Глушитель

Полезная модель «Глушитель регулируемой мощности ДВС» относится, главным образом, к атомотостроению и может быть применено на мощных судовых или авиа ДВС, где имеет место относительно большие потери мощности в глушителе.

Сущность полезной модели заключается в том, что в ней гашение выхлопной энергии потока совмещено с сохранением его инерционных свойств, которые способствуют быстрейшей очистки цилиндра от отработанных газов в цикле «ВЫХЛОП» и улучшают качество наполнения рабочей смеси. Конструкция глушителя выполнена таким образом, что создаваемый на ее рабочей поверхности двухсторонний пограничный слой не только плавно и по всему объему отбирает энергию и скорость у выхлопного потока, но и не позволяет потоку дробиться на традиционных лабиринтных перегородках, которые сами являются источником шума. Благодаря этой новой для глушителей физике организованного потока, наряду с резким снижением аэродинамического шума до уровня разговорной речи, глушитель обеспечивает снижение потерь мощности двигателя на шумоглушение практически до нуля. При этом, глушителю придана управляющая функция, которая обеспечивает, в зависимости от эксплуатационных условий, реализацию минимальных потерь двигателя на шумоглушение при допустимых уровнях шума, либо максимальное шумоглушение при приемлемых потерях мощности двигателя.

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в глушителях шума выхлопа двигателей внутреннего сгорания. Известен глушитель шума по патенту RU 2223407 от 10.02.2004, Бюл.4, содержащий корпус, выполненный из одного листа, свернутого в виде спирали так, что между витками имеется зазор, кромки листа загнута к центральному отверстию и соединены с образованием замкнутого межвиткового пространства, а внешний виток или соединен с поверхностью предыдущего витка и имеет отверстие, или край внешнего витка находится в свободном состоянии, а на центральном отверстии установлена заглушка (Фиг.1).

Кроме того, кромки могут быть загнуты на всю длину листа или часть ее. Кромки листа также могут быть соединены между собой или с поверхностью листа.

Изготовление данного устройства сопровождается чрезмерными трудозатратами, по сравнению с серийно применяемыми глушителями, что не нашло применения в промышленности и приведено в качестве аналога. Конструкция не предусматривает снижения потерь мощности двигателя в глушителе за счет снижения противодавления выхлопу в выхлопной струе. Также не предусмотрено и устранение эксплуатационных трудностей, связанных с сажеобразованием внутри лабиринтных полостей при дроблении выхлопного потока.

Известен патент «Глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания» RU 2191903 от 27.10.2002, Бюл.30 (Фиг.2). Глушитель содержит корпус с входным тангенциальным патрубком и выходным патрубком, установленные коаксиально в корпусе, по меньшей мере две оболочки, которые вместе с корпусом образуют в направление от оси к корпусу входную промежуточную и выходную камеры, полости которых соединены последовательно между собой отверстиями в оболочках. Соответственно соединены полости входного и выходного патрубка. Корпус выполнен в форме улитки. Изготовление данного устройства сопровождается чрезмерными трудозатратами, по сравнению с серийно применяемыми глушителями, что не находит применения в промышленности и приведено в качестве аналога.

Известен патент «Глушитель шума» RU 61350 от 27.02.2007, Глушитель содержит цилиндрический корпус с торцовыми стенками, в котором по средствам поперечных перегородок образовано 3 камеры:

входная, центральная и выходная, соосные, частично перфорированные по длине во входной и выходной камере, соответственно входной и выходной патрубки, свободные срезы которых размещены в центральной камере, причем свободный динамический срез входного патрубка размещен в срединной плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса глушителя при соответствующем соотношении объемов входной, центральной и выходной камер. Срез выходного патрубка может быть крестообразно сплющенным. Изготовление данного устройства сопровождается чрезмерными трудозатратами, по сравнению с серийно применяемыми глушителями, что не находит применения в промышленности и приведено в качестве аналога.

Наиболее близким по технической сути является устройство принятое нами за прототип по патенту RU 2241127 от 27.11.2004 г. Бюл.33 «Глушитель шума ДВС». Глушитель содержит приемную трубу и корпус, выполненный из листа материала, имеющего впадины и свернутого в виде спирали. На поверхности листа корпуса со стороны впадин размещен и закреплен термостойкий пористый шумопоглощающий материал. Впадины и пористый шумопоглощающий материал образуют закрытые полости, которые эффективно поглощают звуковую энергию. Закрытые полости также созданы в глухих торцах приемной и выпускной труб (Фиг.3).

Указанное техническое решение, действительно, предусматривает эффективное дробление выхлопной струи для обеспечения шумоглушения при работе ДВС (двигателя внутреннего сгорания) и отличается относительной простотой изготовления. Недостатком данного глушителя является прерывистая потеря кинетической энергии выхлопной струи и, в связи с этим, создание противодавления при прохождении струи через секции и поры шумопоглощающего материала глушителя, т.е. в итоге потеря мощности двигателя. Кроме того сохраняется определенная трудность при эксплуатации, так как выхлопные газы содержат по весу более половины сажеобразующих веществ, которые, проходя через поры конструкции закоксовывают их. Со временем, эти участки становятся концентраторами наростов приводящих к уменьшению рабочих проходных сечений и к уменьшению срока эксплуатации, т.е. итоговому удорожанию продукции. При этом, спиральная внутренняя конструкция, выполняет продавливание выходного потока, а не его вытяжку за счет вязкоинерционных возможностей не раздробленной выхлопной струи, начало которой от выпускного клапана ДВС.

Задача, на решение которой направлена полезная модель, является регулируемое снижение потерь мощности двигателя в глушителе и эффективное шумоглушение. Эта задача имеет важное народнохозяйственное значение, так как потери паспортной мощности двигателя (ДВС) достигают 25-30% (с ростом мощности потери растут), т.е. счет идет на млн. т.топлива в год. Поэтому при изменении условий эксплуатации ДВС, целесообразно менять и условия работы глушителя, т.е. делать его рабочие характеристики управляемыми в зависимости от условий работы двигателя и условий эксплуатации, например город-загород.

Техническим результатом, достигаемым заявленной полезной моделью является создание регулируемой непрерывной выхлопной струи, отбор энергии у которой совершает вязкое молекулярное трение в созданных симметричных пограничных слоях вместо динамического сопротивления в традиционных лабиринтных перегородках или в пористых шумопоглощающих материалах. Благодаря уменьшению противодавления выхлопу газов, за счет использования кинетической энергии вязко-инерционных свойств не дробленной выхлопной струи, достигается не только снижение противодавления в цилиндре в такте «Выхлоп», но и некоторое разрежение в полости выхлопного клапана двигателя. При этом, потери мощности двигателя в глушителе практически уменьшаются до нуля, а шумоглушение достигает минимального порога 30-40 децибел (Дб.) или 10 ^-6-10^-7 Вт/м², что несколько ниже международных требований.

Согласно полезной модели, заявленный технический результат достигается тем, что входной патрубок совмещен с приемной полостью глушителя, многократно превышающей площадь сечения патрубка, и которая плавно сопряжена со спиральным многовитковым корпусом, выполненным из упругого материала, и способным смещаться относительно неподвижных боковин за счет не менее одного регулирующего (управляющего) силового элемента, соединенного с последним витком спирали.

Полезная модель поясняется следующими фигурами чертежей:

Фиг.1 Аналог полезной модели по патенту RU 2223407.

Фиг.2 Аналог полезной модели по патенту RU 2191903.

Фиг.3 Прототип полезной модели по патенту RU 2241127.

Фиг.4 Конструкция глушителя по предмету полезной модели.

Фиг.5 Направление газового потока при прохождении через корпус глушителя

Фиг.6 Фотография глушителя по предмету полезной модели.

Фиг.7 Фотография возможного варианта регулирования межвиткового расстояния корпуса с помощью калиброванной резьбовой стяжки.

Фиг.8 Результаты испытаний глушителя по предмету полезной модели.

Фиг 9 Эпюры пограничных слоев в межвитковой полости

Фиг.10 Величины регулирования минимальной потерей мощности и минимальным уровнем шума в глушителе по предмету полезной модели.

На фиг.6, 7 показаны фотографии глушителя по предмету полезной модели, а на фиг.4, 5 его конструкция. Глушитель состоит из входного патрубка 1, который прикреплен к выхлопному коллектору двигателя. Патрубок 1 выполнен заодно с приемной полостью 2, от которой берет начало спиральный многовитковый корпус 3, выполненный из упругого материала, и который заканчивается в виде выходной межвитковой полости 4. Торцы корпуса 3 выполнены в виде боковин 5. Корпус 3 по своей длине прикреплен, например, сваркой к входному патрубку 1 в зоне полости 2, и к боковинам 5 по скользящей посадке, как показано, например, на фиг.4,- с помощью посадочных втулок 10 и стяжных болтов 11. При этом, левая (установочная) боковина 5 крепится к патрубку 1, например, сваркой 12, а правая, регулировочная, обеспечивает скольжение 13 корпуса 3 по боковинам 5.

Работает глушитель следующим образом (фиг.4, 5) Выхлопной газ 6, имея давление выше атмосферного, устремляется из выхлопного коллектора двигателя во входной патрубок 1. Из патрубка 1 газ 6 проходит в приемную полость 2 с многократно увеличенной площадью выхлопа газа 7, по сравнению с площадью газа. 6 входного патрубка 1 (равного площади патрубка коллектора двигателя). Этим предусматривается резкое уменьшение противодавления по тракту выхода газа 6-8 для снижения потери мощности двигателя в глушителе. Так, например, в отличие от площади выхлопа традиционного глушителя для двигателя мощностью, 70-80 л.с., при диаметре выпускного клапана D=3 см (площадь 7 см²) приемная щелевая полость 2 предлагаемого глушителя (с тем же диаметром патрубка 1 D=3 см) при длине глушителя L=40 см составляет DL=340=120 см, т.е. в 17 раз больше, что позволяет значительно уменьшить противодавление выхлопу 6 при выравнивании его давления с атмосферным. В предлагаемом глушителе реализуется способ потери кинетической энергии струи не за счет динамического торможения внутренними лабиринтными перегородками путем изменения направления внутреннего потока, а за счет трения выходящего потока 7-8 о стенки спиралевидного корпуса 3. Созданные конструкцией корпуса при прохождении газа 7-8 на его стенках вязкие пограничные слои (которые будут смежными с 2-х сторон спиралевидной поверхности) связывают поток своей липкостью при неизменном его направлении вдоль спирали корпуса 3 и плавной потерей скорости (Вид А, фиг 9) В этом случае, вязкая выходная струя 7-8 своей инерционной массой вытягивает отработанный газ из цилиндра в цикле выхлопа. Это вытягивание, в свою очередь, обеспечивает инерционное ускоренное удаление газа, т.е. его отсос на цикле выхлопа, улучшая наполнение цилиндра рабочей смесью практически без потерь на противодавление выхлопа.

Эффективность такого способа торможения выхлопной струи, реализованного в полезной модели, показана на фиг.8. Видно, что потери мощности двигателя в глушителе снижаются до нуля, а уровень шума соответствует мировым стандартам. Однако, минимальные значения уровня шума иди минимальные значения потерь паспортной мощности двигателя (при установке глушителя) одновременно не реализуются и поэтому эти величины оптимизируются в конкретной конструкции глушителя. И конструкция эта жесткая, неизменная. Так, например, при режиме максимальной мощности двигателя (фиг.10), не оптимизированные потери на шумоглушение составляют около 20% мощности двигателя при заданном уровне шума, в то время как при регулируемом процессе глушителя эти потери составляют только 1,5% при увеличении уровня шума на 10 дб. С целью реализации минимальных потерь мощности двигателя или минимального уровня шума глушителя выполненного по предмету полезной модели корпус 3 снабжен регулирующим или управляющим элементом 14 например, стягивающего действия (для создания равномерного усилия на большой длине корпуса 3 возможна установка 2 силовых элементов). При этом, для повышения надежности регулирования корпус выполнен из упругого материала и закреплен по скользящей посадке 13 с боковинами 5. На фиг.5 и фиг.9 показано как при изменении межвиткового расстояния 4 управляющим элементом 14, поток 8 меняет свои параметры и параметры пограничных слоев 9 наружного (_н.) и внутреннего (_вн.) типа. Так, при межвитковом расстоянии Н в одном случае сумма толщин (_вн.) и (_н.) составляет 0,8Н и имеет место наличие свободной струи с толщиной 0,2Н и повышенными значениями переносимой энергии, а в другом сумма толщин (_вн.) и (_н.) составляет 1,5Н и свободная струя отсутствует, уступая место тормозящим пограничным слоям 9. При этом происходит процесс управления параметрами всего газового потока в глушителе, выполненному по предмету полезной модели.

Глушитель, содержащий спиральный многовитковый корпус с боковинами и входным патрубком, отличающийся тем, что входной патрубок совмещен с приемной полостью глушителя, которая плавно совмещена со спиральным многовитковым корпусом, выполненным из упругого материала, и способным смещаться относительно неподвижных боковин за счет не менее одного регулирующего (управляющего) силового элемента, соединенного с последним витком спирали.