RU63454U1

RU63454U1 - CAR SILENCER

Info

Publication number: RU63454U1
Application number: RU2006141399/22U
Authority: RU
Inventors: Виктор Владимирович Голуб; Андрей Леонидович Котельников; Владислав Владимирович Володин; Александр Александрович Чепрунов; Александр Сергеевич Чижиков; Ольга Георгиевна Орлова
Original assignee: Институт теплофизики экстремальных состояний. Объединенный институт высоких температур РАН
Priority date: 2006-11-23
Filing date: 2006-11-23
Publication date: 2007-05-27

Abstract

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.The invention relates to silencing devices for exhaust gases from internal combustion engines (ICE) of vehicles, and can also be used in stationary power plants equipped with ICE, in other sources of pulsating gas flows and exhaust paths.

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.The technical result is achieved by discharging the exhaust gas stream through the cross-shaped openings of the perforated grating, forming a diffuse compression wave in the flow of gases coming from the engine, and reducing the parameters of the outgoing gases by using channels with a cross-shaped cross section. The cross-shaped direction of the gas flow decreases the longitudinal component of the velocity vector and, accordingly, the velocity of the outflow of gases from the exhaust pipe, while reducing exhaust noise. As a result, temperature, pressure decreases and sound pressure decreases. The dimensions, quantity and relative position of the cross-shaped holes on the surface of the grating are determined taking into account the parameters of the internal combustion engine.

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.The positive effect of the introduction of the proposed silencer is to increase the reliability of the device, which makes the internal combustion engine more environmentally friendly, while reducing the use of additional external devices to dampen exhaust noise.

Description

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.The invention relates to silencing devices for exhaust gases from internal combustion engines (ICE) of automobiles, and can also be used in stationary power plants equipped with ICE, in other sources of pulsating gas flows and exhaust paths. The invention is aimed at improving the sound absorption of resonant (reactive) silencers used on most domestic cars.

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 Known silencers of this type operate on the principle of pressure dissipation, the addition of sound waves, their mutual destruction and consist of a housing, expansion chambers of various shapes, in which perforated grilles with holes are installed. Depending on the number, size and configuration of the chambers, the nature of the perforation, certain sound frequencies arising from the exhaust gas discharge are extinguished inefficiently. This is due to the backpressure of the flow of gases leaving the engine cylinders created by the exhaust system, which affects the power developed by the engine, fuel economy, and exhaust toxicity. Therefore, they reduce the back pressure due to the use of expansion chambers with different perforation holes. Known mufflers equipped with perforated gratings (partitions, cones, tubes) of various shapes. The perforation holes of the dividing partitions are made in the form of a circle (RF patent No. 2223407), slots (RF patent No. 221127), a right triangle with the orientation of a rectangular peak toward the inner surface of the silencer body in the direction of gas flow (RF patent No. 2075602). These forms of perforation of the gratings do not provide sufficient noise suppression due to the fact that the exhaust gas flow, passing through the perforation holes, breaks off the edges, generating high frequency noise, therefore, when the ICE is operating at high speeds (5200-5400 rpm), a metallic

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.sound (high noise frequencies) and gratings themselves become sources of significant secondary noise. As a result of this, when operating a vehicle under conditions of a cyclic change in pressure and temperature of the exhaust gases, the silencer grilles are not durable due to deformations of the working elements, which degrades the performance of the silencer.

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.The closest in technical essence to the claimed invention (prototype) is the technical solution according to the patent of the Russian Federation No. 2107170, in which the muffler contains a housing, inside which there are expansion sections with gratings made of porous (sponge) metal with a thickness of 2-20 mm with through pores with a diameter 0.5-5.0 mm, while the pore diameter of each subsequent lattice is smaller than the previous one, and the distance between the lattices is 5-50 mm. Exhaust gases passing through the perforated lattice are quenched by internal relaxation in the pores of the metal, while the flow energy is partially transformed into the energy of the vibrational motions of the lattice, which leads to noise absorption. The disadvantages of the prototype are the low operational properties associated with the reliability of the grilles in the high-temperature exhaust gas flow, the limited possibility of damping the sound of the exhaust gas exhaust due to the small surface of the resonating system, the diameters of the through pores (openings) for the passage of gases that are unregulated during manufacturing, and therefore low the effectiveness of noise absorption, increasing backpressure while reducing the pore diameters of each subsequent lattice.

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.The aim of the invention is to improve the main characteristic of silencing systems - acoustic efficiency, i.e. the ability of the silencer to reduce the strength of sound (sound pressure) created by the exhaust gas stream. Due to the constant tightening of international standards on the external noise of the car, the problem arises of reducing sound during the operation of the car with the help of grilles (inserts) in the output part of the muffler.

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.The technical result is achieved by discharging the exhaust gas stream through the cross-shaped openings of the perforated grating, forming a diffuse compression wave in the stream of gases coming from the engine and reducing the parameters of the outgoing gases by using channels with a cross-shaped cross section. The cross-shaped direction of the gas flow decreases the longitudinal component of the velocity vector and, accordingly, the velocity of the outflow of gases from the exhaust pipe, while reducing exhaust noise. As a result, the temperature, pressure decreases and the sound pressure decreases, and the more intensively the gas parameters decrease, the weaker the acoustic effect. When the gas stream moves through the internal space of the muffler, its separation occurs, as well as pressure equalization over the cross section. When the gas moves through the numerous perforations of the silencer gratings, the flow is divided into smaller and smaller jets and their aerodynamic noise is reduced, which positively affects the overall effect of damping the noise of the gas outlet. Efficiency is achieved through the use of multiple changes in the direction of movement of the sound wave from the cross-shaped hole and the turbulent properties of the lattice elements (divider), while the sound pressure level decreases and gas is released into the atmosphere with a reduced noise level.

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 The proposed exhaust silencer ICE contains (Fig. 1) a silencer housing 1, expansion sections 2, perforated grilles 3, inlet pipe 4, exhaust pipe 5. New in the proposed device is the replacement in the perforated grille of round holes with cross-shaped holes with a common identical area passage section along the length of the exhaust tract. To effectively reduce the noise of the exhaust system of the car, several successive perforated grilles with cross-shaped holes in the cross section along the exhaust channel are installed. The number and diameter of the cross-shaped perforation holes are selected so that the perforation coefficient in

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.all the partitions remained constant, which will allow to obtain the same throughput throughout the path, to increase the unification of internal structural elements. The number of partitions is selected constructively based on the overall dimensions of the noise muffler of a particular type of vehicle.

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.The proposed muffler operates as follows. The exhaust stream enters the muffler housing 1 and then passes through the perforated gratings (inserts) 3 with cross-shaped holes. The silencer inlet 4 is connected to the exhaust manifold of the engine, and the exhaust pipe 5 to the exhaust pipe of the car. When the exhaust gas enters through the inlet pipe 4, isentropic expansion occurs in section 2 and weak shock waves are formed, which, when passing through the grate 3, reduce their parameters (pressure, high-pressure head) due to blurring and interference of gas flows, i.e. due to energy dissipation in a three-dimensional flow and redistribution of gas masses between the axes of symmetry and vortex formation upon their exit from the cross-shaped channels. The flow of gases passing through each of the subsequent gratings is weakened, which enhances the effect of noise absorption. Having reached the last grill 3, the exhaust gases acquire a pressure close to the pressure of the ambient air and therefore quietly exit into the atmosphere through the exhaust pipe 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 It has been experimentally established that the use of a cross-shaped channel shape in the lattice leads to energy dissipation as a result of interference of compression and rarefaction waves and, as a result, to a weakening of the gas flow by 15-30% in pressure. The results obtained indicate the possibility of controlling the structure and parameters of the underexpanded pulsed gas flow in the region of subsonic Mach numbers and open up an additional possibility of controlling the pressure behind the shock wave emerging from the channel by changing its geometry. The edges of the cross-shaped hole exclude metallic sound (high frequency

шум) при выпуске отработанных газов на высоких оборотах ДВС и глушитель обеспечивает эффективное гашение как на низких частотах звука, так и высокочастотного шума.noise) when exhaust gases are released at high speeds, the internal combustion engine and muffler provide effective damping both at low frequencies of sound and high-frequency noise.

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.The positive effect of the introduction of the proposed silencer is to increase the reliability of the device, which makes the internal combustion engine more environmentally friendly, while reducing the use of additional external devices to dampen exhaust noise. Changing the size of the cross-shaped holes allows you to choose the optimal attenuation of the gas flow, while the gas stream from the cross-shaped holes of the perforations does not directly enter the wall of the silencer body and does not excite additional cabinet noise. The muffler is designed for a specific engine based on its bench tests. The dimensions, quantity and relative position of the cross-shaped holes on the surface of the grating are determined taking into account the parameters of the internal combustion engine. It is possible to produce a silencer in the form of coaxial cylinders, through the cross-shaped perforation openings of which exhaust gases pass (using annular gratings), i.e. grilles may have a different shape, contributing to noise reduction. In addition to reducing acoustic pressure, the mass-dimensional characteristics of the silencer are improved, because when perforating with cross-shaped holes, it is possible to increase the perforation coefficient (the ratio of the area of the through holes to the total area of the grating) compared to circular perforation while maintaining the strength properties of the grating. The muffler is the main sound-absorbing device of the engine exhaust system and is versatile, as It can be used at various speeds of the expiration of the underexpanded flow of exhaust gases, a variety of vehicles (cars, motorcycles, mopeds). Thus, the invention increases the acoustic efficiency of the muffler, which largely determines the level of comfort of the car.

Claims

An automobile silencer comprising a cylindrical body with end walls, coaxial inlet and outlet pipes, internal grilles with perforation holes, characterized in that the perforation of the grilles is made in the form of cross-shaped openings in cross section.