Brevet FR2549901A1 — publié le 19850201

La présente invention concerne le domaine de la construction des moteurs et a notamment pour objet un filtre à air pour moteur à combustion interne. L'invention peut être appliquée, de préférence, dans es systèmes d'admission de tous les moteurs à essence de moyens de transport tels que: véhicules automobiles, navires, locomotives, etc ainsi que des installations fixes,par exemple: générateurs, compresseurs, etc dans les cas o on a besoin de réduire le bruit émis dans le milieu environ10 nant. Dans un moteur à essence, une différence de pression se forme au temps d'admission entre le creux du cylindre et l'atmosphère, elle est appliquée à la colonne d'air renfermée dans la tubulure d'admission. Cette différence fait naître des oscillations de la colonne de gaz, qui engendrent, à leur tour, des résonances dans le système d'admission, en contribuant, par cela même, à l'intensification de l'émission de bruit dans le milieu environnant. On connaît un filtre à air (cf brevet français n 2412713, 1978, F 02 M 35/024) mis au point par la société FIITERWERK MANN & HUMMEL, qui,de même que la grande majorité des dispositifs analogues, comporte un corps cylindrique ayant un fond et un couvercle, une cartouche filtrante, une tubulure d'entrée 25 montée dans le corps cylindrique perpendiculairement à l'axe du corps, et une tubulure de sortie montée dans le couvercle coaxialement audit corps L'air aspiré pénètre par la tubulure d'entrée à l'intérieur de ce corps, passe à travers la cartouche, y est purifié et arrive ensuite par la tubulure de 30 sortie dans le carburateur. A l'heure actuelle, dans de nombreux pays, notamment dans les pays capitalistes les plus développés,des mesures sévères ont été prises pour limiter le niveau de bruit émis par les véhicules automobiles. La conception connue décrite du filtre à air ne satisfait pas à ces prescriptionsdu fait que le filtre à air n'est pas conçu pour abaisser efficacement le niveau du bruit à l'admission dans le moteur. On connaît des filtres à air-pour moteurs à combution interne(brevet français n 2067582, 1969, F 02 M 35/00), par exemple celui de la société dite "SOCIETE DES AUTOMOBILES SIMCA, ainsi que ceux utilisés sur des véhicules automobiles CITROEN "VISA",;'PEUGEOT 505 ", qui comportent un corps cylindrique avec un fond, pourvu d'une tubulure d'entrée dont l'axe est perpendiculaire à l'axe dudit corps, un couvercle 10 d'extrémité pourvu d'une tubulure de sortie disposée coaxialement audit corps cylindrique, une chambre de résonance exécutée sous forme d'un cylindre pourvu d'un couvercle d'extrémité inférieur et disposé coaxialement audit corps de manière que le fond du corps cylindrique constitue en même 15 temps le couvercle d'extrémité supérieur de la chambre de résonance, ledit corps cylindrique étant mis en communication avec la chambre de résonance à l'aide d'une tubulure incorporée dans le fond du corps cylindrique. Ces filtres à air pourvus d'une chambre de résonance permettent d'abaisser le niveau de bruit dans une plage étroite de fréquencesquand le moteur fonctionne en pleine charge. La disposition non optimale des tranches des tubulures d'entrée et de sortie d'air à l'intérieur du corps cylindrique par rapport à sa surface latérale et à son fond influe défavo25 rablement sur le niveau des composantes dans le spectre de bruit correspondant aux fréquences propres des résonances des oscillations longitudinales et transversales du volume d'air de la chambre du filtre à air. On s'est donc proposé de mettre au point un filtre à air 30 pour moteur à combustion interne dont la construction permettrait d'abaisser le niveau du bruit à l'admission en diminuant les niveaux des composantes dans le spectre du bruit, correspondant aux fréquences de résonance des formes longitudinales et transversales des oscillations du volume d'air 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 cylindrique dont le fond est pourvu d'une tubulure d'entrée dont l'axe est perpendiculaire à l'axe du corps cylindrique, un couvercle d'extrémité pourvu d'une tubulure de sortie disposée coaxialement audit corps cylindrique, et une cartouche filtrante, caractérisé,selon l'invention, en ce que l'axe de la tubulure d'entrée est situéSpar rapport au fond 10 du corps cylindrique, à une distance égale à ( 0,1-0,3) Lo L est la hauteur du corps cylindrique, et la tranche de la tubulure de sortie logée à l'intérieur du corps cylindrique est disposée au voisinage-immédiat du plan passant par le milieu du corps cylindrique perpendiculairement à son axe 15 et décalée le long de l'axe du corps cylindrique vers le couvercle d'extrémité d'une valeur ( 0,2-0,4) d, o d est le diamètre intérieur de la tubulure de sortie. Il est avantageux que la tranche de la tubulure d'entrée logée à l'intérieur du corps cylindrique soit située à une 20 distance de l'axe du corps cylindrique égale à ( 0,58-0,68) R, o R est le rayon intérieur du corps cylindrique. En disposant ainsi les extrémités des tubulures à l'intérieur du corps cylindrique du filtre à air, on a réussi à abaisser sensiblement le niveau du son émis par 25 le système d'admission aux basses fréquences propres des oscillations longitudinales et transversales du volume d'air dans la chambre du filtre à air. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la 30 lumière de la description explicative qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif avec références aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente d'une manière schématique une vue de côté d'un filtre à air de moteur à combustion interne conçu selon l'invention; la figure 2 représente les épures de répartition des pressions dans le corps du filtre à air aux basses fréquences propres des oscillations longitudinales et transversales, selon l'invention; la figure 3 représente une épure des vitesses de sortie du courant pulsatoire dans la tubulure d'entrée, selon l'invention. Le filtre à air pour moteur à combustion interne (figure 10 1), conforme à l'invention, comporte un corps cylindrique 1 dans la surface latérale duquel est montée une tubulure d'entrée 2, un couvercle d'extrémité 3 dans lequel est disposée une tubulure de sortie 4 coaxialement au corps 1, et une cartouche filtrante 5 A son extrémité inférieure, le corps cy15 lindrique 1 comporte un fond 6. La distance entre l'axe de la tubulure d'entrée 2 et le fond 6 du corps cylindrique 1 est égale à ( 0,1-O,3) L, o L est la hauteur du corps 1, tandis que la distance entre la tranche de la tubulure d'entrée 2, logée à l'inté20 rieur du corps 1, et l'axe du corps 1 est de ( O 058-0,68) R, o R est le rayon intérieur du corps 1, la tranche de la tubulure de sortie 4 logée à l'intérieur du corps 1 étant disposée au voisinage immédiat du plan passant par le milieu du corps 1 perpendiculairement à son axe, plus précisément 25 à une distance ( 0,2-0,4) d, o d est le diamètre intérieur de la tubulure de sortie 4. Le filtre à air pour moteur à combustion interne illustré sur la figure 1 fonctionne de la manière suivante. Au moment de l'ouverture et de la fermeture des soupapes 30 d'admission du moteur à combustion interne (non représenté) et au cours même de la variation des volumes des cylindres du moteur, une composante variable de la consommation volumique d'air apparaît qui provoque "un balancement" des volumes d'air renfermés dans les différents éléments des tubes, ainsi que 35 dans les autres volumes du système d'admission du moteur à combustion interne Les volumes d'air renfermés dans les différents éléments du système possèdent des caractéristiques fréquentielles déterminées, c'est-à-dire des fréquences d'oscillations propres qui forment aussi l'éner5 gie du son conformément à leurs caractéristiques fréquentielles et déterminent, en définitive, l'intensité du son émis directement par la tubulure d'entrée 2 (figure 1). Le volume de la colonne d'air renfermée dans le corps cylindrique 1 peut être considéré comme une masse répartie 10 suivant le volume et ayant des caractéristiques d'élasticité, d'inertie et de dispersion L'excitation de cette masse se produit à travers la tubulure de sortie 4. Sous l'action de ladite excitation, le volume d'air remplissant le corps cylindrique 1 commence à osciller à ses fréquences propres, ce qui intensifie l'oscillation de la colonne d'air renfermée dans la tubulure d'entrée 2 à ces fréquences et augmente l'intensité de l'émission du son produit par la tubulure dentrée 2 dans le milieu environnant Comme il ressort des essais réalisés, le son le plus 20 fort issu du corps 1 du filtre à air et transmis à la tubulure d'entrée 2 et ensuite à l'atmosphère ne peut pas être émis qu'en régime de résonance, quand des oscillations longitudinales et transversales intenses de la colonne d'air renfermée dans le corps 1 sont engendrées à leurs fréquences 25 propres La répartition des pressions acoustiques (forme des oscillations) pendant les oscillations longitudinales et transversales de la colonne d'air pour différentes fréquences propres est représentée sur la figure 2. Pour etouffer le son émis par ces oscillations de réson30 nance, il suffit de disposer la tubulure d'entrée 2 et la tubulure de sortie 4 dans le corps 1 du filtre à air de manière que les tranches des tubulures 2 et 4 soient logées dans les zones o les pressions acoustiques sont nulles ou suffisamment voisines de cette valeur. Dans ce cas, même une intensification du son provoquée par la résonance ne produit aucune émission d'énergie acoustique La disposition des tranches des tubulures 2 et 4 est illustrée graphiquement sur la figure 2 On a choisi cette disposition des tubulures 2 et 4 (c'est-à-dire leur disposition à la fois dans les plans longitudinal et transversal du corps 1) en prenant en considération seulement les conditions de l'étouffement des formes paires et impaires des oscillations De ce fait, si l'on dispose la tubulure d'entrée 2 dans les noeuds des formes paires longitudinales et transversales, il est nécessaire, pour prévenir l'émission du son par la tubulure 2 (figure 1) aux formes impaires des oscillations, de disposer la tranche de la tubulure de sortie 15 4 au point des noeuds (zéro) des formes impaires des oscillations On peut obtenir un effet analogue en disposant la tranche de la tubulure de sortie 4 dans les noeuds des formes paires des oscillations; dans ce cas, il faut que la tranche de la tubulure d'entrée 2 soit disposée dans les noeuds des formes impaires des oscillations Il s'ensuit qu'en disposant les extrémités des tubulures 2 et 4 dans les noeuds des formes paires et impaires des oscillations du volume d'air dans le corps 1 du filtre à air, on supprime la transmission au milieu environnant du son dû à la résonance 25 Par voie de calcul et expérimentale, on a étudié la répartition des champs des pressions dans le corps 1 du filtre à air (figure 2) et on a établi que les zones des noeuds se situent suivant une circonférence dont le centre se trouve au centre géométrique du corps 1 du filtre à air 30 et ayant un rayon r = O,63 R, o R est le rayon intérieur de la circonférence du fond 6 du corps 1 du filtre à air. La répartition des champs des pressions dans le corps 1 du filtre à air pour cette forme d'oscillations se répartissent suivant la fonction de Bessel du premier ordre: P o ( 3,38 r Dans ce cas, les valeurs nulles des pressionsy= O sont obtenues pour les valeurs r = 0,63 R (autrement dit, les lignes des noeuds se forment lorsque r est égal à 0,63 R). Comme il ressort de la figure 2, des valeu-rs suffisamment faibles des pressions sont conser Jvées lorsque r est égal à ( 0,58-0,68)R Ainsi, on peut prendre en considération et compenser une certaine distorsion de l'épure 10 de pression de la disposition non symétrique de l'orifice de la tranche de la tubulure d'entrée 2. Il convient de noter qu'il faut prendre en considération le fait que ce sont les tranches efficaces qui doivent être disposées aux points des noeuds et non les extré15 mités réelles des tranches des tubulures 2 et 4, autrement dit, il est nécessaire de tenir compte de l'allongement réel des tubulures résultant de l'influence du champ hydrodynamique voisin de l'extrémité de la tubulure 2 et 4 (figure 3) correspondante. On sait que le centre de gravité de l'épure des vitesses de sortie du courant pulsatoire dans l'espace infini se trouve à une distance d = 0,3 d, o d est le diamètre de la tubulure à travers laquelle est transporté le courant De ce fait, si le plan des noeuds se tro-uve à la distance O,3 d 25 de la tranche de la tubulure, cette forme d'oscillations n'est pas engendrée. La figure 3 représente une tubulure de sortie 4 à travers laquelle est transporté un courant d'air à la vitesse V Le courant d'air débouchant de la tubulure 4 s'écoule à 30 la vitesse maximale près de la tranche de la tubulure de sortie 4. En fonction des différents rapports des diamètres intérieurs des tubulures 2, 4 et du diamètre intérieur du corps cylindrique 1 dans lequel sont logées les tubulures 2 et 4, ainsi que des différentes formes des parois d'extrémité, donc du fond 6 et du couvercle 3, la valeur J' peut varier à la suite de l'évasement des bords des tranches, Pour les dimensions et les rapports appliqués en pratique, 5 la valeur se trouve dans la plage ( 0,2-0,4)d, o d est le diamètre intérieur de la tubulure 2 et 4 correspondante. Il s'ensuit que la conception revendiquée est réversible, autrement dit, la tubulure d'entrée 2 peut faire fonction de tubulure de sortie 4 si la tubulure de sortie 4 fait office de tubulure d'entrée 2 Un-tel changement des fonctions des tubulures ne se répercute pas sur les indices de réductions des bruits du filtre à air Ainsi, on a atteint l'objectif visé par l'invention, qui consiste à baisser le niveau du bruit à l'admission en baissant les composantes dans le spectre du bruit correspondant aux fréquences de résonance des modes longitudinaux et transversaux des oscillations du volume d'air du corps du filtre à air. R E V E N DI C A T I ON S 1 Filtre à air pour moteur à combustion interne, du type comportant un corps cylindrique ( 1) ayant un fond ( 6) pourvu d'une tubulure d'entrée ( 2) dont l'axe est perpendiculaire à l'axe du corps cylindrique ( 1), un couvercle d'extrémité ( 3) pourvu d'une tubulure de sortie ( 4) disposée coaxialement au corps cylindrique ( 1), et une cartouche filtrante ( 5), caractérisé en ce que la distance entre l'axe de la tubulure d'entrée ( 2) et le fond ( 6) du corps cylindrique ( 1) est de 0,1 à 0,3 L/o L est la hauteur du corps cylin10 drique ( 1), tandis que la tranche de la tubulure de sortie ( 4) disposée à l'intérieur du corps cylindrique ( 1) se trouve au voisinage immédiat du plan passant par le milieu du corps cylindrique ( 1), perpendiculairement à son axe, et est décalée, le long de l'axe du corps cylindrique ( 1) et vers le 15 couvercle d'extrémité ( 3), d'une valeur ( 0,2 à 0,4)do d est le diamètre intérieur de la tubulure de sortie ( 4). 2 Filtre à air selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance entre la tranche de la tubulure d'entrée ( 2) logée à l'intérieur du corps cylindrique ( 1) et l'axe 20 du corps cylindrique ( 1) est de 0,58 à 0,68 Ro R est le rayon intérieur du corps cylindrique.