СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ВЫПУСКА ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ И СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ШУМА ВЫХЛОПА ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F01N1/00 F02B27/04 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, а именно к способу организации процесса выпуска выхлопных газов и снижения уровня шума выхлопа двухтактного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и устройству для его осуществления.

Известен способ организации процесса выпуска выхлопных газов и снижения уровня шума выхлопа двухтактного ДВС, заключающийся в преобразовании исходной волны сжатия в последовательно отраженные волны разрежения и сжатия в мощностной части выпускной системы с последующим направлением выхлопных газов в заглушающую часть выпускной системы, где производят выравнивание переменного расхода выхлопных газов, путем их дросселирования [1].

Известный способ выбран в качестве прототипа. Операции этого способа осуществляются устройством, выбранным в качестве прототипа и содержащим мощностную и заглушающую части, образованные приемной трубой и присоединенным к ней, через впускной патрубок, корпусом, выполненным в виде расширяющегося конуса, переходящего в цилиндрическую трубу, и установленными в цилиндрической части корпуса выпускным патрубком с радиальными отверстиями и внутренними заглушками и рядом последовательно чередующихся глухих и перфорированных перегородок, в которых закреплен выпускной патрубок. Первая, по потоку газа, перегородка выполнена в виде сужающегося конуса с выпускным отверстием при вершине, в котором закреплен начальный участок выпускного патрубка [2].

Недостатком известного способа организации процесса выпуска выхлопных газов и снижения уровня шума выхлопа двухтактного двигателя внутреннего сгорания и устройства для его осуществления являются существенные потери мощности и экономичности двигателя, обусловленные тем, что процесс преобразования исходной волны сжатия в отраженную волну сжатия совмещен с процессом отвода выхлопных газов из мощностной части в заглушающую часть выпускной системы, что приводит к снижению интенсивности отраженной волны сжатия и, в итоге, не позволяет в полной мере уменьшить выброс топливо-воздушной смеси из цилиндра двигателя в выпускную систему и обеспечить более эффективно наполнение цилиндра.

Другим недостатком этого известного способа и устройства для его осуществления является сильная отрицательная связь между величиной заглушения шума выхлопа, величиной потерь мощности и экономичности двигателя.

Это объясняется следующим.

Для обеспечения эффективного заглушения шума выхлопа необходимо уменьшать проходные сечения в заглушающей части выпускной системы, с целью выравнивания переменного расхода и уменьшения энергии выхлопных газов за счет их дросселирования. Однако в этом случае резко возрастает гидравлическое сопротивление, что приводит к росту давления P_н в мощностной части выпускной системы и уменьшению интенсивности отраженной волны разрежения Δ P_р, т.к. интенсивность отраженной волны разрежения Δ P_р зависит от давления в исходной волне сжатия P_исх и давления P_н на срезе впускного патрубка, от которого происходит отражение, равного давлению в мощностной части:

где P₀ - атмосферное давление;
P_р - давление в отраженной волне разрежения.

Анализ этого выражения и показывает, что при увеличении P_н и одинаковых значениях P_исх происходит уменьшение интенсивности отраженной волны разрежения P_р.

Уменьшение интенсивности отраженной волны разрежения приводит к ухудшению очистки цилиндра двигателя от остаточных газов, что, в свою очередь, вызывает снижение мощности и экономичности двигателя.

Кроме того, последовательное соединение мощностной и заглушающей частей выпускной системы у известного способа и устройства для его осуществления приводит к чрезмерным длинновым габаритным размерам.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности заглушения шума выхлопа, повышение мощности и экономичности двигателя и уменьшение габаритных размеров выпускных систем двухтактных ДВС.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе организации процесса выпуска выхлопных газов и снижения шума выхлопа двухтактных ДВС, заключающемся в преобразовании исходной волны сжатия в отраженные волны разрежения и сжатия в мощностной части выпускной системы с последующим выравниванием переменного расхода выхлопных газов путем их отвода и дросселирования в заглушающей части выпускной системы, в отличие от прототипа, отвод выхлопных газов из мощностной части совмещают, полностью или частично, с процессом преобразования исходной волны сжатия в отраженную волну разрежения, процесс преобразования исходной волны в отраженную волну сжатия не совмещен с отводом выхлопных газов из мощностной части; выхлопные газы, за период между двумя рабочими циклами двигателя, дискретными порциями направляют в общий объем, выравнивают давление в этом объеме и равномерно выпускают в окружающую среду.

Выполнение этих операций обеспечивает существенно более высокую интенсивность отраженных волн разрежения и сжатия, что позволяет осуществить более полную очистку и наполнение цилиндра, уменьшить выброс топливно-воздушной смеси в выпускную систему и, в итоге, повысить мощность и экономичность двигателя. Обеспечение более равномерного истечения выхлопных газов в окружающую среду позволяет существенно повысить эффективность заглушения шума выхлопа, т.к. пульсирующий характер истечения выхлопных газов, в основном, определяет уровень шума выхлопа ДВС [3, 4].

Операции заявляемого способа могут быть осуществлены устройством организации процесса выпуска выхлопных газов двухтактного ДВС, содержащим мощностную часть с выпускным отверстием, образованную впускным патрубком, расширяющейся конической частью, переходящую в цилиндрическую трубу и завершающуюся сужающейся конической частью, и заглушающуюся часть с выпускным патрубком, в котором цилиндрическая труба мощностной части завершается сужающимся конусом, выпускное отверстие выполнено на боковой поверхности впускного патрубка в месте перехода впускного патрубка в расширяющуюся коническую часть, заглушающая часть выполнена в виде объема, заключенного между мощностной частью и дополнительно предусмотренным наружным корпусом, причем выпускной патрубок закреплен на наружном корпусе.

Кроме того, в заглушающей части устройства могут быть предусмотрены перегородки с отверстиями, причем отверстия на первой, со стороны выпускного отверстия мощностной части, перегородке выполнены на поверхности, не обращенной к выпускному отверстию, а в каждой последующей перегородке отверстия выполнены на поверхности не обращенной к отверстиям на предыдущей перегородке.

В существующих способах организации процесса выпуска выхлопных газов и снижения уровня шума выхлопа двухтактных ДВС [1, 5], не используются операции совмещения отвода выхлопных газов из мощностной части выпускной системы с процессом преобразования исходной волны сжатия в отраженную волну разрежения, несовмещения процесса преобразования исходной волны сжатия в отраженную волну сжатия с отводом выхлопных газов из мощностной части выпускной системы и направления выхлопных газов, за период между двумя рабочими циклами двигателями, дискретными порциями в общий объем, с целью выравнивания давления газов в этом объеме и равномерного их выпуска в окружающую среду.

Выполнение операции совмещения отвода выхлопных газов из мощностной части выпускной системы с процессом преобразования исходной волны сжатия в отраженную волну разрежения обеспечивает интенсивность отраженной волны разрежения, позволяющей в полной мере обеспечить очистку цилиндра от остаточных газов.

Выполнение операции преобразования исходной волны сжатия в отраженную волну сжатия не совмещенной с отводом выхлопных газов из мощностной части выпускной системы повышает интенсивность отраженной волны сжатия, что позволяет существенно уменьшить выброс топливно-воздушной смеси в выпускную систему и увеличить наполнение цилиндра.

Выполнение операции направления выхлопных газов в общий объем дискретными порциями, за период между двумя рабочими циклами двигателя, позволяет выравнивать давление газов в этом объеме и равномерно выпускать их в окружающую среду.

Выполнение операции отвода выхлопных газов из мощностной части выпускной системы через выпускное отверстие, выполненное на боковой поверхности впускного патрубка, позволяет снизить акустическую мощность истекающих выхлопных газов, что дополнительно повышает эффективность заглушения шума выхлопа. Это является следствием того, что в заявляемом устройстве, реализующем операции заявляемого способа, скорость истечения выхлопных газов из выпускного отверстия определяется статическим давлением P_в потока в зоне выпускного отверстия во впускном патрубке (являющимся полным давлением для потока в направлении, перпендикулярном движению основного потока во впускном патрубке), в то время как в прототипе скорость истечения выхлопных газов определяется полным давлением P_в* на срезе впускного патрубка, причем:

где - число Маха в потоке;
U - скорость потока;
a - местная скорость звука в потоке.

Разница между этими давлениями (P_в и P_в*), например, при M = 0,5 может достигать 19%, что приводит к уменьшению скорости истечения на 9%. Принимая во внимание, что площадь выпускного отверстия в заявляемом устройстве не превышает 40% площади поперечного сечения впускного патрубка, снижение уровня акустической мощности истекающих выхлопных газов составит более 4 дБ.

Таким образом, в заявляемом способе исходная волна сжатия более эффективно преобразуется в отраженные волны разрежения и сжатия путем совмещения, полностью или частично, отвода выхлопных газов с процессом преобразования исходной волны сжатия в отраженную волну разрежения и несовмещения процесса преобразования исходной волны сжатия в отраженную волну сжатия с отводом выхлопных газов из мощностной части, что позволяет осуществить более полную очистку и наполнение цилиндра, уменьшить выброс топливно-воздушной смеси в выпускную систему и, в итоге, повысить мощность и экономичность двигателя. Кроме того, в заявляемом способе более эффективно выравнивается переменный расход выхлопных газов путем направления их дискретными порциями, за период между двумя рабочими циклами двигателя, в общий объем. Это обеспечивает выравнивание давления газов в этом объеме и более равномерное их истечение окружающую среду, что, с учетом снижения акустической мощности выхлопных газов, истекающих из выпускного отверстия мощностной части выпускной системы, позволяет существенно повысить эффективность заглушения шума выхлопа.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено устройство, реализующее операции заявляемого способа; на фиг. 2 изображено устройство с перегородками, разделяющими объем, заключенный между мощностной частью и наружным корпусом, на секции; на фиг. 3 приведены осциллограммы изменения давления у выпускного отверстия мощностной части (1) и на срезе выпускного патрубка (2) прототипа; на фиг. 4 приведены осциллограммы изменения давления у выпускного отверстия мощностной части (1') и на срезе выпускного патрубка (2') заявляемого устройства.

Операции заявляемого способа осуществляются устройством, содержащим мощностную часть, образованную соединенным с выпускным окном 1 двигателя приемной трубой 2, сообщенной через впускной патрубок 3 с расширяющимся конусом 4, переходящим в цилиндрическую трубу 5, завершающуюся сужающимся конусом 6, заключенным, начиная с впускного патрубка 3, в наружный корпус 7. На боковой поверхности впускного патрубка 3, в месте его перехода в расширяющийся конус 4, выполнено выпускное отверстие 8. Объем 9, образованный наружным корпусом 7 и заключенным им участком мощностной части, является заглушающей частью выпускной системы и, через выпускной патрубок 10, сообщается с окружающей средой.

Операции заявляемого способа осуществляются следующим образом.

Исходная волна сжатия, сформировавшаяся в процессе выпуска выхлопных газов, движется от выпускного окна 1 двигателя по приемной трубе 2 и, далее, во впускной патрубок 3. Достигнув выпускного отверстия 8, исходная волна сжатия, частично, отражается первичной волной разрежения и, частично, продолжает движение по расширяющемуся конусу 4. Первичная отраженная волна разрежения движется к цилиндру двигателя и, достигнув выпускного окна 1, способствует лучшей очистке цилиндра от остаточных газов. Прошедшая в расширяющийся конус 4 исходная волна сжатия отражается от него вторичной волной разрежения, которая подходит к выпускному отверстию 8 и способствует увеличению осевой скорости потока в зоне выпускного отверстия 8, тем самым увеличивая амплитуду вошедшей во впускной патрубок 3 волны сжатия, и, кроме того, снижает амплитуду волны сжатия по мере ее продвижения по расширяющемуся конусу 4, тем самым снижая потери на трение в волне. Далее, вторичная волна разрежения подходит к выпускному окну 1 двигателя и, тем самым, увеличивая суммарную величину разрежения у выпускного окна 1, улучшает степень очистки цилиндра двигателя от остаточных газов. Благодаря подобранной длине цилиндрической трубы 5, разрежение у выпускного окна 1 удерживается до момента закрытия продувочных окон двигателя.

Исходная волна сжатия, достигнув сужающегося конуса 6, отражается от него также волной сжатия. Сужающийся конус 6 предотвращает образование отраженной ударной волны (возникающей при взаимодействии отраженной волны сжатия с плоской стенкой) и способствует образованию отраженной волны сжатия желательной конфигурации. При движении отраженной волны сжатия через расширяющийся конус 4, по направлению к выпускному окну 1 двигателя, происходит усиление ее интенсивности, за счет уменьшения площади поперечного сечения расширяющегося конуса 4 в направлении ее движения. К выпускному окну 1 уже подходит мощная волна сжатия, которая предотвращает выброс топливно-воздушной смеси, попавшей в выпускную систему в процессе продувки, заталкивая ее обратно в цилиндр, увеличивая тем самым его наполнение, что приводит к повышению мощности и экономичности двигателя.

Использование в заявляемом устройстве расширяющегося конуса 4, цилиндрической трубы 5 и сужающегося конуса 6 расширяет диапазон эффективности настройки выпускной системы двигателя за счет согласования подхода отраженных волн разрежения и сжатия в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя, что способствует существенному повышению мощности и экономичности двигателя во всем рабочем диапазоне частот вращения.

При прохождении волн сжатия, как исходной, так и отраженных, по впускному патрубку 2, через выпускное отверстие 8 происходит истечение выхлопных газов в объем 9, где они расширяются и полностью тормозятся. Далее, через выпускной патрубок 10 выхлопные газы отводятся в окружающую среду.

Благодаря тому, что поступление выхлопных газов в объем 9 происходит дискретными порциями, причем разнесенными во времени, происходит выравнивание колебаний давления в этом объеме. Сдвиг по времени связан с прохождением волн сжатия мимо выпускного отверстия 8 в разные моменты времени. Это обеспечивает более равномерное истечение выхлопных газов через выпускной патрубок 10 в окружающую среду и резкое снижение уровня шума выхлопа, т.к. шум, обусловленный пульсирующим характером истечения выхлопных газов, определяет уровень шума выхлопа ДВС [3, 4].

Выполнение выпускного отверстия 8 в боковой поверхности впускного патрубка 2 позволяет снизить акустическую мощность истекающих выхлопных газов за счет уменьшения их мгновенного расхода и скорости, что также приводит к повышению эффективности заглушения шума выхлопа.

В конструктивном выполнении заявляемого устройства, реализующего операции заявляемого способа, с разделением объема 9 на секции посредством перегородок 11 с отверстиями 12, отверстия на первой, со стороны выпускного отверстия 8, перегородке 11 выполнены на поверхности, не обращенной к выпускному отверстию 8, а в каждой последующей перегородке 11 отверстия 12 выполнены на поверхности, не обращенной к отверстиям 12 на предыдущей перегородке, что предотвращает "лучевое" проникновение колебаний давления в выпускной патрубок 10, увеличивает длину пути газа внутри объема 9 и, таким образом, способствует дополнительному выравниванию давления перед выпускным патрубком 10 и повышает эффективность заглушения шума выхлопа.

Анализ приведенных осциллограмм на фиг. 3 и 4 подтверждает, что в заявляемом устройстве, в сравнении с прототипом:
- обеспечивается меньшая скорость истечения выхлопных газов из выпускного отверстия мощностной части за счет меньшего перепада давлений, что приводит к снижению акустической мощности истекающих в заглушающую часть выхлопных газов;
- характер изменения давления у выпускного отверстия мощностной части заявляемого устройства обеспечивает направление выхлопных газов в заглушающую часть дискретными порциями, за период между двумя рабочими циклами двигателя, что позволяет выравнить давление газов в ней и равномерно выпускать их в окружающую среду;
- обеспечивается заметное снижение колебаний давления на срезе выпускного патрубка и более низкий уровень давления, что позволяет существенно повысить эффективность заглушения шума выхлопа.

Источники информации
1. Пудовеев В. И. , Гололобов Е.В., Плешанов А.А. и др. "Экономичность двигателей мотороллеров и мотоциклов", Тула, Приокское кн. изд-о, 1987, с. 108 - 113.

2. Авторское свидетельство СССР N 672361, МКИ 4 F 01 N 1/02, опубл. 05.07.1979 г.

3. Разумовский М. А. "Прогнозирование шумовых характеристик поршневых двигателей", Минск, Высшая школа, 1981, с. 39.

4. Справочник по технической акустике. Перевод с немецкого под ред. М. Хекла и Х.А. Мюллера, Л., Судостроение, 1980, с. 440.

5. Иваницкий С.Ю., Карманов В.С. и др. "Мотоцикл. Теория, конструкция, расчет", М., Машиностроение, 19741, с. 41 - 242.

Изобретение относится к двигателестроению. Способ заключается в преобразовании исходной волны сжатия в отраженные волны разрежения и сжатия в мощностной части выпускной системы с последующим выравниванием переменного расхода выхлопных газов путем их отвода и дросселирования в заглушающей части выпускной системы, причем отвод выхлопных газов из мощностной части совмещают, полностью или частично, процессом преобразования исходной волны сжатия в отраженную волну разрежения, процесс преобразования исходной волны в отраженную волну сжатия не совмещен с отводом выхлопных газов из мощностной части, выхлопные газы, за период между двумя рабочими циклами двигателя, дискретными порциями направляют в общий объем, выравнивают давление в этом объеме и равномерно выпускают в окружающую среду. Для реализации способа предусмотрено устройство. Изобретение позволяет повысить эффективность заглушения шума выхлопа, повысить мощность и экономичность двигателя, уменьшить габаритные размеры выпускной системы двухтактного ДВС. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ организации процесса выпуска выхлопных газов и снижения шума выхлопа двухтактных ДВС путем преобразования исходной волны сжатия в отраженные волны разрежения и сжатия в мощностной части выпускной системы с последующим выравниванием переменного расхода выхлопных газов путем их отвода в заглушающей части выпускной системы, отличающийся тем, что отвод выхлопных газов из мощностной части совмещают, полностью или частично, с процессом преобразования исходной волны сжатия в отраженную волну разрежения, процесс преобразования исходной волны сжатия в отраженную волну сжатия не совмещен с отводом выхлопных газов из мощностной части: выхлопные газы, за период между двумя рабочими циклами двигателя, дискретными порциями направляют в общий объем, выравнивают давление газов в этом объеме и равномерно выпускают в окружающую среду. 2. Устройство организации процесса выпуска выхлопных газов двухтактного ДВС, содержащее мощностную часть с выпускным отверстием, образованную впускным патрубком, расширяющейся конической частью, переходящей в цилиндрическую трубу, и завершающуюся сужающейся конической частью, и заглушающуюся часть с выпускным патрубком, отличающееся тем, что цилиндрическая труба мощностной части завершается сужающимся конусом, выпускное отверстие выполнено на боковой поверхности впускного патрубка в месте перехода впускного патрубка в расширяющуюся коническую часть, заглушающая часть выполнена в виде объема, заключенного между мощностной частью и дополнительно предусмотренным наружным корпусом, причем выпускной патрубок закреплен на наружном корпусе. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в заглушающей части предусмотрены перегородки с отверстиями, причем отверстия на первой, со стороны выпускного отверстия мощностной части, перегородке выполнены на поверхности, не обращенной к выпускному отверстию, а в каждой последующей перегородке отверстия выполнены на поверхности, не обращенной к отверстиям на предыдущей перегородке.