ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02F7/00 

Изобретение относится к конструкции корпусных деталей двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС) с пониженным уровнем шума.

Широко известно, что изгибные и крутильные колебания коленчатого вала ДВС являются определяющим фактором шумообразования нижней части корпуса ДВС (блок-картера и масляного поддона). Совершая эти колебания и динамические деформации, коленчатый вал, в свою очередь, динамически воздействует на коренные подшипники, в которых он установлен и вращается, что таким образом вызывает их деформации и колебания, которые в силу хорошей вибропроводимости металла (как правило, это чугун или алюминиевые сплавы), из которого изготовлен блок-картер, распространяются по всему телу корпуса ДВС, вызывая излучение шума стенками корпуса как во внешнюю окружающую среду, так и в замкнутую полость нижней части блок-картера и масляного поддона. В особенности интенсивное возбуждение и связанное с ним излучение шума возникает на низших собственных изгибных и крутильных модах блока цилиндров, которые излучаются в виде воздушного шума и которые также это возбуждение передают и трансформируют на закрепленные к нему (блоку) тонкостенные конструкции крышек, кожухов, поддонов, навесных вспомогательных агрегатов и т.п.

Из уровня техники, который приводится ниже, следует, что наиболее радикальным и целесообразным техническим приемом уменьшения такого рода динамического возбуждения, является конструктивное воздействие на саму зону взаимодействия непосредственного источника возбуждения - систему "коленчатый вал-подшипниковый узел".

Так, в заявке EPA N 0077033, кл. F 02 F 7/00, публ. 20.04.83, в разъем блок-картера и масляного поддона введена массивная ужесточающая плита, полностью заполняющая пространство между корпусом крепления коленвала и присоединительной плоскостью масляного поддона. Крепление плиты осуществляется шпильками как к внутреннему оребрению блок-картера, так и внешним стенкам блок-картера, обеспечивая, таким образом, повышенную механическую жесткость нижней части блок-картера и ослабление усиления динамического возбуждения как внешних стенок блок-картера, так и стенок масляного поддона, являющихся наиболее значительными и легко возбудимыми излучателями звуковой энергии ДВС.

Однако такой технический прием ведет к существенному росту материалоемкости, увеличению габаритов ДВС, который монтируется в стесненных условиях мотоотсека, и возможному уменьшению клиренса автомобиля из-за необходимости снижения нижней точки масляного поддона или поднятию вверх плоскости капота кузова автомобиля, что весьма неблагоприятно с точки зрения увеличения лобового сопротивления (Сх).

Из описания к патенту GB N 2105784, кл. F 02 F 7/00, публ. 30.03.83, известен двигатель, коленчатый вал которого установлен в блок-картере посредством эластичного элемента, изолирующего коленчатый вал, как возбудитель динамических деформаций и шума в зоне контакта в плоскости разъема блок-картера и масляного поддона.

Такой технический прием конструктивно усложняет устройство ДВС, а применение упругих виброизолирующих элементов непосредственно в опорных подшипниках коленвала создает проблемы долговечности и надежности двигателя в целом. Более того, такая конструкция вследствие ослабления ограничительных связей в подшипниках позволяет коленвалу совершать более интенсивные изгибные колебания, неблагоприятные с точки зрения возбуждения установленных жестко на нем шкива и маховика. На низких частотах такое гибкое виброизолирующее устройство, как правило, вызывает усиление низкочастотных виброперемещений и соответствующего излучения низкочастотного звука.

В ДВС, описанном в EPA N 0056347, кл. F 02 F 7/00, публ. 31.07.82, представлено применение в корпусе коленчатого вала демпфирующего элемента (26, фиг. 6 и 7), выполненного из материала с высоким демпфированием и сопротивлением воздействию масла и высокой температуры.

Но такая конструктивная реализация, обусловленная использованием незначительной массы (емкости) применяемого материала и его ограниченная локализация не позволяют в достаточной степени демпфировать (рассеивать) наиболее интенсивные вибронагрузки от воздействия возвратно-поступательного движения кривошипно-шатунного механизма (КШМ), действия неуравновешенных инерционных и газовых сил. Более того, как известно, рассеивающая работа упругого вибродемпфирующего элемента в направлении сжатия является крайне неэффективной.

В патенте США N 4445471, кл. F 02 F 7/00, публ. 01.05.84, в опорах коленчатого вала предусмотрено применение облегченных, но достаточно жестких ужесточающих плит (брусьев), включающих в том числе и использование демпфирующего элемента, устанавливаемого внутри составного бруса.

Здесь следует отметить недостаточную эффективность демпфирования вследствие применения жесткой конструкции бруса (балки), что не обеспечивает существенного демпфирования и нагружения малоемкого упругого демпфирующего элемента, установленного внутри пространства этого бруса, а значит не обеспечивающего и существенного преобразования энергии вибрационных деформаций в тепловую энергию и, соответственно, существенного снижения корпусного шума ДВС.

Двигатель, описанный в патенте США N 4445472, кл. F 02 F 7/00, публ. 01.05.84, согласно п. 8 формулы изобретения, включает арматуру рамной конструкции, образованной из металлической пластины, материал которой является более жестким, чем исходный материал структуры опоры подшипника. В частности, имеется в виду алюминиевый блок и стальная пластина, замыкающая и ужесточающая его нижнюю часть.

Однако монолитные металлические материалы не способны обеспечить требуемую высокую степень демпфирования (декремент колебаний), вследствие незначительных диссипативных свойств металлов, связанных с потерями на внутреннее трение, используемых в конструкциях современных ДВС. В некоторых случаях механическое ужесточение конструкции переводит излучение звука в более высокочастотный диапазон излучения без заметного ослабления или же перераспределяет вибрационный поток и непосредственно излучение звука в другую, более "слабую" механоакустическую зону корпуса ДВС. Для надежного подавления излучения звука необходимо введение механизма существенного преобразования вибрационной энергии в тепловую на пути его формирования и передачи, который введением ужесточающих элементов конструкции или тонких виброизолирующих проставок реализуется слабо.

В качестве прототипа принят известный двигатель внутреннего сгорания, блок цилиндров которого снабжен специальной армирующей конструкцией (заявка Японии (JP)A N 63-71554, кл. F 02 F 7/00, публ. 31.03.88). Армирующий элемент прикреплен к нижним фланцам блока цилиндров и состоит из основы и ребер жесткости. Основа целиком перекрывает нижнюю часть блока цилиндров и выступает вниз, частично в полость масляного поддона. Ребра расположены непосредственно под подшипниками коленчатого вала. Вес армирующего элемента составляет 1... 6% веса блока цилиндров.

Описанная армирующая конструкция предназначена для уменьшения шума и вибраций.

Недостатком указанной конструкции являются ее низкие вибродемпфирующие качества. Являясь легкой и тонкостенной, без элементов демпфирования, сама конструкция армирующего элемента может возбуждаться и являться интенсивным источником структурного звука, который впоследствии будет усиливать излучение звука тонкостенным масляным поддоном в окружающую среду.

Цель изобретения - уменьшение виброакустической активности двигателя.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном двигателе внутреннего сгорания, содержащем блок цилиндров, на нижнем торце которого смонтирован масляный поддон, установленный в подшипниковых опорах блока цилиндров коленчатый вал и армирующую фасонную рамную деталь, перекрывающую нижнюю часть блока цилиндров и закрепленную в разъеме блока цилиндров и масляного поддона, названная армирующая деталь жестко закреплена на коренных опорах коленчатого вала, снабжена сквозными окнами для прохождения шатунных шеек и противовесов коленчатого вала и выполнена из формованного пористого волокнистого шумовибродемпфирующего материала, в частности это может быть пористый сетчатый материал (ПСМ), неориентированный волокнистый материал типа металлорезины (МР) или другие аналогичные по своим физико-механическим свойствам высокодемпфирующие материалы. Наружные торцы армирующей детали в случае, когда она изготовлена из материала с открыто-пористой структурой (газопроницаемого материала), могут быть герметично отфланцованы одним из известных технических приемов, например напрессовкой слоя фольги, или пропиткой высокомолекулярного синтетического состава, или герметизированным углублением в торце и уплотнителем.

Кроме того, в армирующей детали могут быть выполнены мелкие сквозные отверстия, с помощью которых можно эффективно управлять, с одной стороны, поглощением звуковых волн, а с другой стороны, демпфированием газовых пульсаций в картерной полости двигателя. Подробно об этом будет сказано ниже.

При таком конструктивном исполнении за счет введения в зону действия непосредственного динамического источника возбуждения двигателя - механической системы коленчатый вал-подшипниковый узел высокоэффективного приемника и преобразователя вибрационного и шумового возбуждения, энергия этого возбуждения эффективно преобразуется в тепловую энергию деформируемой структурой опорной плиты за счет возникновения в микропористой волокнистой структуре материала армирующей детали сдвиговых деформаций и трения между волокнами структуры. Более того, наряду с ужесточающей и демпфирующей функцией, армирующая деталь выполняет еще и функцию глушителя аэродинамического шума и газовых пульсаций, причем последнее обстоятельство благоприятно влияет на работоспособность системы вентиляции картера ДВС. Если армирующая деталь выполнена из волокнистого ПСМ, который под воздействием виброперемещений (вибронагрузок) в зоне подшипникового узла деформируется в сильной степени, то в сторону периферии эта передача в значительной степени ослабляется за счет ее рассеивания в тепловую энергию деформации и трения структуры ПСМ.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг.1 показан фрагмент нижней части ДВС, в котором ось коленчатого вала совпадает с плоскостью разъема картера и масляного поддона; на фиг.2 также показана нижняя часть ДВС, в котором ось коленчатого вала размещена ниже плоскости разъема; на фиг. 3 показан вид сверху на армирующую деталь, в одном из окон которой условно показана часть коленчатого вала (шатунная шейка с частью шатуна и противовес); на фиг. 4 показан фрагмент армирующей детали, в которой выполнены мелкие сквозные отверстия (перфорация).

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров 1, на нижнем торце которого смонтирован масляный поддон 2, установленный в подшипниковых опорах блока цилиндров коленчатый вал 3 и армирующую формованную фасонную рамную деталь 4, перекрывающую нижнюю часть блока цилиндров и закрепленную в разъеме 5 блока цилиндров и масляного поддона. Армирующая деталь 4 жестко закреплена штатными резьбовыми элементами 6 (болтами) на коренных опорах 7 коленчатого вала, снабжена сквозными окнами 8 для прохождения шатунных шеек 9 и противовесов 10 коленчатого вала в процессе вращения последнего и выполнена из пористого шумовибродемпфирующего (далее ШВД) материала. Таким материалом может быть металлический пористый или волокнистый, сетчатый материал, металлорезина. Материал детали 4 может быть газопроницаемым (с открытыми порами). В этом случае наружные торцы 11 детали 4 могут быть герметично отфланцованы (металлической фольгой, герметиком и пр.) или же перекрываются углублением в блоке. Армирующая деталь 4 может быть снабжена мелкими сквозными отверстиями 12 (фиг.4).

В процессе действия преимущественно вертикальных динамических нагрузок на армирующую деталь 4 из ПСМ со стороны кривошипно-шатунного механизма прессованно-сетчатая структура детали 4 по своей толщине и поверхности будет деформироваться в различной степени, что будет, в свою очередь, вызывать относительные сдвиговые микродеформации одного сетчатого (волокнистого) слоя относительно другого. Как известно, процесс сдвиговых деформаций слоев (волокон) вибродемпфирующих материалов характеризуется наиболее эффективным рассеиванием вибрационной энергии путем ее преобразования в тепловую в процессе трения между соприкасающимися волокнами и слоями. Таким образом, "успокоение" вибрирующих подшипниковых опор 7 коленвала 3 осуществляется без жесткой, с относительно высокой вибропередачей, связки на внешние боковые стенки блок-картера 1 двигателя со значительным преобразованием этой вибрационной энергии в тепловую в самой волокнистой структуре армирующей детали 4. Более того, возбужденные боковые стенки блок-картера 1 другими источниками структурных вибраций, например консольно закрепленными на них навесными вспомогательными агрегатами (генератором, стартером, водяным и масляным насосами), будут также демпфироваться (рассеиваться) замкнутой волокнистой структурой армирующей детали 4 из ПСМ.

Выполнение армирующей детали 4 из волокнистой структуры ПСМ с достаточно высокой степенью газопроницаемости позволяет ей выполнять функцию традиционной двухсторонней звукопоглощающей панели, поглощающей звуковые волны как со стороны поршневой группы, так и со стороны замкнутого пространства масляного поддона 2. Одновременно с этим такая газопроницаемая панель может выполнять и функцию демпфирования газовых пульсаций (картерных газов), что благоприятно с точки зрения улучшения работы системы вентиляции картера. Управление эффективностью выполнения указанной функции (как впрочем и других) может осуществляться дополнительным выполнением в опорной плите мелких сквозных отверстий, позволяющих картерным газам и звуковым волнам более свободно проходить из верхнего пространства в нижнее (масляный поддон 2), дополнительно демпфируясь в процессе трения в этих отверстиях перфорации.

Таким образом, в отличие от известных локальных виброизолирующих и/или глобальных ужесточающих панелей (плит), устанавливаемых в зоне подшипникового узла коленвала, которые реализуют деформирование панели в большей степени исключительно в вертикальном направлении, в предлагаемом двигателе армирующая виброшумодемпфирующая деталь 4, имеющая сложную пространственную форму, воспринимает нагрузки и деформации в процессе силового воздействия с соответствующим их преобразованием в тепловую энергию во всех направлениях.

Изобретение относится к конструкции корпусных деталей ДВС. Двигатель содержит блок цилиндров, на нижнем торце которого смонтирован масляный поддон, установленный в подшипниковых опорах блока цилиндров коленчатый вал и армирующую формованную фасонную рамную дверь, перекрывающую нижнюю часть блока цилиндров и закрепленную в разъеме блока и масляного поддона. Деталь жестко закреплена на коренных опорах коленвала, снабжена сквозными окнами для прохождения шатунных шеек и противовесов и выполнена из формованного пористого волокнистого шумовибродемпфирующего материала. В детали могут быть выполнены мелкие сквозные отверстия (перфорация). Изобретение позволяет снизить виброакустическую активность двигателя. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, на нижнем торце которого смонтирован масляный поддон, установленный в подшипниковых опорах блока цилиндров коленчатый вал и армирующую формованную фасонную рамную деталь, перекрывающую нижнюю часть блока цилиндров и закрепленную в разъеме блока цилиндров и масляного поддона, отличающийся тем, что армирующая деталь жестко закреплена на коренных опорах коленчатого вала, снабжена сквозными окнами для прохождения шатунных шеек и противовесов коленчатого вала и выполнена из формованного пористого волокнистого шумовибродемпфирующего материала. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что армирующая деталь выполнена из газопроницаемого пористого сетчатого материала. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что армирующая деталь выполнена из неориентированного волокнистого материала типа металлорезины. 4. Двигатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что торцы армирующей детали герметично отфланцованы и/или герметично смонтированы в разъеме нижнего торца блока цилиндров с масляным картером. 5. Двигатель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что армирующая деталь снабжена сквозными мелкими отверстиями.