глушитель шума выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. ГЛУШИТЕЛЬ ШУМА ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий цилиндрический корпус с передней торцевой стенкой, в которой закреплен впускной патрубок, задней торцевой стенкой, выполненной в виде конфузора, с выпускным патрубком и перегородками, разделяющими корпус на три камеры, и два завихрителя, один из которых закреплен с помощью фланца в первой по потоку газов перегородке, а другой - во второй перегородке, отличающийся тем, что передняя торцевая стенка корпуса выполнена в виде сопла, завихрители снабжены заглушками и лопатками, которые одним торцем прикреплены к фланцу, а другим торцем, обращенным в сторону впускного патрубка, к заглушке, причем каждая лопатка выполнена с шириной, увеличивающейся в направлении потока газов, а проходное сечение фланца второго завихрителя выполнено с площадью, не меньшей площади проходного сечения фланца первого завихрителя.

2. Глушитель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен вакуумным эжекторным насосом, расположенным между завихрителями и выполненным в виде трех сопряженных между собой усеченных конусов, средний из которых выполнен с перфорацией.

3. Глушитель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в первой по потоку газов камере соосно первому завихрителю установлена эжекторная трубка, закрепленная в заглушке этого завихрителя и проходящая между его лопатками и внутри отверстия его фланца, причем открытый торец эжекторной трубки обращен в сторону второго завихрителя.

4. Глушитель по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен промежуточной перегородкой, расположенной между первой и второй перегородками, и третьим завихрителем с заглушкой и лопатками, которые одним торцем прикреплены к фланцу, размещенному на промежуточной перегородке, а другим торцем, обращенным в сторону впускного патрубка, к заглушке, причем каждая лопатка третьего завихрителя выполнена с шириной, увеличивающейся в направлении потока газов, проходное сечение фланца третьего завихрителя выполнено с площадью, не меньшей площади проходного сечения фланца первого завихрителя, а проходное сечение фланца второго завихрителя выполнено с площадью, не меньшей площади проходного сечения третьего завихрителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к глушителям шума выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано в выхлопных системах карбюраторных, дизельных и других двигателей внутреннего сгорания.

Глушители шума выхлопных газов, устанавливаемые на выходе выхлопной системы двигателя, работают на принципе многократного расширения поступающих в них газов, которое происходит в камерах глушителя, разделенных перегородками и сообщающихся одна с другой, например, через закрепленные в перегородках трубки со скошенными концами, обращенными скосами к центру камеры. В результате расширения газов при поступлении из одной камеры глушителя в другую падает их температура и давление, что приводит к снижению уровня шума газов на выходе из глушителя [1].

Глушение шума выхлопа, осуществляемое подобным образом, является глушением статического типа, при котором газы начинают перетекать из предыдущей камеры в последующую, когда их давление в первой из камер превысит давление во второй. До этого момента происходит лишь заполнение газами объема предыдущей камеры и их скорость на выходе из коллектора двигателя оказывается сравнительно небольшой, т.е. имеет место как бы торможение газов на входе глушителя, и на выходе цилиндра двигателя создается избыточное давление газов. Следствием этого является наличие остаточных выхлопных газов в цилиндре после выхлопа, при нахождении поршня в верхней мертвой точке. Это, в свою очередь, приводит к неполному последующему наполнению цилиндра воздушно-бензиновой смесью (карбюраторные двигатели) или воздухом (дизельные двигатели) и к уменьшению количества кислорода в цилиндре. Поэтому при сгорании топлива температура и давление газов в цилиндре будут ниже, чем в случае, когда остаточные выхлопные газы в нем отсутствуют, и топливо будет гореть медленнее. Все это увеличивает расход топлива и, соответственно, снижает КПД двигателя, а также его мощность. Кроме того, в выхлопных газах увеличивается содержание вредных примесей (углекислый газ, двуокись азота, органические соединения).

Для увеличения мощности и КПД двигателя внутреннего сгорания в его выхлопную систему устанавливают специальные устройства, например, устройство, представляющее собой цилиндрическую трубу со спиралью, расположенной с зазором относительно внутренней поверхности трубы. Это устройство разгоняет поток отработавших газов, создавая кратковременное разрежение на выходе цилиндра двигателя при закрытом выпускном клапане (2).

Однако устройство имеет сравнительно большие габариты и его установка в выхлопную систему двигателя в ряде случаев связана с определенными неудобствами. Кроме того, поскольку в выхлопной системе за устройством следует глушитель, на входе которого, как было указано выше, создается избыточное давление, то выигрыш в КПД и мощности двигателя при использовании этого устройства оказывается незначительным (примерно 3%).

Существуют и другие пути повышения мощности двигателя, например турбонаддув - продувка цилиндра компрессором с целью вывода из него остаточных выхлопных газов (дизельные двигатели большой мощности) или увеличение продолжительности одновременного открытия впускного и выпускного клапанов цилиндра (двигатели в спортивных автомобилях). Однако применение таких мер сопровождается увеличением расхода топлива и значительного повышения КПД двигателя не достигается.

Известен глушитель шума выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с впускным и выпускным патрубками, разделенными тремя перегородками на впускную, выпускную и две промежуточных камеры. Впускной патрубок закреплен на передней торцевой стенке с плоской поверхностью, а выпускной - на задней торцевой стенке, выполненной в виде конфузора, т.е. усеченного конуса, сужающегося в направлении газового потока. В крайних перегородках установлены с помощью фланцев конические щелевые завихрители, обращенные навстречу газовому потоку, а в периферийных отверстиях средней перегородки закреплены трубки, имеющие на выпускных концах скосы, обращенные к оси корпуса. Кроме того, в средней перегородке соосно корпусу установлена центральная трубка, сообщающая первую по потоку промежуточную камеру с выпускной камерой. Эта центральная трубка проходит внутри второго по потоку завихрителя, причем ее входной конец перфорирован [3].

В этом глушителе благодаря наличию второго завихрителя и диффузора перед выпускным патрубком, в первой промежуточной камере, куда поступают газы из первого завихрителя, создается определенное разрежение. Это приводит к увеличению скорости газов в выхлопной системе и способствует некоторому увеличению КПД и мощности двигателя (расход топлива в двигателе при использовании этого глушителя снижается на 10-15%). Таким образом, глушитель помимо осуществления основной функции - глушения шума выхлопа, обладает способностью улучшать характеристики двигателя по сравнению с вариантом, когда этот двигатель работает с традиционным глушителем, действующим по принципу статического дросселирования. Дальнейшее же улучшение этих характеристик двигателя (КПД, мощность, расход топлива, уменьшение количества вредных веществ в выхлопе) с помощью глушителя, без введения в выхлопную систему специальных, предназначенных для этой цели устройств, не может быть обеспечено в силу следующих особенностей рассмотренной конструкции.

Во-первых, скорость газа на входе глушителя ограничена из-за плоской поверхности передней торцевой стенки корпуса, иначе говоря, среза впускного патрубка, и не может достигнуть некоторой критической величины, при которой создается разрежение на выходе из цилиндра достаточно высокого уровня (технический вакуум). Во-вторых, щелевой завихритель обладает недостаточной пропускной способностью, чтобы проходящие через него газы развили скорость, необходимую для возникновения такого разрежения на выходе из цилиндра. Увеличение же размеров щелей в завихрителях недопустимо, так как при этом снижается эффективность глушения.

Задачей изобретения является создание глушителя шума выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающего увеличение скорости поступающих в него газов до критической величины, при которой на выходе из двигателя создается разрежение более высокого уровня, что дает возможность улучшить способность глушителя, повышать КПД и мощность двигателя, снижать расход потребляемого им топлива и количество вредных веществ в выхлопных газах.

Для решения указанной задачи в глушителе шума выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащем корпус, разделенный перегородками на камеры, с впускным патрубком на передней по потоку газов торцевой стенке и выпускным патрубком на задней торцевой стенке, выполненной в виде конфузора, и установленные в корпусе два завихрителя, первый из которых закреплен с помощью фланца в первой по потоку газов перегородке а второй - в последней перегородке, согласно изобретению, передняя торцевая стенка корпуса выполнена в виде сопла, а каждый из завихрителей представляет собой лопастной завихритель, лопатки которого прикреплены одним торцом к фланцу, а другим торцом лопатки обращены к впускному патрубку, причем ширина лопаток увеличивается в направлении потока газов, на торцах лопаток, обращенных к впускному патрубку, закреплена заглушка, а площадь проходного сечения фланца второго завихрителя не меньше площади проходного сечения фланца первого завихрителя.

Выполнение передней торцевой стенки в виде сопла обеспечивает разгон и резкое расширение газов, поступающих через впускной патрубок без запирания последнего. При этом установленный за соплом лопастной завихритель, обладая более высокой пропускной способностью по сравнению со щелевым ввиду большого зазора между лопатками, образующего как бы расширяющуюся от центра к периферии щель, позволяет полностью освободить впускную камеру от газов до поступления их очередной порции из следующего цилиндра двигателя. Увеличению пропускной способности завихрителя содействует также переменная ширина его лопаток, благодаря которой газы на выходе из завихрителя заполняют всю площадь отверстия его фланца. Эти соображения касаются также и второго завихрителя, площадь проходного сечения фланца которого должна быть не меньше площади проходного сечения фланца первого завихрителя во избежание торможения газового потока в глушителе. Заглушка, установленная на передних торцах лопаток каждого завихрителя, служит для равномерной подачи газов по длине лопаток.

Наличие в предлагаемом глушителе передней торцевой стенки в виде сопла и лопастных завихрителей с увеличивающейся в направлении газового потока шириной лопаток обеспечивает достижение столь больших скоростей потока, что на входе глушителя при закрытии выхлопного клапана цилиндра двигателя создается разрежение очень высокого уровня, которое способствует выходу выхлопных газов из следующего цилиндра и лучшее наполнение его воздушно-бензиновой смесью, в том числе кислородом. В итоге предлагаемый глушитель повышает КПД и мощность двигателя, снижает расход топлива, а также уменьшает содержание вредных веществ в выхлопных газах.

Глушитель может содержать вакуумный эжекторный насос, расположенный между завихрителями и включающий три сопряженных между собой усеченных конуса, средний из которых перфорирован.

Кроме того, в первой по потоку газов камере соосно первому завихрителю может быть установлена эжекторная трубка, закрепленная в заглушке этого завихрителя и проходящая между его лопатками и внутри отверстия его фланца, причем открытый торец эжекторной трубки обращен в сторону второго завихрителя.

Глушитель может также содержать третий лопастной завихритель, лопатки которого одним торцом прикреплены к фланцу, закрепленному в промежуточной перегородке, расположенной между указанными первой и последней перегородками, а другим торцом обращены к впускному патрубку, причем ширина лопаток третьего завихрителя увеличивается в направлении потока газов, на торцах его лопаток, обращенных к впускному патрубку, закреплена заглушка, площадь проходного сечения фланца третьего завихрителя не меньше площади проходного сечения фланца первого завихрителя, а площадь проходного сечения фланца второго завихрителя не меньше площади проходного сечения фланца третьего завихрителя.

Введение этих элементов в конструкцию глушителя улучшает указанные выше характеристики двигателя и к тому же обеспечивает снижение уровня шума выхлопных газов.

На фиг. 1 изображен один из вариантов выполнения предлагаемого глушителя, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 - другой вариант выполнения предлагаемого глушителя, продольный разрез.

Глушитель шума выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания содержит цилиндрический корпус 1 (фиг. 1) с впускным патрубком 2 на передней торцевой стенке, выполненной в виде сопла 3, например, конической формы, и выпускным патрубком 4 на задней торцевой стенке, выполненной в виде конфузора 5. Пространство внутри корпуса 1 разделено перегородками 6 и 7 на впускную 8, промежуточную 9 и выпускную 10 камеры. Во впускной камере 8 установлен лопастной завихритель 11, закрепленный своим фланцем 12 в перегородке 6. Лопатки 13 завихрителя 11, приваренные торцом к фланцу 12, расположены по касательной к окружности, ограничивающей отверстие 14 последнего, как видно на фиг. 2, и перпендикулярно его поверхности, хотя возможна установка лопаток 13 под острым углом к поверхности фланца 12. Ширина лопаток 13 завихрителя 11 увеличивается в направлении газового потока: наибольшую ширину лопатка 13 имеет на торце, прикрепленном к фланцу 12 (фиг. 3), а наименьшую - на торце, обращенном к впускному патрубку 2. Для лопаток, установленных перпендикулярно плоскости фланца 12 завихрителя, оптимальным является соотношение ширины торцов лопаток 1 : 2.

К меньшим, обращенным к впускному патрубку 2 торцам лопаток 13 приварена заглушка 15, например, в виде диска, перекрывающая поперечное сечение завихрителя 11 - диаметр заглушки 15 по меньшей мере равен диаметру окружности 16, проходящей через наружные кромки лопаток 13 в местах их крепления к фланцу 12, т.е. вокруг их более широких торцов. В заглушке 15 соосно завихрителю 11 закреплена эжекторная трубка 17, обращенная закрытым торцом к впускному патрубку 2. Эта трубка 17 проходит внутри завихрителя 11 и ее открытый торец расположен заподлицо с выходным (находящимся в камере 9) торцом фланца 12. Удаленный от завихрителя 11 конец эжекторной трубки 17 перфорирован.

В промежуточной камере 9 установлен эжекторный вакуумный насос, состоящий из трех расположенных последовательно усеченных конусов 18, 19 и 20, сопряженных между собой основаниями, причем первый конус 18 обращен большим основанием к впускному патрубку 2, а конуса 19 и 20 обращены большими основаниями к выпускному патрубку 4. Средний конус 19 перфорирован. В камере 9 за эжекторным насосом находится второй лопастной завихритель 21, фланец 22 которого закреплен в перегородке 7. Завихритель 21 аналогичен по конструкции завихрителю 11, т.е. имеет лопатки с увеличивающейся в направлении газового потока шириной и заглушку 23, приваренную к меньшим торцам лопаток. В заглушке 23 закреплена вторая эжекторная трубка 24, установленная относительно завихрителя 21 так же, как заглушка 15 относительно завихрителя 11. Конец трубки 24, на котором находится ее закрытый торец, перфорирован и расположен внутри конуса 19 эжекторного насоса.

Проходное сечение фланца 22 завихрителя 21 больше проходного сечения фланца 12 завихрителя 11 или в крайнем случае равно ему. Под проходным сечением фланца понимается площадь поперечного сечения его отверстия, свободная для прохождения газов. В рассматриваемом варианте выполнения глушителя, соответствующем фиг. 1, проходным сечением фланца каждого из завихрителей 11 и 21 является разность между площадью поперечного сечения этого фланца и площадью поперечного сечения вставленной в это отверстие эжекторной трубки 17 и 24 соответственно. Если же эжекторная трубка отсутствует, то проходное сечение фланца равно полной площади его отверстия. Предпочтительно, чтобы отношение проходного сечения фланца первого по потоку завихрителя 11 к проходному сечению фланца второго завихрителя 21 составляло 1 : 1,15, в этом случае достигается максимальное увеличение КПД и мощности двигателя при достаточно эффективном шумоглушении. Если же требования к качеству глушения снижены, как это имеет место в спортивных автомобилях, где доминирующим моментом является повышение мощности двигателя, то проходное сечение фланца завихрителя 21 может превышать проходное сечение фланца завихрителя 11 в 1,5 раза и более.

На фиг. 4 представлен другой вариант конструкции предлагаемого глушителя, в котором внутри корпуса 1 кроме перегородок 6 и 7 имеется промежуточная перегородка 25. В перегородке 25 закреплен с помощью фланца 26 третий лопастной завихритель 27 с заглушкой 28, выполненный и ориентированный аналогично завихрителям 11 и 21. Отличие этого варианта конструкции глушителя от рассмотренного выше состоит также в отсутствии эжекторных трубок в завихрителях 11 и 21 и вакуумного эжекторного насоса между ними. В связи с наличием дополнительной камеры 29, в которой расположен третий завихритель 27, глушитель имеет большую длину по сравнению с конструкцией, изображенной на фиг. 1. Площадь проходного сечения фланца 21 завихрителя 22 не меньше площади проходного сечения фланца 26 завихрителя 27, а площадь проходного сечения фланца 26 завихрителя 27 не меньше площади проходного сечения фланца 12 завихрителя 11. Оптимальное отношение площадей проходного сечения фланцев завихрителей 11, 27 и 21 составляет 1 : 1,15 : 1,3, а верхний предел этого отношения определяется допустимым уровнем шума выхлопных газов.

Возможны другие варианты выполнения глушителя, например в варианте на фиг. 1, могут отсутствовать эжекторный насос, образованный конусами 18, 19 и 20, и/или эжекторные трубки 17 и 24 или одна из этих трубок. Кроме того, в промежуточной перегородке 25 (фиг. 4) вместо завихрителя 27 могут быть установлены трубки со скошенными выпускными концами, обращенные скосами к оси корпуса, как в глушителе (3). Таким образом, эти элементы - средний лопастной завихритель 27 (фиг. 4), эжекторные трубки 17 и 24 (фиг. 1) и эжекторный насос не являются необходимыми для решения положенной в основу изобретения задачи, их наличие обеспечивает лишь дополнительное повышение мощности и КПД двигателя, снижение расхода топлива и снижение уровня шума выхлопных газов.

Предлагаемый глушитель работает следующим образом. Выхлопные газы из впускного патрубка 2 (фиг. 1) поступают в сопло 3 и разгоняются в нем, при этом происходит выравнивание давления и скорости газов по сечению сопла. В камере 6 газы резко расширяются, теряя скорость и температуру, направляются заглушкой 15 в зазоры между лопатками завихрителя 11 и в виде закрученной струи проходят через отверстие 14 его фланца 12. Лопастной завихритель обладает пропускной способностью, превышающей в 3-4 раза пропускную способность патрубка любой конфигурации с таким же проходным сечением при ламинарном потоке газов. Это связано, во-первых, с тем, что площадь входного сечения завихрителя, образованного большими зазорами между лопатками (зазорами по периферии завихрителя), больше площади выходного сечения, образованного меньшими зазорами (в центральной части завихрителя), как показано на фиг. 2. Поэтому лопастной завихритель действует как несколько конических сопел, в то время, как щелевой завихритель в глушителе (3) имеет щели с одинаковым сечением. Во-вторых, высокая пропускная способность лопастного завихрителя обусловлена также увеличением ширины его лопаток в направлении газового потока, поскольку в этом случае окружная скорость и давление газов, прошедших между лопатками завихрителя, увеличивается вдоль его оси с увеличением ширины лопаток и газы занимают все проходное сечение фланца.

Таким образом, завихритель 11 обеспечивает быстрое удаление газов из камеры 8 до поступления следующей их порции, в результате чего в выхлопном коллекторе двигателя создается разрежение очень высокого уровня. Одновременно при прохождении газов через узкие зазоры между лопатками завихрителя и при их закрутке обеспечивается глушение шума выхлопа.

Вылетая из отверстия фланца 12 закрученные газы расширяются как внутрь струи, так как по оси струи на выходе из этого отверстия создается вакуум эжекторной трубкой 17, так и наружу благодаря действию эжекторного вакуумного насоса. Резкое расширение закрученных газов сопровождается дальнейшим падением их температуры и, соответственно, давления. Перфорация на закрытом конце эжекторной трубки 17 способствует созданию дополнительного разрежения в камере 8.

Основная часть газового потока, закрученного с высокой скоростью, поступает по конусам 18 и 19 эжекторного насоса к завихрителю 21. Некоторая часть расширившихся газов проходит через перфорационные отверстия в конусе 19 и попадает в пространство между ним и корпусом. Завихритель 21 выбрасывает закрученную газовую струю в камеру 10, создавая в ней разрежение снаружи от струи, а эжекторная трубка 24 обеспечивает образование вакуума на выходе завихрителя 21 внутри струи. Когда давление газов внутри конусов эжекторного насоса станет меньше, чем давление газов, находящихся между конусом 19 и корпусом 1, газы через перфорационные отверстия конуса 19 проникают внутрь насоса, где они отсасываются эжекторной трубкой 24 и завихрителем 21. Таким образом, перфорация среднего конуса 19 эжекторного насоса служит для сглаживания импульса давления, обеспечивая эффективное глушение шума. Из камеры 10 газы через выпускной патрубок 4 выводятся в атмосферу.

Глушитель, изображенный на фиг. 4, работает аналогично.

Таким образом, предлагаемый глушитель разгоняет поток отработавших газов до такой скорости, что при закрытии выпускного клапана цилиндра двигателя создается кратковременное разрежение очень высокого уровня. В результате облегчается выход газов из следующего цилиндра, производится продувка камеры сгорания воздушно-бензиновой смесью в карбюраторном двигателе или воздухом в дизельном двигателе при одновременном открытии впускного и выпускного клапанов. Это обеспечивает отсутствие выхлопных газов в камере сгорания, лучшее наполнение цилиндра смесью, включая кислород, что приводит к более эффективному сгоранию смеси, более быстрому, с более высокой температурой и под большим давлением. В итоге достигается повышение мощности и КПД двигателя и снижение расхода топлива. К тому же уменьшается количество вредных веществ в отработавших газах.

По сравнению с глушителем (3) предлагаемый глушитель обеспечивает увеличение мощности двигателя внутреннего сгорания более чем в 3 раза, снижение расхода топлива на 50-60%, и соответственно достаточно большое повышение КПД двигателя.