СИСТЕМА АКТИВНОГО ПОДАВЛЕНИЯ ШУМА ВПУСКА И ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F01N1/06 

Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к системам активного подавления шума впуска и выхлопа ДВС.

Известно устройство активного подавления шума в системах впуска и выхлопа двигателей внутреннего сгорания путем генерирования звука той же амплитуды и частоты, что и нежелательный шум, но противоположного по фазе заглушаемому звуку, например, система, патент Японии № 62-168913, МКИ F 01 N 1/00, опубл.1987, содержащая сигнал датчика давления, установленного в патрубке, связанном с выпускным каналом. Данный сигнал поступает в систему управления через полосовой фильтр и аналого-цифровой преобразователь. Сигнал датчика частоты вращения двигателя поступает в преобразователь частоты, где происходит выделение частотного компонента от вспышек в цилиндрах. Упомянутая система управления формирует сигнал с частотой, равной частоте вспышек в цилиндрах, и противоположный этим вспышкам по фазе. Этот сигнал поступает в громкоговоритель. Таким образом, достигается эффективное шумоглушение для различных режимов работы двигателя.

Однако данная система обладает рядом недостатков.

Во-первых, это необходимость получения звука высокого уровня. Во-вторых, вышеупомянутая система обладает высокой чувствительностью к температуре окружающего воздуха. Это связано с тем, что передаточная функция акустической системы зависит от этой температуры, так как акустические параметры газа зависят от температуры, влажности и других факторов; а закладываемая в электронную часть функция обычно не включает в себя этих параметров или требует специальных приборов для измерения температуры, влажности и т.д. Наиболее сильная зависимость связана с резонансными характеристиками впускного патрубка. В-третьих, это высокие энергозатраты на формирование компенсирующего сигнала.

В значительной мере вышерассмотренных недостатков лишена выбранная в качестве прототипа система активного подавления шума впуска двигателя внутреннего сгорания, патент РФ №2096651, МКИ F 02 М 35/12, опубл. 1997, содержащая воздухоочиститель, впускной и подводящий к цилиндрам патрубки, динамик и систему формирования компенсирующего сигнала для снижения низкочастотного шума впуска.

Компенсирующий сигнал подается непосредственно в зону среза впускного патрубка через трубу, частотная зависимость которой повторяет частотную зависимость коэффициента передачи промежуточного патрубка. Формирование компенсирующего сигнала происходит через блок управления генератором, анализирующий сигнал датчика частоты двигателя и угла поворота дроссельной заслонки. Динамик излучает антизвук в зону, близкую к срезу, охватывающую пространство, радиус которого составляет не более двух-трех диаметров впускного патрубка или не более 1/12 от λ, где λ - длина волны заглушаемого звука. При этом мощность звукового генератора будет минимальной, так как уровни звукового сигнала у среза значительно ниже уровней звукового сигнала системы. Конструкция позволяет автоматически следить за физическими характеристиками поступающего в систему воздуха, а частотная зависимость патрубка между микрофоном и излучающим срезом повторяет частотную зависимость коэффициента передачи промежуточного патрубка.

В свою очередь, система обладает рядом недостатков.

Во-первых, конструкция системы рассчитана на подавление только шума впуска двигателя. Для того, чтобы подавить шум выхлопа, необходимо использовать дополнительное устройство, что ведет к усложнению конструкции и удорожанию системы. Во-вторых, при формировании компенсирующего сигнала не учитываются акустические свойства мембраны источника звука, что ведет к погрешностям при излучении компенсирующего акустического сигнала и снижению эффекта шумоподавления.

Известна система активного подавления шума газообмена ДВС, включающая воздухоочиститель, впускной и подводящий к цилиндрам патрубки, выхлопную трубу и систему формирования компенсирующего сигнала, содержащую источники звука, выполненный в виде громкоговорителя и соединенный с впускным патрубком, выхлопной трубой и с блоком управления, который связан с датчиком частоты двигателя (Европейская заявка №0625773, кл. G 01 K 11/16, опубл. 1994).

Однако известная система недостаточно эффективна.

Задача изобретения - повышение эффективности системы.

Поставленная задача решается тем, что система активного подавления шума газообмена двигателя внутреннего сгорания, включающая воздухоочиститель, впускной и подводящий к цилиндрам патрубки, выхлопную трубу и систему формирования компенсирующего сигнала, содержащую источник звука, выполненный в виде громкоговорителя и соединенный с впускным патрубком, выхлопной трубой и с блоком управления, который связан с датчиком частоты двигателя, причем громкоговоритель заключен в герметичную камеру, а мембрана громкоговорителя герметично разделяет полость камеры на две части и излучает звуковые волны в противоположных направляющих и в противофазе, источник звука соединен с впускным патрубком и выхлопной трубой посредством акустических волноводов и расположен в непосредственной близости от открытого излучающего среза выхлопной трубы.

Кроме того, источник звука расположен на уровне днища (заднего пола) автомобиля.

Также наиболее длинная и прямая часть акустического волновода, соединяющего источник звука и впускной патрубок, расположена в тоннеле, параллельном волноводам системы выхлопа.

На чертеже представлена схема предлагаемой системы.

Система активного подавления шума газообмена (впуска и выхлопа) двигателя внутреннего сгорания содержит соединенные с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) 1 воздухоочиститель, впускной и подводящий к цилиндрам патрубки (вышеназванные элементы обозначены на чертеже цифрой 2) и выпускной патрубок 3; а также систему формирования компенсирующего сигнала 4, включающую источник звука 5, излучающий звук в акустический волновод 7, соединенный с впускным патрубком 6, и в акустический волновод 9, соединенный с выхлопной трубой 8. Источник звука 5 соединен с блоком 10 управления, связанным с датчиком 11 частоты работы двигателя, и излучает звук в зоны компенсации 12 и 13 соответственно шума впуска и выхлопа.

Система работает следующим образом.

Переменная составляющая объемного расхода воздуха, обусловленная изменением объемов цилиндров при открытых впускных клапанах, ослабляется в воздухоочистителе и излучается через открытый срез впускного патрубка 6. Звуковое излучение от газового потока, проходящего во время фазы выхлопа по выхлопной трубе, ослабляется в глушителе шума системы выхлопа и излучается через открытый срез выхлопной трубы 8.

В высоко- и среднечастотном диапазоне спектра шума, излучаемого при работе систем впуска и выхлопа двигателя внутреннего сгорания, эффект шумоглушения достигается в основном при помощи камеры воздухоочистителя на впуске и глушителя шума на выхлопе. В низкочастотном диапазоне для эффективного снижения шума используется система активного шумоподавления.

В общем спектре излучения шума впуска и выхлопа четырехтактного двигателя наиболее сильной, как правило, является амплитуда первой гармоники на частоте f=n/30 Гц, где n - число оборотов коленчатого вала двигателя в минуту.

Ослабление уровня шума впуска первой гармоники, которое обеспечивает предлагаемая система, обуславливает, таким образом, значительное снижение шума впуска в области низких частот (f=200-300 Гц), обладающего наибольшей проникающей способностью.

Для достижения максимального эффекта ослабления необходимо, чтобы амплитуда А₁ компенсирующего сигнала была эквивалентна амплитуде А₂, заглушаемого шума первой гармоники, а фаза ϕ₁ была противоположной фазе ϕ₂. Амплитуда А₁ и фаза ϕ₁ электрического сигнала, подаваемого на громкоговоритель, подбираются экспериментально для различных режимов двигателя, т.е. для различных значений частоты f, и вводятся в систему задания сигнала генератора звука, входящего в блок управления 10. При работе двигателя информация о значении частоты первой гармоники шума впуска и выхлопа поступает от датчика частоты 11 (это может быть датчик частоты оборотов распределительного или коленчатого вала двигателя либо датчик частоты ходов всасывания и т.д.) на блок управления 10 системы формирования компенсирующего сигнала 4. Вырабатывается электрический сигнал с требуемыми для данного значения частоты f амплитудой и фазой, который излучается источником звука 5 через акустические волноводы 7 и 9 в зоны компенсации 12 и 13 соответственно шума впуска и выхлопа, находящиеся в непосредственной близости (не более 1/12 от λ, где λ - длина волны заглушаемого звука) от срезов впускного 6 патрубка и выхлопной 8 трубы. В результате достигается значительный эффект ослабления шума систем впуска и выхлопа двигателя внутреннего сгорания.

Пульсация давления в сечениях выпускных и впускных клапанов ДВС согласно тактам газораспределения происходят с фазовым смещением порядка 270° (по углу вращения коленчатого вала). По амплитуде пульсаций преобладают пульсации давления выпуска. Выхлопной тракт и система впуска воздуха значительно отличаются по средней эффективной длине распространения возбуждаемой в ДВС волны давления газа, поэтому колебания давления в зонах срезов впускного 6 патрубка и выхлопной 8 трубы происходят практически в противофазе. Источник звука 5 выполнен в виде громкоговорителя, заключенного в герметичную камеру, причем мембрана громкоговорителя герметично разделяет полость камеры на две части, образуя при этом направление прямого и противоположного (обратного) излучения. Колебания мембраны громкоговорителя такого источника излучают звуковые волны в противоположных направлениях в противофазе. Эти противофазные излучения могут быть использованы для активной интерференционной компенсации звуковых колебаний в зонах срезов соответственно впускного патрубка 6 и выхлопной трубы 8, соединение источника звука 5 с которыми осуществляется посредством акустических волноводов соответственно 7 и 9. Более высокое по амплитуде излучение громкоговорителя должно быть направлено к выхлопной трубе. Колебания мембраны громкоговорителя задаются блоком управления 10, который связан с датчиком 11 частоты вращения двигателя, например с датчиком частоты вращения распределительного вала ДВС, определяющим частотный режим компенсации. Блок управления 10 содержит экспериментально подобранные амплитудно и фазовую информацию режима компенсации. Параметры акустических волноводов 7 и 9 могут подбираться, исходя из оптимального режима компенсации. Способ соединения (зоны встраивания) акустических волноводов 7 и 9 с патрубком 6 и трубой 8 определяется экспериментально для достижения необходимых (наилучших) условий компенсации и исходя из конструктивных особенностей систем впуска и выхлопа.

Допустим, что связанные источники колебательной скорости S₁ и S₂ представляют соответственно акустические возбуждения в коллекторе системы впуска и в коллекторе системы выпуска, а связанные источники АS₁ и AS₂ представляют соответственно акустические возбуждения, создаваемые мембраной источника звука в направлении соответственно системы впуска и системы выпуска. Спектры звукового давления в сечениях соответственно впускного патрубка и выхлопной трубы определяются соотношениями

р₁(f)=Vs₁(f)Hs₁(f)+Vаs₁(f)Hаs₁(f),

р₂(f)=Vs₂(f)Hs₂(f)+Vаs₂(f)Hаs₂(f), (1)

где Vs₁(f), Vs₂(f) - спектры колебательных скоростей газа, возбуждаемых ДВС соответственно в коллекторе впускной системы и в коллекторе выхлопной системы;

Vаs₁(f), Vаs₂(f) - спектры колебательных скоростей поверхности мембраны источника звука соответственно в направлении системы впуска (прямом) и системы выпуска (обратном);

Нs₁(f), Наs₁(f) - частотные передаточные функции звуковое давление/колебательная скорость для волноводной системы впуска соответственно от сечения коллектора впускной системы и сечения присоединения источника звука к сечению измерения звукового давления в впускном патрубке;

Нs₂(f), Наs₂(f) - частотные передаточные функции звуковое давление/колебательная скорость для волноводной системы впуска соответственно от сечения коллектора впускной системы и сечения присоединения источника звука к сечению измерения звукового давления в выхлопной трубе.

Спектры колебательных скоростей поверхностей мембраны источника звука в направлении системы впуска и системы выпуска связаны соотношением

Vas₂(f)=Vas₁(f) Kas(f) exp(j180°), (2)

где Kas(f) - амплитудно-частотная характеристика обратного направления излучения мембраны источника звука;

j180° - противофаза колебаний мембраны в обратном направлении по отношению к прямому.

Из объединения соотношений (1) и (2) следует, что для достижения в рассматриваемой системе желаемых спектров звукового давления во впускном патрубке и выхлопной трубе необходимы колебания мембраны источника звука в прямом направлении с колебательной скоростью:

Vas₁(f)=[p₁(f)+p₂(f)-Vs₁(f)Hs₁(f)-Vs₂(f)Hs₂(f)]-[Has₁(f)-Has₂(f)Kas(f) exp(j180°)], (3)

Таким образом, приходим к выводу, что активную компенсацию шума в системах впуска и выхлопа можно в принципе осуществлять путем управления только колебательной скоростью прямого направления мембраны двунаправленного излучателя звука, достигая при этом достаточно эффективного шумоподавления.

В целях энергосбережения, как известно, целесообразно генерировать антизвуковые волны в непосредственной близости зоны компенсации (интерференции). Для рассматриваемой системы активного снижения шума это связано с сокращением эффективной длины одновременно как волновода 7, так и волновода 9. Однако суммарная эффективная длина волноводов 7 и 9 не может быть менее эффективной длины волноводов системы впуска и системы выхлопа. Очевидно, что ввиду значительно более высоких уровней звуковых колебаний в выхлопной трубе по сравнению с впускным патрубком источник звука 5 может быть "смещен" к выхлопной трубе 8 (сокращена эффективная длина волновода 9). Кроме того, обратное излучение мембраны источника звука 5 принципиально незначительно уступает по амплитудам прямому излучению, а амплитуды звука системы впуска значительно ниже соответствующих амплитуд в выхлопной системе. Поэтому эффективная длина волновода 7 вносит "полезный" импеданс излучению источника звука 5 во впускной патрубок 6. Исходя из этого, оптимальным местоположением источника звука 5 представляется его расположение на уровне днища (заднего пола) автомобиля в непосредственной близости от открытого излучающего среза выхлопной трубы, а наиболее длинную и прямую часть волновода 7 следует конструктивно располагать в тоннеле, параллельном волноводам системы выхлопа.

Двигатель внутреннего сгорания содержит систему впуска воздуха, систему выхлопа отработавших газов и систему формирования компенсирующего сигнала. Система формирования компенсирующего сигнала содержит источник звука, заключенный в герметичную камеру, соединенный с впускным патрубком и с выхлопной трубой посредством акустических волноводов, а колебания мембраны громкоговорителя задаются блоком управления, содержащим амплитудную и фазовую информацию режима компенсации, причем мембрана излучает звуковые волны в противоположных направлениях в противофазе. Изобретение позволяет достичь одновременного снижения как шума впуска, так и шума выхлопа двигателя с использованием одного акустического источника. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система активного подавления шума газообмена двигателя внутреннего сгорания, включающая воздухоочиститель, впускной и подводящий к цилиндрам патрубки, выхлопную трубу и систему формирования компенсирующего сигнала, содержащую источник звука, выполненный в виде громкоговорителя и соединенный с впускным патрубком, выхлопной трубой и с блоком управления, который связан с датчиком частоты двигателя, отличающаяся тем, что громкоговоритель заключен в герметичную камеру, а мембрана громкоговорителя герметично разделяет полость камеры на две части и излучает звуковые волны в противоположных направлениях и в противофазе, источник звука соединен с впускным патрубком и выхлопной трубой посредством акустических волноводов и расположен в непосредственной близости от открытого излучающего среза выхлопной трубы.2. Система по п.1, отличающаяся тем, что источник звука расположен на уровне днища (заднего пола) автомобиля.3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что наиболее длинная и прямая часть акустического волновода, соединяющего источник звука и впускной патрубок, расположена в тоннеле, параллельном волноводам системы выхлопа.