Глушник шуму вихлопу

Винахід відноситься до машинобудування, в першу чергу - до двигунобудування, а саме - до глушників шуму вихлопу двигунів внутрішнього згорання. Існує безліч конструкцій глушників шуму вихлопу. Але в самому загальному вигляді вони складаються із корпусу із шумопридушуючою порожниною і вхідного та вихідного патрубків. Але форм корпусів кілька. Крім того, при створенні глушників постає два завдання: по-перше, забезпечити найбільшу ефективність шумоглушіння; подруге, добитися найменшої втрати потужності на глушнику двигуна внутрішнього згорання. На задоволення цих двох, протилежних одна одній, вимог направлені зусилля конструкторів та винахідників. Відомий, вибраний як аналог, глушник шуму двигуна внутрішнього згорання [1], який містить корпус із шумопридушуючою порожниною у вигляді круглої труби, заповненої звукопоглинаючим матеріалом у вигляді відходів виробництва - стружки із нержавіючої сталі. Потік вихлопних газів попадає в корпус по впускному патрубку через розсікач, втрачаючи кінетичну енергію і зменшуючи швидкість. Основна частина звукової енергії поглинається звукопоглиначем. Додаткова втрата звукової енергії відбувається перед виходом із корпусу завдяки тому, що запобіжний пристрій викликає турбулентний рух розсіченого потоку вихлопних газів, частково закручуючи їх та зіштовхуючи їх між собою. Далі вихлопні гази через випускний патрубок виходять в атмосферу. Отже, основна втрата звукової енергії відбувається у звукопоглинаючому матеріалі, частково - за рахунок розсікача і запобіжного пристрою, які забезпечують взаємодію потоків газів між собою. Втрата звукової енергії завдяки інтерференції звукових хвиль, відбитих від стінок, мізерна. При цьому ми підкреслимо, що звукопоглинаючий матеріал - особливо, а також частково - розсікач і запобіжний пристрій - викликають значний аеродинамічний опір, тобто істотний відбір потужності у двигуна. Відомий, вибраний як аналог, спосіб зменшення глушіння шумів та пристрій для його здійснення [2], згідно якого шум вихлопу заглушується в подовженій порожнині еліптичного перерізу, куди вихлопні гази поступають по впускному патрубку, розміщеному у фокусі еліпсу, а також в отворах перфорації, зигзагоподібних каналах, а також в щілинному соплі, яке розширюється прямолінійно або по криволінійній траєкторії не нижче другого порядку. Основний внесок в шумопридушення вносить подовжена порожнина еліптичного перерізу, в якій втрати потужності двигуна незначні, а втрати в отворах перфорацій та зигзагоподібному каналі - відповідно до їх акустичної ефективності. Відомий, вибраний як прототип, глушник [3], корпус якого виконаний у вигляді еліпсоїда обертання, вісь якого збігається з віссю глушника. В ньому введення і виведення вихлопних газів відбувається у фокусах еліпса. Відповідно з фокусів виходять в порожнину і виходять через фокуси звукові хвилі. Цей вид порожнини забезпечує значно ефективніше шумопридушення за рахунок більшого числа відбить хвиль, а значить - більш ефективної інтерференції. Додаткове звукопоглинання звуку відбувається за рахунок звукопоглинаючого матеріалу, яким заповнена вся порожнина. Недоліками відомого глушника є його недостатня акустична ефективність і значний аеродинамічний опір, який приводить до істотних втрат потужності двигуна. У винаході вирішується задача збільшення ефективності глушника шляхом забезпечення різкого збільшення кількості відбить звукової хвилі від внутрішніх стінок порожнини корпусу, а також збільшення економічності глушника, а саме - збільшення відношення "акустична ефективність глушника/втрата потужності двигуна в глушнику". Поставлена задача досягається тим, що корпус глушника виконаний у вигляді порожнистої кулі, а вхідний патрубок входить у кулю під кутом до діаметра кулі, розміщеного в місці перетину осі вхідного патрубка з внутрішньою поверхнею кулі; при цьому вихідний патрубок може бути розміщений як в іншій точці внутрішньої поверхні корпусу, так і концентрично з вхідним, наприклад, ззовні нього; внутрішня поверхня кулі може бути покрита шаром звукопоглинаючого матеріалу, або повністю заповнена останнім; зовнішня поверхня порожнистої кулі може бути покрита вібропоглинаючим матеріалом. На Фіг.1 зображений запропонований глушник шуму вихлопу, вхідний та вихідний патрубки розміщені в різних точках кулі; на Фіг.2 - те ж, вхідний та вихідний патрубки розміщені концентрично, причому вихідний патрубок розміщений ззовні вхідного. Глушник шуму вихлопу містить корпус 1, виконаний у вигляді порожнистої кулі, і два патрубки - вхідний 2 та вихідний 3. Вхідний патрубок входить в кулю під кутом a до діаметра кулі, розміщеного у точці перетину осі вхідного патрубку з внутрішньою поверхнею кулі. Вихідний патрубок може бути розміщений як в іншій, ніж вхідний, точці внутрішньої поверхні корпусу (Фіг.1), так і концентрично з вхідним, наприклад ззовні нього (Фіг.2). Внутрішня поверхня кулі може бути покрита шаром звукопоглинаючого матеріалу (не показано), або повністю заповнена останнім (не показано). Зовнішня поверхня кулі може бути покрита вібропоглинаючим матеріалом (не показано). Глушник шуму вихлопу працює наступним чином. Вихлопні гази і звукові хвилі по впускному патрубку 2 попадають в порожнину кулястого корпусу. Оскільки звукові хвилі входять під кутом a до діаметра кульової поверхні, то вони не відбиваються назад, у впускний патрубок, а починають нескінченні відбиття від сферичної поверхні і врешті-решт затухають. В цей час відбувається також аеродинамічне затухання коливань вихлопних газів - після попадання у великий об'єм і розширення відбувається вирівнювання тиску у всьому об'ємі кулі. Аеродинамічно і акустично заспокоєні гази виходять у випускний патрубок 3. Розміщення впускного 1 та випускного 2 патрубків концентрично хоча в певній мірі ускладнює конструкцію, зате збільшує кількість відбить звукової хвилі, а, значить, і збільшує акустичну ефективність глушника. Якщо внутрішня сферична поверхня корпусу 1 покрита шаром звукопоглинаючого матеріалу, то акустична ефективність і втрата потужності двигуна в глушнику збільшуються. Ще значніше вони збільшуються при повному заповненні порожнини звукопоглинаючим матеріалом. Покриття зовнішньої поверхні кулі вібропоглинаючим матеріалом унеможливлює випромінювання шуму поверхні кулі при її вібрації. При цьому нагадаємо, що шум придушується як акустичними способами (відбиття звукових хвиль від стінок порожнини та їх інтерференція), так і аеродинамічними (тертя збуреного газу об поверхню пористого матеріалу і втрата ним коливної енергії - джерела шуму). Якщо акустичний спосіб забирає мінімум енергії в потоку газу, а отже, у двигуна, то аеродинамічний - завдяки тертю газу в порах об звукопоглинаючий матеріал - забирає цієї енергії на кілька порядків більше. При цьому звертаємо увагу ось на що. Увійшовши в порожнину кулястого корпусу глушника, збурені вихлопні гази, попавши у великий об'єм, розширюються, заспокоюються і спокійно виходять через випускний патрубок. Аеродинамічний опір просуванню вихлопних газів - мінімальний. Звукова ж хвиля починає гуляти в кулястій порожнині, величезну кількість раз відбиваючись від її поверхні, аж поки її залишки не попадуть у випускний патрубок. Причому шумоглушіння відбувається частково за рахунок звукопоглинання, а в основному - за рахунок інтерференції, на яку енергії двигуна затрачувати не потрібно. Також звертаємо увагу на те, що явище звукопоглинання у сферичному глушнику аналогічне відомому [4] явищу поглинання світлового променю ідеальною моделлю чорного тіла. Дана аналогія тим сильніша, що за законами геометричної акустики звукові хвилі розповсюджуються як світлові. Єдине обмеження: нижче певної частоти звукової хвилі до останньої закони геометричної акустики не застосовні. Тобто, в певному частотному діапазоні запропонований глушник діє як відома модель чорного тіла практично з абсолютною точністю, а в іншому (низькочастотному) діапазоні частот вищезгадана модель може розглядатись з певним обмеженням. Очевидно, що глушник буде тим ефективнішим, чим буде меншим співвідношення діаметрів вхідної труби і сферичної порожнини. Згідно [4] таке співвідношення має бути мінімум 0,1. Враховуючи той факт, що в [4] розглядалась ситуація для світлових хвиль, які є аналогами для звукових хвиль лише високих частот, а у звукових хвилях відпрацьованих газів основна частина спектру зосереджена в області низьких частот, стає очевидним наступне. Співвідношення діаметрів вихлопної труби і сферичної порожнини може бути дещо менше, ніж 0,1, а саме: 0,05-0,07. Як приклад можна розглянути наступну ситуацію. Вихлопна труба має діаметр 54мм (на електрозварювальному агрегаті, ДВЗ-АДЦ 3001, 2 циліндри, робочий об'єм - 1л). Тоді діаметр сфери становитиме, наприклад, 56см, тобто радіус r =0,28м. Звідси маємо, об'єм порожнини сферичного глушника: 4 4 V = pr 3 = p 0,283 = 9,2 ´ 10- 2 м3 = 92л. 3 3 Тобто, глушник досить об'ємний. Це його недолік. Але, по-перше, його акустична ефективність повинна бути дуже високою, а по-друге, даний глушник повинен мати вкрай низький аеродинамічний опір у порівнянні з глушником аналогічної акустичної ефективності. Отже, запропонована конструкція глушника має самі високі акустичні властивості і самі низькі втрати потужності двигуна серед існуючих глушників. Джерела інформації: 1. Бирюков Ю.В. Глушитель шума двигателя внутреннего сгорания. Авт. св. СССР №1700271 от 06.12.1989г. МКИ F01N 1/10. БИ №47 от 23.12.1991г. 2. Федоров В.В., Сахно В.П., Капко А.О., Федоров В.А. Спосіб глушіння шумів та пристрій для його здійснення. Деклараційний патент України №31715А від 26.10.1998р. Бюл. "Промислова власність" №7-11, 15.12.2000р. 3. Глушитель. Бюллетень "Изобретения стран мира. Реферативная информация", МКИ F01, выпуск 88, Москва, 1989, №1. Заявка ЕПВ №0271465, F01N 1/24. 4. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. Пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1990. 478с.: ил.