Система резонансного наддува двигателя внутреннего сгорания (варианты)

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам впуска двигателя внутреннего сгорания, использующим колебание столба воздуха или горючей смеси в трубопроводах. Система резонансного наддува ДВС содержит впускной коллектор и подключенный к нему резонаторный блок с переменными параметрами, выполненный в виде объемного резонатора с внутренней перегородкой, установленной с возможностью перемещения вдоль оси при перепаде давлений в интервале между дном резонатора и фиксированным положением. В перегородке предусмотрены средства для перепуска газовой среды. Рассмотрен вариант с запорным элементом, установленным на входе объемного резонатора, а также выполнение средства для перепуска газовой среды в виде калиброванного отверстия в перегородке, в виде системы игла-отверстие. Изобретение обеспечивает режим негармонического периодического колебания и повышение эффективности наддува. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, в частности к устройствам для впуска, использующим колебания столба воздуха или горючей смеси в трубопроводах для повышения коэффициента заполнения цилиндра двигателя внутреннего сгорания.

Из предшествующего уровня техники известна система резонансного наддува двигателя внутреннего сгорания (см. авт. свид. СССР N 557197, кл. F 02 В 27/00, 1977), содержащая емкость с подвижной подпружиненной перегородкой, размещенной внутри емкости и разделяющей ее внутренний объем на две полости, к одной из которых подключен впускной коллектор, а к другой - выхлопная магистраль, при этом впускной коллектор и выхлопная магистраль выполнены в виде основного канала, сообщенного с атмосферой, и ответвления, подключенного к емкости. Кроме того, участки впускного коллектора и выхлопной магистрали, заключенные между емкостью и крайними патрубками, выполнены длиной, равной резонансной. Под действием переменного давления в полости, сообщающейся с выхлопной магистралью, перегородка приходит в движение и действует как насос, повышающий давление во впускном коллекторе, при этом колебательная система перегородка - пружина выполнена настроенной в резонанс с частотой (периодом) колебаний давления в системе впуска и выхлопа.

Известна также система резонансного наддува двигателя внутреннего сгорания (см. авт. свид. СССР N 757756, кл. F 02 В 27/00, 1980), содержащая впускные коллекторы, подключенные при помощи трубопроводов к воздухоочистителю и генератору волн давлений, выполненного в виде цилиндра с подпружиненным поршнем, который связан с приводом от коленчатого вала.

Недостаток известных систем заключается в том, что генератор волн давления является гармоническим, так как либо настроен на заданную частоту гармонических колебаний (система перегородка - пружина, либо связан с приводом гармонических перемещений (коленчатым валом). Периодические колебания давления во впускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания, строго говоря, не являются гармоническими. В результате эффективность известных систем резонансного наддува двигателя внутреннего сгорания является невысокой. Кроме того, генераторы гармонических волн давления имеют довольно сложную конструкцию.

Известна также система резонансного наддува двигателя внутреннего сгорания (см. авт. свид. СССР N 498407 кл. F 02 М 35/10, 1976), взятая в качестве прототипа и включающая впускной коллектор и подключенный к нему резонаторный блок с переменными параметрами, выполненный в виде двух резонаторов, один из которых снабжен установленной на входе заслонкой, связанной с приводом, управляемым датчиком давления во впускном коллекторе. Известная система резонансного наддува двигателя внутреннего сгорания обеспечивает изменение резонансной частоты резонаторного блока в зависимости от числа оборотов двигателя.

Недостаток известной системы, как и описанных выше, заключается в том, что она не обеспечивает высокой эффективности наддува, поскольку собственные колебаний в резонаторном блоке являются гармоническими, а колебания давления во впускном коллекторе - негармоническим.

Задача изобретения - разработка системы резонансного наддува двигателя внутреннего сгорания с таким резонаторным блоком, конструктивное выполнение которого обеспечило бы режим негармонического периодического колебания, что повысило бы эффективность наддува.

Поставленная задача решена тем, что в системе резонансного наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащей впускной коллектор и подключенный к нему резонаторный блок с переменными параметрами, согласно изобретению резонаторный блок с переменными параметрами выполнен в виде объемного резонатора с внутренней перегородкой, установленной с возможностью перемещения вдоль оси резонатора под действием перепада давления на ее стенках в интервале между дном резонатора и фиксированным положением. При этом перегородка снабжена средствами для перепуска газовой среды.

Поставленная задача согласно второму варианту решена тем, что в системе резонансного наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащей впускной коллектор, подключенный к нему резонаторный блок с переменными параметрами и запорный элемент с приводом, согласно изобретению резонаторный блок с переменными параметрами выполнен в виде объемного резонатора с внутренней перегородкой, установленной с возможностью перемещения вдоль оси резонатора под действием перепада давления на ее стенках в интервале между дном резонатора и фиксированным положением. При этом перегородка снабжена средствами для перепуска газовой среды, а запорный элемент установлен на входе объемного резонатора.

Средства для перепуска газовой среды выполнены либо в виде калиброванного отверстия в перегородке, либо в виде системы игла - отверстие, при этом игла либо связана со стенкой объемного резонатора через исполнительный механизм датчика давления во впускном коллекторе, либо жестко закреплена на стенке резонатора. В последнем случае игла со стороны острия снабжена опорной тарелкой, а с противоположной стороны - цилиндрическим участком с кольцевыми канавками, причем внешний диаметр цилиндрического участка соответствует скользящей посадке относительно диаметра отверстия.

Такое выполнение системы резонансного наддува двигателя внутреннего сгорания обеспечивает повышение эффективности наддува, поскольку благодаря предложенному конструктивному выполнению резонаторного блока обеспечивается режим периодических негармонических колебаний, адекватных периодическим негармоническим колебаниям газовой смеси во впускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания.

Для повышения эффективности работы двигателя внутреннего сгорания в период его запуска предусмотрено (согласно второму варианту выполнения системы) отключение резонаторного блока от системы.

Выполнение средств для перепуска газовой среды в виде системы игла - отверстие, причем игла закреплена на стенке объемного резонатора посредством исполнительного механизма, подключенного к датчику давления во впускном коллекторе, позволяет регулировать процесс перетекания газовой среды в зависимости от скорости изменения давления во впускном коллекторе.

При отсутствии средств для перепуска газовой среды полость 9 герметична, а следовательно, при изменении среднего за много циклов давления во впускном коллекторе изменяется и соотношение средних давлений между полостями и, как следствие, момент смены жесткости резонатора. Наличие отверстия позволяет выравнивать среднее давление в обеих полостях, сохраняя заданное соотношение продолжительности фаз всасывания и выпуска.

На фиг. 1 изображена (схематично) система резонансного наддува двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 - система согласно второму варианту выполнения; на фиг. 3 - средства для перепуска газовой среды в виде системы игла - отверстие; на фиг. 4 - второй вариант выполнения средств для перепуска газовой среды в виде системы игла - отверстие; на фиг. 5 - конструкция перестраиваемого объемного резонатора.

Система резонансного наддува двигателя 1 внутреннего сгорания (фиг. 1) содержит впускной коллектор 2, подключенный к нему посредством канала 3 резонаторный блок, который включает объемный резонатор 4, подвижную перегородку 5 с отверстием 6 (калиброванным). Перегородка 5 размещена внутри объемного резонатора 4 и соединена с его стенкой, например через сильфон 7. Перегородка 5 разделяет внутренний объем резонатора 4 на две полости 8 и 9 переменного объема и сообщающиеся между собой через калиброванное отверстие 6. В предпочтительном варианте впускной коллектор 2 включает два участка 10 и 11, расположенные друг относительно друга под углом большим 90^o, при этом участок 11 и канала 3 соосны, а соединение участков 10 и 11 выполнено с образованием выступа 12.

Система резонансного наддува двигателя 1 внутреннего сгорания содержит также (согласно второму варианту выполнения системы) средства для отключения резонаторного блока в период запуска двигателя 1, которые включают запорный элемент, например заслонку 13 (фиг. 2), установленную в канале 3 с возможностью поворота вокруг оси 14 и связанную с приводом 15, вход которого соединен со стартером 16 двигателя 1. Подвижная перегородка 5 закреплена внутри объемного резонатора 4 таким образом, чтобы минимальный объем полости 8 соответствовал собственной частоте резонатора 4, приблизительно соответствующей (t_min)^-1, где t_min - минимальная длительность фазы газораспределения.

Средства для перепуска газовой среды между полостями 8 и 9 могут быть выполнены не только в виде калиброванного отверстия 6, но и в виде системы игла - отверстие (фиг. 3). Подвижная перегородка 5 крепится в этом случае к стенке резонатора 4 с помощью сильфона 7 и неподвижной перегородки 17, в которой выполнено отверстие 18. Игла 19 связана с выходом исполнительного механизма 20, вход которого соединен с выходом датчика 21 давления во впускном коллекторе 2.

В другом варианте (фиг. 4) игла 19' жестко закреплена на стенке резонатора 4 и со стороны острия снабжена тарелкой 22, а с противоположной стороны - цилиндрическим участком 23 с кольцевыми канавками 24, при этом внешний диаметр участка 23 соответствует скользящей посадке относительно отверстия 18'.

Для расширение диапазона резонансного режима работы системы наддува объемный резонатор 4 соединен с впускным коллектором 2 посредством бокового канала 3, а днища 24 и 25 (фиг. 5) выполнены с возможностью осевого перемещения и связаны соответственно с исполнительными механизмами 26 и 27, входы которых подключены к выходам блока управления (не показан), вход которого подключен к датчику числа оборотов двигателя, и к датчику давления во впускном коллекторе 2 (датчики не показаны).

Система резонансного наддува двигателя 1 внутреннего сгорания работает следующим образом.

В фазе впуска происходит понижение давления во впускном коллекторе 2 двигателя 1 внутреннего сгорания. Волна разрежения, распространяясь по каналу 3, достигает объемного резонатора 4. Давление в полости 8 понижается, и перегородка 5 под действием перепада давления на ее стенках перемещается в крайнее нижнее положение. Возникающая в результате этого волна сжатия из резонатора 4 распространяется по каналу 3, а затем по участку 11 впускного коллектора 2 в полость цилиндра двигателя 1, увеличивая его наполнение. Благодаря тому, что канал 3 и участок 11 соосны, практически вся энергия волны сжатия, распространяющаяся от резонатора 4, поступает в цилиндр. При повышении давления во впускном коллекторе 2 (в фазе обратного выброса) волна давления сжатия, распространяясь по участку 11 впускного коллектора 2, достигает выступа 12, образованного пересечением цилиндрического участка 10 и полуконического участка 11 коллектора 2.

В результате обтекания выступа 12 высокоскоростным потоком возникает разрежение в участке 10 вблизи места соединения его с участком 11 и каналом 3, и следовательно, практически вся энергия волны сжатия, распространяющаяся от механизма газораспределения, поступает в объемный резонатор 4. Давление в полости 8 объемного резонатора 4 повышается, и перегородка 5 под действием перепада давления на ее стенках перемещается в крайнее верхнее положение. Возникшая при этом волна разрежения из резонатора 4 распространяется по каналу 3, а затем по участку 11 впускного коллектора 2 к двигателю.

Из вышесказанного следует, что параметры объемного резонатора 4 оказываются различными для возбуждаемых в нем волн различных фаз колебаний давления во впускном коллекторе 2, а именно, объем резонатора минимален для фазы впуска и максимален для фазы обратного выброса. Следовательно, длительности возбуждаемых в нем волн сжатия и разрежения не будут одинаковыми. Иными словами, периодические колебания не будут являться гармоническими.

При изменении числа оборотов двигателя изменяется давление во впускном коллекторе 2 двигателя 1. При неизменной величине давления в полости 9 объемного резонатора 4 это приводит к изменению величины рабочего объема резонатора, соответствующего фазе обратного выброса, что приводит к изменению соотношения длительностей волн разрежения и сжатия. Наличие в подвижной перегородке 5 средств для перепуска газовой среды (калиброванного отверстия 6 или системы игла - отверстие) позволяет поддерживать при различных режимах работы двигателя максимальную величину перепада давления между полостями 8 и 9 неизменным и, следовательно, сохранять соотношение длительностей волн сжатия и разрежения. Диаметр отверстия 6 выбирается из следующих рекомендаций. Время перетекания половины количества газа, находящегося в камере, под действием максимально возможного перепада давления во впускном коллекторе должно примерно соответствовать минимально возможному времени изменения давления во впускном коллекторе.

Наличие отверстия 6 в перегородке 5 приведет к тому, что происходит перетекание газа из одной полости резонатора 4 в другую, причем интенсивность перетекания газа будет тем больше, чем больше перепад давления газа в полостях 8 и 9. Иными словами, скорость перетекания газа из одной полости резонатора 4 в другую будет максимальна при крайних положениях подвижной перегородки 5. Наличие перемещаемой иглы 19 в отверстии 18 позволяет регулировать скорость перетекания газа в зависимости от давления во впускном коллекторе 2 (фиг. 3), что позволяет повысить КПД за счет снижения величины перетекания газа.

Таким образом, при циклических колебаниях давления имеет место периодическое перетекание газа из одной полости резонатора 4 в другую, снижающее эффективность резонатора 4. Для уменьшения величины перетекания газа и повышения КПД необходимо в крайних положениях перегородки 5 уменьшить величину перетекания. Поскольку подвижная перегородка 5 строго следит за изменением перепада давления, выполнение средств для перепуска газовой среды в виде неподвижной иглы 19', расположенной соосно в отверстии 18', выполненном в перегородке 5, позволяет плавно изменять сечение канала между полостями 8 и 9 в зависимости от положения перегородки 5. Кроме того, наличие тарелки 22 и цилиндрического участка 23 с лабиринтным уплотнением на поверхности обеспечивает перекрытие отверстия 18' в крайних положениях подвижной перегородки 5. Следовательно, в первую половину цикла перегородка 5 расположена на тарелке и отверстие 18' перекрыто, а разность давлений в камерах максимальна. Во второй половине цикла перегородка 5 перемещается от упора, отслеживая наполнение камеры 8. В начале перемещения, когда разница давлений минимальна, целесообразно иметь максимально необходимую площадь для перетекания. По мере удаления от упора разность давлений увеличивается, следовательно, площадь отверстия должна уменьшаться. Профиль иглы 19' определяет закон уменьшения площади перепускного отверстия в зависимости от перемещения перегородки 5 вверх. В крайнем верхнем положении перегородки 5 сечение зазора между иглой 19' и стенками отверстия 18' минимально за счет лабиринтного уплотнения, а разность давлений в полостях 8 и 9 максимальна.

Формула изобретения

1. Система резонансного наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащая впускной коллектор и подключенный к нему резонаторный блок с переменными параметрами, отличающаяся тем, что резонаторный блок с переменными параметрами выполнен в виде объемного резонатора с внутренней перегородкой, установленной с возможностью перемещения вдоль оси резонатора под действием перепада давления на ее стенках в интервале между дном резонатора и фиксированным положением, при этом перегородка снабжена средствами для перепуска газовой среды.

2. Система резонансного наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащая впускной коллектор, подключенный к нему резонаторный блок с переменными параметрами и запорным элементом с приводом, отличающаяся тем, что резонаторный блок с переменными параметрами выполнен в виде объемного резонатора с внутренней перегородкой, установленной с возможностью перемещения вдоль оси резонатора под действием перепада давления на ее стенках в интервале между дном резонатора и фиксированным положением, при этом перегородка снабжена средствами для перепуска газовой среды, а запорный элемент установлен на входе объемного резонатора.

3. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что средства для перепуска газовой среды выполнены в виде калиброванного отверстия в перегородке.

4. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что средства для перепуска газовой среды выполнены в виде системы игла-отверстие, при этом игла соединена с исполнительным механизмом, жестко закрепленным на стенке резонатора и связанным с датчиком давления во впускном коллекторе.

5. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что средства для перепуска газовой среды выполнены в виде системы игла-отверстие, при этом игла со стороны острия снабжена опорной тарелкой, а с противоположной стороны цилиндрическим участком с кольцевыми канавками на нем, причем внешний диаметр цилиндрического участка соответствует скользящей посадке относительно диаметра отверстия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5