Brevet FR2524815A1 — publié le 19831014

L'invention concerne le domaine de la construction des moteurs et a notamment pour objet un filtre à air de moteur à combustion interne. L'invention peut s'appliquer, de préférence, aux filtres à air des systèmes d'alimentation de tous les moteurs à combustion interne des moyens de transport tels que: véhicules automobiles, navires, locomotives, etc, ainsi que des installations fixes, par exemple, des générateurs, des compresseurs, etc, surtout dans les cas o on a besoin de réduire le bruit émis dans le milieu environnant. Pendant le fonctionnement d'un moteur, la fréquence principale du processus de travail se trouve dans une plage allant de 100 Hz (pour les moteurs mono- sectionnels à pistons rotatifs, soit pour les moteurs bicylindres à combustion interne à quatre temps) jusqu'à Hz pour les moteurs quadricylindres en ligne, à essence. Pour baisser le niveau de la pression acoustique dans les plages mentionnées de fréquences, il faut surmonter des difficultés notables Pour le baisser, par exemple, au moyen d'un réglage acoustique qu'on réalise en allongeant la tubulure de prise d'air pour ces basses fréquences, on est obligé d'augmenter sensiblement sa longueur et d'accroître la qualité du métal nécessaire à sa fabrication, d'alourdir la construction et de compliquer l'organisation du compartiment du moteur du véhicule automobile Il convient de noter un inconvénient très important, propre à cette mesure, qui réside en ce que la puissance du moteur et de son couple moteur se trouvent diminués La diminution du rayonnement de basse fréquence à l'admission d'air par une grande augmentation du volume de la chambre du filtre à air ou par branchement de volumes parallèles d'air est caractérisêDpar les inconvénients déjà décrits ci-dessus. On connaît une conception de filtre à air (voir, par exemple, le certificat d'auteur U R S S NI 293 135, cl F 02 M 35/14 publié le 15 Janvier 1971),qui comporte un corps à deux parois dans lequel sont prévus des canaux demi-annulaires à air Ces canaux sont d'une longueur identique et leurs orifices d'entrée sont disposés sur les côtés diamétralement opposés du corps Ce mode de réalisa- tion permet d'élever l'efficacité d'atténuation du bruit et de réduire quelque peu les résistances hydrauliques. Toutefois, cette conception est assez compliquée et nécessite une quantité notable de métal pour sa fabrication. Encore une source d'émission intense du son émis par le filtre à air est son chapeau dans le cas o il est fabriqué en tôle métallique mince faiblement rigide, en étant ainsi l'élément le plus susceptible à la flexion. Dans le but de réduire l'émission du son résultant des vibrations structurelles dues à la flexion des chapeaux des filtres à air, on a recours soit à un isolement de plus haute qualité contre des vibrations du chapeau suivant le périmètre de sa fixation au corps et aux endroits o il est serré par des éléments de fixation, soit à des procédés d'élévation de l'impédance du chapeau en appliquant sur sa surface un squelette développé d'ailettes Tout ceci aboutit à une complication de la conception, à une augmenta- tion de la quantité de métal consommé, à une complication de l'ensemble de l'organisation. On connaît une conception de filtre à air qui fait peu de bruit (cf, par exemple, le brevet français NO 2 307 975, cl F 02 M 35/14, publié le 17 décembre 1976) destiné aux moteurs à combustion interne Ce filtre à air connu comprend un capot destiné à la protection contre des vibrations et à l'intérieur duquel est logé un élément filtrant Le capot assemblé avec l'élément filtrant est monté habituellement dans le corps du filtre à air Le capot protecteur est exécuté soit sous forme d'une pièce distincte soit en une seule pièce avec le corps du filtre à air. L'inconvénient de ce filtre réside en ce qu'il est compliqué du fait, en premier lieu, qu'il faut augmenter la quantité de pièces, de leurs fixations et déterminer une organisation optimale pour une conception concrète du filtre En outre, ceci contribue à une augmentation de la quantité de métal consommé et de la main d'oeuvre pour sa fabrication. On connait une conception de filtre à air (voir, par exemplela revue japonaise "Dzidosia guidziutsu", 1966, volume 20, NO 9, pages 861 à 865), dans laquelle, dans le but de réduire les résistances hydrauliques, d'élever les performances économiques et celles de la puissance du moteur, on a pratiqué des orifices dans la chambre En déposant les orifices calibrés à un endroit quelconque de la chambre on a réussi à atteindre le but visé, du fait que lors de la "compression-expansion" du volume d'air, dans la chambre une portion complémentaire d'air est aspirée à travers ces orifices, qui n'entre pas dans la tubulure de prise d'air Cependant, comme il est dit dans ladite revue japonaise: " en conséquence, le son se propage sans entrer dans la tubulure d'aspiration ", ce qui augmente le rayonnement du bruit émis par le système d'admission. On s'est donc proposé de mettre au point une conception plus simple et plus ramassée du filtre à air pour moteur à combustion interne, qui assurerait une baisse du niveau de la pression acoustique des composantes de basses fréquences et de fréquences moyennes du bruit du système d'admission, ainsi qu'une élévation des performances économiques et celles de la puissance du moteur grâce à la modification de la conception du corps du filtre à air. Le problème ainsi posé est résolu à l'aide d'un filtre à air pour moteur à combustion interne, comportant un corps avec des orifices réalisés sous forme d'un cylindre circulaire délimité en haut par un chapeau et en bas par un fond, à l'intérieur duquel est logé un élément filtrant coaxial audit corps, une ouverture d'admission et une ouverture d'échappement étant pratiquées dans le corps et dans le fond, respectivement, caractérisé,selon l'invention, en ce que les orifices sont pratiqués au moins dans le chapeau ou dans le fond du corps et sont disposés dans la zone délimitée par deux plans qui se situent à une distance égale à la valeur + 0,1 R, o R est le rayon du corps à partir du plan passant par l'axe du corps perpendiculairement au plan reliant l'axe du corps et le centre de l'ouverture d'échappement. Il est avantageux de pratiquer les orifices simultanément dans le chapeau et dans le fond. Cette conception du filtre à air permet de baisser d'une manière efficace le niveau du rayonnement du son dé aux formes des oscillations de la pression dans la chambre du filtre à air. Il est également avantageux de disposer les orifices à une distance de 0,58 à 0,63 R du -centre géomé- trique du corps du filtre à air, o R est le rayon du corps du filtre à air, ce qui correspond au cas de la disposition des orifices au voisinage de la ligne des noeuds de la forme radiale inférieure des vibrations. Ceci permet de baisser d'une manière efficace le niveau du rayonnement du son des formes radiales des oscillations de la pression dans la chambre du filtre à air. Ainsi, la baisse du niveau du rayonnement dû aux formes des oscillations de la pression dans la chambre du filtre à air est obtenue au moyen-des orifices disposés dans les noeuds (ligne de référence) des formes tangen- tielles et radiales du volume d'air de la chambre du filtre à air. De plus, les orifices pratiqués dans le chapeau vibrant du filtre à air diminuent le rayonnement du son produit par le chapeau grâce à l'égalisation des impulsions de la pression engendrées sur les côtés opposés du chapeau pendant ses vibrations. Il est possible d'obturer les orifices du chapeau et ceux du fond du filtre à air par des éléments poreux. Ceci confère à la conductibilité des orifices un caractère actif et accroît l'efficacité de la suppression des composantes de basses fréquences du bruit à l'admission. Outre l'atténuation du bruit, les orifices pratiqués dans le chapeau et dans le fonddu filtre à air diminuent la résistance hydraulique du système d'admission, ce qui permet d'améliorer les performances économiques et celles de la puissance du moteur. Grâce au fait que tous les effets mentionnés ci-dessus sont obtenus exclusivement par des moyens simples, le dispositif obtenu est plus simple et plus ramassé. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec références aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente un filtre à air pour moteur à combustion interne: la figure 2 est une coupe suivant la ligne Il-II de la figure 1; la figure 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la figure 1 (à échelle agrandie); la figure 4 représente une épure de distribution des pressions acoustiques dans la chambre du filtre à air (composante tangentielle); la figure 5 représente une épure de distribution des pressions acoustiques dans la chambre du filtre à air (composante radiale); les figures 6 à 10 représentent les spectro- grammes comparatifs du bruit illustrant clairement l'effet obtenu; la figure 11 montre la caractéristique exté- rieure de vitesse du moteur; la figure 12 représente un spectrogramme du bruit émis par le chapeau du filtre à air. Le filtre à air pour moteur à combustion interne (figures 1, 2), conforme à l'invention, comprend un corps 1 exécuté sous forme d'un cylindre annulaire délimité en haut par un chapeau 2 et en bas par un fond 3 (figure 1) et à l'intérieur duquel, coaxialement audit chapeau, est logé un élément filtrant 4 Une ouverture d'admission 5 est pratiquée dans le corps 1 et une ouverture d'échappe- ment 6 (figure 1) est réalisée dans le fond 4 (figure 2). Des orifices 7 et 7 ' sont pratiqués dans le fond 3 et dans le chapeau 2 du corps 1, respectivement Il convient de noter que pour protéger le système d'admission du moteur contre la poussière, ainsi que pour améliorer les caracté- ristiques acoustiques du filtre à air, il est désirable d'obturer les orifices 7 et 7 ', surtout les orifices disposés dans l'enceinte de l'élément filtrant 4 Les orifices 7 et 7 ' du fond 3 et du chapeau 2 du corps 1 sont disposés dans la zone A (figure 4) délimitée par deux plans disposés à une distance + 0,1 R (o R est le rayon du corps 1) à partir du plan passant par l'axe 9 (figure 1) du corps 1 perpendiculairement au plan reliant l'axe 9 du corps et le centre 10 (figure 4) de l'ouverture d'échappe- ment 6 Les orifices 7 et 7 ' peuvent être réalisés soit à la fois dans le chapeau 2 et le fond 3, soit seulement dans le chapeau 2, soit seulement dans le fond 3 du corps 1, en fonction des particularités de la conception des filtres à air Il est désirable que les orifices 7 et 7 ' (figure 5) se situent à une distance de 0,58 R à 0,68 R du centre géométrique 11 du corps 1 (o R est le rayon du corps 1 du filtre à air). Le filtre à air revendiqué fonctionne de la manière suivante. Pendant que le moteur fonctionne à une vitesse principale, le volume d'air dans la tubulure de prise d'air 12 (figure 4) vibre comme une masse, alors que le volume d'air du corps 1 (figures 1 et 2) du filtre à air fait fonction de ressort élastique Dans ce cas, en plus de l'aspiration d'air à travers la tubulure de prise d'air 12 (figure 4), l'air est aussi aspiré à travers les orifices 7 et 7 ' du fond 3 et du chapeau 2 (figure 1) Ceci diminue les résistances hydrauliques de l'ensemble du filtre à air et élève la puissance effective du moteur D'autre part, l'introduction des orifices 7 et 7 ' revient en quelque sorte à introduire un amortisseur de vibrations branché en parallèle avec le volume d'air dans le corps 1, car ils créent des pertes complémentaires d'énergie à l'aspiration de la charge d'air En même temps, le rayonnement de l'énergie acoustique du corps 1 dans le milieu environnant diminue du fait que les orifices 7 et 7 ' sont disposés sur la ligne de noeuds des vibrations tangentielles du volume d'air du corps 1 (figure 4), c'est-à- dire dans la zone A o la composante résonante pulsée des vibrations du volume d'air se rapproche de zéro ou est égale à zéro La largeur de la zone A est de 0,2 R, à raison de 0,1 R de chaque côté du plan perpendiculaire au plan reliant l'axe (figure 1) et le centre de l'ouver- ture d'échappement 6 (figure 2) A des distances plus grandes par rapport audit plan, les pressions dans la forme tangentielle B ne sont déjà pas faibles et la transmission-du son à travers les orifices 7 et 7 ' devient sensible (figure 4). Les orifices 7 et 7 ' diminuent sensiblement le facteur de qualité du système de résonance au temps d'admission du moteur et le rayonnement acoustique résonant de basse fréquence, par suite de l'introduction de pertes actives supplémentaireset ne produisent aucun rayonnement supplémentaire de la forme tangentielle des oscillations de pression dans le corps 1. En outre, les orifices 7 ' pratiqués dans le chapeau 2 diminuent le rayonnement produit par le couver- cle 2 pendant ses vibrations, et ce, grâce à l'égalisation des impulsions de pression engendrées sur les côtés opposés du chapeau 2. Il est avantageux également de disposer les orifices 7 et 7 ' (figure 4) du couvercle 2 (figure 1) et du fond 3 dans la zone D (figure 5), à une distance de 0,58 R à 0,68 R du centre 11, dans la zone de faibles pressions acoustiques de la première forme radiale C des variations de la pression dans le corps 1 On prévient ainsi la transmission de l'énergie des oscillations de la première forme radiale Quand les orifices 7, 7 ' sont pratiqués à une distance inférieure à 0,58 R du centre 11 et supérieure à 0,68 R de celui-ci, on n'obtient pas l'effet mentionné, du fait qu'en dehors de la zone D les pressions dans la forme C des oscillations sont déjà insuffisamment faibles. On obtient un effet positif supplémentaire si l'on obture les orifices 7 et 7 ' (figure 1) par des éléments poreux 8 (figure 3) Les éléments poreux 8 peuvent être exécutés, par exemple, en un alliage de cuivre phosphoreux et cathodique ou en polyéthylène poreux. Comme il ressort de l'analyse théorique et des essais réalisés, les éléments poreux 8 dont la conductibilité active est conforme à la relation suivante sont les meil- leurs: F F Yg = ( 0,5 à 2,0) 1 ( 1) o: est la densité du gaz, kg/m 3 Ad est la fréquence circulaire de la première harmonique à la vitesse de rotation de la puissance maximale ( 81); est la longueur en mètres de la tubulure 12 (figure 4); F est la surface en m 2 de la section de la I tubulure 12; Yg est la partie active de la conductibilité totale des éléments poreux 8. Ceci permet de conférer à la conductibilité des orifices un caractère actif avec une valeur optimale déterminée par la formule ( 1) et d'élever sensiblement L'efficacité de l'atténuation des composantes de basses fréquences du bruit d'admission. On obtient un effet analogue pour les moteurs rapides si l'on réalise les orifices 7 ( 7 ') sans les obturer par les éléments poreux 8 et avec une surface totale (F 2) déterminée àl'aide de la formule suivante: F 2 = F 1 ( 0,01 à 0,08) ( 2) c o c est la vitesse du son, m/s. Les figures 6 à 10 représentent des spectro- grammes comparatifs illustrant l'effet positif obtenu aux différentes vitesses de rotation du moteur Les courbes continues (a) représentent sur ces figures les spectres du bruit produit par un système d'admission sans orifices 7 et 7 ' (figure 1), et les courbes en traits tiretés (b), ceux d'un système avec orifices On y constate la dimi- nution sensible du bruit jusqu'à 10 d B, obtenue à l'aide du filtre à air revendiqué. La figure 11 donne la caractéristique de vitesse extérieure du moteur muni d'un filtre à air sans orifices, représentée en trait continu (c), et celle d'un moteur muni d'un filtre à air avec des orifices, représentée en trait tireté (d) Aux vitesses élevées de rotation, on obtient une augmentation de la puissance de 2,2 k W. La figure 12 représente les spectrogrammes illus- trant la diminution du bruit émis par le chapeau vibrant 2 (figure 1) du filtre à air dans lequel sont pratiqués les orifices 7 ' (courbe en trait tireté e) La courbe en trait continu x représente le spectre du rayonnement du chapeau 2 sans orifices 7 ' L'effet positif obtenu à certaines fréquences est de 4 à 7 d B. Il s'ensuit que le filtre à air faisant l'objet de l'invention assure une diminution considérable du bruit à l'admission. R E V E N D I C A T I O N S 1. Filtre à air pour moteur à combustion interne, comportant un corps ( 1) pourvu d'orifices ( 7 et 7 '), réalisé sous forme d'un cylindre annulaire délimité à sa partie supérieure par un chapeau ( 2), et à sa partie inférieure, par un fond ( 3)tet à l'intérieur duquel, coaxialement audit corps, est disposé un élément filtrant ( 4), une ouverture d'admission ( 5) et une ouverture d'échappement ( 6) étant pratiquéesdans ledit corps ( 1) et dans ledit fond ( 3), respectivement, caractérisé en ce que les orifices ( 7 et 7 ') sont pratiqués au moins dans le chapeau ( 2) ou dans le fond ( 3) du corps ( 1) et sont disposés dans la zone (A) délimitée par deux plans disposés à une distance de + 0,1 R, o R est le rayon du corps ( 1), par rapport au plan passant par l'axe ( 9) du corps ( 1) perpendiculairement au plan reliant ledit axe ( 9) du corps ( 1) et le centre ( 10) de l'ouverture d'échappement ( 6). 2. Filtre à air pour moteur à combustion interne, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices ( 7 et 7 ') sont pratiqués à la fois dans le chapeau ( 2) et dans le fond ( 3). 3. Filtre à air pour moteur à combustion interne, selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les orifices ( 7 et 7 ') sont disposés à une distance de 0,58 R à 0, 68 R par rapport au centre géométrique ( 11) du corps ( 1) du filtre à air, o R est le rayon du corps ( 1) du filtre à air. 4. Filtre à air pour moteur à combustion interne, selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les orifices ( 7 et 7 ') sont obturés par des éléments poreux ( 8).