способ выпуска потока отработавших газов двухтактного двигателя внутреннего сгорания и глушитель шума

Формула изобретения

1. Способ выпуска потока отработавших газов двухтактного двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в формировании исходной волны сжатия в потоке отработавших газов, поступающих из двигателя при полном открытии выпускного окна, часть которой преобразуется в волну разрежения с последующим возвращением в цилиндр двигателя до закрытия продувочных окон, а часть в отраженную волну сжатия с последующим возвращением в цилиндр двигателя до закрытия выпускного окна, а часть отработавшего газа подвергается шумопоглощению, отличающийся тем, что в зоне максимального сжатия исходной волны часть ее формируют в дополнительную волну разрежения и направляют в цилиндр двигателя, а отраженную волну сжатия формируют при положении поршня двигателя в нижней мертвой точке, причем отработавший газ для шумопоглощения подают дискретными порциями с волнами отражения и разрежения при их возвращении в цилиндр двигателя, причем дискретные порции последовательно преобразуют в волны разрежения, которые направляют вдоль центральной трубы глушителя, и волны сжатия, которые направляют по касательной к центральной трубе.

2. Глушитель шума отработавших газов преимущественно для двухтактного двигателя внутреннего сгорания, содержащий цилиндрический корпус с впускным и выпускным патрубками, центральную трубу, расширительную камеру в виде усеченного конуса и ряд перфорированных перегородок между корпусом и центральной трубой, отличающийся тем, что глушитель снабжен камерой формирования отраженной волны в виде сужающегося по ходу движения отработавших газов конуса, расположенного на заднем конце центральной трубы, и выпускной радиальной щелью дополнительного разрежения отработавших газов, предусмотренной на периферии впускного патрубка в месте крепления расширительной камеры, кроме того, перфорация на первой со стороны впускного патрубка перегородке предусмотрена на поверхности, не обращенной к выпускной радиальной щели, а в каждой последующей перегородке на поверхности, не обращенной к перфорации на предыдущей перегородке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к способу организации процесса выпуска выхлопных газов и снижения уровня шума выхлопа двухтактного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и устройству для его осуществления.

Известно управляющее потоком отработавших газов устройство для мотоцикла. Устройство размещено под коробкой передач мотоцикла. Расширительное устройство может быть выполнено из отштампованных из листового металла элементов. Выпускное устройство содержит входную или коллекторную секцию, расширительную камеру и выход. Каналы входной коллекторной секции и расширительная камера могут быть изготовлены из соединенных штамповок или расширительная камера может быть образована из соединенных штамповок, а входные каналы коллекторной секции выполнены из трубчатых элементов. Во всех вариантах в расширительной камере установлен выпускной управляющий клапан для контроля пульсации во входных каналах коллекторной секции и выпускных трубах с целью улучшения характеристик во всем диапазоне нагрузок и частот вращения двигателя [1]

Известен способ выпуска отработавших газов, заключающийся в том, что давление вблизи выпускного окна сначала начинает резко возрастать, затем, достигнув максимума, падает и у нижней мертвой точке поршня имеет отрицательную величину; далее постепенно давление снова начинает расти и после закрытия продувочных окон опять становится положительным. Выпускное окно закрывается, а давление перед окном начинает падать. На протяжении почти всего периода продувки имеется разрежение, способствующее отсасыванию отработавших газов из цилиндра, уменьшению коэффициента остаточных газов и увеличению коэффициента наполнения за счет увеличения разности давлений в кривошипной камере и цилиндре.

После закрытия продувочного окна начинается действие отраженной волны избыточного давления и дозарядка цилиндра за счет свежей смеси, попавшей в выпускную трубу, т.е. дальнейшее увеличение коэффициента наполнения. Оставшийся отработавший газ далее подвергается шумоглушению [2]

Описанный способ организации процесса выпуска отработавших газов осуществляется глушителем шума выхлопных газов, содержащим цилиндрический корпус, в котором установлены труба с радиальными отверстиями и внутренними заглушками и ряд последовательно чередующихся глухих и перфорированных перегородок, образующих расширительные камеры, причем представлены зависимость по определению диаметра корпуса и трубы и соотношение площади отверстий трубы, размещенных в первой по потоку газа расширительной камере и боковой поверхности трубы [3]

Недостатком известного способа организации процесса выпуска отработавших газов и снижения уровня шума выхлопа двухтактного двигателя внутреннего сгорания и глушителя шума для его осуществления являются существенные потери мощности и экономичности двигателя, обусловленные тем, что процесс преобразования исходной волны сжатия в отраженную волну сжатия совмещен с процессом отвода выхлопных газов из мощностной части в заглушающую часть выпускной системы, что приводит к снижению интенсивности отраженной волны сжатия и, в итоге, не позволяет в полной мере уменьшить выброс топливо-воздушной смеси из цилиндра двигателя в выпускную систему и обеспечить более эффективно наполнение цилиндра.

Другим недостатком этого способа и глушителя для его осуществления является сильная отрицательная связь между величиной заглушения шума выхлопа и величиной потерь мощности и экономичности двигателя.

Это объясняется следующим.

Для обеспечения эффективного заглушения шума выхлопа необходимо уменьшать проходные сечения в заглушающей части выпускной системы с целью выравнивания переменного расхода и уменьшения энергии выхлопных газов за счет их дросселирования. Однако, в этом случае резко возрастает гидравлическое сопротивление, что приводит к росту давления в мощностной части выпускной системы и уменьшению интенсивности отраженной волны разрежения, т.к. интенсивность отраженной волны разрежения зависит от давления в исходной волне сжатия и давления на срезе впускного патрубка, от которого происходит отражение, равное давлению в мощностной части:



где P_н давление в мощностной части;

P_р давление отраженной волны разрежения;

P_исх давление исходной волны сжатия;

P_о атмосферное давление.

Анализ этого выражения и показывает, что при увеличении P_н и одинаковых значениях P_исх происходит уменьшение интенсивности отраженной волны разрежения P_р.

Уменьшение интенсивности отраженной волны разрежения приводит к ухудшению очистки цилиндра двигателя от остаточных газов, что, в свою очередь, вызовет снижение мощности и экономичности двигателя.

Кроме того, последовательное соединение мощностной и заглушающей частей выпускной системы у известных способа и глушителя приводит к чрезмерным длинновым габаритным размерам.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности заглушения шума выхлопа, повышение мощности и экономичности двигателя и уменьшение габаритных размеров выпускных систем двухтактных ДВС.

Поставленная задача решается следующим образом.

В способе выпуска потока отработавших газов двухтактного двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в формировании исходной волны сжатия в потоке отработавших газов, поступающих из двигателя при полном открытии выпускного окна, часть которой преобразуется в волну разрежения с последующим возвращением в цилиндр двигателя до закрытия продувочных окон, а часть в отраженную волну сжатия с последующим возвращением в цилиндр двигателя до закрытия выпускного окна, а часть отработавшего газа подвергается шумопоглощению, в зоне максимального сжатия исходной волны часть ее формируют в дополнительную волну разрежения и направляют в цилиндр двигателя, а отраженную волну сжатия формируют при положении поршня двигателя в нижней мертвой точке, причем отработавший газ для шумопоглощения подают дискретными порциями с волнами отражения и разрежения при их возвращении в цилиндр двигателя, причем дискретные порции последовательно преобразуют в волны разрежения, которые направляют вдоль центральной трубы глушителя, и волны сжатия, которые направляют по касательной к центральной трубе.

Выполнение этих операций обеспечивает существенно выше интенсивность отраженных волн разрежения и сжатия, что позволяет осуществить более полную очистку и наполнение цилиндра, уменьшить выброс топливо-воздушной смеси в выпускную систему и, в итоге, повысить мощность и экономичность двигателя. Обеспечение практически равномерного истечения отработавших газов в окружающую среду позволяет существенно повысить эффективность заглушения шума выхлопа, т. к. пульсирующий характер истечения отработавших газов, в основном, определяет уровень шума выхлопа ДВС.

Выполнение операции направления отработавших газов в общий объем дискретными порциями за период между двумя рабочими циклами двигателя позволяет выравнить давление газов в этом объеме и равномерно выпускать их в окружающую среду.

Выполнение операции отвода отработавших газов из мощностной части выпускной системы через щель, выполненную на боковой поверхности впускного патрубка, позволяет снизить акустическую мощность истекающих выхлопных газов, что дополнительно повышает эффективность заглушения шума выхлопа. Это является следствием того, что в заявляемом устройстве, реализующем операции заявляемого способа, скорость истечения выхлопных газов из выпускного отверстия определяется статическим давлением потока в зоне выпускного отверстия во впускном патрубке (являющимся полным давлением для потока в направлении, перпендикулярном движению основного потока во впускном патрубке), в то время как, в прототипе скорость истечения отработавших газов определяется полным давлением на срезе впускного патрубка. Разница между этими давлениями, например, при числе Маха 0,5 достигает 19% что приводит к уменьшению скорости истечения на 9% Принимая во внимание, что площадь выпускного отверстия в заявляемом устройстве составляет 0,4 площади поперечного сечения впускного патрубка, снижение уровня акустической мощности истекающих отработавших газов составляет 4 дБ.

Операции заявляемого способа могут быть осуществлены глушителем шума отработавших газов преимущественно для двухтактного двигателя внутреннего сгорания, содержащего цилиндрический корпус с впускным и выпускным патрубками, центральную трубу, расширительную камеру в виде усеченного конуса и ряд перфорированных перегородок между корпусом и центральной трубой, причем глушитель снабжен камерой формирования отраженной волны в виде сужающегося по ходу движения отработавших газов конуса, расположенного на заднем конце центральной трубы, и выпускной радиальной щелью дополнительного разрежения отработавших газов, предусмотренной на периферии впускного патрубка в месте крепления расширительной камеры, кроме того, перфорация на первой со стороны впускного патрубка перегородке предусмотрена на поверхности, не обращенной к выпускной радиальной щели, а в каждой последующей перегородке на поверхности, не обращенной к перфорации на предыдущей перегородке.

Выполнение обратного конуса цельным позволяет, в отличие от прототипа, повысить интенсивность отраженной волны сжатия, что приводит к существенному уменьшению выброса топливо-воздушной смеси в выпускную систему, увеличению наполнения цилиндра и, тем самым, к повышению мощности и экономичности ДВС.

Выполнение мощностной части, начиная с впускного патрубка, заключенной в наружный корпус, позволяет, в отличие от прототипа, не использовать отдельную заглушающую часть, т.к. ее роль в заявляемом устройстве выполняет объем, заключенный между мощностной частью и наружным корпусом, что позволяет существенно уменьшить габаритные размеры, номенклатуру деталей системы выпуска и повысить эффективность заглушения шума выхлопа ДВС за счет выравнивания давления в этом объеме.

Выполнение выпускной радиальной щели в боковой поверхности впускного патрубка позволяет снизить акустическую мощность истекающих выхлопных газов за счет уменьшения их мгновенного расхода и скорости, что также приводит к повышению эффективности заглушения шума выхлопа.

Использование в заявляемом устройстве расширяющейся камеры 4, цилиндрической трубы 5 и сужающегося конуса 6 расширяет диапазон эффективной настройки выпускной системы двигателя за счет согласования подхода волн разрежения и сжатия в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя, что способствует существенному повышению мощности и экономичности двигателя во всем рабочем диапазоне частот вращения.

Заявляемые технические решения поясняются чертежами, где на фиг.1 изображен глушитель шума; на фиг.2 осциллограммы изменения давления у выпускного отверстия мощностной части (1) и на срезе выпускного патрубка (2) глушителя шума, описанного в прототипе (3); на фиг.3 осциллограмма изменения давления у выпускного отверстия мощностной части (1") и на срезе выпускного патрубка (2") глушителя шума, описанного в заявляемом техническом решении.

Операции заявляемого способа осуществляются глушителем шума, содержащим мощностную часть, образованную соединенным с выпускным окном 1 двигателя приемной трубой 2, сообщенной через впускной патрубок 3 с расширяющейся камерой 4, переходящим в цилиндрическую трубу 5, завершающуюся сужающимся конусом 6, заключенные, начиная с впускного патрубка 3, в наружный корпус 7.

На боковой поверхности впускного патрубка 3, в месте его соединения с расширяющейся камерой в виде усеченного конуса 4, выполнена выпускная радиальная щель 8. Объем, образованный наружным корпусом 7 и заключенным им участком мощностной части, является заглушающей частью выпускной системы и через выпускной патрубок 9 сообщается с окружающей средой. Этот объем разделен на секции посредством перегородок 10 в виде дисков с отверстиями 11, причем отверстия на первой со впускного патрубка 3 перегородке 10 выполнены на поверхности, не обращенной к щели 8, а в каждой последующей перегородке 10 отверстия выполнены на поверхности, не обращенной к отверстиям на предыдущей перегородке. Это предотвращает "лучевое" проникновение колебаний давления в выпускной патрубок 9, увеличивает длину пути газа внутри объема и, таким образом, способствует дополнительному выравниванию давления перед выпускным патрубком и повышает эффективность заглушения шума выхлопа.

Операции заявляемого способа осуществляются следующим образом.

Исходная волна сжатия, сформировавшаяся в процессе выпуска отработавших газов, движется от выпускного окна 1 двигателя по приемной трубе 2 и далее - во впускной патрубок 3. Достигнув выпускной радиальной щели 8, исходная волна сжатия частично отражается первичной волной разрежения и частично продолжает движение по расширяющейся камере 4. Первичная отраженная волна разрежения движется к цилиндру двигателя (не показано) и, достигнув выпускного окна 1, способствует лучшей очистке цилиндра от остаточных газов. Прошедшая в расширяющуюся камеру 4 исходная волна сжатия отражается от него вторичной волной разрежения, которая подходит к выпускной радиальной щели 8 и способствует увеличению осевой скорости потока в зоне щели 8, тем самым увеличивая амплитуду вошедшей во впускной патрубок 3 волны сжатия и, кроме того, снижает амплитуду волны сжатия по мере ее продвижения по расширяющейся камере 4, тем самым снижая потери на трение в волне.

Далее вторичная волна разрежения подходит к выпускному окну 1 двигателя и тем самым увеличивает суммарную величину разрежения у выпускного окна 1, улучшая степень очистки цилиндра двигателя от остаточных газов. Благодаря подобранной длине цилиндрической трубы 5 разрежение у выпускного окна 1 удерживается до момента закрытия продувочных окон двигателя.

Исходная волна сжатия, достигнув сужающегося конуса 6, отражается от него также волной сжатия. Сужающийся конус 6 предотвращает образование отраженной ударной волны (возникающей при взаимодействии волны сжатия с плоской стенкой) и способствует образованию отраженной волны сжатия желательной конфигурации. При движении отраженной волны сжатия через расширяющуюся камеру 4 по направлению к выпускному окну 1 двигателя происходит усиление ее интенсивности за счет уменьшения площади поперечного сечения расширяющейся камеры 4 в направлении ее движения. К выпускному окну уже подходит мощная волна сжатия, которая предотвращает выброс топливо-воздушной смеси, попавшей в выпускную систему в процессе продувки, заталкивая ее обратно в цилиндр, увеличивая тем самым его наполнение, что приводит к повышению мощности и экономичности двигателя.

При прохождении волн сжатия как исходной, так и отраженных по приемной трубе 2, через впускной патрубок 3 происходит истечение выхлопных газов в заглушающую часть выпускной системы, где они расширяются и полностью тормозятся. Далее через выпускной патрубок 9 отработавшие газы отводятся в окружающую среду. Благодаря тому, что поступление выхлопных газов в заглушающую часть выпускной системы происходит дискретными порциями, причем разнесенными во времени, связанное с прохождением волн сжатия и разрежения мимо выпускной щели 8 в разные моменты времени, происходит выравнивание колебаний давления в этом объеме. Это обеспечивает практически равномерное истечение отработавших газов через выпускной патрубок 9 в окружающую среду и резкое снижение уровня шума выхлопа, т.к. шум, обусловленный пульсирующим характером истечения выхлопных газов, определяет уровень шума выхлопа ДВС.

Анализ приведенных осциллограмм подтверждает, что в заявляемом глушителе шума в сравнении с прототипом:

обеспечивается меньшая скорость истечения отработавших газов из выпускного отверстия мощностной части за счет меньшего перепада давлений, что приводит к снижению акустической мощности истекающих в заглушающую часть отработавших газов;

характер изменения давления у выпускного отверстия мощностной части заявляемого устройства обеспечивает направление отработавших газов в заглушающую часть дискретными порциями, за период между двумя рабочими циклами двигателя, что позволяет выравнить давление газов в ней и равномерно выпускать их в окружающую среду;

обеспечивается заметное снижение колебаний давления на срезе выпускного патрубка и более низкий уровень давления, что позволяет существенно повысить эффективность заглушения шума выхлопа.

Технические преимущества заявляемого способа организации процесса выпуска отработавших газов и снижения уровня шума выхлопа двухтактного ДВС и глушителя шума в сравнении с базовым, в качестве которого была выбрана выпускная система двухтактного двигателя ТМЗ-200 грузового мотороллера "Муравей-2М", заключаются также в повышении эффективности заглушения шума выхлопа на 6 дБА, увеличении мощности двигателя на 11% крутящего момента на 10% и снижении удельного эффективного расхода топлива на 17%