ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02M35/10 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к многоцилиндровым двигателям внутреннего сгорания преимущественно с реализацией дизельного рабочего процесса.

Система впуска дизельного двигателя, вследствие ее конструктивных особенностей, является одним из самых мощных источников шума двигателя в целом. В отличие от дизельных двигателей, в системах впуска карбюраторных двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС), содержащих дроссельные заслонки, прикрывающие проходное сечение на частичных нагрузках, а также наличие в системах диффузорных элементов, обеспечивает существенное ослабление резонансных свойств системы в целом, т.к. вследствие значительных активных сопротивлений этих элементов колебательная система становится менее "добротной" (т.е. резонансные частоты являются в достаточной степени задемпфированными). Это в определенной степени является положительным фактором, т.к., несмотря на наличие дополнительных гидравлических сопротивлений, с одной стороны частично 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 - обеспечивается некоторое подавление резонансных пульсаций газа во впускной системе ДВС, благоприятное с точки зрения звукового (шумового) излучения в окружающую среду, производимого как открытыми концами воздухозаборных патрубков воздухоочистителя (аэродинамический шум), так и вибрирующими стенками элементов системы.

Японской фирмой "Мазда Мотор" в ЕПВ N 0376299, F 02 M 35/12, публ. 04.07.90, в устройстве для подавления газовых пульсаций и шума во впускной системе ДВС предусмотрено использование специального приспособления для подавления каждой из резонансных гармоник пульсаций, кратных (0,5 + h) длинам резонансных волн пульсаций, где h - целое число, равное нулю или более нуля.

Германской фирмой "Фольксваген" в устройстве по 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 котором за счет упругих деформаций стенок ресивера, вследствие пульсирующего воздействия газового потока на упругие стенки, будет происходить преобразование энергии пульсаций в тепловую энергию в упругом материале стенки, имеющей высокое внутреннее трение материала (резины). К очевидным недостаткам такой системы следует отнести относительную дороговизну устройства, нестабильность упругодемпфирующих характеристик в зависимости от изменения температурных условий и длительности эксплуатации, малую долговечность, опасность попадания неочищенного воздуха в цилиндры ДВС при механическом повреждении упругой стенки, возможное существенное излучение звука колеблющейся "пульсирующей" упругой стенкой и т.п.

Известна система впуска двигателя внутреннего сгорания по а.с. СССР N 1281722, кл. F 02 M 35/16, публ. 07.01.87, Бюл. N 1, содержащая ресивер-воздухоочиститель в виде корпуса с крышкой, снабженной входным окном, и фильтрующим элементом, входной патрубок и впускные трубы, выполненные дугообразными, образующие одну из стенок корпуса и сообщенные с его полостью при помощи калиброванных отверстий, причем свободные срезы труб размещены внутри полости корпуса, а геометрические центры срезов впускных труб смещены относительно плоскости, проходящей через центр условного параллелепипеда, отводящей срезы труб от входного окна на расстояние L=(0,2-1,0)d_гидр, где d_гидр - гидравлический диаметр входного патрубка. Расстояние от центров калиброванных отверстий впускных труб до указанной плоскости выбрано равным где V - объем полости корпуса ресивера-воздухоочистителя системы впуска. При этом, по меньшей мере, одно из сечений фильтрующего элемента, параллельных указанной плоскости, равноудалено от нее и внутренней стенки корпуса. Наряду с положительными акустическими характеристиками, такими как возможность исключения возбуждения в полости ресивера-воздухоочистителя низших нечетных продольных собственных мод колебаний воздушного объема (расположением динамических срезов впускных труб в плоскости, проходящей через центр тяжести воздушного объема перпендикулярно осям срезов впускных труб), исключения пропускания резонансной звуковой энергии из камеры ресивера-воздухоочистителя в воздухозаборный патрубок (и соответственно в окружающую среду) на низших нечетных поперечных собственных модах колебаний воздушного объема (расположением оси воздухозаборного патрубка в плоскости нахождения центра тяжести воздушного объема, перпендикулярно расположенной плоскости нахождения динамических срезов впускных труб), частичного демпфирования акустических резонансов впускных труб калибровочными перфорированными отверстиями и частичного дополнительного демпфирования резонансной передачи звука камерой за счет оптимального размещения в камере фильтрующего элемента, выполняющего роль высокочастотного глушителя фрикционного типа, имеется и ряд существенных недостатков.

В частности, в объеме камеры указанного выше ресивера-воздухоочистителя динамическими срезами впускных труб интенсивно возбуждаются повысотные собственные моды колебаний воздушного объема камеры в силу того, что срезы впускных труб размещены вблизи (непосредственно интегрированы в стенку) верхней горизонтальной стенки камеры. Как известно, у жестких противолежащих стенок закрытых объемов всегда реализуются пучности давлений низших собственных мод, что и имеет место в рассматриваемом прототипе. Более того, согласно графической части сопоставляемого аналога, воздухозаборный патрубок эти интенсивные резонансные моды будет эффективно выпускать из камеры в виде повышенного шума, ввиду расположения его также вблизи этой же жесткой стенки с пучностью давлений низших повысотных мод колебаний.

Наличие и варьирование геометрическими параметрами и элементами связи двух расширительных камер (как это имеет место в заявляемом объекте), в сравнении с одной камерой (как это имеет место в прототипе), расширяет возможности технической оптимизации по числу приемлемых конструктивных вариантов, компромиссных, по условиям реализуемой компоновки в стесненном пространстве моторного отсека транспортного средства, требованиям обеспечения заданной эффективности очистки воздуха, гидросопротивлений, акустики, использования модифицированных элементов систем с применением штатных, уже освоенных в производстве, конструкций воздухоочистителей или ресиверов и т.д. и т.п.

С другой стороны, в ряде случаев, с требованиями мощностных, экономических и экологических показателей в практику конструирования ДВС поставлена задача максимальной унификации деталей, узлов и систем дизельного двигателя и бензинового (с принудительным зажиганием рабочей смеси) двигателя, имеющих общую конструктивную базу конвертации (литраж, конструкцию базовых деталей). Это, в большинстве случаев, позволяет существенно удешевить конструкцию дизеля в целом за счет реализации преимуществ использования единой технологической базы и уменьшения номенклатуры деталей завода-производителя и т.п. Данный подход распространяется и на использование идентичной унифицированной конструкции воздухоочистителя двигателя, применяемого как для бензинового, так и для версии дизельного двигателя. Однако, если с точки зрения обеспечения требуемых низких гидравлических сопротивлений воздухоочистителя, как составного элемента впускной трассы двигателя, пылеемкости его фильтрующего элемента, вибропрочности его корпуса, существенных отличий в применении воздухоочистителя на конвертируемой конструкции двигателя практически нет, то с точки зрения эффективности подавления газодинамических пульсаций и шума, излучаемого системой впуска дизеля в сравнении с бензиновым двигателем - разница существенная. Именно, интенсивные газодинамические пульсации на впуске дизеля из-за примерно двукратного увеличения степени сжатия, отсутствия демпфирующих диффузорных элементов в системе питания (в отличие от конструкций карбюраторов), применения развитых (с увеличенной длиной) коллекторных труб, повышающих крутящий момент на низких оборотах дизеля вследствие инерционного наддува, обуславливают необходимость применения в конструкции впускной системы дизеля в качестве обязательного элемента - специальной дополнительной расширительной полости - ресивера, выполняющего роль как элемента динамического разделения нежелательных волновых взаимосвязей коллекторных ответвлений отдельных цилиндров, так и элемента демпфирования пульсаций и снижения шумового излучения в полости расширительной камеры за счет образования в ней эффективной волновой пробки, рассогласовывающей волновые сопротивления трубопроводов (подводящих и отводящих) и отражающей распространяемые по волноводу звуковые волны в направлении к источнику излучения (возмущения) - цилиндру с впускным клапаном.

Анализируя и обобщая результаты вышеприведенного патентного обзора, следует сделать вывод, что все известные вышеперечисленные устройства улучшения акустических характеристик и снижения газодинамических пульсаций во впускных системах ДВС и соответственно улучшения их мощностных, экономических и экологических показателей связаны, как правило, с использованием дополнительных расширительных или резонансных камер, подключаемых как параллельно, так и последовательно к впускному тракту, использованием электронных систем формирования искусственных противофазных сигналов противодавлений для компенсации реальных сигналов пульсаций и шума, использованием дополнительных ресиверов, дополнительных управляемых воздуховодов и расширительных камер с изменяемым объемом.

В качестве прототипа принят двигатель внутреннего сгорания, патент РФ N 2095612, кл. F 02 M 35/10, публ. 10.11.97 г., бюл. N 31, содержащий ресивер с присоединительным патрубком, посредством которого полость ресивера сообщается с системой забора очищенного воздуха, и отдельными впускными патрубками, которые соединяются с головкой цилиндров и отдельными цилиндрами; на присоединительном патрубке консольно закреплен штуцер, свободный срез которого размещен в полости ресивера вблизи поперечной боковым его стенкам плоскости, проходящей между двумя средними отдельными впускными патрубками.

Описанному устройству присущи следующие недостатки. Длинная (как правило) присоединительная труба, связывающая объемы корпусов ресивера и воздухоочистителя, с одной стороны, имеет значительное количество собственных резонансных частот, излучая на этих частотах значительное количество акустической энергии, передающееся в окружающую среду через воздухозаборник воздухоочистителя, а с другой стороны, делает конструкцию некомпактной, труднокомпонуемой в стесненном пространстве моторного отсека автомобиля. С одной стороны, подключение воздухопроводящей трубы к полости воздухоочистителя произведено неоптимально с акустической точки зрения. С другой стороны, газовые потоки, транспортируемые по отдельным впускным патрубкам, попадая в ресивер, находятся в разных условиях поступления в отдельные впускные трубы и далее в цилиндры из-за загромождающего (затеняющего) влияния на них стенок воздухопроводящей трубы, находящейся во внутренней полости ресивера. Вследствие того, что в прототипе (и практически во всех случаях) ресивер жестко закреплен на колеблющемся на подвеске двигателе, а воздухоочиститель установлен на относительно неподвижном кузове, воздухопроводящая труба, соединяющая ресивер с воздухоочистителем, как правило, выполненная в виде резинового шланга, подвергается значительным относительным вибрациям, в результате чего может происходить разгерметизация мест соединения трубы с названными элементами, либо нарушается целостность (повреждение - разрыв) самой трубы. Как результат, через разгерметизированные зоны (щели) в двигатель из моторного отсека могут попадать пары масла, топлива, картерные газы, пыль, грязь и прочее, что усиливает абразивный износ цилиндров поршневой группы, а также, через образованные щели будет происходить интенсивное "высвечивание" (передача) и генерирование шумовой энергии из трубы в окружающую среду. Причем, следует учесть, что дополнительное поступление газа в двигатель через разгерметизированные участки не учитывается штатным расходомером воздуха ДВС, что влечет нарушение оптимальным управлением впрыска топлива в цилиндры двигателя. Кроме обеспечения высоких прочностных характеристик такой соединительной резиновой трубе необходимо также решить вопрос ее стойкости к воздействию температур, горючести и т.п., что влечет существенное увеличение ее стоимости.

Задачей изобретения является создание более компактной конструкции и повышение ее акустической эффективности.

Техническое решение задачи достигается тем, что в известном двигателе внутреннего сгорания, содержащем впускное устройство, состоящее из ресивера с отдельными впускными трубами, которые соединяются с головкой цилиндра и сообщаются с отдельными цилиндрами посредством впускных клапанов, и воздухоочистителя с воздухозаборником, причем полости ресивера и воздухоочистителя сообщаются посредством воздухопроводящей соединительной трубы, срез которой внутри ресивера размещен в центре тяжести -О- его объема, воздухоочиститель закреплен на ресивере посредством горловины, через которую проходит воздухопроводящая труба, при этом труба выполнена из газопроницаемого пористого металлического материала. В частности, труба может быть выполнена из пористого сетчатого материала, металлорезины или другого, аналогичного по своим физико-механическим свойствам материала.

Для повышения эффективности снижения шума впускное устройство целесообразно акустически настроить (подробно об этом будет сказано ниже), для чего удобно корпус воздухоочистителя выполнить цилиндрической формы, а проходное сечение свободного среза воздухопроводящей соединительной трубы разместить на расстоянии (0,58-0,68)R от оси -O-O- цилиндра корпуса воздухоочистителя и на расстоянии H/2-0,3d от поверхности днища цилиндра. Для простоты и удобства настройки корпус ресивера целесообразно выполнить в форме кругового цилиндра, ограниченного глухими торцевыми стенками, а свободный срез воздухопроводящей соединительной трубы в полости ресивера расположить по оси цилиндра на расстоянии B/2-0,3d от глухой торцевой стенки со стороны соединительной горловины,
где R - радиус цилиндра внутренней полости корпуса воздухоочистителя,
H - высота внутренней полости корпуса воздухоочистителя,
В - длина внутренней полости корпуса ресивера,
d - внутренний диаметр воздухопроводящей соединительной трубы.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:
- на фиг. 1 показано заявляемое впускное устройство;
- на фиг. 2 - низшая собственная резонансная продольная форма колебаний звукового давления в объеме ресивера;
- на фиг. 3 - аналогичная повысотная (радиальная) форма колебаний звукового давления;
- на фиг. 4 - вторая низшая собственная резонансная продольная форма колебаний звукового давления в полости воздухоочистителя;
- на фиг. 5 - низшая повысотная собственная резонансная форма колебаний звукового давления в полости воздухоочистителя;
- на фиг. 6 - вид слева по фиг. 1.

Двигатель внутреннего сгорания содержит впускное устройство, состоящее из ресивера 1 с отдельными впускными трубами 2-5, которые соединяются с головкой цилиндра и сообщаются с отдельными цилиндрами посредством впускных клапанов, и воздухоочистителя 6. Полости ресивера 1 и воздухоочистителя 6 сообщаются посредством воздухопроводящей соединительной трубы 7, которая выполнена из газопроницаемого, пористого металлического материала, например, пористого сетчатого материала (ПСМ) или металлорезины (МР), и срез 8 которой внутри ресивера 1 размещен в центре тяжести -О- его воздушного объема. Корпус воздухоочистителя 6 имеет цилиндрическую форму, ограниченную днищем 9 и крышкой 10. Проходное сечение свободного среза 11 воздухопроводящей соединительной трубы 7 размещено на расстоянии (0,58-0,68)R (где R - радиус цилиндра корпуса воздухоочистителя 6) от оси -O-O- цилиндра корпуса и на расстоянии H/2-0,3d (где H - высота корпуса воздухоочистителя 6, d - внутренний диаметр воздухопроводящей соединительной трубы 7) от поверхности днища 9 цилиндра корпуса воздухоочистителя 6. При этом воздухоочиститель 6 закреплен на ресивере 1 посредством соединительной горловины 12, выполненной на его боковой стенке, через которую проходит воздухопроводящая соединительная труба 7. Корпус ресивера 1 имеет форму кругового цилиндра, ограниченного глухими торцевыми стенками 13 и 14, а свободный срез воздухопроводящей соединительной трубы 7 в полости ресивера 1 расположен по оси цилиндра на расстоянии B/2-0,3d (где B - длина ресивера 1, d - диаметр воздухопроводящей соединительной трубы 7) от глухой торцевой стенки 13 со стороны соединительной горловины 12.

Предлагаемый двигатель работает обычным образом.

Открытие впускного клапана (клапанов) 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 к открытому концу воздухозаборного патрубка воздухоочистителя 6, а также в направлении всех свободных отводных каналов трассы впуска с закрытыми впускными клапанами в данный момент - впускные трубы 2-5 через сообщающийся объем воздухопроводящей соединительной трубы 7, отражаются от закрытых впускных клапанов (тупиковые волноводы), т.е. образуется звуковое газодинамическое поле многократно отражающихся упругих волн в сложном геометрическом объеме впускной системы, с утечкой энергии этих упругих волн в окружающую среду через свободно открытый срез воздухозаборного патрубка воздухоочистителя 6 в виде звука, излучаемого в окружающую среду.

Распределение звуковых давлений на наиболее энергоемких низших собственных резонансных формах колебаний газа в объемах ресивера 1 и воздухоочистителя 4 характеризуется косинусоидами с минимумом значения давления в плоскостях, проходящих через центр тяжести названных объемов ресивера 1 и воздухоочистителя 6, см. фиг. 2, 3 и 5. Вторая аналогичная собственная форма давлений, фиг. 4, в объеме воздухоочистителя располагается в соответствии с функцией Бесселя первого рода нулевого порядка и имеет минимумы значений давления на расстоянии 0,63 радиуса R цилиндра корпуса воздухоочистителя 6 от оси -O-O-. Как показала практика, эффективность заметно не ухудшается, если проходное сечение свободного среза будет находиться в диапазоне (0,58-0,68)R, что и используется при конкретном проектировании реальной конструкции.

Предлагаемым изобретением предусматривается комплексное решение проблем уменьшения стоимости, максимальной унификации, компактности, уменьшения гидравлического сопротивления впускного тракта и поышения шумозаглушающей способности системы впуска за счет применения конструкции агрегатированного модуля ресивера и воздухоочистителя, сообщенных между собой оптимальным соединительным трубопроводом, динамические срезы которого находятся в узловых зонах низших собственных мод воздушных объемов полостей камер воздухоочистителя и ресивера, что, таким образом, исключает динамическое возбуждение и/или передачу из объема в объем резонансного звукового возбуждения (излучения) и, таким образом, исключает интенсивное шумовое загрязнение окружающей среды работающей энергетической установкой на транспортном средстве или стационарной энергетической установкой.

Наглядно это продемонстрировано на фиг. 2-5, где динамические срезы 8 и 11 воздухопроводящей соединительной трубы 7 размещены в упомянутых зонах минимального значения величины звукового давления на названных выше низших собственных резонансных формах колебаний звукового давления в объемах ресивера 1 и воздухоочистителя 6.

Кроме всего перечисленного, выполнение воздухопроводящей соединительной трубы 7 из газопроницаемого пористого прессованного металлического материала (ПСМ, МР) - высокодемпфирующего звукопоглощающего материала, обеспечивает дополнительный существенный эффект. В частности, на открытых срезах трубы 7 реализуются максимальные значения виброскоростей колебаний на собственных резонансных модах воздушного объема в патрубке. Поэтому выполнение трубы 7 из эффективно звукопоглощающего материала является наиболее эффективным приемом подавления этих собственных резонансных форм. Иными словами поглощение резонансной звуковой энергии происходит в зоне максимальной ее концентрации, путем преобразования в тепловую энергию при многократном отражении в порах структуры трубы 7.

Дополнительным положительным моментом является снижение требований к точности акустической настройки такой системы ввиду того, что воздухопроводящая соединительная труба 7 выполнена газопроницаемой и звукопоглощающей в отличие от варианта выполнения трубы из плотного газонепроницаемого материала, которая при неточностях настройки относительно легко возбуждает звуковое поле в замкнутых полостях камер. Немаловажным положительным фактором следует считать и несклонность такой воздухопроницаемой трубы к образованию вихревых кромочных свистов вследствие просасывания газа пористой стенкой в зонах срезов. Газопроницаемая стенка трубы 7 благоприятно сказывается на снижении гидросопротивлений тракта впускной системы и равномерности наполнения цилиндров двигателя вследствие частичной транспортировки засасываемого воздуха через структуру стенки трубы 7.

Монтаж воздухоочистителя 6 через жесткую и короткую горловину 12 на боковой стенке ресивера 1 позволяет обеспечить высокую надежность соединения ресивера 1 и воздухоочистителя 6 в сравнении с конструкцией, описанной в прототипе, при этом достигается компактность агрегатированного узла всего впускного устройства двигателя и устраняются все описанные выше недостатки прототипа. Ввиду того, что соединительная воздухопроводящая труба 7 полностью расположена внутри полостей камер воздухоочистителя 6 и ресивера 1, исключается возможность засасывания в двигатель неочищенного воздуха и излучения щелевого звука при ее повреждении.

Изобретение относится к многоцилиндровым двигателям внутреннего сгорания (ДВС), преимущественно дизельным. ДВС содержит впускное устройство, состоящее из ресивера с отдельными впускными трубами, которые соединяются с головкой цилиндров и сообщаются с отдельными цилиндрами посредством впускных клапанов, и воздухоочистителя. Полости ресивера и воздухоочистителя сообщаются посредством воздухопроводящей соединительной трубы, которая выполнена из газопроницаемого пористого металлического материала, например пористого сетчатого материала, металлорезины и др. При этом самовпускное устройство представляет собой акустически настроенную конструкцию. Изобретение обеспечивает создание компактной конструкции впускного устройства двигателя с повышенной шумозаглушающей способностью. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий впускное устройство, состоящее из ресивера с отдельными впускными трубами, которые соединяются с головкой цилиндра и сообщаются с отдельными цилиндрами посредством впускных клапанов, и воздухоочистителя, причем полости ресивера и воздухоочистителя сообщаются посредством воздухопроводящей соединительной трубы, срез которой внутри ресивера размещен в центре тяжести -О- его объема, отличающийся тем, что воздухоочиститель закреплен на ресивере посредством горловины, через которую проходит воздухопроводящая соединительная труба, при этом труба выполнена из газопроницаемого пористого звукопоглощающего металлического материала. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что соединительная труба выполнена из пористого сетчатого материала или металлорезины. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что корпус воздухоочистителя имеет цилиндрическую форму, ограниченную днищем и крышкой, причем проходное сечение свободного среза воздухопроводящей соединительной трубы в полости воздухоочистителя размещено на расстоянии (0,58 - 0,68)R от оси -О-О - цилиндра корпуса воздухоочистителя и на расстоянии Н/2 - 0,3d от поверхности днища цилиндра, при этом корпус ресивера имеет форму кругового цилиндра, ограниченного глухими торцевыми стенками, а свободный срез воздухопроводящей соединительной трубы в полости ресивера расположен по оси, на расстоянии В/2 - 0,3d от глухой торцевой стенки ресивера со стороны соединительной горловины, где R - радиус цилиндра внутренней полости корпуса воздухоочистителя; Н - высота внутренней полости корпуса воздухоочистителя; В - длина внутренней полости корпуса ресивера; d - внутренний диаметр воздухопроводящей соединительной трубы.