Многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к устройствам для улучшения наполнения многоцилиндровых двигателей внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы системы впуска за счет улучшения наполнения цилиндров и снижения шума работы. Сущность изобретения: многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания содержит головку цилиндров с впускными отверстиями, отходящие непосредственно от них впускные патрубки, выходящие в газосборный ресивер, и установленный вдоль полости ресивера штуцер, выход которого подключен к системе воздухоочистки и топливоподачи двигателя, а входной его срез заглушен противоположной торцевой стенкой ресивера. При этом штуцер по крайней мере на части своей длины выполнен перфорированным. Внутри ресивера смонтированы сплошные поперечные перегородки из пористого пенистого с открытыми порами или волокнистого газопроницаемого металлического материала, разделяющие полость ресивера на камеры равного объема, число которых равно количеству присоединительных отверстий для впускных патрубков, при этом отверстия перфорации на штуцере сгруппированы в виде поясов, каждый из которых расположен в средней части соответствующей камеры, образованной поперечными перегородками, или поперечной перегородкой и ближайшей к ней торцевой стенкой ресивера. На внутренних поверхностях торцевых стенок ресивера могут быть смонтированы прокладки из пористого газопроницаемого металлического материала. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

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

Применение системы электронного впрыска топлива вызывает необходимость введения в конструкцию двигателя внутреннего сгорания (далее ДВС) устройств, позволяющих в значительной степени ослабить величину резонансных амплитуд пульсаций объемного расхода воздуха (снизить гидравлические сопротивления) в тракте системы впуска, с целью улучшения наполнения цилиндров, повышения эффективной мощности и экономических показателей двигателя. С другой стороны, подавление резонансных пульсаций газа во впускной системе ДВС благоприятно с точки зрения снижения звукового (шумового) излучения в окружающую среду, производимого как выходным срезом воздухозаборного патрубка воздухоочистителя (аэродинамический шум), так и вибрирующими стенками элементов системы впуска (структурный, корпусной шум).

Так, например, японская фирма "Ямаха Мотор" в заявке N 61-244824, F 02 B 27/00, публ. 31.10.86, для снижения пульсаций и шума предлагает использовать два ресивера, параллельно и последовательно подключенных к трассе впускного трубопровода.

Японская фирма "Хонда Мотор" в заявке N 63-219866, F 02 M 35/10, публ. 13.09.88, предлагает для снижения шума при всасывании использовать два раздельных воздушных трубопровода, соединяющих воздухоочиститель и ресивер с двумя управляемыми дроссельными заслонками, обеспечивающими закрытие вспомогательного канала на низких оборотах и открытое состояние обеих соединительных трубопроводов на высоких оборотах. Эта же фирма в заявке N 61-190159, F 02 M 35/12, публ. 14.01.87, в целях обеспечения шумоглушения в широком диапазоне частот предлагает соединять с впускной трубой два устройства шумоглушения - 1/4 волновой резонатор тупикового типа и резонансную камеру.

В ЕПВ N 0278117, F 02 B 27/00, публ. 17.08.88, для использования эффектов повышения наполнения цилиндров за счет подавления резонансных пульсаций газа путем их сложения в противофазе предлагается использовать взаимосогласованные дополнительные резонансные трубы и дополнительный ресивер.

Австрийская фирма "АВЛ" в заявке ФРГ N 3820607, F 01 B 25/00, публ. 29.12.88, для расширения частотного диапазона эффективной работы дополнительного акустического резонатора предлагает выполнять его конструкцию изменяемого объема, настраиваемого в зависимости от скорости вращения коленвала.

Японская фирма "Ниппон радзиэта" в заявке Японии N 62-48047, F 01 M 1/02, публ. 12.10.87, предлагает с целью повышения эффекта глушения шума взамен использования крупногабаритных сложных конструкций глушителей применять антирезонансную впускную трубу, включающую управляемый источник шума или вибраций, электромагнитный клапан, приемные акустические датчики, управляющий процессор.

Японская фирма "Хитачи сэйсакусе" в заявке Японии N 2-4840, F 16 L 55/04, публ. 30.01.90, для снижения пульсаций в системе трубопроводов предлагает трубопровод разветвлять по меньшей мере на два канала, на различных расстояниях от точки разветвления размещать расширительные камеры, отражающие прямые падающие звуковые волны назад к источнику пульсаций (цилиндру двигателя), причем расстояние между стенками камер выбирается определенным образом.

Английское отделение фирмы "Форд Мотор" в заявке Великобритании N 2203488, F 02 B 29/00, публ. 19.10.88, для подавления пульсаций газа и шума во впускном коллекторе предусматривает установку устройства "антизвука" в виде специального громкоговорителя или специального резервуара с электроклапаном.

Японская фирма "Ниссан Дзидося" в японской заявке N 51-23656, F 02 B 37/00, публ. 08.05.89, для снижения шума впуска ДВС и повышения его мощности вследствие снижения обратного тока наддувочного воздуха предлагает использовать специальную конструкцию глушителя шума в виде расширительной камеры с внутренними трубками определенного соотношения диаметров и определенного расстояния срезов труб между собой.

Канадское отделение фирмы "Сименс-Бендикс" в патенте США N 4934343, F 02 M 35/00 для глушения шума газового потока без существенного влияния на гидравлическое сопротивление впускного тракта предусматривает применение двух диффузорных секций на раздвоенном участке газопровода, обеспечивающих фазовый сдвиг и компенсацию амплитуд пульсаций при их сложении в зоне соединения.

Французской фирмой "Пежо" в патенте Франции N 2536792, публ. 22.06.84, заявляется использование сужающей проходное сечение впускной трубы дроссельной шайбы или диффузорной вставки для снижения шума впуска ДВС с непосредственным впрыском топлива. Дроссельная шайба или диффузорная вставка для обеспечения требуемой эффективности располагается в зоне пучности волны колебательной скорости газового потока на некотором заданном скоростном режиме работы ДВС. Очевидным недостатком устройства является рост гидравлических сопротивлений впускной системы вследствие заужения проходного сечения и, как следствие, ухудшение мощностных, экономических и экологических (токсических) показателей ДВС. Также расположение дроссельной шайбы или диффузорной вставки в одно конкретное место впускной трассы позволяет эффективно воздействовать только на одну резонансную частоту и кратные ей нечетные гармоники, т.е. имеется в наличии ограниченное воздействие на отдельных скоростных режимах работы ДВС.

Американское отделение фирмы "Сименс-Бендикс" в патенте США N 4907547, F 02 M 35/10, публ. 13.03.90, для подавления шумов и пульсаций в системе впуска ДВС предлагает использовать специальный отражатель волн, располагаемый поперек впускной трубы одного из цилиндров и пары цилиндров на вращающемся валике, который, поворачиваясь, обеспечивает избирательное открытие одной из соседних впускных труб цилиндра ДВС.

Японской фирмой "Мазда Мотор" в ЕВП 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 λ(0,5+n) длинам резонансных волн пульсаций, где n - целое число, равное нулю или более нуля.

Германской фирмой "Фольксваген" в заявке ФРГ N 3742322, F 02 M 35/10, публ. 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 относительную дороговизну устройства, нестабильность эксплуатационных характеристик упругой стенки, малую долговечность, опасность попадания неочищенного воздуха в цилиндры ДВС при повреждении упругой стенки, существенное излучение звука непосредственно "пульсирующей" упругой стенкой и т.п.

Анализируя и обобщая результаты вышеприведенного патентного обзора, следует сделать вывод, что 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 искуственных 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 многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания, патент России 2064071, МПК6 F 02 M 35/12, публ. 20.07.96, БИ 20, который 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 торцевой стенке штуцер. Последний размещен внутри ресивера и его выход подключен к системе воздухоочистки и топливоподачи двигателя, при этом штуцер по крайней мере на части своей длины выполнен перфорированным, а его свободный срез герметично заглушен.

В рассматриваемом двигателе применена весьма компактная, высокотехнологичная и эффективная конструкция ресивера. Тем не менее, имеются возможности дальнейшего совершенствования конструкции с точки зрения улучшения ее акустических характеристик. Обусловлено это тем, что устройство, описанное в прототипе, практически никоим образом не связано с необходимым подавлением собственных низкочастотных резонансов воздушного объема полости ресивера, усиливающих передачу звука по впускному тракту на этих частотах, а связано только с ослаблением передачи звука и пульсаций воздуха из полости ресивера во внутрь полости перфорированного штуцера путем его демпфирования и отражения (обратно к источнику) в зонах перфорированных отверстий штуцера. Также в прототипе не разрываются (не ослабляются) динамические резонансные взаимосвязи между воздушными полостями впускных патрубков, усиливающие взаимное возбуждение и дополнительную передачу звука в полость ресивера и далее по впускному воздухозаборному патрубку - излучение усиленного шума впуска в окружающую среду. Таким образом, открытие впускного клапана в одном из цилиндров ДВС и распространение соответствующего динамического импульса во впускной патрубок будет возбуждать пульсации и резонансный звук в остальных впускных патрубках многоцилиндрового ДВС, что нежелательно усилит излучение шума в полости ресивера и впускной системы в целом. Также в прототипе не демпфируются структурные вибрации стенки перфорированного штуцера и стенок корпуса ресивера, что может усиливать излучение корпусного структурного звука или вызывать необходимость решения прочностных проблем вибрирующего перфорированного штуцера.

Решение технической задачи направлено на дальнейшее совершенствование конструкции ресивера многоцилиндрового ДВС.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном многоцилиндровом 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 установленный вдоль полости ресивера, закрепленный на его торцевой стенке, частично перфорированный по своей длине штуцер, выход которого подключен к системе воздухоочистки и топливоподачи двигателя, а вход герметично заглушен противоположной торцевой стенкой ресивера, внутри ресивера смонтированы поперечные перегородки из пористого пенистого с открытыми порами или волокнистого газопроницаемого металлического материала, разделяющие полость ресивера на камеры равного объема, число которых равно количеству присоединительных отверстий для впускных патрубков, при этом отверстия перфорации на штуцере сгруппированы в виде поясов, каждый из которых расположен в средней части соответствующей камеры, образованной поперечными перегородками, или поперечной перегородкой и ближайшей к ней торцевой стенкой ресивера. Суммарная площадь отверстий перфорации каждого из поясов составляет не менее 1,2 площади проходного сечения штуцера в месте выполнения пояса перфорации. На внутренних поверхностях торцевых стенок ресивера смонтированы прокладки из пористого или волокнистого газопроницаемого металлического материала.

Сущность изобретения поясняется на чертежах.

На фиг.1 показано устройство тракта впуска заявляемого многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания.

На фиг. 2, 4 и 6 показаны низшие продольные формы колебаний, соответственно, первая, вторая и третья собственные резонансные моды колебаний звукового давления газового объема, заключенного в полости ресивера.

На фиг. 3, 5 и 7 показаны эпюры распределения в объеме ресивера виброскоростей на низших продольных, соответственно, первой, второй и третьей собственных резонансных модах колебаний газового объема, заключенного в полости ресивера.

На фиг.8 и 9 показаны низшие радиальные, соответственно, первая и вторая собственные резонансные моды колебаний звукового давления газового объема, заключенного в полости ресивера.

На фиг.10 и 11 показаны эпюры распределения в объеме ресивера виброскоростей на низших радиальных, соответственно, первой и второй собственных резонансных модах колебаний газового объема, заключенного в полости ресивера.

Многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания содержит головку цилиндров 1 с впускными отверстиями 2, в которых установлены впускные клапаны 3, впускные патрубки 4, отходящие непосредственно от впускных отверстий и выходящие в газосборный ресивер 5, боковая стенка 6 которого снабжена присоединительными отверстиями 7 для названных патрубков 4, и установленный вдоль полости ресивера 5, закрепленный на его торцевой стенке 8, частично перфорированный по своей длине штуцер 9, выход которого подключен к системе 10 воздухоочистки и топливоподачи двигателя, а вход герметично заглушен противоположной торцевой стенкой 11 ресивера. Внутри ресивера смонтированы поперечные перегородки 12 из пористого пенистого с открытыми порами или волокнистого газопроницаемого металлического материала, разделяющие полость ресивера на камеры равного объема, число которых равно количеству присоединительных отверстий для впускных патрубков, при этом отверстия 13 перфорации на штуцере сгруппированы в виде поясов, каждый из которых расположен в средней части соответствующей камеры, образованной поперечными перегородками, или поперечной перегородкой и ближайшей к ней торцевой стенкой ресивера. Суммарная площадь отверстий перфорации каждого из поясов составляет не менее 1,2 площади проходного сечения штуцера в месте выполнения пояса перфорации. На внутренних поверхностях торцевых стенок 8 и 11 ресивера могут быть смонтированы прокладки 14 из пористого или волокнистого газопроницаемого металлического материала.

Реализация рабочего процесса в ДВС соответствующим открытием впускного клапана 3 вызывает перепад давлений в емкости переменного объема цилиндра двигателя, которая сформирована поверхностями днища движущегося поршня и камеры сгорания, (за клапаном) по отношению к окружающей среде. При этом колебательный импульс в виде упругих волн распространяется со скоростью звука в воздушной среде, заполняющей впускной тракт, вследствие чего происходит возбуждение воздушных объемов впускных патрубков 4 с закрытыми впускными клапанами 3 (тупиковых волноводов) и происходит взаимодействие и связанность звуковых полей и газодинамических пульсаций газа в патрубках 4, что затрудняет разобщающее (разделяющее) действие ресивера 5, вызывает формирование соответствующего звукового поля в пространстве полости ресивера 5, отражение звуковых волн от стенок 6, 8 и 11 ресивера 5 по направлению к впускным клапанам 3 патрубков 4 и "вытеснение" и распространение звуковой энергии из полости ресивера 5 в магистраль системы впуска и воздухоочистки 10 как в звукопередающий волновод с определенной акустической проводимостью и далее - излучение этой энергии в виде акустического шума в окружающую среду.

Физико-математическая модель описанного выше динамического состояния объекта выглядит следующим образом.

Каждый, например, из 4-х цилиндров рядного четырехтактного ДВС при его работе генерирует серию импульсов всасывания. Эта последовательность импульсов создает колебания (пульсации) объемного расхода газа с основной частотой: и кратными частотами: f_m=m•f₁, Гц где m=1, 2, 3; n - число оборотов в мин.

Колебания расхода газа в различных цилиндрах сдвинуты по времени: и по фазе: для 4-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 = m•ϕ₁, рад
Двигатель с ресивером в системе впуска способствует обеспечению раздельного (независимого) наддува цилиндров за счет существенного разрыва газодинамических связей между патрубками 4 и объемом ресивера 5. С другой стороны, относительная независимость волновых акустических явлений в патрубках 4, соединяющих ресивер 5 с цилиндрами, приводит к более резкому развитию колебаний газа в каждом патрубке 4 по отдельности. Эти резонансные колебания проявляются на собственных частотах колебаний патрубков

где С - скорость звука, м/с;
р=1, 2, 3, ...;
L_n - 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 примыкающих к нему элементах).

Вследствие несимметрии акустических нагрузок (различного расстояния подсоединения патрубков от центра тяжести воздушной полости ресивера), формируемых конструкцией ресивера, 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 акустическое явление связано с возбуждением первой, наиболее энергоемкой, несимметричной продольной резонансной формы колебаний газа в ресивере. Как правило, ее частота близка (или кратна) к одной из собственных частот колебаний газа в патрубке, что приводит к дополнительному резонансному усилению излучения звука из системы, особенно на частотах нечетных гармоник основной частоты процесса всасывания (f⁽¹⁾). Это подразумевает передачу из ресивера усиленного резонансного излучения звука в магистраль системы впуска и воздухоочистки 10 по направлению к свободному открытому срезу воздухозаборного патрубка воздухоочистителя в окружающую среду. На пути этой цепи передачи это звуковое излучение будет трансформироваться (видоизменяться по спектральному составу, частично усиливаться или ослабляться по амплитудам) по всему пути передачи - впускная труба, воздухоочиститель, воздухозаборный патрубок, моторный отсек и окружающая среда.

Учитывая важную роль ресивера в формировании акустических нагрузок, действующих как непосредственно на впускные патрубки 4, так и на их взаимодействие между собой, с одной стороны, и на передачу акустической энергии по свободной цепи передачи (по магистрали системы впуска) в окружающую среду, с другой стороны, логична постановка задачи о внесении в ресивер эффективного звукозаграждающего элемента для ослабления свободной передачи из него акустической энергии. Тем более, что, как это было уже отмечено выше, предлагаемая по месту зона воздействия (полость ресивера) является зоной высокой концентрации звуковой энергии, генерируемой процессом наполнения цилиндров. При резонансных режимах газ в системе колеблется как газ в сильно связанных между собой объемах с нарушенным (недостаточным) разделением воздушных объемов (т. е. частично нарушается основная функция ресивера - разделение газодинамических процессов в отдельных цилиндрах с получением улучшенного их наполнения за счет независимого динамического наддува). В данном случае таким предлагаемым элементом улучшения основных функций ресивера является введение в его конструкцию поперечных перегородок 12 из газопроницаемого металлического материала, обладающего высокими звукопоглощающими и вибродемпфирующими свойствами, и определенным образом расположенных в объеме ресивера 5, таким образом, что полость ресивера частично разобщается на четыре резонаторные камеры, параллельно подключенные к газоводу (штуцеру 9), не взаимодействующие между собой в силу газопроницаемости перегородок 12 и заглушающие шум в широком частотном диапазоне.

Пористые газопроницаемые перегородки 12 эффективно рассеивают низкочастотные пульсации газа (воздуха), засасываемого в отдельный цилиндр двигателя, возникающие в момент открытия и закрытия впускного клапана 2 (клапанов) данного цилиндра ДВС, т.к. эти пульсации, попадая в соответствующую камеру (например, одну из четырех) ресивера 5, расширяются в камере и, продавливаясь через пористую структуру перегородок 12 в соседние три камеры, дополнительно теряют энергию, преобразовываясь в теплоту, в результате трения газовых пульсаций, распространяемых (передаваемых) через структуру пористых перегородок 12.

Поперечные перегородки 12 выполняют дополнительную функцию вибродемпферов структурных вибраций и корпусного звука внешней стенки ресивера и обеспечивают вибродемпфирование и вибропрочность внутреннему перфорированному штуцеру 9, т.к. материал перегородок обладает достаточно высокими демпфирующими и упругими характеристиками.

Суммарная площадь проходных сечений отверстий 13 перфорации стенки штуцера 9 в каждой из камер должна составлять примерно 1,2 площади поперечного проходного сечения штуцера 9 в месте выполнения этого пояса перфорации, что исключает дополнительные гидропотери при всасывании воздуха в данный цилиндр двигателя, тем более, что дополнительное просасывание воздуха из полости ресивера 5 происходит в этот момент и из других поясов перфорации и через газопроницаемые перегородки 12. Кроме того, каждый из поясов отверстий 13 перфорации, расположенный в середине соответствующей камеры, реализует по паре 1/4 волновых резонаторов, что благоприятно сказывается на шумозаглушающей функции ресивера.

Дополнительная плотная облицовка торцевых стенок 8 и 11 пористыми прокладками 14 позволяет дополнительно повысить поглощение воздушного звука и низкочастотных пульсаций в пространстве ресивера 5 и дополнительно приводит к ослаблению структурного возбуждения торцевых стенок 8 и 11 ресивера, предупреждая его переизлучение в виде корпусного звука.

Максимальная эффективность превращения акустической энергии в тепловую достигается за счет оптимального размещения пористых перпегородок 12 в зонах максимального значения скоростей колебаний звуковых волн, что наглядно иллюстрируется на фиг.3, 5, 7. Расположение штуцера 9 по оси ресивера 5 предотвращает возбуждение низшей (наиболее энергоемкой) радиальной собственной формы колебаний воздушного объема, заключенного в полости ресивера 5.

Формула изобретения

1. Многоцилиндровый 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 присоединительными отверстиями для названных патрубков, и установленный вдоль полости ресивера, закрепленный на его торцовой стенке штуцер, выход которого подключен к системе воздухоочистки и топливоподачи двигателя, а входной срез заглушен противоположной торцевой стенкой ресивера, при этом штуцер по крайней мере на части своей длины выполнен перфорированным, отличающийся тем, что внутри ресивера смонтированы сплошные поперечные перегородки из пористого пенистого с открытыми порами или волокнистого газопроницаемого металлического материала, разделяющие полость ресивера на камеры равного объема, число которых равно количеству присоединительных отверстий для впускных патрубков, при этом отверстия перфорации на штуцере сгруппированы в виде поясов, каждый из которых расположен в средней части соответствующей камеры, образованной поперечными перегородками, или поперечной перегородкой и ближайшей к ней торцевой стенкой ресивера.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что суммарная площадь отверстий перфорации каждого из поясов составляет не менее 1,2 площади проходного сечения штуцера в месте выполнения пояса перфорации.

3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на внутренних поверхностях торцевых стенок ресивера смонтированы прокладки из пористого газопроницаемого металлического материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1