Глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания

Глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания

Реферат

 

Решение технической задачи направлено на повышение акустической эффективности предварительного глушителя системы выхлопа. Глушитель шума выхлопа ДВС содержит цилиндрический корпус с торцевым стенками, в котором посредством поперечных перегородок образованы три камеры: входная, центральная и выходная, соосные входной и выходной патрубки, гидравлически подключенные к соответствующим камерам посредством перфорированных участков, и свободные срезы которых размещены в центральной камере, причем свободный динамический срез выходного патрубка размещен в узловой зоне второй низшей собственной продольной моды колебаний газового объема, заключенного в центральной камере, динамический срез входного патрубка размещен в узловой зоне первой низшей собственной продольной моды колебаний газового объема, заключенного в центральной камере, при этом суммарный объем крайних камер глушителя равен объему его центральной камеры и сами крайние камеры выполнены в виде концентричных резонаторов, настроенных на подавление частот резонансных передач шума основной камеры на четвертой продольной и второй радиальной низших собственных резонансных мод колебаний газового объема центральной камеры. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

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

Известен глушитель шума выхлопа для двигателя внутреннего сгорания, авторское свидетельство СССР N 1092290, МКИ F 01 N 1/00, БИ N 18/84, содержащий по меньшей мере одну цилиндрическую камеру с торцевыми стенками и соосными патрубками, срезы которых размещены внутри камеры.

Известная конструкция глушителя позволяет успешно использовать его на спортивных автомобилях, так как при минимальных гидравлических сопротивлениях он обладает наилучшими акустическими показателями и отличается простотой и малыми габаритами. Эффективность глушителя достигается за счет того, что максимальное расширение полосы заглушения и исключение конкретных периодических "провалов" в характеристике заглушения шума достигается за счет размещения динамических срезов патрубков в полости камеры глушителя в узлах низших собственных резонансных форм колебаний газа в камере, соответствующих точкам, где колебания звукового давления минимальны. Эффективные (динамические) срезы учитывают действительное удлинение пульсирующих газовых столбов, заключенных в полостях патрубков за счет влияния ближнего гидродинамического поля у среза патрубка, путем присоединения некоторой близлежащей массы газа у статического среза патрубка. Практически динамический срез "длиннее" статического (геометрического) среза на величину 0,2...0,4d, где d - диаметр проходного сечения соответствующего патрубка.

Описанная конструкция глушителя отличается компактностью и низкими гидродинамическими сопротивлениями, поскольку срезы патрубков расположены соосно и поток газов через полость глушителя транспортируется прямолинейно (без поворотов).

Конструкция описанного глушителя достаточно хорошо вписывается, в частности, в концепцию спортивных автомобилей, некоторых стационарных энергетических установок и т.п., однако для легковых автомобилей массового производства, для которых требования по предельно допустимому уровню шума значительно выше, эффективности такого глушителя явно недостаточно.

Дальнейшим совершенствованием описанного глушителя является конструкция (прототип), описанная в авторском свидетельстве СССР N 1420193, МКИ F 01 N 1/00, БИ N 32/88 (или более подробно см. Волгин С.Н. и др. Цветной иллюстрированный альбом. Автомобили ВАЗ-2110, ВАЗ-2111, ВАЗ-2112 и их модификации. Москва, "Третий Рим", 1998, с. 30-31), обладающая повышенной эффективностью заглушения и более широким диапазоном полосы заглушения, которая в настоящее время применяется в ряде моделей автомобилей производства ОАО "АВТОВАЗ".

Глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания содержит корпус с торцевыми стенками и соосными впускным и выпускным патрубками, причем динамические срезы последних размещены внутри центральной камеры корпуса. Корпус глушителя выполнен овальным и снабжен по меньшей мере одной поперечной перегородкой с образованием камер с торцевыми стенками. Одна из камер выполнена более длинной, длина ее равна длине большей оси овала корпуса. Внутренние срезы патрубков размещены в одной из камер и расположены на расстоянии 1/4L от торцевых стенок последней, где L - длина камеры. Длина большей оси овала корпуса составляет (1,6...2,5)d, где d - диаметр патрубка. Часть патрубка, проходящего через камеру, выполнена перфорированной, при этом неперфорированная часть патрубка от его внутреннего среза составляет L/2.

Некоторые конструктивные недостатки глушителя проявились в процессе его эксплуатации, при необходимости совершенствования конструкции для соответствия более жестким требованиям автомобилей по предельным значениям уровней их внешнего шума, а анализ конструкции позволяет утверждать о потенциальных возможностях ее дальнейшего совершенствования. В частности, во всех вариантах конструкции глушителя, представленных на фиг. 1-3 видно, что наиболее энергоемкая первая (и все нечетные) продольная низшая собственная резонансная форма колебаний из средней (центральной) камеры глушителя свободно пропускается в окружающую среду через выпускной патрубок 5. Это же самое наблюдается и со второй повысотной (радиальной) собственной модой колебаний объема камеры. Резонансная передача звука из камеры в окружающую среду происходит и на четвертой продольной собственной моде колебаний объема камеры (f4 = 4c/2L, где f - частота, c - скорость звука, L - длина средней камеры).

Крайние (боковые) камеры глушителя, фиг. 1, согласно графическому описанию прототипа представляющие собой идентичные резонаторы концентричного типа, настроены на один и тот же резонансный частотный диапазон, что приводит к неоправданному дублированию подавления резонансных режимов и, в конечном итоге, ограничивает (заужает) полосу заглушения, в данном случае способствует нежелательному взаимному резонансному взаимодействию боковых камер и не позволяет использовать каждую из камер для целенаправленного шумоподавления конкретного отдельного резонансного диапазона в заданной частотной области звукового спектра.

В современных конструкциях глушителей шума автомобильных ДВС для улучшения ослабления передачи звука на указанных резонансных модах расширительной цилиндрической камеры с внутренними трубами широко используют звукопоглощающие набивки камер волокнистыми материалами. В настоящее время практически всеми автомобильными фирмами используется конструкция предварительного глушителя шума системы выхлопа с набивкой полости камеры глушителя из базальтового волокна. Обладая достаточно высокими термостойкими и звукопоглощающими характеристиками, такая набивка в ряде случаев ослабляет резонансные высокочастотные "свисты" глушителя на 4-й продольной и 2-й радиальной собственных модах колебаний воздушного объема камеры. Однако такая конструкция имеет и ряд существенных недостатков, основные из которых следующие: - Волокнистое базальтовое волокно активно впитывает химически агрессивный конденсат выхлопных газов, что вызывает ускоренную внутреннюю коррозию корпуса глушителя, существенно сокращая срок его эксплуатации. Следует здесь отметить, что именно внутренняя коррозия, а не механические нагрузки являются основной причиной разрушения глушителей автомобильных ДВС.

- Волокнистое базальтовое волокно, вследствие вышеуказанной причины, вынуждает применять дорогостоящие хром-никелевые стали, использовать дополнительные устройства отсоса конденсата из полости камеры различными диффузорными газоприемниками, что дополнительно усложняет конструкцию и делает ее более дорогой.

- В процессе эксплуатации базальтовые волокна частично выдуваются из полости глушителя в окружающую среду, что ведет к вредному и очень опасному для здоровья человека засорению воздушной среды мелкими частицами базальтовых волокон.

- В процессе длительной эксплуатации изменяется пористость волокнистой набивки камеры из-за воздействия частиц углерода (сажи) и жидкого конденсата, что влечет ухудшение звукопоглощающих характеристик волокнистой набивки и снижению шумозаглушающей способности глушителя в целом.

- Применение базальтовых волокон в технологии производства глушителей связано с вредными условиями производства, вследствие возможного попадания частиц волокон через органы дыхания в организм человека.

Предлагаемая ниже конструкция глушителя предполагает повышение его акустической эффективности за счет расширения частотного диапазона и амплитуды заглушения, исключения дефектных диапазонов резонансной передачи звука на наиболее энергоемких низших (первой и четвертой продольных и второй радиальной) собственных резонансных модах колебаний газового объема центральной камеры путем дополнительной акустической настройки глушителя, что достигается путем изменения конструктивных параметров прототипа.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном глушителе шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания, содержащем цилиндрический корпус с торцовыми стенками, в котором посредством поперечных перегородок образованы три камеры: входная, центральная и выходная, соосные входной и выходной патрубки, гидравлически подключенные к соответствующим камерам посредством перфорированных участков патрубков, и свободные срезы которых размещены в центральной камере, причем свободный динамический срез выходного патрубка размещен в узловой зоне второй низшей собственной продольной моды колебаний газового объема, заключенного в центральной камере, динамический срез входного патрубка размещен в узловой зоне первой низшей собственной продольной моды колебаний газового объема, заключенного в центральной камере, при этом суммарный объем крайних камер глушителя примерно, с допуском 0,05 величины объема, равен объему его центральной камеры и сами крайние камеры выполнены в виде разнонастроенных концентричных резонаторов, настроенных на подавление частот резонансных передач шума основной камеры на четвертой продольной и второй радиальной низших собственных резонансных модах колебаний газового объема центральной камеры.

Настройка резонаторов, образованных кольцевыми объемами крайних камер, сообщенных с патрубками посредством участков перфорации, осуществляется за счет подбора степени перфорации участков, динамической толщины отверстий перфорации, учитывающей присоединенную колеблющуюся массу воздуха в отверстиях перфорации и величины объема полостей соответствующей камеры и рассчитывается по известной формуле: для четвертой продольной собственной моды колебаний газового объема центральной камеры для второй радиальной собственной моды колебаний газового объема центральной камеры где c - скорость звука, L - длина центральной камеры, F - суммарная площадь проходного сечения отверстий перфорации в заданной камере (входной, выходной), h - длина горлышка резонатора (динамическая толщина отверстия перфорации), с присоединенной массой газа h = 2(0,44 ), F_отв - площадь одного отверстия, V - объем соответственно входной (при настройке на подавление 4-й продольной собственной моды) или выходной (при настройке на подавление 2-й радиальной собственной моды) камеры глушителя, D - приведенный диаметр корпуса глушителя. Для кругового цилиндра D = D_{цилиндра}; для корпуса, имеющего форму овала D = S/П, где S - площадь поперечного сечения овала и П - периметр этого сечения.

При таком конструктивном исполнении глушителя сводится к минимуму отрицательное влияние на его акустическую эффективность всех нечетных и низших (наиболее энергоемких) четных собственных резонансных мод колебаний газового объема в его расширительной камере, связанное с устранением полос пропускания (частотных провалов) на указанных выше собственных резонансных модах. Выбор различных объемов и резонансных настроек боковых камер глушителя исключает нежелательное резонансное взаимодействие этих камер.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг. 1 показан общий вид глушителя шума выхлопа, на фиг. 2 показана схема внутренних элементов глушителя, на фиг. 3. ..6 показаны эпюры распределения полей звуковых давлений на низших (соответственно с первой по четвертую) собственных резонансных продольных модах колебаний газового объема в центральной камере глушителя, на фиг. 7 и 8 показаны эпюры распределения полей звуковых давлений на низших (соответственно первой и второй) собственных резонансных радиальных модах колебаний газового объема в центральной и боковых камерах глушителя.

На эпюрах символом -P- обозначен модуль звукового давления.

Глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания, показанный на фиг. 1, содержит цилиндрический корпус 1 с торцовыми стенками 2 и 3, в котором посредством поперечных перегородок 4 и 5 образованы три камеры: входная 6, центральная 7 и выходная 8, соосные входной 9 и выходной 10 патрубки, гидравлически подключенные к соответствующим камерам 6 и 8 посредством перфорированных участков 11 и 12, и свободные срезы которых размещены в центральной камере 7, причем свободный динамический срез 13 выходного патрубка 10 размещен в узловой зоне второй низшей собственной продольной моды, фиг. 4, колебаний газового объема, заключенного в центральной камере 7, фиг. 2, динамический срез 14 входного патрубка 9 размещен в узловой зоне первой низшей собственной продольной моды, фиг. 3, колебаний газового объема, заключенного в центральной камере 7, фиг. 2, при этом суммарный объем крайних камер глушителя, с соотношением объемов 3 : 2, равен объему его центральной камеры, и сами крайние камеры выполнены в виде концентричных резонаторов, целенаправленно настроенных на частоты резонансных передач основной камеры на четвертой продольной, фиг. 6, и второй радиальной, фиг. 8, низших собственных резонансных модах колебаний газового объема центральной камеры 7.

Работает глушитель обычным образом.

Выхлопные газы по входному патрубку 9 поступают через свободный срез 14 в центральную камеру 7 глушителя и, вследствие внезапного расширения акустического волновода, определяемого соотношением проходных сечений патрубка 9 и камеры 7 частично отражаются обратно к источнику излучения (выпускному клапану), а частично передаются к свободному срезу 13 выходного патрубка 10, и, вследствие внезапного сужения проходного сечения акустического волновода, определяемого аналогичным соотношением проходных сечений камеры 7 и патрубка 10, аналогичным образом частично отражаются в сторону источника излучения и частично выводятся из камеры глушителя по патрубку 10 в атмосферу.

В процессе непрерывных отражений звуковых волн образующиеся обратные волны взаимодействуют с прямыми, вследствие противофазных наложений частично компенсируются в зонах резких изменений проходных сечений волновода и, соответственно, резкого изменения акустического сопротивления волновода и фрикционных потерь возникают также необратимые преобразования звуковой энергии в тепловую с соответствующим ослаблением передаваемой в окружающую среду звуковой энергии от системы выхлопа ДВС.

Звуковая энергия, транслируемая по газоводным патрубкам 9 и 10 глушителя в зонах перфорированных участков 11 и 12 претерпевает резонансное ослабление на отдельных частотных диапазонах, на которые настроена соответствующая акустическая камера 6 или 8.

В этом случае кольцевая масса газа, сосредоточенная вокруг патрубка, играет роль упругого элемента (пружины), а масса газа, сосредоточенная в отверстиях перфорации, играет роль колеблющейся массы на этой пружине.

В результате акустического резонанса (короткого акустического замыкания) на заданной частоте колебаний, амплитуда этих колебаний массы газа в горлышках перфорированных отверстий становится большой, фаза колебаний является противоположной фазе прямых и обратных волн этой же частоты, транслируемой по газоводу и вследствие существенного трения большеамплитудных колебаний о стенки перфорированных отверстий акустическая энергия преобразовывается в тепловую и таким образом происходит общее ослабление звуковой энергии в заданном (настроенном) частотном диапазоне.

При этом динамический срез 14 входного патрубка не возбуждает в центральной камере 7 глушителя наиболее энергоемкую первую, фиг. 3, собственную резонансную продольную моду колебаний объема камеры 7, поскольку он размещен в узловой зоне (со значением модуля давления около нуля) звукового давления на этой форме колебаний. Это относится и ко всем нечетным более высокочастотным аналогичным модам, см. фиг. 5. Одновременно с этим, возбужденная в камере 7 вторая продольная собственная мода, фиг. 4, не передается выходным патрубком 10 из камеры 7 в атмосферу, поскольку динамический срез 13 выходного патрубка 10 размещен в узле (нулевом значении звукового давления) этой формы колебаний. Возбужденная в центральной камере 7 четвертая продольная, фиг. 6, собственная резонансная форма колебаний подавляется настроенным на частоту рассматриваемой моды концентричных резонатором, образованным кольцевым объемом камеры 6 и отверстиями перфорации участка 11, в которых (отверстиях) в результате интенсивных резонансных колебаний звуковой волны значительная часть звуковой энергии преобразуется в тепловую. Совершенно аналогичный механизм подавления второй низшей радиальной собственной моды колебаний, фиг. 8, реализован концентричным резонатором, образованным кольцевым объемом выходной камеры 8 и отверстиями участка перфорации 12 и настроенным на доминирующую частоту этой моды. Что касается первой радиальной собственной моды, фиг. 7, то она не возбуждается в силу того, что ось выходного патрубка 10 проходит через центр тяжести объема центральной камеры 7, т.е. находится в узле колебаний этой моды.

Выполнение камер различных объемов в сочетании 0,30,05 : 0,50,05 : 0,20,05 позволяет избежать резонансных совпадений, более просто осуществлять настройку камер применением однотипной перфорации, расширить полосу заглушения шума.

Таким образом, за счет обеспечения более оптимальных, с точки зрения акустики, геометрических параметров элементов глушителя, достигается повышение его акустической эффективности.

В сравнении с прототипом заявляемый глушитель шума выхлопа имеет более широкий частотный диапазон и уровень заглушения и, следовательно, большую акустическую эффективность. Ожидаемый дополнительный эффект от использования предлагаемого глушителя в системе выпуска отработавших газов автомобилей ВАЗ взамен штатного (серийного) дополнительного глушителя составляет не менее 3 дБА.

Формула изобретения

1. Глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания, содержащий цилиндрический корпус с торцевыми стенками, в котором посредством поперечных перегородок образованы три камеры: входная, центральная и выходная, соосные входной и выходной патрубки, гидравлически подключенные к входной и выходной камерам посредством перфорированных участков и свободные срезы которых размещены в центральной камере, причем свободный динамический срез выходного патрубка размещен в узловой зоне второй низшей собственной продольной моды колебаний газового объема, заключенного в центральной камере, отличающийся тем, что свободный динамический срез входного патрубка размещен в узловой зоне первой низшей собственной продольной моды колебаний газового объема, заключенного в центральной камере, при этом суммарный объем крайних камер глушителя равен объему его центральной камеры, а сами крайние камеры выполнены в виде концентричных резонаторов, настроенных на подавление частот резонансных передач шума основной камеры на четвертой продольной и второй радиальной низших собственных резонансных мод колебаний газового объема центральной камеры.

2. Глушитель по п.1, отличающийся тем, что соотношение объемов входной, центральной и выходной камер соответственно составляет 0,3 0,05 : 0,5 0,05 : 0,2 0,05.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 20.10.2006        БИ: 29/2006