Воздухоочиститель двигателя внутреннего сгорания транспортного средства
Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к воздухоочистителям (ВО), снабженным элементами шумоглушения.
ВО содержит коробообразный корпус, ограниченный верхним полукорпусом и нижним полукорпусом с плоским днищем, герметично соединенными между собой, при этом внутри корпуса размещен фильтрующий элемент, разделяющий корпус на зоны очищенного и неочищенного воздуха, нижний и верхний полукорпусы имеют соответственно впускной и выпускной патрубки для впуска неочищенного воздуха из атмосферы и выпуска очищенного воздуха в ДВС.
Отличительной особенностью является то, что боковые стенки нижнего и верхнего полукорпусов, в местах входа в них указанных патрубков, снабжены оребрением, поверхность стенок имеет рельефную структуру, а площадь днища нижнего полукорпуса S относится к площади места подсоединения его к крышке S 1 как
S=(0,3 - 0,8)S1
где S - площадь днища нижнего полукорпуса,
S 1 - площадь нижнего полукорпуса в месте подсоединения его к верхнему полукорпусу.
Практическое применение предлагаемой полезной модели вполне возможно в автомобилестроении.
Полезная модель относится к транспортному машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к воздухоочистителям, снабженным элементами шумоглушения.
Воздухоочиститель системы впуска двигателя внутреннего сгорания (далее ДВС) транспортного средства, несмотря на свое непосредственное назначение, связанное с очисткой поступающего в ДВС 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 засасываемым воздухом картерных газов с функцией маслоотделения, уловителя и смесителя паров топлива с воздухом, устройства подогрева (и/или регулирования температурой), засасываемого в ДВС воздуха, с соответствующим месторасположением срезов патрубков в пространстве моторного отсека 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 самих камер ресивера и 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 многократного 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 фрикционного рассеивания её, ввиду реализации эффекта внутреннего трения и динамических деформаций структуры фильтрующего элемента с преобразованием ее в тепловую в порах фильтрующего элемента.
В виду 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, как правило, заглушает высокочастотную энергию, генерируемую впускной системой ДВС, в недостаточно высокой степени.
В связи с вышеизложенным, известны многочисленные примеры применения специальных устройств заглушения высокочастотной энергии впускных систем ДВС, реализующие дополнительные шумоизоляционные устройства, интегрированные непосредственно в конструкцию возухоочистителя
ДВС и, таким образом, устройства шумозаглушения в целом работают как устройства комбинированного типа, сочетающие реактивные элементы (отражающие звук) и активные элементы (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 ЕР 0 091 038 А 1, кл.F 02 М 35/12, заявитель - Nissan Motor Co).
Известен также воздухоочиститель с дополнительным устройством шумоглушения в виде специального конусообразного обтекателя заполненного шумопоглощающим материалом ( Европейская заявка ЕР 0 096 992 А 1, 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 № 420589, кл. G 10 K 11/16, заявитель - Robert Bosch CmBH). Вставка из пористого звукопоглощающего материала при этом облицовывает внутреннюю полость корпуса и образует спирале-винтообразный канал по которому транспортируется засасываемый в ДВС воздух.
Известно 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 № 1-27258, кл. F 02 M 3512, заявитель "Ниссан Мотор Со"). В этом случае закрытый корпус 1 воздухоочистителя (далее дословно) разделён фильтрующим элементом 2 на отсек А подвода неочищенного воздуха и отсек В отвода очищенного воздуха. В отсеке А выполнен вход воздуха, а в отсеке В -выход 4. Воздухоочиститель отличается тем, что в верхней части корпуса 1 расположен отсек А, а в нижней части - отсек В. Вход воздуха выполнен в виде двух труб 3 прямоугольного сечения, вытянутых от левой и правой части отсека А 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.
Известны устройства заглушения шума впуска, связанные с применением акустически настроенного по длине воздухозаборником. Например, по заявке Японии №60-29331, кл. В 60 К 13/02, публ. 27.06.85, к камере воздухоочистителя 3 подсоединен воздухозаборник, состоящий из 3-х элементов: - гофрированного шланга 4, переходника 12 и патрубка 5. Недостатком этого устройства является неплотное прилегание (негерметичное сопряжение) указанных элементов воздухозаборника между собой, ввиду отсутствия какого-либо специального приспособления создающего надёжное уплотнение, например хомута. В процессе эксплуатации транспортного средства, сопровождающейся воздействием интенсивных вибронагрузок на элементы воздухозаборника как от работы ДВС, так и от микрорельефа дорожного покрытия при движении транспортного средства в процессе механических колебаний и динамических деформаций отдельных элементов, могут образовываться неплотности (щели) в местах соединения элементов воздухозаборника. Это, в свою очередь, вызывает дополнительное звукоизлучение аэрогазодинамического шума через щели (щелевого звука), что нежелательно, т.к. увеличивает уровень шума транспортного средства в целом. Учитывая, что шум системы впуска является одним из доминирующих источников шума ДВС транспортных средств, то его дополнительное "дефектное" усиление может превысить предельно допустимое, ограничиваемое стандартами, введенное во многих странах, в том числе и в России и международными нормами (правило №51 ЕЭК ООН).
Другое известное устройство воздухоочистителя по патенту Англии №2273889, кл. F 02 M 35/024, публ. 06.07.94, содержит дополнительные уплотнительные элементы в соединении частей воздухозаборника, а именно:
переходник 8 соединен с корпусом воздухоочистителя 2 и соединение уплотнено применением хомута, также переходник 8 соединен с патрубком и уплотнение создается с помощью винтового соединения. Недостатком этого устройства является повышенная материалоемкость и трудоемкость сборки, что влечет за собой увеличение затрат на изготовление.
Таким образом, отмеченные в приведенном анализе уровня техники известные технические решения отличаются следующими недостатками:
-существенное загромождение и/или разделение полости камеры воздухоочистителя шумопоглощающими набивками, перегородками и обтекателями вызывает уменьшение, таким образом, эффективности заглушения низких частот звукового спектра, характерных для спектра шума впуска ДВС,
связанного с уменьшением объема камеры резонатора и/или её делением на камеры меньших объемов (объем камеры прямо пропорционален эффективности подавления низкочастотных пульсаций и низкочастотного шума при процессе всасывания воздуха);
- увеличенные гидравлические сопротивления впускной системы как за счет применения, например, дополнительного обтекателя, так и за счет, например, использования заградительной вставки и футеровки воздухозаборных патрубков негладкими звукопоглощающими поверхностями - пористыми, (пенистыми, или волокнистыми) материалами с применением защитных перфорированных оболочек;
- увеличенная трудоемкость изготовления, монтажа и стоимости устройств снижения шума всасывания, интегрированных в конструкцию воздухоочистителя ДВС.
В другом устройстве воздухоочистителя по патенту Р.Ф. №2138671, кл. F 02 M 35/02, публ. 27.09.99, БИ №27. содержащем два герметично соединенных между собой полукорпуса, образующих в собранном виде внутреннюю полость (камеру), в которой размещен фильтрующий элемент, разделяющий указанную полость на зону очищенного и неочищенного воздуха, полукорпусы имеют впускной, состоящий из двух частей 6 и 12 и выпускной патрубки, соответственно для впуска неочищенного и выпуска очищенного воздуха поступающего в ДВС. К впускному патрубку присоединен воздухозаборник 10. В этой конструкции в соединении впускного патрубка и воздухозаборника не предусмотрено применение уплотнительного элемента, т.к. этого в данной конструкции воздухоочистителя и не требуется, ввиду того, что воздухозаборник состоит из 2-х частей - канала, расположенного внутри корпуса (12,6) и непосредственно патрубка 10, а зона их сопряжения находится в закрытом пространстве камеры воздухоочистителя. Общая длина воздухозаборника "акустически настроена" с целью уменьшения излучения резонансного звука открытым концом патрубка 10. В самом патрубке, в процессе работы ДВС на номинальном (или близком к нему) скоростном режиме работы ДВС возникают резонансные колебания воздуха, вызванные совпадением собственной частоты колебаний воздушного объёма в патрубке и кратных ей гармоник с основной частотой рабочего процесса 2п/60 Гц. При этом максимум звукового давления при возбуждении наиболее мощной, низшей собственной частоты колебаний (собственной моды), приходится на 1/2L, где L - полная длина воздухозаборника. Эта зона примерно и является местом
непосредственного соединения патрубка 10с каналом, образованным частями 12 и 6 с образующимися неплотностями соединений (щелями), через которые возможна организация процессов частичного просасывания и демпфирования резонансно пульсирующего воздуха с ослабленным звукоизлучением в замкнутое пространство камеры воздухоочистителя, не влияющем на увеличение акустического излучение от автомобиля в целом. Непосредственное излучение звука через открытый конец (срез) воздухозаборного патрубка в окружающую среду в это же время уменьшится, за счёт подавления резонансного возбуждения и излучения на низших собственных модах воздухозаборного патрубка.
В это же время, недостатком этого устройства является повышенное гидравлическое сопротивление воздуху, засасываемому в ДВС, проходящему через патрубок 10, канал образованный частями 6 и 12 и выходящему в воздухоочиститель, из-за использования извилистости указанной воздухоподающей трассы, вызванной необходимостью компоновки относительно "длинного" патрубка в ограниченном пространстве камеры воздухоочистителя, что в конечном итоге приведет к снижению мощностных, экономических и экологических характеристик ДВС.
Кроме того, вогнутый внутрь корпуса участок днища, являющийся частью воздухоподающей трассы, уменьшает полезный воздушный объем камеры воздухоочистителя, что нежелательно, поскольку с точки зрения акустики и очистки воздуха от пыли, этот объем должен быть по возможности максимальным.
В качестве прототипа выбран воздухоочиститель, описанный в OSDE №4413765 А1, МПК F 02 M 35/08, в котором для обеспечения компактности при использовании длинных патрубков, увеличения заглушения газодинамического шума и газовых пульсаций применены внутренние патрубки, внутренние свободные срезы которых расположены вблизи плоскостей, симметрично рассекающих объем камеры воздухоочистителя (далее ВО) в продольном и поперечном направлениях, что позволяет исключить или существенно ослабить возбуждение воздушного объема камеры на низших резонансных модах (продольной и поперечной) и т.о.исключить резонансное усиление излучения звука, передаваемое непосредственно в воздухозаборный патрубок и далее - в окружающую среду, а также ослабить динамическое возбуждение боковых (продольных и поперечных) стенок, образующих корпус ВО. Одновременно с этим верхняя и донная стенки корпуса рассматриваемой конструкции ВО будет
интенсивно возбуждаться на низших повысотных модах, т.е. их частотах и гармониках, половина длины волны которых будет совпадать с высотой воздушного объема корпуса. Это возбуждение нежелательно, как с точки зрения его передачи в воздухозаборный патрубок, так и с точки зрения динамической раскачки донной (нижней) и верхней крышки ВО с соответствующим ростом корпусного звука, т.е. звука, излучаемого вибрирующими корпусными стенками (в первую очередь донной и верхней) ВО.
В части критики прототипа можно отметить следующее:
Усиленный корпусной шум ВО, излучаемый тонкостенной оболочкой корпуса, в особенности излучаемой его дном и верхней крышкой, которые являются тонкостенными пластинами, возбуждаемыми как воздушным звуком и газовыми пульсациями изнутри корпуса (объема), как и структурным путем через жесткие присоединительные части (элементы крепления корпуса к кузову автомобиля, воздухоотводящие патрубки, соединяющие вибрирующий ДВС с корпусом ВО, и другие коммуникационные связи).
Уменьшение полезного воздушного объема камеры ВО, ввиду того, что он заполняется объемами внутренних патрубков, нежелательно, поскольку с точки зрения акустики и пылеемкости этот объем должен быть по возможности максимальным, так как в этом случае камера ВО более эффективно, т.е. (с более низкой частотой на боле высокое значение), производит заглушение шума и газовых пульсаций как резонаторный глушитель газодинамического шума.
В прототипе не решена проблема обеспечения достаточной вибропрочности ВО в зонах крепления консольно установленных патрубков, что снижает надежность конструкции вследствие их колебаний как защемленных с одного конца балок, а с другой стороны - эти вибрации свободных концевых участков патрубков, производят «динамическую раскачку» близко расположенных присоединительных участков стенок корпуса, что усиливает излучение звука этих зон корпуса, в особенности на резонансных частотах этой механической системы.
Решение технической задачи предполагает, путём внесения в конструкцию известного ВО ДВС конструктивных изменений повысить его акустические характеристики, тем самым повысить качество выпускаемой и реализуемой продукции -ДВС и автомобиля в целом. Технический результат достигается тем, что в известном ВО, содержащем коробообразный корпус, ограниченный верхним полукорпусом и нижним полукорпусам с плоским днищем, герметично соединенными между собой, внутри
которого размещен фильтрующий элемент, разделяющий корпус на зоны очищенного и неочищенного от посторонних предметов воздуха, причём нижний и верхний полукорпусы имеют соответственно впускной и выпускной патрубки для впуска неочищенного воздуха из атмосферы и выпуска очищенного воздуха в ДВС, боковые стенки нижнего и верхнего полукорпуса, в местах входа в них указанных патрубков, снабжены оребрением, при этом поверхность стенок имеет рельефную структуру, а площадь днища нижнего полукорпуса S при этом относится к площади места подсоединения его к крышке Si как
S=(0,3-0,8)S 1 Где S - площадь днища нижнего полукорпуса
S 1 - площадь нижнего полукорпуса в месте подсоединения его к верхнему полукорпусу.
Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".
Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".
Полезная модель поясняется графически:
На Фиг.1 изображен ВО в сечении.
На Фиг.2 изображен вид сбоку на ВО.
На Фиг.3 изображено сечение А-А по Фиг.2.
ВО по Фиг.1 содержит корообразный корпус 1, ограниченный верхним полукорпусом 2 и нижним полукорпусом 3 с плоским днищем 4. Нижний полукорпус 3 имеет впускной патрубок 5, а верхний полукорпус 2 выпускной патрубок 6. Внутри коробообразного корпуса 1 имеется фильтрующий элемент 7, разделяющий корпус 1 на зоны не очищенного воздуха 8 и очищенного воздуха 9. Верхний 2 и нижний 3 полукорпусы герметично соединены между собой крепежными элементами 10. Боковые стенки верхнего 2 и нижнего 3 полукорпусов имеют ребра жесткости 11 (Фиг.2). Боковые поверхности верхнего 2 и нижнего 3 полукорпусов в местах подсоединения выпускного 6 и впускного 5 патрубков имеют рельефную структуру 12. Верхний полукорпус 2 в сечении имеет арочную конструкцию 13 (Фиг.3). Буквами S и S1 (Фиг.1) обозначены соответственно
площадь днища 4 нижнего полукорпуса 3 и площадь нижнего полукорпуса 3 в месте подсоединения его к верхнему полукорпусу 2.
ВО работает обычным образом.
При работе ДВС воздух, из-за разности давлений в полости цилиндра на такте впуска и атмосферным, засасывается во впускной патрубок 5 нижнего полукорпуса 3 (зону неочищенного воздуха 8), очищается от твердых частиц с помощью фильтрующего элемента 7 и далее проходит в зону очищенного воздуха 9 верхнего полукорпуса 2, проходит по воздухопроводу (не показан) в цилиндр ДВС при открытом впускном клапане.
Коробообразный корпус 1, как на большинстве современных автотранспортных средствах, не имеет правильной геометрической формы (куб, параллелепипед, цилиндр). Это обусловлено стесненными условиями подкапотного пространства, где устанавливается ВО, и одновременным стремлением к максимальному значению воздушного объема заключенного в корпусе 1 (зон не очищенного воздуха 8 и очищенного воздуха 9). Увеличение воздушного объема зон 8 и 9 корпуса 1, достаточно эффективный, простой и дешевый способ ослабления газодинамических пульсаций, в особенности в низкочастотной области спектра излучаемого шума впуска, происходящего через впускной патрубок 5 и воздухозаборник (не показан), при работе ДВС, (в особенности на частоте рабочего процесса f=in/60*** (Гц), где i - количество цилиндров ДВС, n - частота вращения коленчатого вала ДВС, *** - коэффициент тактности ДВС. Это объясняется тем, что воздушный объем коробообразного корпуса 1 работает в данном случае как ресивер, в котором амплитуды упругих звуковых волн уменьшаются за счет потере звуковой энергии, при многократном сжатии воздушного объема и его нагреве. Как уже было сказано в разделе «Критика прототипа», ослабление возбуждения внутреннего воздушного объема коробообразного корпуса на собственных низших формах резонансных колебаний воздуха (тангенциальной и радиальной формы), достигается введением впускного и выпускного патрубков внутрь этого объема, таким образом, чтобы внутренние срезы их располагались вблизи плоскостей, симметрично рассекающих воздушный объем корпуса в продольном и поперечном направлениях. Данный способ уменьшения резонансного усиления звука, передаваемого непосредственно в воздухозаборник и далее в окружающую среду, а также ослабление динамического возбуждения боковых стенок, образующих корпус ВО,
наиболее эффективен в случае, когда внутренний объем корпуса ВО имеет правильную геометрическую форму (куб, цилиндр, призма).
В рассматриваемой полезной модели корпус 1 не имеет правильной геометрической формы и вследствие этого указанный способ снижения шума впуска не достаточно эффективен. Для предотвращения динамического возбуждения боковых стенок корпуса 1 на поверхности указанных стенок нанесены ребра 11. Для уменьшения изгибных колебаний стенок корпуса 1 и уменьшения таким образом излучения звука в окружающую среду, в местах присоединения впускного 5 и выпускного 6 патрубков к боковым стенкам корпуса 1 стенки имеют рельефную поверхность 12, а верхний полукорпус 2 в сечении имеет арочную конструкцию 13. Площадь днища 4 (S) корпуса 1 относится к площади места подсоединения его к крышке 2 (S1) как S=(0,3-0,8)S 1, что также уменьшит звук, излучаемый корпусом 1, т.к. при этом уменьшится площадь излучения днища 4. Увеличение жесткости корпуса 1 ВО в сочетании с уменьшением площади его излучаемой поверхности способствует уменьшению уровня звука излучаемого ВО, в чем и заключается положительный эффект.
Разумеется, полезная модель не ограничивается описанным способом её осуществления, показанным на прилагаемых фигурах. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объёма настоящей полезной модели.
1. Воздухоочиститель двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, содержащий коробообразный корпус, ограниченный верхним полукорпусом и нижним полукорпусом с плоским днищем, герметично соединенными между собой, при этом внутри корпуса размещен фильтрующий элемент, разделяющий корпус на зоны очищенного и неочищенного воздуха, нижний и верхний полукорпусы имеют соответственно впускной и выпускной патрубки для впуска неочищенного воздуха из атмосферы и выпуска очищенного воздуха в ДВС, отличающийся тем, что боковые стенки нижнего и верхнего полукорпусов, в местах входа в них указанных патрубков, снабжены оребрением, поверхность стенок имеет рельефную структуру, а площадь днища нижнего полукорпуса S относится к площади места подсоединения его к крышке Si как
S=(0,3-0,8)S1,
где S - площадь днища нижнего полукорпуса;
S1 - площадь нижнего полукорпуса в месте подсоединения его к верхнему полукорпусу.
