Использование: в устройствах уменьшения шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Сущность изобретения: поток выхлопных газов ДВС в устройстве движется без изменения направления, единой струей и с большей, чем в подводящей трубе, скоростью. Струя проходит последовательно несколько демпфирующих камер, связанных между собой, с выходной трубой и выходным патрубком-диффузором, сужающимся соосно расположенными одиночными соплами. Для более эффективного использования объема устройства объемы его отдельных камер по направлению движения струи могут соотноситься между собой как ряд уменьшающихся чисел. Для снижения потерь на барботаж внутри устройства может быть предусмотрено движение струи в камерах по трубам, которые начинаются раструбами, обеспечивающими контакт струи с объемом каждой трубы только по узкой кольцевой щели на концах каждой трубы. Такое использование энергии выхлопных газов снижает уровень шума, способствует повышению эффективности протекания процессов газообмена, а следовательно, улучшает экономичность ДВС и позволяет уменьшить величину перекрытия органов газораспределения, увеличить продолжительность тактов всасывания и выхлопа, что приводит к дополнительному увеличению мощности и экономичности ДВС 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО СНИЖЕНИЯ ШУМА ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащее корпус, разделенный на ряд камер, входной и выходной патрубки, камеры соединены одна с другой и с выходным патрубком при помощи соосных сужающихся сопл, отличающееся тем, что входной патрубок выполнен с сужающимся выходным соосным соплом, диаметр выходного сечения всех сопл меньше внутреннего диаметра входного патрубка, а сопло выходного патрубка выполнено в виде диффузора со скошенным срезом на выходе.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отношение объема каждой последующей камеры к объему предыдущей камеры по ходу движения потока составляет уменьшающийся ряд чисел геометрической прогрессии или ряд уменьшающихся простых чисел.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что каждые нечетные по ходу движения потока выхлопа камеры снабжены трубками с раструбами на входе, размещенными соосно с соплами и имеющими внутренний диаметр, равный диаметру выходного сечения сопла, а входные и выходные участки труб расположены с образованием кольцевых щелей относительно входа и выхода сопла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для снижения шума выхлопа ДВС.

Известны устройства снижения уровня шума выхлопа ДВС, основанные на многократном дросселировании выхлопных газов и/или изменении направления и скорости их движения. В большинстве случаев это достигается путем пропуска выхлопных газов через ряд преград, дроблением струи газов на большое число малых струй, а также за счет пропуска ее через преграду с малыми отверстиями [1]
Известно устройство снижения шума выхлопа ДВС без изменения направления движения выхлопной струи и без дробления ее на мелкие струи [2]
Наиболее близким к предлагаемому устройству является глушитель шума выхлопа ДВС, имеющий прямоточное движение общей струи, которая последовательно проходит четыре камеры соединенных друг с другом и с выходным патрубком соосно расположенными сужающимися соплами, выходное сечение которых равно сечению подводящего трубопровода [3] Объемы всех четырех камер устройства примерно одинаковы. Подводящая труба через раструб соединяется с первой камерой устройства, составляя с ней одну камеру большего объема.

Недостатком аналога, помимо небольшого числа камер устройства и незначительного изменения их объема по ходу движения струи, является малый скачок изменения сечения струи соответствующая ему малая степень уменьшения скачка давления при переходе струи из камеры в камеру, так как изменение сечений достигается только за счет увеличения площади сечения камер устройства. Все это приводит к тому, что для получения требуемой степени понижения шума выхлопа и соответствующей ему степени уменьшения изменения давления в струе выхлопных газов требуетcя существенное увеличение объема отдельных камер и глушителя в целом.

Задача изобретения состоит в разработке устройства для эффективного понижения шума выхлопа ДВС с обеспечением возможности повышения его мощности и экономичности.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для уменьшения шума выхлопа ДВС, содержащем корпус, разделенный поперечными перегородками на ряд камер, входной и выходной патрубки, камеры между собой, с входным и выходным патрубками связаны соосно расположенными одиночными сужающимися соплами с входным сечением меньше сечения подводящей трубы (входного патрубка).

Относительно медленные изменения давления в выпускном трубопроводе ДВС демпфируются в каждой камере устройства, уменьшаясь по величине и растягиваясь по времени. Степень уменьшения изменения давления тем выше, чем больше объем камеры и отношение поперечных сечений камеры и сопла. В силу поcледнего обcтоятельcтва cтепень уменьшения давления каждой камерой такого устройства значительно больше, чем у аналога. Общая величина уменьшения изменения давления для всего устройства равно произведению величины уменьшения изменения давления в каждой камере.

Фронт резкого изменения давления-разряжения, проходящий через сопло, в таком устройстве также ослабляется в каждой камере примерно во столько раз, во сколько площадь сечения камеры больше площади сечения сопла (12-16 и более раз). Общее ослабление фронта давления-разрежения в устройстве, состоящем из нескольких соединенных последовательно камер, равно произведению величин ослабления в каждой камере. Так ослабление в первых 4-5 камерах устройства прямого фронта давления-разрежения может составить несколько десятков тысяч раз. Таким образом, выбирая размеры устройства и особенно число камер, величина фронта давления-разрежения в предлагаемом устройстве может быть уменьшена до любого требуемого уровня.

Прямые и обратные фронты в пределах объема каждой камеры, многократно отражаясь от противоположных стенок, дают начало колебательным процессам в камере. Учитывая далеко не синусоидальный характер изменения давления в процессе выхлопа, на каких-то частотах вращения ДВС и режимах его работы, могут возникнуть устойчивые объемные резонансные колебательные явления изменения давления в камере. Амплитуда колебаний давления в камере на таких режимах работы ДВС может быть в несколько раз больше величины полуразмаха изменения давления при других режимах работы ДВС.

Для исключения взаимного негативного влияния объемного резонанса отдельных камер между собой и особенно на увеличение амплитуды резонансных колебаний в последней камере объемы отдельных камер, а при измененной по длине устройства величине поперечного сечения камер длины камер, должны относиться между собой как простые числа.

Для наиболее эффективного использования всего объема устройства отношение объема каждой последующей камеры к объему предыдущей (по ходу давления потока камеры) должно составлять уменьшающийся ряд чисел геометрической прогрессии или ряд уменьшающихся простых чисел с мало изменяющейся величиной отношения соседних чисел между собой.

В этом случае следующие числа представляют собой такого рода ряды уменьшающихся простых чисел, отношение отдельных членов которых отличаются друг от друга не более чем на 6%
Ряд 1. Простые числа: 97 41 17 7
Отношение соседних чисел
2,37-2,43 2,37; 2,41, 2,43
Ряд 2. Простые числа: 211 127 77 47 29 19
Отношение соседних чисел
1,53-1,66 1,66 1,65 1,64 1,62 1,53
Ряд 3. Простые числа: 133 97 71 53 41 31 23 17 13
Отношение соседних чисел
1,29-1,37 1,37 1,37 1,34 1,29 1,32 1,35 1,35 1,31
Приведенные ряды простых чисел могут использоваться для определения длин отдельных камер конкретных устройств. При этом может быть рекомендовано применение ряда 1 для устройств с числом камер до 4; ряда 2 для устройств с числом камер 4-6; ряда 3 для устройства с числом камер 6 и более.

Например, 5-камерное устройство с цилиндрическим корпусом общей длиной 400 мм с длинами отдельных камер 170:103:63:39:25 мм будет иметь отношение объемов и длин этих камер как отношение ряда простых чисел 127:77:47:29:19.

Могут быть использованы и другие ряды простых чисел.

Для снижения высокочастотного шума (шипения) вытекающей из устройства в атмосферу с большой скоростью струи газов и уменьшения потерь энергии выходной патрубок имеет расширяющийся по ходу движения струи диффузор с косым срезом, при установке устройства на объект наземного использования ориентированным вниз. Движение струи по диффузору снижает ее скорость и увеличивает давление. Наличие косого среза, ориентированного вниз, производит дополнительное отклонение струи в сторону среза и автоматически выравнивает (в пределах косого среза) давление в струе с давлением атмосферы, что дает дополнительный эффект снижения уровня шума выхлопа ДВС. Применение в качестве выходного патрубка расширяющегося диффузора возвращает струе значительную часть энергии, потраченной в первом по ходу струи сопле на ее разгон, и расширяет возможный диапазон увеличения скорости струи в устройстве вплоть до использования статического давления, существенно меньшего атмосферного.

Ограничение поверхности струи на большей части длины камеры трубой с раструбом на выходе и внутренним диаметром, равным диаметру сопла, уменьшает потери энергии на образование вихрей в камере, барботаж газов, что увеличивает эффективность устройств.

Учитывая высокую эффективность предлагаемого устройства понижения шума выхлопа ДВС, общая величина объема устройства может быть взята по нижней границе рекомендованных значений V г =(1,5- 3,0) V ДВС , т.е. V г =1,5 V ДВС , где V ДВС рабочий объем ДВС.

Именно предлагаемое соотношение размеров отдельных камер, диаметров сопел и наличие диффузора с косым срезом позволяет наиболее эффективно использовать общий объем устройства. Подводящая труба в таких устройствах из-за наличия между ней и первой камерой устройства сопла используется как дополнительная камера, эффективность действия которой не менее эффективности остальных камер устройства.

На фиг. 1 приведен разрез с основными размерами предлагаемого устройства, пригодного для ДВС с рабочим объемом 1,3-1,6 дм 3 ; на фиг. 2 показано то же устройство, в котором струя газов на большей части длины камер заключена в трубу с раструбом на входе и внутренним диаметром, равным диаметру выходного сечения сопла, которая обеспечивает контакт струи с объемом камеры только по узкой кольцевой щели в начале или конце каждой такой трубы.

Устройство снижения шума выхлопа ДВС содержит корпус 1, разделенный на шесть камер 2, объем и длины которых соотносятся между собой как ряд простых чисел: 127:77:47:29:19:13. Камеры между собой, с входным патрубком-диффузором 4 связаны соосно расположенными сужающимися соплами 5. Сопло выходного патрубка переходит в расширяющийся диффузор 6, заканчивающийся открытым в атмосферу косым срезом 7.

В устройстве (фиг. 2) струя газов на большей части длины каждой камеры движется в трубе 8 с раструбом на входе и сообщается с объемом камеры только по кольцевым щелям в начале 9 или конце 10 каждой трубы.

При работе устройства (фиг. 1 и 2) любое увеличение (уменьшение) давления на входе в какую-либо камеру приводит к увеличению (уменьшению) скорости истечения из сопла на входе в камеру. При неизменных в начальный момент величинах давления и скорости струи из сопла на выходе из камеры происходит повышение (снижение) притока газов в камеру над его расходом, а это увеличивает (уменьшает) давление в камере. Величина и характер изменения давления в камере оказываются существенно меньшими по величине и растянутыми по времени по отношению к изменению давления на входе в камеру. Величина изменения давления в струе газов на выходе из сопла последней камеры в таких устройствах может быть сделана сколь угодно малой. В диффузоре выходного патрубка струя газов замедляется, повышается ее давление до атмосферного и происходит спокойное без изменения давления и скорости истечение струи газов в атмосферу.

Общеизвестно, что непрерывное движение струи газов в выхлопной системе способствует улучшению протекания процессов газообмена, повышает экономичность и мощность ДВС.

СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ШУМА СИСТЕМЫ ВЫПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2009 года по МПК F01N1/02

Описание патента на изобретение RU2362892C2

Измерение относится к области транспортного машиностроения, более конкретно — к способам снижения шума отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано для снижения внешнего шума транспортного средства (ТС), например автомобиля.

Известен способ снижения шума отработавших газов ДВС, заключающийся в том, что выпуск отработавших газов осуществляют через глушитель, установленный на трубе системы выпуска, который описан в книге «Контроль шума в промышленности: Предупреждение, снижение и контроль промышленного шума в Англии: Перевод с английского. / Под редакцией Дж.Д.Вебба. — Л., Судостроение, 1981, стр.155». При этом в качестве устройств, осуществляющих способ, используют различные типы глушителей: реактивные, основанные на использовании настроенных на определенные частоты специальных элементов, активные, представляющие собой диссипативные устройства, принцип действия которых состоит в преобразовании акустической энергии в тепловую, и глушители смешанного типа, сочетающие оба принципа действия. Глушители устанавливаются, как правило, на конце выпускной системы (см., например, схемы выпускных систем различных автомобилей, приведенные в книге «Снижение шума автомобиля», авторы: В.Н.Луканин, В.Н.Гудцов, Н.Ф.Бочаров. — М.: Машиностроение, 1981, стр.91, рис.40.). Кроме глушителей в выпускных системах могут дополнительно устанавливаться расширительные камеры и нейтрализаторы.

Известно также, что характер шума выхлопа ДВС является широкополосным (см., например, «Техническая акустика транспортных машин: Справочник / Л.Г.Балишанская, Л.Ф.Дроздова, Н.И.Иванов и др.; Под ред. Н.И.Иванова. — С-Петербург: Политехника, 1992, стр.195»), при этом для низко- и среднечастотных областей спектра шума выпуска характерны дискретные составляющие, пропорциональные частотам следования вспышек топлива, а для области высоких частот — непрерывность спектра. В связи с этим, высокоэффективный глушитель, обеспечивающий нормативные требования по внешнему шуму автомобиля, должен одинаково хорошо снижать шум выпуска в широком диапазоне частот (от 20-30 Гц до 3-4 кГц), что чрезвычайно трудно реализовать в конкретной конструкции глушителя, поскольку к нему предъявляются очень жесткие требования: компактность, низкая себестоимость, долговечность и обеспечение определенной величины гидравлического сопротивления, регламентируемой двигателем. Последнее требование существенно ограничивает выбор возможных конструкций глушителей, в связи с чем разработка эффективного с точки зрения акустики глушителя весьма проблематична. Это и является существенным недостатком известного способа снижения шума системы выпуска ДВС и устройств (глушителей), реализующих способ.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является существенное повышение акустической эффективности известного способа снижения шума системы выпуска без повышения гидравлического сопротивления.

Достигается это тем, что в известном способе снижения шума системы выхлопа ДВС, заключающемся в выпуске отработавших газов через глушитель, устанавливаемый на трубе системы выпуска, согласно изобретению предварительно определяют спектр шума внутри трубы системы выпуска и определяют гармоники частоты следования выхлопов с повышенными уровнями шума в рабочем диапазоне оборотов двигателя, а затем перед глушителем устанавливают по меньшей мере один акустический резонатор с изменяемой резонансной частотой, сообщающийся горловиной с трубой системы выпуска, при этом частоту акустических колебаний резонатора при работе двигателя на любых оборотах рабочего диапазона синхронно настраивают на частоту гармоник следования выхлопов с повышенными уровнями шума.

Суть изобретения поясняется на фиг.1, на котором схематично приведено одно из возможных устройств для реализации заявляемого способа. На фиг.2 — вид I фиг.1 (увеличено).

Система выпуска отработавших газов содержит трубу 1, по которой отработавшие газы подаются от двигателя 2 к глушителю 3. Перед глушителем 3 установлен по меньшей мере один акустический резонатор 4 с изменяемой резонансной частотой, который, в простейшем случае, может быть выполнен в виде резонатора Гельмгольца с изменяемым объемом полости резонатора. Это может быть достигнуто тем, что у резонатора 4 дно 6 выполнено в виде подвижного поршня со штоком 7. Резонатор 4 сообщается своей горловиной 5 с трубой 1. Движение штока 7 показано стрелкой. Благодаря изменению объема резонатора V изменяется его резонансная частота. Со штоком 7 кинематически связан привод 8 (например, электродвигатель), на который по кабелю 9 поступает электрический сигнал с управляющего устройства 10, связанного с датчиком оборотов 11 двигателя 2. Датчик 11 может быть установлен на коленчатом валу двигателя 2 либо на других вращающихся его элементах, частота вращения которых зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя 2.

Резонансная частота резонатора Гельмгольца рассчитывается по формуле

С — скорость звука в газовой среде полости, м/с;

S — площадь горловины резонатора, м 2 ;

V -объем полости резонатора, м 3 ;

d — диаметр горловины резонатора, м;

l — длина горловины резонатора, м.

Из этой формулы видно, что уменьшая объем полости резонатора, его резонансная частота увеличивается (при неизменных значениях S, l, и d), и наоборот, увеличивая объем полости, резонансная частота уменьшается. Этот принцип и положен в основу устройства, осуществляющего реализацию заявляемого способа.

Частота следования вспышек в четырехтактном ДВС, равная частоте выхлопов отработавших газов, вычисляется по формуле

N — число оборотов коленчатого вала двигателя, об/мин;

Z — количество цилиндров в ДВС.

Рассмотрим, для примера, 6-цилиндровый дизельный ДВС с числом оборотов от 900 до 2100 (900 об/мин — частота холостых оборотов, 2100 об/мин — максимальная частота вращения коленчатого вала). Следовательно, основная (первая гармоника) частота следования выхлопов данного двигателя будет расположена в диапазоне 45-105 Гц, вторая гармоника основной частоты расположена в диапазоне 90-210 Гц, третья — в диапазоне 135-315 Гц и т.д. Предположим далее, что при определении спектра шума внутри трубы системы выпуска (при изменении числа оборотов коленчатого вала от 900 до 2100 об/мин) было выявлено, что повышенные уровни шума возникают на частотах 60, 80 и 100 Гц, а также на частотах 240 и 280 Гц. Это означает, что превалирующими в образовании шума выхлопа являются первая и третья гармоники частоты следования выхлопов ДВС (для данного примера). Следовательно, для снижения шума системы выпуска один из резонаторов должен быть настроен на изменение его резонансной частоты в диапазоне 45-105 Гц (первая гармоника), а другой — в диапазоне 135-315 Гц (третья гармоника). Таким образом, при совпадении частот, на которых имеются повышенные уровни шума в системе выпуска, с резонансными частотами резонаторов будет происходить снижение шума системы выпуска. Привод 8 штока 7 синхронно настраивает резонансную частоту резонатора на частоту следования выхлопов ДВС, например, для приведенного выше ДВС при числе оборотов двигателя N=1730 об/мин частота следования выхлопов первой гармоники будет равна 86,5 Гц, и привод 8 обеспечивает такое положение поршня 6, что резонансная часта резонатора при полученном значении объема полости резонатора также равна 86,5 Гц.

Работает устройство следующим образом (см. фиг.1). При работе двигателя 2 отработавшие газы поступают в трубу 1 и далее в глушитель 3. Датчик оборотов 11 двигателя 2 формирует электрический сигнал, пропорциональный числу оборотов, который по кабелю 9 поступает на управляющее устройство 10, которое усиливает его и передает по кабелю 9 на привод 8, кинематически связанный со штоком 7, осуществляющим перемещение поршня 6. При этом при увеличении оборотов двигателя (увеличение частоты следования выхлопов) поршень 6 перемещается вниз, т.е. объем V полости резонатора уменьшается и его резонансная частота увеличивается, а при уменьшении оборотов двигателя 2 (уменьшение частоты следования выхлопов) поршень 6 перемещается вверх, объем V резонатора увеличивается и его резонансная частота уменьшается, соответствуя по величине частоте следования выхлопов двигателя 2 (либо ее гармоникам). Резонатор 4 соединен своей горловиной 5 с полостью трубы 1. При этом резонатор 4, синхронно настраиваемый на частоту следования частоты выхлопов двигателя 2 (либо гармоник), снижает амплитуду акустических колебаний на частоте следования выхлопов во всем рабочем диапазоне оборотов двигателя. Снижение шума резонатором 4 происходит благодаря трению при колебаниях газовой среды в горловине 5 резонатора. Увеличить трение в горловине 5 можно путем установки внутри нее продуваемого материала, например металлической сетки. Таким образом, на вход глушителя 3 поступает шум с пониженным уровнем, который далее снижается непосредственно глушителем 3. Установка резонаторов с изменяемой резонансной частотой не приводит к увеличению гидравлического сопротивления системы выпуска в целом.

Реализация заявляемого способа осуществляется следующим образом. Для конкретного типа двигателя, установленного, например, на автомобиле, предварительно определяют спектр шума внутри трубы системы выпуска. Для этого измеряют звуковое давление внутри трубы перед глушителем с помощью акустического датчика в рабочем диапазоне оборотов двигателя (от холостых оборотов до максимальных) и проводят спектральную обработку информации. После этого по спектру шума определяют гармоники частоты следования выхлопов (например, первую гармонику, вторую и т.д.) с повышенными уровнями шума в рабочем диапазоне оборотов двигателя. Затем перед глушителем устанавливают по меньшей мере один акустический резонатор с изменяемой резонансной частотой, сообщающийся горловиной с трубой системы выпуска, при этом частоту резонансных колебаний резонатора при работе двигателя на любых оборотах рабочего диапазона синхронно настраивают на частоту гармоники следования выхлопов с повышенными уровнями шума. Последовательность действий способа завершена.

По сравнению с известными способами снижения шума систем выпуска ДВС заявляемый способ позволяет эффективно и целенаправленно снижать шум частотных составляющих с повышенным уровнем, не увеличивая гидравлического сопротивления системы выпуска.

По мнению заявителя, предлагаемое техническое решение, обладающее новизной, наличием существенных отличительных признаков и промышленной применимостью, может быть защищено патентом на изобретение.

Похожие патенты RU2362892C2