СИСТЕМА ВПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности, к устройствам систем впуска двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС) с элементами шумоглушения преимущественно для многоцилиндровых ДВС с впрыском топлива в цилиндры, которыми оборудуются колесные транспортные средства, в частности, - легковые автомобили.
Применение системы электронного впрыска топлива, вызывает необходимость введения в конструкцию ДВС устройств, позволяющих в значительной степени ослабить величину резонансных амплитуд пульсаций объемного (массового) расхода воздуха и, соответственно, снизить гидравлические сопротивления в тракте системы впуска, с целью улучшения наполнения цилиндров, повышения эффективной мощности и момента, улучшить экономические показатели ДВС. С другой стороны, подавление резонансных пульсаций газа во впускной системе ДВС благоприятно с точки зрения снижения звукового (шумового) излучения в окружающую среду, производимого как возбуждаемыми пульсациями вибрирующих стенок корпусных деталей элементов системы впуска (структурный, корпусной шум), так и впускным открытым срезом воздухозаборного патрубка воздухоочистителя, производящим излучение звука в открытую окружающую среду (аэродинамический шум).
В частности, например, в изобретении (патент РФ №1370287) для повышения эффективности снижения как газодинамического, так и корпусного шума впускной системы ДВС корпус воздухоочистителя выполнен в виде сферы с жесткими стенками, впускной трубопровод представляет из себя систему сообщающихся труб симметрично-разветвляющихся относительно центральной оси на четное число ветвей с
динамическими (открытыми пульсирующими и звукоизлучающими) срезами, расположенными в плоскости перпендикулярной центральной оси и проходящей через центр сферы, фильтрующий элемент выполнен в виде плоской кассеты (плоского панельного элемента воздухоочистителя). Недостатком указанной конструкции воздухоочистителя является загроможденность ветвями впускного трубопровода внутреннего полезного (для ослабления пульсаций и звука) объема полости воздухоочистителя (уменьшения объема), а также высокая материалоемкость конструкции воздухоочистителя, что приводит к ее удорожанию.
В известном изобретении (патент РФ №1132624) «Воздухоочиститель для двигателя внутреннего сгорания» корпус воздухоочистителя выполнен цилиндрической формы с входным воздухозаборным патрубком, ось которого расположена перпендикулярно оси воздушного объема корпуса, и выходным патрубком, расположенным соосно оси корпуса. Внутри полости корпуса воздухоочистителя установлен цилиндрический фильтрующий элемент. Недостатком указанной конструкции является близость плоскости динамического (возбуждающего пульсации и шум) выпускного среза воздухозаборного патрубка с встречной зоной поверхности фильтрующего элемента, направленность и локализация оси воздухозаборного патрубка перпендикулярно встречной поверхности стенки фильтрующего элемента, и, как следствие, уменьшенная эффективная площадь всасывания и неравномерное загрязнение (запыление) фильтрующего элемента, вызывающее в последствие повышенные газодинамические (гидравлические) сопротивления системы впуска ДВС, влекущие ухудшение мощностных и экономических показателей ДВС.
В известном изобретении (патент ЕПВ №0186754, F 02 M-35/14) «Воздушный фильтр с глушителем впуска для двигателя внутреннего сгорания», воздушный фильтр содержит кожух с впускным окном. В кожухе находится фильтрующий элемент, расположенный поперечно относительно канала, по которому проходит отфильтрованный (очищенный) воздух. Фильтрующий элемент снабжен перфорированной мембраной и
деформируемым запорно-регулирующим элементом клапана, пропускающим воздух только в направлении впускного коллектора и являющимся элементом глушения шума впуска. Недостатками указанной конструкции являются ее технологическая сложность, загроможденность внутреннего полезного объема полости воздухоочистителя (как расширительной шумозаглушающей камеры) и увеличенные газодинамические сопротивления, за счет применения запорных мембранных клапанов.
Французской фирмой "Пежо" в патенте Франции №2536792, публ. 22.06.84, заявляется использование сужающей проходное сечение впускной трубы дроссельной шайбы или диффузорной вставки для снижения шума впуска ДВС с непосредственным впрыском топлива. Используемая дроссельная шайба или диффузорная вставка для обеспечения требуемой акустической эффективности располагается в зоне экспериментально определенной пучности волны колебательной скорости пульсирующего газового потока определенной на некотором заданном конкретным скоростном режиме работы ДВС. Очевидным недостатком известного заявляемого устройства является очевидный рост гидравлических сопротивлений впускной системы вследствие заужения проходного сечения впускной трубы в зоне установки дроссельной шайбы и, как следствие - возможное существенное ухудшение мощностных, экономических и экологических (токсических) показателей ДВС. Также расположение дроссельной шайбы или диффузорной вставки в одно конкретное место впускной трассы позволяет эффективно воздействовать только на одну конкретную резонансную частоту пульсаций и шума, а так же на кратные ей нечетные гармоники, т.е. имеется в наличии ограниченное по эффективности шумозаглушающее воздействие известного устройства на отдельных скоростных режимах работы ДВС.
В качестве прототипа заявляемого технического решения в виде полезной модели рассмотрена конструкция ДВС, оборудованного низкошумной системой впуска, патент РФ №2209336, МПК7 F 02 M 35/12,
2003, содержащая, в частности, впускные трубы, ограниченные со стороны камеры сгорания впускными клапанами и сообщенные с полостью газосборного ресивера, которая через систему регулирования воздухоподачи (корпус дроссельной заслонки, расходомер) посредством промежуточного патрубка сообщена с полостью камеры воздухоочистителя, снабженного фильтрующим элементом и воздухозаборным патрубком со встроенным дополнительным шумозаглушающим устройством в виде тупикового 1/4 - волнового акустического резонатора. К очевидным недостаткам рассмотренной выше конструкции системы впуска ДВС с устройством глушения шума впуска следует отнести близость расположения плоскости динамического выпускного среза воздухозаборного патрубка к поверхностям боковых стенок корпуса воздухоочистителя и поверхности фильтрующего элемента, и, как следствие, уменьшение эффективной зоны всасывания воздуха и образуемое неравномерное загрязнение (запыление) поверхности фильтрующего элемента в процессе длительной эксплуатации, например, транспортного средства (легкового автомобиля) эксплуатируемого в условиях повышенной запыленности воздушной среды, с соответствующим ростом газодинамических сопротивлений впускного тракта, ухудшение наполнения цилиндров и снижение мощностных, экономических и экологических характеристик ДВС и транспортного средства в целом, оборудованного данным ДВС.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является устранение указанных конструктивных и эксплутационных недостатков, а также обеспечение дополнительного снижения уровня шума, излучаемого системой впуска ДВС.
Указанный технический результат при осуществлении заявляемой полезной модели достигается тем, что в известном техническом решении по патенту РФ №2209336 (прототипу), включающем систему впуска ДВС, преимущественно с впрыском топлива в цилиндры, содержащей, в частности, воздухоочиститель, внутри которого установлен фильтрующий
элемент панельного типа, причем воздухозаборный патрубок воздухоочистителя снабжен средством для подавления шума впуска и частично размещен внутри полости неочищенного воздуха воздухоочистителя, полость очищенного воздуха которого, посредством трубопровода, снабженного средствами регулирования воздухоподачи, подключена к газосборному ресиверу, ось участка воздухозаборного патрубка, размещенного в полости неочищенного воздуха, расположена параллельно плоскости Y-Y расположенной касательно к линиям перегибов фильтрующего материала фильтрующего элемента воздухоочистителя, а выпускной срез имеет форму овала, обращенного в сторону плоскости Y-Y и образованного сечением участка воздухозаборного патрубка плоскостью Х-Х, пересекающей ось участка воздухозаборного патрубка под углом 35...55 градусов к плоскости Y-Y.
При таком конструктивном исполнении технический результат достигается путем целенаправленного изменения (рационализации элементов) пространственного местоположения выпускного среза воздухозаборного патрубка в полости камеры корпуса воздухоочистителя.
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". Более того, промышленное изготовление полезной модели возможно на стандартном оборудовании, с применением известных технологий и широко распространенных в автомобилестроении материалов.
Другие особенности и преимущества заявляемой полезной модели станут понятны из следующего детального описания, приведенного
исключительно в форме не ограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие предпочтительный вариант реализации, а также сравнительные результаты экспериментов систем, которые показаны на чертежах.
На фиг.1 показана обобщающая схема системы впуска ДВС.
На фиг.2 показана схема сопоставляемого по эффективности варианта системы впуска ДВС, содержащей конструкцию воздухозаборного патрубка с прямым выпускным срезом.
На фиг.3 показана схема заявляемой системы впуска ДВС, содержащей конструкцию воздухозаборного патрубка с овальным (косообразным) выпускным срезом.
На фиг.4 и фиг.5 иллюстрируется акустическая эффективность заявляемого технического решения в виде графиков аппаратурно-замеренных, при работающем с полной нагрузкой ДВС (полностью открыта дроссельная заслонка системы впуска ДВС), общих уровней шума как функции оборотов коленчатого вала ДВС и 1/3 - октавный спектр уровней шума впуска, замеренных на расстоянии 0.06 м от открытого впускного среза воздухозаборного патрубка воздухоочистителя в полностью заглушенном акустическом моторном боксе в сравнении с сопоставляемым вариантом конструкции воздухозаборного патрубка с прямым выпускным срезом.
Система впуска ДВС (фиг.1) в частности содержит газосборный ресивер 1, содержащий впускные трубы 2, ограниченные со стороны камеры сгорания впускными клапанами 3, соединенный промежуточным патрубком 4 через систему регулирования воздухоподачи 5 (корпус дроссельной заслонки, расходомер) с корпусом воздухоочистителя 6, в полости которого установлен фильтрующий элемент панельного типа 7, имеющий вид параллелепипеда и содержащий фильтрующий материал, согнутый в виде гофрированной ленты с линиями перегибов, уплотнитель и каркас в виде сетки, расположенной по всей поверхности одной из больших граней параллелепипеда между уплотнителем и перегибами фильтрующего
материала. Корпус воздухоочистителя снабжен воздухозаборным патрубком 8, частично заходящим в полость корпуса воздухоочистителя, при этом ось этой части патрубка параллельна плоскости поверхности касательной к линиям перегибов фильтрующего материала фильтрующего элемента. Воздухозаборный патрубок 8 снабжен открытым впускным срезом 9 и внутренним выпускным овальным (косообразным) срезом 10. Воздухоочиститель содержит также дополнительное шумозаглушающее средство в виде тупикового 1/4 - волнового акустического резонатора 11, встроенного в полость воздухозаборного патрубка. Выпускной овальный (косообразный) срез воздухозаборного патрубка, находящийся в полости камеры воздухоочистителя, ориентирован в направлении фильтрующего элемента, а плоскость его проходного сечения Х-Х расположена под углом 35°...55° к плоскости поверхности касательной к линиям перегибов фильтрующего материала фильтрующего элемента Y-Y.
Работает предлагаемая система впуска ДВС обычным образом. Периодическое открытие впускного клапана (клапанов) в одном из цилиндров ДВС вызывает соответствующий пульсирующий перепад давления газа в камере цилиндров по отношению к давлению окружающей среды с соответствующим генерированием и распространением по тракту системы впуска, соответствующих скоростному и нагрузочному режиму, пульсаций воздуха и «упругих» звуковых волн до и после клапана. Пульсации воздуха и образуемые «упругие» волны «разрежения-сжатия» воздушной среды (среды их распространения), в трассе системы впуска, со скоростью звука распространяются по направлению от впускного клапана системы впуска ДВС к открытому срезу воздухозаборного патрубка воздухоочистителя и далее - излучаются в атмосферу (окружающую среду) в виде звуковых волн (аэродинамического шума впуска). Применение овального (косообразного) выходного среза воздухозаборного патрубка, выполненного соответствующим образом (срез ориентирован в направлении фильтрующего элемента, а плоскость среза расположена под углом 35°...55° к плоскости поверхности касательной к линиям перегибов
-1
-1
фильтрующего материала фильтрующего элемента), расположенного в полости камеры корпуса воздухоочистителя, достаточно эффективно снижает интенсивность звукового излучения, производимого его открытым впускным срезом в окружающую среду, во-первых, вследствие более слабого возбуждения низших собственных мод воздушной полости объема камеры воздухоочистителя и, соответственно, уменьшению уровней резонансного усиления звукового излучения, генерируемого отдельными составными элементами системы впуска. Во-вторых, овальная (косообразная) геометрия выпускного среза воздухозаборного патрубка позволяет в определенной степени уменьшить вихреобразную турбулизацию засасываемого ДВС воздушного заряда в сравнении с сопоставляемым вариантом прямого выпускного среза воздухозаборного патрубка воздухоочистителя и, таким образом, ослабить образование высокочастотного звукового излучения системой впуска ДВС, что подтверждается экспериментальными результатами, приведенными на фиг.4 и 5. Как видно из фиг.4 и 5, общие уровни газодинамического шума впуска в диапазоне оборотов коленчатого вала 2800...4200 мин снижаются до 1.3 дБА, а в диапазоне оборотов 4700...5000 мин - до 2.1 дБА, что обусловлено, в основном, уменьшением уровней звука как в области низких (125...200 Гц) - до 3.3 дБ, так и высоких (1600...4000 Гц) частот 1/3 октавного спектра - до 3.7 дБ, которые оказывают существенное влияние на общий уровень шума впуска ввиду доминирующих значений уровней звука данных спектральных составляющих в спектрах излучаемого аэродинамического шума системы впуска ДВС. Ориентация овального (косообразного) выпускного среза воздухозаборного патрубка в направлении встречной поверхности фильтрующего элемента панельного типа снижает также и газодинамические сопротивления, увеличивает площадь поверхности эффективного всасывания вследствие реализации процесса более равномерного загрязнения фильтрующего элемента по всей его поверхности в течение длительного периода эксплуатации транспортного средства.
Практическая реализация полезной модели отличается технологической простотой, высокой надежностью и эффективностью подавления излучаемого газодинамического шума впуска с обеспечением низкошумного излучения ДВС транспортного средства, уменьшенного гидравлического сопротивления и сохранение высоких мощностных и экономических показателей ДВС в длительных процессах эксплуатации транспортных средств, в особенности, в условиях высокой запыленности воздушной среды.