Двигатели внутреннего сгорания, как известно, работают не совсем тихо, а иногда и слишком громко. Решить эту проблему пытаются на протяжении всей истории автомобилестроения. Снизить громкость «рычания» мотора удается с помощью глушителя.
)
)
)
)
 | | Двигатели внутреннего сгорания, как известно, работают не совсем тихо, а иногда и слишком громко. Решить эту проблему пытаются на протяжении всей истории автомобилестроения. Снизить громкость «рычания» мотора удается с помощью глушителя. |
Глушитель предназначен для снижения уровня колебаний воздуха – акустических волн, возникающих в результате сгорания топливо-воздушной смеси в цилиндрах мотора. От этого узла также зависит ряд других характеристик – мощность двигателя, токсичность отработавших газов, ресурс.
Как правило, за снижение шума в каждом автомобиле отвечает основной глушитель и один или несколько дополнительных меньшего размера. Кроме того, в большинстве современных машин эту функцию частично выполняет и каталитический нейтрализатор отработавших газов.
Теория тишины
Глушение звука выхлопа происходит следующим образом. Звуковые колебания разной амплитуды и частоты посредством тех или иных конструктивных приемов «разбиваются» о стенки нескольких камер и сглаживаются в множестве отверстий определенной формы. При этом энергия волн превращается в тепло. Естественно, что колебания каждого диапазона (низко-, средне-, высокочастотные) при разных оборотах двигателя требуют строго «индивидуального» подхода.
На мощность и акустические показатели напрямую влияют геометрия и размеры выхлопной системы, количество и диаметр калиброванных отверстий в глушителе, число камер в нем, длина и поперечное сечение выпускных и соединительных труб. При этом возникает некое противоречие. Чем больше в выпускной системе всех этих элементов, тем эффективнее гасятся акустические волны. Но любые элементы создают дополнительное сопротивление потоку отработавших газов. Из-за этого ухудшается продувка цилиндров, и часть газов остается внутри них, что приводит к снижению наполняемости камеры сгорания свежим зарядом. А это, в свою очередь, способствует снижению мощности двигателя. Исходя из этого определили, что оптимальный общий объем глушителей легкового автомобиля должен быть в 3 – 8 раз больше его двигателя.
Параметры элементов системы глушения, помимо прочего, зависят от частоты вращения коленвала двигателя, поэтому расчет глушителя для конкретного автомобиля производится на основе усредненных режимов работы мотора. При проектировании также принимают во внимание «спектральный» анализ звука, поскольку его составляющие по-разному влияют на организм человека. Так, при одинаковом общем уровне шума в салоне водитель больше устает в том автомобиле, где выхлопная система «басит» на низких частотах (50 – 300 Гц).
Все средства хороши
Снижение уровня шума базируется на двух физических явлениях: резонансе и звукопоглощении. На них и построен принцип действия основных типов глушителей – ограничительных, зеркальных, резонаторных и поглотительных.
Простейший из них работает по принципу ограничения. Суть его – «задавить» поток пульсирующего газа ограниченным проходным отверстием и погасить колебания в расположенной за ним камере. Уменьшение диаметра данного отверстия повышает эффективность устройства, но заметно снижает мощность двигателя.
Чаще встречаются «зеркальные» глушители, работающие по принципу так называемых акустических зеркал. Отражаясь от стенок камеры, звуковые волны расходуют свою энергию на нагрев поверхности и в «организованных» зеркальных «лабиринтах» вследствие интерференции. Данный способ гашения звука эффективнее, более того, сопротивление выхлопным газам у таких конструкций намного меньше, следовательно, потери мощности ниже. По такому принципу устроены глушители популярных отечественных машин.
В качестве вспомогательного глушителя (обычно он стоит первым) используют так называемые резонаторы. В конструкцию узлов резонаторного типа входят от одной до четырех замкнутых камер, которые сообщаются между собой трубопроводами с проделанными в них отверстиями. Последние составляют с камерами резонансные пары с собственной частотой, которая не совпадает с колебаниями выхлопа. Это и обеспечивает сглаживание акустических колебаний, т. е. снижение шума. В многокамерных резонаторах шум гасится также за счет отклонения потока газов и того, что у труб и камер сечения разные (особенно в диапазоне низких частот). Для снижения шума в области собственных колебаний применяются резонаторные каналы сквозного типа – без разрыва потока газов.
Принцип работы поглотительных систем основан на поглощении акустических волн определенным звукоизолирующим материалом. Такой глушитель представляет собой заполненную шумопоглощающим материалом камеру, через которую проходит перфорированная труба. Сквозь ее отверстия газы попадают в массу базальтовой ваты и расходуют свою энергию на взаимное трение волокон этого материала, преобразуясь все в то же тепло. Конструкция простая, работает во всем диапазоне частот, однако в целом эффективность ее невысока.
На данном этапе развития выхлопных систем для снижения веса и повышения эффективности шумоподавления производители объединяют несколько типов конструкций глушителей в одном корпусе.
Материалы – не последнее дело
Условия, в которых работает глушитель, можно назвать адскими: высокие давление и температура, химически агрессивные газ с одной стороны и снежно-соляная ванна – с другой. А еще добавьте сюда вибрации и риск механических повреждений о неровности дороги. Чтобы все это выдержать, данный узел должен быть выполнен из качественных материалов с использованием специальных технологий.
Сегодня с точки зрения конструкционных материалов глушитель выглядит так. Завальцованный (редко – сварной) корпус сложной пространственной формы сделан из стали. Внутренние перегородки и резонаторные трубки – из того же материала, тщательно проваренные. Чтобы максимально сохранить структуру металла, производители стараются применять контактную электросварку с электродами в виде роликов-вальцов.
Во многих современных основных глушителях последняя камера заполнена жаростойким шумопоглотителем из волокон на основе базальта или силиката. Для увеличения ресурса глушителей их иногда делают из оцинкованной или нержавеющей стали. Но если учитывать стоимость этих материалов, то цена такой долговечности иногда бывает неоправданно высокой, что приводит к удорожанию машины.
Место под днищем
Работа глушителей будет эффективнее, если они правильно размещены в автомобиле. Стремясь избежать возбуждения резонансных колебаний кузова и воздействия на него высоких температур, систему выхлопа стараются максимально, но в допустимых пределах, удалить от днища. Поскольку в современных легковушках с малым клиренсом выполнить это условие бывает нелегко, в некоторых случаях стенки глушителей делают двойными, заполняя зазор асбестом или более безвредным материалом, по характеристикам близким к асбесту. Таким образом обеспечиваются необходимая теплоизоляция и гашение вибраций корпуса.
По той же причине «тесноты» в зоне днища корпусы глушителя все чаще делают в виде сплюснутых и растянутых емкостей неправильной формы. Конструкторы научились придавать хорошие шумоподавляющие качества и таким сложным для расчета корпусам. Кстати, их аэродинамическое сопротивление ниже, чем у «бочкообразных» конструкций.
Любой из систем глушения необходима также правильная подвеска, которая защитит кузов от колебаний и в то же время не допустит нарушения герметичности соединительных трубопроводов. По этой причине в некоторых случаях в трубопроводах используют гибкие элементы – довольно дорогостоящие узлы, позволяющие подвешенной к кузову на резиновых креплениях выхлопной системе «плавать» и колебаться независимо от двигателя.
Выхлопные системы современных автомобилей продолжают совершенствоваться. Уже сегодня очевидно, что кроме обеспечения комфорта, они все в большей мере будут отвечать за чистоту выхлопа. Но это тема отдельного разговора.
| Критические отметки внешнего шума* |
| ||||||||||