ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F01N1/24 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и позволяет повысить эффективность шумоглушения отработанных газов.

Известна конструкция [1] глушителя, позволяющая снижать акустическое излучение отработанных газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Эффект достигался за счет использования перфорированных патрубков и разделения внутреннего объема корпуса глушителя на три камеры, сообщающиеся между собой. Недостатком конструкции является то, что из-за разворота направления течения газов между камерами на 180° потери давления в глушителе могут быть значительными при больших расходах ОГ.

Конструкция, обеспечивающая меньшие потери давления, описана в [2]. Корпус глушителя разделен перегородками на две или три полости, сообщающиеся между собой так, что перетекание газов между камерами не требует разворота на 180°. Конструкция не обеспечивала достаточный уровень заглушения шума струи.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция глушителя 6303001201010, применяемая на серийных автомобилях МАЗ [3]. Корпус глушителя овальной формы с торцевыми стенками, В корпусе установлены две перегородки, одна из которых имеет перфорационные отверстия. Перегородки разделяют внутренний объем глушителя на три полости. Отработанные газы (ОГ) по входному патрубку проходят первую - входную камеру и расширяются во второй - расширительной камере. Благодаря овальной форме звуковые волны, отражаясь от стенок камеры, взаимно ослабляют друг друга. Генерируемый отработанными газами звук также частично поглощается звукопоглощающим материалом входной камеры. В расширительную камеру акустические волны попадают, проходя перфорационные отверстия разделительной перегородки. Из расширительной камеры ОГ выводятся в выхлопную трубу через перфорированный патрубок, один конец которого расположен в расширительной камере, а другой выходит в третью - заглушающую камеру. Заглушающая камера заполнена звукопоглощающим материалом, таким образом, излучаемые через перфорированные отверстия высокочастотные звуковые волны гасятся в его толще. Уровень заглушения конструкции, однако, не отвечает требованиям норм ЕВРО.

Задачей данного изобретения является повышение эффективности снижения звукового шума, генерируемого истечением отработанных газов.

Указанная задача достигается тем, что в поперечном сечении корпуса непосредственно за перфорированной перегородкой, отделяющей входную и расширительную камеры, устанавливается сетка; а напротив входного патрубка, предназначенного для поступления отработанных газов в расширительную камеру, соосно с ним, на противоположной перегородке, разделяющей расширительную и заглушающую камеры, жестко устанавливается конус, вершина которого направлена в сторону входного патрубка.

В данном изобретении сетка обеспечивает выравнивание скорости на выхлопе из входного патрубка, что способствует образованию более однородного и мелкомасштабного вихревого течения за сеткой.

С уменьшением масштаба вихревого течения уменьшается и интенсивность генерирования акустического шума, а максимум звукового давления смещается в высокочастотную область. Кроме того, сетка фактически делит расширительную камеру на две части, не препятствуя перемещению между этими полостями среды, что приводит к сглаживанию поля скорости в объеме расширительной камеры в каждый момент времени. Обладая малым гидравлическим сопротивлением, сетка не вызывает рост общего гидравлического сопротивления устройства.

Особенность струйного течения в том, что на начальном участке уровень турбулентных пульсаций нарастает. Проходя через сетку, установленную непосредственно за выходным сечением входного патрубка, поле скорости струи в поперечном сечении выравнивается, а масштаб формируемых вихревых структур в струе уменьшается. Расстояние между перегородкой и сеткой выбирается из соображений снижения уровня пульсаций давления на преграде, устанавливаемой на малых расстояниях от струи [стр. 91, 4]. Звук генерируется именно вихревыми структурами и уменьшение их масштаба, во-первых, снижает интенсивность акустического излучения, а, во-вторых, переводит его в более высокочастотную часть спектра. Проходящая через сетку струя взаимодействует с поверхностью конуса. Вершина конуса должна располагаться в диапазоне начального участка струи по возможности наиболее близко к сетке или перфорированной пластине. Конус, установленный напротив среза входного патрубка в расширительной камере, обеспечивает отклонение потока и, в том числе, излучаемых звуковых волн в сторону стенок расширительной камеры. Таким образом, предотвращается лобовое взаимодействие струи с противоположной перегородкой, снижаются потери давления и уровень генерируемых пульсаций давления. Пульсации давления снижаются также по причине более раннего взаимодействия струи с поверхностью - уровень турбулентных пульсаций струи возрастает по мере удаления от среза сопла на начальном участке ее развития. Поскольку корпус камеры овальный, обеспечивается многократное отражение звуковых колебаний. Одновременно усиливается взаимодействие волн между собой, что приводит к их суммарному ослаблению во всем спектре частот. Таким образом, новые признаки обеспечивают дополнительный эффект заглушения акустического шума и являются существенными.

Вместо сетки может быть использована тонкая перфорированная пластина.

Замена сетки приводит к росту потерь давления, но в ряде случаев такая замена увеличивает срок надежной работы глушителя. При взаимодействии с горячими токсичными отработанными газами сетка разрушается быстрее пластины, которая может быть изготовлена из коррозионно-стойкого жаропрочного материала.

На фиг.1 представлен продольный разрез глушителя.

На фиг.2 представлен вид глушителя сбоку.

На фиг.3 приведены зависимости уровня заглушения акустического шума ΔL дБ(А) от числа оборотов двигателя n(мин^-1) при использовании прототипа и заявляемой конструкции глушителя.

В табл.1 приведены результаты испытаний глушителя с сеткой; в табл.2 приведены результаты испытаний глушителя с перфорированной пластиной; в табл.3 приведены результаты замеров уровня шума автомобиля МАЗ-631208 на стоянке до и после замены глушителя; в табл.4 приведены результаты замеров уровня шума автомобиля МАЗ-630308 на стоянке до и после замены глушителя.

Глушитель шума ДВС содержит овальный корпус 1 с отношением большой и малой осей равными В/А=1,2. Корпус заглушен с торцов основаниями 2 и 3. Входной патрубок 4, предназначенный для поступления ОГ в глушитель, проходит через основание 2. Внутренний объем глушителя разделен на три камеры перегородками 5 и 6. Первая - входная камера 7, через которую проходит входной патрубок 4, заполнена звукопоглощающим материалом 14 и отделена от второй - расширительной камеры 8 перегородкой 5, имеющей перфорационные отверстия на своей поверхности. В расширительной камере 8 перед выходным сечением входного патрубка 4 непосредственно за перфорированной перегородкой 5, отделяющей входную 7 и расширительную 8 камеры, установлена сетка 9, а на перегородке 6, разделяющей расширительную 8 и заглушающую 10 камеры, закреплен конус 11 так, что его ось совпадает с осью входного патрубка 4, а вершина направлена в сторону данного патрубка. Перфорированная труба 12 соединяет расширительную камеру 8 с выходным патрубком 13 и проходит через заглушающую камеру 10, заполненную звукопоглощающим материалом 14 (фиг.1).

Глушитель работает следующим образом. Отработанные газы от ДВС из выпускного коллектора двигателя поступают во входной патрубок 4 глушителя и истекают в расширительную камеру 8. Проходя через сетку 9, установленную непосредственно за выходным сечением входного патрубка 4, поле скорости струи в поперечном сечении выравнивается, а масштаб формируемых вихревых структур в струе уменьшается. Проходящая через сетку 9 струя взаимодействует с поверхностью конуса 11. Вершина конуса 11 должна располагаться в диапазоне начального участка струи на расстоянии наиболее близком к сетке 9. Взаимодействуя с поверхностью конуса 11, поток ОГ разворачивается и контактирует с перегородкой 6 на большей поверхности и под наклоном, что сопровождается снижением давления на этой перегородке. Разворот потока приводит к тому, что часть его взаимодействует непосредственно со стенкой расширительной камеры 8. Таким образом, звуковые волны, порождаемые струей, распространяются как в продольном, так и в поперечном направлении расширительной камеры 8. Овальная форма камеры 8 (фиг.2) способствует образованию сдвига по фазе отражающихся волн, что в конечном счете приводит к снижению интенсивности акустического излучения по всему спектру частот в результате их взаимной интерференции. Сетка 9 помимо истекающей из патрубка 4 струи оказывает воздействия на внутренние течения в расширительной камере 8. Эти течения возникают под воздействием струи ОГ из входного патрубка 4. Поскольку скорость истечения весьма велика (~50-70 м/сек), она вовлекает в движение часть среды, примыкающей к перегородке 5, при этом возникает циркуляционное течение в расширительной камере 8. Сетка 9 сглаживает неоднородности распределения скорости, т.е. уменьшает градиент скорости в поперечном сечении камеры 8. Выравнивание поля скорости способствует снижению источников генерирования шума. Звуковые волны, проходя перфорационные отверстия в перегородке 5, также частично гасятся в звукопоглощающем материале 14 входной камеры 7 (фиг.1).

Из расширительной камеры 8 ОГ через перфорированную трубу 12 отводятся в выходной патрубок 13. Газы проходят в трубу 12 только через отверстия на ее боковой поверхности, площадь которых равна площади проходного сечения входного патрубка 4. Эти отверстия также способствуют формированию мелкомасштабной структуры выхлопного потока, излучения которого достаточно эффективно гасятся в шумопоглащающий набивке 14 камеры 10 (фиг.1).

Эффективность предлагаемой конструкции глушителя проявилась в сравнительных испытаниях с прототипом (фиг.3). Условия проведения испытаний приведены в протоколе испытаний.

Испытания показали, что введенные признаки [сетка или перфорированная пластина 9 и конус 11] обеспечили увеличение уровня заглушения шума в среднем на 4 (дБ)А в диапазоне чисел оборотов n=1000-1900 (об/мин).

Источники информации

1. Патент DE 4416763, кл. F 01 N 7/00, Изобретения стран мира, №8, стр.9, 1998.

2. А.С. СССР №1469193, кл. F 01 N 1/02, Бюл. “Открытия и изобретения”, №12, 1989.

3. Техническое описание автомобилей семейства МАЗ 630300 (прототип) - РУП “МАЗ”, 2000 г.

4. Антонов А.Н., Купцов В.М., Комаров В.В. Пульсации давления при струйных и отрывных течениях. - М.: Машиностроение, 1990, с.272.

Глушитель шума ДВС содержит корпус овальной формы с торцевыми стенками, входным и выходным патрубками, двумя внутренними перегородками, которые разделяют внутренний объем глушителя в поперечном сечении на три камеры: входную, расширительную и заглушающую; причем перегородка, разделяющая входную и расширительную камеры, выполнена с перфорационными отверстиями по ее поверхности, а входная и заглушающая камеры заполнены звукопоглощающим материалом. Входной патрубок при этом проходит через входную в расширительную камеру, а выпускной соединен с перфорированной трубой, один конец которой расположен в расширительной камере, а другой проходит через камеру заглушения. В поперечном сечении расширительной камеры за перфорированной перегородкой перед выходным сечением входного патрубка установлена сетка, а напротив этого патрубка на перегородке, разделяющей расширительную и заглушающую камеры, закреплен конус, вершина которого направлена в сторону входного патрубка, а его ось совпадает с осью этого патрубка. Изобретение позволяет повысить эффективность снижения шума. 3 ил., 4 табл.

Глушитель шума двигателя внутреннего сгорания, включающий корпус овальной формы с торцевыми стенками, входным и выходным патрубками, перфорационной трубой, двумя внутренними перегородками, которые разделяют внутренний объем глушителя на три камеры: первую входную, вторую расширительную и третью заглушающую, причем перегородка, разделяющая входную и расширительную камеры, выполнена с перфорационными отверстиями по ее поверхности, а входная и заглушающая камеры заполнены звукопоглощающим материалом, входной патрубок при этом проходит через входную камеру в расширительную, выходной патрубок соединен с перфорированной трубой, один конец которой расположен в расширительной камере, а другой проходит через заглушающую камеру, отличающийся тем, что он содержит сетку, установленную в поперечном сечении корпуса непосредственно за перфорированной перегородкой перед выходным сечением входного патрубка, и конус, закрепленный на противоположной перегородке расширительной камеры напротив входного патрубка, соосно с ним, вершина которого направлена в сторону данного патрубка.