ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B29/02 F02M35/10 

Изобретение относится к двигателестроению, в 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 во 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).

Таким образом, устранение карбюратора как консервативного устройства, не обеспечивающего высокие экологические характеристики ДВС и транспортного средства в целом ("грубая" дозировка топлива, испарение паров топлива из карбюратора и пр.) и применение системы электронного впрыска топлива вызывает необходимость применения в конструкциях ДВС устройств ослабления или устранения перечисленных выше нежелательных явлений. Для этой цели в настоящее время известно использование самых разнообразных устройств.

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 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 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 шумопоглощения в широком диапазоне частот, предлагает соединять с впускной трубой два устройства шумопоглощения 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 резонатора предлагает выполнять его конструкцию изменяемого объема в зависимости от скорости вращения коленвала.

Японская фирма "Ниппон радзиэта" в заявке Японии N 62-48047, F 01 N 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 L55/04, 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 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 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 мощности, вследствие снижения обратного тока наддувочного воздуха, предлагает использовать специальную конструкцию глушителя 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 Т 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 (0,5+н) длинам резонансных волн пульсаций, где н 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 которых 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.

Известен двигатель внутреннего сгорания фирмы "Мазда Мотор", описанный в заявке ЕВП N 0379926, F 02 M 35/12, публ. 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 газовыводов, 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 указанной заявке иллюстрациями результатов экспериментальных оценок.

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

В качестве прототипа принят двигатель внутреннего сгорания фирмы Хонда (Япония), описанный в выложенной заявке ФРГ N 2823293, МКИ F 02 M 35/12, публ. 07.12.78, содержащий головку цилиндров, в которой сформированы камеры сгорания, снабженные средствами для распределения воздуха и подачи топлива, соединенные с камерами сгорания впускные трубы, ограниченные со стороны камеры сгорания впускными клапанами и сходящиеся свободными концами в общий трубопровод, подключенный к системе воздухозабора и воздухоочистки двигателя, а также смонтированное на впускных трубах средство для подавления шумов и пульсаций газа. Последнее представляет собой резонаторы Гельмгольца, установленные вблизи впускных клапанов, по одному на каждой из впускных труб. Резонаторы настроены на одну из собственных резонансных частот впускных труб и предназначены для снижения амплитуд резонансных пульсаций на этой частоте.

К недостаткам конструкции двигателя следует отнести то, что высокая степень точности настройки резонатора Гельмгольца создает значительные технологические сложности, а чувствительность его только к одной резонансной частоте делает его работу эффективной только в очень узком диапазоне рабочих частот двигателя. Т.е. подавляющая часть собственных резонансных частот впускных труб и их гармоник не подвергается влиянию устройств для подавления шумов и пульсаций. Наряду с этим следует отметить конструктивную сложность и повышенную материалоемкость конструкции резонаторов, сложность их компоновки на впускных трубах и связанную с этим невозможность применения камер резонаторов значительного объема, что делает их малопроизводительными.

Целью изобретения является повышение эффективности подавления шумов и пульсаций в тракте впуска двигателя в широком частотном диапазоне.

Кроме того, целью изобретения является упрощение устройства, повышение его технологичности, улучшение компактности.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном двигателе внутреннего сгорания, преимущественно многоцилиндровом, с распределенным впрыском топлива, содержащем головку цилиндров, в которой сформированы камеры сгорания, снабженные средствами для распределения воздуха и подачи топлива, соединенные с камерами сгорания выпускные трубы, ограниченные со стороны камеры сгорания выпускными клапанами и сходящиеся свободными концами в общий ресивер, подключенный к системе воздухозабора и воздухоочистки двигателя, а также смонтированное на элементах системы впуска устройство для подавления шумов и пульсаций, последнее выполнено в виде полого герметичного кожуха, охватывающего впускные трубы и размещенного между ресивером и впускными клапанами, при этом полости кожуха и ресивера сообщаются посредством трубопровода, а участки впускных труб, размещенные внутри герметичной полости кожуха, по крайней мере на части своей длины снабжены сквозными отверстиями.

При таком конструктивном исполнении повышение эффективности подавления шумов и пульсаций в такте впуска двигателя достигается за счет одновременного подавления резонансных газовых пульсаций, как в ресивере, так и во впускных трубах. Одновременно с этим повышается эффективность подавления пульсаций газа в отдельных впускных трубах, за счет поочередного (в соответствии с работой цилиндров) подключения значительного объема под кожухом. В это же время обеспечивается широкополосность заглушения за счет одновременного воздействия на два объекта: ресивер и впускные трубы. Кроме того, система менее чувствительна к настройке при больших объемах резонаторной камеры. Далее, поскольку объемы ресивера и кожуха подключены параллельно, исключаются дополнительные гидропотери при прохождении рабочего тела (газа) по впускному тракту.

Дополнительно внутри трубопровода, соединяющего полости ресивера и кожуха, может быть смонтирована заглушка, выполненная из газопроницаемого, звукопоглощающего материала. Это позволяет обеспечить активное рассеивание пульсаций и звуковых волн из объема ресивера в объем кожуха за счет введения рассеивателя энергии в "горло резонатора", что дополнительно позволяет расширить частотный диапазон воздействия и снизить чувствительность системы к настройке.

Одновременно с описанными преимуществами упрощается конструкция двигателя, повышается его технологичность и улучшается компактность, поскольку вместо трех достаточно громоздких резонаторов применяется один кожух.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг. 1 показан заявляемый двигатель внутреннего сгорания; на фиг. 2 представлены результаты экспериментальных оценок эффективности заявляемого двигателя; 16-клапанный 4-цилиндровый клапанный двигатель ВАЗ, рабочий объем 1,5 литра, электронный впрыск топлива.

Двигатель внутреннего сгорания по фиг. 1 содержит головку цилиндров, в которой сформированы камеры сгорания, снабженные средствами для распределения воздуха и подачи топлива, соединенные с камерами сгорания впускные трубы 1, ограниченные со стороны камеры сгорания впускными клапанами 2 и сходящиеся свободными концами в общий ресивер 3, подключенный к системе воздухозабора и воздухоочистки. Последний включают воздушную заслонку 4, впускной трубопровод 5, воздухоочиститель 6 и воздухозаборный патрубок 7. Двигатель содержит также смонтированное на элементах системы впуска устройство 8 для подавления шумов и пульсаций газа, которое выполнено в виде полого герметичного кожуха, охватывающего впускные трубы 1 и размещенного между ресивером 3 и впускными клапанами 2, при этом полости кожуха 8 и ресивера 3 сообщаются посредством трубопровода 9, а участки впускных труб 1, размещенные внутри герметичной полости кожуха 8, по крайней мере на части своей длины снабжены сквозными отверстиями 10. Внутри трубопровода 9 смонтирована заглушка 11, выполненная из газопроницаемого, звукопоглощающего материала, например пористого сетчатого материала, металлорезины, катодной меди и др.

Открытие впускного клапана (клапанов) 2 в одном из цилиндров двигателя вызывает перепад давления до и после клапана (в цилиндре двигателя по отношению к окружающей среде). Пульсации воздуха и упругие волны разрежения-сжатия воздушной среды, заполняющей трассу системы впуска, со скоростью звука распространяются по направлению от впускного клапана 2 к открытому концу воздухозаборного патрубка 7 воздухоочистителя 6, а также в направлении всех свободных отводных каналов трассы впуска впускные трубы 2 других цилиндров через сообщающийся объем впускного трубопровода 5 отражаются от закрытых впускных клапанов 2 (тупиковые волноводы), то есть образуется поле многократно отражающихся упругих волн в сложном геометрическом объеме впускной системы, с утечкой энергии этих упругих волн через свободный открытый срез воздухозаборного патрубка 7 воздухоочистителя 6 в виде звука.

В тупиковых ответвлениях впускных труб 1, то есть во впускных трубах 1, глухо закрытых клапанами 2, эти упругие волны, многократно распространяясь и отражаясь, возбуждают резонансы этих труб 1, как волноводов закрытых с одного конца (в зоне закрытого впускного клапана 2). Таким образом, в этих трубах 2 формируются резонансные стоячие волны, усиливающие колебания во всей впускной системе и усиливающие передачу энергии в системе по направлению к свободному открытому срезу воздухозаборного патрубка 7, т.е. усиливающие излучение звука в окружающую среду.

Эффективность заявляемого устройства обусловлена следующими факторами.

Известно, что распределение звуковых давлений на собственных резонансных колебаниях газа по длине впускных труб 1 характеризуется в виде косинусоид, с максимумом величины давления в плоскости впускных клапанов 2. Поэтому наиболее целесообразным является подключение в непосредственной близости от впускных клапанов значительной масса газа, заключенной в полости кожуха 8 (значительный объем резонатора) и выполнения значительного суммарного периметра отверстий 10 перфорации, с соответственно большим активным трением газа в отверстиях 10 и соответственно с большим рассеиванием (демпфированием) энергии трущегося пульсирующего газа в отверстиях 10. Одновременно с этим эффективность обусловлена акустическим разрывом относительно длинных, взаимосвязанных, склонных к резонированию впускных труб 1, что очень благоприятно, поскольку исключаются низкочастотные резонансные совпадения с частотами возбуждения при наполнении цилиндров с рабочей частотой двигателя и ее субгармоник. Остаточные пульсации эффективно сглаживаются в объеме ресивера 3.

Наличие трубопровода 9, параллельно сообщающего объемы ресивера 3 и кожуха 8, позволяет еще более повысить эффективность подавления шумов и пульсаций в тракте системы впуска двигателя за счет одновременного подавления пульсаций газа как в ресивере 3, так и во впускных трубах 1. Одновременно с этим повышается эффективность подавления пульсаций газа в отдельных впускных трубах 1 за счет поочередного (в соответствии с порядком работы цилиндров) подключения к ним значительного объема под кожухом. В это же время обеспечивается широкополосность заглушения за счет одновременного воздействия на два объекта ресивер 3 и впускные трубы 1. При этом система становится менее чувствительной к настройке. Кроме того, в силу параллельного подключения объемом ресивера 3 и кожуха 8, исключаются дополнительные гидропотери впускного тракта двигателя.

Внутри трубопровода 9 может быть смонтирована заглушка 11, выполненная из газопроницаемого, звукопоглощающего материала. Это обеспечивает активное рассеивание газовых пульсаций и звуковых волн из объема ресивера 3 за счет введения рассеивателя энергии в "горло резонатора", что дополнительно позволяет расширить частотный диапазон воздействия и снизить чувствительность системы к настройке.

Представленные на фиг. 2 результаты экспериментальных оценок эффективности заявляемого устройства на шестнадцатиклапанном двигателе ВАЗ, рабочим объемом 1,5 литра, с распределенным электронным впрыском топлива показывает, что в результате применения заявляемого технического решения достигается:
значительное, до 7 дБ, или более чем в два раза, уменьшение уровней пульсирующей составляющей массового расхода воздуха через систему впуска на рабочей частоте 2n/60Гц;
эффективное широкополосное подавление пульсирующей составляющей массового расхода через систему впуска в диапазоне частот 63.1000 Гц;
значительное, до 7 дБА, снижение уровней шума, излучаемого в окружающую среду свободным срезом воздухозаборного патрубка воздухоочистителя;
эффективное подавление уровней звукового давления на основной частоте двигателя, до 5 дБ, в рабочем скоростном диапазоне двигателя.

Практическая реализация объекта не сопряжена с какими-либо сложными технологическими проблемами. Материалы, из которых изготовлен объект, широко применяются в технике. В сравнении с прототипом предлагаемая конструкция более применима в технологии производства, поскольку снижаются требования точной настройки резонатора из-за большего объема камеры кожуха.

Использование: в автомобильных двигателях с впрыском топлива. Сущность изобретения: двигатель содержит соединенные с камерами сгорания впускные трубы, ограниченные со стороны камер сгорания впускными клапанами и сходящиеся общими концами в ресивер, а также смонтированное на элементах системы впуска устройство для подавления шумов и пульсаций газа. Отличительной особенностью является то, что последнее выполнено в виде полого герметичного кожуха, охватывающего впускные трубы и размещенного между ресивером и впускным клапанами, при этом полость кожуха и полость ресивера сообщаются посредством трубопровода, а участки впускных труб, размещенные внутри кожуха, снабжены сквозными отверстиями. Внутри трубопровода может быть установлена заглушка из газопроницаемого, звукопоглощающего материала. Изобретение позволяет повысить эффективность подавления шумов и пульсаций в такте впуска двигателя в широком частотном диапазоне. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, преимущественно многоцилиндровый, с распределенным впрыском топлива, содержащий головку цилиндров, в которой сформированы камеры сгорания, снабженные средствами для распределения воздуха и подачи топлива, соединенные с камерами сгорания впускные трубы, ограниченные со стороны камеры сгорания впускными клапанами и сходящиеся свободными концами в общий ресивер, подключенный к системе воздухозабора и воздухоочистки двигателя, а также смонтированное на элементах системы впуска устройство для подавления шумов и пульсаций газа, отличающийся тем, что названное устройство выполнено в виде полого герметичного кожуха, охватывающего впускные трубы и размещенного между ресивером и впускными клапанами, при этом полости кожуха и ресивера сообщаются посредством трубопровода, а участки впускных труб, размещенные внутри герметичной полости кожуха, по крайней мере на части своей длины снабжены сквозными отверстиями. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутри трубопровода смонтирована заглушка, выполненная из газопроницаемого звукопоглощающего материала.