ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2006 года по МПК F01N1/04 

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, а именно к глушителям шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания (далее ДВС) с применением пористых звукопоглощающих материалов (далее ЗПМ) в расширительных резонансных камерах глушителей шума выхлопа.

Известен глушитель шума выхлопа для ДВС (свидетельство на полезную модель Российской Федерации №26595, МПК7 F 01 N 1/00, БИПМ №34, 2002), содержащий корпус с тремя камерами, две из которых (крайние) заполнены пористым ЗПМ, и соосные впускной и выпускной патрубки, срезы которых размещены внутри центральной камеры. Известная конструкция глушителя позволяет успешно использовать его, в частности, на легковых автомобилях, так как он при низких гидравлических сопротивлениях обладает шумозаглушающей эффективностью как на низких частотах (за счет трех расширительных камер), так и на высоких частотах (за счет ЗПМ в боковых камерах). Описанная конструкция глушителя обладает компактностью и низкими гидравлическими сопротивлениями, поскольку срезы патрубков расположены соосно и поток отработавших газов ДВС через полость глушителя транспортируется прямолинейно (без поворотов). Недостатком этой конструкции глушителя является недостаточная площадь поверхности контакта звуковых волн с ЗПМ (только через перфорированные отверстия боковых стенок труб) и, как следствие, относительно слабое использование эффектов поглощения звука в ЗПМ.

Этот недостаток отсутствует в конструкции, представленной в US Patent №4513841, Int. C1 F 01 N 1/10, 1985 - ПРОТОТИП. Глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания, представленный в прототипе, содержит корпус с торцовыми стенками, в котором посредством поперечных перфорированных перегородок образованы три камеры: центральная - пустотелая и две боковые, заполненные ЗПМ, соосные впускную и выпускную трубы, подключенные к центральной камере, и внутренние перфорированные впускной и выпускной патрубки, проходящие через боковые камеры в центральную камеру.

Общим недостатком описанных выше конструкций является их недостаточная эффективность шумозаглушения в области низких частот, особенно на частоте основной рабочей гармоники ДВС (частоте рабочего процесса), на оборотах коленвала в диапазоне скоростного режима максимальных значений эффективного крутящего момента ДВС (в ДВС, применяемых, например, на легковых автомобилях, это, как правило 2500...3500 об/мин). В первом варианте конструктивного исполнения глушителя (ПМ №26595) связь между камерами через торцовые перегородки полностью отсутствует (гидравлическое сопротивление таких стенок бесконечно), а малогабаритные камеры глушителя недостаточно эффективны в области заглушения низких частот. Во втором варианте конструктивного исполнения глушителя - ПРОТОТИПЕ эта связь между камерами, наоборот, чрезмерно велика и, вследствие этого, настройка глушителя менее эффективна, а фрикционные потери на рассеивание звука также недостаточно высоки, что приводит к слабому «настроенному» подавлению резонансных колебаний звука и пульсаций газа в системе выпуска в целом и, как следствие, к недостаточному рассеиванию низкочастотной звуковой энергии.

Кроме того, в камерах глушителя возбуждаются резонансные звуковые колебания объема газа на ее собственных модах, ухудшающие шумозаглушающие характеристики глушителя в области средних частот, вследствие совпадения половин длин волн с характерными размерами таких камер (в первую очередь - ее длиной) с последующим усилением передачи звука через глушитель и падением эффекта ослабления звука в целом.

Эти недостатки устраняется при выборе акустических сопротивлений перфораций и ЗПМ таким образом, что, с одной стороны, они не так велики, чтобы не препятствовать эффективной акустической связи между камерами и не разрушать акустическую настройку отдельных камер, а с другой - уже достаточны для эффективного рассеивания резонансных звуковых колебаний в глушителе за счет более рационального включения в процессе поглощения звука ЗПМ. Именно это и является основным предметом новизны предлагаемой конструкции глушителя шума выхлопа ДВС, в которой достигается повышение его акустической эффективности за счет увеличения рассеивания низкочастотной акустической энергии, в первую очередь - на основной частоте f выхлопа (рабочего процесса) в зоне оборотов максимального крутящего момента ДВС "Me", где резонансное возбуждение основной моторной гармоники, как правило, является максимальным и особенно опасным, а сам режим работы - наиболее шумоактивным. Это достигается за счет согласования акустических сопротивлений внутренних труб глушителя и сопротивления продуванию боковой ветви канала передачи звуковых колебаний при транспортировке газового потока через глушитель.

Заявляемая конструкция глушителя шума выхлопа ДВС содержит корпус с торцовыми стенками, в котором посредством поперечных перфорированных перегородок образованы три камеры: центральная - пустотелая и две боковые, заполненные ЗПМ, соосные впускную и выпускную трубы, подключенные к центральной камере, и внутренние перфорированные впускной и выпускной патрубки, проходящие через боковые камеры в центральную камеру. Поперечные перегородки выполнены перфорированными, а степень перфорации патрубков и перфорированных перегородок, разделяющих центральную и боковую камеры, и акустическое сопротивление ЗПМ выбирают таким образом, чтобы сопротивление продуванию Δр хотя бы одной из боковых камер, заполненной ЗПМ со свободным срезом впускного (выпускного) патрубка, закрытым заглушкой со стороны центральной камеры, было равно

Δp=(1,3...2,4)fLQ/F,

где Δр - сопротивление продуванию заглушенной камеры (Па);

Q - объемный расход при продувании (м³);

f - частота настройки (Гц);

F - площадь поперечного сечения впускного патрубка глушителя (м²);

L - длина впускного (выпускного) патрубка (м).

Предпочтительно длины камер глушителя выполняются в соотношении 3:5:4. Но не исключен вариант, когда боковые камеры выполняются идентичными.

Вариант конструктивного исполнения предлагаемого трехкамерного глушителя представлен на фиг.1.

На фиг.2 представлена принципиальная схема передачи звуковых колебаний через глушитель.

На фиг.3 - схема экспериментальной продувки элементов рассматриваемого глушителя, используемая при оптимизации его шумозаглушающих характеристик.

Конструкция глушителя шума выхлопа ДВС, представленная на фиг.1, содержит цилиндрический корпус 1 с торцовыми стенками 2 и 3 и соосными впускной 4а и выпускной 5а трубами. Внутри корпуса 1 глушителя смонтированы две поперечные перфорированные перегородки 6 и 7. Свободные срезы 8 и 9 соответственно впускной и выпускной труб 4а и 5а размещены в центральной камере 10 глушителя. Боковые камеры 11 и 12 глушителя заполнены пористым ЗМП. Части впускной и выпускной труб, находящиеся непосредственно в полости глушителя (впускной и выпускной патрубки 4 и 5), перфорированы на участках, находящихся внутри боковых камер 11 и 12. Отверстия сквозной перфорации в патрубках 4 и 5 показаны позицией 13, а отверстия сквозной перфорации в перегородках 6 и 7 показаны позицией 14.

Распределение потоков звуковой энергии (показано стрелками на фиг.2) в боковых камерах 11 и 12 определяется соотношением акустических сопротивлений прямого и бокового звуковых путей (каналов) между входом в боковую камеру и центральной камерой 10. Акустическая энергия, рассеянная в ЗМП и в перфорациях, пропорциональна их акустическому сопротивлению R и акустическому потоку I, распространенному через эти сопротивления.

Если сопротивление бокового пути R очень велико (намного больше сопротивления прямого пути Z), звук по боковому пути (через ЗПМ) не распространяется (звуковой поток I мал) и потерь звуковой энергии в пористом поглотителе практически не происходит. Если же оно (сопротивление) мало, то несмотря на то, что существенно большая часть звуковой энергии проходит через пористую структуру ЗПМ, рассеивание ее, тем не менее, мало из-за недостаточного акустического сопротивления R.

Акустическое сопротивление Z прямого пути передачи звука (прямая стрелка) для боковой камеры 11 пропорционально длине (L) впускного патрубка 4, частоте звуковых колебаний (f) и обратно пропорционально площади (F) проходного сечения впускного патрубка 4

где ρ - плотность выхлопных газов (кг/м³);

F - площадь поперечного сечения впускного патрубка глушителя (м²);

L - длина впускного патрубка 4 (м).

f - частота колебаний (Гц);

π=3,14.

Аналогичные процессы передачи звука прямым и боковым путями передачи относятся и к участкам камер 10 и 12 по направлению к выпускному патрубку 5 как через его свободный приемный срез 9, так и через отверстия перфорации 13 (см. фиг.1). Соответственно, имеют силу и аналогичные оптимальные соотношения по увеличению эффективности звукопоглощения.

Для, например, четырехтактного четырехцилиндрового ДВС, для его скоростного режима работы 2500...3500 об/мин

где n - об/мин коленвала ДВС;

i - число цилиндров ДВС (i=4),

τ - тактность ДВС, τ=2 - для 4-тактного ДВС.

Акустическое сопротивление R передачи звука через боковой (обходный) путь пропорционально акустическим сопротивлениям перфораций перегородки и пористой структуре ЗПМ и может быть легко измерено экспериментально для каждой боковой камеры при принудительной продувке ее газовым потоком заданного расхода Q. Возможная схема продувки представлена на фиг.3. В эксперименте измеряются объемный расход через камеру и разность давлений на входе и выходе камеры, заполненной ЗПМ (p₁-р₂ или р₂-р₃). Сопротивление продуванию бокового пути для боковых камер 11 и 12 определяется по формулам 3 и 3а, соответственно

где (p₁-р₂) и (р₂-р₃) - разность давлений газа (Па) на входе и выходе глушителя при продувке камеры глушителя заданным газовым потоком Q;

Q - объемный расход газа при продувке (м³/сек).

Максимальное рассеивание акустической энергии на частоте настройки глушителя при заглушении звука заданного частотного диапазона обеспечивается при приближенном равенстве акустических сопротивлений прямого и обходного путей (каналов). Эксперименты и теоретические оценки показывают, что достаточно хорошее рассеивание звука на частотах 2-й гармоники режима максимального момента ДВС соответствует величине сопротивления R каждого из боковых путей (из впускного патрубка 4 - в центральную камеру 10 и из центральной камеры 10 - в выпускной патрубок 5), определяемого по формуле:

или

Учитывая то, что R=Δр/Q, окончательно имеем:

Δp=(1,3...2,4)fLQ/F

Работает глушитель обычным образом. Выхлопные газы по впускной трубе 4а, а далее по впускному патрубку 4 поступают через его свободный срез 8 в центральную камеру 10 глушителя и вследствие внезапного расширения акустического волновода, определяемого соотношением проходных сечений патрубка 4 и камеры 10, частично отражаются обратно к источнику излучения - впускному клапану (не показан), а частично передаются к свободному срезу 9 выпускного патрубка 5 и вследствие внезапного сужения проходного сечения акустического волновода, определяемого аналогичным соотношением проходных сечений камеры 10 и патрубка 5, аналогичным образом вторично частично отражаются в сторону источника излучения и частично выводятся из камеры 10 глушителя по выпускному патрубку 5 и выпускной трубе 5а в атмосферу. Пульсации газового потока и звуковые волны, кроме того, передаются также из впускного патрубка 4 через отверстия перфорации 13 в его боковой стенке в полость входной камеры 11, а оттуда через аналогичные отверстия перфорации 14 в перегородке 6 - в центральную камеру 10. Из камеры 10 они могут передаваться в патрубок 5 как через его свободный срез 9, так и через отверстия перфорации 14, перегородки 7 пористой структуры ЗПМ в выходной камере 12 и отверстия перфорации 13 патрубка 5. При этом, кроме отражений у свободных срезов 8 и 9 патрубков 4 и 5, в обратном направлении - к источнику звука (выпускному клапану) звуковая энергия также рассеивается в пористой структуре ЗПМ и при прохождении через отверстия перфорации 13 и 14.

В предложенной конструкции глушителя (фиг.1) степень перфорации патрубков и перегородок, разделяющих центральную и боковые камеры, и гидравлические характеристики пористого ЗПМ выбираются таким образом, чтобы обеспечить максимальные потери (рассеивание) звуковой энергии в глушителе на заданных наиболее шумоактивных режимах максимального крутящего момента ДВС, что позволяет эффективно уменьшать уровень внешнего и внутреннего шума автомобиля как при его контрольных испытаниях по действующим национальным и международным стандартам, так и наиболее частом «эксплуатируемом» скоростном режиме работы ДВС в условиях городского движения автотранспорта.

Дополнительное повышение заглушения шума выхлопа происходит на средних частотах и достигается тем, что в корпусе глушителя образованы три камеры 11, 10 и 12, длины которых соотносятся как 4:5:3, где величина 5 характеризует длину центральной камеры, в которой размещены внутренние срезы патрубков, а 4 и 3 - длины боковых камер, в которых размещен ЗМП. Такое выполнение камер позволяет избежать нежелательного совпадения собственных резонансных частот колебаний газовых объемов камер и за счет этого создать условия дополнительного заграждения передачи звука, когда, по крайней мере, две из трех камер на средних частотах работают в режиме повышенных заглушений и уменьшение эффективности заглушения шума одной из камер существенно не снижает суммарного заглушения глушителя в целом. Средняя камера 10, в которую выходят срезы 8 и 9, соответственно впускного 4 и выпускного 5 перфорированных патрубков, при этом выполняется более длинной по сравнению с боковыми камерами 11 и 12, за счет чего достигается большая эффективность заглушения шума на низких частотах, так как на низких частотах звуковые колебания выхлопных газов через срезы патрубков 8 и 9 более активно взаимодействуют именно со средней (низкочастотной) камерой.

С целью упрощения конструкции и максимальной унификации внутренних узлов глушителя боковые (торцовые) камеры глушителя могут быть выполнены идентичными. В этом случае конструкция глушителя является идентично обратимой, т.е. впускной патрубок 4 становится выпускным патрубком 5, а выпускной патрубок 5 - впускным патрубком 4.

Глушитель шума выхлопа ДВС содержит корпус с торцовыми стенками, в котором посредством поперечных перфорированных перегородок образованы три камеры: центральная - пустотелая и две боковые, заполненные звукопоглощающим материалом (ЗПМ), соосные впускную и выпускную трубы, подключенные к центральной камере, и внутренние перфорированные впускной и выпускной патрубки, проходящие через боковые камеры в центральную камеру. Поперечные перегородки выполнены перфорированными, а степень перфорации патрубков и перфорированных перегородок, разделяющих центральную и боковую камеры, и акустическое сопротивление ЗПМ выбирают таким образом, чтобы сопротивление продуванию Δр хотя бы одной из боковых камер, заполненной ЗПМ, со свободным срезом впускного (выпускного) патрубка, закрытым заглушкой со стороны центральной камеры, было равно

Δp=(1,3...2,4)fLQ/F,

где Δр - сопротивление продуванию заглушенной камеры (Па);

Q - объемный расход при продувании (м³);

f - частота настройки (Гц);

F - площадь поперечного сечения впускного патрубка глушителя (м²);

L - длина участков впускного (выпускного) патрубка, расположенных внутри глушителя (м).

В предпочтительном варианте конструктивного исполнения длины камер соотносятся как 4:5:3, где величина 5 соответствует длине центральной камеры, в которой размещены внутренние срезы патрубков, а 4 и 3 - длинам боковых камер, в которых размещен ЗПМ. В предложенной конструкции глушителя степень перфорации патрубков и перфорированных перегородок, разделяющих центральную и боковые камеры, и гидравлические характеристики пористого ЗПМ выбираются таким образом, чтобы обеспечить повышение потери звуковой энергии в глушителе на наиболее шумоактивных режимах максимального крутящего момента ДВС, что, например, позволяет эффективно уменьшить уровень внешнего и внутреннего шума легкового автомобиля как при его контрольных испытаниях по действующим национальным и международным стандартам, так и на наиболее часто эксплуатируемых скоростных режимах работы ДВС в условиях городского движения автотранспорта. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с торцовыми стенками, в котором посредством поперечных перфорированных перегородок образованы три камеры: центральная - пустотелая и две боковые, заполненные звукопоглощающим материалом (ЗПМ), соосные впускную и выпускную трубы, подключенные к центральной камере, и внутренние перфорированные впускной и выпускной патрубки, проходящие через боковые камеры в центральную камеру, отличающийся тем, что поперечные перегородки выполнены перфорированными, а степень перфорации патрубков и перфорированных перегородок, разделяющих центральную и боковую камеры, и акустическое сопротивление звукопоглощающего материала выбирают таким образом, чтобы сопротивление продуванию Δр хотя бы одной из боковых камер, заполненной звукопоглощающим материалом, со свободным срезом впускного (выпускного) патрубка, закрытым заглушкой со стороны центральной камеры было равно

Δp=(1,3÷2,4)fLQ/F,

где Δр - сопротивление продуванию заглушенной камеры, Па;

Q - объемный расход при продувании, м³;

f - частота настройки, Гц;

F - площадь поперечного сечения впускного патрубка глушителя, м²;

L - длина впускного (выпускного) патрубка, м.