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

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к воздухоочистителям, снабженным элементами шумоглушения.

Известно, что воздухоочиститель с подводящим и отводящим патрубками и расширительной камерой является глушителем шума камерного типа. При этом размеры проходного сечения патрубков относительно размеров условного проходного сечения камеры и ее объема определяют эффективность волновой звукоотражающей пробки, т. е. эффект выполнения воздухоочистителем функций глушителя шума. В это же время необходимость минимизации гидравлического сопротивления впускного тракта в целом для повышения наполнения цилиндров и улучшения мощностных и экономических показателей двигателя вынуждает выполнять размеры проходных сечений подводящих к камере патрубков достаточно большими, что при неизменных ограниченных объемах камеры воздухоочистителя (возможностью компоновки, материалоемкостью, стоимостью) ведет к ухудшению шумозаглушающих характеристик. В связи с этим актуальной задачей является не только компенсация потерь шумозаглушения за счет использования крупногабаритных присоединительных патрубков, но и дополнительное шумозаглушение при возможном снижении габаритов непосредственно камеры.

Известны воздухоочистители (заявка ФРГ N 2641679, опублик. 23.03.78, кл. F 02 M 35/04; а.с. СССР N 1747736, опублик. 15.07.92, кл. F 02 M 35/14; заявка Японии N 63-10302, опублик. 05.03.88, кл. F 02 M 35/14; а.с. N 1749529, опублик. 23.07.92, кл. F 02 M 35/02; а.с. N 1740747, опублик. 15.06.92, кл. F 02 M 35/022), в которых для улучшения шумозаглушения применяются дополнительные камеры, врезные (вдвижные) патрубки, сплошные дефлекторы и перегородки, создающие звукоотражающие эффекты, дросселирующие поток и т.п.

Однако эти элементы являются, как правило, существенными источниками гидравлических сопротивлений (не только благодаря развитию вихревых процессов, но и вследствие резких поворотов потока, "зажатия" проходного сечения и т. п. ). Зачастую эти элементы при существенных расходах и скоростях потока становятся и дополнительными источниками высокочастотного аэродинамического свиста, образующегося в зонах срыва вихрей за кромками этих турбулизаторов (экранов, дефлекторов, перегородок).

В качестве прототипа выбран воздухоочиститель для двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус, выполненный в виде кругового цилиндра, снабженного крышкой и днищем, впускной патрубок, окно которого расположено на стенке цилиндра, выпускное окно, расположенное в днище, фильтрующий элемент, выполненный в виде кольца, и плоскую перфорированную перегородку, размещенную в корпусе диаметрально так, что центр выпускного окна и перегородка расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через ось цилиндра, и центр выпускного окна отстоит от оси цилиндра на расстоянии r = (0,58-0,68)R, где R- радиус кругового цилиндра [1].

Известный воздухоочиститель является достаточно высокоэффективным с точки зрения акустики.

Однако высокая эффективность шумозаглушения достигается при строго определенном конструктивном исполнении воздухоочистителя и жестко зависит от конструкции воздухоочистителя, в частности от месторасположения выпускного окна, от формы и размеров камеры воздухоочистителя, а также существенно ограничены возможностью компоновки такой конструкции воздухоочистителя в стесненном пространстве моторного отсека транспортного средства. В условиях массового производства, когда выпускаются транспортные средства (автомобили) различных модификаций, содержащие двигатели, в которых применяются воздухоочистители с различными конструктивными параметрами, различающиеся формой и объемом камеры, месторасположением впускного и выпускного окон и их размерами и т. п. , а также аналогичным образом отличаются свободные пространства моторных отсеков этих транспортных средств, становится крайне сложным использование унифицированной конструкции воздухоочистителя с высокими акустическими параметрами при такой (как в прототипе) конструкции рассеивателя звуковой энергии - перфорированной перегородке. Иными словами, прототип обладает достаточно высокой чувствительностью к акустической настройке и требует индивидуальной адаптации к конкретному объекту (транспортному средству). Кроме того, при больших расходах всасываемого воздуха на перегородке генерируются вихревые звуки вследствие значительных местных скоростей газового потока, проходящего через отверстия перфорации перегородки с низким значением коэффициента перфорации.

Цель изобретения - расширение области применения, унификация и упрощение компоновки воздухоочистителя в моторном отсеке транспортного средства при повышении шумозаглушающих свойств воздухоочистителя за счет уменьшения чувствительности воздухоочистителя к акустической настройке и увеличения "эффективной толщины" используемого рассеивателя звука в корпусе воздухоочистителя, существенного увеличения рассеивания звука за счет увеличения суммарного периметра трения (суммарного периметра отверстий перфорации в двух перегородках рассеивателя), вызывающего необратимое преобразование энергии упругих звуковых волн и газовых пульсаций в тепловую энергию, а также за счет увеличения величины звукоизоляции между звукопередающими впускным и выпускным окнами камеры, обеспечиваемой наличием двойной перегородки с увеличенной эффективной "заграждающей" воздушной массой, заключенной в зоне двойной перегородки.

Сущность изобретения заключается в том, что воздухоочиститель для двигателя внутреннего сгорания, содержащий камеру, образованную корпусом, ограниченным днищем и крышкой, снабженную впускным и выпускным окнами, и размещенные в камере фильтрующий элемент и рассеиватель звуковой энергии, выполненный в виде плоской перфорированной перегородки, установленной между окнами, снабжен дополнительной перфорированной перегородкой, плоскость которой параллельна плоскости первой, причем расстояние между перегородками определяют из выражения
a = 0,2 d₁ ... 0,4 (d₁ + d₂)
где
d₁ - диаметр большего отверстия в перегородке;
d₂ - диаметр меньшего отверстия в перегородке.

Эффективность глушения при таком конструктивном исполнении воздухоочистителя повышается за счет обеспечения возможности увеличения степени перфорации перегородок и вовлечения при этом в процесс демпфирования и звукоизоляции значительно большей массы колеблющегося воздуха.

Целесообразно отверстия перфорации в первой по ходу потока воздуха перегородке выполнять большего диаметра, чем отверстия во второй перегородке, поскольку это позволяет увеличить воздушный зазор между перегородками, а следовательно, обеспечить большую демпфирующую и звукоотражающую способность при сохранении эффекта динамического взаимодействия присоединенных масс в смежных (противолежащих) отверстиях перегородок.

Оси отверстий перфорации в перегородках могут быть смещены, что в отдельных случаях позволит компромиссно управлять гидросопротивлениями и акустикой.

На фиг. 1 и 5 изображен воздухоочиститель; на фиг. 2 и 3 - фрагмент перфорированных перегородок и графическое изображение взаимодействия динамических срезов отверстий перфорации; на фиг.4 - перфорированный рассеиватель звуковой энергии; на фиг. 6 - фрагмент перфорированных перегородок с неравными диаметрами отверстий перфорации.

Принятые на чертежах обозначения:
d_i - диаметр отверстия в перегородке, мм;
t_i - толщина перфорированной перегородки, мм;
δ_i - величина динамического удлинения среза отверстия перфорации за счет действия присоединенной массы, мм.

Воздухоочиститель для двигателя внутреннего сгорания содержит камеру 1, образованную корпусом 2, днищем 3 и крышкой 4, снабженную впускным 5 и выпускным 6 окнами. В камере установлены фильтрующий элемент 7 и перфорированный рассеиватель звуковой энергии, размещенный между окнами 5 и 6. Рассеиватель выполнен в виде двух перфорированных перегородок 8 и 9 с воздушным зазором a между ними, величина которого находится в диапазоне, граничные пределы которого определяются из выражения
a = 0,2 d₁ ... 0,4 (d₁ + d₂),
где
d₁ - диаметр большего отверстия в перегородке;
d₂ - диаметр меньшего отверстия в перегородке.

При равном диаметре отверстий 10 и 11 в перегородках 8 и 9, величина воздушного зазора составляет 0,2...0,8 диаметра отверстия.

Направление потока воздуха в воздухоочистителе на фиг.1 показано стрелками 12. При этом в перегородке 8 целесообразно выполнять более крупные отверстия 10, чем в перегородке 9.

Воздухоочиститель работает следующим образом.

При работе двигателя внутреннего сгорания в момент открытия-закрытия впускных клапанов и в самом процессе изменения объемов цилиндров возникает переменная пульсирующая составляющая объемного расхода воздуха, что приводит к динамической "раскачке" воздушных объемов, заключенных в отдельных элементах патрубков и объемах системы впуска. Воздушные объемы в отдельных элементах системы, как упругомассовые динамические системы, обладают определенными частотными характеристиками - частотами собственных колебаний, "трансформирующих" подводимое силовое воздействие в соответствии со своими частотными характеристиками и, в конечном итоге, определяют звуковое излучение, производимое непосредственно срезом впускного патрубка.

Поток воздуха по впускному патрубку поступает в камеру воздухоочистителя, где, расширяясь, проходит очистку от твердых частиц. Далее поток воздуха просачивается через отверстия 10 и 11 в перегородках 8 и 9 и, сжимаясь, поступает в выпускное окно 6 камеры 1 воздухоочистителя. С другой стороны, упругие звуковые волны и газовые пульсации, действующие со стороны впускного 5 и выпускного 6 окон на входе и выходе из камеры 1 воздухоочистителя, отражаются по направлению к источникам, частично отражаясь, а частично передаваясь по направлению к открытому свободному срезу воздухозаборного патрубка воздухоочистителя, вызывают передачу этих динамических возмущений в окружающее пространство в виде звуковых волн (шума).

При этом близко расположенные перегородки 8 и 9 в пространстве камеры воздухоочистителя обеспечивают значительные вихревые потери для проходящих звуковых волн, поскольку отверстий в перегородках примерно в два раза больше (в сравнении с прототипом), а это значит, что значительно увеличивается общий суммарный периметр отверстий 10 и 11 (общий суммарный периметр трения газа в отверстиях). При этом к процессу демпфирования подключается значительно большая динамическая масса газа, находящаяся в зазоре a, образованном перегородками 8 и 9, что приводит к возрастанию звукоизоляции этого звукопередающего тракта (большая масса возбуждается с меньшими виброперемещениями).

Таким образом, предлагаемый рассеиватель звуковой энергии, выполненный в виде двух перфорированных перегородок 8 и 9, между которыми имеется воздушный зазор a представляет собой дополнительную акустическую пробку, которая практически не затрудняет проход воздуха из-за большого коэффициента перфорации перегородок. В конечном счете, это обуславливает незначительные гидравлические сопротивления или достаточно высокую проводимость. Одновременно с этим слабо генерируются вихревые звуки вследствие меньших скоростей воздушного потока, проходящего через отверстия перфорации, из-за большего коэффициента перфорации (большего суммарного проходного сечения). Кроме того, из-за наличия воздушного зазора между жесткими с большой демпфирующей способностью перегородками 8 и 9 воздушная прослойка в зазоре a должна рассматриваться как более инерционная (с большой массой) и с соответственными преимуществами ослабления передачи звуковой энергии как за счет увеличения отражения звука в направлении источника, так и за счет демпфирования (рассеивания звуковой энергии путем превращения ее в тепловую).

Эффективность предлагаемого рассеивателя звуковой энергии наиболее благоприятно достигается при определенной величине воздушного зазора a. Граничные пределы названного диапазона определяются исходя из того обстоятельства, что динамический срез отверстий 10 и 11 перфорации отстоит от статического среза теоретически на величину 0,3d (фиг.2 и 3), где d - диаметр отверстий 10 и 11. На практике эта величина в зависимости от самых различных конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов принимается равной 0,2. ..0,4 диаметра среза. Таким образом, величина зазора a, если диаметры отверстий 10 и 11 равны, должна лежать в диапазоне 0,2...0,8 диаметра отверстий (см. фиг. 2 и 3 соответственно) с учетом присоединенных в отверстиях 10 и 11 масс "М". При такой величине зазора a обеспечивается взаимодействие и взаимосвязь колеблющихся присоединенных воздушных масс в соосных отверстиях 10 и 11 соответствующих перегородок 8 и 9.

Если величина диапазона a превысит верхний граничный предел указанного диапазона, то рассеиватель начинает вырождаться в две самостоятельные перфорированные перегородки, и колебания в отверстиях 10 и 11 начинают происходить независимо друг от друга. При меньших граничных значениях указанного диапазона рассеиватель практически вырождается в одну перегородку. При этом слабо увеличивается колеблющаяся масса в отверстиях 10 и 11, т.е. слабо используется взаимодействие и взаимовлияние присоединенных близлежащих колеблющихся масс, сосредоточенных в отверстиях перфорации. При этом, слабо используются и демпфирующие свойства воздушного зазора a между перегородками 8 и 9, так как масса его незначительна.

Комплексно управлять оптимальными значениями гидросопротивлений и акустикой воздухоочистителя можно толщиной f_i перегородок 8 и 9, выполнением отверстий 10 и 11 разного диаметра (фиг.6), либо смещением осей смежных отверстий 10 и 11 в перегородках 8 и 9. При этом по ходу потока воздуха следует устанавливать перегородку 8 с большими отверстиями 10, что позволяет увеличить воздушный зазор a, а следовательно, обеспечить большую демпфирующую и звукоотражающую способность при сохранении эффективного динамического взаимодействия присоединенных масс в противолежащих отверстиях.

Таким образом, предлагаемая конструкция воздухоочистителя позволяет в условиях массового производства различных модификаций транспортных средств (автомобилей) и двигателей, включающих использование различных конструкций воздухоочистителей, отличающихся формой и объемом камеры, и различные варианты их компоновки в моторных отсеках, применить устройство глушения шума на впуске с уменьшенной чувствительностью к индивидуальной настройке и адаптации путем размещения внутри камеры воздухоочистителя эффективного рассеивателя звуковой энергии, размещение которого менее жестко привязано к конструктивным параметрам самого воздухоочистителя, что позволяет расширить возможности его компоновки в стесненном пространстве моторных отсеков транспортных средств при сохранении высоких шумозаглушающих свойств.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к воздухоочистителям, снабженным элементами шумоглушения, и позволяет расширить область применения, унифицировать и упростить компоновку воздухоочистителя в моторном отсеке транспортного средства при повышении шумозаглушающих свойств воздухоочистителя. Воздухоочиститель содержит камеру 1, образованную корпусом 2, днищем 3 и крышкой 4, снабженную впускным 5 и выпускным 6 окнами. В камере установлены фильтрующий элемент 7 и перфорированный рассеиватель звуковой энергии, размещенный между окнами 5 и 6. Рассеиватель выполнен в виде двух перфорированных перегородок 8 и 9 с зазором а между ними, величина которого находится в диапазоне, граничные пределы которого определяются из выражения а=0,2 d₁ ... 0,4( d₁ + d₂), где d₁-диаметр большего отверстия в перегородке; d₂-диаметр меньшего отверстия в перегородке. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Воздухоочиститель для двигателя внутреннего сгорания, содержащий камеру, образованную корпусом, ограниченными днищем и крышкой, снабженную впускным и выпускным окнами, и размещенные в камере фильтрующий элемент и плоскую перфорированную перегородку, установленную между окнами, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной перфорированной перегородкой, расположенной с зазором относительно первой перегородки, величину которого определяют из выражения
a = 0,2d₁ ... 0,4(d₁ + d₂),
где d₁ - диаметр большего отверстия в перегородке;
d₂ - диаметр меньшего отверстия в перегородке. 2. Воздухоочиститель по п. 1, отличающийся тем, что диаметр отверстий перфорации в первой перегородке по ходу потока воздуха больше диаметра соответствующих отверстий перфорации во второй перегородке. 3. Воздухоочиститель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что оси отверстий перфорации в перегородках смещены.