ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F01N1/08 

Внедрение в промышленность новых высокопроизводительных технологических процессов, рост мощности и быстроходности машин приводит к тому, что человек на производстве постоянно подвергается воздействию шума, неблагоприятно влияющего на его организм. В ведущих странах мира проблеме борьбы с шумом придано общегосударственное значение.

Настоящее изобретение может быть использовано преимущественно на переносных бензиномоторных пилах, применяемых в лесной промышленности на валке и раскряжевке леса. Использование в бензиномоторных пилах в качестве привода пильного аппарата двухтактного двигателя внутреннего сгорания делает их интенсивным источником шума в диапазоне частот 60-8000 Гц. Наличие многочисленных источников шума в бензиномоторной пиле и их концентрация в сравнительно небольшом по размерам механизме значительно затрудняет борьбу с шумом. При этом жесткие ограничения в весе бензиномоторных пил в сочетании с требованиями обеспечения их максимальной мощности не позволяет использовать на двигателях бензиномоторных пил многие достаточно эффективные средства борьбы с шумом, применяемые, в частности, на мотоциклетных и автомобильных двигателях. Решение проблемы борьбы с шумом выхлопа двигателя бензиномоторных пил сводится к созданию малогабаритного глушителя, обеспечивающего снижение шума до безопасных значений при минимальном весе и потерях мощности двигателя.

Известны глушители шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания (см. заявка СССР 2829266, кл. F 01 N 1/08, 1979 г., заявка СССР 2197297, кл. F 01 N 1/08, 1975 г. , заявка СССР 4819079, кл. F 01 N 1/06, 1990 г., патент США 5916128, кл. F 01 N 3/00, 1999 г., патент Германии DE 19747914 А1, кл. F 01 N 7/18, 1999 г., патент Швеции 504851, кл. F 01 N 3/28, европейская заявка ЕР 0271465, кл. F 01 N 1/24, 1988 г.

Недостатком этих глушителей является высокий уровень шума. Уровни шума бензиномоторных пил на рабочих местах, полученные по результатам испытаний в СССР и за рубежом (см. отчет по международным сравнительным испытанием бензиномоторных пил одиночного управления. СЭВ, Варшава, 1963 г.; AKGST orszagokban kialakitott uj motorfaresztipasck hazai minoste vissqalata Budapetst, 1965 r. ) значительно превышают предельно допустимые уровни, установленные техническим комитетом международной организации по стандартизации (ИСО). Основными диапазонами частот шума системы выхлопа газа бензиномоторных пил являются 100≤f₁≤200 Гц, 500≤f₂≤600 Гц, 1000≤f₃≤1200Гц. Это доминирующие частоты шума.

Максимальные превышения уровней шума над допустимыми нормами составляют у различных бензиномоторных пил в отдельных октавных полосах частот от 11 до 24 Дб. Наибольшие уровни шума расположены в октавных полосах частот 125, 500 и 1000 Гц.

Известен также глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания (см. а.с. СССР 1393911, кл. F 01 N 1/08, 1986 г.), принятый авторами за прототип. Он включает выполненный из двух герметично соединенных между собой частей: корпус с впускным отверстием и выпускным патрубком, разделяющую корпус на входную и выходную камеры; перегородку с отверстиями и рассекатель, примыкающий к впускному отверстию. На перегородке выполнен канал переменного сечения по длине и ширине, а отверстия в перегородке расположены соответственно в зонах рассекателя впускного отверстия, выпускного патрубка и в начальной части канала. Размер отверстий в перегородке и их количество по зонам подбираются опытным путем для каждой конкретной пары (двигатель-глушитель) с таким расчетом, чтобы обеспечивалось максимальное снижение шума выхлопа с минимальными потерями мощности двигателя. Основное шумопоглощение в данном глушителе происходит за счет дробления потока газов в рассекателе и на отверстиях перегородки, расположенных в зонах рассекателя впускного отверстия, выпускного патрубка и в начальной части канала перегородки, а также за счет расширения потока газов во входной и выходной камерах глушителя и в канале перегородки переменного сечения по длине и ширине.

Дополнительное поглощение энергии газов происходит за счет завихрения по типу турбулизации потока при выходе основного потока газов из канала перегородки с газами, которые поступают из входной в входную камеру глушителя через отверстия перегородки, расположенные в ее верхней части: в зоне рассекателя впускного отверстия глушителя и в зоне выпускного патрубка, где основной поток газов встречается с газами, поступающими из входной в выходную камеру глушителя через отверстия перегородки, расположенные в нижней ее части.

Таким образом, осуществляется механизм преобразования энергии шума в тепловую и энергию турбулентного движения газа. Основным достоинством диссипативных глушителей является поглощение энергии шума для достаточно широкой полосы частот. Однако, обладая большим суммарным гидродинамическим сопротивлением для потока газов, эти глушители существенно уменьшают мощность двигателя пилы. Кроме того, установка в глушителе на пути движения газов большого количества препятствий (рассекателя на впускном отверстии глушителя большой группы отверстий на перегородке) способствует образованию в основном потоке газов застойных и отрывных зон. Эти зоны содержат компактные крупномасштабные вихревые структуры и являются неустойчивыми. Типы неустойчивости застойных зон или границ раздела между вихревым и потенциальным течением могут быть различными. Например, неустойчивость контактного разрыва, рождение и распространение слабых точечных вихревых образований или периoдичecкaя перестройка вихревой структуры в застойной зоне, но, в любом случае, результатом гидродинамической неустойчивости контактных разрывов, отрывных и застойных зон является появление дополнительных источников шума на различных частотах.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и создание эффективного глушителя шума в диапазоне доминирующих частот 100-1200 Гц без уменьшения мощности двигателя пилы и генерации дополнительных источников шума.

Поставленная задача решается тем, что в глушителе шума выхлопа ДВС, преимущественно бензиномоторной пилы, включающем камеру, в средней части которой установлена продольная перегородка с отверстиями, выполненными в ее нижней части у донной полости камеры глушителя; камера имеет эллипсоидальную форму, а суммарная площадь отверстий равна 0,02-0,03 от общей площади самой перегородки.

На фиг. 1 изображена конструкция предложенного глушителя. Он состоит из двух штампованных половин - правой 1 и левой 2, -герметично соединенных между собой и образующих корпус глушителя, фланец 3 с впускным отверстием, патрубком 4, две сквозные трубки 5 под шпильки двигателя для крепления глушителя. В средней части глушителя установлена продольная перегородка 6 с отверстиями 7. Отверстия 7 выполнены в нижней части перегородки 6 у донной полости глушителя. Перегородка 6 разделяет корпус глушителя на входную 8 и выходную 9 камеры.

Глушитель работает следующим образом: отработанные газы выхлопа двигателя внутреннего сгорания бензиномоторной пилы через впускное отверстие фланца 3 попадают в глушитель с суммарным объемом входной и выходной камер, равным 6-8 объемам цилиндра двигателя. При данном суммарном объеме камер глушитель гасит шум в диапазоне частот 1000-1200 Гц. Газы в таком суммарном объеме камер расширяются по адиабатическому процессу, в результате чего обладают малой энергией, и при входе во входную камеру глушителя и при повороте потока газов в тракте глушителя не возникают ударные волны (косые скачки уплотнения), которые при распаде генерируют шум с диапазоном частот 1000-1200 Гц, что имеет место в глушителе-прототипе.

По результатам многочисленных газодинамических продувок глушителей бензиномоторных пил авторами изобретения было установлено, что наряду с преобразованием энергии шума выхлопа газов в тепловую энергию и энергию турбулентного движения потока газов в глушителях бензиномоторных пил возможно осуществить механизм преобразования энергии шума в кинетическую энергию движения когерентных вихревых структур потока газов в глушителе.

Глушитель, работающий в режиме генерации когерентных вихревых структур в потоке газов, обладает наибольшим поглощающим свойством шума в широком диапазоне частот, Однако этот механизм поглощения шума работает при высоких амплитудах колебаний (см. книгу В.Ф. Ахмадеева, С. В. Сухинина и др. Подавление акустических колебаний в камере сгорания резонансными звукопоглотителями. - М., НПО "Информ ТЭИ", 1999 г.).

В предложенной конструкции глушителя этот механизм поглощения энергии шумов удалось достичь с помощью установленной вдоль камеры глушителя перегородки 6 с oтверстиями 7 выполненными в ее нижней части у донной полости глушителя, где для доминирующих частот шума двигателя бензиномоторной пилы находится пучность (максимальная амплитуда) акустических колебаний скорости выхлопа газов. В этом случае при прохождении газов через отверстия перегородки на их кромках образуются локализованные вихревые кольца, в результате чего происходит преобразование энергии шумов в энергию когерентных вихревых структур потока газов.

Экспериментально авторами изобретения установлено, что большое значение для преобразования на кромках отверстий перегородки энергии шума в энергию когерентных вихревых структур потока газа имеет соотношение суммарной площади отверстий перегородки к ее общей площади. При суммарной площади отверстий, равной 0,02-0,03 от площади перегородки, достигается максимальное ~ 50% поглощение энергии шума доминирующих частот за счет генерации в потоке газов когерентных (локализованных) вихревых образований. Заявленный авторами изобретения диапазон суммарной площади отверстий обеспечивает скорость потока газа через отверстия со скоростью, равной 0,1-0,2 М, где М - число Маха, равное отношению скорости потока газов в отверстиях перегородки к скорости звука в потоке газов.

При суммарной площади отверстий в перегородке больше 0,03 от общей площади самой перегородки (при числе Маха меньше 0,1) вихревые когерентные структуры в потоке газов не образуются, происходит ламинарное (потенциальное) истечение газов через отверстия перегородки по разомкнутым параллельным друг другу линиям тока, и вихревые когерентные структуры с замкнутыми кольцевыми линиями тока в потоке газов не образуются. В этом случае поглощение энергии шума происходит только за счет ее преобразования в тепловую энергию.

При суммарной площади отверстий в перегородке меньше 0,02 от общей площади самой перегородки (при числе Маха больше 0,2) газ истекает через отверстия перегородки с высокой энергией, в результате чего поток газа сильно турбулизуется, когерентные вихревые структуры в потоке газов также не образуются, и поглощение энергии шума происходит только за счет преобразования в энергию турбулентного течения газа.

Энергия шумов, преобразованная в кинетическую энергию движения когерентных вихревых структур потока газов в глушителе, значительно превосходит долю энергии шумов, преобразованную в тепловую и энергию турбулентного движения газов. Этим объясняется значительное превосходство предложенной конструкции глушителя над глушителем-прототипом по эффективности гашения шумов, что позволило не устанавливать на входе в глушитель рассекатель с отверстиями и повысить мощность двигателя бензиномоторной пилы.

Проведены стендовые испытания глушителя с продольной перегородкой и отверстиями, выполненными в нижней части ее у донной полости камеры глушителя с заявленными соотношениями суммарной площади отверстий перегородки к общей площади самой перегородки на пиле "Урал-2Э" на испытательной станции Федерального государственного унитарного предприятия "Машиностроительный завод им. Ф.Э. Дзержинского" г. Перми. Достигнуто двукратное снижение шума в диапазоне доминирующих частот выхлопа газов.

Изобретение относится к глушителям шума выхлопа и может быть использовано преимущественно для двигателей переносных бензиномоторных пил. Глушитель включает камеру, в средней части которой установлена продольная перегородка с отверстиями, выполненными в ее нижней части у донной плоскости камеры глушителя, патрубок, причем камера выполнена эллипсоидальной формы, а суммарная площадь отверстий равна 0,02-0,03 от общей площади самой перегородки. Изобретение позволяет снизить шум работ в диапазоне доминирующих частот 1000-1200 Гц. 1 ил.

Глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания, преимущественно бензиномоторной пилы, включающий камеру, в средней части которой установлена продольная перегородка с отверстиями, выполненными в ее нижней части у донной полости камеры глушителя, патрубок, отличающийся тем, что камера имеет эллипсоидальную форму, а суммарная площадь отверстий равна 0,02-0,03 от общей площади самой перегородки.