Двигатель внутреннего сгорания с системой впуска воздуха
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH AN AIR INLET SYSTEM

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, а именно к системам подачи воздуха для реализации рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС).
Рабочий процесс всасывания воздуха в цилиндры двигателя на фазе впуска является одним из самых мощных источников шума ДВС, особенно при полностью открытой дроссельной заслонке. Именно на таких режимах проводятся сертификационные и омологационные испытания транспортных средств по внешнему и внутреннему шуму, образуя дополнительный вклад шума от системы впуска, в том числе, и от акустических резонансных явлений в воздухозаборном патрубке (далее ВЗП), имеющих особенность усиливать звук рабочего процесса двигателя на фазе впуска в отдельных диапазонах частот, совпадающих с основными формами собственных частот патрубка.
Известны конструкции ДВС, применяющие системы впуска с интегрированными в конструкцию элементами для снижения шума впуска.
В патенте FR № 2536792 заявляется сужающая проходное сечение впускной трубы дроссельная шайба или диффузорная вставка.
В патентной заявке JP № 61-190159 японской фирмы Honda Motor Co., Ltd. предлагается соединить с впускной трубой два различных резонатора.
В авторском свидетельстве на систему впуска ДВС СССР № 1281722, опубликовано 07.01.1987, предлагается усложнение конструкции ресивера системы впуска дополнительным вводом впускных труб внутрь него с выполнением в них зон калиброванных отверстий.
В Европейском патенте  WO № 0091038 А1 к полости воздухозаборного патрубка двигателя подключены два четвертьволновых резонатора.
Во многих конструкциях ВЗП предлагается применение в некоторых зонах боковой поверхности патрубка щелевых отверстий сложной конструкции и достаточно большой площади проходного сечения, прикрытых снаружи патрубка экранами, для уменьшения передачи звука наружу через эти щелевые отверстия.
Однако, применение в системах впуска и на ВЗП специальных глушителей резонаторного или камерного типа и других шумопонижающих устройств, для устранения или уменьшения акустических  явлений, вызывающих повышенный шум, излучаемый ВЗП во внешнюю среду, приводит к удорожанию системы впуска в целом, ухудшает наполняемость цилиндров воздухом из-за дополнительных сопротивлений на прохождение резонаторов, шайб или диффузоров, а также значительно повышает загруженность моторногo отсека автомобиля.
Известны методы уменьшения амплитуд стоячих волн введением перфораций в трубах.
В качестве прототипа выбран патент на изобретение RU № 2319856, МПК F02M 35/12, опубликованный 20.03.2008. ДВС с системой впуска, содержащей впускную трассу, подводящую топливную смесь в цилиндры ДВС, ресивер, который подсоединен магистральной трубой к воздухоочистителю, к которому подсоединен ВЗП, ограниченный воздухозаборным срезом, во входной части которого размещено устройство в виде четвертьволнового резонатора с образованием кольцевого зазора, причем длина резонатора составляет половину длины воздухозаборного патрубка, а в боковой стенке резонатора выполнены несколько демпфирующих отверстий, суммарной площадью равной 0,05…0,06 площади поперечного сечения резонатора. Конструкция обладает высокой шумозаглушающей способностью в определенном частотном диапазоне.
Однако, недостатком этой конструкции является сложность изготовления резонатора внутри длинного ВЗП, имеющих сложную конфигурацию изгибов в трех плоскостях по длине, необходимость значительного увеличения проходного сечения ВЗП по всей длине размещения резонатора, для обеспечения достаточной площади кольцевого зазора для прохождения воздушного потока и, соответственно, его размеров и количества материала на изготовление, для подвода воздухозаборного отверстия в необходимую зону забора холодного воздуха из моторного отсека или за его пространство.
Задачей данного изобретения было создание конструкции ВЗП, эффективной с точки зрения снижения шума впуска, но лишённой недостатков конструкций ВЗП, описанных выше (повышение загруженности моторного отсека, усложнение конструкции, создание дополнительного сопротивления и т.п.).
ВЗП
ВЗП
Задача решается за счёт выполнения в стенке ВЗП рядно расположенных сквозных компенсационных отверстий, сконцентрированных равномерно по его периметру, в плоскости, перпендикулярной оси патрубка, в зонах распределения максимумов звуковых давлений на низших продольных резонансных формах звуковых колебаний в ВЗП. Суммарная площадь отверстий каждого ряда ∑Fотв, составляет 0,03…0,04 F, где F - площадь поперечного сечения на впускном срезе воздухозаборного патрубка. Размеры отверстий выбраны таким образом, что с одной стороны они не так велики, чтобы пропускать значительную долю акустической энергии во внешнюю среду, не увеличивая, при этом уровни внешнего и внутреннего шума автомобиля, а с другой стороны – уже достаточны для эффективного рассеивания резонансных звуковых колебаний в длинной трубе и снижения резонансных явлений на низших собственных частотах ВЗП, за счет уменьшения амплитуд звукового давления на этих частотах и, соответственно, меньшую трансляцию шума из патрубка во внешнюю среду.
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков даёт 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".
Сущность изобретения станет понятна из следующего описания со ссылкой на прилагаемые фигуры 1-11.
На фиг. 1 представлено конструктивное исполнение ДВС с системой впуска воздуха (предполагаемый ДВС из-за сложности не показан) и пути прохождения звука от рабочего процесса двигателя (показаны стрелками).
На фиг. 2 представлено конструктивное исполнение заявляемого ДВС с системой впуска воздуха, с выполненными компенсационными отверстиями в воздухозаборном патрубке и положение измерительных микрофонов.
На фиг. 3 схематично показан воздухозаборный патрубок (в упрощенном виде) с компенсационными отверстиями, размещенными одинарными рядами в ¼ и ½ длины патрубка.
i
На фиг. 4 схематично показаны эпюры распределения звуковых давлений в ВЗП на низшей продольной резонансной форме звуковых колебаний 2, без компенсационных отверстий (сплошной линией) и, с одним рядом компенсационных отверстий, размещенным в ¼ длины патрубка (прерывистой линией).
i
На фиг.5 схематично показаны эпюры распределения звуковых давлений в ВЗП на низшей продольной резонансной форме звуковых колебаний 1, без компенсационных отверстий (сплошной линией) и, с двумя рядами компенсационных отверстий, размещенными в ¼ и ½ длины патрубка (прерывистой линией).
На фиг. 6 графически показаны общие уровни шума впуска в рабочем диапазоне оборотов коленвала двигателя, регистрируемые измерительным микрофоном вблизи впускного среза ВЗП в конструкциях воздухозаборного патрубка: а) без компенсационных отверстий; б) с одним рядом отверстий, размещенных в ¼ длины патрубка; в) с двумя рядами отверстий 8 и 9, размещенных в ¼ и в ½ длины патрубка (по заявляемой конструкции).
На фиг.7 графически показаны общие уровни шума впуска, регистрируемые измерительными микрофонами на одинаковом расстоянии: а) от впускного среза ВЗП без компенсационных отверстий; б) от впускного среза ВЗП с одним рядом отверстий, размещенных в ¼ длины патрубка; г) от поверхности воздухозаборного патрубка с перфорацией,  в зоне ряда отверстий 8; д) от поверхности воздухозаборного патрубка без перфораций, в ¼L от заборного среза патрубка.
На фиг. 8 графически показаны уровни звукового давления впуска, зарегистрированные в «характерной» октавной полосе с центром 250 Гц, в конструкциях ВЗП: а) без отверстий в патрубке 6; б) с одним рядом отверстий в ¼ длины патрубка; в) с двумя рядами отверстий 8 и 9, размещенных в ¼ и в ½ длины патрубка (по заявляемой конструкции).
На фиг. 9 графически показаны уровни звукового давления впуска в диапазоне оборотов коленвала двигателя 4n/60 (где «n» - текущие обороты), регистрируемые измерительным микрофоном вблизи впускного среза ВЗП в конструкциях воздухозаборного патрубка: а) без компенсационных отверстий; б) с одним рядом отверстий, размещенных в ¼ длины патрубка; в) с двумя рядами отверстий, размещенных в ¼ и в ½ длины патрубка 6 (по заявляемой конструкции).
На фиг. 10 графически показана мощность двигателя в диапазоне рабочих оборотов коленвала двигателя, с воздухозаборным патрубком: а) без компенсационных отверстий; б) с одним рядом отверстий, размещенных в ¼ длины патрубка 6 (по заявляемой конструкции).
На фиг. 11 графически показан крутящий момент двигателя в диапазоне рабочих оборотов коленвала двигателя, с воздухозаборным патрубком: а) без компенсационных отверстий; б) с одним рядом отверстий, размещенных в ¼ длины патрубка 6 (по заявляемой конструкции).
Конструкция ДВС с системой впуска воздуха, представленная на фиг. 1, содержит двигатель внутреннего сгорания (предполагаемый ДВС из-за сложности не показан), ресивер 1, соединенный с впускными отверстиям двигателя посредством подводящих труб 8, дроссельный патрубок 2, регулирующий расход поступающего воздуха дроссельной заслонкой (на схеме не показана), соединительный патрубок 3, подводящий очищенный воздух к ресиверу, на котором возможна установка резонатора 4 для снижения шума впуска, воздухоочиститель 5, внутри которого установлен фильтрующий элемент (на схеме не показан) для очистки воздуха от пыли и иных нежелательных твердых фракций и воздухозаборный патрубок 6, для забора воздуха через входной открытый впускной срез 7, размещаемый либо в моторном отсеке автомобиля, либо снаружи моторного отсека. На фиг. 2 представлена заявляемая конструкция с воздухозаборным патрубком, в котором выполнен ряд компенсационных отверстий 9, размещенных в четверти длины ВЗП от впускного среза 7 и, дополнительно выполнен второй ряд компенсационных отверстий 10, размещенных в середине длины ВЗП, для повышения эффективности снижения шума впуска.
Работает ДВС с системой впуска воздуха обычным образом.
При реализации рабочего процесса четырехтактного ДВС, на тактах процесса впуска воздуха в цилиндры двигателя, происходит подача очищенного воздуха в цилиндр. При ходе поршня в нижнюю мертвую точку, под действием разряжения в цилиндре, через открытый впускной клапан происходит засасывание воздуха в цилиндр, который подается по впускной магистрали от впускного среза 7 по воздухозаборному патрубку 6 и поступает в корпус воздухоочистителя 5, где проходит очистку через фильтрующий элемент внутри воздухоочистителя (на  схеме не показан). Затем по соединительному патрубку 3 подается к дроссельному патрубку 2, где регулируется количество подаваемого воздуха через частично или полностью открытую дроссельную заслонку. Далее очищенный воздух поступает в ресивер 1 и из него по каналам труб 8 к каждому из цилиндров ДВС. При процессе такта впуска генерируется достаточно широкополосный спектр шума от процесса движения поршня в цилиндре, от прохождения потока воздуха через щелевой зазор открытого клапана в цилиндр, приобретающего турбулентный характер под высоким давлением.
i
i
Полученная при этом шумовая энергия, имеющая пульсирующий характер, в соответствие с попеременно открывающимися впускными клапанами цилиндров, проходит обратный путь от цилиндра к открытому срезу 7 ВЗП 6, и выходит во внешнюю среду. В трубопроводах, имеющих достаточно значительную длину, образуются стоячие волны на характерных частотах, соизмеримых с длиной патрубков, и эти частоты, как правило, совпадают с частотными диапазонами, излучаемыми двигателем на такте впуска, создавая тем самым резонансное усиление звука в этих частотных диапазонах. Особенно характерны частоты низших продольных форм звуковых колебаний 1 и 2, для уменьшения которых необходимо применение специальных устройств в виде глушителей резонаторного типа, как например резонатор 4 на соединительном патрубке 3. Однако не всегда есть возможность размещения объемных резонаторов на длинных патрубках из-за загруженности моторного отсека, или размещения внутренних резонаторов в патрубках, например четвертьволнового типа, как в прототипе, из-за сложной пространственной конфигурации ВЗП 6.
Предлагаемым изобретением достигается решение проблем уменьшения стоимости, сохранения конструкции воздухозаборного патрубка по конфигурации и снижения уровней шума впуска во внешнюю среду, и тем самым снижение внешнего и внутреннего шума автомобиля, повышение их конкурентоспособности и потребительских качеств.
ВЗП
ВЗП
ВЗП
ВЗП
ВЗП
ВЗП
ВЗП
Для этого применен метод уменьшения амплитуд стоячих волн в трубах выполнением компенсационных отверстий в воздухозаборном патрубке (фиг. 2), что позволяет уменьшить уровни шума впуска, определяемые характерными частотами, проходящими от двигателя через систему впуска и, конкретно, ВЗП, и влияющими на формирования высоких уровней шума впуска. При этом отверстия выполняются равномерно по периметру в ряд, в плоскости перпендикулярной оси патрубка, а их суммарная площадь находится в диапазоне, зависящим от площади впускного отверстия на срезе 7 ВЗП 6, и составляет 0,03...0,04 F, где F - площадь поперечного сечения впускного среза воздухозаборного патрубка. Это соотношение определено экспериментально, чтобы обеспечить максимальные потери (рассеивание) резонансной звуковой энергии через эти отверстия на заданных наиболее шумоактивных частотах процесса впуска ДВС, а диапазон 0,03…0,04 F выбран с учетом возможных погрешностей при изготовлении патрубка 6 и компенсационных отверстий 8 и 9. При площади перфорации отверстий 9 и 10 в патрубке 6 меньшей, чем 0,03 F, рассеивание резонансной звуковой энергии малоэффективно, при большей, чем 0,04 F – возможно пропускание через эти отверстия значительной доли акустической энергии во внешнюю среду, и тем самым, увеличение суммарного вклада шума впуска, при излучении из впускного среза 7 и через компенсационные отверстия 9 и 10, что может привести к  потере эффективности шумозаглушения. Также при диаметрах отверстий меньше 0,03 F происходит гидравлическое запирание отверстий потоком воздуха, проходящего по патрубку, и рассеивание резонансной звуковой энергии через эти отверстия незначительны, а в отверстиях большего диаметра, чем 0,4 F возможно появление дополнительного паразитного высокочастотного шума, от прохождения потока воздуха по кромкам компенсационных отверстий 8 и 9 и транслируемого по ВЗП в окружающую среду.
i
i
В частности, наибольший вклад в шум впуска происходит на частотах, соразмерных с низшей продольной резонансной формой звуковых колебаний 2. Для подавления этой резонансной моды один ряд компенсационных отверстий выполнен на расстоянии 1/4 от впускного среза ВЗП, с учетом гидравлического удлинения Δ1 патрубка 11, составляющего известную величину 0,3 диаметра впускного среза 7 патрубка 6 (фиг.3). На фиг.4 графически показаны эпюры распределения звуковых давлений в ВЗП на второй низшей продольной резонансной форме звуковых колебаний 2, без компенсационных отверстий (сплошной линией) и с одним рядом компенсационных отверстий, размещенным в ¼ длины L патрубка (прерывистой линией), из которых следует, что перфорация в этой зоне ВЗП значительно снижает амплитуду второй собственной частоты.
Дополнительное улучшение акустических качеств системы впуска достигается выполнением еще одного ряда компенсационных отверстий 10 на расстоянии 1/2 длины L воздухозаборного патрубка 6, с учетом гидравлических удлинений 11 и 12 патрубка 6 с обоих его концов, равных сумме 0,3 диаметров впускного Δ1 и выпускного Δ2 срезов патрубка.
i
На фиг. 5 графически показаны эпюры распределения звуковых давлений в ВЗП на первой низшей продольной резонансной форме звуковых колебаний 1, без компенсационных отверстий (сплошной линией) и, с двумя рядами компенсационных отверстий, размещенными в ¼ и ½ длины патрубка (прерывистой линией), из которых следует, что ряды перфораций в этих зонах ВЗП также значительно снижают амплитуду первой собственной частоты ВЗП.
На фиг.6 графически показаны общие уровни шума впуска в рабочем диапазоне оборотов коленвала двигателя, регистрируемые измерительным микрофоном 13 вблизи впускного среза 7 в конструкциях с ВЗП 6: а) без компенсационных отверстий; б) с одним рядом отверстий, размещенных в ¼ длины патрубка; в) с двумя рядами отверстий, размещенных в ¼ и в ½ длины патрубка (по заявляемой конструкции). Из графиков следует, что применение компенсационных отверстий приводит к снижению общих уровней шума впуска до 5 дБА, и, следовательно, к заметному уменьшению внешнего и внутреннего шума автомобиля в целом.
На фиг. 7 графически показаны общие уровни шума впуска, регистрируемые измерительными микрофонами 13 на одинаковом расстоянии: а, б) от впускного среза ВЗП 6; г, д) от поверхности патрубка в зоне ряда отверстий 8, из которых следует, что шум, излучаемый через компенсационные отверстия 9 или 10 значительно ниже (более чем на 10 дБА), чем шум, излучаемый через впускное отверстие 7 ВЗП и практически не добавляет звуковой энергии в общее значение шума, излучаемого через систему впуска.
На фиг. 8 графически показаны уровни звукового давления впуска, зарегистрированные в «характерной» октавной полосе с центром 250 Гц, в конструкциях ВЗП: а) без отверстий в патрубке 6; б) с одним рядом отверстий в ¼ длины патрубка; в) с двумя рядами отверстий в патрубке. Из графиков следует, что применение компенсационных отверстий приводит к снижению общих уровней шума впуска в октаве 250 Гц до 13 дБ, и следовательно, к уменьшению внешнего и внутреннего шума автомобиля в целом, а также, к повышению потребительских качеств автомобиля по акустике.
На фиг.9 графически показаны уровни звукового давления впуска, зарегистрированные в «характерной» октавной полосе с центром 500 Гц, в конструкциях ВЗП: а) без отверстий в патрубке 6; б) с одним рядом отверстий 8 в ¼ длины патрубка;   в) с двумя рядами отверстий 8 и 9 в патрубке 6 (по заявляемой конструкции). Из графиков следует, что применение компенсационных отверстий приводит к снижению уровней звукового давления впуска в октаве 500 Гц до 8 дБ, и следовательно, к уменьшению внешнего и внутреннего шума автомобиля в целом, а также, к повышению потребительских качеств автомобиля по акустике.
На фиг. 10 графически показаны уровни звукового давления впуска в диапазоне оборотов коленвала двигателя 4n/60, регистрируемые измерительным микрофоном вблизи впускного среза ВЗП в конструкциях воздухозаборного патрубка: а) без компенсационных отверстий; б) с одним рядом отверстий, размещенных в ¼ длины патрубка; в) с двумя рядами отверстий. размещенных в ¼ и в ½ длины патрубка. Из графиков следует, что применение компенсационных отверстий приводит к снижению уровней звукового давления впуска до 25 дБ в частотном диапазоне оборотов коленвала двигателя 4n/60, и, следовательно, к уменьшению внешнего и внутреннего шума автомобиля в целом, а также, к повышению потребительских качеств автомобиля по акустике.
Кроме того, применение компенсационных отверстий в зонах максимального звукового давления основных собственных частот ВЗП 6 несколько улучшает мощностные показатели двигателя, что иллюстрирует фиг. 11, на которой графически показаны уровни мощности двигателя в диапазоне рабочих оборотов коленвала двигателя, с воздухозаборным патрубком: а) без компенсационных отверстий; б) с одним рядом отверстий. размещенных в ¼ длины патрубка 6, а также показатели крутящего момента двигателя, что иллюстрирует фиг. 12, на которой графически показаны уровни крутящего момента двигателя в диапазоне рабочих оборотов коленвала двигателя, с воздухозаборным патрубком: а) без компенсационных отверстий; б) с одним рядом отверстий, размещенных в ¼ длины патрубка 6. Это происходит за счет лучшего наполнения воздухом цилиндров двигателя, при наличии компенсационных отверстий в ВЗП 6 в зонах максимального звукового давления низших собственных частот патрубка, и уменьшении при этом давления, затрудняющего проход воздуха по патрубку в этих зонах.
Акустические испытания заявляемой конструкции подтверждают рациональность,  с точки зрения эффективности работы по снижению шума впуска на наиболее шумоактивных режимах двигателя, расположения компенсационных отверстий и выбора суммарной площади ряда перфорации ВЗП ∑ Fотв, составляющей 0,03…0,04 Fвзп, где Fвзп - площадь поперечного сечения впускного среза воздухозаборного патрубка.
Разумеется, изобретение не ограничивается описанным способом его осуществления, показанным на прилагаемых фигурах. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объёма настоящего изобретения.