Система активного подавления шума выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания - RU2009334C1

Чертежи

Показать все 13 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к устройствам для снижения шумов при всасывании и/или выхлопе в двигателях внутреннего сгорания и им подобных, а именно к устройству ослабления шума в двигателях, в котором (устройстве) используются антишумовые или шумоподавляющие излучатели звуковых колебаний для ослабления звука, образуемого в таком двигателе. Разные отличительные признаки настоящего изобретения могут использоваться для ослабления звука в системах всасывания и выхлопа двигателей внутреннего сгорания, в компрессорах, насосах и тому подобное. Предпочитаемый вариант реализации предлагаемого изобретения относится в основном к двигателям внутреннего сгорания, однако оно может быть адаптировано для ослабления звука в других установках, представляющих конфигурации, генерирующие аналогичный шум, в таких как системы всасывания и выхлопа некоторых компрессоров и насосов и тому подобное.

Многочисленные пассивные системы для подавления звука при всасывании и/или выхлопе газодвижущих систем были предложены ранее. В таких пассивных системах используется звукоизолирующий материал и/или перегородки для подавления звуковых колебаний до того, как они достигнут окружающей атмосферы. Эти так называемые "пассивные системы", такие как обычные автомобильные глушители выхлопных газов, имманентно ограничивают поток выхлопных газов и тем самым приводят к потерям энергии со снижением эффективности работы двигателей внутреннего сгорания транспортных средств. Также хорошо известно, что снижение или аннулирование ограничивающего противодавления выхлопных газов существенно улучшает КПД двигателя. Однако применение такой "прямой трубы" в работе автомобилей ведет к образцам звука в общественных местах, которые не только неприятны, но и вредны для здоровья. По этим причинам фактически каждая промышленно развитая нация имеет ограничения в отношении уровня распространения звука, который может быть образован автомобилями и другими техническими средствами, работающим в общественных местах. До настоящего времени, чтобы удовлетворить эти требования в отношении подавления шума, фактически все автомобили основываются на пассивных системах глушителей с вытекающим отсюда снижением эффективности двигателя. В прямой связи со снижением эффективности двигателя находится, конечно, повышенное загрязнение из-за повышенного потребления углеродного топлива.

Известна система активного подавления шума выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащая выхлопную трубу с впускным и выпускным отверстиями, шумоподавляющую камеру с выходным отверстием, установленную на выхлопной трубе, и шумоподавляющий репродуктор с системой управления уровнем шума, расположенный в шумоподавляющей камере.

Цель изобретения - создание усовершенствованной активной шумоподавляющей системы, которая совместима с рабочими условиями выхлопных систем двигателя внутреннего сгорания транспортного средства и ему подобного, создание системы, которая подавляет шум, образуемый в результате быстрого изменения источников шума, таких как используемые в автомобилях выхлопные системы, в течение нормальных операций привода и тому подобное, создание компактной и экономичной для производства шумоподавляющей системы, которая может быть включена в массовое производство транспортных средств с последующим существенным снижением общих затрат по эксплуатации таких транспортных средств по сравнению с транспортными средствами, имеющими традиционные пассивные системы глушителей.

Цель достигается путем создания звукоослабляющей системы, которая обладает одной или больше из нижеследующих характеристик:
1) шумоподавляющая камера располагается между шумоподавляющими звукоизлучателями и системой направления текучей среды для текучей среды, распространяющей нежелательный шум, тем самым защищая шумоподавляющие звукоизлучатели от любых резких окружающих условий среды, распространяющей нежелательный шум;
2) шумоподавляющие звукоизлучатели открываются в акустически настраиваемую шумоподавляющую камеру, которая в свою очередь открывается в текучую среду, распространяющую нежелательный шум, тем самым усиливая эффективное действие шумоподавляющего звукоизлучателя;
3) шумоподавляющие звуковые колебания вводятся в среду, распространяющую нежелательный шум в таком положении, что эффективный источник и нежелательного звука и шумоподавляющего звука является по существу почти совпадающими, тем самым усиливая эффективное общее аннулирование нежелательного звука.

В некоторых предпочитаемых вариантах реализации настоящего изобретения активная шумоподавляющая система выполнена с расчетом, чтобы избегать размещения шумоподавляющих звукоизлучателей в условиях потока текучей среды, распространяющей нежелательный шум, как, например, резкие условия выхлопных газов выхлопной системы транспортного средства. В специально предпочитаемых вариантах реализации система ослабления шума включает в себя шумоподавляющую камеру, которая окружает всей частью своей длины центрально расположенную выхлопную трубу двигателя, при этом шумоподавляющая камера и выхлопная труба открываются в атмосферу по существу в одной и той же плоскости, и по крайней мере, на протяжении длины, соответствующей менее чем одной трети длины самого короткого колебания (волны) нежелательного шума, подлежащего ослаблению. Шумоподавляющие акустические системы открываются в шумоподавляющую камеру, которая полностью изолирована от выхлопной трубы, и тем самым акустические системы не подвергаются резким химическим и тепловым окружающим условиям выхлопных газов.

В некоторых специально предпочитаемых вариантах реализации для использования с выхлопными системами самоходных транспортных средств шумоподавляющая камера выполнена как акустически настраиваемая кольцевая камера, расположенная концентрически с выхлопной трубой. В специально предпочитаемых вариантах реализации шумоподавляющие акустические системы симметрично расположены вокруг оси выхлопной трубы и шумоподавляющей камеры. Шумоподавляющая камера выполнена как первая относительно большого диаметра секция, которая закрыта на одном конце круглой опорной пластиной, которая соединена с выхлопной трубой, и акустические системы монтируются смежно с этой концевой пластиной. Шумоподавляющая камера затем располагается в нижнем (по ходу потока) направлении выхлопной трубы и открывается в той же плоскости, что и атмосферное выходное отверстие выхлопной трубы, тем самым создавая эффективный совпадающий источник звука в отношении шумоподавляющих звуковых колебаний и нежелательных звуковых колебаний от выхлопной трубы, с последующим "глобальным" аннулированием шума.

Согласно некоторым предпочитаемым вариантам реализации изобретения шумоподавляющие звукоизлучатели управляются цифровым контроллером, который имеет входы от датчика синхронизации, контролирующего скорость вращения двигателя, и микрофона датчика остаточного звука, который снимает звук на выходе выхлопной трубы. Эти сигналы датчика синхронизации и микрофона обрабатываются контроллером и усилителями приводной мощности для шумоподавляющих акустических систем.

Согласно другим предпочитаемым вариантам реализации управляющей системы для шумоподавляющих звукоизлучателей микрофон верхнего (по ходу течения) датчика снимает звук в верхней (по ходу течения) части выхлопной трубы местоположения шумоподавляющей камеры и подает свой сигнал на цифровой контроллер, а другой сигнал на контроллер поступает от микрофона датчика остаточного звука на выходном конце выхлопной трубы. Как и в других вышеуказанных вариантах реализации, цифровой контроллер обрабатывает эту детектированную информацию и соответственно управляет и возбуждает шумоподавляющие звукоизлучатели для аннулирования звука.

Хотя описанные предпочитаемые варианты реализации относятся к выхлопным системам двигателя внутреннего сгорания транспортных средств, предпочитаемые варианты реализации изобретения также предусмотрены для всасывающих систем двигателей для компрессоров и насосов с нежелательными звуковыми колебаниями, распространяемыми в трубе, выпускающей отходящие газы в атмосферу, и им подобных.

На фиг. 1 изображен схематично пассажирский автомобиль, с выхлопной системой двигателя и цифровой системой глушителя, выполненной согласно предпочитаемому варианту реализации изобретения, вид сбоку; на фиг. 2 - то же, вид снизу; на фиг. 3 - катер, оборудованный другим предпочитаемым вариантом реализации изобретения, вид сбоку; на фиг. 4 - двигатель, выхлопная система и активная цифровая система глушителя для использования с катером на фиг. 3; на фиг. 5 - глушитель выхлопа, выполненный в соответствии с предпочитаемым вариантом реализации изобретения; на фиг. 6 - то же, продольное сечение; на фиг. 7 - торцевой вид, взятый с правой стороны фиг. 6; на фиг. 8 - вид аналогичный фиг. 6, показывающий вариант выполнения глушителя выхлопа согласно настоящему изобретению, имеющего промежуточную камеру охлаждения пониженного давления выхлопных газов; на фиг. 9 - торцевой вид с правой стороны фиг. 8; на фиг. 10 - схема полной активной цифровой системы глушителя, выполненной согласно предпочитаемому варианту реализации настоящего изобретения; на фиг. 11 - то же, вариант выполнения; на фиг. 12 - график сравнения результатов испытаний на автомобиле с дизельным двигателем, показывающий спектр звука на выхлопе и без ослабления шума, используя систему согласно настоящему изобретению.

Легковой автомобиль (фиг. 1 и 2) имеет активную цифровую систему глушителя, выполненную в соответствии с предпочитаемыми вариантами реализации настоящего изобретения. Система, изображенная на фиг. 1 и 2, соответствует варианту реализации общей системы на фиг. 10. Легковой автомобиль 1 включает многоцилиндровый поршневой двигатель 2 внутреннего сгорания, выхлоп которого транспортируется системой 3 выхлопной трубы к входному отверстию 4 выхлопа на задней части автомобиля. Задняя часть системы 3 выхлопной трубы изображена как одна и описывается как одна (единая) выхлопная труба в нижеследующем описании, хотя аналогичные двойные устройства могут быть образованы в системах с двумя выхлопными трубами, и снабжена на своем заднем конце устройством 5 окружающей шумоподавляющей камеры, которое включает в себя шумоподавляющие акустические системы, приводимые в действие усилителем мощности 6 и цифровым контроллером 7. Цифровой контроллер 7 имеет входные сигналы от микрофона детектирования остаточного звука 8, смежного с выходным отверстием 4 выхлопа (т. е. выхлопной трубы), и датчика синхронизации 9, такого как тахометр на приводном валу двигателя 2.

Активная цифровая система (фиг. 3 и 4) глушителя согласно изобретению установлена на катере 1А, который подобно легковому автомобилю на фиг. 1 и 2 включает многоцилиндровый с возвратно-поступательными поршнями двигатель внутреннего сгорания 2А, систему 3А выхлопной трубы с выходным отверстием 4А. Устройство 5А шумоподавляющей камеры расположено смежно с нижним (по ходу потока) концом системы 3 выхлопной трубы и включает в себя акустические системы, приводимые в действие усилителем мощности 6А и управляемые цифровым контроллером 7А. Цифровой контроллер 7А получает входные сигналы от микрофона 8А датчика остаточного звука, выходного отверстия выхлопа двигателя катера и датчика синхронизации 9А выходного приводного вала двигателя 2 катера. Некоторые варианты реализации для использования на катерах будут включать в себя питаемые водой устройства охлаждения системы выхлопа, такие как водяной поток непосредственно в выхлопную трубу и водяной поток в кольцевой рубашке, окружающей выхлопную трубу, которые хорошо известны в области промышленности моторных катеров.

Нижеследующее описание шумоподавляющей камеры, окружающей выхлопную трубу, и схемы контроллера для управления ею, является аналогичным в отношении вариантов реализации для всех наземных пассажирских автомобилей на фиг. 1 и 2, моторных катеров на фиг. 3 и 4.

Камера 5 на фиг. 6 и 7 выполнена как цельная структура из листового металла и включает в себя центрально расположенную цилиндрическую выхлопную трубу 10, которая соединена с системой 3 выхлопной трубы и системой 3А. Левый конец секции выхлопной трубы 10 предпочтительно имеет конфигурацию с возможностью вставления в существующую выхлопную трубу выхлопной системы 3, 3А двигателя с соответствующим предусмотренным герметизирующим зажимным соединением.

Шумоподавляюшая камера 11 образована вокруг выхлопной трубы 10 с кольцевым окружающим зазором. Шумоподавляющая камера 11 образована первой цилиндрической секцией 12 большого диаметра и примыкающей секцией 13 меньшего диаметра. Левый конец секции 12 большего диаметра закрыт круглой торцевой пластиной 14А, которая монтируется на наружной поверхности выхлопной трубы 10 с помощью сварного соединения 14. Противоположный конец шумоподавляющей камеры 11 поддерживается радиально выступающими опорными пластинами 15, прикрепленными с помощью сварки 16 к выхлопной трубе 2 и с помощью сварки 17 к шумоподавляющей камере 13. Пара цилиндрических опорных секций 17 акустической системы соединяется посредством сварного соединения 18 с цилиндрической секцией 12 в положении, смежном с концевым колпачком 13. В иллюстрируемом варианте реализации цилиндрические опорные секции 17 акустической системы имеют немного меньший диаметр, чем диаметр секции 12 шумоподавляющей камеры, и там соединятся посредством сварных швов 18. Эти опорные секции шумоподавляющей акустической системы расположены симметрично относительно продольной оси выхлопной трубы 10 и шумоподавляющей камеры 11. Шумоподавляющие акустические системы 19 монтируются в каждой из соответствующих опорных секций 17 и располагаются для генерирования звуковых колебаний, направленных в шумоподавляющую камеру 11. Шумоподавляющая камера 11 является концентрической относительно выхлопной трубы 10 и отделена от нее зазором, и шумоподавляющие звуковые колебания, генерируемые акустической системой 19 и распространяющиеся по длине элемента 11, открываются или выходят в атмосферу в той же плоскости 4 выхода, как и выхлопные газы из выхлопной трубы 10.

Путем расположения акустических систем 19 симметрично относительно продольной оси выхлопной трубы 10 и путем создания шумоподавляющей камеры 11 как кольцевой камеры, окружающей трубу 10, изготовление устройства шумоподавляющей камеры глушителя является довольно простым, и может производиться как блок, который может быть добавлен к существующей выхлопной системе 3 просто путем соединения левого конца трубной секции 10 с выхлопной трубой автомобиля. В специально предпочитаемых вариантах реализации выхлопная труба 2 и цилиндрические секции 12, 13, образующие шумоподавляющую камеру 11 и опоры 17 акустической системы, выполнены из металла, который может легко свариваться, тем самым упрощая далее операцию изготовления. Варианты реализации также предусматриваются с теплоизоляционным соединением на выхлопной трубе 10 типа кольцевой манжеты из теплоизоляционного материала, окружающей трубу 10, которая (манжета) ограничивает передачу тепла компонентам. Так как акустические системы 19 расположены симметрично относительно шумообразующей выхлопной трубы 10, специально эффективное использование пространства и аннулирование шума достигается благодаря этому симметричному расположению шумоподавляющих звуковых колебаний вокруг кольцевого пространства на выходном конце 4 устройства трубы глушителя. Так как шумоподавляющие звуковые колебания распространяются по существу в той же плоскости, что и выхлопные газы, распространение шумоподавляющих колебаний является симметричным с распространением звуковых колебаний от выхода выхлопной трубы, тем самым упрощая конструкцию и работу. Акустические системы 19 также изолированы камерой 11 от выхлопных газов, и тем самым не должны выдерживать высоко коррозионных горячих газов в выхлопном потоке.

Предусмотрены другие предпочитаемые варианты реализации, в которых используется только одна акустическая система, открывающаяся в акустически настраиваемую камеру 11, и кольцевое выходное отверстие в плоскости 4 эффективно образует соответствующий источник эффективных общих точек для аннулирующего и нежелательного звуков. Дополнительные акустические системы предпочитаемых вариантов реализации облегчают использование меньших акустических систем для того же выхода, экономя тем самым пространство. Также предусмотрены варианты реализации, где акустические системы удалены от камеры 11, где звуковые колебания передаются по трубопроводу, открывающемуся в камеру 11, такие устройства практичны в случаях, когда соображения пространства играют важную роль, как например, в легковых автомобилях и тому подобное.

В специальном предпочитаемом практическом варианте реализации размеры, как показано на фиг. 6, будут следующие:
- диаметр 10 выхлопной трубы 10 составляет 2,250 дюйма внутреннего диаметра;
- длина 13 между торцевой пластиной 13 и левым концом трубы 10 составляет 2 дюйма;
- радиальная ширина 12R секции 12 камеры снаружи трубы 10 составляет 1,75 дюйма;
- радиальная ширина 13R между наружной частью трубы 10 и наружной стенкой цилиндрической секции 12 составляет 0,75 дюйма;
- радиальная длина опорных секций 17, 17R акустической системы составляет 2,5 дюйма;
- диаметр цилиндрических секций 17, 17R составляет 5 дюймов;
- расстояние между кромкой секций 17 и концевой секцией камеры 12, 12L составляет 4,75 дюйма,
- и длина 13L секции 13 составляет 5 дюймов.

Вариант реализации на фиг. 8 и 9 является таким же, как вариант реализации на фиг. 5-7, описанный выше, за исключением того, что дополнительно образована промежуточная камера низкого давления для охлаждения выхлопных газов 20 между шумоподавляющей камерой 11А и выхлопной трубой. На фиг. 8 и 9 одинаковые цифровые позиции с суффиксом А проставлены для обозначения соответствующих структур из варианта реализации на фиг. 5-8. Эти структуры описываются только в той мере, что они функционируют иначе, чем соответствующие структуры варианта реализации на фиг. 5 и 8. Кольцевая промежуточная камера 20 сообщается с выхлопной трубой 10А с помощью восьми радиально расположенных отверстий 21 диаметром 1/8 дюйма в трубе 10А. Отверстия 21 расположены на верхнем (по ходу потока) конце шумоподавляющей камеры 11 и дают возможность всасываться небольшому количеству охлаждающего воздуха в поток выхлопных газов через отверстие (зазор) на концевой плоскости 4А, так что охлаждающий воздух течет в камеру 20 против направления потока выхлопных газов и затем в выхлопную трубу. Радиально расположенные армирующие пластины 15 проходят также через концевой участок этой камеры 20 и поддерживают соответствующие концентрические трубы, которые ее образуют. Поток охлаждащего воздуха, сообщающийся с выхлопной трубой через отверстия 21, также помогает снижению турбулентности выхлопных газов, которые выходят из выхлопной трубы 10А, и тем самым далее снижает все уровни шума.

На фиг. 10 схематично изображен первый вариант реализации управляющей системы для активной цифровой системы глушителя согласно настоящему изобретению. Датчик синхронизации, такой как тахометр 9 двигателя, образует входные синхросигналы для контроллера 7, который также получает сигналы микрофона 8 датчика остаточного звука, который снимает (детектирует) фактический образец звуковых колебаний ниже (по ходу течения) выходного отверстия 4 выхлопной трубы 10 и шумоподавляющей камеры 11, и контроллер 7 управляет усилителем мощности 6, который, в свою очередь, возбуждает акустические системы 19 для генерирования шумоподавляющих колебаний в камере 11, которые затем перемещаются к плоскости 4 выходного отверстия выхлопной трубы 10 и производят аннулирование звуковых колебаний, выходящих из выходного отверстия трубы. В специально предпочитаемых вариантах реализации усилитель 6 звуковой мощности выполнен интегрально с цифровым электронным контроллером 7. Цифровой контроллер может использовать алгоритм домена частоты.

Практически акустическая система и микрофон, используемые с конфигурацией, как на фиг. 5-7 или 8 и 9, имеют следующие характеристики:
АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
- плотность магнитного потока: 11000 Гс
- общий поток: 58000 Максвелл
- чувствительность: 96 дБ простр. 1м, 11,2 В среднеквадратического значения
- их параметры в режиме малого сигнала:
Ss = 92 см²
Мs = 9,8 г
Хs = 6 мм от пика к пику
fs = 37 Гц
Rms = 1 . . .

Сms = 1,8 х 1^-3 М/N
VAS = 23,6 л
QM = 2,44
QE = 0,38
QT = 0,33
- импеданс: 8 . . . (Ом)
- диапазон: от 55 до 3500 Гц
- чистый вес: 1,13 кг
МИКРОФОН
- амплитудно-частотная характеристика: 20-13000 Гц
- импеданс: 600
- чувствительность: : -71 ± 5 дБ (см. OJB = 1в/мк бар, 1 КГц)
- мощность: от 1,5 до 20 В постоянного тока.

Вторая управляющая система для активной цифровой системы глушителя схематично изображена на фиг. 11. Так как система на фиг. 11 отличается от системы на фиг. 10 только использованием верхнего (по ходу течения) микрофона 22 датчика вместо синхродатчика 9 тахометра, остальная структура обозначена аналогичными цифровыми позициями, как на фиг. 10. Аналогично варианту реализации на фиг. 10 может использоваться либо контроллер с аглоритмом домена частоты, либо контроллер и алгоритмом домена времени. Различие между вариантами реализации на фиг. 10 и 11 в том, что вход от микрофона 22 используется вместо входа от датчика 9 тахометра, как показано на фиг. 10.

Следует далее отметить, что может использоваться контроллер, соответствующий контроллеру 11СТ 20СО производства фирмы "Нойз канселлейшн текнолоджиз, инк. ", который обозначен на чертеже как контроллер 7.

На фиг. 12 представлено графическое сравнение, показывающее значительное снижение уровней шума при использовании активной цифровой системы глушителя на дизельном двигателе по сравнению с работой его без аннулирования шума. На фиг. 12 верхний график показывает уровни шума без аннулирования, и нижний график показывает уровни шума при аннулировании. Нижеследующее является таблицей экспериментальных результатов, показанных на графике фиг. 12.

Из таблицы и графика можно видеть значительные снижения уровня шума, например, 26 дБ при отметке 0 на частоте 90 Гц при заглушенном шуме двигателя посредством системы ослабления звука согласно настоящему изобретению, и пассивный глушитель может быть вычеркнут из системы выхлопной трубы автомобиля. Вычерчивание пассивного глушителя (работа при так называемой "прямой трубе") ведет к значительному увеличению эффективности и мощности двигателя. (56) Патент США N 4527282, кл. G 10 K 11/16, опублик. 1985.

Реферат

Использование: в машиностроении, в частности, двигателестроении. Целью изобретения является повышение эффективности шумоглушения. Сущность изобретения: активная система подавления шума для выхлопных систем двигателей внутреннего сгорания и им подобных. Для защиты шумоподавляющего звукоизлучателя от окружающей среды, распространяющей нежелательный шум, акустически настраиваемая шумоподавляющая камера, устанавливается между звукоизлучателями и местоположением среды с нежелательным шумом. Для достижения всеобщего аннулирования на выходном конце выхлопной трубы шумоподавляющая камера имеет кольцевое отверстие, расположенное по существу в плоскости выходного отверстия выхлопной трубы, создавая тем самым явный общий источник нежелательного шума и подавляющего шума. Выхлопная труба, шумоподавляющая камера и шумоподавляющий репродуктор размещены в одном корпусе, выполненном из листового металла. 7 з. п. ф-лы, 1 табл. , 12 ил.

Формула