RU2096651C1

RU2096651C1 - System of active suppression of intake noise of internal combustion engine

Info

Publication number: RU2096651C1
Application number: RU93046483/06A
Authority: RU
Inventors: Р.Н. Старобинский; А.В. Васильев; В.Н. Гордеев; В.В. Васильев
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа "Куйбышевазот"
Priority date: 1993-09-23
Filing date: 1993-09-23
Publication date: 1997-11-20

Abstract

FIELD: manufacture of engines; active suppression of noise in intake and exhaust systems of internal combustion engines. SUBSTANCE: system includes dynamic loudspeaker 14, sound generator 19 with control unit 18 which is connected with engine speed sensor 15 and engine throttle valve 16. Sound generator 19 is connected with dynamic loudspeaker 14 radiating sound into zone of shear 12 of intake branch pipe 11. System is provided with pipe 13 which is used to connect dynamic loudspeaker with zone of shear of intake branch pipe. System may be also provided with microphone 21 mounted in zone of shear of intake branch pipe 11 and throttle valve position sensor 20. EFFECT: enhanced efficiency of noise suppression. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к устройствам активного подавления шума системы впуска двигателей внутреннего сгорания. The invention relates to engine building, primarily to devices for actively suppressing noise of an intake system of internal combustion engines.

Известны устройства активного подавления шума путем генерирования звука той же амплитуды и частоты, что и нежелательный шум, причем последний обнаруживается микрофоном и нейтрализуется громкоговорителем, патент Великобритании N 2142091, F 01 N 1/06, G 10 K 11/16 01.09.1985. Данная система работает с учетом акустической обратной связи между громкоговорителем и микрофоном. Недостатком системы подобного типа применительно к подавлению шума в газоводах двигателя внутреннего сгорания является то, что для формирования антизвука с требуемыми характеристиками в условиях изменяющихся значений базовых частот при различных режимах работы двигателя необходимы тщательный выбор передаточной функции обратной связи, точная настройка и обеспечение стабильности работы системы, что не всегда возможно в реальных условиях эксплуатации. Known devices for active noise suppression by generating sound of the same amplitude and frequency as unwanted noise, the latter being detected by a microphone and neutralized by a loudspeaker, UK patent N 2142091, F 01 N 1/06, G 10 K 11/16 09/01/1985. This system works according to the acoustic feedback between the speaker and the microphone. A disadvantage of a system of this type with respect to noise suppression in the gas ducts of an internal combustion engine is that for the formation of anti-sound with the required characteristics under the conditions of changing values of the base frequencies at different engine operation modes, a careful selection of the feedback feedback function, fine tuning and ensuring the system stability which is not always possible in actual use.

В значительной мере этого недостатка лишена выбранная в качестве прототипа система, патент Японии N 62-168913, F 01 N 1/00, 25.07.87, содержащая датчик давления, установленный в патрубке, связанном с выпускным каналом. Сигнал от упомянутого датчика давления поступает в систему управления через полосовой фильтр и аналого-цифровой преобразователь. Сигнал датчика частоты вращения двигателя поступает в преобразователь частоты, где происходит выделение частотного компонента от вспышек в цилиндрах. Упомянутая система управления формирует сигнал с частотой, равной частоте вспышек в цилиндрах и противоположный этим вспышкам по фазе. Этот сигнал поступает в громкоговоритель. Таким образом достигается эффективное шумоглушение для различных режимов работы двигателя. To a large extent this drawback is deprived of the system selected as a prototype, Japanese Patent N 62-168913, F 01 N 1/00, 07.25.87, containing a pressure sensor installed in the pipe connected to the outlet channel. The signal from the aforementioned pressure sensor enters the control system through a band-pass filter and an analog-to-digital converter. The signal from the engine speed sensor enters the frequency converter, where the frequency component is extracted from flashes in the cylinders. The mentioned control system generates a signal with a frequency equal to the frequency of flashes in the cylinders and opposite to these flashes in phase. This signal enters the loudspeaker. Thus, effective sound attenuation for various engine operating modes is achieved.

В свою очередь эта система обладает рядом недостатков. Во-первых, это необходимость получения звука высокого уровня. Этого недостатка лишены системы, у которых громкоговоритель излучает звуковую энергию непосредственно в зону компенсации, находящуюся вблизи от излучающего среза газовода системы воздухообмена двигателя внутреннего сгорания, охватывающую пространство, радиус которого составляет не более двух-трех диаметров газовода или не более 1/12 от λ где l длина волны заглушаемого звука. При этом мощность звукового генератора будет минимальной, так как уровни звукового сигнала у среза значительно ниже уровней звукового сигнала системы. Во-вторых, вышеупомянутая система обладает высокой чувствительностью к температуре окружающего воздуха. Это связано с тем, что передаточная функция акустической системы зависит от этой температуры, так как акустические параметры газа зависят от температуры, влажности и других факторов; а закладываемая в электронную часть функция обычно не включает в себя этих параметров или требует специальных приборов для измерения температуры, влажности и т.д. Наиболее сильная зависимость связана с резонансными характеристиками впускного патрубка. Предлагаемая система лишена этого недостатка, так как автоматически следит за физическими характеристиками поступающего в систему воздуха за счет подобранной определенным образом частотной характеристики дополнительного патрубка, соединяющего компенсирующий источник звука (динамик) и зону среза впускного патрубка. В-третьих, использование зависимости передачи компенсирующего сигнала от положения дроссельной заслонки позволяет существенно повысить эффективность работы системы и уменьшить энергозатраты на формирование компенсирующего сигнала, так как наиболее значительные уровни шума впуска двигателя внутреннего сгорания возникают в режиме работы двигателя при полностью или почти полностью открытой дроссельной заслонки, при меньшем же угле открытия дроссельной заслонки система активного подавления шума преимущественно впуска двигателя внутреннего сгорания автоматически перестает работать, что достигается с помощью использования датчика отключения дроссельной заслонки. Наконец, предлагаемая система более проста по сравнению с прототипом и в то же время наиболее полно учитывает специфические особенности шума впуска в сравнении с шумом выхлопа. In turn, this system has several disadvantages. The first is the need for high-level sound. This drawback is deprived of systems in which the loudspeaker emits sound energy directly to the compensation zone, located close to the radiating section of the gas duct of the air exchange system of the internal combustion engine, covering a space whose radius is not more than two or three diameters of the gas duct or not more than 1/12 of λ where l The wavelength of the muffled sound. At the same time, the power of the sound generator will be minimal, since the levels of the sound signal at the slice are significantly lower than the levels of the sound signal of the system. Secondly, the above system is highly sensitive to ambient temperature. This is due to the fact that the transfer function of the speaker system depends on this temperature, since the acoustic parameters of the gas depend on temperature, humidity and other factors; and the function embedded in the electronic part usually does not include these parameters or requires special instruments for measuring temperature, humidity, etc. The strongest dependence is associated with the resonance characteristics of the inlet pipe. The proposed system is devoid of this drawback, since it automatically monitors the physical characteristics of the air entering the system due to a selected frequency response of an additional pipe connecting the compensating sound source (speaker) and the inlet pipe cut-off zone. Thirdly, the use of the dependence of the compensation signal transmission on the position of the throttle valve can significantly increase the efficiency of the system and reduce the energy consumption for the formation of the compensation signal, since the most significant noise levels of the intake of the internal combustion engine occur in the engine when the throttle is fully or almost completely open , with a smaller opening angle of the throttle, the active noise suppression system is mainly of the inlet of the engine inside exhaust gas combustion automatically stops working, which is achieved using the throttle shutoff sensor. Finally, the proposed system is simpler than the prototype and at the same time most fully takes into account the specific features of the intake noise in comparison with the exhaust noise.

Задача изобретения повышение эффективности подавления шума, излучаемого системой газообмена (преимущественно впуска) двигателя внутреннего сгорания. The objective of the invention is to increase the efficiency of suppressing noise emitted by a gas exchange system (mainly an intake) of an internal combustion engine.

Сущность изобретения заключается в том, что система активного подавления шума впуска двигателя внутреннего сгорания с воздухоочистителем, впускным и подводящим к цилиндрам патрубками, датчиком частоты, содержащая динамик и систему формирования компенсирующего сигнала, причем система формирования компенсирующего сигнала снабжена генератором звука с блоком управления, последний связан с датчиком частоты и дроссельной заслонкой, а генератор звука связан с динамиком, излучающим звук в зону среза впускного патрубка. The essence of the invention lies in the fact that the system for actively suppressing the noise of the intake of an internal combustion engine with an air cleaner, inlet and connecting pipes to the cylinders, a frequency sensor, comprising a speaker and a system for generating a compensating signal, the system for generating a compensating signal having a sound generator with a control unit, the latter is connected with a frequency sensor and a throttle, and the sound generator is connected to a speaker that emits sound into the cut-off area of the inlet pipe.

Система снабжена трубой, посредством которой динамик связан с зоной среза впускного патрубка, причем длина трубы l_g равна (0,8-1,2) l_пром., где l_пром. средняя эффективная длина трубы между воздухоочистителем и клапаном двигателя.The system is equipped with a pipe, through which the speaker is connected to the cut-off zone of the inlet pipe, and the pipe length l _g is equal to (0.8-1.2) l _prom. where l _prom. average effective pipe length between the air cleaner and the engine valve.

Система снабжена датчиком положения дроссельной заслонки и микрофоном, установленным в зоне среза впускного патрубка, причем заслонка через датчик положения и микрофон связана с блоком управления. The system is equipped with a throttle position sensor and a microphone installed in the cut-off area of the inlet pipe, and the valve through the position sensor and microphone is connected to the control unit.

Система снабжена датчиком отключения дроссельной заслонки, причем последняя связана с блоком управления через упомянутый датчик. The system is equipped with a throttle shut-off sensor, the latter being connected to the control unit via said sensor.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема системы активного подавления шума впуска двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 показаны подводящие патрубки между воздухоочистителем и цилиндрами двигателя; на фиг. 3 показан вариант исполнения системы активного подавления шума преимущественно впуска двигателя внутреннего сгорания с датчиком положения дроссельной заслонки и микрофоном. In FIG. 1 is a schematic diagram of a system for actively suppressing intake noise of an internal combustion engine; in FIG. 2 shows the inlet pipes between the air cleaner and the engine cylinders; in FIG. 3 shows an embodiment of an active noise suppression system, preferably an intake of an internal combustion engine with a throttle position sensor and a microphone.

Система активного подавления шума впуска двигателя внутреннего сгорания содержит возбудители газодинамических пульсаций давления, выполненные в виде впускных клапанов цилиндров двигателя 1-4, подводящие к цилиндрам патрубки 5-8, промежуточный патрубок 9, заглушающую камеру 10, выполненную в виде воздухоочистителя, и впускной патрубок 11 со свободным срезом, являющимся излучателем звуковой энергии и граничащим с зоной среза впускного патрубка 12. В состав системы также входят дополнительный патрубок 13 (труба, длина которой l_g), динамик 14 (компенсирующий источник звука), датчик частоты двигателя 15, механический регулятор уровня излучения звуковой энергии 16, выполненный в виде дроссельной заслонки с углом открытия a, датчик отключения дроссельной заслонки 17, блок управления формирования компенсирующего сигнала 18 и генератор звука 19. Кроме того, в состав заявляемой системы также могут входить датчик положения дроссельной заслонки 20 и микрофон 21, установленный в зоне среза впускного патрубка 12.The system for actively suppressing the noise of the intake of an internal combustion engine contains exciters of gas-dynamic pressure pulsations made in the form of inlet valves of the engine cylinders 1-4, connecting pipes 5-8 to the cylinders, an intermediate pipe 9, a muffler chamber 10, made in the form of an air cleaner, and an intake pipe 11 with the free cut being the emitter and the sound energy bordering on the cut area of the inlet pipe 12. The system also includes an additional pipe 13 (a pipe, whose length is l _g), the speaker 14 (com a sound source), an engine frequency sensor 15, a mechanical regulator of sound energy emission level 16, made in the form of a throttle valve with an opening angle a, a throttle shutdown sensor 17, a control unit for generating a compensating signal 18 and a sound generator 19. In addition, The inventive system may also include a throttle position sensor 20 and a microphone 21 mounted in the cut-off area of the inlet pipe 12.

Система работает следующим образом. Динамические пульсации давления потока газа, возникающие при работе впускных клапанов 1-4 цилиндров двигателя вследствие перепада давления между полостями цилиндров и атмосферой, передаются от упомянутых впускных клапанов через подводящие к цилиндрам патрубки 5-8, промежуточный патрубок 9, воздухоочиститель 10 к открытому срезу впускного патрубка 11 и являются источником интенсивного излучения низкочастотной составляющей шума системы впуска в атмосферу. The system operates as follows. Dynamic pulsations of the gas flow pressure occurring during the operation of the intake valves 1-4 of the engine cylinders due to the pressure difference between the cylinder cavities and the atmosphere are transmitted from the intake valves through the nozzles 5-8 leading to the cylinders, the intermediate pipe 9, and the air cleaner 10 to the open cut of the intake pipe 11 and are a source of intense radiation of the low-frequency component of the noise of the intake system into the atmosphere.

В общем спектре излучения шума впуска четырехтактного двигателя внутреннего сгорания наиболее сильной, как правило, является амплитуда первой гармоники на частоте

Гц;
где n число оборотов коленвала двигателя в минуту.In the general emission spectrum of the inlet noise of a four-stroke internal combustion engine, the strongest is, as a rule, the amplitude of the first harmonic at a frequency

Hz;
where n is the engine speed per minute.

С помощью предлагаемой системы достигается эффективное ослабление уровня шума впуска первой гармоники, а значит, и значительное снижение уровня шума впуска в области низких частот (f < 300 Гц), обладающего наибольшей проникающей способностью. Using the proposed system, effective attenuation of the noise level of the inlet of the first harmonic is achieved, which means a significant reduction in the noise level of the inlet in the low frequency region (f <300 Hz), which has the highest penetrating power.

Для достижения эффекта ослабления необходимо формирование компенсирующего сигнала с определенными амплитудно-частотными характеристиками, а именно: чтобы амплитуда компенсирующего сигнала была эквивалентна амплитуде заглушаемой первой гармоники шума системы газообмена ДВС, а фазы были противоположны. Для этого амплитуда и фаза электрического сигнала, подаваемого на динамик 14, подбираются экспериментально для различных режимов работы двигателя, т. е. для различных значений частоты f₁, и вводятся в блок управления формирования компенсирующего сигнала 18. При работе двигателя информация о значении частоты первой гармоники шума впуска поступает от датчика частоты 15 (это может быть датчик частоты оборотов коленвала двигателя либо датчик частоты ходов всасывания и т.д.) на блок управления формирования компенсирующего сигнала 18, которая затем передает электрический сигнал с предварительно подобранными для данного значения частоты f₁ амплитудно-частотными характеристиками на генератор звука 19, а оттуда на динамик 14, излучающий компенсирующий звуковой сигнал через дополнительный патрубок 13 в зону среза впускного патрубка 12. В результате интерференции излучателя звуковой энергии и звука, излучаемого компенсирующим источником (динамиком) 14, достигается значительный эффект ослабления первой гармоники низкочастотного спектра шума. В области высоких и средних частот эффективное заглушение шума осуществляется с помощью заглушающей камеры (воздухоочистителя) 10. В результате достигается суммарный эффект ослабления шума впуска.To achieve the attenuation effect, it is necessary to form a compensating signal with certain amplitude-frequency characteristics, namely: so that the amplitude of the compensating signal is equivalent to the amplitude of the muffled first harmonic of the noise of the internal combustion engine gas exchange system, and the phases are opposite. To do this, the amplitude and phase of the electric signal supplied to the speaker 14 are selected experimentally for various engine operating modes, i.e., for different frequency values f ₁ , and are entered into the control unit for generating a compensating signal 18. When the engine is running, information about the frequency value of the first harmonics of the intake noise comes from the frequency sensor 15 (it can be a sensor for engine speed or a sensor for suction strokes, etc.) to the control unit for generating a compensating signal 18, which m transmits an electrical signal with a pre-selected for a given value of the frequency f ₁ of the amplitude-frequency characteristics of sound generator 19, and thence to the speaker 14, the radiating compensating sound signal through an additional outlet 13 in the inlet pipe 12. In the cut zone due to interference of the sound energy emitter and the sound emitted by the compensating source (speaker) 14, a significant effect of attenuation of the first harmonic of the low-frequency noise spectrum is achieved. In the region of high and medium frequencies, effective noise damping is carried out using a damping chamber (air cleaner) 10. As a result, the total effect of attenuation noise attenuation is achieved.

Известно, что уровни шума впуска особенно высоки на режиме разгона, который характеризуется полным или почти полным открытием дроссельной заслонки, т. е. α ≈ α_max, где α угол открытия дроссельной заслонки. Таким образом, для заявляемой системы наличие датчика отключения дроссельной заслонки 17, соединенного с дроссельной заслонкой 16 и с блоком управления формирования компенсирующего сигнала 18 ( см. фиг. 1), позволит экономить электроэнергию и более эффективно использовать заявляемую систему. При полностью или почти полностью открытой дроссельной заслонке 16 система работает, при меньших значениях угла открытия дроссельной заслонки a срабатывает датчик отключения дроссельной заслонки 17, и формирования компенсирующего сигнала не происходит (точное значение угла a может устанавливаться в зависимости от акустических особенностей двигателя). Тем самым значительно повышается экономичность работы системы.It is known that intake noise levels are especially high in the acceleration mode, which is characterized by full or almost full throttle opening, i.e., α ≈ α _max , where α is the opening angle of the throttle. Thus, for the inventive system, the presence of a shutdown sensor of the throttle valve 17 connected to the throttle valve 16 and with the control unit for the formation of the compensating signal 18 (see Fig. 1) will save energy and make more efficient use of the inventive system. When the throttle valve 16 is fully or almost completely open, the system works, at lower values of the throttle opening angle a, the throttle shutdown sensor 17 is activated and the compensation signal is not generated (the exact value of the angle a can be set depending on the acoustic characteristics of the engine). This greatly improves the efficiency of the system.

Зависимость работы предлагаемой системы от механического положения дроссельной заслонки 16 может использоваться и более широким образом. На фиг. 3 показан вариант исполнения заявляемой системы, содержащей датчик положения дроссельной заслонки 20 и микрофон 21, установленный в зоне среза впускного патрубка 12, передающие информацию об угле открытия a дроссельной заслонки 16 и о силе звука в зоне среза впускного патрубка 12 в блок управления формирования компенсирующего сигнала 18 наряду с сигналом датчика частоты двигателя 15, что позволяет повысить надежность формирования компенсирующего сигнала с требуемыми акустическими характеристиками. The dependence of the proposed system on the mechanical position of the throttle 16 can be used in a wider manner. In FIG. 3 shows an embodiment of the inventive system comprising a throttle position sensor 20 and a microphone 21 mounted in the cut-off area of the inlet pipe 12, transmitting information about the opening angle a of the throttle valve 16 and the sound strength in the cut-off area of the inlet pipe 12 to the control unit for generating a compensating signal 18 along with the signal of the frequency sensor of the motor 15, which improves the reliability of the formation of the compensating signal with the required acoustic characteristics.

Claims

1. Система активного подавления шума впуска двигателя внутреннего сгорания с воздухоочистителем, впускным и подводящим к цилиндрам патрубками, датчиком частоты, содержащая динамик и систему формирования компенсирующего сигнала, отличающаяся тем, что система формирования компенсирующего сигнала снабжена генератором звука с блоком управления, последний связан с датчиком частоты и дроссельной заслонкой, а генератор звука связан с динамиком, излучающим звук в зону среза впускного патрубка. 1. A system for actively suppressing noise of an intake of an internal combustion engine with an air cleaner, inlet and nozzles leading to the cylinders, a frequency sensor, comprising a speaker and a compensating signal generating system, characterized in that the compensating signal generating system is provided with a sound generator with a control unit, the latter being connected to the sensor frequency and a throttle, and the sound generator is connected to a speaker that emits sound into the cut-off area of the inlet pipe.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена трубой, посредством которой динамик связан с зоной среза впускного патрубка, причем длина трубы l_д равна (0,8 1,2)l _пром, где l_пром средняя эффективная длина трубы между воздухоочистителем и клапаном двигателя.2. The system according to claim 1, characterized in that it is equipped with a pipe, through which the speaker is connected to the cut-off zone of the inlet pipe, the pipe length l _d equal to (0.8 1.2) l _prom , where l _{prom the} average effective length of the pipe between the air cleaner and the engine valve.

3. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она снабжена датчиком положения дроссельной заслонки и микрофоном, установленным в зоне среза впускного патрубка, причем заслонка через датчик положения и микрофон связаны с блоком управления. 3. The system according to claims 1 and 2, characterized in that it is equipped with a throttle position sensor and a microphone installed in the cut-off area of the inlet pipe, and the shutter is connected via a position sensor and a microphone to the control unit.

4. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она снабжена датчиком отключения дроссельной заслонки, причем последняя связана с блоком управления через упомянутый датчик. 4. The system according to claims 1 and 2, characterized in that it is equipped with a throttle shutoff sensor, the latter being connected to the control unit through the said sensor.