Двухканальное компенсационное устройство системы выхлопа отработавших газов двигателя

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для компенсации вибраций, передаваемых от двигателя внутреннего сгорания системе выхлопа отработавших газов, снижения нагрузок, а также внутренних и внешних шумов. Устройство содержит два входных трубопровода, выходные концы которых объединены в выходной трубопровод. Два симметричных сильфона установлены в входных трубопроводах. Введен единый фланец для двух входных трубопроводов. Входные концы входных трубопроводов закреплены на едином фланце. Широкий гофр одного асимметричного сильфона расположен ближе к единому фланцу, чем широкий гофр другого асимметричного сильфона. В другом варианте выполнения введен сильфон, установленный в выходном трубопроводе. Изобретение позволяет компенсировать продольные и радиальные составляющие вибрации, снижение пульсаций газового потока, уменьшение нагрузок, уменьшение внешних и внутренних шумов. 2 с. и 5 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для компенсации вибраций, передаваемых от двигателя внутреннего сгорания системе выхлопа отработавших газов, для снижения нагрузок, а также внутренних и внешних шумов.

Известно устройство для крепления выпускной системы двигателя внутреннего сгорания, содержащее два входных трубопровода, два сильфона, каждый из которых установлен в входных трубопроводах, единый фланец для двух входных трубопроводов, причем входы входных трубопроводов закреплены на едином фланце [1] .

Сильфоны в этом устройстве выполнены одинаковыми и симметричными. Кроме того, это устройство содержит шесть демпферов, причем оси трех демпферов размещены в одной плоскости, а оси остальных трех демпферов пересекают эту плоскость и расположены параллельно одна другой или образуют треногу, вершина которой лежит вне плоскости.

Ограничениями этого устройства являются сложность и громоздкость конструкции; недостаточная жесткость всей конструкции, что требует введения шести демпферов; поскольку сильфоны выполнены одинаковыми с узкими гофрами, то ими не гасятся колебания потока газов, и сильфоны в компенсации вибраций этого газового потока практически не участвуют.

Наиболее близким является двухканальное компенсационное устройство системы выхлопа отработавших газов двигателя, содержащее два входных трубопровода, выходы которых объединены выходным трубопроводом, два асимметричных сильфона, каждый из которых выполнен с по меньшей мере одним, широким гофром и узкими гофрами и установлен в входных трубопроводах [2] .

В этом техническом решении входные трубопроводы направлены встречно друг другу, сильфоны выполнены асимметричными за счет выбора меньшего количества узких гофр одного асимметричного сильфона по сравнению с другим, широкий гофр каждого из этих сильфонов расположен непосредственно на входе газового потока в сильфон.

Ограничениями устройства являются: гашение только поперечной составляющей вибрации двигателя для автомобилей с его поперечным расположением, и невозможность компенсации вибрационных колебаний работающего двигателя в продольном и радиальном направлениях; т. к. асимметрия сильфонов достигнута за счет разного количества их узких гофр, то не достигается эффективного срыва резонансных явлений между этими сильфонами, поскольку узкие гофры не участвуют в эффективном гашении турбулентных потоков газов; конструкция имеет достаточно высокий уровень шумовых характеристик, т. к. широкие гофры расположены относительно друг друга симметрично (на входе сильфонов), а асимметричные узкие гофры не позволяют создать значительного перепада давления на их входе и выходе.

Решаемая изобретением задача - расширение арсенала технических средств и повышение качества компенсации вибрации работающего двигателя.

Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного устройства, - компенсация продольных и радиальных составляющих вибрации, снижение пульсаций газового потока, уменьшение нагрузок, а также уменьшение внутренних и внешних шумов.

Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в известное двухканальное компенсационное устройство системы выхлопа отработавших газов двигателя, содержащее два входных трубопровода и выходной трубопровод, при этом выходные концы входных трубопроводов объединены в выходной трубопровод, два асимметричных сильфона, каждый из которых выполнен с, по меньшей мере, одним, широким гофром и узкими гофрами и установлен в входных трубопроводах, согласно изобретению введен единый фланец для двух входных трубопроводов, входные концы входных трубопроводов закреплены на едином фланце, при этом широкий гофр одного асимметричного сильфона расположен ближе к единому фланцу, чем широкий гофр другого асимметричного сильфона.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы: - был введен сильфон, установленный в выходном трубопроводе; - сильфон был выполнен с, по меньшей мере, двумя широкими гофрами и с чередованием широких гофр с узкими гофрами; - был введен элемент дросселирования газа, установленный внутри сильфона; - упомянутый элемент дросселирования был выполнен в виде цилиндрического обтекателя, расположенного соосно сильфону и соединенного с выходным трубопроводом со стороны входа газов, а в цилиндрическом обтекателе были выполнены отверстия; - упомянутый элемент дросселирования был выполнен в виде рассекателя из трех пластин, расположенных радиально относительно сильфона, соединенных между собой на продольной оси сильфона и закрепленных на выходном трубопроводе со стороны входа газов, а в пластинах были выполнены отверстия.

За счет расположения широких гофр каждого из асимметричных сильфонов не на одинаковом расстоянии от входов входных трубопроводов со стороны единого фланца удалось решить поставленную задачу с достижением технического результата.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.

Фиг. 1 изображает внешний вид устройства, с двумя асимметричными сильфонами; фиг. 2 - то же, что фиг. 1, с сильфоном, установленным в выходном трубопроводе; фиг. 3 - конструкцию сильфона с цилиндрическим обтекателем, разрез; фиг. 4 - конструкцию сильфона с рассекателем из пластин, разрез; фиг. 5 - то же, что фиг. 4, вид со стороны входа газов.

Двухканальное компенсационное устройство (фиг. 1) системы выхлопа отработавших газов двигателя содержит два входных трубопровода 1 и 2, выходные концы которых объединены в выходной трубопровод 3. Устройство имеет два асимметричных сильфона 4 и 5. Каждый из сильфонов 4, 5 выполнен с, по меньшей мере одним, широким гофром 6 и узкими гофрами 7 и установлен в входных трубопроводах 1 и 2 соответственно.

Введен единый фланец 8 для двух входных трубопроводов 1 и 2. Входные концы входных трубопроводов 1 и 2 закреплены на едином фланце 8. Широкий гофр 6 одного асимметричного сильфона 4 расположен ближе к единому фланцу 8, чем широкий гофр 6 другого асимметричного сильфона 5. Конструкция также допускает использования нескольких широких гофр 6, при этом, например, широкие гофры 6 одного асимметричного сильфона 4 должны быть расположены ближе к единому фланцу 8 по сравнению с широкими гофрами 6 другого асимметричного сильфона 5 (т. е. широкие гофры 6 одного асимметричного сильфона 4 смещены относительно широких гофр 6 другого асимметричного сильфона 5 в сторону единого фланца 8).

Для дополнительного улучшения заявленного технического результата в конструкцию может быть введен сильфон 9, установленный в выходном трубопроводе 3 (фиг. 2).

Сильфон 3 может быть выполнен с, по меньшей мере, двумя широкими гофрами 6 и с чередованием широких гофр 6 с узкими гофрами 7 (фиг. 2).

В конструкцию может быть введен элемент 10 дросселирования газа, установленный внутри сильфона 9.

Этот элемент 10 дросселирования (фиг. 3) может быть выполнен в виде цилиндрического обтекателя, расположенного соосно сильфону 9 и соединенного с выходным трубопроводом 3 (или с фланцем сильфона 9) со стороны входа газов. В цилиндрическом обтекателе для обеспечения дросселирования выполнены отверстия 11.

Элемент 10 дросселирования (фиг. 4, 5) может быть выполнен в виде рассекателя из трех пластин 12, расположенных радиально относительно сильфона 9 и соединенных между собой на продольной оси сильфона 9. Пластины 12 закреплены на выходном трубопроводе 3 (или на фланце сильфона 9) со стороны входа газов. Для обеспечения дросселирования в пластинах 12 также выполнены отверстия 11.

Поскольку асимметричные сильфоны 4, 5 и сильфон 9 (фиг. 1, 2) имеют широкие гофры 6, чередующиеся с узкими гофрами 7, то, как показали испытания, подобная геометрия узких гофр 7 и широких гофр 6 изменила характер нагрузки на узкие гофры 7 и в целом на сильфонные элементы независимо от их длины и диаметров, а также места расположение широких гофр 6. Увеличилась устойчивость сильфонных устройств, нагруженных внутренним давлением и осевым усилием. Узкие гофры 7, расположенные от широких гофры 6 слева и справа, стали работать с симметричным распределением нагрузки и с одинаковой величиной хода независимо от других геометрических размеров гофр, их количества и симметрии расположения. На практике ширину широкого гофра 6 выбирают приблизительно в два раза большей, чем ширину узкого гофра 7.

Таким образом, в предложенном устройстве два асимметричных сильфона 4, 5 через входные трубопроводы 1, 2 связаны с единым фланцем 8, предназначенным для соединения с фланцем выхлопного коллектора двигателя, а с другой стороны входные трубопроводы 1, 2 объединены своими выходными концами в выходной трубопровод 3 для перехода к элементам системы глушительного тракта. На фиг. 1, 2, показан выходной фланец 13 для подсоединения к фланцу глушителя.

Работает устройство (фиг. 1, 2) следующим образом.

Турбулентное течение выхлопных газов состоит из двух потоков: пульсационного и основного (осредненного). Частицы потока выхлопных газов в пульсационном движении перемещаются хаотически по различным направлениям и одновременно модулируются основным осредненным потоком со скоростью общего потока газов. Неустойчивое движение газовой среды вызывает значительные воздействия на стенки входных трубопроводов 1, 2 и выходного трубопровода 3. Для устойчивой работы и компенсации вибрационных воздействий необходимо нарушить связь между пульсационными скоростями газового потока и скоростями частиц потока осредненного движения.

Поэтому в заявленном устройстве газовый поток со стороны выхлопного коллектора двигателя поступает в асимметричные сильфоны 4 и 5 с асимметричным расположением широких гофр 6. Например, один асимметричный сильфон 4 принимает газовый поток от первого и четвертого цилиндров, а другой асимметричный сильфон 5 - газовый поток со второго и третьего цилиндров с некоторой задержкой по времени. Широкий гофр 6 асимметричного сильфона 4 создает перепад давлений на ее входе и выходе, создавая завихрение газовой струи, в результате чего расходуется кинетическая энергия. На узких гофрах 7 происходит срыв пульсаций газового потока после прохождения широкого гофра 6.

Поскольку поток газов через асимметричный сильфон 5 поступает с некоторой задержкой, то для выравнивания газовых потоков на выходах входных трубопроводов 1 и 2 (или на входе выходного трубопровода 3) необходимо сдвинуть расположение широкого гофра 6 в асимметричном сильфоне 5, например, на расстояние, кратное половине длины волны газовой струи в сторону выходного трубопровода 3. При этом поток отработавших газов претерпевает в асимметричном сильфоне 5 такое же изменение как и в сильфоне 4 и поступает на вход выходного трубопровода 3 ослабленным с погашенными колебаниями. Как показали испытания, асимметричное расположение широких гофр 6 сильфонов 4, 5 в входных трубопроводах 1, 3 выравнивает газовый поток на входе выходного трубопровода 3, а также исключает резонансные явления и между самими асимметричными сильфонами 4, 5.

Устройство в целом (фиг. 1) становится устойчивым и обладает достаточной жесткостью в условиях термоциклических колебаний газового потока. При этом в отличие от известных устройств не требуется использования демпферов, обычно устанавливаемых со стороны единого фланца 8. Испытания на гидромеханическом стенде подтвердили, что заявленное устройство функционирует с наименьшими рабочими напряжениями.

Выравнивание газовых потоков от первого и четвертого цилиндров и от второго и третьего цилиндров, а также снижение их пульсаций позволяют использовать устройство (фиг. 1) самостоятельно с последующей передачей газового потока в систему глушительного тракта.

Однако для еще более эффективной компенсации целесообразно использовать сильфон 9, который, поскольку газовый поток на него подается уже усреднено выровненным, целесообразно использовать с, по меньшей мере, двумя широкими гофрами 6 и с чередованием их с узкими гофрами 7. При использовании двух широких гофр 6 в сильфоне 9 удается обеспечить противофазное компенсирование, при этом расстояние между широкими гофрами 6 определяют экспериментально или расчетным путем, располагая второй широкий гофр 6 в сильфоне 9 на расстоянии N/4 Т, где N - целое число, а Т - период волны газовой струи.

Противофазную компенсацию дополнительно можно улучшить за счет введения внутрь сильфона 9 элемента 10 дросселирования газа. Элемент 10 выполняют в виде цилиндрического обтекателя (фиг. 3) или в виде рассекателя (фиг. 4, 5) из пластин 12. Цилиндрический обтекатель или пластины 12 перфорируют отверстиями 11. При этом перфорация может быть выполнена с одинаковыми рядами отверстий и их одинаковыми диаметрами, что известно из уровня техники, или перфорация может быть выполнена в виде различного числа отверстий в рядах или с различной их формой (фиг. 3, 4). Однако конкретное выполнение отверстий 11 (фиг. 3, 4) с определенной формой и размерами не относится к существу заявленного технического решения и принципа его функционирования, поэтому пример конкретного выполнения отверстий 11 с различной формой не приведен в настоящих материалах.

При использовании в качестве элемента 10 цилиндрического обтекателя происходит дросселирование струи газа через отверстия 11. При протекании газов в зазоре между сильфоном 9 и цилиндрическим обтекателем на широком гофре 6 происходит перепад давления, в результате чего происходит расход кинетической энергии. При движении газа далее расположена второй широкий гофр 6, на котором происходят второй перепад давления и завихрение газовой струи, в результате поток газа дополнительно теряет свою кинетическую энергию. Использование отверстий 11 в цилиндрическом обтекателе позволяет снизить пульсации и выравнивает потоки газа снаружи и внутри цилиндрического обтекателя.

При использовании в качестве элемента 10 рассекателя из пластин 12 также происходят дросселирование струи газа через отверстия 11 и аналогичные процессы перепада давления на широких гофрах 6. Однако в этом случае поток газа рассекается на три потока пластинами 12, что улучшает силовые характеристики устройства. При этом предотвращается закручивание потока газов, проходящих через элемент 10 дросселирования, в газовый "шнур". Газовая струя поступает в глушитель значительно ослабленной по своим силовым и вибрационньм параметрам.

Понятно, что процессы прохождения струи газа по входным трубопроводам 1, 2 к выходному трубопроводу 3 зависят от типа используемого двигателя внутреннего сгорания, его мощностных характеристик и временных характеристик пульсаций газовой струи. Поэтому могут использоваться различные конструкции: с двумя асимметричными сильфонами 4, 5 (фиг. 1); с двумя асимметричными сильфонами 4, 5 и сильфоном 9 (фиг. 2); с использованием в сильфоне 9 элемента 10 дросселирования (фиг. 3-5). Однако заявленная общая компоновка указанных конструктивных узлов и их форма позволяют решить поставленную задачу с достижением заявленного технического результата. Специалистам понятно, что заявленная конструкция устройства не исчерпывает всех возможных ее усовершенствований, очевидных из уровня техники.

Наиболее успешно заявленное двухканальное компенсационное устройство системы выхлопа отработавших газов двигателя промышленно применимо в автомобилестроении для различных типов двигателей внутреннего сгорания.

Источники информации
1. Патент Российской Федерации 1706397, F 01 N 7/08, опубл. 1992 г.

2. Заявка Германии 3427364, F 01 N 7/08, опубл. 1986 г.

Формула изобретения

1. Двухканальное компенсационное устройство системы выхлопа отработавших газов двигателя, содержащее два входных трубопровода и выходной трубопровод, при этом выходные концы входных трубопроводов объединены в выходной трубопровод, два асимметричных сильфона, каждый из которых выполнен с, по меньшей мере одним, широким гофром и узкими гофрами и установлен в входных трубопроводах, отличающееся тем, что введен единый фланец для двух входных трубопроводов, входные концы входных трубопроводов закреплены на едином фланце, при этом широкий гофр одного асимметричного сильфона расположен ближе к единому фланцу, чем широкий гофр другого асимметричного сильфона.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что введен сильфон, установленный в выходном трубопроводе.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что упомянутый сильфон выполнен с, по меньшей мере, двумя широкими гофрами и с чередованием широких гофр узкими гофрами.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что введен элемент дросселирования газа, установленный внутри сильфона.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что элемент дросселирования выполнен в виде цилиндрического обтекателя, расположенного соосно сильфону и соединенного с выходным трубопроводом со стороны входа газов, а в цилиндрическом обтекателе выполнены отверстия.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что элемент дросселирования выполнен в виде рассекателя из трех пластин, расположенных радиально относительно сильфона, соединенных между собой на продольной оси сильфона и закрепленных на выходном трубопроводе со стороны входа газов, а в пластинах выполнены отверстия.

7. Двухканальное компенсационное устройство системы выхлопа отработавших газов двигателя, содержащее два входных трубопровода и выходной трубопровод, при этом выходные концы входных трубопроводов объединены в выходной трубопровод, два асимметричных сильфона, каждый из которых выполнен с, по меньшей мере одним, широким гофром и узкими гофрами и установлен в входных трубопроводах, отличающееся тем, что введены единый фланец для двух входных трубопроводов и сильфон, входные концы входных трубопроводов закреплены на едином фланце, при этом широкий гофр одного асимметричного сильфона расположен ближе к единому фланцу, чем широкий гофр другого асимметричного сильфона, а сильфон установлен в выходном трубопроводе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5