Двигатель внутреннего сгорания

 

Использование: в многоцилиндровых двигателях внутреннего сгорания. Сущность изобретения: двигатель содержит головку цилиндров с впускными отверстиями, в которых установлены впускные клапаны, впускные патрубки, отходящие непосредственно от впускных отверстий и выходящие в газосборный ресивер, боковая стенка которого снабжена присоединительными отверстиями для названных патрубков, и установленный вдоль полости ресивера, закрепленный на его торцовой стенке штуцер. Штуцер размещен внутри ресивера и его выход подключен к системам воздухоочистки и топливоподачи двигателя, при этом штуцер, по крайней мере на части своей длины, выполнен перфорированным, а его свободный срез герметично заглушен. 4 з.п.ф-лы., 7 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, частности к многоцилиндровым двигателям внутреннего сгорания с впрыском топлива в цилиндры.

В системах впуска карбюраторных двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС) наличие диффузорных элементов обеспечивает ослабление резонансных свойств системы в целом, т.к. вследствие значительных активных сопротивлений этих элементов система становится менее "добротной" (т.е. резонансные частоты являются задемпфированными). Это в определенной степени является положительным фактором, т.к. с одной стороны компенсируются потери наполнения цилиндров (потери эффективной мощности, улучшение экономичности двигателя) вследствие снижения резонансных амплитуд пульсаций объемного расхода воздуха (а рост гидросопротивлений системы как известно пропорционален квадрату амплитуды пульсаций расхода газа), с другой стороны, подавление резонансных пульсаций газа в впускной системе ДВС благоприятно с точки зрения звукового (шумового) излучения в окружающую среду, производимого как открытыми концами воздухозаборных патрубков воздухоочистителя (аэродинамический шум), так и вибрирующими стенками элементов системы впуска (структурный шум, корпусной шум).

Японской фирмой "Мазда Мотор" в ЕПВ N 0376299, F 02 M 35/12, публ. 04.07.90, для подавления газовых пульсаций и шума во впускной системе ДВС предусмотрено использование специального приспособления для подавления каждой из резонансных гармоник пульсаций кратных (0,5 + h) длинам резонансных волн пульсаций, где h целое число равное нулю или более нуля.

Германской фирмой "Фольксваген" в заявке ФРГ N 3742322, F 02 M 35/10, опубл. 07.07.88, предусматривается демпфировать колебания потока всасываемого воздуха в ДВС за счет включения во впускной тракт дополнительного "успокоительного" ресивера с эластичными стенками, в котором за счет упругих деформаций стенок ресивера, вследствие пульсирующего воздействия газового потока, будет происходить преобразование энергии пульсаций в тепловую энергию в упругом материале стенки с высоким внутренним трением материала (резины). К очевидным недостаткам такой системы следует отнести дороговизну устройства, нестабильность характеристик, малую долговечность, опасность попадания неочищенного воздуха в цилиндры ДВС при повреждении упругой стенки, существенное излучение звука "пульсирующей" упругой стенкой и т.п.

Анализируя и обобщая результаты вышеприведенного патентного обзора следует сделать вывод, что все вышеперечисленные устройства улучшения акустических характеристик и снижения газодинамических пульсаций во впускных системах ДВС и соответственно улучшения их мощностных, экономических и экологических показателей связаны с использованием дополнительных расширительных или резонансных камер, подключаемых как параллельно, так и последовательно к впускному тракту, использованием электронных систем формирования искусственных противофазных сигналов для компенсации реальных сигналов пульсаций и шума, использованием дополнительных ресиверов, дополнительных управляемых воздуховодов и камер с изменяемым объемом, разветвленных газоводов с фазоуправляемыми диффузорными секциями.

В качестве прототипа принят ДВС фирмы "Мазда Мотор", описанный в заявке ЕПВ N 0379926, F 02 M 35/12, опубл. 01.08.90, содержащий головку цилиндров с впускными отверстиями, в которых установлены впускные клапаны, впускные патрубки, отходящие непосредственно от впускных отверстий и выходящие в газосборный ресивер, боковая стенка которого снабжена присоединительными отверстиями для названных патрубков, и установленный вдоль полости ресивера, закрепленный на его торцовой стенке штуцер. К системе впуска двигателя подключены три резонансных глушителя (между дроссельной заслонкой и воздухоочистителем), непосредственно сообщенных с объемом ресивера, трубой между ресивером и камерой воздухоочистителя и с объемом камеры воздухоочистителя соответственно.

Эффективность такого типа систем впуска ДВС приемлема только в узком частотном (скоростном) диапазоне, что вызывает необходимость применения одновременно трех глушителей.

Но, учитывая широкий скоростной режим работы двигателя, наличие большого числа собственных частот колебаний отдельных элементов газоводов, резонирующих при совпадении их с частотами (или их кратными гармониками) вынужденных колебаний (пульсаций газа в процессе открытия и закрытия впускных клапанов и в моменты перекрытия фаз в процессах впуска и выпуска газа в ДВС), использование даже нескольких остронастроенных параллельно подключенных резонаторов не может обеспечить требуемую эффективность во всем эксплуатационном диапазоне оборотов и нагрузок, а способно лишь подавить или несколько скорректировать наиболее ярко выраженные "акустические дефекты" системы на отдельном (отдельных) режимах, что подтверждается приведенными в заявке иллюстрациями результатов экспериментальных оценок.

Очевидны недостатки прототипа так же и с точки зрения материалоемкости, ограниченных возможностей компоновки в стесненном пространстве моторного отсека автомобиля, а также не благоприятного влияния на изменение коэффициента избытка воздуха в процессе впуска на режимах интенсивного разгона двигателя.

Задача данного изобретения повышение эффективности системы впуска двигателя в широком частотном (скоростном) диапазоне, при одновременном упрощении конструкции, уменьшении материалоемкости и габаритов, а также упрощении компоновочных решений агрегатов в моторном отсеке.

Указанная задача решается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем головку цилиндров с впускными отверстиями, в которых установлены впускные клапаны, впускные патрубки, отходящие непосредственно от впускных отверстий и выходящие в газосборный ресивер, боковая стенка которого снабжена присоединительными отверстиями для названных патрубков, и смонтированный вдоль полости ресивера, закрепленный на его торцовой стенке штуцер, последний размещен внутри ресивера и его выход подключен к системам воздухоочистки и топливоподачи двигателя, при этом штуцер, по крайней мере на части своей длины, выполнен перфорированным, а его свободный срез герметично заглушен. При этом пояс перфорации преимущественно размещен между вторым и третьим отверстиями впускных патрубков, а суммарная площадь отверстий в названном поясе равна не менее 1,5 площади поперечного сечения штуцера в месте расположения названного пояса. Присоединительная часть штуцера на входе в ресивер выполняется плавно сужающейся, а сам штуцер может быть выполнен из полимерного материала.

В связи с тем, что такое устройство скомпоновано в достаточно близкой зоне к впускному клапану и цилиндру основному источнику пульсаций и шума впускной системы и эта зона характеризуется максимальной концентрацией акустической энергии, то в отличие от воздействия на конструктивные параметры воздухоочистителя, значительно удаленного от этой зоны, эффективность подавления шума и пульсаций газа на впуске может быть достигнута в значительно более сильной степени при минимальном конструктивном воздействии на систему впуска ДВС.

В действительности, эпюра распределения звукового давления на первой собственной моде впускного тракта, в наибольшей мере ответственной за резонансные явления тракта, характеризуется косинусоидой с максимальным значением в зоне клапана и минимальным значением в зоне камеры воздухоочистителя. Соответственно, располагая устройства подавления шумов и пульсаций ближе к источнику шумов и пульсаций, т. е. к зоне максимальных концентраций волновой энергии можно повысить эффективность их использования.

Таким образом, в предлагаемом двигателе значительно расширяется полоса эффективного глушения шума, генерируемого колеблющимся объемом газа в полости ресивера в широком диапазоне частот, особенно на низших собственных формах колебаний названного объема. Одновременно с этим намного упрощается конструкция двигателя, поскольку в данном случае вместо трех резонаторов (что имеет место в прототипе) применяется только один. Кроме того, уменьшаются габариты и материалоемкость двигателя, поскольку в данном случае резонатор смонтирован внутри ресивера, а в прототипе три резонатора смонтированы с внешней стороны трассы системы впуска. Очевидно, что в предлагаемом двигателе значительно упрощены компоновочные решения монтажа двигателя в моторном отсеке автомобиля.

В грубом приближении, конструкцию ресивера со сквозным перфорированным штуцером с заглушенным концом, можно рассматривать как активный глушитель с последовательной фрикцией.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг.1 показан фрагмент заявляемого двигателя (тракт газоподвода в цилиндры двигателя); на фиг.2 показан вид А по фиг. 1; на фиг.3 показан вариант конструктивного исполнения ресивера; на фиг.4 показана схема подключения ресивера к цилиндрам; на фиг.5 показана схема ресивера; на фиг.6 показаны низшие (три первые) собственные резонансные продольные формы колебаний газового объема, заключенного в объеме ресивера; на фиг.7 показаны низшие (две первые) собственные резонансные поперечные (радиальные) формы колебаний газового объема, заключенного в полости ресивера.

На фиг. 6 и 7 Р давление.

Двигатель внутреннего сгорания содержит головку 1 цилиндров с впускными отверстиями 2, в которых установлены впускные клапаны 3, впускные патрубки 4, отходящие непосредственно от впускных отверстий 2 и выходящие в газосборный ресивер 5, боковая стенка которого снабжена присоединительными отверстиями 6.9 для названных патрубков 4, и установленный вдоль полости ресивера 5, закрепленный на его торцовой стенке 10 штуцер 11. Штуцер 11 размещен внутри ресивера 5 и его выход подключен к системам воздухоочистки и топливоподачи 12 двигателя, при этом штуцер 11, по крайней мере на части своей длины, выполнен перфорированным (отверстия перфорации показаны поз.13), а его свободный срез 14 герметично заглушен.

Пояс перфорации 13 размещен между отверстиями 7 и 8, а суммарная площадь отверстий 13 в поясе перфорации равняется не менее 1,5 площади поперечного сечения штуцера 11 в месте расположения названного пояса.

Присоединительная часть штуцера, фиг. 1, на входе в ресивер 5 выполнена плавно сужающейся. Штуцер 11 может быть выполнен из полимерного материала.

Дополнительно на фиг.1 показаны: торцовая стенка 15 ресивера 5, дроссельная заслонка 16 и ее привод 17, впускная труба 18, воздухозаборный патрубок 19 воздухоочистителя.

На фиг. 2 составная часть 20 патрубков 4 и камера сгорания 21 двигателя.

На фиг. 4 дополнительно показан поршень 22.

Открытие клапана 3 вызывает перепад давлений в емкости цилиндра, которая образована днищем поршня 22 и камерой сгорания 21, за клапаном 3 и в окружающей среде, при этом колебательный импульс в виде упругих волн распространяется в воздушной среде, заполняющей впускной тракт, вследствие чего происходит возбуждение воздушных объемов патрубков 4 и 20 с закрытыми клапанами 3 (тупиковых волноводов) и взаимодействие полей патрубков 4 и 20, что затрудняет разобщающее и затрудняющее действие ресивера 5, формирование звукового поля в ресивере 5, отражение звуковых волн от стенок ресивера 5 по направлению к клапанам 3 патрубков 4 и 20 и вытеснение звуковой энергии в впускную трубу 18, как в волновод с определенной акустической проводимостью (определенным акустическим сопротивлением) и вызывает необходимость скачкообразного преодоления роста акустического сопротивления при входе волн в штуцер 11 через отверстия 13 перфорации, из-за чего происходит рассеивание колебательной (звуковой) энергии в отверстиях 13 перфорации вследствие трения колеблющихся частиц газа и превращения этой колебательной энергии в тепловую. Также дополнительно к рассеиванию колебательной энергии газа в отверстиях 13 перфорации происходит рост звукоизоляции системы в направлении распространения звука в направлении входного среза воздухозаборного патрубка 19.

Дополнительно осуществляется демпфирование резонансных колебаний впускной трубы 18 путем размещения на одном из ее концов, которым является штуцер 11, активных рассеивателей (демпферов) в виде отверстий 13 перфорации, в результате чего впускная труба 18 не резонирует, чем устраняется усиленная передача звукового излучения к открытому срезу патрубка 19. Это благоприятно сказывается на работу расходомера воздуха (смонтированного в системе воздухоочистки 12), в частности на точность регистрации эффективных значений массового расхода воздуха, за счет подавления резонансных пульсаций газового потока как в ресивере 5, так и в перфорированном штуцере 11, и благоприятно воздействует на снижение гидросопротивлений впускного тракта двигателя, вследствие подавления резонансных пульсаций потока (гидравлическое сопротивление пульсирующего газового потока определяется квадратом амплитудных значений пульсаций).

Демпфирование низших собственных форм колебаний воздушного объема ресивера 5, как продольных, фиг. 6, так и поперечных (радиальных), фиг. 7, объемной перфорированной структурой штуцера 11, значительно более эффективно по сравнению, например, с применением в пространстве ресивера 5 плоской перфорированной пластины, что улучшает функцию ресивера 5 как разделительного элемента, так и глушителя шума впуска. При этом достигается и дополнительное разделение впускных патрубков 4 и 20 цилиндров, вследствие не только более "спокойного" состояния задемпфированного объема ресивера 5, но и необходимости преодоления возмущения в одном из патрубков 4 и 20 на пути передачи разобщающего воздействия перфорированной структуры штуцера 11.

Математическая модель описанного выше динамического состояния объекта выглядит следующим образом.

Каждый из 4-х цилиндров четырехтактного ДВС генерирует серию импульсов всасывания. Эта последовательность импульсов создает колебания (пульсации) объемного расхода газа с основной частотой f₁=n/2·60, Гц и кратными частотами f_m=m·f₁, Гц, где m 1, 2, 3; n 1/мин.

Колебания расхода газа в различных цилиндрах сдвинуты по времени и по фазе: для 4-х цилиндрового двигателя происходит сдвиг по фазе для первой гармоники равный где K порядок следования импульсов по цилиндрам в соответствии с порядком работы цилиндров. Для первого цилиндра K 1, для второго K 4, для третьего K 2, для четвертого K 3.

π = 3,14 рад Для n-ной гармоники сдвиг по времени тот же, а по фазе
ϕ_m= mϕ₁, рад
Двигатель с ресивером обеспечивает раздельный наддув цилиндров за счет существенного разрыва связей между патрубками объемом ресивера. С другой стороны, взаимная независимость волновых явлений в патрубках, соединяющих ресивер с цилиндрами, приводит к более резкому развитию колебаний газа в каждом патрубке по отдельности. Эти резонансные колебания проявляются на собственных частотах патрубков

где C скорость звука, м/с;
P 1, 2, 3,
l_п длина патрубка, м
На низшей резонансной частоте (f⁽¹⁾) в систему, образующую резонансный контур, частично вовлекаются и другие, связанные с патрубками массы газа (непосредственно в ресивере и примыкающим к нему элементам).

Вследствие несимметрии акустических нагрузок, создаваемых ресивером, акустические нагрузки на патрубки отдельных цилиндров различны и это приводит к небольшому несовпадению резонансных частот (f⁽¹⁾) отдельных патрубков. Поэтому, возникающие резонансные колебания газа в одном из них (на своей резонансной частоте) не подавляются колебаниями, приходящими в ресивер от других патрубков, даже если начальные импульсы от цилиндров скомпенсированы (идут в противофазе).

Второе неблагоприятное явление связано с возбуждением первой несимметричной резонансной формы колебаний газа в ресивере. Как правило, ее частота близка к одной из собственных частот колебаний газа в патрубке, что приводит к резонансному усилению излучения звука из системы, особенно на частотах нечетных гармоник основной частоты процесса всасывания (f₁). Это подразумевает передачу из ресивера усиленного излучения в систему впуска по направлению к свободным открытым концам воздухозаборных патрубков воздухоочистителя. На пути этой цепи передачи это излучение будет трансформироваться (видоизменяться по спектральному составу, усиливаться или ослабляться по амплитудам) по всему пути передачи (впускная труба 18, тракты систем воздухоочистки и воздухоподачи 12, воздухозаборный патрубок 19, моторный отсек и окружающая среда).

Учитывая важную роль ресивера в формировании акустических нагрузок, действующих как непосредственно на впускные трубы, так и на их взаимодействие с одной стороны, и на передачу акустической энергии по свободной цепи передачи (по системе впуска) в окружающую среду с другой стороны, логична постановка задачи о внесении в ресивер звукозаграждающего свободную передачу акустической энергии элемента. Тем более, что, как это уже было отмечено выше, данная зона воздействия (полость ресивера) является зоной высокой концентрации звуковой энергии, а также то, что при резонансных режимах газ в системе колеблется как газ в сильно связанных между собой объемах с нарушенным разделением воздушных объемов (т.е. нарушается одна из прямых функций ресивера разделение цилиндров с получением улучшенного их наполнения за счет динамического наддува).

Ниже приводятся результаты экспериментов, которые однозначно позволяют судить о высокой эффективности предлагаемого двигателя, а также дают экспериментальное обоснование выбора степени перфорации штуцера, что отражено в п. 3 формулы изобретения.

В настоящее время изготовлены опытные образцы, проведены испытания, результаты которых положительные. Можно ожидать применение заявленного объекта в перспективных автомобилях. 2

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий головку цилиндров с впускными отверстиями, в которых установлены впускные клапаны, впускные патрубки, отходящие непосредственно от впускных отверстий и выходящие в газосборный ресивер, боковая стенка которого снабжена присоединенными отверстиями для упомянутых патрубков, и штуцер, установленный вдоль полости ресивера и закрепленный на его торцевой стенке, отличающийся тем, что штуцер размещен внутри ресивера, а его выход подсоединен к системам воздухоочистки и топливоподачи двигателя, причем штуцер по меньшей мере на части своей длины выполнен в виде перфорированного пояска, а его открытый срез герметично заглушен.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что перфорированный пояс размещен между вторым и третьим отверстиями впускных патрубков.

3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что суммарная площадь отверстий в поясе равна не менее 1,5 площади поперечного сечения штуцера в месте расположения пояса.

4. Двигатель по пп. 1-3, отличающийся тем, что часть штуцера, присоединенная к входу в ресивер, выполнена плавно сужающейся.

5. Двигатель по пп. 1-4, отличающийся тем, что штуцер выполнен из полимерного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7