Способ подачи топливовоздушной смеси в четырехтактный двигатель внутреннего сгорания и устройство подачи топливовоздушной смеси

Изобретение относится к двигателестроению, к способам и устройствам для впуска топливовоздушной смеси в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, использующие кинетическую энергию во всасывающих системах для улучшения заполнения цилиндра. Изобретение позволяет повысить наполнение цилиндра на всех режимах работы двигателя за счет использования волновых, резонансных и инерционных явлений во впускной системе и, как следствие, повышение топливной экономичности двигателя. Способ подачи топливовоздушной смеси в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания включает подачу свежего заряда топливовоздушной смеси в цилиндр двигателя через впускной канал переменного объема, изменение которого происходит в зависимости от режима работы двигателя для достижения эффекта резонанса и повышения давления в полости впускного тракта. Свежий заряд топливовоздушной смеси для подачи в рабочий цилиндр двигателя формируют в проточной полости впускного тракта - резонансной камере переменного объема, ограниченной обратными клапанами, а формируемый свежий заряд равен количеству рабочего тела в цилиндре. Устройство подачи топливовоздушной смеси в четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит на входе воздушную заслонку, впускной канал переменного объема. Один обратный клапан размещается во впускном тракте в непосредственной близости к впускному клапану цилиндра. Второй клапан размещается во впускном тракте так, чтобы между клапанами, в резонансной камере, разместился объем свежего заряда, соответствующий оптимальному объему на всем диапазоне рабочих оборотов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к способам резонансного наддува и устройствам для впуска топливовоздушной смеси в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, использующие кинетическую энергию во всасывающих системах для улучшения заполнения цилиндра.

Известен способ наддува поршневой машины (патент РФ №2136919, опубл. 10.09.1999), например двигателя внутреннего сгорания, включает двухступенчатое изменение объема резонатора, подключенного к его впускному коллектору с частотой, пропорциональной числу оборотов двигателя, при этом минимальное значение объема резонатора устанавливают при открытом впускном клапане на время Δt=(1,0-0,7)t_o, где t_o - интервал времени, в течение которого впускной орган цилиндра открыт.Изобретение обеспечивает повышение эффективности наддува двигателя внутреннего сгорания.

Данное устройство позволяет сформировать ассиметрию полуволн, (1/2λ_вп)<(1/2λ)_вып, резонатор Гельмгольца переменного объема не является проточной частью впускного тракта, а приделывается к впускному тракту в виде глухой полости "колбообразной" формы.

Известны способ впуска и лепестковый клапан для впуска четырехтактного двигателя внутреннего (патент РФ №2133842, опубл. 27.07.1999), в котором подачу топливовоздушной смеси на низких частотах вращения двигателя - заполнение цилиндра свежим зарядом - производят через впускной тарельчатый клапан, с приводом от распределительного вала и установленный перед ним во впускном канале автоматический лепестковый клапан, а на высоких частотах вращения двигателя заполнение цилиндра свежим зарядом производят через впускной тарельчатый клапан цилиндра при полностью открытом впускном канале, автоматический клапан принудительно открыт. Данный способ направлен на повышение наполнения цилиндра только на низких частотах вращения двигателя.

Известно устройство для резонансного наддува двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №1328566, опубл. 07.08.1987), ближайший по технической сущности к заявляемому и принятый за прототип, в котором в зависимости от оборотов коленчатого вала с помощью подвижного поршня и насадок регулируются длина и объем впускной системы для получения резонансных колебаний во впускной системе в широком диапазоне частот работы двигателя. Данное устройство, являясь проточным резонатором Гельмгольца, позволяет расширить диапазон резонансных режимов работы двигателя, но не формирует ассиметрию полуволн волны впуска во впускном тракте. В реальных двигателях длины полуволн волны впуска различны.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении наполнения цилиндра на всех режимах работы двигателя за счет использования волновых, резонансных и инерционных явлений во впускной системе и, как следствие, повышении топливной экономичности двигателя.

Технический результат достигается тем, что в способе подача топливовоздушной смеси в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания осуществляется через воздушную заслонку и резонансную камеру переменного объема. Изменение объема резонансной камеры происходит в зависимости от режима работы двигателя, новым является то, что свежий заряд топливовоздушной смеси для подачи в рабочий цилиндр двигателя формируют в проточной полости впускного тракта - резонансной камере, ограниченной обратными клапанами. Формируемый свежий заряд равен количеству рабочего тела в цилиндре, расчет сравнительных параметров производится при стандартных нормальных условиях.

При этом собственная частота колебаний свежего заряда рабочего тела, ограниченного в полости впускного тракта обратными клапанами, равна вынужденной частоте колебаний рабочего тела во впускном тракте.

Технический результат достигается тем, что в способе подачи топливовоздушной смеси в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, включающем подачу свежего заряда топливовоздушной смеси в цилиндр двигателя через впускной канал переменного объема, изменение которого происходит в зависимости от режима работы двигателя для достижения эффекта резонанса и повышения давления в полости впускного тракта, свежий заряд топливовоздушной смеси для подачи в рабочий цилиндр двигателя формируют в проточной полости впускного тракта - резонансной камере переменного объема, ограниченной обратными клапанами, а формируемый свежий заряд равен количеству рабочего тела в цилиндре.

В устройстве подачи топливовоздушной смеси в четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащем на входе воздушную заслонку, впускной канал переменного объема, один обратный клапан размещается во впускном тракте в непосредственной близости к впускному клапану цилиндра, второй клапан размещается во впускном тракте так, чтобы между клапанами, в резонансной камере, разместился объем свежего заряда, соответствующий оптимальному объему на всем диапазоне рабочих оборотов.

Резонансная камера переменного объема, ограниченная обратными клапанами, может быть выполнена в проточной полости впускного тракта.

Резонансная камера переменного объема, ограниченная обратными клапанами, может быть выполнена в виде полости с установленным в ней механизмом регулирования объема, например в виде подвижного поршня, изменение объема осуществляет блок управления (электронный, механический) в зависимости от оборотов коленчатого вала и температуры в резонансной полости, а геометрический объем резонансной камеры вычисляется по формуле

где V_i - искомый геометрический объем резонансной камеры;

ω_i - частота собственных колебаний рабочего тела в резонансной камере;

с - скорость звука в рабочем теле, (м/с);

S_вх - площадь входного сечения резонансной камеры;

L_pi - условная, расчетная, приведенная длина колебательной системы, (м).

На чертеже представлена схема устройства впуска четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, где: 1 - цилиндр двигателя; 2 - поршнень; 3 - впускной клапан; 4 - выпускной клапан; 5 - распределительный вал; 6, 9 - полость впускного канала - резонансная камера, изменяемого объема; 7 - обратный клапан на входе в резонансную камеру; 8 - обратный клапан на выходе из резонансной камеры; 10 - поршень для изменения объема резонансной камеры; 11 - блок управления; 12 - воздушная заслонка; 13 - дозатор топлива; 14 - воздухозаборник.

Устройство впуска топливовоздушной смеси для четырехтактного двигателя внутреннего сгорания содержит на входе воздухозаборник 14 и воздушную заслонку 12 с дозатором топлива 13, после которой на входе в резонансную камеру изменяемого объема установлен обратный клапан 7. На выходе из резонансной камеры изменяемого объема установлен обратный клапан 8, встроенный в непосредственной близости к впускному клапану цилиндра 3, полости впускного канала 6, 9 с поршнем 10 формируют резонансную камеру переменного объема. Перемещение поршня 10 осуществляет блок управления 11 пропорционально углу поворота воздушной заслонки 12 с коррекцией геометрического объема полостей 6, 9 резонансной камеры по температуре в полостях 6, 9 и оборотам коленчатого вала двигателя.

Сущность способа заключается в следующем. В фазе впуска двигателя внутреннего сгорания создается разряжение в цилиндре двигателя 1 (см. чертеж). Под действием разряжения подготовленный в полости 6, 9 резонансной камеры свежий заряд перетекает за время фазы впуска через открытый впускной клапан 3 и обратный клапан 8 из полости 6, 9 резонансной камеры в полость цилиндра 1. Полость 6, 9 резонансной камеры освобождается, в ней понижается давление. Время разряжения полости 6, 9 резонансной камеры и время фазы впуска теоретически должны быть равными. В существующих двигателях с нерегулируемыми фазами впуска время открытого состояния впускного клапана 3 больше - до 1,5 раз времени теоретического такта всасывания - движения поршня рабочего цилиндра от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки. При движении поршня 2 вверх при открытом впускном клапане 3 в начале такте сжатия происходит выброс свежего заряда во впускной тракт, закрытие обратного клапана 8 исключает противоток свежего заряда из полости цилиндра 1 во впускной тракт и блокируется в "паразитной" полости впускного тракта между клапаном 8 и закрытым впускным клапаном 3.

В момент разрядки полости 6, 9 резонансной камеры давление в ней понижается, перепад давления открывает обратный клапан 7. При закрытом обратном клапане 8 и открытом обратном клапане 7 происходит заполнение полости 6, 9 резонансной камеры свежим зарядом за счет динамического напора потока. По окончании зарядки полости 6, 9 резонансной камеры динамический напор уменьшается, в момент возникновения противотока, обратный клапан 7 закрывается аналогично обратному клапану 8. Система готова к следующему циклу фазы впуска. Обратный клапан 7 в автоматическом режиме определяет время зарядки полости 6, 9 резонансной камеры.

При изменении числа оборотов двигателя значительно меняется расход рабочего тела через двигатель. Как следствие, во впускном тракте значительно изменяется скорость потока, в квадратичной зависимости изменяется энергия динамического напора. Объема полости 6, 9 резонансной камеры, настроенного, например, на малые обороты, недостаточно для пропуска увеличенного количества топливовоздушной смеси. При фазе впуска обратный клапан 7 будет открываться раньше, чтобы пропустить через впускную систему увеличенную порцию топливовоздушной смеси. Резонансный режим работы системы нарушается. Для восстановления резонансного режима необходимо изменить объем полости 6, 9 резонансной камеры. Поршень 10 изменяет объем до расчетного значения. Он через блок управления 11 связан с положением воздушной заслонки 12, например механически, и с изменением оборотов изменяет геометрический объем полости 6, 9 резонансной камеры.

Для регулирования объема впускной полости используются известные зависимости - формула Гельмгольца для расчета частоты собственных колебаний рабочего тела

где ω - частота собственных колебаний рабочего тела, (Гц);

с - скорость звука в среде рабочего тела, (м/с);

S - площадь поперечного сечения горловины, (м²);

V - объем резонансной полости, (м³);

L_p - длина горловины, (м).

В нашем случае

где V_i - искомый геометрический объем полости 6, 9 резонансной камеры, эквивалентный объему свежего заряда при температуре Т_i (К) и плотности ρ_i (кг/м³) рабочего тела в резонансной камере, (м³);

ω_i - частота собственных колебаний рабочего тела в полости 6, 9 резонансной камеры, при температуре Т_i (К) и плотности ρ_i (кг/м³) рабочего тела в резонансной камере, (Гц). Частота собственных колебаний ω_i

ω_i=ω_ni (Гц),

где ω_ni - вынужденные колебания;

ω_ni=n/60 (Гц),

где n - частота вращения коленчатого вала двигателя (мин^-1);

с - скорость звука в рабочем теле, при температуре Т_i (К) и плотности ρ_i (кг/м³) рабочего тела в резонансной камере, (м/с);

S_вх=S_кл7 - площадь входного сечения полости 6, 9 резонансной камеры, в нашем случае совпадает со средним сечением обратного клапана 7 и равна средней площади открытого обратного клапана 7, (м²);

L_pi - условная, расчетная, приведенная длина колебательной системы, состоящей из полостей 6, 9 резонансной камеры, обратного клапана 7 - на входе в резонансную камеру; обратного клапана 8 - на выходе из резонансной камеры; поршня 10 для изменения объема резонансной камеры, (м).

Рассчитывается по формуле

где L_pi - условная, расчетная, приведенная длина колебательной системы, (м);

ρ₀ - плотность рабочего тела при нормальных условиях, если рабочим телом является воздух, то: Р₀=101325 (Па), Т₀=293 (К), (кг/м³);

V_г - геометрический объем рабочего цилиндра, (м³);

К_н - коэффициент наполнения рабочего цилиндра.

По данным формулам определяется зависимость объема полости 6, 9 резонансной камеры от оборотов коленчатого вала и температуры в полостях 6, 9.

Цель настройки объема полости 6, 9 резонансной камеры - добиться за счет резонансного эффекта повышения давления в нем за счет полного использования энергии набегающего потока и перевода кинетической энергии набегающего потока в потенциальную энергию давления; максимально использовать энергию импульса всасывания на выбранном режиме работы двигателя; во временной период закрытого впускного клапана 3 подготовить свежий заряд рабочего тела рабочего цилиндра 1. Обратные клапаны 7, 8 в автоматическом режиме корректируют длины полуволн наполнения - разрядки - полости 6, 9 резонансной камеры.

1. Способ подачи топливовоздушной смеси в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, включающий подачу свежего заряда топливовоздушной смеси в цилиндр двигателя через впускной канал переменного объема, изменение которого происходит в зависимости от режима работы двигателя для достижения эффекта резонанса и повышения давления в полости впускного тракта, отличающийся тем, что свежий заряд топливовоздушной смеси для подачи в рабочий цилиндр двигателя формируют в проточной полости впускного тракта - резонансной камере переменного объема, ограниченной обратными клапанами, а формируемый свежий заряд равен количеству рабочего тела в цилиндре.

2. Устройство подачи топливовоздушной смеси в четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащее на входе воздушную заслонку, впускной канал переменного объема, отличающееся тем, что один обратный клапан размещается во впускном тракте в непосредственной близости к впускному клапану цилиндра, второй клапан размещается во впускном тракте так, чтобы между клапанами в резонансной камере разместился объем свежего заряда, соответствующий оптимальному объему на всем диапазоне рабочих оборотов.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что резонансная камера переменного объема, ограниченная обратными клапанами, выполнена в проточной полости впускного тракта.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что резонансная камера переменного объема, ограниченная обратными клапанами, выполнена в виде полости с установленным в ней механизмом регулирования объема, например в виде подвижного поршня, изменение объема осуществляет блок управления (электронный, механический) в зависимости от оборотов коленчатого вала и температуры в резонансной полости, а геометрический объем резонансной камеры вычисляется по формуле:

где V_i - искомый геометрический объем резонансной камеры;

ω_i - частота собственных колебаний рабочего тела в резонансной камере;

С - скорость звука в рабочем теле, (м/с);

S_вх - площадь входного сечения резонансной камеры;

L_pi - условная расчетная приведенная длина колебательной системы, (м).