МНОГОКАМЕРНЫЙ ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК F01N1/02 

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, а именно к многокамерным глушителям шума выхлопа двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС).

Известны глушители шума выхлопа для ДВС с эффективным заглушением шума выхлопа, конструкции которых описаны в патентах РФ №№ 641140, 1245726, 1043329, 1019082, 1010306. Указанные конструкции глушителей шума выхлопа для ДВС содержат цилиндрический корпус овального сечения с торцевыми стенками, впускную и выпускную камеры, впускной и выпускной патрубки, срезы которых размещены соответственно внутри полостей впускной и выпускной камер. Перфорированная перегородка, разделяющая полость глушителя на впускную и выпускную камеры, выполнена с достаточно большой степенью перфорации, суммарная площадь отверстий в которой не менее чем в 1,5 раза больше площади поперечного сечения впускного патрубка и несет функции проводимости газов и звука из камеры в камеру с одновременными функциями шумоглушения за счет рассеивания звуковой энергии вследствие фрикционных потерь энергии звуковых колебаний при прохождении через отверстия. Такие глушители относительно просты в изготовлении, но недостаточно эффективны по шумозаглушению для выполнения современных требований более жестких стандартов на внешний и внутренний шум транспортных средств.

В качестве прототипа принят основной глушитель шума выхлопа системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания автомобилей модельного ряда ВАЗ-2110 (см. Волгин С.Н. и др. Цветной иллюстрированный альбом. Автомобили ВАЗ-2110, ВАЗ-2111, ВАЗ-2112 и их модификации. М.: Третий Рим, 1998, с.30-31.)

Глушитель содержит четыре последовательные камеры для подавления шума в широкочастотном диапазоне, овальный корпус, ограниченный плоскими торцевыми стенками. Камеры в корпусе образованы посредством трех поперечных перегородок и сообщаются между собой посредством перфорированных патрубков. В направлении газового потока камеры последовательно расположены следующим образом: входная, выходная и две дополнительные. При этом два патрубка - подводящий и отводящий - размещены соосно корпусу, а два промежуточных патрубка расположены аксиально и по обе стороны от оси корпуса глушителя. Для лучшей коррозионной стойкости корпус глушителя изготовлен из алюминированной стали и не имеет точек сварки. Все детали глушителя соединяются между собой завальцовкой.

Рассмотренный глушитель шума обладает высокой надежностью и долговечностью, но вместе с тем имеются необходимость и возможности повышения его акустической эффективности за счет внедрения в конструкцию прототипа отдельных мероприятий по акустической настройке конструкции камерного глушителя, для выполнения более жестких требований защиты окружающей среды от акустического загрязнения. Обусловлено это, в первую очередь, тем, что свободные срезы подводящего, отводящего и промежуточных патрубков в камере глушителя размещены без недостаточно "тонкого" и подробного исследования акустического поля и учета акустических явлений, происходящих в его отдельных камерах в результате возбуждения в них низших резонансных собственных форм колебаний газового объема, заключенного в соответствующей камере глушителя, что вызывает соответствующие акустические недостатки (дефекты) конструкции. В результате этого в характеристике заглушения на отдельных частотах образуются соответствующие "шумозаглушающие провалы" или недостаточные заглушения, что приводит к снижению акустической эффективности конструкции в целом. Недостатком является и то, что вторая и третья (по ходу газового потока от двигателя в окружающую среду) камеры глушителя имеют одинаковый объем (длину), что приводит к дублированию частотного диапазона заглушения и склонности к взаимному резонансному возбуждению камер.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении шумозаглушающей эффективности конструкции глушителя за счет увеличения рассеивания низкочастотной акустической энергии, в первую очередь - на основной частоте ″f″ выхлопа (рабочего процесса) в зоне оборотов максимального крутящего момента ДВС, где резонансное возбуждение основной моторной гармоники, как правило, является максимальным и, в связи с этим, особенно опасным, а сам режим работы - наиболее шумоактивным. Также заявляемая конструкция глушителя предусматривает некоторое уменьшение аэрогидродинамического сопротивления глушителя и, следовательно, увеличение наполнения цилиндров, улучшение эффективности протекания рабочего процесса ДВС и повышения его эффективной мощности и момента на коленчатом валу при комплектовании системы выпуска ДВС глушителем заявляемой конструкции.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемого изобретения достигается за счет выполнения сквозных компенсационных отверстий в общей перегородке (стенке) между впускной и выпускной камерами, связывающих эти две камеры таким образом, что, с одной стороны, они не так велики, чтобы разрушать акустическую настройку разделенных перегородкой отдельных камер (реализованную в прототипе), а с другой - уже достаточны для дополнительного эффективного рассеивания резонансных звуковых колебаний в глушителе, основанного на фрикционных потерях звуковой энергии в отверстиях перфорации перегородки и снижения аэрогидродинамических потерь в глушителе. Снижение аэрогидродинамических потерь в глушителе происходит за счет дополнительного перетекания избыточной части отработавших газов из впускной камеры через выполненные отверстия перфорации в перегородке в смежную выпускную камеру и по выпускному патрубку наружу в окружающую среду, что связано с частичным уменьшением давлений, (противодавлений) и скоростей истечения газового потока по основным путям транспортировки газа через глушитель.

Группы компенсационных отверстий располагаются в зоне малой оси овала перегородки на ее противоположных сторонах симметрично относительно большой оси овала перегородки, при этом расположение отверстий в каждой из групп симметрично относительно малой оси овала перегородки, а суммарная площадь компенсационных отверстий определяется по выражению

Fperf=0,25...0,3 Fpipe,

где Fpipe - площадь проходного сечения впускного патрубка 11 глушителя,

Fperf - суммарная площадь компенсационных отверстий перфорации перегородки 4.

Также через сквозные компенсационные отверстия, размещенные в нижней части перегородки между впускной и выпускной камерами, может происходить перетекание конденсата, содержащегося в выхлопных газах, образующегося в процессе работы ДВС и остывания глушителя и трубопроводов системы выпуска, скапливающегося в нижней данной зоне полости корпуса глушителя, в основном - во впускной камере. При запуске ДВС происходит более быстрое и полное удаление конденсата из впускной камеры в выпускную, а затем посредством выпускного патрубка наружу из глушителя, что увеличивает долговечность глушителя вследствие ослабления интенсивности коррозионных процессов, протекающих в полости глушителя.

Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.

Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Сущность изобретения поясняется чертежами

На фиг.1 представлен вариант конструктивного исполнения заявляемого глушителя.

На фиг.2 показана технологическая перегородка 9.

На фиг.3 представлен вариант конструктивного исполнения перегородки 4, разделяющей впускную 6 и выпускную 7 камеры глушителя.

На фиг.4 схематично показаны пути прохождения отработавших газов в глушителе, в частности из впускной камеры 6 в выпускную камеру 7, в конструкциях глушителей без отверстий в перегородке 4 (прототипе) и с отверстиями 27 в перегородке 4 (по заявляемой конструкции).

На фиг.5 схематично показаны распределения звуковых давлений и пути прохождения газов (показаны стрелками) в глушителе в первой фазе колебаний.

На фиг.6 схематично показаны распределения звуковых давлений и пути прохождения газов во второй фазе колебаний.

На фиг.7 схематично показаны эпюры распределения звуковых давлений на низшей продольной резонансной форме колебаний газов в глушителе, развернутые по основному пути движения выхлопных газов.

На фиг.8 схематично показано размещение внутренних патрубков в глушителе и пути прохождения отработавших газов в глушителе, в конструкциях глушителей без отверстий в перегородке 4 (прототипе) и с отверстиями 27 в перегородке 4 (по заявляемой конструкции).

На фиг.9 схематично показан вид на поперечную перегородку 4 с отверстиями 27 между впускной и выпускной камерами.

На фиг.10 схематично показаны эпюры распределения звуковых давлений на низших собственных поперечных формах колебаний газового объема (по ширине камеры) в выпускной камере 7.

На фиг.11 схематично показаны эпюры распределения звуковых давлений на низших собственных повысотных формах колебаний газового объема (по высоте камеры) в выпускной камере 7.

На фиг.12 схематично показаны эпюры распределения звуковых давлений на низших собственных тангенциальных поперечных формах колебаний газового объема относительно малой оси овала в выпускной камере 7.

На фиг.13 схематично показаны эпюры распределения звуковых давлений на низших собственных тангенциальных формах колебаний газового объема относительно большой оси овала в выпускной камере 7.

На фиг.14 графически показаны общие уровни шума выхлопа, регистрируемые измерительным микрофоном у свободного среза хвостовой трубы глушителя, в конструкциях глушителей без отверстий в перегородке 4 (прототипе) и с отверстиями 27 в перегородке 4 (по заявляемой конструкции).

На фиг.15 графически показаны 1/3 октавные спектры шума выхлопа на оборотах максимального крутящего момента ДВС в конструкциях глушителей без отверстий в перегородке 4 (прототипе) и с отверстиями 27 в перегородке 4 (по заявляемой конструкции).

На фиг.16 графически показаны уровни шума выхлопа, зарегистрированные в «характерной» 1/3 октавной полосе с центром 1250 Гц, в конструкциях глушителей без отверстий в перегородке 4 (прототипе) и с отверстиями 27 в перегородке 4 (по заявляемой конструкции)

Конструкция многокамерного глушителя шума выхлопа ДВС, представленная на фиг.1, содержит цилиндрический корпус 1 с торцевыми стенками 2 и 3, в котором посредством двух поперечных перегородок 4 и 5 образованы три камеры: впускная камера 6, выпускная камера 7 и промежуточная камера 8 с установленной в ней технологической перегородкой 9 с крупными отверстиями 10 (см. разрез А-А на фиг.2), связывающими обе части камеры, соосно расположенные впускной патрубок 11 и выпускной патрубок 12 и аксиально размещенные по обе стороны от оси корпуса промежуточные патрубки 13 и 14. Впускной патрубок 11 сообщается с впускной камерой 6 через отверстия перфорации 15, на патрубке 11 со стороны прямого среза в камере 7 установлена торцевая заглушка 16. Выпускной патрубок 12 сообщается с выпускной камерой 7 через открытый прямой срез 17. Промежуточный патрубок 13 сообщается с камерой 6 одновременно через прямой срез 18 и отверстия перфорации 19, а с камерой 8 через прямой срез 20. Промежуточный патрубок 14 сообщается с камерой 8 через прямой срез 21, а с камерой 7 - через отверстия перфорации 22 на патрубке 14. Со стороны свободного прямого среза в камере 7 установлена торцевая заглушка 23. На участке выпускной трубы 12 в полости промежуточной камеры 8 образован концентричный резонатор 24 посредством перфорирования щелевыми отверстиями 25 участка патрубка 12, закрытого (охваченного) сплошным цилиндрическим кожухом 26. В овальной перегородке 4 в зоне малой оси овала на ее противоположных сторонах симметрично большой оси овала выполнены сквозные компенсационные отверстия 27, связывающие камеры 6 и 7 и расположенные группами симметрично малой оси овала перегородки (см. разрез В-В на фиг.3).

Работает глушитель обычным образом.

Выхлопные газы, совместно с шумовой энергией газового потока, при реализации рабочего процесса ДВС, подводятся к глушителю по трубопроводной магистрали системы выпуска (см. фиг.1 и 4), распространяются по впускному патрубку 11 и через отверстия перфорации 15 поступают в полость впускной камеры 6 глушителя. В зонах отверстий перфораций 15 в полости камеры 6 вследствие резкого расширения акустического волновода и обусловленного этим скачкообразного изменения волнового сопротивления, определяемого соотношением суммарной площади проходных сечений отверстий перфорации 15 впускного патрубка 11 к площади проходного сечения камеры 6, звуковые волны частично отражаются обратно к источнику излучения (выпускному клапану - не показан). Данному процессу способствует также торцевая заглушка 16, перекрывающая прямую передачу неослабленного в глушителе звука из впускного патрубка 11 в выпускной патрубок 12. Неотраженная часть энергии звуковых волн передается и транспортируется по направлению к прямому срезу 18 и отверстиям перфорациям 19 промежуточного патрубка 13. Кроме передачи звуковой энергии через прямой открытый срез 18 в патрубок 13 происходит также передача звуковой энергии через его перфорированный отверстиями 19 концевой участок (боковой срез) с соответствующими потерями звуковой энергии при прохождении звуковых волн через указанные отверстия 19. Кроме того, концевой перфорированный участок выполняет положительную шумодемпфирующую функцию по подавлению собственных резонансных колебаний патрубка 13, как участка волновода (трубы) определенной длины с открытыми с двух сторон концевыми участками. Вследствие скачкообразного изменения волнового сопротивления, определяемого соотношением проходных сечений камеры 6 и промежуточного патрубка 13, аналогичным образом звуковые волны частично отражаются в сторону источника излучения (к выпускному клапану) и частично передаются из полости камеры 6 через прямой срез 20 промежуточного патрубка 13 в промежуточную камеру 8, где вследствие резкого расширения на свободном срезе 20 в полости камеры по обе стороны от технологической перегородки 9 с крупногабаритными отверстиями 10 (суммарная площадь которых составляет не менее четырехкратной площади проходного сечения промежуточного патрубка 13) теряют часть звуковой энергии и далее передаются к свободному срезу 21 промежуточного патрубка 14 и вследствие резкого сужения акустического волновода частично отражаются, в том числе дополнительно и от торцевой заглушки 23, обратно в сторону источника излучения (к выпускному клапану), а частично передаются из полости камеры 8 через отверстия перфорации 22 промежуточного патрубка 14 в полость выпускной камеры 7, где вследствие резкого процесса расширения на пути распространения по акустическому волноводу в полости камеры теряют часть звуковой энергии и далее частично передаются к свободному срезу 17 выпускного патрубка 11 и, вследствие резкого сужения проходного сечения патрубка 11, как передающего элемента акустического волновода, частично отражаются в сторону источника излучения (к выпускному клапану) и частично проходят по выпускному патрубку 12, попадают в полость резонаторной камеры 24, образованной перфорированными отверстиями 25 участка патрубка 12, охваченного сплошным цилиндрическим кожухом 26, теряют в резонаторной камере энергию заданного частотного диапазона в процессе фрикционных резонансных (с большими амплитудами) колебаний газа и далее по выпускному патрубку 12 и выхлопной трубе (на схемах фиг.1 и 4 не показана) выделяются в атмосферу.

Однако, как уже отмечалось, эффективность работы глушителя (прототипа) значительно уменьшается при возбуждении в нем резонансных колебаний на низких частотах, совпадающих с собственными частотами колебаний газа в глушителе. Низшая собственная частота колебаний (низшая собственная мода) определяется собственной частотой синфазных колебаний газовых масс в патрубках 13 и 14, сжимающих (разжимающих) газ в камерах 6, 8 и 7, работающих при низкочастотных колебаниях как газовые пружины. Механизм таких собственных колебаний поясняется фиг.5 и 6. Первая фаза колебаний (первая половина периода) иллюстрируется фиг.5. Под действием перепада давлений газа в камерах 6 и 7 газ в патрубке 13 устремляется из камеры 6 в камеру 8, а в патрубке 14 - из камеры 8 в камеру 7. Высокое давление в камере 6 показано косой штриховкой, низкое, в камере 7 - вертикальной штриховкой. Двигающиеся массы газа в патрубках 13 и 14 сжимают газ (сжимают газовую пружину) в камере 7 и одновременно разжимают газ в камере 6. Давление в камере 7 повышается, а в камере 6 - понижается. Наступает вторая фаза колебаний изображенная на фиг.6. Во второй фазе газ в патрубках движется в противоположную сторону и потом снова повторяется первая фаза.

При возникновении в глушителе описанных низкочастотных резонансных колебаний возникают резонансные перепады звуковых давлений на перегородке 4, разделяющей впускную 6 и выпускную 7 камеры (см. фиг.7 и 8) с эпюрами распределения давлений в точках А1, А2, В1, В2, С1 и С2. Выполненные в перегородке 4 компенсационные отверстия 27 обеспечивают эффективное перетекание выхлопных газов под действием этого перепада через отверстия 27 (пунктирные стрелки на фиг.7 и 8) с сопутствующими фрикционными потерями, снижающими интенсивность резонансных колебаний и повышающих за счет ослабления резонансных колебаний шумозаглушающую способность глушителя. Степень перфорации перегородки 4 и расположение отверстий 27 относительно осей овала поперечного сечения (главных осей инерции сечения) выбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальные потери (рассеивание) резонансной звуковой энергии в глушителе на заданных наиболее шумоактивных режимах максимального крутящего момента ДВС с одной стороны, а с другой - обеспечить снижение аэрогидродинамических потерь в глушителе и при этом не нарушить акустическую настройку впускной и выпускной камер вследствие слишком сильной связи между камерами 6 и 7 через отверстия 27. Такое нарушение может возникнуть из-за того, что при наличии отверстий 27 в перегородке 4, соединяющей впускную 6 и выпускную 7 камеры, часть звуковой энергии передается непосредственно из впускной камеры в выпускную и далее через выхлопную трубу - в атмосферу. В этом случае возникает передача как низкочастотного, так и высокочастотного звука. При низкочастотных колебаниях давления в каждой из камер не сильно различаются в различных точках внутри полости одной камеры как по длине камеры, так и по ее сечению, и расположение отверстий 27 в перегородке 4 не влияет, практически, на передачу колебаний. Для высокочастотного звука характерны выраженные локализированные резонансные колебания с образованием стоячих акустических волн на низших собственных модах объемов камер. Давления в различных точках пространственного объема камеры, в этом случае, существенно различны и положение отверстий (точек возбуждения и передачи колебаний из камеры в камеру) существенно влияет на величину передачи звуковой энергии между камерами. Распределение давлений на низших собственных тангенциальных поперечных и повысотных модах колебаний в выпускной камере 7 показано на фиг.9-11. Наиболее опасным является возбуждение поперечной формы «а» (моды «а»), т.к. ее низшая собственная мода на частоте (f≅c/2B, где с - скорость звука, В - поперечный размер камеры) является самой низкой частотой собственных поперечных колебаний газового объема в камере, которая плохо заглушается концентрическим резонатором 24. Распределение давлений в этой стоячей волне показано на фиг.10. Оно подобно распределению уровней воды налитой на донышко камеры 7, поставленной донышком вниз и раскачиваемой вокруг малой оси овала перегородки 4 (показано на фиг.12). Наиболее интенсивными являются колебания вдали от малой оси овала, в то время как на самой малой оси овала колебания не возбуждаются (вода на малой оси овала «стоит» неподвижно, т.е. не колеблется, см. фиг.12). Сила возбуждения стоячей волны через отверстия 27 зависит от величины давления в точке возбуждения. Чем выше давление, тем большее сопротивление испытывает струя газа, проходящая через отверстие, тем большую работу она совершает и тем больше передача звуковой энергии в камеру 7.

Если отверстие выполнено вдалеке от малой оси «а», например, в положении «1», то низшая поперечная мода «а» возбуждается наиболее сильно из-за большого «момента» («плеча») возбуждения и звуковая энергия интенсивно передается в камеру 7 (фиг.9 и 10). При приближении отверстий к малой оси «а», например, в положении «2» (см. фиг.9 и 10), возбуждение значительно слабее, так как «возбуждающий момент» и «плечо возбуждения» существенно меньшие. Поэтому компенсационные отверстия акустической связи между камерами целесообразно выполнять (локализировать) вблизи малой оси овала «а» перегородки. Дополнительное уменьшение возбуждения низшей тангенциальной собственной поперечной моды «а» достигается симметричным уравнивающим расположением отверстий относительно малой оси «а», так как в этом случае возбуждения от симметрично расположенных отверстий взаимно компенсируются вследствие уравнивания возбуждающих моментов (работа в одном отверстии совершается против положительного давления, в другом - против отрицательного, и они компенсируются), поэтому отверстия 27 в перегородке 4 выполняются также симметрично большой оси овала «в». Другая стоячая волна (собственная повысотная мода «в», фиг.11) подобна распределению уровней налитой воды на донышке камеры 7, раскачиваемой вокруг большой оси овала перегородки 4 (фиг.13).

Компьютерное моделирование акустических и газодинамических процессов заявляемой конструктивной схемы глушителя показали, что рациональным с точки зрения эффективности его работы (щумозаглушения) на наиболее шумоактивных режимах максимального крутящего момента двигателя является выбор суммарной площади перфорации перегородки 4, определяемой по формуле

Fperfs 0,25...0,3 Fpipe,

где Fpipe - площадь сечения впускного патрубка глушителя,

Fperf - суммарная площадь отверстий перфорации перегородки 4.

При меньшей степени перфорации отверстий 27 перегородки 4 рассеивание резонансной звуковой энергии малоэффективно, при большей нарушается автономная акустическая настройка впускной и выпускной камер на средних и высоких частотах вследствие чрезмерно большой акустической связи между камерами 6 и 7 через отверстия 27, влекущая потери шумозаглушающей способности глушителя в целом, так как возникает интенсивная прямая передача средне- и высокочастотного звука из полости впускной камеры 6 в выпускную камеру 7, минуя заглушающие элементы промежуточной камеры и далее интенсивно переизлучается через выпускной патрубок 12 в выхлопную трубу и в открытое пространство.

Повышенная шумозаглушающая эффективность заявляемой конструкции глушителя за счет увеличения рассеивания низкочастотной акустической энергии перфорированием перегородки 4 отверстиями 27 в сравнении с конструкцией глушителя - прототипа без отверстий в перегородке 4 иллюстрируется графиками на фиг.14, 15 и 16.

Разумеется, изобретение не ограничивается описанным способом его осуществления, показанным на прилагаемых фигурах. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.

Многокамерный глушитель, в частности, содержит цилиндрический корпус овального поперечного сечения с торцевыми стенками, в котором, по крайней мере, образованы смежные впускная и выпускная камеры, разделенные общей перегородкой, а также соосные впускной и выпускной патрубки, причем выпускной патрубок сообщается с выпускной камерой через открытый прямой срез, а впускной патрубок сообщается с впускной камерой через отверстия перфорации. В общей перегородке между впускной и выпускной камерами выполнены, по крайней мере, две группы компенсационных отверстий, которые расположены в зоне малой оси овала перегородки, на ее противоположных сторонах и симметрично относительно большой оси овала перегородки, при этом расположение отверстий в каждой из групп симметрично относительно малой оси овала перегородки, а суммарная площадь компенсационных отверстий Fperf определяется по выражению Fperf=0,25...0,3 Fpipe, где Fpipe - площадь проходного сечения впускного патрубка глушителя. Такое выполнение глушителя позволило повысить его шумозаглушающую эффективность. 16 ил.

Многокамерный глушитель шума выхлопа ДВС, содержащий цилиндрический корпус овального поперечного сечения с торцовыми стенками, в котором, по крайней мере, образованы смежная впускная и выпускная камеры, разделенные общей перегородкой, а также соосные впускной и выпускной патрубки, причем выпускной патрубок сообщается с выпускной камерой через открытый прямой срез, а впускной патрубок сообщается с впускной камерой через отверстия перфорации, отличающийся тем, что в общей перегородке между впускной и выпускной камерами выполнены, по крайней мере, две группы компенсационных отверстий, которые расположены в зоне малой оси овала перегородки, на ее противоположных сторонах и симметрично относительно большой оси овала перегородки, при этом расположение отверстий в каждой из групп симметрично относительно малой оси овала перегородки, а суммарная площадь компенсационных отверстий Fperf определяется по выражению Fperf=0,25...0,3 Fpipe, где Fpipe - площадь проходного сечения впускного патрубка глушителя.