику). На частотах, для которых длины волн соизмеримы с геометрическими размерами камеры, звуковое давление распределено по камере существенно неравномерно и равно сумме давлений в собственных формах (модах) колебаний объема. Передаточная функция для этих частот имеет резонансный характер. Каждой собственной моде камеры соответствует своя собственная частота. При приближении частоты возбуждения к последней (частоте моды) в камере возбуждаются резонансные колебания, нежелательно увеличивающие передачу звука. Характеристики камерных отражателей звука могут быть существенно улучшены путем подавления резонансных передач звука на указанных выше низших резонансных частотах. При этом характеристики камеры в частотной области, в которой выявлены и ослаблены (устранены) резонансные передачи, приближаются к характеристикам акустической емкости.

Для реализации таких камер в заявляемом глушителе использованы конструктивные приемы, включающие уменьшение возбудимости камер и передачу звука за счет размещения открытых срезов патрубков - реальных динамических, когда геометрические срезы смещены противоположно газовому потоку на расстояние примерно 0,3 диаметров патрубков, от узлов колебаний низших собственных мод камеры, для компенсации дополнительных акустических полей, связанных в том числе и с наличием самого патрубка в объеме камеры.

Заявляемый глушитель построен таким образом, что во всех его камерах срезы патрубков - динамические или мнимые (начало участка перфорации по ходу газового потока), по которым поток газа подводится или отводится из соответствующей камеры, размещены в узловых зонах низших собственных резонансных форм колебаний газового объема, заключенного в полости соответствующей камеры. Поэтому названные моды не возбуждаются, поскольку давление в этих модах в зоне возбуждения близко к нулевому значению (теоретически равно нулю). Пульсирующие газовые потоки на срезе входных патрубков при этом не испытывают соответствующего сопротивления и не передают, в связи с этим, энергии соответствующим модам.

Выполнение полости входной камеры 7 значительного объема (более чем вдвое превышающего объем выходной камеры 8) позволяет целенаправленно увеличить амплитуду заглушения шума в начальной стадии работы глушителя, особенно в зоне средних и низких частот, что благоприятно сказывается как на заглушении газодинамического шума в целом, так и на ослаблении структурного возбуждения стенок корпуса глушителя и частичном уменьшении гидравлических сопротивлений глушителя.

Глушитель содержит цилиндрический корпус с торцевыми стенками, в котором посредством поперечных перегородок образованы четыре последовательные камеры: входная, выходная и две дополнительные, соосно расположенные подводящий и отводящий патрубки и аксиально расположенные и размещенные по обе стороны от оси корпуса промежуточные патрубки, причем полости патрубков подключены к полостям камер посредством своих открытых срезов и сквозных перфорированных участков. Во всех камерах срезы патрубков - динамические или мнимые (начало участка перфорации по ходу газового потока), по которым поток газа подводится или отводится из соответствующей камеры, размещены в узловых зонах низших собственных резонансных форм колебаний газового объема, заключенного в полости соответствующей камеры, поэтому названные моды не возбуждаются, поскольку давление в этих модах в зоне возбуждения близко к нулевому значению. Пульсирующие газовые потоки на срезе входных патрубков при этом не испытывают соответствующего сопротивления и не передают, в связи с этим, энергии соответствующим модам. Изобретение позволяет повысить акустическую эффективность глушителя. 1 ил.

Глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания, содержащий цилиндрический корпус с торцевыми стенками, в котором посредством поперечных перегородок образованы четыре последовательные камеры: входная, выходная и две дополнительные, соосно расположенные подводящий и отводящий патрубки и аксиально расположенные и размещенные по обе стороны от оси корпуса промежуточные патрубки, причем полости патрубков подключены к полостям камер посредством своих открытых срезов и сквозных перфорированных участков, отличающийся тем, что дополнительные камеры расположены со стороны выходной камеры, длина входной камеры, по крайней мере, вдвое превышает длину выходной камеры, начало участка перфорации по ходу потока газа в подводящем патрубке размещено в зоне центра тяжести объема входной камеры, при этом суммарное сечение отверстий перфорации участка составляет (1,5-1,7) F_п.п, где F_п.п - площадь поперечного сечения подводящего патрубка, открытый динамический срез одного из промежуточных патрубков расположен в полости входной камеры на расстояниях 1/4 длины камеры от ее торцевой стенки, при этом второй конец названного патрубка расположен в полости дополнительной камеры, примыкающей к выходной камере, и снабжен участком сквозной перфорации, начало которого, по ходу газового потока, расположено в середине названной дополнительной камеры, открытый динамический срез второго промежуточного патрубка размещен в упомянутой камере, на расстоянии 1/4 ее длины от поперечной перегородки, образующей вторую дополнительную камеру, а противоположный конец названного патрубка размещен в выходной камере и снабжен участком сквозной перфорации, суммарная площадь отверстий которой составляет (1,5-1,7) F_д.п, где F_д.п - площадь поперечного сечения этого дополнительного патрубка, открытый динамический срез выходного патрубка размещен в середине выходной камеры, при этом часть патрубка, размещенная во второй дополнительной камере, снабжена участком сквозной перфорации, образующим совместно с камерой объемный резонатор, настроенный на частоту

где с - скорость звука;
F_отв - суммарная площадь отверстий перфорации;
h - "толщина" отверстия перфорации с учетом присоединенной массы газа;
V_к - объем камеры 10.