Автомобильный глушитель
Изобретение относится к устройствам глушения шума выхлопа отработанных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств, а также может быть использовано в стационарных силовых установках, оснащенных ДВС, в других источниках пульсирующих газовых потоков и выпускных трактах.
Технический результат достигается за счет выпуска потока отработанных газов через крестообразные отверстия перфорированной решетки, формирующие размытую волну сжатия в токе газов, поступающих из двигателя, и уменьшения параметров истекающих газов посредством использования каналов с крестообразной формой поперечного сечения. Крестообразное направление движения потока газов уменьшает продольную составляющую вектора скорости и соответственно, скорости истечения газов из выхлопной трубы, уменьшая при этом шум выхлопа. В результате чего снижается температура, давление и происходит уменьшение звукового давления. Размеры, количество и взаимное расположение крестообразных отверстий на поверхности решетки определяются с учетом параметров ДВС.
Положительный эффект от внедрения предлагаемого глушителя состоит в повышении надежности устройства, что делает ДВС более экологически чистыми, при этом сокращается применение дополнительных внешних устройств для глушения шума выхлопа.
Изобретение относится к устройствам глушения шума выхлопа отработанных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) автомобилей, а также может быть использовано в стационарных силовых установках, оснащенных ДВС, в других источниках пульсирующих газовых потоков и выпускных трактах. Изобретение направлено на повышение шумопоглощения резонансных (реактивных) глушителей, применяемых на большинстве отечественных автомобилях.
Известные глушители этого типа действуют по принципу диссипации давления, сложения звуковых волн, их взаимного уничтожения и состоят из корпуса, расширительных камер различной формы, в которых установлены перфорированные решетки с отверстиями. В зависимости от количества, размеров и конфигурации камер, характера перфорирования те или иные частоты звука, возникающие при выпуске отработанных газов, гасятся неэффективно. Связано это с противодавлением потоку газов, выходящих из цилиндров двигателя, создаваемое системой выпуска, что влияет на мощность развиваемую двигателем, топливную экономичность, токсичность выхлопа. Поэтому снижают противодавление за счет использования расширительных камер с различными по форме отверстиями перфорации. Известны глушители, снабженные перфорированными решетками (перегородки, конусами, трубками) различной формы. Отверстия перфорации разделительных перегородок выполняют в виде круга (патент РФ №2223407), щели (патент РФ №2241127), прямоугольного треугольника с ориентацией прямоугольной вершины в сторону внутренней поверхности корпуса глушителя по направлению движения газового потока (патент РФ №2075602). Данные формы перфорации решеток не обеспечивают достаточного заглушения шума вследствие того, что поток отработанных газов, проходя через отверстия перфорации, срывается с кромок, генерируя при этом шум высоких частот, поэтому при работе ДВС на высоких оборотах (5200-5400 об/мин) появляется металлический
звук (высокие частоты шума) и решетки становятся сами источниками значительного вторичного шума. Вследствие этого при эксплуатации автомобиля в условиях циклического изменения напора и температуры выхлопных газов решетки глушителя не долговечны из-за деформаций рабочих элементов, что ухудшает эксплуатационные качества глушителя.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является техническое решение по патенту РФ №2107170, в котором глушитель содержит корпус, внутри которого размещены расширительные секции с решетками, выполненными из пористого (губчатого) металла толщиной 2-20 мм со сквозными порами диаметром 0,5-5,0 мм, при этом диаметр пор каждой последующей решетки меньше предыдущей, а расстояние между решетками составляет 5-50 мм. Выхлопные газы, проходя через перфорированную решетку гасятся внутренней релаксацией в порах металла, при этом энергия потока частично трансформируется в энергию колебательных движений решетки, что приводит к шумопоглощению. Недостатками прототипа является невысокие эксплутационные свойства, связанные с надежностью работы решеток в потоке высокотемпературного выхлопного газа, ограниченные возможности глушения звука выхлопа отработанных газов из-за малой поверхности резонирующей системы, нерегулируемые в процессе изготовления диаметры сквозных пор (отверстий) для прохода газов и вследствие этого невысокая эффективность шумопоглощения, повышения противодавления при уменьшении диаметров пор каждой последующей решетки.
Целью изобретения является улучшения основной характеристики систем глушителей - акустической эффективности, т.е. способности глушителя снизить силу звука (звукового давления), создаваемого потоком отработанных газов. В силу постоянного ужесточения международных норм на внешний шум автомобиля возникает задача уменьшения звука при работе автомобиля с помощью решеток (вставок) в выходной части глушителя.
Технический результат достигается за счет выпуска потока отработанных газов через крестообразные отверстия перфорированной решетки, формирующие размытую волну сжатия в токе газов, поступающих из двигателя и уменьшения параметров истекающих газов посредством использования каналов с крестообразной формой поперечного сечения. Крестообразное направление движения потока газов уменьшает продольную составляющую вектора скорости и соответственно, скорости истечения газов из выхлопной трубы, уменьшая при этом шум выхлопа. В результате чего снижается температура, давление и происходит уменьшение звукового давления, причем, чем интенсивнее снижаются параметры газа, тем эффект акустического воздействия ослабевает. При движении газового потока по внутреннему пространству глушителя происходит его расслоение, а также выравнивание давления по сечению. При движении газа через многочисленную перфорацию решеток глушителя поток разделяется на все более мелкие струи и их аэродинамический шум снижается, что положительно сказывается на общем эффекте заглушения шума выпуска газа. Эффективность работы достигается за счет использования многократного изменения направления движения звуковой волны из крестообразного отверстия и турбулизируемых свойств элементов решетки (рассекателя), при этом происходит снижение уровня звукового давления и газ выбрасывается в атмосферу с пониженным уровнем шума.
Предлагаемый глушитель шума выхлопа ДВС содержит (фиг.1) корпус глушителя 1, расширительные секции 2, перфорированные решетки 3, впускной патрубок 4, выпускной патрубок 5. Новым в предлагаемом устройстве является замена в перфорированной решетке круглых отверстий на отверстия крестообразной формы с общей одинаковой площадью проходного сечения по длине выпускного тракта. Для эффективного уменьшения шума выхлопной системы автомобиля установлено несколько последовательных перфорированных решеток с крестообразными отверстиями в поперечном сечении по выхлопному каналу. Количество и диаметр крестообразных отверстий перфораций выбираются таким образом, чтобы коэффициент перфорации во
всех перегородках оставался постоянным, что позволит получить по всему тракту одинаковую пропускную способность, повысить унификацию внутренних элементов конструкции. Количество перегородок выбирается конструктивно исходя из габаритных размеров глушителя шума определенного типа транспортного средства.
Предлагаемый глушитель работает следующим образом. Поток выхлопных газов поступает в корпус глушителя 1 и затем проходит через перфорированные решетки (вставки) 3 с крестообразными отверстиями. Впускным патрубком 4 глушитель подключен к выхлопному коллектору ДВС, а выпускным патрубком 5 к выхлопной трубе автомобиля. При входе отработанных газов через впускной патрубок 4 происходит изэнтропическое расширение в секции 2 и образуются слабые ударные волны, которые при прохождение через решетку 3 уменьшают свои параметры (давление, скоростной напор) за счет размытия и интерференции газовых потоков, т.е. за счет диссипации энергии в трехмерном потоке и перераспределении масс газа между осями симметрии и вихреобразования при выходе их из каналов крестообразной формы. Поток газов проходя через каждую из последующих решеток ослабевает, что усиливает эффект шумопоглощения. Достигнув последней решетки 3, выхлопные газы приобретают давление близкое к давлению окружающего воздуха и поэтому бесшумно выходят в атмосферу через выпускной патрубок 5.
Установлено экспериментально, что использование крестообразной формы каналов в решетке приводит к диссипации энергии в результате интерференции волн сжатия и разрежения и как следствие, к ослаблению газового потока на 15-30% по величине давления. Полученные результаты указывают на возможность управления структурой и параметрами недорасширенного импульсного газового потока в области дозвуковых чисел Маха и открывают дополнительную возможность управления давлением за выходящей из канала ударной волной с помощью изменения его геометрии. Кромки крестообразного отверстия исключают металлический звук (высокочастотный
шум) при выпуске отработанных газов на высоких оборотах ДВС и глушитель обеспечивает эффективное гашение как на низких частотах звука, так и высокочастотного шума.
Положительный эффект от внедрения предлагаемого глушителя состоит в повышении надежности устройства, что делает ДВС более экологически чистыми, при этом сокращается применение дополнительных внешних устройств для глушения шума выхлопа. Изменение размеров крестообразных отверстий позволяет выбрать оптимальное ослабление потока газа, при этом струя газа из крестообразных отверстий перфораций не попадает напрямую в стенку корпуса глушителя и не возбуждает дополнительный корпусной шум. Глушитель конструируется под конкретный ДВС на основе его стендовых испытаний. Размеры, количество и взаимное расположение крестообразных отверстий на поверхности решетки определяются с учетом параметров ДВС. Возможно выполнение глушителя в виде коаксиальных цилиндров, через крестообразные отверстия перфорации которых проходят выхлопные газы (использование кольцевых решеток), т.е. решетки могут иметь различную форму, способствующую шумополощению. Кроме уменьшения акустического давления улучшаются массово-габаритные характеристики глушителя, т.к. при перфорации крестообразными отверстиями возможно увеличение коэффициента перфорации (отношение площади сквозных отверстий к общей площади решетки) по сравнению с круговой перфорацией при сохранении прочностных свойств решетки. Глушитель является основным шумопоглощающим устройством системы выпуска двигателя и обладает универсальностью, т.к. может использоваться при различных скоростях истечения недорасширенного потока отработанных газов, разнообразных транспортных средств (автомобилей, мотоциклов, мопедов). Таким образом, изобретение повышает акустическую эффективность глушителя, во многом определяющая уровень комфорта автомобиля.
Автомобильный глушитель, содержащий цилиндрический корпус с торцевыми стенками, соосные впускной и выпускной патрубки, внутренние решетки с отверстиями перфорации, отличающийся тем, что перфорация решеток выполнена в виде крестообразных отверстий в поперечном сечении.
