СИЛОВАЯ УСТАНОВКА С ПОЛЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ КОНСТРУКЦИИ Российский патент 1999 года по МПК B60K13/06 

Изобретение относится к силовым энергоустановкам, преимущественно, к двигателям внутреннего сгорания. Изобретение может найти применение в автомобилестроении, малой авиации и других транспортных и стационарных энергоустановках с двигателем внутреннего сгорания, в основном, поршневым.

Известны тепловые двигатели, особенно двигатели внутреннего сгорания, у которых хотя бы один из трактов газообмена - впускной или выпускной - спроектирован, исходя из условий управления волновыми процессами для улучшения газообмена.

Возможны два пути управления волновыми процессами (два пути изменения волновых эффектов). Один состоит в гашении колебаний газа в трубопроводах. Для этого, например, последние выполняются большого объема; впускные и выпускные тракты различных блоков цилиндров двигателей объединяются и т.п.

Второй путь состоит в использовании волновых явлений в трактах для получения положительных эффектов и в качестве вариантов включает усиление и специальную генерацию колебаний газа. Исходя из условий создания и использования волновых процессов и выбирается геометрия, в частности, длина трубопроводов двигателя (Автомобильные двигатели. Под ред. М.С. Ховаха. М.: Машиностроение, 1977, 591 с. с ил. стр. 225-226, Давыденко Д.В. Улучшение показателей быстроходного дизеля путем настройки систем впуска и выпуска. Автореферат диссерт. на соиск. учен. степ. к.т.н., Ленинград, 1986 и др.).

Известна также (выбранная прототипом) силовая установка с полыми элементами конструкции, содержащая моторный отсек с тепловым двигателем по меньшей мере один тракт газообмена, часть которого, выходящая за габариты моторного отсека, размещена в полых элементах конструкции (заявка JP N 1-249519).

Трубопроводы двигателей-аналогов, обеспечивающие гашение колебаний газа, имеют значительные вес и объем, поэтому практически трубопроводы, обеспечивающие нужное гашение колебаний, не используются.

У части указанных выше в качестве аналогов двигателей размеры (в основном, длины) трубопроводов выбраны так, что улучшают газообмен. Длины выбранных трубопроводов (как говорят, настроенных трубопроводов), к сожалению, значительны. Причем наиболее рациональные с позиций качественного газообмена длины трубопроводов зачастую превышают длину двигателя. Поэтому в силовых установках впускные и выпускные трубопроводы оптимальной длины, в основном, не используются.

В силовой установке - прототипе тракт газообмена можно выполнить нужных (для полного использования волновых эффектов) размеров (например, нужной длины). Такие возможности открываются ввиду размещения части тракта в полых элементах установки, в частности размещения в бампере автомобиля части тракта, выходящей за габариты моторного отсека (выходящей по длине за габариты размеры моторного отсека).

Однако, в установке - прототипе волновые эффекты не используются и геометрия (размеры, длины) трактов не выбираются из условий использования волновых эффектов.

Вместе с тем, оптимальную или рациональную геометрию (длину) трубопроводов можно обеспечить, не монтируя на силовой установке (в моторном отсеке установки) больших труб. Вместо (другими словами, в качестве) этих труб можно использовать полые элементы (трубопроводы) силовой установки. То есть в полых элементах установки находится (размещена) трудноразмещаемая в моторном отсеке часть трактов или весь тракт.

По сравнению с прототипом новизна изобретения состоит в том, что в силовой установке с полыми элементами конструкции, содержащей моторный отсек с тепловым двигателем, имеющим систему топливоподачи и по меньшей мере один тракт газообмена, часть которого, выходящая за габариты моторного отсека, размещена в полых элементах конструкции, часть по меньшей мере одного тракта газообмена, выходящая за габариты моторного отсека, выполнена с геометрией, обеспечивающей волновые эффекты для улучшения газообмена.

В результате такой компоновки трактов (трубопроводов, коллекторов, патрубков) при приемлемых весе и габаритах установки на ней удается разместить двигатель с так называемой настроенной системой газообмена, обеспечивающей повышение качества газообмена, а, следовательно, и показателей двигателя.

Настройка системы газообмена, в основном, осуществляется за счет создания колебаний газа во впускном и выпускном трактах, для чего эти тракты выполняются определенной, повышенной длины. Именно необходимое удлинение трактов (или эти тракты целиком, но необходимой длины) и находится (размещено) в полых элементах установки.

Полые элементы установки могут быть подсоединены к трактам двигателя, тогда часть трактов, находящаяся в полых элементах установки, совмещена с внутренней полостью этих элементов.

В другом варианте исполнения в полые элементы вставлены трубопроводы, связанные с трактами двигателя.

Полые элементы могут быть соединены с атмосферой напрямую или через агрегаты наддува двигателя и другие машины, преобразующие энергию газов.

Среди конструкций, реализующих управление волновыми процессами имеются такие, у которых в трактах (впускном или выпускном) имеются патрубки с закрытым торцом (концом) (а.с. СССР 1109530 и др.). В качестве такого "глухого" патрубка особенно просто использовать полый элемент силовой установки.

Естественно, что используемые в качестве трактов газообмена полые элементы могут быть снабжены системой теплоотвода, например, в виде оребрения. Так системой теплоотвода могут быть снабжены полые элементы, через которые проходит наддувочный воздух.

В полых элементах, через которые в двигатель поступает воздух, для компактности установки могут быть размещены и узлы системы топливоподачи, например, карбюратор или впрыскивающий насос и т.п.

В установке может быть не одно устройство для ввода топлива, причем, как минимум одно из устройств расположено в полом элементе конструкции на большем удалении ( по длине впускного тракта) от двигателя, чем другое устройство ввода топлива. Например, в бензиновых двигателях при протяженном полом элементе и небольшой топливоподаче топливо, поданное в удаленном полом элементе хорошо испарится, а другое устройство обеспечит обычную топливоподачу остальной порции топлива.

У двигателей с несколькими блоками цилиндров, в основном, для гашения колебаний газа в трактах газообмена блоков, эти тракты подсоединены к одному полому элементу конструкции или к сообщающимся полым элементам. Таким образом данные тракты блоков соединены между собой.

Волновая настройка трактов ориентирована на один режим работы двигателя, например, на одну частоту вращения коленчатого вала. При изменении режима работы, как правило, желательно изменить длину или всю геометрию тракта. Для хотя бы частичного соответствия трактов режиму работы двигателя в силовой установке тракты соединены с различными полыми элементами и снабжены устройствами переключения для отсоединения трактов газообмена от одного полого элемента конструкции и соединения с другими или для отключения тракта от полого элемента конструкции в функции режима работы.

В полом элементе может располагаться устройство, изменяющее размеры (в основном, длину) той части полого элемента, которая подсоединена к двигателю.

Силовой установкой может являться автомобиль, а полыми элементами его крылья, пороги и стойки кузова, бамперы, устройства защиты от удара, декоративные узлы.

У автомобиля, трактора, лодки, велосипеда, генератора тока полыми элементами конструкции могут являться элементы рамы или подставки под тепловой двигатель.

Для моторной пилы (в основном, ручной бензопилы для пиления леса) или сенокосилки полыми элементами могут являться ручка или рама.

У самолета полыми элементами могут являться стойки шасси, а механизм переключения трактов газообмена размещен в месте опоры самолета на стойки шасси.

Предлагаемые силовые установки могут включать тепловые двигатели различного типа: внешнего сгорания, внутреннего сгорания с камерой периодического сгорания и др. В настоящем описании приведены примеры выполнения силовой установки с поршневыми двигателями внутреннего сгорания.

В транспортной силовой установке, представляющей собой автомобиль, трактор и т. п. полыми элементами являются: рама, балки, пороги, крылья, оси, трубы ограждения, бамперы, если они выполнены в виде полых элементов, и пр. Впускные и/или выпускные органы двигателя (клапаны, окна) патрубками соединены с указанными полыми элементами. Последние соединены с атмосферой или, в вариантах выполнения, воздухоочистителями, глушителями шума, нейтрализаторами отработавших газов. Например, выпускные коллекторы соединены с порогами автомобиля, в которых размещены нейтрализаторы отработавших газов. Впускной тракт соединен с крыльями автомобиля, в которые набит воздухоочищающий материал, а внутренняя полость крыльев соединена с атмосферой.

В качестве примера реализации силовой установки на фиг. 1 приведена схема дизель-генератора, у которого настроенный впускной тракт выполнен в виде верхней части рамы, служащей также и ограждением. На фиг. 2 схематически изображена силовая установка-генератор тока, у которой впускными и выпускными трактами являются элементы рамы.

У этих двигателей настройка впускного тракта обеспечивает приход волны давления к впускному клапану в конце впуска (что повышает наполнение цилиндров), а настройка выпускного тракта обеспечивает приход волны разрежения к выпускному клапану в конце выпуска (что позволяет улучшить очистку цилиндра от выпускных газов и снизить работу выталкивания продуктов сгорания).

Даже минимальные длины настроенных указанным образом впускных и выпускных трактов обычно превышают длину двигателя, а у двигателей с ходом поршня порядка 10 см эти длины составляют порядка метра. На фиг. 1 схематически изображен дизель-генератор (электротока) с дизелем 64 15/15. Каждый блок двигателя имеет по впускному коллектору 1 и 2. Для волновой "настройки" к коллекторам с обоих концов согласно а.с. СССР 943416 подсоединены концевые трубы 3, 4, 5, 6. На фиг. 1 длина этих труб схематически изображена близкой к 650 мм, ориентируясь на указанный выше автореферат диссертации Д.В. Давыденко.

Трубы 3 и 4, 5 и 6 плавно изогнуты и образуют верхнюю часть рамы. Верхняя часть рамы соединена с остальной рамой (не показана). На раме закреплены двигатель и решетка ограждения. Пунктиром отмечено место (7) установки воздухоочистителей.

На фиг. 2 изображен распространенный небольшой переносной двигатель - генератор тока, применяемый, в основном, для привода ручного электроинструмента. В этом двигателе-генераторе установлен маломощный бензиновый двигатель 8. Рама 9, на которой закреплен двигатель, представляет собой сделанный из труб параллелепипед с закруглениями труб в углах. Для выполнения в данной силовой установке "настроенного" впускного тракта двигателя (для размещения впускного тракта с длиной, обеспечивающей положительное влияние на рабочий цикл) двигатель впускным патрубком 10 подсоединен к верхней трубе 11 рамы 9. Воздухоочиститель 12 подсоединен к этой же верхней трубе 11 патрубком 13. Общая длина впускного тракта (по ходу светлых стрелок, изображающих движение воздуха) состоит из длины патрубка 13, плюс длина верхней трубы от места соединения с патрубком 13 до места соединения с патрубком 10 (по ходу светлых стрелок) плюс длина патрубка 10. При неизменных размерах рамы 9 нужная длина настроенного впускного тракта обеспечена, в основном, выбранными местами подсоединения патрубков 10 и 13 к верхней трубе 11. (При показанных на фиг. 2 местах подсоединения во впускной тракт включено примерно 3/4 длины верхней трубы 11).

Аналогично настроенный выпускной тракт образован патрубком 14, соединяющим органы выпуска двигателя 8 с полой стойкой 15 рамы 9, соединением внутренней полости этой стойки с нижней трубой 16 рамы и соединением трубы 16 с атмосферой выпускным патрубком-глушителем 17.

Рама имеет также ручки 18 для переноски и ножки 19. Изгиб труб, образующих раму, выполнен плавным. Движение выпускных газов показано темными стрелками.

В варианте силовой установки в виде моторной лодки верх бортов лодки представляет собой трубу, к которой крепится лист, образующий борт. С участком указанной трубы соединен впускной тракт двигателя. На расстоянии от места соединения, обеспечивающем волновой наддув, труба соединена с атмосферой. Выпускной трубопровод плавно соединен с другим отрезком трубы, а этот отрезок соединен с атмосферой (через глушитель) на расстоянии, обеспечивающем приход волны разрежения к цилиндру в конце выпуска.

В варианте выполнения патрубки, соединяющие трубу с атмосферой, обладают возможностью перемещения вдоль трубы. Это позволяет изменять длины впускного и выпускного трактов.

В силовой установке в виде трактора с рамой, образованной полыми внутри трубами или полыми элементами иной, но замкнутой формы сечения, двух или многоблочный двигатель с турбокомпрессором на каждом блоке согласно настоящему изобретению установлен так. Выпускные трубопроводы каждого блока соединены с полой балкой в передней части кабины, а данная балка - с турбиной турбокомпрессора. Впускные трубопроводы (на участке после компрессоров) соединены с бампером (выполненным в виде трубы), размещенным в передней верхней части трактора. (Такой бампер рационален, например, для трелевочных тракторов). Бампер соединен с впускными коллекторами блоков цилиндров. Указанное соединение трубопроводов блоков может применяться на двигателях с наддувом и без него.

В рассмотренных силовых установках необходимые длины трубопроводов (реализованные согласно настоящему изобретению) обеспечивают желательное течение газов в трактах двигателей, что повышает их показатели. В приведенных на фиг. 1 и 2 двигателях и в лодочном двигателе волна давления приходит к органам впуска в конце впуска, а волна разрежения - в конце выпуска. Это повышает наполнение, улучшает очистку цилиндров. Вследствие указанных и других полезных эффектов и происходит повышение показателей.

При работе многоблочного тракторного двигателя с турбокомпрессорами газы из выпускных коллекторов блоков поступают в балку. В результате суперпозиции колебаний газов, пришедших из различных коллекторов, а также гашения колебаний при движении внутри балки давление в выпускном тракте становится ближе к изобарному. Аналогично уменьшаются колебания во впускном тракте. Повышение степени изобарности газа в коллекторах повышают КПД турбокомпрессоров и идентичность работы цилиндров. Последнее выравнивает теплонапряженность, т. е. теплонапряженность деталей наиболее нагретого цилиндра становится ниже, и несколько повышает КПД.

В рассматриваемом примере выполнения газы из выпускного коллектора (из тракта газообмена) поступают в балку трактора (полый элемент установки), а затем в турбину турбокомпрессора, откуда газы вытекают в атмосферу, т.е. полые элементы (балка) соединены с атмосферой через машину, преобразующую энергию газов через турбину турбокомпрессора.

Компрессор этого турбокомпрессора может быть связан с впускными каналами в головках блоков цилиндров через полые элементы рамы или бампера трактора. Аналогичная связь может быть использована и при других устройствах наддува - волновом обменнике давления и т.п. машин, преобразующих энергию газов.

Изобретение относится к силовым энергоустановкам, преимущественно с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в автомобиле- и тракторостроении, ручном моторном инструменте, стационарных и др. энергоустановках преимущественно с поршневыми ДВС. Известно, что газообмен части поршневых ДВС можно значительно улучшить, выполняя впускные и выпускные тракты двигателей определенной длины. Длины выбранных (как говорят, настроенных трубопроводов) значительны, поэтому трубопроводы оптимальной длины зачастую не входят в моторный отсек силовой установки и не используются. Согласно настоящему изобретению такие (выходящие за габариты моторного отсека) настроенные трубопроводы разместить на силовой установке можно. Для этого (труднозамещаемую в моторном отсеке) часть трубопроводов размещают в полых элементах установки: в полой раме, бампере, крыльях автомобиля, ручке ручной бензопилы и т.п. 17 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Силовая установка с полыми элементами конструкции, содержащая моторный отсек с тепловым двигателем, имеющим систему топливоподачи и, по меньшей мере, один тракт газообмена, часть которого, выходящая за габариты моторного отсека, размещена в полых элементах конструкции, отличающаяся тем, что часть, по меньшей мере, одного тракта газообмена, выходящая за габариты моторного отсека, выполнена с геометрией, обеспечивающей волновые эффекты для улучшения газообмена. 2. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что часть, по меньшей мере, одного тракта газообмена, выходящая по длине за габариты моторного отсека, выполнена с геометрией, обеспечивающей волновые эффекты для улучшения газообмена. 3. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что часть тракта, находящаяся в полых элементах конструкции, совмещена с внутренней полостью этих элементов. 4. Силовая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что часть тракта, находящаяся в полых элементах конструкции, выполнена в виде трубопроводов, проходящих через эти элементы. 5. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что полые элементы конструкции соединены с атмосферой. 6. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что полые элементы конструкции соединены с атмосферой через агрегаты наддува и агрегаты, преобразующие энергию газов. 7. Силовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что хотя бы один из подсоединенных полых элементов конструкции имеет закрытый торец. 8. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что полые элементы конструкции снабжены системой теплоотвода. 9. Силовая установка по п.8, отличающаяся тем, что система теплоотвода выполнена в виде оребрения. 10. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, часть узлов системы топливоподачи размещена в полых элементах конструкции. 11. Силовая установка по п.10, отличающаяся тем, что система топливоподачи имеет не одно устройство ввода топлива, причем, по меньшей мере, одно из них расположено в полом элементе конструкции на большем удалении от двигателя, чем другое устройство ввода. 12. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что при выполнении теплового двигателя с несколькими блоками цилиндров тракты газообмена разных блоков цилиндров подсоединены к одному или сообщающимся полым элементам конструкции. 13. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что тракты газообмена соединены с различными полыми элементами конструкции и снабжены устройствами переключения для отсоединения трактов газообмена от одного полого элемента конструкции и соединения с другим или для отключения тракта газообмена от полого элемента конструкции в функции режима работы. 14. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что в полом элементе конструкции расположено устройство, изменяющее размеры подсоединенной к тракту газообмена двигателя части полого элемента конструкции. 15. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что она представляет собой автомобиль, крылья, пороги, стойки кузова, бамперы, устройства защиты от удара и декоративные узлы которого представляют собой полые элементы конструкции. 16. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что она представляет собой автомобиль, трактор, лодку, велосипед или генератор тока, полыми элементами конструкции которых являются элементы рамы для подставки под тепловой двигатель. 17. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что она представляет собой моторную пилу или сенокосилку, полыми элементами которых являются ручка или рама. 18. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что представляет собой самолет, полыми элементами конструкции которого являются стойки шасси, а механизм переключения трактов газообмена размещен в месте опоры самолета на стойки шасси.