Расчет диаметра выхлопной трубы

Глушители предназначены для глушения шума, возникающего при перемещении воздуха и других газов при работе двигателя внутреннего сгорания.

Расчет реактивного многокамерного глушителя резонаторного типа:

Определение объема глушителя

где — рабочий объем двигателя, ;

— число цилиндров двигателя, ;

Определение диаметра глушителя

где — длина глушителя (принимаем по конструктивным соображениям), ;

Расстояние между отверстиями в трубопроводе, между соседними камерами

где — количество камер в глушителе, ;

Определение объема каждой камеры

где — диаметр трубопровода выхлопной системы двигателя, ;

Определение резонаторной частоты одной камеры глушителя

где — скорость звука в отработавших газах, , м/с;

— скорость воздуха при нормативной температуре, ;

— температура отработавших газов, ;

— проводимость отверстий, соединяющих трубопровод с резонансной камерой,

— диаметр отверстий, соединяющих трубопровод с резонаторными камерами, ;

— толщина стенки трубопровода, ;

— функция, учитывающая зависимость поправки на присоединительную массу воздуха в отверстиях от их взаимного расположения, ;

Определение акустической эффективности глушителя

Где — волновое число, , м-1;

— площадь поперечного сечения трубопровода выхлопной системы, м2;

— частота, при которой определяют эффективность глушителя .

Полученная эффективность глушителя должна обеспечить снижение шума двигателя до норм внешнего шума трактора по ГОСТ 19358-74.

Я решил написать статью, потому что надоели всякие люди на сайте с идеями типа:, а можно ли поставить глушитель от Жигулей или еще от какого-нибудь четырехтатника на Ижак, преследуя лишь цель красоты. А то, что в глушители должен быть резонатор все думают, а зачем.

Но ведь в глушителе происходит сложное пульсирующее возвратно-поступательное движение волн газов, имеющее определенную частоту.

Для оптимально подобранного глушителя необходимо, чтобы к моменту закрытия выпускного окна обратная волна обеспечила возврат части отсосанной рабочей смеси в цилиндр. Иначе говоря, требуется достижение резонанса или согласования частоты собственных колебаний волны газов с частотой импульса этой волны на выпуске, т. е. с числом оборотов двигателя.

Но так как частота собственных колебаний волны зависит еще и от параметров глушителя (сечения, длины), а также от температуры газа в глушителе, необходим их тщательный подбор.

В глушителе такой важнейший параметр, как общая длина, подбирается изменением длины выпускной трубы и цилиндрической части глушителя

В наших с вами мотоциклах используется двигатель, рассчитанный на некие условия эксплуатации, потому и возможности моторов, условно говоря, — по показателям экономичности, долговечности, токсичности отработавших газов. На получение таких показателей и приспособлена технология массового производства, а это те рамки, которые порой сковывают конструкторов по рукам и ногам. Поэтому прок от индивидуальной доводки будет. Остается правильно поставить задачи и правильно их решить.

Формулы для расчета глушителей двух-тактников существуют, но они громоздки, трудно учесть все факторы. Хотя бы погодные. Не замечали, как меняется работа двигателя при изменении температуры воздуха или влажности? Или температура выхлопных газов: мало того, что в точке возле выпускного окна она не постоянна и сильно зависит от режима работы двигателя. Газы, двигаясь внутри резонатора, вначале рас ширяются, остывая при этом, а затем, сжимаясь в обратном конусе, вновь нагреваются и т. д. А ведь в основе расчета глушителя стоит скорость звука в выхлопных газах, которая напрямую зависит от температуры. Что же это за основа, если она постоянно меняется! Вот и остаются эти формулы на страницах диссертаций. Даже на заводах глушители рассчитывают упрощенным методом, потом доводят систему выпуска! на стенде, а затем, после дорожных испытаний, все равно что-то переделывают. ‘

Глушитель не может обеспечить прирост мощности во всем диапазоне оборотов. Его настраивают на тот режим, при котором стремятся получить прирост крутящего момента (а не мощности!). При этом волна выхлопных газов должна успеть пройти через весь резонатор, отразиться от обратного конуса и вернуться к выпускному окну в тот момент, когда оно еще открыто, а продувочные окна уже закрылись. Если волна придет раньше, то загонит часть рабочей смеси обратно в продувочные каналы. Если позже, — часть рабочей смеси успеет вылететь в трубу (выхлопную). И в том, и в другом случае крутящий момент (а, значит, и мощность) уменьшится. Самый важный размер — L (общая длина выпускной системы от выпускного окна до конца обратного конуса) можно рассчитать по формуле:

где: аПРОД — фаза продувки (град.)-

аВЫП — фаза выпуска (град.)- n — обороты двигателя, на которых надо получить прибавку крутящего момента (об/мин)-

33 360 м/мин — принимаемая средняя скорость волны газов в выхлопной трубе.

Чтобы получить аПРОД и аВЫП, снимите головку цилиндра и закрепите на роторе генератора транспортир (его центр должен строго совпадать с осью вращения коленвала). На генераторе сделайте начальную метку и, поворачивая, коленвал по ходу вращения, отмечайте углы, при которых кромка днища поршня окажется у верхнего края продувочных и выпускных окон.

Не надейтесь, что, подставив в формулу 15 000 об/мин, а затем установив, скажем, на Jawa, изготовленный по получившимся размерам резонатор, вы заставите мотор раскрутиться до этих оборотов. Все элементы двигателя этого мотоцикла сделаны таким образом, чтобы он выдавал максимальный крутящий момент на 3500 об/мин. Значит, и в формулу нужно подставить 3500 об/мин.

Получив общую длину выпускной трубы, можно определить приблизительный размер частей(рис.1).

Длина должна составить 20-28% от общей длины- передний (прямой) кон

ус — 32-38%- цилиндрическая часть — 8-10% и обратный конус -30-35%. Диаметр — 63-70% от диаметра цилиндра, а площадь сечения трубки глушащей части — 65-75% от площади сечения . Диаметр средней цилиндрической части можно подсчитать, зная диаметр и длину переднего конуса. Обычно его угол при вершине делают около 12°.

Воспользовавшись знаниями из школьного курса тригонометрии, получим формулу:

ДСР =ДКОЛ + 0,21 *(умножить) LП.К.

где: Дср — диаметр средней цилиндрической части- Дкол — диаметр — LП.К. -длина переднего конуса.

Так глушак рассчитали, теперь бы его сделать надо.

Колено выпускной трубы может быть изготовлено из прямой тонкостенной (1-1,25 мм) трубы либо подбором имеющегося колена от серийного мотоцикла. Радиус выгиба выпускной трубы подгоняется по раме мотоцикла и зависит от места расположения глушителя.

Чтобы изогнуть по нужному радиусу выпускную трубу, ее следует заварить с одного конца, наполнить сухим песком и плотно забить с другого конца деревянной пробкой.

Взять две паяльные лампы, разжечь их. Нагрев трубы производить по наружному радиусу, оставляя внутренний более холодным. Изгибать трубу следует медленно, чтобы не было трещин и складок, все время, сверяя радиус изгиба с заранее изготовленным шаблоном. Изгиб выпускной трубы можно производить на слесарных роликах, можно залить канифолью, водой и заморозить, и гнуть без нагрева.

Готовое изогнутое колено подгонять на мотоцикле по месту, так чтобы оно плотно входило в выпускной патрубок и глушитель, не мешало повороту переднего колеса и хорошо вписывалось в раму мотоцикла. Если это верхняя выпускная труба, то она не должна мешать работе гонщика на мотоцикле. Для надежного крепления выпускной трубы к ней приваривается кронштейн крепления, а также ушко для страховки от сползания ее с патрубка цилиндра. Фиксируется выпускная труба к цилиндру при помощи стальной проволоки.

Прямой конус и глушитель изготовляются из листовой стали толщиной 0.7-1 мм.

Желательно, чтобы глушитель был как можно ровнее и располагался в одной плоскости. Допускаются небольшие повороты отдельных частей глушителя при подгонке их по раме мотоцикла.

Следует уделить также внимание на крепление глушителя к раме мотоцикла. К глушителю привираются специальные кронштейны с овальными отверстиями под болты крепления. Толщина материала кронштейна 2,5 — 3 мм. Желательно делать два таких кронштейна, с тем, чтобы надежней было его крепление. Крепление выпускной системы должно быть не менее чем в двух точках, лучше в трех. Болты крепления глушителя желательно шплинтовать или ставить на них контргайки. Глушитель и выпускную трубу следует окрашивать в черный цвет. Желательно использовать огнеупорные краски. Но можно применять и нитрокраски.

Для изготовления выкроек конусов необходимо сделать маленькие расчеты и начертить эскиз развертки (рис. 2).

Например, нужно подсчитать длины развернутых окружностей входа и выхода в диффузор с тем, чтобы отложить их на радиусах, проведенных через точки пересечения дуги и концов конуса:

? * d1 = 3.14 *40 = 125.6 мм- ? * d = 3,14 * 90 = 282,6 мм

d1 = 44 мм- d = 90 мм

По развертке согнуть нужный диффузор, сварить, отрихтовать. Развертка заготовки для цилиндрической части подсчитывается:

? * d =3,14 90 = 282,6 мм.

Для изготовления глушителя вырезаются заготовки (см. рис. 2), сгибаются конусы и цилиндр. Автогенной сваркой производится прихватка, рихтовка конуса, окончательная сварка шва — встык.

Сварку производить горелкой малого размера (N 0, N 1) и тонкой проволокой толщиной 1,5-2 мм. После сварки деталей произвести окончательную рихтовку и подгонку частей глушителя друг к другу и по месту на раме мотоцикла.

Разметить, померить, прихватить по месту и, только убедившись, что все подогнано правильно, окончательно заварить круговые швы.

Можно изготовить и только отдельно резонатор тогда его можно приделать к патрубку как родной, но лучше сварить, и не мучится постоянным наматыванием айсбеста.

Глушащую насадку можно изготавливать уже как хочется, хоть ставить от копейки хоть от трактора, наиболее же оптимальный вариант оформлен в статье «только руки береги» (рис.3).

При выхлопе газов и всасывании воздуха генерируется интенсивный шум. Такой шум создается при работе компрессоров, вентиляционных систем, двига­телей внутреннего сгорания, вакуумнасосов доильных аппаратов, пневмоинст-румента и др. Эти шумы возникают из-за пульсации давления вихреобразова-ния.

Уменьшение струйного шума осуществляется с помощью различного рода глушителей. По принципу действия глушители делятся на глушители активного (поглощающего) типа — абсорбционные глушители и реактивного (отражающе­го) типа — рефлексные глушители.

В зависимости от звукопоглощающих элементов активные глушители под­разделяют на следующие типы: камерные, экранные, пластинчатые, сотовые.

В глушителях реактивного типа шум снижается за счет энергии звуковых волн в системе расширительных и резонансных камер, соединенных между со­бой с помощью труб, щелей и отверстий.

Глушители, в которых происходит и поглощение, и отражение шума, на­зывают комбинированными.

Активные глушители основаны на принципе поглощения шума слоями звукопоглощающего материала, расположенного вдоль обечайки. Затухание звука происходит за счет трения. Активные глушители могут быть квадратного или круглого сечения (трубчатые). Внутренняя труба должна быть равна попе­речному сечению основного воздуховода и быть воздухопроницаемой (из ме­таллической сетки, перфорированного листового металла). Звукопоглощающий слой может быть 50,100 и 200 мм.

Снижение шума активными глушителями (дБ) рассчитается по формуле А.И Белова [17]:

— для глушителя круглого сечения (трубчатого):

— для глушителя квадратного сечения:

S

где / длина облицованного звукопоглощающим материалом канала глу­шителя, м;

d — диаметр канала глушителя, м;

ср(а) — звукопоглощение облицовки, зависящее от коэффициента звуко­поглощения а использованного абсорбента (табл. 6.12);

77 периметр поперечного сечения канала, м;

S площадь поперечного сечения канала, м2 .

Таблица 6.12 — Значения ср (а) в функции а

а	ОД	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Ф)	ОД	0,2	0,35	0,5	0,65	0,9	1,2	1,6	2,0	4,0

Пример 6.7. Определить снижение высокочастотного шума глушителем квадратного сечения с площадью поперечного сечения 0,10×0,10 10м 2 , акусти­чески обработанного стекловатой. Длина глушителя 1м.

Решение. Определим по табл. 6 6 коэффициент звукопоглощения для стекловаты на частоте 8000 Гц а = 0,32. Из табл. 6.12 определим ср(а) = 0,36. Рассчитаем по формуле (6.40) величину снижения шума глушителем

v — скорость воздуха в глушителе, м/с (v = 8. .10 м/с); Длина глушителя определяется из выражения.

где AL_mp — требуемое снижение шума в помещении, дБ;

AL снижение шума в глушителе, длиной 1м, дБ (табл. 6.13)

Таблица 6.13 — Снижение уровня шума глушителями

Тип и характеристика глушителя

Средние частоты октавных полос, Гц

Затухание шума, дБ, на 1 м.длины глушителя 1. Трубчатый глушитель полезным се­чением 200×200мм с набивкой СТВ (р =15 кг/м ) толщиной 100мм+ стек­лоткань марки Э-01+ перфориро­ванный металлический лист (диаметр перфорации 5 мм, шаг перфорации 10мм) 17,5 17,5 2. Трубчатый глушитель полезным се­чением 300×3 00мм с набивкой из стекловолокна марки ЦФД (р = 30 кг/м 3 ) толщиной 100мм+ +стекло-ткань марки Э 01+перфорированный металлический лист (перформация, как в п.1) 13,5 3. Трубчатый глушитель полезным сечением 400×400 мм; набивка и обли­цовка как в п.2 1,5 7,5 4. Пластинчатый глушитель, толщи­на пластины 200мм, высота пластин 1м, расстояние между пластинами 3,5 12,5

200мм. Набивка пластин из стеклово­локна марки ЦФД (р =30 кг/м 3 ), обер­нутого в стеклоткань марки Э-0.1. Об­лицовка как в п. 1.
5. Пластинчатый глушитель, толщина пластин 100 мм, расстояние между пластинами 100мм, высота пластин 1м. Набивка и облицовка пластин, как в п. 4	4,5	4,5	17,5	17,5
6. Пластинчатый глушитель, толщина пластин 200мм, расстояние между пла­стинами 400мм, высота пластин 1м. Набивка и облицовка пластин, как в п. 4 или п. 1	3,5	6,5	6,5	3,5	3,5

Длина глушителя принимается по наибольшему из всех значений, полу­ченных в результате расчета для восьми октавных полос (63,5. 8000 Гц).

Камерные глушители применяют для снижения шума на низких частотах. Они представляют собой ряд последовательно расположенных камер, соеди­ненных отверстиями. Сечение отверстий равно площадь поперечного сечения воздуховода [17].

Стенки камер по периметру облицовывают звукопоглощающим материа­лом. Для увеличения поглощения в камерах устанавливают экраны или перего­родки. Экранные глушители устанавливают на выходе газового потока в ком­прессорных установках, вентиляционных системах, системах кондиционирова­ния воздуха и т.п. [33].

Для повышения звукопоглощающей способности экранный глушитель со стороны, обращенной к трубопроводу, облицовывают звукопоглощающим ма­териалом. На низких частотах экран не оказывает действия на излучаемый шум, а на высоких частотах эффективность его установки достигает 10.. .25 дБ.

Большое значение имеет расстояние экрана до канала и диаметр экрана. Чем ближе он расположен и чем больше его диаметр, тем эффективнее его ус­тановка. Диаметр экрана принимается в 2 раза больше, чем диаметр какала.

Рефлексные или реактивные глушители обеспечивают значительное сни­жение шума(до 20. 30 дБ). Их применяют для снижения шума в узких частот­ных полосах (шум центробежных вентиляторов, компрессоров).

Для увеличения эффективности работы глушителей в горлах отдельных полостей резонатора устанавливают ткань для повышения активного сопротив­ления, а стенки облицовывают звукопоглощающими материалами.

Резонансную частоту для одиночного резонатора, обеспечивающую мак­симальное поглощение звуковой энергии, можно рассчитать по формуле (Гц)

где С — скорость звука в газе, м/с;

V- объем резонансной камеры, м ;

_г — проводимость горла отверстия, соединяющего газопровод с резо-наторной камерой; К_г = S/(l0+ 0,8d)

где S — площадь сечения горла резонатора, м ;

l_о — длина горла резонатора, м; d — диаметр горла резонатора; м.

Снижение шума,(дБ) в одиночном резонаторе можно рассчитать по фор-

AL = 10lg