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, образующая 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 ресивера-воздухоочистителя корпуса 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. Наличие во внутренней полости ресивера и закрепленной на его торцевой стенке воздухопроводящей трубы в значительной степени уменьшает (вытесняет) полезный объем ресивера, а значит и снижает его эффективность. 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 образивный 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 патрубками, которые соединяются с головкой цилиндра и сообщаются с отдельными цилиндрами посредством впускных клапанов, и снабженного воздухоочистителем с воздухозаборником, причем полость ресивера и полость очищенного воздуха воздухоочистителя сообщаются между собой посредством газопровода, последний выполнен в виде общей стенки корпусов ресивера и воздухоочистителя в зоне их взаимного соединения, при этом названная стенка выполнена из газопроницаемого пористого прессованного металлического материала, и суммарное проходное сечение каналов сквозных пор стенки превышает минимальное проходное сечение воздухозаборника воздухоочистителя. Взаимное соединение корпусов ресивера и воздухоочистителя может быть виброизолированным, например, путем установки встык соединения упругой (резиновой) прокладки. Общая стенка может быть дополнительно снабжена разгрузочными сквозными отверстиями перфорации. Оси открытых срезов впускных патрубков ресивера могут быть сориентированы в сторону центра общей стенки. Кроме того, открытые срезы впускных патрубков ресивера могут быть выполнены в виде раструбов, продолжение образующих которых огибает по периметру общую стенку корпусов воздухоочистителя и ресивера. При этом раструбы впускных патрубков могут быть выполнены из газопроницаемого металлического пористого прессованного материала.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где
- на фиг. 1 показано впускное устройство заявляемого двигателя внутреннего сгорания;
- на фиг. 2 показан вариант конструктивного исполнения газопровода (общей стенки корпусов) со сквозными отверстиями перфорации;
- на фиг. 3 показан ресивер, в котором внутренние срезы впускных патрубков сориентированы в центр общей стенки корпусов;
- на фиг. 4 показан ресивер, в котором открытые срезы впускных патрубков выполнены в виде сориентированных в сторону общей стенки раструбов.

Двигатель внутреннего сгорания содержит впускное устройство, состоящее из ресивера 1 с отдельными впускными патрубками 2...5, которые соединяются с головкой цилиндра и сообщаются с отдельными цилиндрами посредством впускных клапанов (на чертежах не показаны), и снабженного воздухозаборником 6 воздухоочистителя 7, причем полость ресивера "A" и полость "B" очищенного воздуха воздухоочистителя 7 сообщаются между собой посредством газопровода. Последний выполнен в виде общей газопроницаемой стенки 8 корпусов ресивера 1 и воздухоочистителя 7 в зоне их взаимного виброизолированного соединения, при этом названная стенка выполнена из газопроницаемого пористого прессованного металлического материала, например, пористого сетчатого материала (ПСМ) или металлорезины (МР) и суммарное проходное сечение каналов сквозных пор стенки превышает минимальное проходное сечение воздухозаборника. Общая стенка может быть дополнительно снабжена разгрузочными сквозными отверстиями перфорации 9. Оси открытых срезов 10...13 впускных патрубков 2...5 ресивера 1 могут быть сориентированы в сторону центра "Ц" общей стенки 8. Кроме того, концы впускных патрубков 2...5 ресивера 1 могут быть выполнены в виде раструбов 14. . . 17, продолжение образующих которых огибает по периметру общую стенку 8 корпусов воздухоочистителя 7 и ресивера 1. При этом раструбы 14... 17 впускных патрубков 2...5 могут быть выполнены из газопроницаемого металлического пористого прессованного материала (ПСМ, МР или аналогичного по своим физико-механическим свойствам материала).

На фиг. 2 показан дополнительный виброизолирующий элемент (резиновая прокладка) 18, который в принципе может и отсутствовать, т.к. используемый материал типа ПСМ, МР и пр. обладает высокими вибродемпфирующими и виброизолирующими свойствами.

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 воздухозаборника 6 воздухоочистителя 7, а также в направлении всех свободных отводных каналов трассы впуска с закрытыми впускными клапанами в данный момент - впускные патрубки 2...5 через сообщающийся объем газопровода 8 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 воздухозаборника 6 воздухоочистителя 7 в виде излучаемого в окружающую среду звука.

Предлагаемым изобретением предусматривается комплексное решение проблем уменьшения стоимости, максимальной унификации, компактности и повышения шумозаглушающей способности за счет применения конструкции агрегатированного модуля ресивера 1 и воздухоочистителя 7, сообщенных между собой оптимальным соединительным газопроводом, выполненным в виде общей газопроницаемой стенки 8 виброизолированно закрепленных между собой корпусов воздухоочистителя 7 и ресивера 1, выполненной из газопроницаемого, металлического пористого прессованного материала, что в значительной степени ослабляет возбуждение и передачу из объема в объем резонансного звукового возбуждения (излучения) и ослабляет возбуждения корпусного звука стенок воздухоочистителя и, таким образом, ослабляет интенсивное шумовое загрязнение окружающей среды работающей энергетической установкой на транспортном средстве или стационарной энергетической установкой.

По сравнению с прототипом заявляемое устройство обладает рядом преимуществ. В частности, отсутствие специального патрубка, соединяющего полости "A" и "B" и вытесняющего часть полезного объема полости, позволяет в максимальной степени использовать полезный объем камер (полостей) ресивера 1 и воздухоочистителя 7. Одновременно с этим устраняется вредное влияние пульсирующего газового потока и резонансных явлений, непременно имеющих место в полости патрубка, на газовые объемы полостей "A" и "B". Патрубок также является строго ориентированным направляющим устройством, что создает дополнительные гидравлические сопротивления впускному тракту. В отличие от этого развитая по площади общая газопроницаемая стенка 8 из пористого прессованного материала, обладающего значительными демпфирующими и звукопоглощающими свойствами, эффективно преобразует энергию газовых пульсаций и звуковых волн в тепловую, при многократном их поглощении внутри пор структуры обозначенного материала. Кроме того, обеспечивается более плавное (без резких изменений направления) и равномерное поступление газового потока (воздуха) из полости "В" воздухоочистителя 7 к соответствующим (в зависимости от порядка работы цилиндров двигателя) впускным патрубкам 2...5, что наглядно проиллюстрировано на фиг. 3 и 4. Этому способствует и дополнительная возможная определенная ориентация открытых срезов 10...13, а также выполнение их в виде направленных раструбов 14...17, которые так же могут быть выполнены из ПСМ или МР.

Выполнение общей газопроницаемой стенки корпусов ресивера и воздухоочистителя в зоне их взаимного соединения достаточно большой по площади позволяет по сути ввести эффективную по площади поглощения звукопоглощающую панель, которая способна поглощать звуковую энергию, генерируемую в полостях камер ресивера и воздухоочистителя, а также способна эффективно компенсировать поле давлений в полостях камер, возбуждаемых пульсациями газа (воздуха) на впуске (сглаживание амплитуд низкочастотных пульсаций). В данном случае поглощение звуковой и пульсационных энергий подразумевает их превращение в тепловую энергию вследствие трения в каналах пор газопроницаемой структуры перегородки.

Как возможный вариант исполнения, общая стенка 8 может быть снабжена сквозными отверстиями перфорации 9, что, с одной стороны, позволит управлять гидравлическим сопротивлением этой зоны впускного тракта эффективностью продавливания резонансных пульсаций газа между полостями камер, а с другой стороны, позволяет расширить спектр применяемых материалов (различных по плотности, толщине, сопротивлению продуванию), поскольку должно соблюдаться условие того, чтобы суммарная площадь сквозных каналов пор (и отверстий перфорации) по крайней мере была не менее минимального проходного сечения воздухозаборника 6, которое, как правило, лимитирует максимальные гидросопротивления впускного тракта.

Вибрационно демпфирующая развязка структур корпусов ресивера 1 и воздухоочистителя 7 позволяет уменьшить уровень структурного (корпусного) шума, обуславливаемого вибрирующими поверхностями названных корпусов и одновременно с этим повысить долговечность и надежность конструкция впускного устройства и двигателя в целом.

Изобретение относится к многоцилиндровым двигателям внутреннего сгорания (ДВС), преимущественно дизельным. ДВС содержит впускное устройство, состоящее из ресивера с отдельными впускными патрубками, которые соединяются с головкой цилиндра и сообщаются с отдельными цилиндрами посредством впускных клапанов, снабженного воздухозаборником воздухоочистителя. Полость В очищенного воздуха воздухоочистителя и полость ресивера сообщаются посредством газопровода, при этом газопровод выполнен в виде общей газопроницаемой стенки корпусов ресивера и воздухоочистителя в зоне их взаимного соединения, при этом названная стенка выполнена из газопроницаемого пористого прессованного металлического материала, суммарное проходное сечение сквозных каналов пор стенки превышает минимальное проходное сечение воздухозаборника. Кроме того, общая стенка может быть снабжена дополнительными сквозными отверстиями перфорации, а в стыке соединения корпусов может быть установлен дополнительный виброизолирующий элемент. Изобретение обеспечивает создание компактной конструкции впускного устройства двигателя с повышенной шумозаглушающей способностью. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий впускное устройство, состоящее из ресивера с отдельными впускными патрубками, которые соединяются с головкой цилиндра и сообщаются с отдельными цилиндрами посредством впускных клапанов, и снабженного воздухоочистителем с воздухозаборником воздухоочистителя, причем полость ресивера и полость очищенного воздуха воздухоочистителя сообщаются между собой посредством газопровода, отличающийся тем, что газопровод выполнен в виде общей газопроницаемой стенки корпусов ресивера и воздухоочистителя в зоне их взаимного соединения, при этом названная стенка выполнена из газопроницаемого пористого прессованного металлического материала, суммарное проходное сечение каналов сквозных пор стенки превышает минимальное проходное сечение воздухозаборника воздухоочистителя. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что общая газопроницаемая стенка снабжена дополнительными сквозными отверстиями перфорации. 3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что оси открытых срезов впускных патрубков в полости ресивера сориентированы в сторону геометрического центра общей газопроницаемой стенки. 4. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что открытые срезы впускных патрубков ресивера выполнены в виде раструбов, продолжение образующих которых огибает по периметру общую газопроницаемую стенку корпусов воздухоочистителя и ресивера. 5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что раструбы выполнены из газопроницаемого металлического пористого прессованного материала. 6. Двигатель по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что в стыке соединения корпусов ресивера и воздухоочистителя установлен дополнительный виброизолирующий элемент.