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 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 позволяют 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 двигателей 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 для бензиномоторных гильз (см. заявку СССР 2829266 по классу F 01 N 1/08 за 1979 г., заявку СССР 2197297 по классу F 01 N 1/08 за 1975 г., патент США 5916128 по классу F 01 N 3/00 за 1999 г., патент ФРГ DE 19747914 А1 по классу F 01 N 7/18 за 1999 г., патент Швеции 504851 по классу F 01 N 3/28).

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 испытаниям бензиномоторных пил одиночного управления. СЭВ, Варшава, 1963 г., АКGST orszaqokban kialakitott uj motorfaresztipasсk hazai minoste vissqalata. Budapest, 1965 г. ), значительно превышают предельно допустимые уровни, установленные техническим комитетом международной организации по стандартизации (ИСО).

Максимальные превышения уровней шума над допустимыми нормами составляют у разных безиномоторных 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 выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания (см. а.с. СССР 1745992, кл. F 01 N 1/06 за 1990 г.), принятый авторами за прототип. Он включает корпус с впускным и выпускным патрубками. Корпус выполнен в виде сопряженных между собой основаниями эллиптических параболоидов. Впускной патрубок расположен соосно с осью корпуса, а его выходной срез размещен в фокусном центре одного из параболоидов. Выпускной патрубок установлен на боковой поверхности корпуса в месте сопряжения параболоидов, выполнен изогнутым и его выходной участок установлен параллельно оси корпуса. Выхлопные газы поступают в корпус глушителя, в фокусный центр параболоида, и распространяются к параболическим поверхностям корпуса. За счет интерференции звуковых волн, отраженных от параболических поверхностей корпуса, снижается шум выхлопных газов высокочастотных характеристик.

Согласно физическому определению интерференция волн - это сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных точках пространства получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Основным условием эффективного снижения шума выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания глушителем-прототипом является абсолютная когерентность звуковых волн выхлопных газов, поступающих в корпус глушителя, со звуковыми волнами, отраженными от параболических поверхностей его корпуса. (Колебания называются когерентными, если разность их фаз остается постоянной во времени и при сложении колебаний определяет амплитуду суммарного колебания). Если разность фаз звуковых волн, поступающих в корпус глушителя-прототипа и отраженных от его параболических поверхностей, равна числу Пи: ϕ₁-ϕ₂ = π (колебания в противофазе), то суммарная амплитуда звуковых волн равна нулю и в средней части глушителя образуется так называемая "мертвая зона" и глушитель-прототип эффективно снижает шум выхлопных газов. Если разность фаз звуковых волн, поступающих в корпус глушителя-прототипа и отраженных от его параболических поверхностей, равна нулю ϕ₁-ϕ₂ = 0, суммарная амплитуда звуковых волн равна удвоенной амплитуде каждой волны и глушитель-прототип не гасит, а усиливает шум выхлопных газов.

Реально в глушителях шума выхлопных газов в двигателе внутреннего сгорания звуковые волны не когерентны. Амплитуда, частота и фаза колебаний из-за непостоянства термодинамических характеристик выхлопных газов в глушителе (неполнота сгорания топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания) непрерывно хаотически изменяются во времени. В этом случае среднее значение суммарной амплитуды звуковых волн, ее максимумы и минимумы размываются, интерференциальная картина исчезает и глушитель не эффективно гасит шум выхлопных газов. В этом основной недостаток глушителя-прототипа.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка и создание эффективного глушителя шума выхлопа двигателя бензиномоторной пилы высокочастотных характеристик, расположенных около 1000 Гц, как наиболее вредных для человека.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что он имеет камеру с объемом, равным 6-8 объемам цилиндра двигателя пилы.

По многочисленным результатам газодинамических продувов глушителей бензиномторных пил (см. Отчет о научно-исследовательской работе 375 "Разработка глушителей нового поколения для бензопилы "Урал-2Эл", "Институт технологий, г. Новосибирск, 1999 г.) авторами изобретения было установлено, что источник шума с диапазоном частот около 1000 Гц обусловлен неустойчивостью и распадом присоединенных слабых косых скачков уплотнения на входе потока продуктов сгорания в глушитель из сужения (впускного отверстия) в расширение (в камеру глушителя). Это при входе продуктов сгорания в глушитель и при повороте потока в тракте глушителя. Интенсивность этого источника колебаний определяется энергией потока продуктов сгорания.

Было установлено, что при объеме камеры глушителя менее 6 объемов цилиндра двигателя пилы поток продуктов сгорания в глушителе поджат (адиабатически недорасширен) и обладает большой энергией, в результате чего на кромках впускного отверстия в камеру глушителя возникают ударные волны (косые скачки уплотнения), которые и являются источником шума с диапазоном частот около 1000 Гц.

При объеме камеры глушителя более 6 объемов цилиндра двигателя пилы продукты сгорания в глушителе расширяются по адиабатическому процессу, в результате чего обладают малой энергией и ударные волны (косые скачки уплотнения) в камере глушителя отсутствуют. В результате этого исключается шум с диапазоном частот около 1000 Гц.

При объеме камеры глушителя более 8 объемов цилиндра двигателя пилы существенно увеличивается наружная поверхность камеры глушителя, жесткость его теряется и на определенных частотах происходит излучение шума от камеры глушителя. Кроме того, это приводит к недопустимо высокому весу и габаритам камеры глушителя для ручных бензиномоторных пил (см. ГОСТ Р50060-98 "Пилы бензиномоторные. Требования безопасности. Методы испытаний").

Таким образом, если в глушителе-прототипе борятся с источником шума выхлопных газов внутреннего сгорания, то в предложенном авторами глушителе за счет заданного соотношения объема его камеры к объему цилиндра двигателя внутреннего сгорания исключается сам источник звука высокочастотных характеристик.

На фиг. 1 изображена конструкция предложенного глушителя. Он состоит из двух штампованных половин эллипсоидальной формы: правой 1 и левой 2, герметично соединенных между собой. Фланец 3 с впускным отверстием 4 является посадочным местом для установки глушителя на двигатель пилы. Через две сквозные трубки 5 проходят две шпильки двигателя для крепления глушителя. Через патрубок 6 продукты сгорания выходят в атмосферу.

Проведены стендовые испытания глушителя с предложенными объемами его камеры на пиле "Урал-2ЭЛ" на испытательной станции Федерального государственного унитарного предприятия "Машиностроительный завод им. Ф.Э. Дзержинского", г. Пермь. Достигнуто эффективное снижение шума. Шум на частотах около 1000 Гц предельно минимален и обусловлен турбулентностью потока продуктов сгорания в камере глушителя.

Изобретение относится к глушителям шума выхлопа и может быть использовано преимущественно для двигателей переносных бензиномоторных пил. Глушитель содержит камеру в форме эллипсоида, образованную двумя штампованными половинами, герметично соединенными между собой, посадочный фланец с впускным отверстием, патрубок, через который продукты сгорания выходят в атмосферу. Камера выполнена с объемом, равным 6-8 объемам цилиндра двигателя. Изобретение позволяет эффективно снизить шум выхлопа двигателя с диапазоном частот около 1000 Гц. 1 ил.

Глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания, преимущественно бензиномоторной пилы, включающий камеру в форме эллипсоида, патрубок, отличающийся тем, что он снабжен фланцем, а камера выполнена с объемом, равным 6-8 объемам цилиндра двигателя внутреннего сгорания.