ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2005 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 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 пил (см. заявка СССР №2829266 по классу F 01 N 1/08 за 1979 г., заявка 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 Германии №DE 19747914 А 1 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., AKGST orszagokban kialakitott uj motorfaresztipasck hazai minoste vissqalata. Budapest, 1965 г.), 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≤1200 Гц. 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. патент РФ N2209321, кл. F 01 N 1/08. 2003 г.), принятый авторами за прототип. Он состоит из двух штампованных половин, герметично соединенных между собой и образующих корпус глушителя с впускным отверстием и выпускным патрубком. В средней части глушителя установлена продольная перегородка с отверстиями. Отверстия выполнены в нижней части перегородки у донной полости глушителя. Перегородка разделяет корпус глушителя на входную и выходную камеры. Во входной камере размещен рассекатель с отверстиями, примыкающий к фланцу входного отверстия глушителя.

Основное шумопоглощение в данном глушителе происходит за счет преобразования энергии шума выхлопа газов в кинетическую энергию движения когерентных вихревых структур потока газов в глушителе. Этот механизм поглощения энергии шума удалось достичь с помощью установленной вдоль камеры глушителя перегородки с отверстиями, выполненными в ее нижней части у донной полости глушителя, где для доминирующих частот шума двигателя бензиномоторной пилы (100-500 Гц) 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. При этом суммарная площадь отверстий строго должна быть равна 0,02-0,03 от общей площади самой перегородки. Для гашения шума в диапазоне частот 1000-1200 Гц (наиболее вредных для организма человека) суммарный объем входной и выходной камер глушителя равен 6-8 объемам цилиндра двигателя. Газы в таком суммарном объеме камер расширяются по адиабатическому процессу, в результате чего не возникают ударные волны (косые скачки уплотнения), которые при распаде генерируют шум в диапазоне частот 1000-1200 Гц.

Суммарная площадь отверстий в перегородке на два порядка меньше ее самой общей площади, в результате чего перегородка между входной и выходной камерами глушителя является большим гидродинамическим сопротивлением для потока газов, существенно уменьшая тем самым мощность двигателя пилы.

Кроме того, из-за большой площади перегородки по сравнению с суммарной площадью отверстий в ней она подвержена воздействию большого акустического давления газа, проходящего через глушитель. В результате этого происходит дополнительное излучение шума непосредственно от перегородки глушителя. Вторым недостатком глушителя является эллипсоидальная форма его камеры с большим внутренним объемом (6-8 объемов цилиндра двигателя), которая увеличивает общие габариты и массу пилы, усложняет конструкцию и технологию изготовления глушителя в целом.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и создание эффективного глушителя шума выхлопа двигателя бензиномоторной пилы, имеющего камеру простой конструкции с предельно минимальными габаритами и массой, повышающего мощность двигателя пилы не менее чем на 15% (по сравнению с прототипом).

Поставленная задача решается тем, что в камере глушителя коробчатой формы установлена плоская прямоугольная продольная перегородка с четырьмя отверстиями по углам, суммарная площадь которых составляет 0,1-0,2 от общей площади самой перегородки.

На чертеже изображена конструкция предложенного глушителя. Он состоит из двух штампованных половин коробчатой формы - правой 1 и левой 2, герметично соединенных между собой и образующих корпус глушителя, и содержит фланец 3 с впускным отверстием, рассекатель газов с отверстиями 4. В средней части глушителя установлена продольная перегородка 5 с четырьмя отверстиями 6 по углам перегородки.

Глушитель работает следующим образом: отработанные газы выхлопа двигателя внутреннего сгорания бензиномоторной пилы через впускное отверстие фланца 3 попадают в рассекатель 4, дробятся в нем и заполняют первую половину камеры глушителя. Основное шумопоглощение в диапазоне частот 100-500 Гц происходит за счет механического трения и завихрения по типу турбулизации потока газов на кромках отверстий рассекателя 4.

Далее через четыре угловых отверстия 6 в перегородке 5 газ попадает во вторую половину камеры глушителя 2. Здесь за счет расширения потока газов происходит дополнительное поглощение шумов. Экспериментально авторами изобретения установлено, что большое значение для эффективного поглощения шума на высоких частотах 800-1200 Гц, как наиболее вредных для человека, имеет не только объем камеры глушителя (оптимально 6-8 объемов цилиндра двигателя, как у прототипа), но и расположение отверстий в перегородке и соотношение суммарной площади их к общей площади перегородки. В предлагаемой авторами изобретения конструкции глушителя отверстия в перегородке расположены по углам, при этом суммарная их площадь составляет 0,1-0,2 от общей площади самой перегородки.

По многочисленным результатам газодинамических продувов глушителей бензиномоторных пил (см. Отчет авторов В.Ф.Ахмодеев, С.В.Сухинин и др. "Разработка глушителей нового поколения для бензиномоторной пилы "Урал-2 Эл", Институт технологий, г. Новосибирск, 1999 г.) авторами изобретения было установлено, что источник шума с диапазоном частот в области 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 происходит при резких поворотах потока в тракте глушителя. Интенсивность этого источника колебаний определяется энергией потока продуктов сгорания.

Размещение отверстий в перегородке 6 по углам напротив рассекателя 4 исключает резкие на 180° повороты потока. Кроме того, при суммарной площади отверстия более 0,1 от общей площади перегородки продукты сгорания в глушителе, переходя из первой половины камеры во вторую, расширяются по адиабатическому процессу, в результате чего обладают малой энергией, и ударные волны с частотой звука 800-1200 Гц (косые скачки уплотнения) в камере глушителя отсутствуют. Это позволило уменьшить объем камеры глушителя до 3-4 объемов цилиндров двигателя пилы и тем самым уменьшить массу и габариты глушителя и пилы в целом.

В книге В.Ф.Ахмадеев, С.В.Сухинин и др. "Подавление акустических колебаний в камере сгорания резонансными звукопоглотителями" - М., НПО Информ ТЭИ, 1999 г. показано, что существенным фактом для гашения шума является преобразование его энергии в кинетическую энергию вихревых структур потока газов в глушителе.

При суммарной площади отверстий в перегородке более 0,2 от общей ее площади сама перегородка перестает быть эффективным гасителем шумов как устройство, расположенное в пучности (максимальной амплитуды) колебаний скорости потока газов в глушителе.

Для исключения дополнительного излучения шума от самой перегородки глушителя как мембраны она имеет продольный желоб для увеличения ее жесткости, 7.

Проведены стендовые испытания глушителя с продольной перегородкой и отверстиями, выполненные по ее углам с заявленными соотношениями суммарной площади отверстий перегородки к общей площади самой перегородки на пиле "Урал-70" на испытательной станции Федерального Государственного предприятия "Машиностроительный завод им. Ф.Э.Дзержинского" г.Пермь. Достигнуто двукратное снижение шума в диапазоне доминирующих частот выхлопа газов с увеличением мощности двигателя пилы на 20% по сравнению с прототипом.

Глушитель включает камеру коробчатой формы, в средней части которой установлена продольная перегородка с отверстиями, рассекатель. Перегородка имеет прямоугольную форму, продольный жолоб и четыре отверстия по ее углам, суммарная площадь которых равна 0,1-0,2 от общей площади самой перегородки. Гашение шума выхлопа газа в глушителе осуществляется за счет преобразования его энергии в тепловую энергию, в кинематическую энергию когерентных вихревых структур в потоке газов и энергию завихрения по типу турбулезации потока выхлопа газа. Технический результат: снижение шума работы двигателя пилы в диапазоне доминирующих частот 100-1200 Гц. 1 ил.

Глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания, преимущественно бензиномоторной пилы, включающий камеру коробчатой формы, в средней части которой установлена перегородка с отверстиями, рассекатель, отличающийся тем, что перегородка имеет прямоугольную форму, продольный желоб и четыре отверстия, расположенные по ее углам, а суммарная площадь отверстий равна 0,1-0,2 общей площади самой перегородки.