ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02M35/14 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к конструкциям воздухоочистителей (ВО) двигателей внутреннего сгорания (ДВС), снабженных элементами шумоглушения.

В материалах заявки рассматривается один из возможных вариантов решения технической задачи, позволяющей уменьшить шум системы впуска ДВС, обусловленный влиянием пульсаций в полости воздухоочистителя, возбуждающих его структурные элементы, в частности корпус и крышку, которые обладают значительной виброактивностью, поскольку выполняются тонкостенными и имеют значительные поверхности излучения.

На практике подавление высокой виброакустической активности плоской крышки (которая аналогична, как излучатель звука, тонкостенной пластине установленной в экране) осуществляют за счет ее конструктивного усложнения, например за счет оребрения поверхности крышки, с целью увеличения жесткости ее конструкции. Однако это не всегда приводит к общему положительному результату. В частности, выполнение достаточно высоких, взаимнопересекающихся ребер жесткости при размещении их внутри камеры ВО заметно ухудшает аэродинамику (гидравлику) впускного тракта при обтекании засасываемого воздушного потока, что отрицательно сказывается на мощностных, экономических и токсических показателях ДВС и транспортного средства в целом.

Увеличивается расход материала на образование этих ребер. В ряде случаев развитые поверхности ребер становятся дополнительными источниками излучения звука. Ребра размещенные на внешней поверхности крышки отрицательно влияют на компоновку, вынуждая поднимать поверхность капота автомобиля, что отрицательно сказывается на лобовом сопротивлении автомобиля.

Ужесточают крышку и дополнительными ограничительными связями, например стягивают крышку с дном корпуса воздухоочистителя крепежными элементами - шпильками, болтами и др. Но это приводит к загромождению трассы засасываемого воздуха на участке камеры воздухоочистителя с отрицательными последствиями, которые отмечены выше. Кроме того, усложняется конструкция, создается дополнительная трудоемкость, увеличивается номенклатура изделий и, естественно конструкция становится более дорогой в производстве.

Ниже описаны некоторые наиболее эффективные технические решения, позволяющие решить поставленную задачу.

Известен воздухоочиститель (ВО), - авт. св. СССР 1375847, кл. F 02 M 35/14, опублик. 22.02.88, БИ 7, - системы впуска ДВС, содержащий цилиндрический корпус с днищем, которые снабжены соответственно впускным и выпускным окнами, крышку корпуса и фильтрующий элемент. При этом, воздухоочиститель снабжен акустическим дефлектором, расположенным между корпусом и фильтрующим элементом со стороны впускного окна и образующим со стенками корпуса разветвляющиеся каналы, причем динамические срезы каналов расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости, проходящей через центр выпускного окна и ось цилиндрического корпуса.

Недостатком данного воздухоочистителя является то, что при работе ДВС возможно возникновение резонансных колебаний объема воздуха, заключенного в образованных гладких разветвляющихся каналах корпуса воздухоочистителя, что снижает эффективность глушения шума воздухоочистителем и проявляется, в частности, в виде субъективно неприятных звонов и роста уровней отдельных спектральных составляющих звукового спектра системы впуска.

Дальнейшим совершенствованием описанной выше конструкции является ВО системы впуска ДВС, описанный в авт. св. СССР 1747736, кл. F 02 M 35/14, опублик. 15.07.92, в БИ 26, который содержит цилиндрический корпус с днищем, снабженные соответственно впускным и выпускным окнами, крышку корпуса и фильтрующий элемент, а также акустический дефлектор, расположенный между корпусом и фильтрующим элементом со стороны впускного окна, образующий со стенками корпуса разветвляющиеся каналы, причем динамические срезы каналов расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости, проходящей через центр выпускного окна и ось цилиндрического корпуса, а на концах дефлектора выполнены перфорированные участки, ослабляющие резонансные колебания газа в разветвляющихся каналах. Крышка крепится к корпусу посредством монтажных элементов, например шпильками, которые смонтированы на днище корпуса. Такое жесткое крепление крышки уменьшает ее виброактивность и, как следствие, ведет к уменьшению излучаемого ею структурного шума в окружающую среду. Наиболее предпочтительным является случай, когда суммарная площадь отверстий перфорации составляет 0,5-0,9 площади поперечного сечения канала в месте выполнения соответствующего участка, а длины участков перфорации составляют не более четырех приведенных диаметров названных сечений. Центр впускного окна расположен в плоскости, проходящей через ось цилиндрического корпуса и отстоящей от одного из динамических срезов дефлектора на величину, кратную 1/8L, где L - длина дефлектора.

Описанный ВО обладает улучшенной эффективностью шумоглушения.

Однако наличие акустического дефлектора, размещенного внутри корпуса напротив впускного окна, неблагоприятно сказывается на основном функциональном назначении фильтрующего элемента, частично "заслоненного" дефлектором всасываемого двигателем потока наружного (неочищенного) воздуха во впускной тракт системы впуска. Это приводит к неравномерному осаждению частиц пыли и пр., содержащихся в забортном воздухе, по поверхности фильтрующего элемента, т. к. "заслоненная" дефлектором часть фильтрующего элемента не в полной мере участвует в очистке воздуха, что в конечном счете уменьшает ресурс более "загруженной" части фильтрующего элемента, увеличивает гидравлическое сопротивление воздухозаборного тракта, вследствие загромождения входной в воздухоочиститель части.

Известна серия воздухоочистителей для двигателя внутреннего сгорания, описанная в авт. св. СССР 1348557, опублик. 26.03.86; 1355744, опублик. 26.03.86 и 1615431, опублик. 11.02.86, кл. F 02 M 35/02, где с целью уменьшения вибраций крышки ВО элементы, обеспечивающие ее крепление на корпусе, размещены определенным образом.

Однако применяемая в крупногабаритных воздухоочистителях тонколистовая крышка со значительной поверхностью излучения интенсивно излучает структурный шум в окружающую среду.

Известен воздухоочиститель для двигателя внутреннего сгорания, описанный в авт. св. СССР 1101577, кл. F 02 M 35/14, опубл.07.07.84, БИ 25, где для уменьшения динамической раскачки корпуса и крышки ВО на боковой поверхности корпуса консольно закреплен воздухозаборный патрубок, который выполнен определенным образом изогнутым в плоскости, перпендикулярной оси корпуса. При таком конструктивном исполнении большая часть колебаний и деформаций, возбуждаемых воздухозаборным патрубком, передается на корпус крутящими моментами. При этом место соединения воздухозаборного патрубка с корпусом работает на кручение, что в сравнении с прямым патрубком в меньшей степени оказывает влияние на передачу возбуждения структурным элементам воздухоочистителя и, соответственно, уменьшает возбуждение и излучение структурного шума стенками воздухоочистителя.

В качестве прототипа выбран воздухоочиститель двигателя внутреннего сгорания, описанный в авт. св. СССР 1037700, приоритет от 12.05.81, кл. F 02 M 35/02, содержащий корпус, выполненный в виде кругового цилиндра и днища, снабженных соответственно впускным и выпускным окнами, крышку корпуса и фильтрующий элемент. С целью снижения шума впуска в крышке выполнены отверстия, расположенные в зоне между корпусом и фильтрующим элементом, ограниченной двумя плоскостями, расположенными на расстоянии +/-0,1R, где R - радиус цилиндра, от плоскости, проходящей через ось цилиндра.

Перфорированная тонкостенная крышка, с оптимальным размещением отверстий перфорации, позволяет уменьшить уровень структурного шума, излучаемого ею в окружающую среду. Однако из-за большого объема полости воздухоочистителя, длинного воздухозаборного патрубка и значительной поверхности и податливости тонкостенной крышки, последняя тем не менее излучает значительное количество звуковой энергии в окружающую среду.

Возможности подавления корпусного шума крышки путем ее перфорирования ограничены возможным увеличением "высвечивания" воздушного шума через "большие" отверстия из полости ВО. Кроме того, зона выполнения перфорации также является строго ограниченной и минимальной.

Целью изобретения является снижение шума впуска двигателя внутреннего сгорания.

Для достижения поставленной цели в известном воздухоочистителе двигателя внутреннего сгорания, содержащем корпус, ограниченный боковой стенкой и днищем, которые снабжены соответственно впускным и выпускным окнами, крышку закрывающую корпус с противоположной днищу стороны по периметру свободного края боковой стенки корпуса, и фильтрующий элемент, установленный в корпусе, свободный край боковой стенки имеет отбортовку внутрь корпуса в плоскости крышки, а сама крышка выполнена из композитного трехслойного материала металл-пластик-металл.

Наиболее предпочтительным вариантом является такой, когда отношение площади отверстия, ограниченного краем отбортовки, к суммарной площади отбортовки и отверстия, ограниченного краем отбортовки, составляет 0,5...0,8.

При таком конструктивном исполнении уменьшаются размеры крышки и снижается расход дорогостоящего материала МПМ, снижаются затраты на изготовление ВО в целом. Одновременно с этим удается компенсировать падение изгибной жесткости (при превращении большой крышки в малую и использовании слоистой структуры материала крышки) и таким образом дополнительно уменьшить излучение ею структурного шума. Кроме того, обеспечивается низкое излучение звука присоединительной к крышке частью корпуса ВО за счет придания этой зоне высокой динамической жесткости.

На фиг. 1 и 2 показан предлагаемый воздухоочиститель. Воздухоочиститель содержит корпус 1, ограниченный боковой стенкой 2 и днищем 3, которые снабжены соответственно впускным 4 и выпускным 5 окнами. Свободный край боковой стенки 2 имеет отбортовку 6, загнутую внутрь корпуса 1 по периметру боковой стенки 2. Отбортовка 6 заканчивается горловиной 7, на которой установлен уплотнитель 8. Крышка 9, выполненная из шумодемпфирующего трехслойного материала металл-пластик-металл (МПМ), закрывает корпус 1 по периметру горловины 7. Отбортовка 6 загнута внутрь корпуса 1 в плоскости крышки 9. Между крышкой 9 и днищем 3 корпуса 1 установлен фильтрующий элемент 10. Дополнительно на фиг. 1 показан воздухозаборный патрубок 11.

На фиг. 2 обозначено. S - площадь отверстия, ограниченного краем отбортовки 6;
S - суммарная площадь отбортовки 6 и отверстия, ограниченного краем отбортовки 6. При работе ДВС в момент открытия-закрытия впускных клапанов и в самом процессе изменения объемов цилиндров возникает переменная составляющая объемного расхода воздуха, что приводит к "раскачке" воздушных объемов, заключенных в отдельных элементах труб, и объемов камер системы впуска. Воздушные объемы в отдельных элементах системы обладают определенными частотными характеристиками (частотами собственных колебаний), "трансформирующими" подводимое силовое воздействие в соответствии со своими частотными характеристиками, и в конечном итоге определяют звуковое излучение, производимое непосредственно наружным срезом воздухозаборного патрубка 11. Объем воздушного столба, заключенного в ВО, можно рассматривать как распределенную по объему массу, обладающую определенными упругими, инерционными и диссипативными характеристиками. Подвод возбуждения к этой массе осуществляется как через выпускное окно 5, так и через срез воздухозаборного патрубка 10. Вследствие названного возбуждения воздушный объем, заполняющий полость ВО, начинает совершать колебания на своих собственных частотах, что усиливает раскачку на этих частотах воздушного столба, заключенного в воздухозаборном патрубке 11, а это усиливает интенсивность звукового излучения, производимого наружным срезом воздухозаборного патрубка 11 в окружающую среду. Наиболее интенсивными являются колебания воздушного столба камеры на низших тангенциальных и радиальных формах колебаний, которые характеризуются ярко выраженными максимумами (пучностями) и минимумами (узлами). Таким образом, выпускное окно 5 является источником пульсаций и сферических звуковых волн, как источник звука типа пульсирующей сферы. Указанные пульсации и звуковые давления в виде упругих волн излучаются в пространство камеры ВО и передаются наружу в окружающую среду через воздухозаборный патрубок 11.

Одновременно с этим, по аналогичным причинам, указанным выше, наблюдается интенсивное возбуждение структуры крышки 9 и корпуса 1 ВО, особенно крышки, поскольку она обладает незначительной жесткостью и развитой поверхностью излучения, что влечет усиление излучения звука корпусом 1 и крышкой 9 (корпусного звука).

В предлагаемом ВО предлагается уменьшить размеры крышки 9, выполнить ее из композитного трехслойного материала МПМ, как наиболее виброшумоактивного элемента воздухоочистителя и ужесточить часть корпуса 1, прилегающую к крышке 9.

Материал МПМ используемый в качестве конструкционного для изготовления крышки 9, обеспечивает при этом эффективное демпфирование средне- и высокочастотных структурных вибраций крышки 9 и соответственно снижает излучаемый ею шум, а малые размеры крышки 9 не позволяют вырастать уровням излучения звука на низких частотах, вследствие придания ей увеличенной изгибной жесткости (учитывая более низкие значения момента сопротивления изгибу слоистых структур). Заодно и существенно уменьшается расход дорогостоящего МПМ, в сравнении с традиционными крышками, диаметр которых, как правило, даже несколько превышает диаметр цилиндрической боковой части корпуса 1 ВО.

Использование трехслойного листа МПМ с точки зрения прочностных и жесткостных характеристик, можно рассматривать как использование двухслойной металлической структуры, поскольку вязкая, мягкая, пластиковая, вибродемпфирующая прослойка не оказывает заметного влияния на жесткостные и прочностные характеристики структуры в целом. Характеризуя жесткостные и прочностные характеристики плоского листа осевым (экваториальным) моментом инерции (Jx) и моментом сопротивления сечения при изгибе (Wx) несложно убедиться, что они пропорциональны выражению:
Dt³/12,
где:
D - ширина листовой панели;
t - толщина листа панели.

Сравнивая, например, однослойный лист толщиной 1,2 мм и двухслойный лист 0,6+0,6 = 1,2 мм, при D/12 = const, убеждаемся в следующем:
t³:12= 1,2³ :12= 1,728; t³:12= (0,6³+0,6³):12= 0,43
Т. е. эти простые арифметические вычисления показывают, что при одной и той же толщине листа однослойный лист прочнее двухслойного симметричного листа той же толщины, что и однослойный, практически в 4 раза. Очевидно, что этот факт необходимо учитывать в конструкциях деталей из МПМ, подвергаемых динамическому возбуждению.

Применение корпуса 1 с отбортовкой 6 позволяет существенно уменьшить изгибные деформации самого корпуса 1 и тем самым уменьшить передачу возбуждения на крышку 9 и соответственно ослабить ее излучение, а также существенно ослабить излучение от верхней части ВО за счет создания в его верхней части цилиндрической горловины 7, которая выполняет функцию кольцевого ребра жесткости высотой, равной боковой стенке 2 корпуса 1 ВО.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к конструкциям воздухоочистителей (ВО), снабженных элементами шумоглушения, и позволяет снизить уровень шума двигателей ' легковых автомобилей. ВО содержит корпус 1, ограниченный боковой стенкой 2 и днищем 3, которые снабжены соответственно впускным 4 и выпускным 5 окнами. Свободный край боковой стенки 2 имеет отбортовку 6 внутрь корпуса 1 в плоскости крышки 9, при этом сама крышка 9 выполнена из композитного трехслойного материала "металл-пластик-металл". 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Воздухоочиститель двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус, ограниченный боковой стенкой и днищем, которые снабжены соответственно впускным и выпускным окнами, крышку, закрывающую корпус с противоположной днищу стороны по периметру свободного края боковой стенки корпуса и фильтрующий элемент, отличающийся тем, что свободный край боковой стенки имеет отбортовку внутрь корпуса в плоскости крышки, при этом сама крышка выполнена из композитного трехслойного материала металл-пластик-металл. 2. Воздухоочиститель по п.1, отличающийся тем, что соотношение площадей S/S₁ составляет 0,5 - 0,9, где S - площадь отверстия, ограниченного краем отбортовки; S₁ - суммарная площадь отбортовки и отверстия, ограниченного краем отбортовки.