СИСТЕМА ВПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02M35/12 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам впуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с улучшенными акустическими и эксплуатационными показателями.

Одной из наиболее трудных проблем в современном автомобилестроении является проблема снижения уровня шума впуска двигателя внутреннего сгорания, который возбуждается в результате интенсивных пульсаций газового потока во впускном тракте работающего двигателя и излучается входным срезом воздухозаборного патрубка в окружающую среду.

Известны различные технические приемы, позволяющие в той или иной степени решать обозначенную проблему.

Так, в системе впуска карбюраторного двигателя, описанной в авторском свидетельстве СССР N 871570, кл. F 02 M 31/00, 1984, патрубки подвода в воздухоочиститель холодного и подогретого воздуха снабжены калиброванными отверстиями, размещенными на определенном расстоянии от открытых концов патрубков, соответствующем размещению этих отверстий в зонах максимальных звуковых давлений для первой и второй форм колебаний (мод), что позволяет эффективно подавлять резонансные явления на этих модах.

В последнее время наиболее широкое применение получили двухпатрубковые (термостатированные) системы впуска, к патрубкам которых определенным образом подключены 1/4 волновые резонаторы. Такие конструкции систем впуска описаны, например, в ЕПВ 0192457, кл. F 02 M 35/12, публ. 1986 г., ЕПВ 0091038, кл. F 02 M 35/12, публ. 1983, патенте США 5040495, кл. F 02 M 35/10, публ. 1991 г. , заявке Японии 61 - 190158, кл. F 02 M 35/12, публ. 1987 г., ЕПВ 0379926, кл. F 02 M 35/12, публ. 1990 г. и др.

Во всех названных технических решениях предусматривается использование дополнительного тупикового волновода (патрубка с глухим концом), подключенного к воздухозаборному патрубку или к камере воздухоочистителя, который (резонатор) выполняет исключительно только акустическую функцию и вызывает в ряде случаев ухудшение других функций и показателей транспортного средства. В частности, это проблемы компоновки в стесненных условиях загроможденного пространства моторного отсека (длина резонаторного патрубка достигает метра), рост материалоемкости и стоимости, возможное попадание в патрубок воды и необходимость ее удаления, например, за счет выполнения специального отверстия в донышке резонатора, как это отмечено в заявке Японии (B) 2-9175, кл. F 02 M 35/12, публ. 1990 г. Следует отметить, что известные решения не выполняют других совершенно необходимых функций (не многофункциональны), таких, например, как исключение перегрева, коробления и оплавления патрубка забора горячего воздуха и заслонки терморегулятора, исключения поломки двигателя из-за возможного гидравлического удара поршня в зоне верхней мертвой точки при засасывании воды через патрубок забора холодного воздуха при движении автомобиля через брод или при движении в условиях обильного снегопада.

В качестве прототипа выбрана терморегулируемая система впуска для многоцилиндрового двигателя, описанная в авторском свидетельстве СССР N 871570, кл. F 02 M 31/00, публ. 07.03.84, Бюл. N 9, содержащая воздухоочиститель, трубу смешанного воздуха, патрубки подогретого и неподогретого воздуха, снабженные открытыми концами, элемент терморегулирования потока воздуха (терморегулятор, к которому подсоединены патрубки) и устройство для подавления акустических резонансов и низкочастотных пульсаций газа (воздуха) в элементах впускного тракта ДВС, которое представлено калиброванными отверстиями, выполненными в патрубках, или по крайней мере в одном из них, на расстоянии 0,25. . . 0,5 их общей длины от их свободных концов. Кроме того, отношение суммарной площади проходного сечения отверстий к площади поперечного сечения соответствующего патрубка составляет 0,01...0,08.

Описанная система обладает тем преимуществом, что она не представляет никаких технических сложностей в реализации. Имеется в виду то, что перфорирование патрубков конструктивно простой и высокотехнологичный прием. Такая система до недавнего времени вполне удовлетворяла требованиям, которые предъявлялись к допустимому уровню шума легковых автомобилей. Однако современные требования диктуют более жесткие условия, в связи с чем для подавления шума впуска потребовались более радикальные меры, например введение в тракт впуска резонаторов Гельмгольца и/или 1/4 волновых резонаторов, о чем уже говорилось выше. Кроме того, через открытые срезы патрубков в тракт впуска, при движении автомобиля вброд или в условиях сильного снегопада, возможно попадание воды, что в ряде случаев приводит к гидроудару в цилиндре двигателя и его неизбежной поломке.

Цель изобретения - повышение акустических и эксплуатационных качеств двигателя.

Сущность изобретения заключается в том, что в известной системе впуска двигателя внутреннего сгорания, содержащей воздухоочиститель, трубу смешанного воздуха, патрубки подогретого и неподогретого воздуха, снабженные открытыми концами, элемент терморегулирования потоков воздуха и устройство для подавления акустических резонансов и низкочастотных пульсаций газа в элементах впускного тракта ДВС, труба смешанного воздуха и патрубки подогретого и неподогретого воздуха имеют одинаковую длину, элемент терморегулирования потоков воздуха выполнен в виде двух снабженных управляемым приводом, поворотных заслонок, выполненных из плотного, газонепроницаемого, звукоотражающего материала и смонтированных на открытых концах патрубков подогретого или неподогретого воздуха и работающих в двух положениях "открыто"-"закрыто", причем когда одна из заслонок полностью открыта, другая заслонка полностью закрыта, а устройство для подавления акустических резонансов и низкочастотных пульсаций газа выполнено в виде одного из патрубков с заслонкой, находящейся в положении "закрыто".

Привод заслонок может быть ручным или автоматическим. Автоматический привод в свою очередь включает размещенный в трубе смешанного воздуха, вблизи камеры воздухоочистителя (или в самой камере) термодатчик, подающий сигнал в процессор, управляющие импульсы с которого подаются на исполнительные силовые механизмы, перемещающие заслонки.

Для повышения компактности и эффективности работы патрубка подогретого воздуха часть названного патрубка может быть выполнена в виде винтового канала (шнека), образованного стенками патрубка и частью наружной стенки выхлопного коллектора, на которой этот патрубок жестко закреплен.

При таком конструктивном исполнении, в отличие от прототипа, где подавление резонансного излучения сдвоенных патрубков на низших собственных модах осуществляется за счет выполнения калиброванных отверстий, выполняющих роль демпферов (продавливание колебаний давлений газа через малые отверстия перфорации), в предлагаемой системе осуществляется значительно более эффективная противофазная компенсация звуковых полей 1/4 волновым резонатором, который в идеальном случае подразумевает полное уничтожение поля прямой волны, отраженной в противофазе.

Кроме того, в прототипе через открытые калиброванные отверстия происходит "высвечивание" высокочастотной звуковой энергии, чего нет в 1/4 волновом резонаторе и глухим тупиковым (изолированным от окружающей среды) ответвлением. Более того, выполнение отверстий значительного диаметра или наоборот значительного количества мелких отверстий для отдельных частот как бы укорачивает эффективную длину патрубка (звук излучается уже самими отверстиями, а не открытым концом патрубка) и колеблющаяся масса воздуха между поясом отверстий и открытым концом как бы исключена из колебательного процесса. А раскачка более легкой массы (укороченного патрубка) ведет к увеличению амплитуд скоростей колебаний этой массы и соответственно к росту излучаемого звукового давления на впуске.

На фиг. 1 показана предлагаемая система впуска; на фиг. 2 - схема подключения 1/4 волнового резонатора к воздушному каналу, образованному трубой смешанного воздуха и одним из патрубков; на фиг. 3 - эпюра распределения звукового давления P на первой (фиг. 4 - на третьей) низшей собственной резонансной форме колебаний воздушного объема, заключенного в открытом с обеих стороне канале, образованном внутренними полостями трубы смешанного воздуха и одного из патрубков; на фиг. 5 - возможный вариант конструктивного компактного исполнения патрубка подогретого воздуха, смонтированного на выпускном коллекторе двигателя.

Система впуска двигателя внутреннего сгорания содержит воздухоочиститель 1, трубу смешанного воздуха 2, патрубки 3 и 4, соответственно подогретого и неподогретого воздуха, снабженные открытыми концами 5 и 6, элемент терморегулирования потоков воздуха и устройство для подавления акустических резонансов и низкочастотных пульсаций газа в элементах впускного тракта ДВС. Труба 2 и патрубки 3 и 4 имеют одинаковую трубу L. Элемент терморегулирования выполнен в виде двух снабженных управляемым приводом поворотных заслонок 7 и 8, выполненных из плотного, газонепроницаемого, звукоотражающего материала и смонтированных на открытых концах 5 и 6 патрубков 3 и 4. Заслонки 7 и 8 работают в положении или "открыто" или "закрыто", причем когда одна из заслонок, например 7, открыта, другая (заслонка 8) - закрыта и наоборот. Устройство для подавления акустических резонансов и низкочастотных пульсаций газа выполнено в виде одного из патрубков 3 или 4, у которого заслонка 7 или 8 находится в положении "закрыто". Иными словами, это устройство представляет 1/4 волновой резонатор, в противофазе настроенный на первую (и все нечетные) собственные резонансные формы колебаний, см. фиг. 3 - 4.

Привод заслонок 7 и 8 может быть ручным (тросовый или поводковый), он широко известен и на чертежах не показан. Автоматический привод, фиг. 1, включает термодатчик 9, подающий сигнал в процессор 10, управляющие импульсы с которого передаются на исполнительные силовые механизмы 11 и 12, перемещающие заслонки 7 и 8.

Часть патрубка 3 может быть выполнена в виде винтового канала, фиг. 5, образованного стенками патрубка 3 и частью наружной стенки выхлопного коллектора 13, на которой патрубок 3 жестко закреплен. Конструктивно здесь могут быть представлены самые различные варианты, например канал может быть образован закрепленным на стенке коллектора 13 неподвижным винтовым направляющим элементом 14 (типа шнека), заключенным в корпус 15, на котором имеются окна для подсоединения патрубка 3 и его открытого конца 5 с заслонкой 7. В этом варианте одновременно с компактностью очевидна и повышенная эффективность забора тепла с поверхности выхлопного коллектора 13, поскольку воздух, поступающий через открытый конец 5 в корпус 15, многократно омывает стенку горячего коллектора 13.

В предлагаемой системе предусмотрено, что усилие, удерживающее заслонку 7 патрубка 3 в закрытом положении, лишь незначительно превышает величину усилия разрежения, которое образуется над заслонкой при всасывании воздуха патрубком 4 неподогретого воздуха при полностью открытой дроссельной заслонке карбюратора и максимальных оборотах двигателя. Об этом подробно будет сказано ниже.

Работает предлагаемая система обычным образом.

Пульсирующий поток воздуха, возникающий при работе впускного клапана, обусловливает возникновение в трассе впуска двигателя звукового поля, энергия которого излучается в окружающую среду открытыми концами 5 и 6 патрубков 3 и 4. Особенно интенсивно звуковое излучение происходит на низших собственных резонансных частотах столба воздуха, заключенного в подсоединенных к воздухоочистителю 1 патрубках, см. фиг. 3 - 4.

Для эффективного подавления акустических резонансов и газовых пульсаций на этих частотах в заявляемой системе предлагается один из штатных патрубков уже известной системы использовать в качестве 1/4 волнового резонатора, настроенного на первую низшую собственную резонансную (и все нечетные) частоту колебаний воздуха, заключенного в трассе труба 2 - патрубок 3 (при закрытой заслонке 8), или трассе труба 2 - патрубок 4 (при закрытой заслонке 7). Т.е. при эксплуатации автомобиля летом, когда для забора воздуха в ДВС используется патрубок неподогретого воздуха 4, функцию 1/4 волнового резонатора выполняет патрубок 3 с закрытой заслонкой 7 (подвод теплого воздуха в это время исключается). При эксплуатации автомобиля зимой (в условиях низких температур окружающей среды) используется патрубок 3 подогретого воздуха, а функцию 1/4 волнового резонатора выполняет патрубок неподогретого воздуха 4 с закрытой заслонкой 8.

При движении автомобиля через брод (в условиях положительных температур окружающей среды) и при попадании воды через открытый конец 6 в патрубок 4 проводимость патрубка 4 резко уменьшается, при этом над закрытой в это время заслонкой 7 в патрубке 3 резко возрастет разрежение, что заставит ее открыться и обеспечить необходимую подачу впускного воздуха в ДВС через патрубок 3 подогретого воздуха. Таким образом, вода через патрубок 4 в цилиндры двигателя не попадет. После преодоления брода силовой механизм 11 вернет заслонку 7 в закрытое положение, поскольку температурное состояние впускного засасываемого воздуха соответствовало эксплуатации двигателя в летнее время (положительный температурный диапазон).

Аналогичным образом в условиях отрицательных температур окружающей среды, когда закрыт патрубок 4, выполняющий в это время функцию 1/4 волнового резонатора, попадающий в зону открытого конца 5 снег, войдя в контакт с раскаленной стенкой коллектора 13, мгновенно тает и в цилиндры могут попасть только пары воды, что совершенно безопасно (а в ряде случаев даже полезно) для двигателя.

Таким образом, применение штатных патрубков 3 и 4 подогретого и неподогретого воздуха не только по своему прямому назначению, но и для эффективного подавления шума впуска, а также придания системе нового качества - предотвращения попадания воды в цилиндры двигателя и повышения тем самым его надежности и эксплуатационных качеств позволяет говорить о ее существенных преимуществах в сравнении с принятым прототипом.

Изобретение относится к автомобильным двигателям внутреннего сгорания и позволяет улучшить акустические и другие эксплуатационные характеристики автомобилей. Система содержит воздухоочиститель 1, трубу смешанного воздуха 2, патрубки 3 и 4 подогретого и неподогретого воздуха, снабженные открытыми концами 5 и 6, элемент терморегулирования потоков воздуха и устройство для подавления акустических резонансов и низкочастотных пульсаций газа в элементах впускного тракта двигателя. Труба 2 и патрубки 3 и 4 имеют одинаковую длину L. Элемент терморегулирования выполнен в виде двух управляемых приводом поворотных заслонок 7 и 8, выполненных из звукоотражающего материала и смонтированных на открытых концах 5 и 6 патрубков 3 и 4. Заслонки 7 и 8 работают в положении или "открыто", или "закрыто". Устройство для подавления акустических резонансов и низкочастотных пульсаций газа выполнено в виде 1/4 волнового резонатора, образованного одним из патрубков 3 или 4, у которого заслонка 7 или 8 находится в положении "закрыто". 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система впуска двигателя внутреннего сгорания, содержащая воздухоочиститель, трубу смешанного воздуха, патрубки подогретого и неподогретого воздуха, снабженные открытыми концами, элемент терморегулирования потоков воздуха и устройство для подавления акустических резонансов и низкочастотных пульсаций газа в элементах впускного тракта двигателя, отличающаяся тем, что труба смешанного воздуха и патрубки подогретого и неподогретого воздуха имеют одинаковую длину, элемент терморегулирования потоков воздуха выполнен в виде двух снабженных управляемым приводом поворотных заслонок, выполненных из плотного газонепроницаемого звукоотражающего материала, смонтированных на открытых концах патрубков подогретого и неподогретого воздуха и работающих в двух положениях "Открыто" и "Закрыто", а устройство для подавления акустических резонансов и низкочастотных пульсаций газа выполнено в виде одного из патрубков с заслонкой, находящейся в положении "Закрыто" в то время, когда заслонка второго патрубка находится в положении "Открыто". 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что часть патрубка подогретого воздуха выполнена в виде винтового канала, образованного стенками патрубка и частью наружной стенки выхлопного коллектора.