ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛЬ СИСТЕМЫ ВПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ICE INTAKE SYSTEM AIR CLEANER

Изобретение относится к машиностроению, в частности к транспортному машиностроению, преимущественно к автомобилям высокого класса, использующим акустические колебания для информирования водителя о режиме работы двигателя внутреннего сгорания (далее ДВС). Заявляемым изобретением решаются возможные пути генерации такого звука за счет использования в системе впуска ДВС воздухоочистителя, в конструкции которого предусмотрены средства, обеспечивающие создание спортивного информационного звука в кабину водителя (пассажирское помещение) автотранспортного средства (далее АТС), улучшающие возможности непрерывного акустического мониторинга водителем режима работы ДВС.
Кроме проблемы негативного влияния высоких уровней шума на здоровье человека, обнаружено также существенное влияние тональности и динамики звука как на адекватное восприятие АТС в потоке движения, так и на безопасность вождения АТС. Покупатели, как правило, хотят видеть АТС, характер шума которых соответствует типу АТС и их восприятию его. Для многих клиентов „акустический имидж" и комфорт шума представляет принимаемый всерьез мотив покупки. Удовольствие от езды должно повышаться в будущем развитием внутреннего шума АТС со специфическим, неповторимым характером звука, типичным для выбираемой марки АТС, удовлетворяющим личным ожиданиям клиентов.
С 90-ых годов западноевропейская автомобильная промышленность активно занимается поиском различных методов и технических возможностей для оформления характера звука АТС. И если в 90-х такие работы проводились больше в рамках доводочных работ на завершающей стадии доводки серийного АТС, то в 2000-ые такой подход оказывается уже недостаточным в связи с резким сокращением времени постановки на производство новых моделей. Все более короткие периоды доводки с небольшим количеством прототипов при возрастающем использовании техник имитации требуют настоятельно последовательного переноса акустического проектирования в раннюю фазу процесса проектирования АТС.
В последние годы достигнут большой прогресс как в снижении внешнего, так и внутреннего шума АТС. Достаточно сказать, что нормативные требования к внешнему шуму АТС ужесточились в Европе за 15 лет в 10 раз с 84 дБ (А) (1980) до 74 дБ (А) (1995). Однако, все более тихие АТС могут быть потенциально опасными, если они не воспринимаются адекватно. Это типично, в частности, для «тихих» электрических транспортных средств (электромобилей) и например, для АТС, работающего на водородном топливе. Поэтому внешний шум, в частности, не должен быть очень низким и должен обеспечивать функцию оповещения пешеходов
В отношении внутреннего пространства пассажиры ожидают возможно более тихого и приятного шума от высококачественных, комфортабельных АТС. При этом уровень звука должен был подниматься пропорционально числу оборотов ДВС, он должен быть свободен от резонансов, без тональных составляющих. Свободные от стресса поездки по автобану с возможностью безмятежной беседы в салоне (кабине водителя) - это неотъемлемые комфортные права клиентов. С другой стороны шум ДВС содержит сведения, которые принимаются водителем скорее неосознанно, обрабатываются и поддерживают его при движении АТС (подсознательная, поступающая от звукового сигнала информация о числе оборотов ДВС, о его ускорении и нагрузке). Поэтому слишком сильное уменьшение шума в кабине водителя (пассажирском помещении), принимая во внимание его информационную ценность, оказывается уже нерациональным. При «полной тишине» в кабине водитель не получает информации о работе ДВС, ни о его скоростном режиме, ни об ускорении. Зрительная информация о приближении к впереди идущему АТС поступает слишком поздно и зачастую уже не может предотвратить наезда.
Многочисленные попытки создать звуковую информацию о работе ДВС при помощи «искусственного звука», сила и спектр которого зависел бы от режима работы ДВС при помощи акустических динамиков, устанавливаемых в салоне и управляемых сложными вычислительными комплексами, были предприняты ведущими автомобильными фирмами Европы в 90-е годы. Они не увенчались успехом, т.к. и водитель и пассажиры воспринимали синтезированный звук как искусственный и психологически не воспринимали его как сигнал от ДВС, требующий мгновенной и незамедлительной реакции. Так как именно АТС высокого класса имеют низкие уровни звуковых колебаний во внутреннем пассажирском пространстве, для водителя часто относительно трудно воспринимать текущую нагрузку установленного на транспортном средстве ДВС только на основе передающегося в пассажирское пространство шума ДВС. Поэтому актуальным является повышения слышимости и информативности звуков ДВС в пассажирском пространстве при сохранении низких комфортных общих уровней шума, соответствующих классу АТС.
Решение этой проблемы потребовало «доставки» естественных звуковых и вибрационных сигналов идущих непосредственно от ДВС и его систем. Одним из перспективных направлений, широко исследуемых на Западе, является дозированная передача в кабину водителя (пассажирское помещение) корректированных сигналов от газодинамических систем по искусственным акустическим и механическим каналам.
Из патентных источников информации, например, заявки DE 102007007946 (A1), МПК F01N 1/06, F01N 13/04, опубликованной 04.092008; заявки US 2007029133 (A1), МПК F01N 13/04, F01N 1/02, F01N 1/06, опубликованной 08.022009 известны устройства для оформления шума АТС регулирующие звук, излучаемый системой выпуска отработавших газов в окружающее пространство, таким образом, чтобы выделить (усилить) шум отдельных основных гармоник и субгармоник для создания спортивного имиджа АТС (спортивного звука). Звук, передающийся в салон АТС, одновременно доносит водителю и подсознательную информацию о режиме работы ДВС и его оборотах, что согласно работе (Bernd Fuchmann, Patrik Garcia, „Grundsatzuntersuchungen zum Sportsound durch Abgaskrummer- und Vorrohranpassung", MTZ Motortechnische Teitschrift 62 (2001), 5, pp 356-366) благоприятно сказывается и на безопасности АТС на дороге.
Из патента США US6644436 (B2), МПК B60K 13/02 (+6), опубликованного 31.10.2002, известно устройство, использующее передачу шумового сигнала генерируемого системой впуска ДВС непосредственно в кабину водителя (пассажирское помещение) АТС по воздуховодным патрубкам (трубкам), содержащим разделительные мембраны и пустотелые объемы для их размещения и закрепления, включая элементы акустического регулирования силы и спектра звука, передаваемого в кабину водителя (пассажирское помещение). Недостатком рассмотренной конструкции, особенно для ДВС оборудованных устройством турбонаддува, в первую очередь следует отнести наличие переменных (медленно изменяющихся) статических давлений в системе впуска ДВС, зависящих от скорости и нагрузочного режима работы ДВС; переменные статические силы, действующие на разделительные мембраны, изменяющие их динамические жесткостные характеристики из-за их нелинейных жесткостных характеристик и нарушающие в связи с этим стабильность характеристик передачи звука в кабину водителя (пассажирское помещение) АТС (стабильность передаточных функций системы). Другим существенным недостатком указанного технического устройства, является потенциальная возможность попадания в зону засасываемого очищенного воздуха систем впуска ДВС посторонних предметов (твердых абразивных частиц пыли и т.п.) при разгерметизации устройства или его механическом разрушении.
В качестве пустотелого объема для установки мембран может быть использована внутренняя полость воздухоочистителя с присоединенными входным и выходным патрубками. В этой связи можно отметить наличие значительного количества патентов и патентных заявок, в которых описаны системы впуска ДВС, структурные элементы которых включают отдельные мембранные устройства или мембранные блоки. В частности это:
- EP 2138700 (A1), МПК F02M 35/12 (+5), дата публикации 30.12.2009,
- JP 2010209778 (1), МПК F02M 35/12 (+1), дата публикации 24.09.2010,
- EP 2019197 (A2), МПК F02M 35/12 (+2), дата публикации 28.01.2009,
- EP 1865187 (A2), МПК F02M 35/12, дата публикации 12.12.2007,
- US 2003/0024513 (A1), МПК F02B 23/00, дата публикации 06.02.2003,
- EP 1865186 (A2), МПК F02M 35/12 (+5), дата публикации 12.12.2007.
Особый интерес представляет устройство воздухоочистителя ДВС, подробно описанное в заявке на патент US 2002/0124734 (A1), МПК В01D 46/00, дата публикации 12.09.2002, патент № US 6551389, которое является ближайшим к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату, в связи с чем выбрано в качестве прототипа. Воздухоочиститель ДВС (далее при описании конструкции прототипа частично использованы термины дословного перевода с английского языка) автомобиля предназначен для передачи звука в пассажирское купе или кабину водителя, для сообщения водителю операционного состояния ДВС. Воздухоочиститель содержит фильтрующий элемент установленный в корпусе, на стенках которого смонтированы входной и выходной патрубки, для подвода внутрь полости корпуса неочищенного и отвода из корпуса очищенного воздуха, а так же смонтированную на стенке корпуса по крайней мере одну мембрану. Мембрана выполнена из звукопроницаемого материала, причем ее звукопроницаемость гораздо выше, чем стенка корпуса. Форма и расположение (позиционирование) мембраны должны соответствовать достигаемому желаемому возбуждению и распределению звука. Формула изобретения прототипа включает два независимых варианта его конструктивного исполнения. В первом варианте (п.п.1…3 формулы) мембранная часть для достижения большей звукопроницаемости по сравнению со стенкой корпуса имеет утолщенную круглую центральную часть (область) и периферийную холмистую (волнистую) часть. Во втором варианте (п.п.4…6 формулы) упомянутая мембрана встроена в отверстие, выполненное в стенке корпуса и смонтирована на образованных при этом торцах, на которых имеются области присоединения мембраны, для взаимосвязи ее со стенкой корпуса. В описательной части прототипа сделана ссылка на то, что в зависимости от требований к качеству желаемого звука, возможно использование нескольких угловых или овальных мембран, по разному формирующих звук. И наконец, стенки корпуса могут быть выполнены из укрепленного тальком полипропилена, а мембраны из термопластичного эластомера. Оба этих элемента выполняются методом термоформования.
В патенте не оговорены характеристики мембран, необходимые ни для создания акустического комфорта в кабине водителя (пассажирском помещении) ни для обеспечения информационной ценности сигналов акустически генерируемых мембранами. Однако именно их акустические характеристики оказываются решающими для достижения поставленных целей. Так, очень акустически прозрачные мембраны интенсивно пропускают высокочастотный звук и значительно усиливают шум в кабине водителя (пассажирском помещении), делая его очень неприятным. Слишком жесткие мембраны в недостаточной степени передают именно полезные сигналы. Таким образом механические характеристики отдельных мембран и их соотношение являются решающим фактором в обеспечении создания полезного информативного звука в кабине водителя (пассажирском помещении) АТС.
Технический результат достигаемый предлагаемым изобретением заключается в повышении качества оформления комфортного шума в кабине водителя (пассажирском помещении) АТС.
1
2
3
m
c
Сущность технического решения заключается в реализации совокупности существенных признаков, представленных в независимом пункте формулы изобретения, и достигается тем, что в известном устройстве воздухоочистителя системы впуска ДВС, которое содержит, по крайней мере, следующие составные элементы; корпус, крышку, впускной и выпускной патрубки и не менее двух упруго встроенных, по крайней мере в один из составных элементов подвижных воздухонепродуваемых мембран, выполненных в виде плоских частей подвижных воздухонепродувемых мембран, связанных с составным элементом воздухоочистителя упругими пружинными, например, резиновыми элементами, а так же фильтрующий элемент, собственные частоты колебаний подвижных воздухонепродуваемых мембран образуют возрастающую последовательность частот (f, f, f…f), в которой каждая последующая большая частота отличается от предыдущей меньшей не более, чем на половину октавы, группирующуюся вокруг центральной частоты настройки (f).
B/m
c
Собственные частоты колебаний подвижных воздухонепродуваемых мембран образуют геометрическую прогрессию со знаменателем «q», не превышающим q=2, где m - число подвижных воздухонепродуваемых мембран, и группируются вокруг центральной частоты f настройки в соответствии с формулами
где:
n - порядковый номер подвижной воздухонепродуваемой мембраны,
1
f (Гц) - низшая собственная частота, определяемая по формуле (2)
B - ширина полосы усиления звука в октавах.
Упругие пружинные элементы подвижных воздухонепродуваемых мембран задемпфированы таким образом, чтобы угол потерь (Fi) в их упругих пружинных элементах составлял
По крайней мере одна подвижная воздухонепродуваемая мембрана может быть упруго встроена в крышку, и по крайней мере одна подвижная воздухонепродуваемая мембрана может быть упруго встроена в корпус.
По крайней мере одна подвижная воздухонепродуваемая мембрана упруго встроена в впускной или выпускной патрубок, на расстоянии L от точки его подсоединения к воздухоочистителю, не большем, чем
где:
2
F - площадь поперечного сечения впускного/выпускного патрубков (м)
3
V - объем камеры воздухоочистителя (м)
c - скорость звука в воздухе (м/с)
c
c
-1
w=2π·f - круговая частота колебаний на частоте f (с).
Сравнение и анализ 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».
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что заявляемое устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.
Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Другие особенности и преимущества заявляемого изобретения станут понятны из чертежей и следующего детального описания заявляемого устройства, где:
На фиг.1 схематично показано размещение заявляемого воздухоочистителя в моторном отсека АТС (автомобиля) и подключение его к ДВС;
На фиг.2 показан один из конструктивно возможных вариантов крепления подвижной воздухонепродуваемой перегородки, на структурном элементе (крышке, корпусе) воздухоочистителя;
На фиг.3 показана схема одного из конструктивных вариантов заявляемого воздухоочистителя, в крышке и корпусе которого смонтированы подвижные воздухонепродуваемые мембраны;
На фиг.4 показана еще одна схема возможного конструктивного исполнения заявляемого воздухоочистителя, в крышке, корпусе, впускном и выпускном патрубке которого смонтированы подвижные воздухонепродуваемые мембраны;
На фиг.5 представлены графики сравнения колебательных объемных расходов, передаваемых через мембранный блок и через впускной патрубок.
Позициями на чертежах показаны:
1 - корпус воздухоочистителя;
2 - крышка корпуса воздухоочистителя;
3 - впускной патрубок;
4 - выпускной патрубок;
5 - подвижная воздухонепродуваемая мембрана упруго установленная на боковой стенке корпуса 1 (в полости неочищенного воздуха);
6 - подвижная воздухонепродуваемая мембрана упруго установленная на боковой стенке корпуса 1 (в полости очищенного воздуха);
7 - подвижная воздухонепродуваемая мембрана упруго установленная в крышке корпуса воздухоочистителя;
8 - подвижная воздухонепродуваемая мембрана упруго установленная в корпусе воздухоочистителя;
9 - подвижная воздухонепродуваемая мембрана упруго установленная в крышке корпуса воздухоочистителя;
10 - подвижная воздухонепродуваемая мембрана упруго установленная в корпусе воздухоочистителя;
11 - подвижная воздухонепродуваемая мембрана упруго установленная в впускном патрубке;
12 - подвижная воздухонепродуваемая мембрана упруго установленная в выпускном патрубке;
13 - фильтрующий элемент;
14 - плоская часть подвижной воздухонепродуваемой мембраны (один из возможных вариантов конструктивного исполнения);
15 - упругий пружинный элемент, в виде гофрированной периферийной части подвижной воздухонепродуваемой мембраны (один из возможных вариантов конструктивного исполнения);
16 - упругое замковое устройство подвижной воздухонепродуваемой мембраны (один из возможных вариантов конструктивного исполнения);
17 - воздушная заслонка (дроссель);
18 - ДВС;
19 - поршень ДВС.
Воздухоочиститель системы впуска ДВС, варианты которого представлены на чертежах, содержит корпус 1, крышку 2, впускной 3 и выпускной 4 патрубки, упруго встроенные в названные составные элементы воздухоочистителя подвижные воздухонепродуваемые мембраны 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 и 12, выполненные в виде плоских частей 14 подвижных воздухонепродуваемых мембран, связанных с составным элементом воздухоочистителя упругими пружинными элементами 15, (на фиг.2 они выполнены в виде гофрированной периферийной части подвижной воздухонепродуваемой мембраны) например, резиновыми элементами, а также фильтрующий элемент 13. Собственные частоты колебаний подвижных воздухонепродуваемых мембран 5…12 отличаются менее чем на половину октавы. На фиг.1 подвижные воздухонепродуваемые мембраны 5 и 6 упруго встроены в боковую стенку корпуса 1 воздухоочистителя, по обе стороны от фильтрующего элемента 13. На фиг.3 одна подвижная воздухонепродуваемая мембрана 7 упруго встроена в крышку 2, еще одна подвижная воздухонепродуваемая мембрана 8 упруго встроена в корпус 1. На фиг.4 подвижная воздухонепродуваемая мембрана 9 встроена в крышку 2, подвижная воздухонепродуваемая мембрана 10 встроена в корпус 1, подвижная воздухонепродуваемая мембрана 11 встроена во впускной патрубок 3 и подвижная воздухонепродуваемая мембрана 12 встроена в выпускной патрубок 4. На фиг.2 частично показана плоская часть 14 подвижной воздухонепродуваемой мембраны, в частности 5, ее упругий пружинный элемент 15 в виде гофрированной периферийной части 15 и упругое замковое устройство 16 (как возможный вариант конструктивного исполнения), посредством которого подвижная воздухонепродуваемая мембрана 5 упруго крепится, в частности, на боковой стенке корпуса 1 воздухоочистителя. Величины собственных частот подвижных воздухонепродуваемых мембран 5…12, упруго встроенных в названные составные элементы воздухоочистителя 1…4, находятся в геометрической прогрессии.
Работает заявляемый воздухоочиститель системы впуска ДВС обычным образом. Забортный неочищенный воздух из атмосферы, под воздействием разрежения, возникающего при ходе поршня 19 вниз на такте впуска ДВС 18, по впускному патрубку 3 поступает в полость корпуса 1 неочищенного воздуха (показано стрелками), просачивается через фильтрующий элемент 13, проходя при этом стадию очистки, и через выпускной патрубок 4 (показано стрелками) поступает в цилиндры ДВС. Расход его при этом регулируется воздушной заслонкой (дросселем) 17. Одновременно с этим, при закрытии впускного клапана (не показан) ДВС 18, поток очищенного воздуха начинает движение в обратном направлении, с выходом в атмосферу через впускной патрубок 3.
Этот процесс вызывает колебания столба газа в выпускном патрубке 4, и колебательный приток/отток газа из полости корпуса 1, колебательные сжатие и разрежение воздуха. Возникающие в полости 1 колебания давления возбуждают переменные силы на плоских частях подвижных воздухонепродуваемых мембран 5…12 и их колебания как масс плоской части подвижной воздухонепродуваемой мембраны 14, подвешенных на упругих пружинных элементах 15. Колебания плоской части подвижной воздухонепродуваемой мембраны 14, в свою очередь сжимают газ в полости 1, возбуждают в ней вторичные колебания давления. Эти колебания давления вновь возбуждают плоскую часть подвижной воздухонепродуваемой мембраны 14 и этот процесс повторяется многократно с частотами, равными собственным частотам связанных колебаний набора плоских частей подвижной воздухонепродуваемой мембран 14 на воздушной пружине, обусловленной упругостью воздуха в полости ВО, и дополнительными упругостями упругих пружинных элементов 15, ослабевая постепенно за счет потерь энергии в упругих пружинных элементах (гофрированной периферийной части) 15 и на излучение звука плоскими частями подвижных воздухонепродуваемых мембран 14. Если частота колебаний столба воздуха в патрубке 4, возбуждаемая тактами всасывания воздуха со стороны ДВС, близка или совпадает с одной из собственных частотой колебаний установленной системы подвижных воздухонепродуваемых мембран 5…12, амплитуды колебаний давления в полости 1 и амплитуды колебаний подвижных воздухонепродуваемых мембран 5…12 усиливаются. Соответственно усиливается излучение звука подвижными воздухонепродуваемыми мембранами 5…12 (на фиг.3 показано пунктиром) в моторный отсек АТС и кабину водителя (пассажирское помещение) АТС.
Естественным требованием к передаваемому в моторный отсек звуку является минимизация передачи раздражающих высоких частот и обеспечение оптимальной передачи в полосе частот, близких к основной частоте воздушного шума в диапазоне средних и повышенных оборотов ДВС.
Результаты компьютерного моделирования показывают, что при выполнении условий, когда:
1
2
3
m
c
- собственные частоты колебаний подвижных воздухонепродуваемых мембран образуют возрастающую последовательность частот (f, f, f…f), в которой каждая последующая большая частота отличается от предыдущей меньшей не более, чем на половину октавы, группирующуюся вокруг центральной частоты настройки (f).
B/m
c
собственные частоты колебаний подвижных воздухонепродуваемых мембран образуют геометрическую прогрессию со знаменателем «q», не превышающим q=2, где m - число подвижных воздухонепродуваемых мембран, и группируются вокруг центральной частоты f настройки в соответствии с формулами
где:
n - порядковый номер подвижной воздухонепродуваемой мембраны (от 5 до 12),
1
f (Гц) - низшая собственная частота, определяемая по формуле (2)
B - ширина полосы усиления звука в октавах.
- упругие пружинные элементы подвижных воздухонепродуваемых мембран задемпфированы таким образом, чтобы угол потерь (Fi) в их упругих пружинных элементах составлял
- и по крайней мере одна подвижная воздухонепродуваемая мембрана упруго встроена в впускной или выпускной патрубок, на расстоянии L от точки его подсоединения к воздухоочистителю, не большем, чем
где:
2
F - площадь поперечного сечения впускного/выпускного патрубков (м)
3
V - объем камеры воздухоочистителя (м)
c - скорость звука в воздухе (м/с)
c
c
-1
w=2π·f - круговая частота колебаний на частоте f (c),
обеспечиваются оптимально необходимые для создания акустического комфорта в салоне и обеспечения информационной ценности сигналы акустически генерируемые подвижными воздухонепродуваемыми мембранами. При этом именно их акусто-механические характеристики отдельных подвижных воздухонепродуваемых мембран 5…12 и их оптимальные соотношения являются решающим фактором в обеспечении создания полезного информативного звука в кабине водителя (пассажирском помещении) АТС.
На фиг.5 графически представлено сравнение колебательных объемных расходов, передаваемых через мембранный блок (q2/q1) и через впускной патрубок (q3/q1). Видно, что установка мембранного блока с набором собственных частот подвижных воздухонепродуваемых мембран, распределенных в области низших гармоник шума впуска, является эффективным средством избирательного повышения уровня звука первых гармоник шума впуска и позволяет на порядки усилить уровни полезных информационных сигналов, излучаемых системой впуска в моторный отсек АТС.
Разумеется, заявляемое изобретение не ограничивается приведенными конкретными конструктивными примерами его осуществления, описанными в тексте и показанными на прилагаемых фигурах. Остаются возможными и некоторые несущественные изменения различных элементов или материалов, из которых эти элементы выполнены, либо замена их технически эквивалентными, не выходящими за пределы объема притязаний, обозначенного формулой изобретения. Например, форма и конструктивное исполнение подвижных воздухонепродуваемых мембран может быть самым различным, учитывающим конструктивные особенности воздухоочистителя, форму его корпуса и патрубков, массогабаритные, технологические и экономические показатели системы впуска в целом.