ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2000 года по МПК F02M35/14 

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

Воздухоочиститель системы впуска ДВС транспортного средства, несмотря на свое непосредственное название, связанное с очисткой поступающего в двигатель воздуха, является многоцелевым многофункциональным устройством. И кроме непосредственной функции очистки воздуха он также выполняет функцию гасителя (демпфера) низкочастотных газодинамических пульсаций воздуха, глушителя шума всасывания, сборника и смесителя с воздухом картерных газов с функцией маслоотделителя, уловителя и смесителя с воздухом паров топлива, устройства подогрева (и/или регулирования температурой) засасываемого в двигатель воздуха с соответствующим месторасположением срезов патрубков в моторном отсеке или вне моторного отсека (забортный забор воздуха), исключающим забор аморфных частиц, засасывания воды в цилиндры ДВС при движении транспортного средства через брод и пр.

Задача конструирования устройств воздухоочистителей систем впуска ДВС транспортных средств сводится к выбору оптимальных компромиссных соотношений геометрических параметров отдельных элементов воздухоочистителя, обеспечивающих улучшенные эффективные показатели ДВС по качественному наполнению цилиндров топливо-воздушной смесью (гидросопротивление, инерционный динамический наддув), низкое акустическое излучение (шум) как от свободного среза воздухозаборного патрубка вследствие газодинамических пульсаций засасываемого воздуха, так и от структурных вибраций стенок корпуса и пр. Зачастую эти требования являются взаимоисключающими и противовесными.

Основным приемом заглушения шумовой энергии, излучаемой системой впуска в окружающую среду, является интегрирование во впускной трубопровод (впускную трассу) объемных расширительных камер в виде специальных ресиверов, параллельно и/или последовательно подключенных резонаторов и улучшение использования в качестве глушителя непосредственно камеры ресивера и камеры воздухоочистителя с установленным внутри фильтрующим элементом и присоединенным к камере воздухозаборным патрубком (патрубками).

Указанные объемные расширительные камеры (ресивера, воздухоочистителя) являются преимущественно глушителями шума реактивного типа, работающими на принципе рассогласования волновых сопротивлений подводящих и отводящих трубопроводов по отношению к волновому сопротивлению полости расширительной камеры. Образование во впускной трассе, таким образом, "волновых пробок" обеспечивает эффект отражения звуковых волн, распространяемых по волноводу (впускной трассе) в зонах внезапных расширений и внезапных заужений проходных сечений волновода, т. е. в зонах подсоединения расширительных камер к участкам впускного трубопровода и воздухозаборного патрубка (впускной трассы). Находящийся в пространстве камеры воздухоочистителя фильтрующий элемент является частично звукопоглощающим элементом активного (не реактивного) типа, последовательно включенным в звукопередающий тракт впускной системы ДВС. В этом случае дополнительно происходит частичное поглощение высокочастотной звуковой энергии за счет активного рассеивания ее ввиду реализации внутреннего (молекулярного) трения и динамических деформаций структуры фильтрующего элемента с преобразованием ее в тепловую в порах фильтрующего элемента.

Ввиду того что структура фильтрующего элемента в первую очередь создана для целенаправленной качественной фильтрации засасываемого воздуха в ДВС при невысоких гидросопротивлениях, то потенциал ее звукопоглощающих свойств является весьма ограниченным, и, таким образом, классическая конструкция воздухоочистителя заглушает высокочастотную энергию, генерируемую впускной системой ДВС в недостаточно высокой степени.

В связи с вышеизложенным известны многочисленные применения устройств заглушения высокочастотной энергии впускных систем ДВС, реализующие дополнительные шумоизоляционные устройства интегрированные непосредственно в конструкцию воздухоочистителя ДВС, и, таким образом, устройства шумозаглушения работают как устройства комбинированного типа: низкочастотные - реактивные (отражающие звук) и высокочастотные - активные (поглощающие звук). Так, в частности, известен воздухоочиститель для ДВС с интегрированной шумопоглощающей набивкой в параллельно подключенную емкость резонатора, интегрированного в его воздухозаборный патрубок (Европейская заявка EP 0091038 A1, кл. F 02 M 35/12, заявитель - Nissan Motor Co).

Известен воздухоочиститель автомобильного ДВС (заявка ФРГ N 3336725 МКИ F 02 M 35/022), в котором для уменьшения гидравлического сопротивления и снижения звукового излучения воздухозаборный патрубок выполнен коническим, равномерно расширяющимся от свободного среза по направлению к корпусу и подсоединен к корпусу преимущественно тангенциально. Недостатками конструкции являются ограниченные возможности компоновочных размещений такой конструкции в стесненном пространстве моторного отсека и относительно высокие гидросопротивления воздухоочистителя на высоких оборотах с полной нагрузкой ввиду узкого проходного сечения патрубка в зоне свободного воздухозаборного среза, являющегося минимальным и лимитированным требованиями акустики (слабого излучения шума).

Известен воздухоочиститель по заявке ФРГ N 4013848, МКИ F 02 M 35/12, содержащий специальное устройство в виде изменяемого проходного сечения сопла в зависимости от скоростного и нагрузочного режима работы двигателя, что позволяет достаточно гибко и компромиссно регулировать гидравлические и акустические характеристики впускного тракта ДВС во всем рабочем диапазоне ДВС. Недостатком известного устройства является не только его сложность и дороговизна, связанные с применением подвижных сочленений и узлов систем адаптивного управления, но и то, что с ростом оборотов двигателя растет как уровень шума всасывания, так и величина гидросопротивления, в то время как увеличение проходного сечения сопла с увеличением оборотов влечет дополнительное увеличения шума всасывания ДВС, что нежелательно.

Аналогичный принцип адаптивного управления проходным сечением и длиной воздухозаборного патрубка в зависимости от скоростного и нагрузочного режима работы ДВС заявлен в заявке ФРГ N 4132624, МКИ F 02 B 27/02, F 02 M 35/10. Соответственно ему присущи и аналогичные недостатки конструкции, такие как и приведенные выше по заявке ФРГ N 4013848.

В заявках ФРГ N 3613828 и N 4133815, МКИ F 02 M 35/12, 35/14, для обеспечения низких сопротивлений и одновременно достаточной шумоизолирующей способности, конструкции воздухоочистителей содержат по два воздухозаборных патрубка различных проходных сечений и длин, управляемых с помощью перекрываемых заслонок в зависимости от режима работы ДВС. Недостатками приведенных конструкций устройств по заявкам ФРГ N 3613828 и N 4133815, МКИ F 02 M 35/12, 35/14 являются те же недостатки, что и устройств по заявкам ФРГ N 4013848 и N 4132624.

Известна также конструкция воздухоочистителя по заявке Японии N 63-219866, МКИ F 02 M 35/10, F 02 B 27/02, 29/00 с устройствами, обеспечивающими как снижение шума, так и гидравлических сопротивлений, в виде агрегата подключенной двухтрубной системы, управляемой поворотными заслонками в зависимости от конкретного режима работы ДВС. Указанная конструкция, как и все вышеперечисленные, обладает такими недостатками, как сложность и дороговизна, а также тем, что управление (изменение) геометрическими параметрами конструкции воздухоочистителя осуществляется ступенчато - в одном рабочем диапазоне забор воздуха осуществляется через один воздухозаборный патрубок, а в другом - через второй или через оба патрубка одновременно, что не может реализовать требуемое оптимальное плавное изменение как проходного сечения и длины воздухозаборного патрубка, так и гидравлических и акустических характеристик впускного тракта ДВС в целом.

Другим направлением улучшения гидравлических и акустических характеристик конструкций воздухоочистителей в средне- и высокочастотной области звукового спектра является применение в их конструкции специальных акустических резонаторов и/или шумопоглощающих облицовок из волокнистых или пенистых звукопоглощающих материалов, ослабляющих усиление излучения звука воздухозаборным патрубком увеличенного проходного сечения с малым гидросопротивлением воздухоочистителя.

Так, в Европейской заявке N 92/07181, МКИ F 02 M 35/12, описывается конструкция специального дополнительного резонатора Гельмгольца, интегрированного в полость воздухозаборного патрубка.

В заявке Японии N 3-29985, F 02 M 31/12, F 01 N 1/10, F 02 M 31/12, описана конструкция впускного трубопровода, охваченного расширительной камерой, заполненной звукопоглощающим материалом.

В заявке Японии N 60-119328, МКИ F 02 B 37/00, представлена конструкция впускной системы, содержащей расширительную камеру, на входе во внутреннюю полость которой содержится специальная перегородка с мелкой перфорацией, что способствует ослаблению турбулентных пульсаций и снижению гидросопротивлений системы.

В заявке Великобритании N 2070682, МКИ F 01 N 1/00, 7/20, конструкция комбинированного глушителя шума, встроенного в воздухозаборный патрубок воздухоочистителя. Наряду с применением плавно расширяющегося сечения воздухозаборного патрубка последний охвачен резонатором Гельмгольца, сообщающимся с патрубком посредством сквозных перфорированных отверстий в стенке патрубка. Полость резонатора, как вариант, может быть заполнена звукопоглощающим материалом типа металлической шерсти.

Недостатками приведенных выше конструкций воздухоочистителей, содержащих звукопоглощающие облицовки трубопроводов и камер, а также содержащих параллельно подключенные к воздухозаборному патрубку полости в виде акустических резонаторов, являются загромождение проходных сечений воздухозаборного патрубка с соответствующим отрицательным влиянием на гидравлические сопротивления системы в целом, сложность в изготовлении, чувствительность к настройке (в вариантах с резонаторами без активных шумопоглощающих набивок). Также рассмотренные конструкции не изменяют проходных сечений своих воздухозаборных патрубков в зависимости от режима работы ДВС, что является существенным недостатком, т.к. не позволяет получить приемлемые характеристики по шумозаглушению и гидравлическим сопротивлениям во всем рабочем (скоростном и нагрузочном) диапазоне работы ДВС.

Известно техническое решение по снижению шума всасывания, предусматривающее применение в корпусе заградительной вставки из звукопоглощающего материала с открытыми порами (см. заявку Германии N 4205489, кл. G 10 K 11/6, заявитель - Robert Bosch CmBH). Вставка из пористого звукопоглощающего материала облицовывает внутреннюю полость корпуса и образует спиралевинтообразный канал, по которому транспортируется засасываемый в двигатель воздух.

В качестве прототипа принято техническое решение, описанное в заявке Великобритании N 2146070, кп. F 02 M 35/12, публ. 11.04.85, БИ N 15.

Представленный в заявке Великобритании воздухоочиститель содержит корпус, на котором консольно закреплен воздухозаборный патрубок. Последний выполнен составным из воздухозаборника и гофрированного присоединительного участка трубы, посредством которого полость патрубка в сборе сообщается с полостью корпуса воздухоочистителя. Названный воздухозаборник выполнен из пористого материала, в частности спеченного алюминия, керамики или стальной сетки.

Приведенные противопоставленные в качестве аналогов и прототипа технические решения отличаются следующими недостатками:
- существенное загромождение и/или разделение полости камеры воздухоочистителя шумопоглощающими набивками, перегородками и обтекателями и уменьшение, таким образом, эффективности заглушения низких частот звукового спектра, связанного с уменьшением объема камеры и/или ее делением на камеры меньших объемов (объем камеры прямо пропорционален эффективности подавления низкочастотных пульсаций и низкочастотного шума);
- увеличение гидравлических сопротивлений впускной системы как за счет применения дополнительного обтекателя и спиралевинтообразного канала, так и за счет заградительной вставки и футеровки воздухозаборных патрубков негладкими поверхностями - пористыми или волокнистыми материалами с применением перфорированных защитных облицовок;
- трудоемкость изготовления, монтажа и существенное увеличение стоимости противопоставленных устройств снижения шума всасывания, интегрированных в конструкцию воздухоочистителя ДВС.

Предлагаемое ниже решение технической задачи предполагает устранение названных недостатков при одновременном повышении акустических качеств воздухоочистителя.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном воздухоочистителе двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, содержащем корпус, на котором консольно смонтирован воздухозаборный патрубок, выполненный по крайней мере на части своей длины из пористого материала, структура пористой стенки патрубка выполнена газопроницаемой, при этом из пористого газопроницаемого материала выполнены, как минимум, входной и/или присоединительный участки патрубка. Воздухозаборный патрубок может быть выполнен и в виде единой детали из пористого газопроницаемого материала. В возможном варианте конструктивного исполнения сопротивление продуванию пористой структуры патрубка плавно увеличивается от его входного среза к месту подсоединения патрубка к воздухоочистителю. Воздухозаборный патрубок может быть выполнен плавно заужающимся в сторону входного среза. В качестве пористого газопроницаемого материала может быть использован широко известный в машиностроении пористый металлический сетчатый материал, металлорезина и другие, аналогичные по своим физико-механическим свойствам преимущественно волокнистые или открытоячеистые металлические материалы.

Сущность изобретения поясняется на приведенных чертежах, где:
- на фиг. 1 показан фрагмент воздухоочистителя;
- на фиг. 2 показана эпюра (косинусоида) распределения виброскоростей колебательной энергии по длине воздухозаборного патрубка (с максимумами амплитуд в зоне подсоединения патрубка к корпусу и в зоне входного среза патрубка);
- на фиг. 3 показан вид эпюры объемного расхода засасываемого воздуха на входном срезе: а) при газонепроницаемой структуре материала патрубка (что имеет место в прототипе), б) при газопроницаемой структуре входного участка патрубка.

Воздухоочиститель двигателя внутреннего сгорания транспортного средства содержит корпус 1, на котором консольно смонтирован воздухозаборный патрубок 2, выполненный по крайней мере на части своей длины из пористого газопроницаемого материала. В частности из такого материала выполняются, как минимум, входной 3 и/или присоединительный 4 участки патрубка 2. Патрубок 2 может быть целиком выполнен из пористого газопроницаемого материала, в качестве которого может быть использован металлический пористый сетчатый материал, металлорезина. Патрубок 2 может быть выполнен заужающимся в сторону входного среза 5, а проводимость его пористой газопроницаемой структуры может плавно уменьшаться в сторону присоединительного участка 4.

Дополнительно на фиг. 1 показан фильтрующий элемент 6 воздухоочистителя.

Устройство 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, "трансформирующими" подводимое газодинамическое силовое воздействие в соответствии со своими частотными характеристиками и, в конечном итоге, определяют спектр и уровень звукового излучения, производимого непосредственно свободным открытым срезом 5 впускного патрубка.

Одним из таких звукопередающих воздушных объемов является полость воздухозаборного патрубка 2 воздухоочистителя 1. Уровень излучаемой шумовой энергии на входном срезе 5 воздухозаборного патрубка 2 определяется амплитудой колебательной скорости засасываемого газа. В это же время наиболее эффективное поглощение звука, при прочих равных условиях, обеспечивается в зонах максимальных амплитуд виброскоростей колебаний. Таким образом, наличие в этих зонах эффективно рассеивающих звуковую энергию участков 3 и 4 патрубка 2 с пористой газопроницаемой структурой позволяет эффективно преобразовывать звуковую энергию в тепловую за счет подавления амплитуды виброскоростей колебательной энергии звуковых волн вследствие их трения в открытых порах микроканалов структуры участков 3 и 4 патрубка 2. В связи с тем что амплитуды виброскоростей в зонах размещения участков 3 и 4 являются максимальными, то соответственно совершается и максимальная работа по преобразованию видов энергий (звуковой в тепловую), т.е. обеспечивается наиболее эффективное звукопоглощение.

Также ввиду того, что концевая зона (участок 3) патрубка 2, у его входного среза 5, является конечным пунктом звукопередающего звукоизлучающего тракта системы впуска двигателя (начиная с цилиндра и впускного клапана), то ее звукопоглощающие свойства позволяют дополнительно заглушить высокочастотные звуки турбулентных вихревых обтеканий засасываемого воздушного потока различных неоднородностей (клапана, заслонок, гофр воздухозаборного патрубка и пр.).

С другой стороны, при выполнении концевой части воздухозаборного патрубка из плотного газонепроницаемого материала такой срез при больших расходах воздуха, становится также зоной генерирования высокочастотного кромочного свиста и зоной повышенного гидравлического сопротивления (см. фиг. 3а). По этим причинам приходится выполнять развитую отфланцовку свободного входного среза 5. В предлагаемом решении технической задачи выполнение среза 5 с участком 3 пористым воздухопроницаемым позволяет видоизменить форму эпюры (см. фиг. 3б) объемного расхода на срезе 5 с скачкообразным значением величины расхода на срезе 5 на плавно сглаженную, что благоприятно скажется на изменении гидравлических, расходных и акустических характеристиках системы впуска двигателя в целом.

Кроме засасывания воздуха через отверстие непосредственно открытого сечения среза 5 происходит также дополнительное засасывание воздуха через воздухопроницаемую пористую структуру стенки участка 3 (прилегающую к срезу 5 стенку патрубка, фиг. 3), что в связи с этим позволяет заузить проходное сечение среза 5 и т.о. уменьшить площадь газодинамического излучателя звука и соответственно уменьшить уровень звука, излучаемого срезом 5, без дополнительного увеличения гидравлического сопротивления впускного тракта и избежать связанного с этим ухудшения мощностных, экономических и экологических показателей двигателя.

Целесообразность выполнения присоединительного участка 4 патрубка 2 из пористого газопроницаемого материала обусловлена следующими причинами.

В зоне закрепления патрубка 2 к корпусу воздухоочистителя 1 также реализуется максимум колебательной скорости, фиг. 1, и поэтому по уже описанным выше причинам там она будет дополнительно эффективно подавляться.

Зона закрепления патрубка 2 к корпусу воздухоочистителя 1 является наиболее нагруженной с точки зрения вибропрочности конструкции, т.е. в этом сечении возникают максимальные механические деформации и напряжения в структуре стенки патрубка 2 как консольно закрепленной балки, что может привести к процессу разрушения патрубка в месте его подсоединения к корпусу. Металлический пористый сетчатый материал, металлорезина, представляют собой эффективную динамически податливую структуру для повышенного демпфирования таких опасных резонансных механических напряжений и деформаций.

"Динамическая развязка" корпуса воздухоочистителя 1 от консольно вибрирующей балки - воздухозаборного патрубка 2 целесообразна и с точки зрения ослабления динамического вибрационного нагружения непосредственно корпуса воздухоочистителя 1 присоединенным патрубком 2. По сути здесь реализуется компенсатор колебаний податливой структурой волокнистого типа.

Еще один положительный эффект от выполнения входного участка 3 из пористой газопроницаемой структуры усматривается в том, что он выполняет функцию предварительного очистителя засасываемого в двигатель воздуха. При этом по мере его запыления пористая газопроницаемая структура легко восстанавливается путем промывания, продувания и пр. Прототип лишен этих преимуществ.

Применяя конструкцию патрубка 2 конического типа с плавно увеличивающимся диаметром в направлении присоединительной части к корпусу, используя плавное изменение толщины стенки патрубка или различную плотность пористой структуры по длине патрубка, получаем широкие возможности управления акустическими, гидравлическими и механическими характеристиками воздухоочистителя ДВС в целом с применением тех или иных компромиссных вариантов с точки зрения технической эффективности, стоимости, долговечности конструкции.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к воздухоочистителям, снабженным элементами шумоглушения. Задача изобретения - улучшение акустических качеств воздухоочистителя. Воздухоочиститель содержит корпус 1, на котором консольно смонтирован воздухоподводящий патрубок 2, выполненный по крайней мере на части своей длины из пористого материала. Новым является то, что структура пористого материала выполнена газопроницаемой, при этом из пористого газопроницаемого материала выполнены как минимум входной 3 и/или присоединительный 4 участки патрубка 2. Преимущественная область применения - автомобили. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Воздухоочиститель двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, содержащий корпус, на котором консольно смонтирован воздухозаборный патрубок, в структуре стенки которого, по крайней мере на части ее длины, интегрирован элемент шумоглушения из пористого материала, отличающийся тем, что структура пористого материала выполнена газопроницаемой, при этом из пористого газопроницаемого материала выполнены как минимум входной И/ИЛИ присоединительный участки патрубка. 2. Воздухоочиститель по п.1, отличающийся тем, что воздухозаборный патрубок выполнен в виде единой детали из пористого газопроницаемого материала. 3. Воздухоочиститель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сопротивление продуванию пористой структуры патрубка плавно увеличивается от его входного среза к месту подсоединения патрубка к воздухоочистителю. 4. Воздухоочиститель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что в качестве пористого газопроницаемого материала использован металлический пористый сетчатый материал или металлорезина. 5. Воздухоочиститель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что воздухозаборный патрубок выполнен плавно заужающимся в сторону входного среза.