воздухоочиститель двигателя внутреннего сгорания транспортного средства

Формула изобретения

Воздухоочиститель двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, содержащий корпус, ограниченный днищем и крышкой, размещенный внутри корпуса фильтрующий элемент, разделяющий полость корпуса на две полости очищенного и неочищенного воздуха, которые соответственно снабжены выпускным и впускным окнами, а также размешенное внутри корпуса средство шумоглушения, отличающийся тем, что средство шумоглушения выполнено в виде шумопоглощающей облицовки, смонтированной на стенках корпуса, образующих полость неочищенного воздуха, по крайней мере со стороны, противолежащей впускному окну, при этом облицовка как минимум включает пористый звукопоглощающий слой, внешний звукопрозрачный защитный гладкий слой и монтажный адгезионный (липкий) слой.

Описание изобретения к патенту

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 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 наполнению цилиндров (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 взаимоисключающие и противовесные.

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 - реактивные (отражающие звук) и 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 EР 0091038 A1, кл. F 02 M 35/12, заявитель - Nissan Motor Co).

Известен также воздухоочиститель с дополнительным устройством шумоглушения в виде специального конусообразного обтекателя заполненного шумопоглощающим материалом (Европейская заявка EP 0096992 A1, заявитель - BENDIX LIMITED).

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 11/16, 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, направленное на снижение шума всасывания ДВС за счет использования специальной облицовки (футеровки) впускных трубопроводов воздухоочистителя (внутреннего патрубка, внешнего воздухозаборного патрубка) звукопоглощающим материалом (см., например, заявку Японии N 1-27258, кл. F 02 M 35/12, заявитель "Ниссан Мотор Со").

Закрытый корпус 1 воздухоочистителя (далее дословный перевод) разделен фильтрующим элементом 2 на отсек A подвода неочищенного воздуха и отсек В отвода очищенного воздуха. В отсеке A выполнен вход воздуха, а в отсеке B - выход 4. Воздухоочиститель отличается тем, что в верхней части корпуса 1 расположен отсек A, а в нижней части - отсек B. Вход воздуха выполнен в виде двух труб 3 прямоугольного сечения, вытянутых от левой и правой части отсека A в сторону выхода 4. Внутренняя поверхность каждой трубы 3 покрыта звукопоглощающим слоем 6, выполненным, например, из уретана. Слой 6 внутренней поверхностью опирается на каркас 7, изготовленный из перфорированного листа или сетки. Конструкция воздухоочистителя позволяет повысить эффект снижения шума на впуске.

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 гула);

- увеличение гидравлических сопротивлений впускной системы как за счет применения дополнительного обтекателя, так и за счет заградительной вставки и футеровки воздухозаборных патрубков негладкими поверхностями - пористыми или волокнистыми материалами с применением перфорированных защитных облицовок;

- трудоемкость изготовления и 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, ограниченный днищем и крышкой, размещенный внутри корпуса фильтрующий элемент, разделяющий полость корпуса на две полости - очищенного и неочищенного воздуха, которые соответственно снабжены выпускным и впускным окнами, а также размещенное внутри корпуса средство шумоглушения, последнее выполнено в виде шумопоглощающей облицовки, смонтированной на стенках корпуса, образующих полость неочищенного воздуха, по крайней мере со стороны, противолежащей впускному окну, при этом облицовка, как минимум включает пористый звукопоглощающий слой, внешний звукопрозрачный защитный гладкий слой и монтажный адгезионный (липкий) слой.

В развитом варианте конструкции шумопоглощающая облицовка может быть смонтирована и на других стенках, образующих полость неочищенного воздуха.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:

- на фиг. 1, 2 и 5 показан воздухоочиститель,

- на фиг. 3 приведена диаграмма общих уровней шума впуска двигателя,

- на фиг. 4 приведена диаграмма уровней шума впуска при оборотах двигателя 3500 в минуту,

- на фиг. 6 показан увеличенный фрагмент закрепленной на стенке корпуса структуры облицовки.

Воздухоочиститель двигателя внутреннего сгорания транспортного средства содержит корпус 1, ограниченный днищем 2 и крышкой 3, размещенный внутри корпуса 1 фильтрующий элемент 4, разделяющий полость корпуса 1 на две полости - очищенного 5 и неочищенного 6 воздуха, которые соответственно снабжены выпускным 7 и впускным 8 окнами, а также размещенное внутри корпуса средство шумоглушения. Последнее выполнено в виде шумопоглощающей облицовки 9, смонтированной на стенках корпуса в полости 6 неочищенного воздуха, по крайней мере со стороны, противолежащей впускному окну 8. При этом облицовка 9, как минимум включает пористый звукопоглощающий слой 10, внешний звукопрозрачный защитный гладкий слой 11 и монтажный адгезионный (липкий) слой 12.

В развитом варианте конструкции шумопоглощающая облицовка может быть смонтирована и на других стенках, образующих полость 6 неочищенного воздуха.

При таком конструктивном исполнении устраняются недостатки прототипа, так как:

- звукопоглощающая облицовка содержит внешний гладкий слой из звукопрозрачного фольгированного материала типа алюминизированной полиэстеровой пленки или тонкой уретановой пленки "сшитой" со структурой открытоячеистого пенополиуретанового слоя, выполняющего роль звукопоглощающего слоя. Пленка, являясь гладкой, не создает, таким образом, заметных повышений гидравлических сопротивлений впускного тракта при процессе обтекания воздушным потоком, защищает пористый материал от запыления, засорения аморфными частицами, содержащимися в засасываемом воздухе, замасливания картерными газами, оплавления пор облицовки горячими газами, парами топлива и т.п. и, таким образом, сохраняет звукопоглощающие характеристики в течение длительного периода эксплуатации;

- звукопоглощающая облицовка может быть выполнена самоклеющейся, содержать адгезионный слой, защищенный специальной бумагой или пленкой, который в момент монтажа ее на присоединительную сопрягающуюся обезжиренную поверхность стенки корпуса воздухоочистителя удаляется. Таким образом, обеспечивается относительная простота и дешевизна технологических операций сборки;

- звукопоглощающая облицовка размещена на стенке корпуса перед структурой фильтрующего элемента, образуя с последним своеобразный звукопоглощающий колпак ("звуковую ловушку"), усиливающий эффект поглощения шума всасывания, что наглядно подтверждается приведенными экспериментальными результатами (фиг. 3 и фиг. 4). Высокая эффективность заглушения шума всасывания конструкцией корпуса воздухоочистителя обеспечивается также и тем, что звукопоглощающая облицовка располагается у жесткой стенки (как известно, у жестких стенок замкнутых объемов реализуется максимумы давлений собственных резонансных мод с частотами колебаний кратными половинам длин волн размещающимися между противолежащими стенками), в зоне входного отверстия воздухозаборного патрубка воздухоочистителя, что, таким образом, эффективно демпфируя эти резонансные моды воздушного объема камеры воздухоочистителя предотвращает усиленную их передачу в полость патрубка и далее - в окружающую среду.

Предлагаемая конструкция улучшения звукозаглушающих характеристик воздухоочистителя ДВС легко интегрируется практически в корпус произвольной геометрической формы, который уже освоен действующим производством, и его модернизация не представляет существенных технологических трудностей благодаря гибкости структуры облицовки и наличию клеевого и защитного фольгированных слоев. Это позволяет минимизировать не только затраты на подготовку производства (нет необходимости в изменении существующей конструкции воздухоочистителя), но и резко сократить сроки внедрения в производстве.

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 упруго-массовые динамические системы, обладают определенными частотными характеристиками - частотами собственных колебаний, "трансформирующих" подводимое силовое воздействие в соответствии со своими частотными характеристиками и, в конечном итоге, определяют зкуковое излучение, производимое непосредственно срезом впускного патрубка.

Одним из воздушных объемов, играющих одновременно роль глушителя шума и гасителя пульсаций газа при всасывании воздуха в ДВС, являются полости ресивера и воздухоочистителя. В определенных частотных диапазонах они являются эффективными глушителями (ресивер выполняет при этом еще и положительную роль разделителя газодинамических и акустических связей между отдельными, подсоединенными к нему коллекторными трубами и цилиндрами в процессе открытия клапанов отдельных цилиндров). В это же время, в других частотных диапазонах эти воздушные объемы полостей воздухоочистителя и ресивера являются усилителями звуковой энергии, что автоматически влечет повышенное шумовое излучение шума впуска в окружающую среду. Усиление излучения шума указанными воздушными объемами камер обусловлено как возбуждением в этих камерах резонансных собственных форм колебаний (собственных мод), так и передачей этих резонансных собственных мод из одной полости (ресивера) в другую полость (камеру воздухоочистителя), и в присоединительные трубопроводы впускной системы, что в конечном итоге существенно ухудшает шумозаглущающие качества впускного тракта в целом. Образование собственных акустических мод в полости воздухоочистителя обусловлено ограничением этой полости противолежащими жесткими звукоотражающими стенками корпуса воздухоочистителя. В результате возбуждения таких замкнутых (более строго - частично разомкнутых, подводящими и отводящими отверстиями патрубка и впускной трубы) воздушных объемов на частотах кратных половинам длин волн, укладывающихся по длине, ширине и высоте корпуса воздухоочистителя, образуются собственные колебательные моды (соответствующие "стоячие волны"), амплитуды колебаний которых резко возрастают, что влечет усиленную передачу этих колебаний по тракту и, в частности, в воздухозаборный патрубок и усиленное излучение шума всасывания в окружающую среду. Соответственно, на характеристике заглушения шума такой 3-х мерной расширительной камеры появляются многочисленные "провалы" заглушения шумовой энергии на отдельных частотах кратных гармониках этих частот полудлины которых кратны геометрическим размерам полостей камер. Следует отметить также, что в системе впуска ДВС может генерироваться и интенсивный высокочастотный шум вихревого турбулентного происхождения, связанного с шумами обтекания клапана и отдельных неоднородностей впускного тракта (заслонок, кромок гофр и т. п.). Заглушение этой высокочастотной энергии фильтрующим элементом воздухоочистителя, как правило, весьма ограниченно и недостаточно для необходимой степени подавления и предотвращения заметного излучения звука в окружающую среду.

Введение в полость камеры воздухоочистителя локальной шумопоглощающей облицовки в зоне стенки корпуса, как противолежащей, так и прилегающей к впускному (присоединительному) отверстию воздухозаборного патрубка, являющегося конечным замыкающим элементом впускного тракта, производящим непосредственное излучение шума системы всасывания в окружающую среду, является одним из наиболее эффективных рычагов воздействия на подавление звукового излучения системы впуска. Это обусловлено тем, что патрубок является непосредственным излучателем звука в окружающую среду и ослабление газодинамического и акустического возбуждения на его входе (зоне подсоединения с камерой) уменьшает амплитуду колебательной скорости непосредственно воздушного объема заключенного в патрубке и, таким образом, ослабляет излучение звука на его выходе (свободном срезе воздухозаборного патрубка). Смонтированная на стенке корпуса воздухоочистителя локальная шумопоглощающая облицовка предотвращает в первую очередь образование собственных мод полости камеры в направлении колебаний оси тела воздушного объема патрубка, что наиболее благоприятно с точки зрения ослабления (исключения) передачи этой моды и ее гармоник в полость патрубка и соответствующего ослабления динамического возбуждения воздушного объема в патрубке с соответствующим ослаблением его звукового излучения. Расположение эффективной шумопоглощающей облицовки на конечном участке звукоизлучающего тракта системы впуска, после возможных локальных излучателей (генераторов) высокочастотного вихревого звука (после клапанов, заслонок и других геометрических неоднородностей на пути засасываемого воздушного потока), т.е. на выходе шумовой энергии в окружающую среду, также благоприятно с точки зрения конструктивного улучшения шумозаглушающих характеристик впускного тракта в целом.

Эффективность использования технического решения по предлагаемому изобретению иллюстрируется на фиг. 3 и фиг. 4, где приведены зависимости общих уровней и 1/3 октавных спектров (n=3500 об/мин) от скоростного режима работы ДВС, смонтированного в моторном испытательном боксе и работающего с полной нагрузкой (полностью открытой дроссельной заслонкой).

Измерительный микрофон расположен в 0,06 м от свободного среза воздухозаборного патрубка. Сплошной линией представлено исходное состояние конструкции штатного воздухоочистителя ДВС без внутренней шумопоглощающей облицовки стенок корпуса. Пунктирной линией представлены результаты испытаний модернизированной конструкции воздухоочистителя ДВС, выполненного в соответствии со схемой фиг. 1 и фиг. 2. В этом случае, в качестве шумопоглощающей облицовки был использован самоклеющийся пенополиуретан с защитной алюминизированной полиэстеровой пленкой. Толщина пенополиуретанового слоя 12,5 мм., тип материала 12,5 LA-SE, производитель ф."Персторп-Антифон".

Как следует из анализа представленных экспериментальных результатов, использование шумопоглощающей футеровки материалом 12,5 LA-SE в качестве устройства повышения шумозаглушающих характеристик конструкции воздухоочистителя позволяет уменьшить общие уровни шума до 3 дБА, а в частотном диапазоне 400-10000 Гц эффект шумоподавления составляет до 10 дБА. Таким образом, подтверждается высокая эффективность использования заявляемого технического решения в качестве устройства повышения шумозаглушающих характеристик воздухоочистителя ДВС.