Глушитель шума двигателя внутреннего сгорания

 

Использование: в двигателях внутреннего сгорания для снижения уровня шума выпуска отработавших газов. Сущность изобретения: глушитель шума содержит корпус, установленный вертикально с впускным и выпускным патрубками, поперечные перфорированные перегородки, причем патрубки частично размещены в корпусе и их внутренние части выполнены перфорированными, а торцы патрубков заглушены и закреплены на перегородках с образованием впускной, промежуточной и выпускной камер. По ходу движения газового потока диаметры отверстий уменьшаются, а количество их увеличивается. Значение диаметров отверстий перфорации и их количество связаны между собой определенными соотношениями, причем диаметр отверстий и площадь проходных сечений перфорированных перегородок связаны соотношениями с диаметром впускного патрубка. Использование соотношений с коэффициентами 1,272, 1,618 и 2,618 обусловливает достижение одинаковой пропускной способности перегородок. 1 ил.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в системе выпуска отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.

Известен глушитель шума для двигателя внутреннего сгорания, состоящий из корпуса овальной формы, поперечных, частично перфорированных перегородок, соосного перфорированного резонатора с завихрителями и конусной насадкой, при этом резонатор выполнен в виде двух соосных труб, закрепленных в поперечных перегородках [1] Однако эффективность работы такого глушителя является невысокой по той причине, что параметры перфорации соосных труб и поперечных перегородок не связаны между собой и размерами впускного патрубка, определенными соотношениями.

Известен также глушитель шума для двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с соосными впускным и выпускным патрубками и поперечные перфорированные перегородки, причем впускной и выпускной патрубки частично размещены в корпусе и выполнены перфорированными, а их торцы сопряжены с поперечными перегородками [2] Эффективность работы такого устройства несколько повышается за счет более полной перфорации поперечных перегородок, однако в целом здесь также имеет место невысокая степень заглушения шума по той причине, что параметры перфорации впускного, выпускного патрубков и поперечных перегородок не связаны между собой и с размерами впускного патрубка определенными соотношениями.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному результату к изобретению является глушитель шума двигателя внутреннего сгорания, содержащий цилиндрический корпус с соосными впускным и выпускным патрубками, и по меньшей мере две поперечные перфорированные перегородки, разделяющие корпус на расширительные камеры, причем перегородки выполнены с диаметром отверстий перфорации уменьшающимся, а количество отверстия увеличивающимся в сторону выпускного патрубка, при этом диаметры отверстий перфорации перегородок связаны соотношением d_n=1,618 d_n+1, где d диаметр отверстия перфорации; n порядковый номер перегородки, считая от впускного патрубка; 1,618 коэффициент пропорциональности, а количество отверстий перфорации перегородок определено зависимостью Z_n= где прямые скобки обозначают целую часть числа; Z количество отверстий перфорации; 2,618 коэффициент пропорциональности [3] Эффективность шумоглушения такой конструкции повышается за счет достижения одинаковой пропускной способности перфорации поперечных перегородок. Однако параметры перфорации перегородок здесь не связаны с диаметром впускного патрубка определенными соотношениями. Это не позволяет достаточно точно рассчитать параметры перфорации внутренних элементов и получить, тем самым, наибольшую эффективность шумоглушения.

Техническая задача изобретения повышение эффективности шумоглушения.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом глушителе шума двигателя внутреннего сгорания впускной и выпускной патрубки частично размещены в корпусе, выполнены перфорированными и их торцы соответственно сопряжены с поперечными перегородками, при этом площадь проходных сечений перфорации патрубков равна площади проходных сечений перфорации перегородок и ее величина определена по формуле
F1= d_в.п.², (1) где F₁ площадь проходного сечения перфорации впускного патрубка;
d_в.п. диаметр впускного патрубка, при этом диаметр отверстий перфорации впускного патрубка определен по уравнению
d₁= d_в.п (2) где d₁ диаметр отверстий перфорации впускного патрубка;
Z₁ количество отверстий перфорации впускного патрубка;
1,272 коэффициент пропорциональности.

Частичное размещение патрубков в корпусе, выполнение их перфорированными и сопряжение их торцов соответственно с поперечными перегородками позволяет повысить степень перфорации внутренних элементов глушителя шума, начиная от входа газов в корпус, и одновременно изменить направление движения газового потока на входе и выходе и тем самым повысить эффективность шумоглушения. Такую конструктивную схему целесообразно использовать в глушителях шума для дизельных двигателей, так как в них, как правило, имеет место изменение направления движения потока отработавших газов одновременно с его дроблением на более мелкие струи.

Равенство площадей проходных сечений перфораций впускного и выпускного патрубков и поперечных перегородок между собой позволяет получить одинаковую пропускную способность всех внутренних перфорированных элементов и стабилизировать движение отработавших газов, а следовательно, повысить эффективность заглушения шума.

Определение площади проходного сечения перфорации впускного патрубка, а следовательно, и всех остальных перфорированных элементов, по формуле (1) позволяет увязать ее размер в зависимости от площади поперечного сечения впускного патрубка, а, значит, и объема цилиндров двигателя, что обуславливает также стабильное течение газового потока через все внутренние перфорированные элементы глушителя и повышение эффективности работы.

Определение размера диаметра отверстий перфорации впускного патрубка по формуле (2) позволяет получить одинаковую площадь проходных сечений внутренних элементов в зависимости от диаметра впускного патрубка, что также обуславливает стабильное движение газового потока на входе и выходе и повышение эффективности шумоглушения.

Если площадь проходных сечений перфорации всех внутренних элементов не будет одинаковой, а разной, например площадь проходного сечения впускного патрубка будет больше или меньше остальных элементов, то в этом случае будет иметь место нарушение стабилизации движения газового потока за счет изменения величины местного аэродинамического сопротивления. Следовательно, эффективность работы глушителя снизится.

Принимать F<d<SUB>в.п.2 не конструктивно, так как проходное сечение перфорации должно быть больше площади поперечного сечения впускного патрубка с учетом потерь на местные сопротивления, неравномерное течение газового потока, его пульсирующий характер, отложение сажи. При этом усложняется формула (1) и методика расчета глушителей.

Принимать F₁>d_в.п.² нецелесообразно по той причине, что в этом случае будут завышены размеры внутренних элементов конструкции и корпуса в целом и опять же усложняется формула (1) и методика расчета глушителей.

Только строгое соблюдение всех отличительных признаков (во всей полноте указанной взаимосвязи) позволяет получить высокую эффективность заглушения шума выпуска.

Сущность изобретение поясняется чертежом.

Глушитель шума содержит корпус 1, установленный вертикально с соосными впускным 2 и выпускным 3 патрубками, поперечные перфорированные перегородки 4 и 5, причем патрубки 2 и 3 частично размещены в корпусе и их внутренние части выполнен перфорированными, при этом торцы патрубков заглушены и сопряжены соответственно с поперечными перегородками 4 и 5 с образованием впускной камеры 6, промежуточной камеры 7 и выпускной камеры 8. Перфорация на внутренних частях патрубков 2 и 3 и на поперечных перегородках 4 и 5 выполнена в виде круглых отверстий, при этом по ходу движения газового потока диаметры отверстий уменьшаются, а их количество увеличивается.

Площадь проходных сечений перфорации патрубков 2 и 3 и перегородок 4 и 5 выполнена одинаковой и определяется по формуле
F₁=d_в.п.², где F₁ площадь проходного сечения перфорации впускного патрубка 2;
d_в.п. диаметра впускного патрубка.

Диаметры отверстий перфорации перегородок определяется по формуле
d_n= 1,618 d_n+1, где n порядковый номер перфорированной перегородки, считая от впускного патрубка 2;
d_n диаметр отверстий перфорации n-ой перегородки;
1,618 коэффициент пропорциональности.

Количество отверстий перфорации перегородок определяется по формуле
Z_n= где прямые скобки обозначают целую часть числа;
Z_n количество отверстий перфорации n-ой перегородки;
2,618 коэффициент пропорциональности.

Диаметр отверстий перфорации впускного патрубка определяется по формуле
d₁= d_в.п где d₁ диаметр отверстий перфорации впускного патрубка;
Z₁ количество отверстий перфорации впускного патрубка;
1,272 коэффициент пропорциональности.

Количество отверстий перфорации впускного патрубка принимается равным одному из чисел ряда Фибоначчи, начиная, например, с 13 или 21, или 34 и т. д.

Глушитель работает следующим образом.

Отработавшие газы через отверстия перфорации впускного патрубка 2 попадают во впускную камеру 6, а затем через перфорированную перегородку 4 в промежуточную камеру 7. В камере 7 происходит выравнивание статического давления газового потока (за счет уменьшения динамического напора) и его повышение, которое затем затрачивается на преодоление последующего аэродинамического сопротивления при прохождении газов через перфорацию перегородки 5.

Из камеры 7 отработавшие газы через перфорированную перегородку 5 проходят в выпускную камеру 8 и далее через перфорированный участок выпускного патрубка 3 выбрасываются в окружающую среду. Так как площади проходных сечений перфорации впускного патрубка 2, перегородки 4, перегородки 5 и выпускного патрубка 3 равны между собой, то это обстоятельство обеспечивает стабильное течение газового потока, постепенное снижение его скорости и уменьшение уровня шума. Одновременно происходит изменение направления движения газов и постепенное дробление газового потока на все более мелкие струи, так диаметры отверстий по ходу движения отработавших газов уменьшаются, а их количество увеличивается. Это также способствует постепенному, плавному торможению газового потока и снижению уровня шума, что особенно важно для дизельных двигателей.

Площадь проходных сечений перфорации внутренних элементов, определяемая по формуле (1), больше площади поперечного сечения впускного патрубка. Это сделано для того, чтобы увеличением площади проходных сечений частично компенсировать дополнительные местные сопротивления при движении газового потока через перфорации впускного патрубка 2, перегородок 4 и 5 и выпускного патрубка 3, тем более, что не все отверстия перфораций работают с одинаковой эффективностью.

Это способствует стабилизации движения газового потока и повышает эффективность работы устройства. Этот положительный эффект усиливается дополнительно еще и тем, что перфорации на всех внутренних элементах глушителя выполнены в виде круглых отверстий, что также стабилизирует движение отработавших газов,
Использование формул (1) и (2) для расчета параметров перфорации впускного патрубка 2 позволяет определить ее величину в зависимости от диаметра впускного патрубка, а следовательно, от объема цилиндров двигателя внутреннего сгорания.

А теперь необходимо дать пояснения к формуле (1). Эта формула получена, исходя из следующих рассуждений.

Площадь проходного сечения перфорации впускного патрубка, а следовательно, и всех других внутренних элементов, должна быть несколько больше площади поперечного сечения впускного патрубка. С учетом отложения сажи, неодинаковой эффективности работы отверстий перфорации, неравномерного течения газового потока в поперечном его сечении, наличия поворотов, пульсаций и др. целесообразно принять площадь перфорации впускного патрубка больше площади его поперечного сечения, а именно:
F₁= 1,272 f_в.п. где F₁ площадь проходного сечения перфорации впускного патрубка;
f_в.п. площадь поперечного сечения впускного патрубка;
1,272 коэффициент пропорциональности.

F₁= 1,272 где d_в.п. диаметр впускного патрубка, зависит от литровой мощности двигателя внутреннего сгорания.

С другой стороны 1,272= . где 1,618 значение золотой пропорции (см. Васютинский Н. А.

Золотая пропорция. М. Молодая Гвардия, 1990. 238 с.).

В то же время известна связь золотой пропорции с числом

Тогда получается
F₁= 1,272f_в.п= 1,272 d²_в.п= d²_в.п, т.е. F₁= d²_в.п
С другой стороны
F₁= Z₁ где d₁ диаметр отверстий перфорации впускного патрубка;
z₁ количество отверстий перфорации впускного патрубка.

Или
Z₁= d²_в.п; d²_т d²_в.п
Окончательно имеем
d₁= d_в.п Во всех формулах коэффициенты пропорциональности связаны между собой определенной зависимостью через значение золотой пропорции
т. е.

1,272
1,618= ;
2,618= ()².

Понятие золотой пропорции вытекает из важнейшего свойства чисел Фибоначчи.

m 1,618 где a_n числа Фибончачи.

Напомним, что ряд чисел Фибончачи имеет вид:1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89. и т. д.

Значит
m 1,618
Количество отверстий перфорации ми принимаем равным одному из чисел ряда Фибоначчи.

Таким образом, параметры перфорации всех внутренних элементов глушителя (впускной патрубок, две перегородки и выпускной патрубок) определяют по единой методике с использованием чисел Фибоначчи и золотой пропорции, причем одновременно увязывают их с размерами диаметра впускного патрубка, а следовательно, с объемом цилиндров двигателя внутреннего сгорания.

П р и м е р А. Диаметр впускного патрубка d_в.п.=90 мм, проходное сечение впускного патрубка F₁=d_в.п.²=8 100 мм².

1. Расчет впускного патрубка. Принимаем z₁=34.

Тогда
d₁= d_в.п 90 17,40 мм Проверка
F₁= Z₁= 34 8088,0 мм² В результате 8100 8088
2. Расчет первой перфорированной поперечной перегородки:
Принимаем
d₂= 10,75 мм
Z₂=2,618 Z₁|89 Проверка
F₂= Z₂= 89 8080,04 мм² В результате 8088 8080,04
3. Расчет второй перфорированной поперечной перегородки
d₃= 6,64 мм
Z₃=2-618 X₂233
Проверка
F₃= Z₃= 233 8064,20 мм² В результате 8080 8064,20
4. Расчет выпускного патрубка
Z₄=2,618 Z₃|610
d₄= d_в.п 90 4,10 мм Проверка
F₄= Z₄= 610 8064,62 мм В результате 8080 8064,62 Вывод: F₁ F₂ F₃ F₄ const, что и требовалось доказать.

Принимать F₁<1,272 f_в.п., например, F₁=1,1 d_в.п.². нецелесообразно из конструктивных соображений.

Принимать F₁>1,272 f_в.п. например, F₁=1,5 d_в.п.², также не имеет смысла, так как в этом случае получаются завышенные размеры всех внутренних элементов и, соответственно, корпуса глушителя шума.

С другой стороны, значение коэффициента пропорциональности, равное 1,272= , отвечает требованиям международного стандарта на предпочтительные числа и ГОСТ 8032-56, которым установлены четыpе ряда предпочтительных чисел, обозначаемых R5; R10; R20 и R40 (Харламов С. В. Конструирование технологических машин пищевых производств: Учебн. пособ. для вузов. Л. Машиностроение, 1979. 224 с.).

Для этих размеров характерно, что знаменатель геометрической прогрессии q равен соответственно 1,6; 1,25; 1,12 и 1,06 или более точно:
для R 5 q=1,618=
для R10 q 1,272
для R20 q 1,127
для R40 q 1,065
Таким образом, расчет внутренних элементов глушителя предлагается выполнять на основе действующих международных стандартов. Здесь возможна унификация глушителей для разных типоразмеров двигателей внутреннего сгорания.

Принимать d₁ d_в.п нельзя, так как это противоpечит законам математики.

Только выполнение всех отличительных признаков, расчет параметров перфорации впускного патрубка по формулам (1) и (2) позволяют рассчитать устройство с наибольшей эффективностью шумоглушения особенно для дизельных двигателей.

Данная конструкция позволяет повысить эффективность работы устройства, а также унифицировать глушители для всего типоразмерного ряда двигателей внутреннего сгорания.

Формула изобретения

ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий цилиндрический корпус с соосными впускным и выпускным патрубками и по меньшей мере две поперечные перфорированные перегородки, разделяющие корпус на расширительные камеры, причем перегородки выполнены с диаметром отверстий перфорации уменьшающимся, а количество отверстий - увеличивающимся в сторону выпускного патрубка, а диаметры d_п отверстий перфорации перегородок связаны соотношением
d_п = 1,618 d_n+1,
где n - порядковый номер перегородки, начиная со стороны впускного патрубка;
1,618 - коэффициент пропорциональности,
а количество Z_п отверстий перфорации перегородок определено зависимостью

где прямые скобки обозначают целую часть числа;
2,618 - коэффициент пропорциональности,
отличающийся тем, что впускной и выпускной патрубки частично размещены в корпусе и выполнены перфорированными, а их торцы соответственно расположены на поперечных перегородках, причем площадь проходных сечений перфорации патрубков равна площади проходных сечений перфорации перегородок и ее величина определена зависимостью
F₁= d²_в.п.,
где F₁ - площадь проходного сечения перфорации впускного патрубка;
d_в.п. - диаметр впускного патрубка,
диаметр d₁ отверстий перфорации впускного патрубка выполнен в соответствии с соотношением

где Z₁ - количество отверстий перфорации впускного патрубка;
1,272 - коэффициен пропорциональности.

РИСУНКИ

Рисунок 1