Способ глушения шума выхлопа продуктов сгорания из цилиндра двс и двс для его осуществления
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам глушения выхлопа продуктов сгорания рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания. Способ глушения шума выхлопа продуктов сгорания рабочей смеси ДВС с разделением цикловой порции их на потоки с последующими выпуском их в окружающую среду и эжектированием остатков продуктов из цилиндра заключается в том, что перед открытием поршнем выхлопного окна уменьшают давление продуктов сгорания в цилиндре, перепуская часть продуктов из цилиндра в обводную полость двумя синхронными потоками, для чего первой выпускают часть продуктов сгорания из противолежащего окну выхлопа отверстия системы отверстий, расположенного в начале сектора предвыпуска - сектора преимущественно поперечного перемещения шейки коленвала и замедления осевого перемещения поршня к НМТ, разделяют эту часть на два полупотока, в каждый из которых затем последовательно и попарно выпускают струи продуктов сгорания из последующих отверстий предвыпуска, эти полупотоки после выхлопного окна соединяют во фланце выхлопного трубопровода и в этот общий поток выпускают после открытия поршнем выхлопного окна оставшиеся в цилиндре продукты сгорания. Двухтактный ДВС состоит из одного, по крайней мере, цилиндра с гильзой и перемещающегося в нем поршня, кинематически связанного с коленвалом, средств подготовки рабочей смеси и подвода ее в цилиндр, зажигания и выпуска продуктов сгорания со средствами продувки, например петлевой. На внешней поверхности цилиндра над уровнем выхлопного окна выполнена обводная полость, соединенная с выхлопным окном и фланцем выпускного трубопровода. Цилиндр и гильза имеют систему отверстий предвыпуска, сообщенных с полостью, с одним, по крайней мере, средством разделения перепускаемой части продуктов сгорания в обводную полость. Площадь выхлопного окна уменьшена на суммарную площадь отверстий предвыпуска за счет уменьшения высоты выхлопного окна. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к машиностроению, преимущественно - к двигателестроению, а именно - к способам глушения шума выхлопа продуктов сгорания рабочей смеси из цилиндра поршневого ДВС и конструкции двухтактного ДВС.
По авторскому свидетельству СССР №868070, F 01 N 1/00, G 10 K 11/00 за 1981 г. снижение шума выхлопа достигается путем трансформации в резонаторах звуковых волн низкой частоты в волны высокой частоты с последующим поглощением в камере с звукопоглотителем и разгоном потоков газа при этом до околозвуковой скорости. В способе заглушения шума ДВС и устройстве по а.с. №1453059, F 01 N 1/08 за 1989 г. преобразуют пульсирующий поток выхлопных газов в нестационарную струю с отделением дискретных частей и выравнивают их давление перед выпуском в окружающую среду. В способе по а.с. №1344924, F 02 B 27/00 за 1986 г. с устройством используют энергию выхлопных газов ДВС, подавая струи от каждого цилиндра через индивидуальный трубопровод в камеру смешения, и эжектируют окружающую среду струей выхлопных газов с разделением струй перед эжектированием на несколько частей и эжектирование выполняют расходящимися частями струй.
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сути является описанный в патенте РФ №2013575, F 01 N 1/08 за 1994 год способ глушения шума выхлопа и четырехтактный ДВС, по которому разделяют цикловые порции выхлопных газов на потоки, направляют первый из них в основную полость с последующим выпуском его в окружающую среду
Второй поток с задержкой по времени выпускают в демпфирующую полость, а после выпуска первого перепускают в основную полость второй поток для последующего выпуска его в окружающую среду.
По а.с. СССР №1375844, F 02 B 35/00 за 1988 год известен двухтактный ДВС, содержащий основной и дополнительный выпускной орган в крышке цилиндра c эжектором в выпускном трубопроводе с перепускным каналом, соединяющим выпускные окна с активным соплом эжектора.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому двигателю является двухтактный ДВС с петлевой продувкой, описанный в патенте РФ №1562494, F 02 B 35/00 за 1990 год, цилиндр которого имеет продувочное, соединенное с выпускным трубопроводом, основное и дополнительные выпускные окна. Пассивное сопло газового эжектора в выпускном трубопроводе сообщено через накопитель разрежения с обратным клапаном и дополнительным выпускным окном, верхняя кромка которого расположена ниже верхней кромки продувочного окна.
Как и во всех известных в науке и технике решениях (способах и ДВС), авторы перечисленных аналогов решают проблему снижения шума выхлопа традиционным способом: сначала с громким выхлопом ("пуком") открывают выпускное окно, а затем дополнительными средствами пытаются компенсировать или, хотя бы, уменьшить громкость этого выхлопа.
Изобретение решает задачу уменьшения шума выхлопа продуктов сгорания из цилиндра двухтактного ДВС предвыпуском части их и использования энергии этой части для улучшения продувки цилиндра одновременно с улучшением сгорания смеси и уменьшением токсичности выхлопа. Суть изобретения-способа состоит в том, что для глушения шума выхлопа продуктов сгорания двухтактного ДВС разделяют цикловую порцию их на потоки с последующими выпуском их в окружающую среду и эжектированием оставшейся в цилиндре части ее при этом, перед открытием поршнем выхлопного окна уменьшают давление в цилиндре посредством перепуска части продуктов из цилиндра в обводную полость двумя синхронными потоками из одного отверстия системы отверстий предвыпуска, противолежащего выхлопному окну и расположенного в секторе предвыпуска - секторе преимущественно поперечного оси цилиндра перемещения шейки коленвала и замедления перемещения поршня к НМТ, разделив эту часть выпуска на полупотоки, в которые последовательно и попарно выпускают струи продуктов, направленных к выхлопному окну, и после одновременного объединения полупотоков за выхлопным окном в выпускном трубопроводе перед открытием окна в суммарный поток в выпускном трубопроводе после открытия выхлопного окна выпускают из цилиндра оставшиеся продукты сгорания.
В заявленном способе глушения шума выхлопа снижение давления продуктов сгорания в цилиндре перед открытием выхлопного окна обеспечивают системой отверстий предвыпуска переменных диаметров - с максимальным диаметром у противолежащего выпускному окну отверстия и уменьшающимися диаметрами у каждой последующей пары их или наоборот - с минимальным диаметром у противолежащего и одинаковым увеличением диаметров у каждой последующей пары отверстий предвыпуска. Двухтактный ДВС для осуществления заявляемого способа, состоящий из одного, по крайней мере, цилиндра с гильзой и перемещающегося в нем поршня, кинематически связанного с шейкой коленвала, средств подготовки, впуска рабочей смеси в цилиндр, зажигания и выпуска продуктов сгорания ее в окружающую среду, выполнен с обводной полостью, расположенной на внешней поверхности цилиндра в зоне выпускного окна и соединенной с фланцем трубопровода выпуска, гильза имеют систему отверстий предвыпуска, при этом площадь выхлопного окна уменьшена на суммарную площадь перепускных отверсстий предвыпуска за счет уменьшения высоты его, а противолежащее выхлопному окну первое отверстие предвыпуска имеет разделитель выпускаемой части продуктов на полупотоки.
Система отверстий предвыпуска выполнена с тангенциальным ориентированием последующих за противолежащим выхлопному окну отверстий в гильзе, направляющих струи к выхлопному окну, а центр обводной полости смещен от оси цилиндра к выхлопному окну.
В системе предвыпускных отверстий двухтактный ДВС, по крайней мере, противолежащая выпускному окну пара их выполнена с осевым ориентированием отверстий, выход каждого из них с направляющей расположены в соответствующей обводной полуполости со смещением направляющих каждой последующей пары их от нижней стороны полуполости к верхней стороне полости, отлитой при литье цилиндра с местным увеличением диаметра его, а вход каждого отверстия расположен в упомянутой зоне преимущественно поперечного перемещения шейки коленвала ДВС.
Кожух обводной полости, приваренный на цилиндре, может иметь на выходном конце каждой половины конфузорную и диффузорную часть с критическим сечением между ними.
Концы кожуха могут выполняться с конфузорной, а фланец выпускного трубопровода - с диффузорной частью, переходящими в сопрягаемое критическое сечение.
В любом варианте выполнения кожуха он может иметь средства охлаждения на внешней поверхности.
Внешняя поверхность кожуха может быть выполнена с радиатором охлаждения, например - с продольными ребрами.
Внешняя поверхность кожуха может выполняться с одной, по крайней мере, полостью для охлаждающей жидкости со средствами подвода и отвода ее из этой полости.
Полость охлаждения кожуха может быть выполнена как отдельная ветвь системы охлаждения двигателя, например - с общим вводом и выводом охлаждающей жидкости из системы двигателя. Выполнение ДВС с обводной полостью и системой предвыпуска обеспечивает двухступенчатое разделение цикловой порции продуктов сгорания на потоки и струи их, синхронизированные по времени, направлению и массе, одновременно с их последовательным разгоном в конце обводной полости, эжектирование остатков газов из цилиндра при открытии выхлопного окна с уменьшением децибел при этом, как за счет уменьшения давления газов в цилиндре к моменту выпуска в трубопровод выпускной, так и за счет уменьшения площади выхлопного окна. Предлагаемое решение реализует принципиально иной подход к решению проблемы - оно вместо громкого "ПУКА" реализует "ПШИК" с минимальными децибелами уже в момент выпуска газов из цилиндра. При этом удается дополнительно улучшить продувку цилиндра, что способствует улучшению и стабилизации стехиометрического состава рабочей смеси и токсичности продуктов выхлопа из ДВС.
На фиг.1 показан заявляемый ДВС с концентричной обводной полостью в зоне НМТ и системой отверстий предвыпуска, на фиг.2 - с эксцентричной полостью в цилиндре и тангенциально ориентированными отверстиями предвыпуска в гильзе ДВС, сечение их плоскостью А-А. На фиг.3, 4 - установка разделителя в отверстии 5 предвыпуска, противолежащего выхлопному окну, и на фиг.5 - развертка системы предвыпуска с отверстиями переменных диаметров в обводной полости.
В цилиндре 1 с гильзой 2 (фиг.1), поршнем 3 выполнены полость 4 (фиг.2) и система отверстий 5-7 предвыпуска в гильзе, соединенная с фланцем 10 выпускного трубопровода.
Система отверстий предвыпуска 5-7 (фиг.2) расположена в секторе преимущественно поперечного оси цилиндра перемещения шейки коленвала, шатуна и штока кривошипно-шатунного механизма. Полость 4 тангенциально орентированными отверстиями 5, 6 и 6, 7 и 7 сообщена с полостью гильзы 2 и сообщена с выхлопными окнами 8 гильзы и цилиндра, а в отверстии 5 ее установлен разделитель 9 (фиг.3, 4).
Обводная полость 4 может выполняться концентричной оси цилиндро-поршневой группы или эксцентричной им со смещением к выхлопному окну на расстояние, например, О1-О2 (фиг.2).
Работает заявленный двухтактный ДВС следующим образом.
Подготовка рабочей смеси, ее подача в цилиндр 1, сжатие поршнем 3 цикловой порции при движении его к ВМТ, зажигание смеси и рабочий ход поршня к НМТ осуществляются известным и описанным в литературе образом.
Синхронно с перемещением поршня в рабочем ходе уменьшается давление в цилиндре кроме секторов -45+45 от оси цилиндра у ВМТ (НМТ), так как в этих секторах характер перемещения КШМ меняется заметно: осевое перемещение поршня к НМТ резко замедляется и движение КШМ сводится преимущественно к поперечному перемещению штока, шатуна и шейки вала, началом которой условно можно считать углы 45(135) градусов между штоком и осью цилиндра у ВМТ(НМТ) соответственно, преобразования давления газов в крутящий момент практически не происходит. Следовательно, сохранение давления - даже минимального - до открытия выхлопного окна обеспечивает только существенный хлопок продуктов сгорания при выходе их из него, ухудшение продувки и соответственно стехиометрии следующей порции рабочей смеси в работе известных ДВС. Поэтому при открытии кромкой поршня верхнего отверстия предвыпуска 5 разделитель 9 его делит выходящую часть газов на два потока, а направляющие поверхности его ориентируют каждый из них в своей половине полости 4 и направляют их синхронно в сторону выпускного окна 8. Соответственно уменьшается давление в цилиндре, но так как отверстия предвыпуска малы, то истечение газа через каждое из них не сопровождается децибеллами "пука" даже при открытии первого (верхнего) отверстия 5. А так как полость 4 замкнута и имеет форму полукольца, каждая струя газа теряет часть энергии на трение о поверхность её. Последовательно, по мере открытия кромкой поршня следующих отверстий 6 и 6, 7 и 7 предвыпуска, дополнительно снижается давление в цилиндре и соответственно уменьшается количество децибеллов при открытии окна выпуска 8, чему дополнительно способствует и созданное струями газа разрежение в окне и на входе во фланец выпускного трубопровода 10. Оно уменьшается дополнительно как за счет уменьшения высоты ее, так и в случае выполнения выхода из полости 4 и фланца 9 выпускного трубопровода конфузорно-диффузорными. Дополнительно уменьшаются децибеллы выхлопа экранированием его предвыпущенной порцией продуктов сгорания, находящейся во фланце в момент открытия окна. Соответственно улучшается продувка цилиндра эжектированием остатков продуктов сгорания этим разрежением из цилиндра, а также продляет продувку и после перекрытия окна выпуска поршнем после начала движения его к ВМТ эжектированием газов через отверстия предвыпуска 5-7. В результате улучшается и стабилизируется фактический стехиометрический состав очередных цикловых порций рабочей смеси, которые в цилиндре смешиваются с меньшим остатком продуктов сгорания предыдущей цикловой смеси. А улучшение состава смеси способствует улучшению сгорания ее и снижению токсичности выхлопа ДВС.
Кожух 5 может иметь отлитые ребра охлаждения, штамповкой половинок его и сваркой их между собой и к цилиндру или соединяться с ним посредством прокладки и болтов.
Полость 4 может выполняться отливкой цилиндра с местным увеличением диаметра его. В этом варианте при выполнении отверстий предвыпуска с осевым ориентированием в полости перед каждым отверстием устанавливают направляющие струй предвыпуска к выпускному окну (условно не показаны - отнесены к ноу-хау).
Предполагается наиболее экономичным выполнение ДВС с обводной полостью за счет эксцентрично смещенного к выхлопному окну кожуха (схематично показан на фиг.2), создающего при этом диффузорность полости.
Промышленная применимость дополнительно подтверждается применяемыми материалами, оборудованием и технологиями, серийно производимыми и используемыми в машиностроении и достаточными для производства заявляемого ДВС. Для реализации данного решения достаточно выполнить дополнительно расчеты газодинамического процесса двигателя, в том числе - для определения оптимального количества отверстий в системе предвыпуска, их геометрические характеристики и расположение. Методика таких расчетов известна и применяется в двигателестроении, тем не менее данное решение может быть темой не одной научной работы.
1. Способ глушения шума выхлопа продуктов сгорания рабочей смеси ДВС с разделением цикловой порции их на потоки с последующими выпуском их в окружающую среду и эжектированием остатков продуктов из цилиндра при этом, отличающийся тем, что перед открытием поршнем выхлопного окна уменьшают давление продуктов сгорания в цилиндре, перепуская часть продуктов из цилиндра в обводную полость двумя синхронными потоками, для чего первой выпускают часть продуктов сгорания из противолежащего окну выхлопа отверстия системы отверстий, расположенного в начале сектора предвыпуска - сектора преимущественно поперечного перемещения шейки коленвала и замедления осевого перемещения поршня к НМТ, разделяют эту часть на два полупотока, в каждый из которых затем последовательно и попарно выпускают струи продуктов сгорания из последующих отверстий предвыпуска, эти полупотоки после выхлопного окна соединяют во фланце выхлопного трубопровода и в этот общий поток выпускают после открытия поршнем выхлопного окна оставшиеся в цилиндре продукты сгорания.
2. Способ глушения шума выхлопа по п.1, отличающийся тем, что снижение давления продуктов сгорания в цилиндре перед открытием выхлопного окна обеспечивают системой отверстий предвыпуска переменных диаметров с максимальным диаметром у противолежащего выхлопному окну отверстия и уменьшающимися диаметрами отверстий у каждой последующей пары их или наоборот с минимальным диаметром у противолежащего и увеличением диаметров отверстий у каждой последующей пары.
3. Двухтактный ДВС, состоящий из одного, по крайней мере, цилиндра с гильзой и перемещающегося в нем поршня, кинематически связанного с коленвалом, средств подготовки рабочей смеси и подвода ее в цилиндр, зажигания и выпуска продуктов сгорания со средствами продувки, например петлевой, отличающийся тем, что на внешней поверхности цилиндра над уровнем выхлопного окна выполнена обводная полость, соединенная с выхлопным окном и фланцем выпускного трубопровода, цилиндр и гильза имеют систему отверстий предвыпуска, сообщенных с полостью, с одним, по крайней мере, средством разделения перепускаемой части продуктов сгорания в обводную полость, площадь выхлопного окна уменьшена на суммарную площадь отверстий предвыпуска за счет уменьшения высоты выхлопного окна.
4. Двухтактный ДВС по п.3, отличающийся тем, что система предвыпуска выполнена с тангенциальным ориентированием отверстий, направляющих струи к выхлопному окну из отверстий в цилиндре и гильзе, последующих за противолежащим выхлопному окну, а центр обводной полости смещен от оси цилиндра к выхлопному окну.
5. Двухтактный ДВС по п.3, отличающийся тем, что система предвыпуска выполнена с осевым ориентированием противолежащих выхлопному окну отверстий в стенке гильзы, а полость обводная отлита при литье цилиндра с местным увеличением его диаметра и осевым смещением выходных отверстий в направляющих от нижней стороны полости к верхней ее стороне у каждой последующей пары отверстий, а вход каждой пары расположен в упомянутой зоне преимущественно поперечного перемещения шейки коленвала ДВС.
6. Двухтактный ДВС по п.4, отличающийся тем, что обводная полость его выполнена с кожухом, приваренным на цилиндре и имеющим на каждом конце конфузорную и диффузорную часть с критическим сечением между ними.
7. Двухтактный ДВС по п.6, отличающийся тем, что конфузорная часть на концах его кожуха сопряжена критическим сечением с диффузорной частью выпускного трубопровода или его фланца.
8. Двухтактный ДВС по п.6, отличающийся тем, что на внешней поверхности кожуха выполнены средства охлаждения - продольные ребра.
9. Двухтактный ДВС по п.6, отличающийся тем, что обводная полость его выполнена с дополнительной полостью для охлаждающей жидкости с индивидуальными средствами подвода и отвода ее в полость или полостью, сообщенной с полостью охлаждения двигателя.
