CN100447377C - 内燃机排气系统节能消音器 - Google Patents

Abstract

本发明属内燃机领域，特别是其排气系统消音器。本发明要解决内燃机排气系统旧原理消音器如下弊端：(1)排气阻力过大而排气阻力又随使用时间的增加而加大，造成燃烧更加不完全，燃油浪费更大而被裂变成有害物质的量也随使用时间增加而增大。(2)使用寿命短。(3)对已定型的消音器再降低排气噪音十分困难。本发明主要技术特征是：将内燃机所排出的噪音废气通过某种锥形风帽与其角度相等的风锥间的主风块(附图1-1)与分风块(附图1-2)所形成的两个出风面积相等方向相反而又增压的数组出风口，废气噪音出口相撞并在消音器腔内作反方向高速相撞并消音，由于排气流畅，大大降低排气阻力，降低了油耗和排气污染。本发明主要用于内燃机排放系统消音器，也可以用于其他较大噪音排气源的消音。(附图1为风锥与主风块分风块连接后的俯视图)。

Description

内燃机排气系统节能消音器

技术领域

本发明涉及内燃机，特别涉及内燃机排气系统消音器。

背景技术

1、当今国内外内燃机排气系统消音器原理：以内燃机为动力的车船发明百余年来，其排系统发展到今天，国内外全部仍沿用谐振与吸收原理。前者对降低低频噪音，后者对降低高频噪音都取得了较好的效果。一般中高档轿车都采取上述两种原理的组合。上述两种原理前者是将声波向声源反射和增加发音点，利用有孔或狭缝的管子，数个声学元件如断面、突变、挡板、直列或分支的谐振件及内装的连接管迫使排气中每个携带不同音频、不同质量的噪音微粒，按照其复杂的通道去反反复复反射，从而达到消音的目的，同时造成排气不畅，形成较大的排气阻力。而后者吸音原理是声波在经过能排气的内管上的圆孔、狭缝或有狭缝的圆孔后，被吸音材料(如玄武岩棉加不锈钢棉)所吸收而消音，同时又形成了一定的排气阻力。目前世界汽车专家们仍公认上述两种原理是汽车消音器设计的唯一原理，并公认：1利用改革内燃机排气消音器构造试图降低油耗，其排出噪音必然加大；2利用改革内燃机排气消音器构造试图降低噪音必然增大油耗

2、当今国内外内燃机排气系统消音器的缺点。

(1)新装消音器使发动机固有功率平均下降10％：如A、康明斯发动机(美国原装消音器)下降7.4％、B、广州本田2.3VTI-E(含三元催化)下降约15％。C、解放、东风汽油货车下降12.1％D、上海普通桑塔那下降10％。国内汽车保有量已大于2500万辆，按浪费10％燃油，每年每车按0.8万元油费计，仅此每年共损失人民币约200亿元以上。

(2)增大排放污染：汽油车的尾气排放最有害物是HC中的强致癌物质多环芳香烃(苯并芘)，其生成的主要原因是汽油燃烧不完全被裂变所致。

(3)使用寿命短：由于排放的废物堵塞与锈蚀，平均寿命约两年。

(4)固有功率损耗随使用时间而增加：由于其原理的局限性，排气中的未燃油及其热裂物、碳粒与水逐渐在其静止的孔、狭缝、挡板及吸音材料等从粘连到堵塞而形成渐大的排气阻力。使用两年的国产消音器功损高达18-25％，汽修厂随处可见被排放物所憋烂的消音器。

(5)对已定型的消音器在不以损耗功率为代价的情况下再下降1分贝噪音已不可能。

发明内容

(1)本发明要解决的技术问题：

改变旧消音器原理，将旧原理排气噪音微粒声波向声源静态反射，改变成增压分风，动态逆向高速连续碰撞形成呈某角度正负噪音反射从而衰减了噪音，同时大大降低了旧原理声波向声源反射而且还必须通过有孔狭缝的管子、凸缘、凸变断面、挡板等所产生的背压阻力。

本发明原理是将从排气歧管或从三元催化后的连接管中带有不同质量不同音频的噪音微粒通过上园维风帽的(附图2-3)内锥与一个圆锥体(附图2-2)所形成圆锥体环体所形成的空间中安装的主风块(附图1-1)与分风块(附图1-2)，其下角形成两个增压通道，两股出风量相同而出风方向又呈一个交角的两股方向相反的废气从出风口就相撞(如附图1)，相撞后的这两股废气又在空心的消音器(附图2-4)腔内作高速正反螺旋形相撞，这些方向相反的废气好似一捆斜纹布塞满了整个消音器腔内，每条斜纹上都布满了动态的不同音频不同质量的噪音微粒。简言之消音器腔内进行着立体碰撞。不同质量不同音频的噪音微粒在逆向动态碰撞中能量衰减，不同的音频也在碰撞中如正噪声源与负噪声源相遇那样相互反射而消音，同时排气相当流畅，大大降低了排气阻力，所有的燃烧后的微粒及水及未能燃烧的油完全彻底的从消音器下风帽(附图2-6)排出(如附图2)，所以不存在消音器被憋烂，不存在发动机功率随消音器使用时间增加而降低，由于排气阻力大大降低，燃烧更加完全，相对旧原理降低了排放污染，若本发明采用耐低酸不锈钢制造，其使用寿命可以与汽车寿命同步，如果分风口增压比及筒径及筒径内的两个空心半圆干扰管(附图2-5)直径得当以及尾管(附图2-7)直径合适，降低5分贝噪音很易实现。

发明技术方案：

1、将排气歧管或三元催化后的噪声废气通过本发明的分风装置[风帽内锥体与锥体(圆锥、椭圆锥、扁圆锥、多棱体、正方体、长方体、变截面体等)的两锥体间安装的主风块，(如附图1-1)与两个相邻的分风块(附图1-2)所行成两个出风角相反出风口面积相等的两个增压出风口]后，立即相撞，其碰撞余力又在密闭消音器腔内作两条螺角相反的两股废风全立体动态相撞而消音。其排气流畅，大大降低排气阻力。

2、为了提高相反了出风角的两股废风相撞速度，出风口必须增压，由于发动机分汽油柴油两种且发动机本身质量又不尽相同，主机本身噪音各异，再加上即使同发动机由于不同厂家及消音器安装位置又有所不同，所以发明的分风装置出风口增压比不尽相同。一般情况噪声较大的发动机增压比也较大，对仅有一节的大型消音筒在首部与中间安装两级分风装置来消音。

3、为了更好的消除噪音，在两级消音器情况下增压比前小(1/4-1/3排气岐管出风面积)后大(1/6-1/5排气歧管出风面积)两节出风面积之和应大于歧管出风面积的40％，对单节小功率(排气量在1升以下者)出风口面积之和应为20％-30％排气歧管面积。

4、出风口的数量(每组两个)与消音器的节数及直径有关。对较大直径可采用10组，较小直径为3组。即应在3.4.5.6.7.8.9.10组中选择。

5、在主风块与分风块设计上要求与风帽内锥弧及风锥外锥弧精冲其装配位置弧度外，其主风块外弧线设计与分风块外弧线设计上(如附图1)使装配后的风块们所形成的出风口缓慢增压，两逆向出风角大小应相等，两逆向出风角为15度-30度。风锥角为90度时，风锥最大底径为风筒内径减去2倍的两出风角最远的切线交点矩离。

6、消音器总容积(含连接管的及尾管的容积)设计应等于8-12倍发动机排量。

7、为了适当减小排气阻力，风锥角度(与风帽角度相等)应不大于90度，椭圆锥(含扁圆锥等)长轴所对应的风锥角也不大于90度，短轴对应的风锥角应不大于75度，其两锥角过度应匀变。

8、为增加两股高速逆向噪声微粒在消音筒内的撞击，减小共振，增加消音器筒内中心地带撞击量，在每个消音筒空腔的90％长度内对称焊接两半圆空心管增加干扰，其管径应为筒径的1/10左右(对低噪音发动机可以不加)

9、排气尾管垂直截面应为排气歧管内圆面积的75％-85％。

有益效果

1、本发明是将从排气歧管或从三元催化喷出的带有不同质量，不同音频的噪音颗粒仅通过消音器上端的(大型消音器中间另加一组)某角度锥形风帽与同角度风锥中间的主风块与分风块将其噪音微粒适当增压后形成同一出风角而方向相反的数组噪音风，从出风口相撞并在消音筒内立体全方位高速撞后消音，同时由于排气流畅大大降低排气阻力，不但节约燃油，也使旧原理由于排气阻力使部分燃油燃烧不完全而裂变成致癌物质排入大气的量大大降低。

2、从附图2上可清晰看出，模拟的噪音微粒相撞，从风锥上的主风块及分风块的俯视图上(附图1)也可清晰看出喷入由风帽、风锥、风块的噪音先减压后逐步增压(高速磨擦碰撞过程)并逆向出风并在消音筒内做高速逆向相撞。使噪音微粒的能量与噪音音频迅速衰减而消音，从附图2上也可清晰看出排气流畅，排气阻力大大降低。

3、实验证明

A、某踏板摩托车装上发明消音器后怠速增加30％，在室外温度为20度，以50km/h速度试车20分钟，发明消音器尾部可触摸20秒钟。

B、某化油器货车，驻车测试从怠速至3000转/分，分8点测试每点相对平均提高26％的转速；发明消音器的排放测试(HC，CO)相当直排(不装任何消音器)的102％。

C、某2.0升含三元催化中档轿车分别以90km/h、100km/h、110km/h的速度在高速公路上各100km同路况时相比平均节油能力达23.8％，驻车热车30分钟测试尾气排放，原装HC值为18ppm、C0值为0.03％；发明消音器HC值为0-1之间(长期处于0的状态)、C0值为0.01％。

具体实施方式

1、筒径的设计与加工(圆、椭圆、扁圆、多棱体、正方、长方体及变截面体等)

A、在不改变原装消音器的离地间隙，紧固位置的前提下，使筒径总容积(含连接管及尾管容积)满足8-12倍发动机的排量。

B、筒壁厚度：中小功率为1.5mm；大功率2mm：特大功率2.5-3mm厚。

C、材质：普通有缝管，耐弱酸不锈钢有缝管，或板材卷筒缝焊；椭圆、扁圆或其他特别形状消音筒用相应模具热压。

2、风帽的设计与加工

(1)以圆筒为例：风帽就是以一定厚度的一个中空圆锥台，锥底最大直径处应冲出以锥底为直径的高度为约5mm的圆环扣边，(其直径应大于上述筒径1mm)与消音筒装配后焊接(缝焊)。空圆台进风口(附图2-1)直径可与原装消音器连接管内径相同。

(2)材质与厚度与上述1-(B)相同，加工方法也可用高磷钢深冲，也可以落料后用组合机床设备卷成后外缝焊并冲校其内锥度。

3、风锥的设计与加工

(1)以圆锥为例，风锥就是以一定厚度的空心圆锥，其维度与上风帽维角允差小于0.1度。

(2)加工方法：落料，组合机床卷成并在夹具内内焊其缝及冲校外锥度。

(3)材质与厚度与前述的风帽相同，风锥的底径为消音筒内径减去2倍的相撞出风角最远切点距离。

4、主风块与分风块的设计与加工

(1)如附图1即风锥与主风块和分风块连接一起成形的俯视图，先确定出风口的组数再确定其增压比，计算出单个出风面积，根据发明原理的要求使主风块与分风块及风锥装配后(采用夹具在锥体内缝焊)形成突然减压又缓慢增压又形成15度-30度逆向出风角来设计，严格要求主、分风块在风帽与风锥所处置的风帽内孤面与风锥相应的外孤面相吻合，其最大间隙小于0.05mm。

(2)对定型的风锥与主风块与分风块可利用定型尺寸的凹凸摸及其组合机床用相同材质相应厚度的材料一次卷出后再焊内锥缝并用必要模具校正，对中小批量可将主风块分风块用相应板材冲出再用两个沉头螺栓与其所处风锥弧位置紧固。

5、连接管与尾管的设计与加工

按原消音器连接接头(或法兰)设计。尾管可参考原尾管设计。但其垂直截面应为0.75-0.85倍内燃机排气岐管内面积。

6、组装

将进风帽与已组装并校正的风锥与主风块分风块组件配合并点焊分风块下端中间与风帽的内锥面，再将上风帽扣边与消音筒缝焊，再将消音器出风端下风帽缝焊，其出风风帽的出风口应与上述尾管内径相配并焊接，再将上风帽口与原装设计的连接管缝焊。注意：消音筒内应先焊接(点焊)对称的半圆空心干扰棒(低噪声发动机可以不用)。

7、抽验

将发明消音器装在马力实验台上测试各点转速下的功率与油耗，及其各点转速下的污染排放，并与原装消音器相对比。

附图说明

附图1是本发明分风相撞原理设计的核心部分。它由主风块1、分风块2与空心内风维(顶点为A)三者形成一个刚体后的俯视示意图。

附图2是本发明消音器全部加工焊接后的主视示意图。它由连接管(或法兰)1、内空心风锥(顶点为A)与主风块及分风块形成的钢体2、上风锥风帽3、空心消音器4、半圆空心干扰捧5、消音器下风帽6及尾管7所组成。

Claims (1)

1、一种内燃机排气系统的节能消音器，该节能消音器由连接管、内空心风锥与主风块及分风块形成的钢体(2)、上风锥风帽(3)、空心消音筒(4)、半圆空心干扰棒(5)、消音器下风帽(6)以及尾管(7)组成，其特征在于：内空心风锥与上风锥风帽(3)形状相似角度相等，在内空心风锥与上风锥风帽(3)之间安装的主风块与两个相邻的分风块形成两个出风角相反出风口面积相等的增压出风口，将上风锥风帽(3)与已组装并校正的钢体(2)配合并点焊分风块下端中间与上风锥风帽(3)的内锥面，再将上风锥风帽(3)的扣边与空心消音筒(4)缝焊，再将空心消音筒(4)的出风端与消音器下风帽(6)缝焊，消音器下风帽(6)的出风口与尾管(7)内径相配并焊接，再将上风锥风帽(3)与连接管(1)缝焊，空心消音筒(4)内应先焊接对称的半圆空心干扰棒(5)。

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