EP0781372A1 - Dispositif de silencieux pour moteurs a explosion - Google Patents

Dispositif de silencieux pour moteurs a explosion

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EP0781372A1
EP0781372A1 EP96925789A EP96925789A EP0781372A1 EP 0781372 A1 EP0781372 A1 EP 0781372A1 EP 96925789 A EP96925789 A EP 96925789A EP 96925789 A EP96925789 A EP 96925789A EP 0781372 A1 EP0781372 A1 EP 0781372A1
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nozzle
combustion engine
stainless steel
austenitic stainless
rpm
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    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features ; Exhaust or silencing apparatus, or parts thereof, having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01N1/00 - F01N5/00, F01N9/00, F01N11/00
    • F01N13/16Selection of particular materials
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N1/00Silencing apparatus characterised by method of silencing
    • F01N1/24Silencing apparatus characterised by method of silencing by using sound-absorbing materials
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2310/00Selection of sound absorbing or insulating material
    • F01N2310/04Metallic wool, e.g. steel wool, copper wool or the like

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust silencer for an internal combustion engine, in particular for an aircraft.
  • an exhaust silencer for an internal combustion engine
  • the invention provides a simple device using a particular geometry and secondarily austenitic stainless steel elements.
  • the proposed device is easy to install and remove, its maintenance is easy and its durability improved over time. .
  • the silencer comprises, according to a preferred but nonlimiting embodiment, a perforated nozzle extending over its entire length, this nozzle being surrounded by a coaxial envelope, and this silencer is characterized in that the nozzle forms a geometry with several cones whose function is to form a large volume, to create at least one system known under the term of "Venturi" to accelerate the flow of exhaust gases, by the fact that the gases pass into the annular space between the nozzle and the casing, and escape through outlet parts whose shape and geometry prevent the formation of turbulence generating back pressures.
  • the silencer is made of austenitic stainless steel. The space between the nozzle and the casing is filled with a straw also made of austenitic stainless steel.
  • An important advantage of the invention is to authorize the treatment of a larger volume of gas, with a larger contact surface, the assembly reducing the noise very significantly, while allowing, which is surprising, the rapid evacuation of this larger volume without generating the foreseeable major drawback of back pressures.
  • - Figure 1 a longitudinal section of the device according to the invention
  • - Figure 2 a longitudinal section of a variant of the device according to the invention.
  • the device comprises a nozzle (1) formed of a cone and a cylinder in one piece made of perforated sheet, alternating holes and diameters different from one row to another, on the entire length of the silencer.
  • the outer casing is formed by a front part (2), cylindrical and conical, and by a conical end piece (3) forming the rear part and ending in a bias tube for the evacuation of gases to the low.
  • the front part of the outer casing (2) is here conical to facilitate penetration into the air.
  • the edges of these two parts (2) and (3) intended to be assembled are machined by molding to form two circular grooves according to a known technique.
  • the three elements (1), (2) and (3) are made of austenitic stainless steel (it is recalled that austenite is a component of steel made up of a solid solution of iron and carbon), as well as the straw filling (4).
  • the muffler is installed as follows:
  • the number and size of the perforations of the nozzle are adapted according to the engine displacement.
  • the muffler is connected to the exhaust manifold by an expansion bellows which is itself held by two clamps with braked screws.
  • FIG. 2 represents a variant of the device in which the nozzle comprises different counter cones (5), intended, depending on the applications, to improve the expansion of the gases in the straw (4).
  • Figure 7 shows the rear part of a device described in Figure 1 or 2, on which is shown the socket (9) of the conical nozzle (3) on the nozzle (4).
  • Figures 3 and 4 show other variants of the device according to the invention.
  • a perforated partition (6 BIS) in the shape of a disc is placed perpendicular to the axis of the nozzle to hold the stainless steel straw in place and above all facilitate the evacuation of gases, hence the result a decrease in back pressures.
  • the straw is preferably held at the rear by this perforated plate or partition (6 BIS) giving passage to the gases at its periphery and, in its center, at the nozzle outlet.
  • the nozzle is welded to the rear perforated partition (6 BIS) which is itself screwed onto the rear part of the outer casing (2) and the conical end piece (3), and fitted into the front part from the outer casing (2) to the neck (6).
  • Figure 8 shows the front part of a device described in Figure 3 or 4, on which is shown the socket (9) of the nozzle
  • Figure 9 shows the rear part of a device described in Figure 3 or 4, on which is represented the welding (8) of the nozzle (1) on the perforated partition (6 BIS), and the screwing (7) of the 'outer casing (2), the conical end piece (3) and the perforated partition (6 BIS).
  • a silencer has been produced as described here with a nozzle of thickness 10 / 10th and an envelope of thickness 8 / 10th, the perforations have diameters varying between 8 mm and 10 mm.
  • the test protocol provided the following results:
  • the level is equal to 72.8 db.
  • the level is equal to 78.2 db.
  • the device according to the invention makes it possible today to obtain a gain greater than 5 dB minimum compared to current conventional silencers.
  • This device is particularly intended for equipping aircraft with a displacement of 4000 to 8000 m2, and more particularly the Piper PA 28.
  • the shape and size of the constituents may be adapted on condition that the general concept of the invention is respected, ie the choice of shapes creating at least one Venturi to accelerate the gases over at least part of their path, and shapes that generate as little turbulence as possible at the outlet of the Venturi.
  • the cones can be "rounded" and the Venturi replaced by an accelerator device with the same function. The only limits in this area will be the cost and the requirements for assembly and maintenance.
  • the straw (4) may be replaced by any structural material fulfilling an equivalent function.
  • austenitic stainless steel can be replaced by any material capable of fulfilling the same function.

Abstract

L'invention concerne un dispositif de fabrication simple et utilisant des éléments en acier inoxydable austénitique. Il est constitué d'une tuyère (1) formée d'un cône et d'un cylindre d'un seul tenant en tôle perforée de trous alternés et de diamètres différents sur toute sa longueur. L'enveloppe extérieure est formée d'une partie avant (2), cylindrique et éventuellement conique, d'une partie arrière (3) à embout conique se terminant par un tube de fuite en biais permettant l'évacuation des gaz. Cette géométrie augmente le volume disponible, et accélère le flux sans occasionner de contre-pressions. L'espace entre la tuyère et l'enveloppe extérieure est occupé par la paille (4) en acier inoxydable austénitique. Outre une réduction notable du niveau de bruit émis par rapport aux systèmes existants, le dispositif proposé est facile à installer et à déposer, sa maintenance est aisée et sa tenue dans le temps améliorée.

Description

DISPOSITIF DE SILENCIEUX POUR MOTEURS A EXPLOSION
La présente invention concerne un silencieux d'échappement pour moteur à explosion, notamment pour aéronef. II existe actuellement plusieurs systèmes de silencieux à chicanes, par absorption par détente, qui permettent d'atténuer le niveau de bruit émis pour le ramener aux normes en vigueur. Ces systèmes présentent les inconvénients de créer des surchauffes et des pressions perturbatrices contre-directrices. Pour palier ces inconvénients, l'invention propose un dispositif simple utilisant une géométrie particulière et secondairement des éléments en acier inoxydable austénitique. Outre une réduction notable du niveau de bruit émis par rapport aux systèmes existants, comme cela sera décrit plus loin dans un exemple d'application, le dispositif proposé est facile à installer et à déposer, sa maintenance est aisée et sa tenue dans le temps améliorée.
Il n'était pas évident que la géométrie proposée et la sélection d'un acier inoxydable austénitique permette d'obtenir les avantages importants de l'invention, et notamment un gain supérieur à 5 db minimum par rapport aux silencieux de l'art antérieur. Il n'était pas non plus évident de renoncer aux dispositifs à chicanes souvent utilisés dans de nombreux types de silencieux, dans différents types d'industries.
Brièvement, le silencieux selon l'invention comporte, selon un mode de réalisation préféré mais non limitatif, une tuyère perforée s'étendant sur toute sa longueur, cette tuyère étant entourée par une enveloppe coaxiale, et ce silencieux est caractérisé par le fait que la tuyère forme une géométrie à plusieurs cônes dont la fonction est de former un volume important, de créer au moins un système connu sous le vocable de " Venturi " pour accélérer le flux des gaz d'échappement, par le fait que les gaz passent dans l'espace annulaire entre la tuyère et l'enveloppe, et s'échappent par des pièces de sortie dont la forme et la géométrie évitent la formation de turbulences génératrices de contre- pressions. Secondairement, selon un mode de réalisation préféré, le silencieux est réalisé en acier inoxydable austénitique. L'espace entre la tuyère et l'enveloppe est rempli d'une paille également en acier inoxydable austénitique.
Un avantage important de l'invention est d'autoriser le traitement d'un volume plus important de gaz, avec une plus grande surface de contact, l'ensemble réduisant le bruit de manière très notable, tout en autorisant, ce qui est surprenant, l'évacuation rapide de ce plus grand volume sans générer l'inconvénient majeur prévisible des contre- pressions.
La géométrie de l'invention sera comprise de l'homme de métier à la lecture des dessins annexés, sans qu'il soit nécessaire de l'expliquer plus en détail. L'homme de métier saura de plus envisager sans difficultés des variantes et des dérivés de cette géométrie, respectant le concept général ci dessus.
Il est également surprenant de constater que le bruit désagréable bien connu des professionnels utilisant l'acier inoxydable ( provoqué par des fréquences ultra-sonores ) n'est pas produit par le dispositif selon l'invention. On sait que par exemple l'emploi de cuivre donne un son " feutré " mais le cuivre est naturellement très lourd. Il est surprenant d'obtenir un son agréable avec un matériau recherché pour ses qualités mais également réputé pour son bruit désagréable.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent :
- figure 1 : une coupe longitudinale du dispositif selon l'invention, - figure 2 : une coupe longitudinale d'une variante du dispositif selon l'invention.
- figures 3 et 4 : coupes longitudinales de variantes du dispositif selon l'invention,
- figures 5 et 6 : coupes transversales respectives des figures 3 et 4 selon A - A ( représentant les cloisons perforées (6 BIS) ), - figure 7 : détail d'un dispositif représenté en figure 1 ou 2,
- figures 8 et 9 : détails d'un dispositif représenté en figure 3 ou 4.
En référence à la figure 1 , le dispositif comporte une tuyère (1 ) formée d'un cône et d'un cylindre d'un seul tenant en tôle perforée, trous alternés et de diamètres différents d'une rangée à l'autre, sur toute la longueur du silencieux. L'enveloppe extérieure est formée d'une partie avant (2), cylindrique et conique , et d'un embout conique (3) formant la partie arrière et se terminant par un tube de fuite en biais permettant l'évacuation des gaz vers le bas. La partie avant de l'enveloppe extérieure (2) est ici conique pour faciliter la pénétration dans l'air. Les bords de ces deux parties (2) et (3) destinées à être assemblées sont usinés par moulurage pour former deux gorges circulaires selon une technique connue. Selon une caractéristique préférée de l'invention, les trois éléments (1), (2) et (3) sont en acier inoxydable austénitique (on rappelle que l'austénite est un composant de l'acier constitué d'une solution solide de fer et de carbone), ainsi que la garniture de paille (4). Le montage du silencieux s'opère de la façon suivante :
- soudage de la tuyère sur la partie avant au niveau du col (6), - remplissage de l'espace entre la tuyère et l'enveloppe avec de la paille en acier inoxydable austénitique (4),
- mise en place de l'embout arrière (3) par emboîtement et vissage.
Le nombre et la taille des perforations de la tuyère sont adaptés en fonction de la cylindrée du moteur. Le silencieux est connecté à la tubulure de l'échappement par un soufflet de dilatation qui est lui-même maintenu par deux colliers avec vis freinées.
La figure 2 représente une variante du dispositif dans laquelle la tuyère comporte différents contre-cônes (5), destinés suivant les applications à améliorer la détente des gaz dans la paille (4).
La figure 7 représente la partie arrière d'un dispoitif décrit en figure 1 ou 2, sur laquelle est représenté l'emboîtement (9) de l'embout conique (3) sur la tuyère (4). Les figures 3 et 4 représentent d'autres variantes du dispositif selon l'invention.
Dans ces variantes, une cloison perforée (6 BIS) en forme de disque, se place perpendiculaire à l'axe de la tuyère pour maintenir la paille d'acier inoxydable en place et surtout faciliter l'évacuation des gaz, d'où le résultat d'une diminution des contre-pressions. La paille est maintenue de préférence à la partie arrière par cette plaque ou cloison perforée (6 BIS) livrant passage aux gaz à sa périphérie et, en son centre, à la sortie de tuyère. Dans ces variantes, la tuyère est soudée sur la cloison perforée arrière (6 BIS) qui est elle-même vissée sur la partie arrière de l'enveloppe extérieure (2) et l'embout conique (3), et emboîtée dans la partie avant de l'enveloppe extérieure (2) au col (6).
Le figure 8 représente la partie avant d'un dispositif décrit en figure 3 ou 4, sur laquelle est représenté l'emboîtement (9) de la tuyère
(1 ) sur l'enveloppe extérieure (2) au col (6).
La figure 9 représente la partie arrière d'un dispositif décrit en figure 3 ou 4, sur laquelle est représenté la soudure (8) de la tuyère (1) sur la cloison perforée (6 BIS), et le vissage (7) de l'enveloppe extérieure (2), l'embout conique (3) et la cloison perforée (6 BIS).
Exemple de réalisation :
Suivant un exemple, on a réalisé un silencieux tel que décrit ici avec une tuyère d'épaisseur 10/10ème et une enveloppe d'épaisseur 8/10ème, les perforations ont des diamètres variables entre 8 mm et 10 mm. Le protocole d'essai a fourni les résultats suivants :
- Point fixe - puissance maximum pour une vitesse affichée de 2350 tr/mm 64 db
- Lâcher des freins - 2500 tr/mn pour une vitesse affichée au lâcher de 2300 tr/mn 74 db
- Passage 300 ft stabilisé - 2500 tr/mn 73 db
- Passage 1000 ft stabilisé - 2500 tr/mn 67 db - Vitesse au cabrage 60 kn pour temps de roulage obtenu en 20 sec 71 db
- Passage 300 ft stabilisé - 2500 tr/mn pour vitesse affichée au passage de 120 km 70 db - Passage 1000 ft stabilisé - 2500 tr/mn pour vitesse affichée au passage de 112 kn 68 db
- Montée initiale 80 kn pour une vitesse affichée de 2500 tr/mn....70 db
- Passage 300 ft stabilisé - 2500 tr/mn 70 db
- Passage 1000 ft stabilisé - 2500 tr/mn 65 db - Verticale montée initiale 80 kn pour une hauteur obtenue au passage de 500 ft 89 db
- Passage 300 ft stabilisé - 2500 tr/mn 87 db
- Passage 1000 ft stabilisé - 2500 tr/mn 78 db
En moyenne, le niveau est égal à 72,8 db.
A titre de comparaison, les mêmes mesures obtenues avec un silencieux classique sont ies suivantes :
- Point fixe - puissance maximum pour une vitesse affichée de 2350 tr/mn 77 db
- Lâcher des freins - 2500 tr/mn pour une vitesse affichée au lâcher de 2300 tr/mn 74 db
- Passage 300 ft stabilisé - 2500 tr/mn 80 db
- Passage 1000 ft stabilisé - 2500 tr/mn 71 db - Vitesse au cabrage 60 kn pour temps de roulage obtenu en 20 sec 73 db
- Passage 300 ft stabilisé - 2500 tr/mn pour vitesse affichée au passage de 120 kn 75 db
- Passage 1000 ft stabilisé - 2500 tr/mn pour vitesse affichée au passage de 112 kn 73 db
- Montée initiale 80 kn pour une vitesse affichée de 2500 tr/mn 77 db
- Passage 300 ft stabilité - 2500 tr/mn 73 db
- Passage 1000 ft stabilisé - 2500 tr/mn 70 db
- Verticale montée initiale 80 kn pour une hauteur obtenue au passage de 500 ft 92 db - Passage 300 ft stabilisé - 2500 tr/mn 96 db
- Passage 1000 ft stabilisé - 2500 tr/mn 86 db
En moyenne, le niveau est égal à 78,2 db.
Notes : kn = noeud ( " knot " ) 1 ft # 33 cm
Le dispositif selon l'invention permet d'obtenir aujourd'hui un gain supérieur à 5 db minimum par rapport aux silencieux classiques actuels. Ce dispositif est particulièrement destiné à équiper des aéronefs d'une cylindrée de 4000 à 8000 m2, et plus particulièrement le Piper PA 28.
D'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme de métier et font partie de l'invention. Notamment, la forme et la dimension des constituants pourront être adaptées à la condition que le concept général de l'invention soit respecté, c.a.d. le choix de formes créant au moins un Venturi pour accélérer les gaz sur au moins une partie de leur trajet, et de formes générant le moins possible de turbulences à la sortie du Venturi. Notamment, les cônes pourront être " arrondis " et le Venturi remplacé par un dispositif accélérateur de même fonction. Les seules limites en ce domaine seront le coût et les impératifs de montage et de maintenance. De même, la paille (4) pourra être remplacée par toute matière de structure remplissant une fonction équivalente. Enfin, l'acier inoxydable austénitique pourra être remplacé par tout matériau capable de remplir la même fonction.

Claims

REVENDICATIONS
1. - Dispositif silencieux pour échappement de moteur à explosion comprenant une tuyère perforée (1) sur toute sa longueur, cette tuyère étant entourée par une enveloppe coaxiale (2), (3), caractérisé par le fait que la tuyère forme une géométrie à plusieurs cônes dont la fonction est de former un volume important, de créer au moins un système connu sous le vocable de " Venturi " pour accélérer le flux des gaz d'échappement au moins sur une partie de leur trajet, par le fait que les gaz passent dans l'espace annulaire entre la tuyère et l'enveloppe, et s'échappent par des pièces de sortie dont la forme et la géométrie évitent malgré le dispositif Venturi la formation de turbulences génératrices de contre-pressions.
2. - Dispositif silencieux pour échappement de moteur à explosion selon la revendication 1 , caractérisé par le fait qu'il ne comporte pas de chicanes, que l'ensemble tuyère-enveloppe est réalisé en tôle d'acier inoxydable austénitique et que l'espace entre la tuyère et l'enveloppe est rempli d'une paille (4) également en acier inoxydable austénitique, maintenue de préférence à la partie arrière par une plaque ou cloison perforée (6 BIS) livrant passage aux gaz à sa périphérie et, en son centre, à la sortie de tuyère.
3. - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la tuyère est formée d'un ou plusieurs cônes, contre-cônes (5) et cylindre d'un seul tenant.
4. - Dispositif selon ia revendication 1 ,2 ou 3, caractérisé par le fait que les perforations de la tuyère sont constituées de trous alternés et de diamètres différents d'une rangée à l'autre, selon la cylindrée du moteur à explosion.
5. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'enveloppe est formée d'une partie avant soudée à la tuyère au col (6), d'une partie arrière conique amovible, les deux bords jointifs de ces deux parties étant moulurés en deux gorges pour permettre un démontage et un remontage rapides.
6. - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la tuyère est emboîtée dans l'enveloppe extérieure avant (2) au col(6) et soudée sur la cloison perforée (6 BIS) elle-même vissée sur l'enveloppe extérieure (2) et l'embout conique (3).
7. - Dispositif selon I' une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il est monté sur l'échappement d'un moteur d'avion, ou un autre type de moteur à explosion, qu'il supprime les surchauffes et pressions perturbatrices contre-directrices et que l'atténuation du niveau de bruit émis est supérieure à 5 db .
EP96925789A 1995-07-17 1996-07-16 Dispositif de silencieux pour moteurs a explosion Expired - Lifetime EP0781372B1 (fr)

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FR9508838A FR2736966B1 (fr) 1995-07-17 1995-07-17 Silencieux d'echappement pour moteur a explosion, pour aeronef
PCT/FR1996/001098 WO1997004220A1 (fr) 1995-07-17 1996-07-16 Dispositif de silencieux pour moteurs a explosion

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EP0781372A1 true EP0781372A1 (fr) 1997-07-02
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EP (1) EP0781372B1 (fr)
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AU (1) AU722523B2 (fr)
CA (1) CA2200078A1 (fr)
DE (1) DE69630190T2 (fr)
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