RU2056507C1

RU2056507C1 - Internal combustion engine exhaust silencer

Info

Publication number: RU2056507C1
Authority: RU
Inventors: Владимир Мефодиевич Задорожный
Original assignee: Владимир Мефодиевич Задорожный
Priority date: 1992-01-31
Filing date: 1992-01-31
Publication date: 1996-03-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines. SUBSTANCE: silencer has cylindrical housing with intake and exhaust branch pipes divided into intake, exhaust and central chambers by circular partitions; end circular partitions are provided with intake and exhaust swirlers directed towards flow. Chamber between partition provided with intake swirler and central partition is connected with exhaust chamber by means of pipe having perforated end. Innovation consists in fitting the silencer with two or more additional swirlers mounted on circular partitions. Last additional swirler is mounted in outlet portion of tube which is perforated before each swirler and is located inside additional swirlers. Each swirler has two and more plates whose form is identical to part of lateral surface of truncated cone; larger base of this cone is connected to circular partition over spiral line and lesser bases are interconnected forming axial passage. Inner surface of cone, inner and outer surfaces of plates and circular partition form radial passage. Swirler mounted in outlet portion of tube may be made in form of bushless swirler. EFFECT: enhanced efficiency in entire range of acoustic noise and reduced hydraulic resistance of silencer. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению. The invention relates to mechanical engineering.

Известен глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания [1] содержащий цилиндрический корпус с впускным и выпускным патрубками, камерами, образованными разделительными перегородками с отверстиями, и по меньшей мере двумя завихрителями, один из которых размещен вблизи впускного патрубка, выполненными в виде направляющих лопаток, ограниченных со стороны впускного патрубка конусной перегородкой, имеющей по меньшей мере два отверстия, выполненные в виде сегментов, а с противоположной стороны перегородкой с центральным отверстием. Отверстия разделительных перегородок выполнены в виде сегментов с краями, отогнутыми в сторону впускного патрубка, а камеры, образованные разделительными перегородками, выполнены с возрастанием их объемов в сторону от впускного патрубка. Known silencer of exhaust noise of an internal combustion engine [1] comprising a cylindrical body with inlet and outlet pipes, chambers formed by dividing walls with openings, and at least two swirlers, one of which is located near the inlet pipe, made in the form of guide vanes, limited to the side of the inlet pipe with a conical partition having at least two holes made in the form of segments, and on the opposite side with a partition with a central hole. The openings of the dividing walls are made in the form of segments with the edges bent towards the inlet pipe, and the chambers formed by the dividing walls are made with increasing volumes to the side of the inlet pipe.

Однако при таком выполнении глушителя не удается устранить шумообразование от импульса давления при выхлопе в самом глушителе. Закрученный поток после впускного завихрителя упирается в перегородку с отверстиями в виде сегментов, что приводит к развалу вихря и рециркуляционной тороидальной зоны, образованию турбулентности. Эти процессы сопровождаются шумообразованием в широком диапазоне звуковых частот, в том числе и с частотой вращения двигателя, и все эти образовавшися акустические шумы необходимо в дальнейшем подавить в глушителе. В глушителе отсутствует сквозой приосевой проход для осевой компоненты потока, суммирующий отсос выхлопных газов завихрителями к выпускному патрубку не позволяет произвести плавное интегрирование импульса давления выхлопа и увеличивает гидравлическое сопротивление глушителя. However, with such a muffler, it is not possible to eliminate noise generation from a pressure pulse during exhaust in the muffler itself. The swirling flow after the inlet swirler abuts against the baffle with openings in the form of segments, which leads to the collapse of the vortex and the recirculation toroidal zone, the formation of turbulence. These processes are accompanied by noise generation in a wide range of sound frequencies, including those with engine speed, and all these acoustic noise generated must be further suppressed in the muffler. There is no through axial passage in the muffler for the axial component of the flow, summing the exhaust exhaust by swirlers to the exhaust pipe does not allow smooth integration of the exhaust pressure pulse and increases the hydraulic resistance of the muffler.

Известен также глушитель шума двигателя внутреннего сгорания [2] содержащий цилиндрический корпус с впускным и выпускным патрубками, разделенный на впускную, выпускную и центральные камеры перегородками, в периферийных отверстиях средней из которых укреплены трубки со скошенными выпускными концами, обращенными скосами к центру камеры, а в крайних перегородках установлены впускной и выпускной щелевые завихрители, обращенные навстречу потоку, камера между перегородкой с впускным завихрителем средней перегородкой соединена с выпускной камерой центральной трубкой, входной конец которой размещен в средней перегородке. При этом отношение площади проходного сечения центральной трубки к сумме проходных сечений периферийных трубок равно 3:7, щелевые завихрители выполнены в виде конуса, периферийные трубки выполнены различной высоты и входной конец центральной трубки перфорирован. Also known is a silencer of the internal combustion engine [2] comprising a cylindrical body with inlet and outlet nozzles, divided into inlet, outlet and central chambers by partitions, in the peripheral openings of the middle of which tubes with beveled exhaust ends are fixed, bevelled towards the center of the chamber, and in inlet and outlet slotted swirlers facing the flow are installed on the extreme partitions; a chamber between the partition with the inlet swirl and the middle partition are connected to the outlet camera central tube, the input end of which is located in the middle partition. In this case, the ratio of the passage area of the central tube to the sum of the passage sections of the peripheral tubes is 3: 7, the slotted swirlers are made in the form of a cone, the peripheral tubes are made of different heights and the inlet end of the central tube is perforated.

Однако при таком выполнении глушителя также не удается устранить шумообразование при выхлопе в самом глушителе. Закрученный поток в конце центральной камеры "упирается" в перегородку со скошенными трубками, что приводит к развалу вихря и рециркуляционной тороидальной зоны, образованию турбулентности. Эти процессы сопровождаются интенсивным шумообразованием в широком диапазоне звуковых частот, в том числе и с частотой вращения двигателя, которые в дальнейшем необходимо заглушить. Кроме того, отсутствие осевой компоненты потока отработанного газа через передний завихритель способствует образованию за этим завихрителем центральной тороидальной рециркуляционной зоны, в разреженное пространство которой в это время отсасывается часть газов из второй центральной камеры, что приводит к пульсации потока в камерах глушителя в момент выхлопа и, в конечном итоге, созданию акустических колебаний на выходе выхлопной трубы с частотой вращения двигателя. However, with such a muffler, it is also not possible to eliminate noise generation during exhaust in the muffler itself. The swirling flow at the end of the central chamber "rests" against the partition with beveled tubes, which leads to the collapse of the vortex and the recirculation toroidal zone, the formation of turbulence. These processes are accompanied by intense noise generation in a wide range of sound frequencies, including those with engine speed, which must be drowned in the future. In addition, the absence of an axial component of the exhaust gas flow through the front swirler contributes to the formation of a central toroidal recirculation zone behind this swirler, into which a part of the gases from the second central chamber is sucked out at that time, which leads to flow pulsation in the silencer chambers at the time of exhaust and ultimately, the creation of acoustic vibrations at the outlet of the exhaust pipe with an engine speed.

Шумоподавитель в форме скошенных трубок не позволяет равномерно ослабить весь акустический диапазон образующихся в таком глушителе и в двигателе шумов. Трубки со скосами и разной высоты совместно с второй центральной камерой представляют собой фазоинверторы, настроенные на вполне определенные частоты в узком диапазоне (за счет скосов), и глушат акустический шум только на этих частотах (оборотах двигателя), т. е. эффективность такого глушитеоя осуществляется приблизительно на 10-15% слышимого диапазона акустических шумов. Трубки со скошенными выпускными концами, обращенными скосами к центру, расширяют на небольшую величину ширины некоторых поглощаемых частот, однако они поворачивают диаграмму направленности трубок в сторону имеющихся щелей в заднем завихрителе, что способствует проникновению звука на выход глушителя. Центральная трубка не производит глушение шума низкой частоты, а наоборот образует и усиливает звук на частотах отрезка с акустического волновода (круглой трубы), заглушенного со стороны входа потока, а открытым концом выходит в выхлопную трубу. Во время развала вихря и образования турбулентности в отверстиях перфорации возникают акустические колебания высокого уровня, которые передаются трубкой на выход глушителя, а те частоты, которые совпадают с собственной частотой трубки, дополнительно усиливаются по амплитуде. The noise suppressor in the form of beveled tubes does not evenly attenuate the entire acoustic range of the noise generated in such a muffler and in the engine. Tubes with bevels and different heights together with the second central chamber are phase inverters tuned to quite specific frequencies in a narrow range (due to bevels), and damp out acoustic noise only at these frequencies (engine speed), i.e., the effectiveness of such jamming is carried out approximately 10-15% of the audible range of acoustic noise. Tubes with beveled exhaust ends facing the center with bevels expand by a small amount of the width of some absorbed frequencies, but they rotate the directional pattern of the tubes in the direction of the existing slots in the rear swirl, which facilitates the penetration of sound to the muffler output. The central tube does not suppress low-frequency noise, but rather forms and amplifies the sound at the frequencies of the segment from the acoustic waveguide (round pipe), which is muffled from the inlet side of the stream, and with its open end goes to the exhaust pipe. During the collapse of the vortex and the formation of turbulence in the perforation holes, high-level acoustic vibrations occur, which are transmitted by the tube to the muffler outlet, and those frequencies that coincide with the tube’s natural frequency are further amplified in amplitude.

Задачей изобретения является увеличение эффективности шумоглушения во всем диапазоне акустических шумов и снижение гидравлического сопротивления глушителя. The objective of the invention is to increase the efficiency of sound attenuation in the entire range of acoustic noise and reduce the hydraulic resistance of the silencer.

Поставленная задача в глушителе шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания, содержащем цилиндрический корпус с впускным и выпускным патрубками, разделенный на впускную, выпускную и центральные камеры кольцевыми перегородками, в крайних из которых установлены впускной и выпускной завихрители, обращенные навстречу потоку, при этом камера между перегородкой с впускным завихрителем и центральной перегородкой соединена с выпускной камерой трубкой с перфорированным входным концом, которая расположена внутри выходного завихрителя, достигается тем, что он снабжен двумя и более дополнительными завихрителями, каждый из которых установлен на кольцевых перегородках, при этом последний дополнительный завихритель установлен в выходной части трубки, которая перед каждым завихрителем перфорирована и расположена внутри дополнительных завихрителей, причем каждый из завихрителей содержит две и более пластины, имеющие форму части боковой поверхности усеченного конуса, большие основания которых присоединены к кольцевой перегородке по спиральным линиям, а меньшие основания соединены между собой и образуют осевой канал, при этом внутренняя поверхность корпуса, внутренние и внешние поверхности пластин и кольцевая перегородка образуют радиальный канал, а завихритель, установленный в выходной части трубки, выполнен в виде безвтулочного завихрителя. The task in the silencer of the exhaust of an internal combustion engine, containing a cylindrical body with inlet and outlet pipes, divided into inlet, outlet and central chambers by annular partitions, in the extreme of which there are inlet and outlet swirls facing the flow, while the chamber between the partition with the inlet swirl and the central baffle is connected to the outlet chamber by a tube with a perforated inlet end, which is located inside the outlet swirl It is believed that it is equipped with two or more additional swirls, each of which is mounted on annular partitions, while the last additional swirl is installed in the outlet part of the tube, which is perforated in front of each swirl and is located inside additional swirls, each of which contains two or more plates having the form of a part of the lateral surface of a truncated cone, large bases of which are attached to the annular partition along spiral lines, and smaller bases are ineny each other and form an axial channel, the inner surface of the housing, the inner and outer surfaces of the plates and form the annular partition groove channel, and a swirler installed at the outlet end of the tube is formed as a swirler bezvtulochnogo.

Размещение в центральных камерах на кольцевых перегородках дополнительных завихрителей, смонтированных на трубке, являющейся втулкой завихрителей, позволяет останавливать вращение радиальной компоненты импульса потока выхлопа после впускного завихрителя и осуществить плавный перевод этого потока во вращательное движение в последующем центральном завихрителе. Это позволяет избавиться от образования аэродинамических шумов, возникающих при остановке вращающегося потока, и развала центральной рециркуляционной тороидальной зоны. Placing additional swirls mounted in the central chambers on the annular partitions mounted on the tube, which is the swirl sleeve, makes it possible to stop the rotation of the radial component of the exhaust flow pulse after the inlet swirl and to smoothly transfer this flow into rotational motion in the subsequent central swirl. This allows you to get rid of the formation of aerodynamic noise that occurs when the rotating flow stops, and the collapse of the central recirculation toroidal zone.

Применение в глушителе впускного, центральных и выпускного завихрителей, имеющих осевую компоновку потока и высокую интенсивность закрутки, позволяет получить глубокое разрежение внутри центральной тороидальной рециркуляционной зоны с давлением ниже атмосферного, что достаточно для "подсасывания" потока назад к выходу трубки. Таким образом, давление импульса выхлопного потока в патрубке и выше навстречу потоку резко уменьшается, что равносильно интегрированию фронта и вершины импульса потока. Обеспечение вращения потока завихрителями после прекращения действия импульса выхлопа позволяет растянуть действие этого импульса в течение всего периода следования этих импульсов и снизить давление в камерах глушителя. The use of inlet, central and exhaust swirls in the silencer, having an axial flow arrangement and high swirl intensity, allows to obtain a deep vacuum inside the central toroidal recirculation zone with a pressure below atmospheric, which is enough to “suck” the flow back to the tube outlet. Thus, the pressure of the exhaust flow pulse in the pipe and higher towards the flow decreases sharply, which is equivalent to the integration of the front and the top of the flow pulse. Ensuring the rotation of the flow by swirlers after the termination of the exhaust pulse allows you to stretch the effect of this pulse throughout the entire period of these pulses and to reduce the pressure in the silencer chambers.

Завихрители потока, выполненные в виде спиральных закручивающих устройств, позволяют поглощать падающую на них энергию акустических колебаний в широком диапазоне частот, резко снизить шумы на выходе глушителя. Закрученные потоки переносят спектр образующихся шумов в более высокий диапазон, который поглощается резонансными камерами, образованными элементами глушителя. Установка последнего безвтулочного завихрителя в выходной части трубки позволяет закрыть ее выход для акустических шумов, образующихся в ней или проникающихся в трубку из камер через перфорацию, и поглощать трубкой эти шумы. Flow swirls made in the form of spiral swirling devices can absorb the energy of acoustic vibrations incident on them in a wide frequency range, and drastically reduce noise at the silencer output. Swirling flows transfer the spectrum of the resulting noise to a higher range, which is absorbed by the resonant chambers formed by the silencer elements. The installation of the last tubeless swirler in the outlet part of the tube allows its outlet to be closed for acoustic noise generated in it or penetrating into the tube from the chambers through perforation and to absorb these noises by the tube.

Закручивание приосевого потока последним дополнительным завихрителем в направлении, согласованном с направлением закручивания остальными завихрителями, позволяет пропускать осевую компоненту потока газов через трубку, уменьшить выход шума в выхлопную трубу и гидравлическое сопротивление глушителя, а поток газов, выходящий из выхлопной трубы, оказывается в этом случае более закрученным и, выходя из нее, "ввинчивается" в атмосферу, не создавая дополнительных шумов. Twisting the axial flow with the last additional swirl in the direction consistent with the direction of swirling with the rest of the swirls allows the axial component of the gas flow to pass through the pipe, to reduce the noise output into the exhaust pipe and the hydraulic resistance of the muffler, and in this case the gas flow coming out of the exhaust pipe is more twisted and, leaving it, "screwed" into the atmosphere, without creating additional noise.

Таким образом, установка в глушитель дополнительных завихрителей в центральные камеры (в том числе и вместо шумоглушащих трубок со скосами), выполнение завихрителей спиралевидными с каналом для осевой компоненты потока, а также установка последнего безвтулочного завихрителя в выходную часть трубки позволяют решить поставленную задачу. Thus, the installation of additional swirls in the muffler in the central chambers (including instead of sound-attenuating tubes with bevels), the execution of swirls spiral-shaped with a channel for the axial component of the flow, and the installation of the last sleeveless swirl in the outlet part of the tube allow us to solve the problem.

На фиг. 1 изображен глушитель, продольное сечение; на фиг. 2 впускной завихритель в аксонометрии; на фиг. 3 центральный завихритель со стороны впускной камеры; на фиг. 4 показаны ввод отработанного газа через тангенциальный патрубок при боковом подводе отработанных газов к глушителю, а также впускной завихритель со стороны впускного патрубка. In FIG. 1 shows a silencer, longitudinal section; in FIG. 2 inlet swirl in a perspective view; in FIG. 3 central swirl on the intake chamber side; in FIG. 4 shows the introduction of the exhaust gas through the tangential pipe with a lateral supply of exhaust gases to the muffler, as well as the inlet swirler from the inlet pipe.

Глушитель шума двигателя внутреннего сгорания содержит цилиндрический корпус 1, впускной патрубок 2, выпускной патрубок 3, переднюю стенку 4, впускную камеру 5, выпускную камеру 6, центральные камеры 7, 8, 9; переднюю перегородку 10, центральную перегородку 11, заднюю перегородку 12, впускной завихритель 13, выпускной завихритель 14, центральный завихритель 15, трубку 16, конусный обтекатель 17, безвтулочный завихритель 18, кольцевое основание 19 безвтулочного завихрителя, кольцо 20 фильтра, пластины 21, 22 впускного завихрителя. The silencer of the internal combustion engine includes a cylindrical housing 1, an inlet pipe 2, an exhaust pipe 3, a front wall 4, an intake chamber 5, an exhaust chamber 6, central chambers 7, 8, 9; front baffle 10, central baffle 11, rear baffle 12, intake swirl 13, exhaust swirl 14, central swirl 15, tube 16, cone fairing 17, sleeveless swirl 18, ring base 19 of the sleeveless swirler, filter ring 20, intake plate 21, 22 swirler.

Центральные оси всех завихрителей и трубки 16 совпадают с осью глушителя. Трубка 16 перфорирована перед каждым завихрителем, установленным на ней, и места перфорации 28, 29 находятся в центральной рециркуляционной тороидальной зоне завихрителя. Установка завихрителей в камерах осушествлена таким образом, что каждый завихритель, начиная с центрального 15, повернут вокруг оси глушителя на 90^о относительно расположения пластин завихрителя, расположенного выше по потоку, что видно из фиг. 3, где пластины центрального завихрителя 15 смещены на 90^о по сравнению с пластинами впускного завихрителя 13, показанными на фиг. 4.The central axis of all swirls and tubes 16 coincide with the axis of the muffler. The tube 16 is perforated in front of each swirl mounted on it, and the perforations 28, 29 are located in the central recirculation toroidal zone of the swirl. Installation osushestvlena swirlers in the chambers so that each swirler starting from the central 15, is turned around the silencer axis 90 relative to the location ^of the swirler plate located upstream, as seen from FIG. 3, wherein the central plate of the swirler 15 are offset by ^about 90 compared with the inlet of the swirler plates 13, shown in FIG. 4.

Завихрители, расположенные в камерах 5, 7, 8 и 9, имеют одну и ту же конструкцию и состоят из одинаковых элементов, за исключением того, что входы осевых каналов центральных и выходного завихрителей скреплены с трубкой 16, а внутренняя часть этой трубки является для них осевым каналом 27. Каждый из этих завихрителей содержит по две пластины. Выход центрального завихрителя 15 соединен с кольцом 20 фильтра. Внутреннее пространство между кольцом фильтра и трубкой 16 представляет собой выход радиального канала 26 центрального завихрителя. The swirls located in chambers 5, 7, 8, and 9 have the same design and consist of the same elements, except that the inputs of the axial channels of the central and output swirls are fastened to the tube 16, and the inner part of this tube is for them axial channel 27. Each of these swirlers contains two plates. The output of the central swirl 15 is connected to the filter ring 20. The inner space between the filter ring and the tube 16 is the output of the radial channel 26 of the central swirler.

Устройство впускного завихрителя 13 показано на фиг. 2. В завихрителе использовано наименьшее количество пластин две пластины, хотя их может быть и больше. Каждая из двух одинаковых пластин 21 и 22 имеет форму части боковой поверхности усеченного конуса. Большими основаниями пластины присоединены к кольцевой перегородке 10 по спиральным линиям, расположенным от края внутреннего кольца до края перегородки. Меньшие основания соединены между собой и внутренними сторонами пластин 21 и 22 образуют осевой канал 23. Пространство, заключенное между цилиндрическим корпусом 1, кольцевой перегородкой 10, внутренней и внешней поверхностью пластин 21 и 22, образует радиальный канал 24 впускного завихрителя 13 (фиг. 1 и 2). Выпускной завихритель 14 и центральный завихритель 15 имеют такую же конструкцию, за исключением того, что внутри завихрителей расположена трубка 18, которая охватывается меньшими основаниями пластин, выполненных также в форме усеченного конуса. The inlet swirler device 13 is shown in FIG. 2. The smallest number of plates used is two swirl plates, although there may be more. Each of two identical plates 21 and 22 has the form of a part of the lateral surface of a truncated cone. The large bases of the plate are attached to the annular septum 10 along spiral lines located from the edge of the inner ring to the edge of the septum. The smaller bases are interconnected and the inner sides of the plates 21 and 22 form an axial channel 23. The space enclosed between the cylindrical body 1, the annular partition 10, the inner and outer surfaces of the plates 21 and 22, forms a radial channel 24 of the inlet swirler 13 (Fig. 1 and 2). The exhaust swirl 14 and the central swirl 15 are of the same design, except that the tube 18 is located inside the swirls, which is covered by smaller bases of the plates, also made in the form of a truncated cone.

Завихритель 18, установленный в выходной части трубки 16, имеет такую же конструкцию, как и завихрители 13, 14 и 15, за исключением того, что его пластины имеют форму части боковой поверхности конуса, и таким же образом присоединены к кольцевому основанию 19. Такая форма пластин в завихрителе образует в нем только радиальный канал потока. Отсутствие осевой компоненты потока в завихрителе позволяет сконструировать его в форме безвтулочного завихрителя. The swirl 18 installed in the outlet part of the tube 16 has the same design as the swirls 13, 14 and 15, except that its plates are in the form of a part of the side surface of the cone, and in the same way attached to the annular base 19. This shape plates in the swirl forms in it only a radial flow channel. The absence of an axial component of the flow in the swirler allows it to be constructed in the form of a sleeveless swirler.

Глушитель шума двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом. The silencer of the internal combustion engine operates as follows.

После открывания выпускного клапана двигателя внутреннего сгорания через образовавшийся зазор, выпускной коллектор и трубы системы глушения в глушитель сначала поступает аэродинамический шум, образовавшийся в результате выхода импульса (выхлопа) газа через зазор выпускного клапана, а также шум, образовавшийся непосредственно в двигателе, уровень которого на 20-30 дБ ниже шума выхлопа. Этот аэродинамический шум распространяется по акустическому волноводу (выходному коллектору, трубам системы глушения) со скоростью 500-550 м/с и опережает скорость движения потока выхлопных газов, скорость которых в зависимости от нагрузки на двигатель и его оборотов составляет 20-50 м/с. After opening the exhaust valve of the internal combustion engine through the formed gap, the exhaust manifold and the pipes of the silencing system, aerodynamic noise is first introduced into the muffler, which is generated as a result of the output of the gas pulse (exhaust) through the exhaust valve gap, as well as noise generated directly in the engine, the level of which 20-30 dB lower than exhaust noise. This aerodynamic noise propagates through the acoustic waveguide (output collector, pipes of the silencing system) at a speed of 500-550 m / s and is ahead of the speed of the exhaust gas flow, the speed of which depending on the load on the engine and its speed is 20-50 m / s.

Шумы, образованные в зазоре выхлопного клапана и в звуководе системы выхлопа до глушителя (резонатор в системе при таком глушителе отсутствует), составляют 90-94 дБ, поступают вслед за шумами двигателя через патрубок 2 во впускную камеру 5. The noise generated in the exhaust valve clearance and in the sound guide of the exhaust system to the muffler (there is no resonator in the system with such a muffler) is 90-94 dB; they come after the engine noise through the pipe 2 into the intake chamber 5.

Элементы глушителя, находящиеся в камерах, выполнены таким образом, чтобы акустические волны из камер не отражались обратно в звукопровод, а осуществлялось многократное переотражение этих волн внутри камер. Такими элементами являются завихрители 13, 14 и 15. Пластины завихрителей имеют форму части поверхности усеченного конуса (фиг. 2), что позволяет многократно переотражать падающую звуковую волну на внутреннюю поверхность цилиндрического корпуса 1. Кроме того, энергия звуковой волны попадает на пластины завихрителя, заставляет их колебаться на собственных механических частотах, которые при таком использовании находятся в верхней части слышимого спектра и быстро затухают в небольшом замкнутом объеме. Часть падающей звуковой энергии поглощается при колебании пластин за счет внутреннего трения, а оставшаяся часть энергии переотражается к корпусу цилиндра, соседней пластине, к стенке или перегородке. Звуковые волны, попадающие после многократного переотражения в радиальном канале 24 внутрь завихрителя, вновь претерпевают многократное отражение между пластинами завихрителя, а также между пластинами и перегородкой, частично затухают и, в конечном счете, через отверстие перегородки проходят в соседнюю камеру. В этом объеме также происходят затухание энергии за счет собственных механических колебаний пластин, перегородок и перенос звука в спектр более высоких частот. The elements of the silencer located in the chambers are designed so that acoustic waves from the chambers are not reflected back into the sound duct, and multiple re-reflection of these waves within the chambers is carried out. Such elements are swirlers 13, 14 and 15. The swirl plates are in the form of a part of the surface of a truncated cone (Fig. 2), which allows repeatedly reflecting the incident sound wave onto the inner surface of the cylindrical body 1. In addition, the energy of the sound wave enters the swirl plate, forcing they fluctuate at their own mechanical frequencies, which with such use are in the upper part of the audible spectrum and quickly decay in a small closed volume. Part of the incident sound energy is absorbed by the oscillation of the plates due to internal friction, and the remaining part of the energy is reflected to the cylinder body, adjacent plate, to the wall or partition. Sound waves that fall after repeated re-reflection in the radial channel 24 into the swirler again undergo multiple reflections between the swirl plates, as well as between the plates and the partition, partially attenuate and, ultimately, pass through the opening of the partition into the adjacent chamber. Energy attenuation also occurs in this volume due to intrinsic mechanical vibrations of plates, partitions, and sound transfer to the higher frequency spectrum.

Конусный обтекатель 17 переотражает звуковые волны, поступающие через осевой канал 23 впускной камеры, на внутреннюю поверхность цилиндрического корпуса 1. Этот обтекатель закрывает входной конец трубки 16. The cone fairing 17 reflects the sound waves entering through the axial channel 23 of the inlet chamber to the inner surface of the cylindrical body 1. This fairing closes the inlet end of the tube 16.

Трубка 16 с перфорацией является резонатором Гельмгольца. Выходной конец трубки закрыт для акустических волн безвтулочным завихрителем 18. В период существования центральной тороидальной рециркуляционной зоны (вокруг перфорации 28, 29 трубки) она частично экранирует прохождение переотраженных звуковых волн внутрь трубки. Как резонатор Гельмгольца этот закрытый волновод имеет несколько собственных резонансных частот, на которых происходит интенсивное затухание. Величина этих частот зависит от того, на каком расстоянии от концов трубки возникают звуковые колебания. Так как отверстий перфорации на трубке много, то такое же количество собственных резонансных частот образуется в нем, при этом эти частоты расположены по всему звуковому диапазону. Те звуковые частоты, которые попали через перфорацию в трубку и не совпадают с собственными резонансными частотами трубки, затухают внутри трубки, многократно отражаясь в ней. The perforated tube 16 is a Helmholtz resonator. The output end of the tube is closed to acoustic waves by a tubeless swirl 18. During the existence of the central toroidal recirculation zone (around the perforation 28, 29 of the tube), it partially shields the passage of re-reflected sound waves into the tube. As a Helmholtz resonator, this closed waveguide has several natural resonant frequencies at which intense attenuation occurs. The magnitude of these frequencies depends on how far from the ends of the tube sound vibrations occur. Since there are many perforation holes on the tube, the same number of natural resonant frequencies is formed in it, while these frequencies are located throughout the sound range. Those sound frequencies that fall through the perforation into the tube and do not coincide with the natural resonant frequencies of the tube attenuate inside the tube, repeatedly reflected in it.

Кольцо 20 фильтра совместно с трубкой 16 представляет собой фильтр нижних частот, не пропускающих низкочастотную составляющую звукового спектра в центральную камеру. The filter ring 20 together with the tube 16 is a low-pass filter that does not pass the low-frequency component of the sound spectrum into the central chamber.

Объемы каждой камеры, начиная от впускной камеры 5, увеличиваются постепенно от камеры к камере, и центральная камера 9 имеет наибольший объем. Объемы двух соседних камер относятся между собой как отрезки золотых сечений, являющиеся числовыми инвариантами любых самоорганизующихся систем. В большем объеме во вращающемся потоке происходит более интенсивное затухание звуковых волн. Такое отношение объемов смежных камер позволяет производить более эффективное интегрирование выхлопа. Впускная камера 5 и центральная камера 7 совместно с патрубком представляют собой поглотители (резонаторы Гельмгольца) в низкой части звукового спектра, центральные камеры 7 и 8 совместно с отверстиями в перегородках 10 и 11, а также трубка 16 с перфорацией поглощают энергию средней части звукового спектра, а полости внутри завихрителей и выпускная камера 6 поглощают энергию верхнего звукового спектра. The volumes of each chamber, starting from the inlet chamber 5, increase gradually from chamber to chamber, and the central chamber 9 has the largest volume. The volumes of two adjacent chambers are related to each other as segments of golden sections, which are numerical invariants of any self-organizing systems. In a larger volume in a rotating stream, a more intense attenuation of sound waves occurs. This ratio of the volumes of adjacent chambers allows for more efficient exhaust integration. The inlet chamber 5 and the central chamber 7 together with the nozzle are absorbers (Helmholtz resonators) in the low part of the sound spectrum, the central chambers 7 and 8 together with the holes in the partitions 10 and 11, as well as the perforated tube 16 absorb the energy of the middle part of the sound spectrum, and the cavities inside the swirls and the exhaust chamber 6 absorb the energy of the upper sound spectrum.

Однако в предлагаемом глушителе основное поглощение звуковой энергии во всем спектре слышимого диапазона осуществляется за счет других механизмов, появляющихся при вращении потока в камерах глушителя. Вращение отработанного газа в интервалах между очередными выхлопами позволяет осуществить следующие механизмы поглощения звука. However, in the proposed silencer, the main absorption of sound energy in the entire spectrum of the audible range is due to other mechanisms that appear when the stream rotates in the silencer chambers. The rotation of the exhaust gas in the intervals between successive exhausts allows the following sound absorption mechanisms to be implemented.

Вязкие потери ("внутреннее трение "), возникающие при скольжении слоев газов друг по другу. Происходит выравнивание различий скоростей между слоями. На это тратится энергия звуковой волны, и звук постепенно затухает. Эти потери в основном возникают в рециркуляционной зоне, где давление понижено. Вязкие потери пропорциональны квадрату частоты звуковых волн. Основная часть (более 90% ) энергии звуковых волн сосредоточена в импульсе газового потока (105 дБ и более), который следует за звуковой волной. Более 90% энергии этого импульса переходит во вращательное движение, а остальная энергия переходит в механические колебания завихрителей, перегородок и образование звука. Около 80% энергии вращения расходуется на создание эжекционного эффекта, за счет которого газовый поток удерживается в камерах глушителя в промежутках между выхлопами и осуществляет отсос газов с газопровода системы выхлопа и цилиндра, с которого осуществляется выхлоп. 20% энергии вращения переходит в аэродинамический шум газовой вращающейся струи. Этот шум создается за счет турбулентного перемешивания частиц газа, имеющих большую скорость истечения, с частицами газа в камере, имеющими меньшую скорость. Спектр этого шума является почти сплошным, однако звуковая мощность почти вся сосредоточена на частотах более 7 кГц, так как при больших перепадах давлений в спектре шума струи появляется дискретная составляющая, которая резко выделяется на фоне сплошного спектра. Следовательно, спектр звуковых частот от газового потока преобладает в высокочастотной части звукового спектра, и вязкие потери звуковой энергии резко возрастают, звуковые волны затухают. Viscous losses ("internal friction") that occur when the layers of gases slip together. There is an equalization of differences in speeds between the layers. The energy of the sound wave is spent on this, and the sound gradually fades. These losses mainly occur in the recirculation zone, where the pressure is reduced. Viscous losses are proportional to the square of the frequency of the sound waves. The main part (more than 90%) of the energy of sound waves is concentrated in the pulse of the gas stream (105 dB or more), which follows the sound wave. More than 90% of the energy of this impulse goes into rotational motion, and the rest of the energy goes into mechanical vibrations of swirlers, partitions and the formation of sound. About 80% of the rotational energy is spent on creating an ejection effect, due to which the gas flow is held in the silencer chambers between the exhausts and exhausts the gases from the gas pipe of the exhaust system and the cylinder from which the exhaust is carried out. 20% of the rotational energy goes into the aerodynamic noise of a gas rotating jet. This noise is generated due to turbulent mixing of gas particles having a high flow rate with gas particles in the chamber having a lower speed. The spectrum of this noise is almost continuous, however, almost all of the sound power is concentrated at frequencies of more than 7 kHz, since at large pressure differences the discrete component appears in the noise spectrum of the jet, which stands out sharply against the background of the continuous spectrum. Consequently, the spectrum of sound frequencies from the gas stream prevails in the high-frequency part of the sound spectrum, and the viscous loss of sound energy increases sharply, sound waves decay.

Конвекционные потери, при которых перенос звуковой энергии происходит благодаря перемещению газа от одного участка к другому. В звуковой волне места сжатия имеют повышенную температуру (по сравнению со средней температурой среды), а места разрежения пониженную, что является результатом "адиабатического" нагревания и охлаждения. Во вращающемся газе эта разница температур интенсивно выравнивается за счет переноса звуковой энергии вращающимися газами и рассредоточенная ее по всему объему, так как скорость вращающегося потока соизмерима со скоростью звука в глушителе и на порядок больше, чем акустическая скорость, т. е. вращающийся поток успевает унести часть энергии с фронта звуковой волны. Эти потери происходят в широком диапазоне частот, в том числе и в звуковом. Этот диссипативный фактор является основным источником поглощения звука в глушителе. Convection losses, in which the transfer of sound energy occurs due to the movement of gas from one section to another. In the sound wave, the compression sites have an elevated temperature (compared to the average temperature of the medium), and the rarefaction sites are lowered, which is the result of “adiabatic” heating and cooling. In a rotating gas, this temperature difference is intensively equalized due to the transfer of sound energy by the rotating gases and dispersed throughout the volume, since the speed of the rotating stream is comparable to the speed of sound in the silencer and is an order of magnitude greater than the acoustic speed, i.e., the rotating stream has time to carry away part of the energy from the front of the sound wave. These losses occur in a wide range of frequencies, including sound. This dissipative factor is the main source of sound absorption in the silencer.

Вслед за фронтом звуковых волн в глушитель через патрубок 2 поступает поток отработанных газов. Диаметр цилиндрического корпуса 1 больше диаметра входного патрубка 2. Во впускной камере 5 происходит расширение потока и скорость потока уменьшается. Часть потока через осевой канал 23 проходит в центральную камеру 7, а большая часть его проходит к перегородке 10 между пластинами впускного завихрителя 13 и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 1. По мере приближения потока к перегородке 10 в зазорах между пластинами 21 и 22 завихрителя 13 создается повышенное давление, величина которого наибольшая в местах присоединения пластин 21 и 22 завихрителя 13 к цилиндрическому корпусу 1. За счет этого создаются силы, которые создают движение газа по внешним поверхностям пластин в осевом и радиальном направлениях по радиальному каналу 24 впускного завихрителя. Газы движутся по конической поверхности пластин по винтовым линиям, переходя из внешней поверхности пластины на внутреннюю поверхность другой пластины, удерживаясь на внутренней поверхности за счет центробежных сил, и, доходя до перегородки 10, выходят через выход радиального канала 25 потока впускного завихрителя закрученным потоком. В центральной камере закрученный поток за счет центробежных сил устремляется к стенкам цилиндрического корпуса 1 и вращается по его внутренним стенкам, отдавая им часть тепла, и перемещается в осевом направлении. Так как завихрители имеют большой параметр закрутки (S=0,8-1), в том числе и завихритель 13, то в центральной камере 7 возникают большие градиенты давления в радиальном и осевом направлениях вблизи отверстия перегородки 10, что приводит к появлению осевой рециркуляции в форме центральной тороидальной рециркуляционной зоны и образованию в этой зоне давлений ниже давления во впускной камере 5 и центральной камере 8. В приосевой части перегородки 10 при параметре закрутки, равной 0,8-1, эта разница давлений достигает 1,7-2 мПа, при этом эта разница постепенно уменьшается с удалением вниз по потоку. Появление этого положительного градиента давлений достаточно для "подсасывания" потока газа назад по потоку, а также чтобы задержать часть потока, ранее прошедшего прямо через осевой канал 23, и не дать ему произвести "удар" в перегородку 11 и пластины центрального завихрителя 15, что уменьшает образование шума в камере 7. Понижение давления в центральной тороидальной рециркуляционной зоне камеры 7 создает эжекцию газа из впускной камеры 5, из газопровода системы выхлопа и далее из цилиндра, работающего на "выхлоп". Это позволяет сгладить фронт импульса выхлопа и удержать поток газа во вращательном движении после прекращения импульса, т. е. растянуть его во времени (проинтегрировать). Following the front of the sound waves, a stream of exhaust gases enters the muffler through the pipe 2. The diameter of the cylindrical body 1 is larger than the diameter of the inlet pipe 2. In the inlet chamber 5, the flow expands and the flow rate decreases. Part of the flow through the axial channel 23 passes into the central chamber 7, and most of it passes to the baffle 10 between the plates of the inlet swirler 13 and the inner surface of the cylindrical body 1. As the flow approaches the baffle 10 in the gaps between the plates 21 and 22 of the swirl 13 pressure, the magnitude of which is greatest at the points of attachment of the plates 21 and 22 of the swirler 13 to the cylindrical body 1. Due to this, forces are created that create gas motion on the outer surfaces of the plates in axial and nom radial directions of the inlet channel 24 of the swirler. Gases move along the conical surface of the plates along helical lines, passing from the outer surface of the plate to the inner surface of another plate, being held on the inner surface by centrifugal forces, and reaching the septum 10, they exit through the outlet of the radial channel 25 of the inlet swirl flow in a swirling flow. In the central chamber, the swirling flow rises to the walls of the cylindrical body 1 due to centrifugal forces and rotates along its inner walls, giving them part of the heat, and moves in the axial direction. Since the swirls have a large swirl parameter (S = 0.8-1), including swirl 13, in the central chamber 7 large pressure gradients arise in the radial and axial directions near the opening of the partition 10, which leads to the appearance of axial recirculation in the shape of the central toroidal recirculation zone and the formation in this zone of pressure below the pressure in the inlet chamber 5 and the central chamber 8. In the axial part of the septum 10 with a twist parameter of 0.8-1, this pressure difference reaches 1.7-2 MPa, at this is the difference post enno decreases with distance downstream. The appearance of this positive pressure gradient is sufficient to “suck” the gas stream backward through the stream, as well as to hold back part of the stream that previously passed directly through the axial channel 23 and prevent it from “blowing” into the baffle 11 and the plate of the central swirler 15, which reduces the formation of noise in the chamber 7. The decrease in pressure in the central toroidal recirculation zone of the chamber 7 creates an ejection of gas from the inlet chamber 5, from the gas pipe of the exhaust system and further from the cylinder working on the "exhaust". This makes it possible to smooth the front of the exhaust pulse and to keep the gas flow in rotational motion after the termination of the pulse, i.e., to stretch it in time (integrate).

Вращающийся поток со своей осевой скоростью, которая намного меньше скорости потока газа, приближается к завихрителю 15 и перегородке 11. Во второй центральной камере 8 за счет этого повышается давление. Отверстия перфорации 29 расположены на трубке в таком месте рециркуляционной зоны камеры 7, чтобы за счет разряжения в этой зоне производилось "отсасывание" появившегося избыточного давления в камере 8. Эта обратная связь между объемами двух смежных камер, отношение объемов которых равно одному из положительных корней уравнения золотого S-сечения
x^s+1-x^s-1=0, позволяет равномерно рассредоточить энергию импульса потока во всем промежутке времени между выхлопами. По мере приближения вращающегося потока к перегородке 10 радиальная скорость потока уменьшается, повышается давление в камере 7, исчезает циркуляционная зона. Вращение потока переходит в свободный вихрь, который повторно завихряется центральным завихрителем 15. Закрученный поток через кольцо 20 фильтра выходит во вторую центральную камеру 8 и, вращаясь по поверхности цилиндрического корпуса 1, задает за кольцом фильтра центральную тороидальную рециркуляционную зону, в которой расположены отверстия перфорации 29. Из центральной камеры 7 через отверстия перфорации 29 и осевой канал 27 в эту рециркуляционную зону "отбрасывается" газовый поток в камеру 8, уменьшая давление в центральной камере 7. В период отсутствия рециркуляционной зоны пониженное давление рециркуляционной зоны в камере 8 удерживает оставшийся поток во впускной камере 5, газопроводе системы выхлопа и отсасывает оставшийся отработанный газ из цилиндра двигателя, работающего на выхлоп. Дальнейшее распространение потока во второй центральной камере 8 повторяет процесс, описанный выше для центральной камеры 7. Для мощных двигателей добавляется еще одна (более одной) центральная камера, процессы прохождения потока в которой повторяет процессы, описанные для камер 8 и 7.The rotating flow with its axial velocity, which is much less than the gas flow velocity, approaches the swirler 15 and the baffle 11. In this second central chamber 8, the pressure rises. The holes of the perforation 29 are located on the tube in such a place in the recirculation zone of the chamber 7, so that due to the discharge in this zone the “overpressure” appears in the chamber 8. This feedback is between the volumes of two adjacent chambers, the ratio of the volumes of which is equal to one of the positive roots of the equation Golden S-section
x ^{s + 1} -x ^s -1 = 0, allows you to evenly disperse the energy of the flow pulse in the entire time interval between the exhausts. As the rotating stream approaches the baffle 10, the radial flow rate decreases, the pressure in the chamber 7 rises, and the circulation zone disappears. The rotation of the flow passes into a free vortex, which is again vortexed by the central swirler 15. The swirling flow through the filter ring 20 enters the second central chamber 8 and, rotating along the surface of the cylindrical housing 1, defines behind the filter ring a central toroidal recirculation zone in which perforation holes 29 are located From the central chamber 7 through the perforation holes 29 and the axial channel 27 into this recirculation zone, the gas stream is “discarded” into the chamber 8, reducing the pressure in the central chamber 7. In d absence recirculation zone low pressure recirculation zone in the chamber 8 holds the remainder of the flow in the inlet chamber 5, an exhaust gas line system and sucks the remaining exhaust gas from the engine cylinder operating at exhaust. Further distribution of the flow in the second central chamber 8 repeats the process described above for the central chamber 7. For powerful engines, another (more than one) central chamber is added, the flow passage processes in which repeats the processes described for chambers 8 and 7.

Очередной импульс выхлопа в камере 5 постепенно снижает оставшийся газ, переводя его во вращательное движение впускным завихрителем 13, и все процессы вращения и отсасывания потока в камерах повторяются. В центральных камерах, начиная с камеры 8 и выпускной камеры 6, центральная тороидальная рециркуляционная зона не исчезает. В периоды между выхлопами усилия завихрителей, создающие эжекционный эффект, складываются, на оси глушителя во время работы двигателя образуется приосевой поток, который завихряется безвтулочным завихрителем 18, и в выпускной камере 6 смешивается с завихренным потоком от выпускного завихрителя 14. Направления кругового движения от выпускного завихрителя 14 и безвтулочного завихрителя 18 совпадают по направлению вращения. На выходе этих двух завихрителей выходят равномерно вращающиеся потоки, которые поступают в выходной патрубок 3 и затем плавно "ввинчиваются в атмосферный воздух, не создавая сильных шумов. Another exhaust pulse in the chamber 5 gradually reduces the remaining gas, translating it into rotational motion by the intake swirl 13, and all the processes of rotation and suction of the flow in the chambers are repeated. In the central chambers, starting from chamber 8 and exhaust chamber 6, the central toroidal recirculation zone does not disappear. In the periods between exhausts, the forces of the swirls creating an ejection effect are added up, an axial flow is formed on the muffler axis during engine operation, which swirls by a sleeveless swirl 18 and is mixed in the exhaust chamber 6 with the swirl flow from the exhaust swirl 14. Directions of circular motion from the exhaust swirl 14 and the sleeveless swirl 18 coincide in the direction of rotation. At the exit of these two swirlers, uniformly rotating flows come out, which enter the outlet pipe 3 and then gradually "screw into the atmospheric air without creating strong noise."

Отсутствие ударов о перегородки и плавный перевод его во вращательное движение, а также наличие обратного "перекачивания" газа из камер позволяют избавиться от образования шумов и перевода энергии потока газа в работу по отсасыванию оставшихся газов. За счет этого гидравлическое сопротивление глушителя снижается на 10% по сравнению с сопротивлением глушителя, описанного в прототипе. Отсасывание отработанных газов с цилиндров двигателя позволяет осуществлять полную вентиляцию цилиндров, что позволяет осуществить более полное сгорание очередной порции смеси в этих цилиндрах, расходовать меньше энергии работающего цилиндра на выталкивание отработанных газов. Это повышает мощность двигателя внутреннего сгорания, уменьшает на 10% расход горючего по сравнению с прототипом. The absence of blows to the partitions and its smooth translation into rotational motion, as well as the presence of reverse "pumping" of gas from the chambers, eliminates the formation of noise and transfers the energy of the gas stream to the work of aspirating the remaining gases. Due to this, the hydraulic resistance of the silencer is reduced by 10% compared with the resistance of the silencer described in the prototype. The exhaust gas suction from the engine cylinders allows for complete ventilation of the cylinders, which allows for more complete combustion of the next portion of the mixture in these cylinders, and consumes less energy from the working cylinder for expelling the exhaust gases. This increases the power of the internal combustion engine, reduces fuel consumption by 10% compared with the prototype.

Claims

1. SILENCER OF EXHAUST NOISE OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE, comprising a cylindrical body equipped with inlet and outlet nozzles, divided into inlet, outlet and central chambers by means of annular partitions, in the outermost of which there are inlet and outlet swirls facing the chamber between the flow and with an inlet swirler and a middle partition connected to the outlet chamber by a tube with a perforated inlet end, the outlet end of the tube is located inside the outlet swirl characterized in that it is provided with at least two additional swirls, each of which is mounted on additional annular partitions and on the tube, and one of the additional swirlers is located at the outlet end of the tube, which is perforated in front of each swirl, each swirl having at least at least two plates forming the shape of a part of the lateral surface of the truncated cone, large bases of which are fixed on an annular partition along spiral lines, and smaller bases are connected interconnected with the possibility of the formation of an axial channel, while the lateral surfaces of these plates, the inner surface of the housing and the annular partition form a radial channel.

2. The muffler according to claim 1, characterized in that the swirler located at the output end of the tube is made without sleeve.