Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, транспортному средству, морскому судну и способу очистки отработанного газа двигателя внутреннего сгорания.
Уровень техники
В общем известны двигатели внутреннего сгорания, включающие в себя трехкомпонентный каталитический нейтрализатор для очистки отработанного газа, предложенные в патентном документе 1.
Патентный документ 1: Публикация патента Японии № 07-205890.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Проблемы, решаемые изобретением
Чтобы довести до максимума эффективность очистки посредством трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, отношение количества воздуха к количеству топлива в смешиваемом газе (далее называемое отношением воздуха к топливу для сгорания) должно представлять собой теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива. Однако когда двигатель внутреннего сгорания приводят в действие при теоретическом отношении количества воздуха к количеству топлива в состоянии высокой нагрузки, температура сгорания становится чрезмерно высокой, при этом температура отработанного газа также становится высокой. Когда температура отработанного газа становится чрезмерно высокой, катализатор подвергается воздействию этой чрезмерно высокой температуры и разрушается вследствие так называемого явления спекания. В результате эффективность очистки посредством катализатора будет снижена. По этой причине, чтобы избежать возникновения чрезмерно высокой температуры отработанного газа, двигатель внутреннего сгорания, который предложен в патентном документе 1, в состоянии высокой нагрузки приводят в действие при отношении количества воздуха к количеству топлива, меньшем, чем теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива. Поэтому эксплуатационные качества трехкомпонентного каталитического нейтрализатора в отношении очистки не могут быть использованы в максимально возможной степени.
В свете указанных обстоятельств целью настоящего изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания, способного обеспечить повышение эффективности очистки посредством предотвращения повышения температуры отработанного газа для уменьшения разрушения катализатора.
Способ решения проблемы
Авторы настоящего изобретения обнаружили скачок уплотнения, распространяющийся в направлении потока в выпускном канале, когда открыто выпускное отверстие, и поняли, что посредством использования отрицательного давления, создаваемого позади скачка уплотнения, воздух может быть подан даже тогда, когда двигатель внутреннего сгорания находится в состоянии высокой нагрузки. Однако этот скачок уплотнения образуется вблизи от выпускного отверстия. Поэтому авторы данного изобретения решили уменьшить температуру отработанного газа посредством подачи большого количества воздуха вблизи выпускного отверстия. Но было установлено, что в результате этого насосные потери будут увеличены и, следовательно, выходная мощность двигателя внутреннего сгорания будет уменьшена.
Авторы настоящего изобретения разработали идею генерирования нового отрицательного давления посредством генерирования нового скачка уплотнения в выпускном канале, который отличается от скачка уплотнения, распространяющегося в направлении потока в выпускном канале, когда открыто выпускное отверстие, и, следовательно, уменьшения давления и температуры в выпускном канале, другими словами, уменьшения давления и температуры отработанного газа. Это означает применение принципа в общем известного сужающегося и расширяющегося сопла, обычно называемого «соплом Лаваля», к двигателю внутреннего сгорания, содержащему вспомогательную систему подачи воздуха. Это сопло включает в себя сужающуюся секцию, имеющую площадь поперечного сечения для потока, которая уменьшается при движении текучей среды вперед, расширяющуюся секцию, расположенную дальше по потоку относительно сужающейся секции и имеющую площадь поперечного сечения для потока, которая увеличивается при движении текучей среды вперед, а также горловую секцию, расположенную между сужающейся секцией и расширяющейся секцией. Когда отношение давления Р0 в сужающейся секции и давления Р в расширяющейся секции (то есть Р/Р0) меньше критического отношения давлений (для воздуха порядка 0,528), скорость текучей среды в расширяющейся секции превышает скорость звука. Чтобы создать новый скачок уплотнения в выпускном канале, в настоящем изобретении предусмотрена сужающаяся секция, имеющая меньшую площадь поперечного сечения для потока у ее выходного конца, чем у входного конца, а также предусмотрена расширяющаяся секция, находящаяся дальше по потоку относительно сужающейся секции, имеющая большую площадь поперечного сечения для потока у ее выходного конца, чем у входного конца. Однако, когда в выпускном канале предусмотрены только ссужающаяся секция и расширяющаяся секция, отношение давления Р0 в сужающейся секции и давления Р в расширяющейся секции (то есть Р/Р0) не достигает критического отношения давлений, и поэтому невозможно создать новый скачок уплотнения.
В результате дальнейшего активного изучения двигателей внутреннего сгорания авторы данного изобретения установили, что распространение скачка уплотнения в выпускном канале дальше по потоку, когда выпускное отверстие открыто, происходит с более высокой скоростью, чем происходящее в это же время течение отработанного газа к выпускному каналу из камеры сгорания. Обратив внимание на разность скорости скачка уплотнения и отработанного газа, авторы данного изобретения разработали конструкцию для увеличения давления Р0 в сужающейся секции. Это конструкция, которая включает в себя ответвленную секцию для ответвления скачка уплотнения, предшествующего отработанному газу, и, следовательно, для распространения скачка уплотнения назад к выпускному каналу. Кроме того, авторы настоящего изобретения разработали конструкцию, посредством которой ответвленная секция объединена с катализатором, расположенным в части выпускного канала, которая находится дальше по потоку относительно расширяющейся секции.
Двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению содержит камеру сгорания, имеющую выпускное отверстие, выпускной клапан для открытия и закрытия выпускного отверстия, выпускное устройство, имеющее выпускной канал для направления отработанного газа, выпускаемого из камеры сгорания через выпускное отверстие, и устройство для очистки отработанного газа, расположенное в выпускном канале и содержащее катализатор. Выпускное устройство содержит сужающуюся секцию, имеющую площадь поперечного сечения для потока, меньшую у выходного конца, чем у входного конца, расширяющуюся секцию, расположенную дальше по потоку относительно сужающейся секции и имеющую площадь поперечного сечения для потока, большую на ее выходном конце, чем на ее входном конце, и ответвленную секцию для ответвления скачка уплотнения, распространяющегося по пути потока в выпускном канале с более высокой скоростью, чем отработанный газ, проходящий в выпускной канал из камеры сгорания, когда открыто выпускное отверстие, из части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, и распространения скачка уплотнения назад к выпускному каналу. Отработанный газ, проходящий в выпускной канал из камеры сгорания, должен проходить сужающуюся секцию и сталкиваться со скачком уплотнения, который распространяется в ответвленной секции, между ответвленной секцией и расширяющейся секцией, чтобы увеличить давление отработанного газа в сужающейся секции. Отработанный газ должен проходить расширяющуюся секцию для генерирования нового скачка уплотнения и, следовательно, для уменьшения температуры отработанного газа. Катализатор устройства для очистки отработанного газа устанавливают в части выпускного канала, которая находится дальше по потоку относительно расширяющейся секции.
Еще один двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению содержит камеру сгорания, имеющую выпускное отверстие, выпускной клапан для открытия или закрытия выпускного отверстия, выпускное устройство, имеющее выпускной канал для направления отработанного газа, выпускаемого из камеры сгорания через выпускное отверстие, и устройство для очистки отработанного газа, расположенное в выпускном канале и имеющее катализатор. Выпускное устройство содержит сужающуюся секцию, имеющую площадь поперечного сечения для потока, меньшую на ее выходном конце, чем на ее входном конце, расширяющуюся секцию, расположенную дальше по потоку относительно сужающейся секции и имеющую площадь поперечного сечения для потока, большую на ее выходном конце, чем на ее входном конце, и ответвленную секцию для ответвления скачка уплотнения, распространяющегося в направлении потока во впускном канале с более высокой скоростью, чем отработанный газ, проходящий в выпускной канал из камеры сгорания, когда открыто выпускное отверстие, из части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, и распространения скачка уплотнения назад в выпускной канал. Катализатор устройства для очистки отработанного газа расположен в части выпускного канала, которая находится дальше по потоку относительно расширяющейся секции. Если скорость отработанного газа, выпускаемого из камеры сгорания, когда открыто выпускное отверстие, представляет собой Ve, а скорость скачка уплотнения, распространяющегося в выпускном канале, представляет собой Vs, то расстояние Le между выпускным отверстием и входом ответвленной секции и расстояние Ls, на которое скачок уплотнения распространяется в ответвленной секции, удовлетворяют отношению Le/Ve≤(Le+2Ls)/Vs, и время от момента, когда выпускное отверстие открыто, до момента, когда выпускное отверстие закрыто, составляет tv, а расстояние Ld между входом ответвленной секции и расширяющейся секцией удовлетворяет отношению: (Le+2Ls+Ld)/Vs≤tv+(Le+Ld)/Ve.
Способ очистки отработанного газа двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению включает этапы, на которых воспламеняют топливо в камере сгорания; открывают выпускной клапан для открытия или закрытия выпускного отверстия камеры сгорания для выпуска отработанного газа из камеры сгорания в выпускной канал и генерирования скачка уплотнения, распространяющегося в выпускном канале с более высокой скоростью, чем отработанный газ; ответвляют, по меньшей мере, часть скачка уплотнения из выпускного канала и распространяют ответвленный скачок уплотнения назад в выпускной канал для столкновения скачка уплотнения с отработанным газом, таким образом увеличивая давление отработанного газа; направляют отработанный газ в часть выпускного канала, имеющую меньшую площадь поперечного сечения для потока в находящейся дальше по потоку его секции, чем в находящейся ближе по потоку его секции, таким образом увеличивая давление отработанного газа; направляют отработанный газ в часть выпускного канала, имеющую большую площадь поперечного сечения для потока в находящейся дальше по потоку его секции, чем в находящейся ближе по потоку его секции, таким образом генерируя новый скачок уплотнения, распространяющийся в направлении потока в выпускном канале и, таким образом, уменьшают температуру отработанного газа; пропускают отработанный газ через катализатор для его очистки.
Эффект изобретения
Согласно настоящему изобретению скачок уплотнения, предшествующий отработанному газу, задерживается в ответвленной секции и распространяется назад к выпускному каналу, а также будет вынужден столкнуться с отработанным газом, продвигающимся с задержкой. Это повышает давление отработанного газа. Отработанный газ должен миновать сужающуюся секцию, что повышает давление отработанного газа в сужающейся секции. Поскольку этот отработанный газ должен миновать расширяющуюся секцию, будет генерирован новый скачок уплотнения, который отличается от скачка уплотнения, генерируемого, когда выпускное отверстие открыто, и температура отработанного газа будет уменьшена. Посредством такого использования температура отработанного газа, следующего к катализатору, может быть уменьшена. В результате эффективность очистки может быть повышена при меньшем разрушении катализатора.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена конструкция выпускного устройства двигателя внутреннего сгорания согласно варианту 1, а также показан вид в поперечном сечении выпускного канала и тому подобного в этом варианте.
На фиг.2 представлен схематичный вид в сечении сужающегося и расширяющегося сопла.
На фиг.3 представлена связь между отношением давлений и числом Маха в сужающемся и расширяющемся сопле.
На фиг.4 представлены виды в поперечном сечении выпускного канала и тому подобного, демонстрирующие продвижение скачка уплотнения и отработанного газа; на фиг. (А) показано начальное состояние такта выпуска, на фиг. (В) показано состояние, при котором скачок давления распространяется к ответвленному каналу, и на фиг. (С) показано состояние, при котором скачок уплотнения, отраженный ответвленным каналом, сталкивается с отработанным газом.
На фиг.5 представлен схематичный вид выпускного канала и тому подобного, демонстрирующий направление в выпускном канале, в котором распространяется скачок уплотнения, и направление в выпускном канале, в котором продвигается отработанный газ.
На фиг. 6 представлен схематичный вид, основанный на фотографии внутренней части сужающегося и расширяющегося сопла, полученной методом Теплера.
На фиг.7 представлен график, демонстрирующий связь между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа в заданных местах в первой выпускной трубе.
На фиг.8 представлен график, демонстрирующий связь между скоростью отработанного газа и температурой отработанного газа в заданных местах в первой выпускной трубе.
На фиг.9 показаны диаграммы P-V, характеризующие насосные потери; на фиг.(А) представлена диаграмма P-V обычного двигателя внутреннего сгорания, а на фиг.(В) представлена диаграмма P-V двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.
На фиг.10 представлен график, демонстрирующий связь между отношением площади поперечного сечения для потока вспомогательного канала подачи воздуха к площади поперечного сечения для потока в выпускном канале и отношением пропорции R0 количества воздуха к количеству топлива, когда подача вспомогательного воздуха не происходит, к пропорции R количества воздуха к количеству топлива, когда вспомогательный воздух подают из вспомогательного канала подачи воздуха.
На фиг.11 представлена конструкция двигателя внутреннего сгорания согласно второму варианту, а также показан вид в поперечном сечении выпускного канала и чего-то подобного в этом варианте.
На фиг.12 представлена конструкция двигателя внутреннего сгорания согласно третьему варианту, а также показан вид в поперечном сечении выпускного канала и чего-то подобного в этом варианте.
На фиг.13 представлена связь между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа в выпускном канале в последовательности по времени.
На фиг.14 представлена связь между давлением отработанного газа и температурой отработанного газа в выпускном канале в последовательности по времени.
На фиг.15 представлено морское судно, имеющее установленный на нем двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.
На фиг.16 представлено транспортное средство, имеющее установленный на нем двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.
На фиг.17 представлены виды в поперечном сечении многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, к которому применено настоящее изобретение, а также представлены виды в поперечном сечении выпускного канала и чего-то подобного, демонстрирующие продвижение скачка уплотнения и отработанного газа подобно фиг.4.
На фиг.18 показана модификация одного из приведенных выше вариантов осуществления изобретения, при этом она представляет собой вид в поперечном сечении выпускного канала и чего-то подобного в этом варианте.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
В результате активных исследований авторы настоящего изобретения разработали идею, заключающуюся в том, что давление и температура в выпускном канале могут быть значительно уменьшены посредством применения принципа сужающегося и расширяющегося сопла и использования представленного далее способа, который, в общем, не известен. Авторы данного изобретения установили, что эта идея может повысить эксплуатационные характеристики двигателя внутреннего сгорания.
Способ заключается в следующем: (1) ответвляют скачок уплотнения, который предшествует отработанному газу; (2) ответвленный скачок уплотнения задерживают таким образом, чтобы он столкнулся с отработанным газом, повышая при этом давление отработанного газа; (3) вынуждают отработанный газ, находящийся при повышенном давлении, пройти расширяющуюся секцию для ускорения до сверхзвуковой скорости, создавая при этом скачок уплотнения; (4) значительно уменьшают давление и температуру в выпускном канале.
Вариант 1 осуществления изобретения
Далее двигатель внутреннего сгорания согласно варианту осуществления настоящего изобретения будет подробно описан со ссылками на чертежи. В последующем описании термины «ближе по потоку» и «дальше по потоку» соответственно означают ближнюю сторону и дальнюю сторону по отношению к направлению, в котором проходит отработанный газ.
Как показано на фиг.1, двигатель внутреннего сгорания 1 включает в себя корпус 3 цилиндра и головку 4 цилиндра, установленную на одном конце корпуса. В корпусе 3 цилиндра и головке 4 цилиндра образована камера сгорания 10. Двигатель 1 представляет собой четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания 1 представляет собой одноцилиндровый двигатель. Двигатель 1 может представлять собой двигатель с воздушным или с водяным охлаждением. Головка 4 цилиндра имеет образованные в ней дальнюю секцию 6 всасывающего канала и ближнюю секцию 7 выпускного канала 16. Головка 4 цилиндра вмещает в себя впускной клапан 8 для открытия или закрытия впускного отверстия 8а, выпускной клапан 9 для открытия или закрытия выпускного отверстия 9а, механизм (не показан) приведения в действие клапанов, предназначенный для приведения в действие впускного клапана 8 и выпускного клапана 9, и тому подобное. В этом варианте осуществления изобретения одна дальняя по потоку секция 6 всасывающего канала и одна ближняя по потоку секция 7 выпускного канала 16 образованы для одной камеры сгорания 10. Как вариант, для одной камеры сгорания может быть создано множество впускных отверстий 8а, множество впускных клапанов 8, множество выпускных отверстий 9а и/или множество выпускных клапанов 9. К головке цилиндров 4 крепят инжектор 2 для впрыска топлива. Хотя это и не показано, цилиндр 4 также снабжен свечой зажигания.
Ближе по потоку относительно находящейся дальше по потоку секции 6 всасывающего канала подсоединена ближняя секция всасывающего канала (не показана). Внутри ближней секции расположен дроссельный клапан. Дроссельный клапан может быть приведен в действие вручную или посредством электроники с возможностью управления двигателем.
Выпускное устройство 5 включает в себя головку 4 цилиндра, первую выпускную трубу 12, подсоединенную к головке 4 цилиндра, вторую выпускную трубу 13, подсоединенную к первой выпускной трубе 12, и третью выпускную трубу 14, подсоединенную ко второй выпускной трубе 13. Первую выпускную трубу 12 крепят к головке 4 цилиндра посредством болта 11. Третья выпускная труба 14 имеет образованную в ней выпускную камеру 15. Выпускное устройство 5 имеет образованный в нем выпускной канал 16, который сообщает ближнюю по потоку секцию 7 с наружной стороной через выпускную камеру 15.
Как показано на фиг.1, очистное устройство 40 в этом варианте осуществления изобретения включает в себя первый катализатор 41 и второй катализатор 42. Первый катализатор 41 и второй катализатор 42 расположены в выпускном канале 16. Второй катализатор 42 расположен дальше по потоку от первого катализатора 41. Между первым катализатором 41 и вторым катализатором 42 имеется пространство.
Дальше по потоку по отношению к выпускной камере 15 подсоединен глушитель (не показан). Отработанный газ, который проходит во внутреннюю часть выпускной камеры 15, проходит глушитель и далее будет выпущен наружу. Выпускная камера 15 снабжена датчиком 19 концентрации кислорода для определения количества кислорода в отработанном газе.
Электронный управляющий блок 20, который представляет собой управляющее устройство, управляет количеством топлива, которое должно быть впрыснуто из инжектора 2, временем, чтобы вызвать воспламенение посредством свечи зажигания или чего-то подобного на основе скорости вращения двигателя внутреннего сгорания 1, углом открытия дроссельного клапана или сигналом, определяемым датчиком 19 концентрации кислорода. В этом варианте осуществления изобретения электронный управляющий блок 20 управляет количеством топлива, которое должно быть впрыснуто из инжектора 2, так чтобы, например, отношение количества воздуха и количества топлива в смешанном газе, который должен быть поглощен двигателем внутреннего сгорания 1, представляло собой теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива.
В ближней по потоку секции первой выпускной трубы 12 обеспечена ответвленная труба 22. Один конец ответвленной трубы 22 соединен с первой выпускной трубой 12, а другой конец ответвленной трубы 22 закрыт. Закрытый конец ответвленной трубы 22 действует в качестве отражательного участка 21b для отражения описанного далее скачка уплотнения. Ответвленная труба 22 образована за одно с первой выпускной трубой 12. Как вариант, ответвленная труба 22 может быть образована отдельно от первой выпускной трубы 12 и прикреплена к ней. Например, первая выпускная труба 12 и ответвленная труба 22 могут быть приварены друг к другу или прикреплены друг к другу посредством стягивающего элемента, например болта, заклепки или чего-то подобного. Ответвленную трубу 22 образуют таким образом, чтобы она имела площадь поперечного сечения для потока с одного конца, большую, чем с другого конца, однако конфигурация ответвленной трубы 22 не ограничена тем, что показано на фиг.1. Площадь поперечного сечения для потока в ответвленной трубе 22 с другого конца может быть такой же либо меньшей, чем площадь поперечного сечения для потока с одного конца. Внутри ответвленной трубы 22 образована ответвленная секция 21. Один конец ответвленной секции 21 сообщают с выпускным каналом 16, а другой ее конец закрыт. Вход 21а ответвленной секции 21 (то есть части, сообщающейся с выпускным каналом 16) имеет площадь поперечного сечения для потока, которой придан размер для такой возможности распространения скачка уплотнения в выпускном канале 16, чтобы распространение также происходило в ответвленной секции 21, как описано далее. На показанном чертеже «Х» представляет собой ось служащего для прохождения потока поперечного сечения входа 21а ответвленной секции 21.
Между ответвленной секцией 21 и первым катализатором 41 установлено сужающееся и расширяющееся сопло 31. Сужающееся и расширяющееся сопло 31 обычно называют «соплом Лаваля». Сужающееся и расширяющееся сопло 31 увеличивает скорость отработанного газа, проходящего к выпускному каналу 16, с дозвуковой скорости до сверхзвуковой скорости. Сужающееся и расширяющееся сопло 31 образовано из сужающейся секции 32, горловой секции 34 и расширяющейся секции 33. Сужающаяся секция 32 представляет собой часть, имеющую площадь поперечного сечения для потока, которая постепенно уменьшается к ее выходному концу. Расширяющаяся секция 33 представляет собой часть, имеющую площадь поперечного сечения для потока, которая постепенно увеличивается по направлению к ее выходному концу. Горловая секция 34 представляет собой ту часть, которая обеспечена между сужающейся секцией 32 и расширяющейся секцией 33 и имеет наименьшую площадь поперечного сечения для потока.
Предусмотрена вспомогательная система 70 для подачи воздуха, предназначенная для подачи воздуха к выпускному каналу 16 выпускного устройства 5. Вспомогательная система 70 для подачи воздуха включает в себя очиститель 76 воздуха, содержащий фильтр 76а, управляющий клапан 75, расположенный дальше относительно очистителя воздуха и служащий для управления количеством воздуха, подводящий клапан 74, установленный дальше относительно управляющего клапана, и вспомогательную трубу 72 для подачи воздуха, установленную дальше относительно подводящего клапана. Вспомогательная труба 72 для подачи воздуха подсоединена между ответвленной трубой 22 и сужающимся и расширяющимся соплом 31 в первой выпускной трубе 12. Передний конец вспомогательной трубы 72 для подачи воздуха выходит к выпускному каналу 16. Вспомогательная система 70 для подачи воздуха образует вспомогательный канал 71 подачи воздуха, проходящий из внутреннего пространства очистителя 76 воздуха к выпускному каналу. Подающая секция 73 вспомогательного канала 71 подачи воздуха сформирована так, чтобы она была подобна щели у переднего конца вспомогательной трубы 72 для подачи воздуха. В результате этой конструкции вспомогательная труба 72 может подавать воздух к широкой зоне выпускного канала 16, включающей в себя осевую линию Y ее поперечного сечения пути потока.
Ближний по потоку конец вспомогательной трубы 72 для подачи воздуха подсоединен к очистителю 76 воздуха через подводящий клапан 74 и клапан 75 управления количеством воздуха. Подводящий клапан 74 препятствует прохождению отработанного газа из вспомогательной трубы 72 для подачи воздуха к части, находящейся ближе по потоку по отношению к подводящему клапану 74. Подводящий клапан 74 предназначен для открытия посредством отрицательного давления, создаваемого в выпускном канале 16, чтобы вызвать прохождение воздуха к подающей секции 73 канала 71 подачи вспомогательного воздуха. Клапан 75 управления количеством воздуха предназначен для согласовывания количества воздуха с состоянием приведения в действие двигателя внутреннего сгорания 1. Клапан 75 включает в себя исполнительный механизм, серводвигатель, соленоид или что-то подобное, приводимое в действие отрицательным давлением на всасывании или чем-то подобным. Углом открытия клапана 75 управления количеством воздуха управляет электронный управляющий блок 20.
Когда угол открытия дроссельного клапана меньше, чем заданный угол, электронный управляющий блок 20 обеспечивает закрытие клапана 75 управления количеством воздуха или соответственно уменьшает угол открытия дроссельного клапана. Задаваемый угол устанавливают и хранят в электронном управляющем блоке 20. Когда угол открытия дроссельного клапана больше, чем заданный угол, блок 20 увеличивает угол открытия клапана 75 управления количеством воздуха. Из этого следует, что угол открытия клапана 75 управления количеством воздуха увеличивается или уменьшается в соответствии с углом открытия дроссельного клапана. Установка клапана 75 управления количеством воздуха обеспечивает возможность подачи вспомогательного воздуха к выпускному каналу 16 с надлежащей скоростью потока без избытка и недостатка. Клапан 75 не является абсолютно необходимым, и без него можно обойтись.
На фиг.2 представлен схематичный вид обычного сужающегося и расширяющегося сопла. Как показано на фиг. 2, площадь А1 поперечного сечения для потока у входного конца сужающейся секции 32, площадь поперечного сечения А2 для потока горловой секции 34 и площадь поперечного сечения А3 для потока у выходного конца расширяющейся секции 33 находятся в следующей взаимосвязи: А1>А2 и А2<А3. Площадь А2 поперечного сечения для потока горловой секции 34 такая же, как площадь А2 у выходного конца сужающейся секции 32 и площадь у входного конца расширяющейся секции 33. В этом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, каждая из площадей поперечного сечения для потока сужающейся секции 32 и расширяющейся секции 33 изменяется в направлении потока с постоянным коэффициентом. Нет какого-то определенного ограничения в отношении конфигурации сужающейся секции 32 и расширяющейся секции 33. Сужающаяся секция 32 и расширяющаяся секция 33 могут быть сформированы таким образом, чтобы они имели конфигурацию с площадью поперечного сечения для потока, изменяющейся ступенчато, подобно соплу, предназначенному для ракет, либо могут быть сформированы так, чтобы они имели плавно изгибающуюся конфигурацию.
Сужающееся и расширяющееся сопло 31 сформировано таким образом, чтобы обеспечивать условия, характеризуемые представленными ниже формулами (1) и (2). Посредством скорости отработанного газа, проходящего в горловую секцию 34, достигающей 1 Маха (то есть звуковой скорости), отработанный газ в расширяющейся секции 33 может быть ускорен до сверхзвуковой скорости.
Формула 1
Формула 2
Из этих формул формула (1) характеризует взаимосвязь между конфигурацией выпускной трубы и числом Маха в основном потоке, сопровождающемся вязкостным трением. Формула (2) характеризует Λ в формуле (1). В этих формулах М представляет собой число Маха, А - площадь поперечного сечения выпускной трубы в произвольном поперечном сечении, D - диаметр трубы в произвольном поперечном сечении, 
характеризует определенное тепловое соотношение, х -расстояние в направлении потока и f - коэффициент трения.
Как показано на фиг.2 и 3, в общем, в случае сужающегося и расширяющегося сопла 31, сформированного для выполнения условий, характеризуемых формулами (1) и (2), когда отношение полного давления Р0 в части, ближней по потоку по отношению к горловой секции 34, и статического давления Р в части, дальней по потоку по отношению к горловой секции 34, то есть Р/Р0, меньше, чем критическое отношение давлений (=0,528; точка С на фиг.3), скорость становится звуковой скоростью (число Маха равно 1) в горловой секции и сверхзвуковой скоростью в расширяющейся секции 33. Когда полное давление Р0 увеличено так, чтобы Р/Р0 стало меньше, чем критическое отношение давлений, в сужающемся и расширяющемся сопле 31 может быть образован сверхзвуковой поток.
Когда скорость в сужающемся и расширяющемся сопле 31 становится сверхзвуковой скоростью, будут созданы новый скачок 35b уплотнения, распространяющийся в направлении потока в расширяющейся секции 33, и волна 35с расширения, распространяющаяся в ближнем направлении в расширяющейся секции 33 (см. фиг.6). Следовательно, текучая среда в пространстве между скачком 35b уплотнения, распространяющимся в направлении потока в выпускном канале 16, и волной 35с расширения, распространяющейся в ближнем направлении в выпускном канале 16, быстро расширяется, и поэтому давление отработанного газа, проходящего в выпускном канале 16, уменьшается. Вследствие этого температура отработанного газа может быть быстро уменьшена посредством адиабатического охлаждающего действия, вызываемого адиабатическим расширением. В результате активных исследований авторы данного изобретения реализовали такое состояние посредством объединения сужающегося и расширяющегося сопла 31 с ответвленной секцией 21.
Далее со ссылками на фиг.4(А)-4(С) будет описан принцип, посредством которого отработанный газ приводят в выпускном канале 16 в состояние низкого давления и низкой температуры. На фиг.4(А)-4(С) схематично представлено выпускное устройство 5. На фиг.4(А)-4(С) элементы, идентичные или эквивалентные элементам, показанным на фиг.1 или 2, имеют идентичные позиции.
Как показано на фиг.4(А), когда выпускное отверстие 9а открыто при выпускном такте двигателя внутреннего сгорания 1, отработанный газ 36 под высоким давлением выпускают из камеры сгорания 10 в находящуюся ближе по потоку секцию 7 выпускного канала 16 через выпускное отверстие 9а. В то время, когда выпускное отверстие 9а начинает открываться, разность давлений между камерой сгорания 10 и ближней по потоку секцией 7 выпускного канала 16 будет велика. Следовательно, скорость отработанного газа 36 становится звуковой скоростью, и поэтому в ближней по потоку секции выпускного канала 16 будет создан скачок 35 уплотнения. Когда угол открытия выпускного отверстия 9а увеличивается, количество отработанного газа 36, проходящего к ближней по потоку секции 7 выпускного канала 16, увеличивается, но скорость отработанного газа 36 уменьшается. Скорость отработанного газа также уменьшается, когда этот газ движется вперед в ближней по потоку секции 7 выпускного канала 16. Как показано на фиг.4(А), скачок 35 уплотнения распространяется к внутренней стороне первой выпускной трубы 12 от ближней по потоку секции 7 выпускного канала 16 и дополнительно распространяется далее по потоку с высокой скоростью. Кроме того, отработанный газ 36 движется вперед дальше по потоку в выпускном канале 16 с задержкой по отношению к скачку 35 уплотнения при относительно низкой скорости.
Как показано на фиг.4(В), скачок 35 уплотнения, распространяющийся внутри первой выпускной трубы 12, разделяется на скачок уплотнения, распространяющийся в выпускном канале 16, и на скачок уплотнения, распространяющийся в ответвленную секцию 21 у входа 21а ответвленной секции 21, и далее эти скачки уплотнения по отдельности движутся вперед в выпускном канале 16 и в ответвленной секции 21. Скачок 35 уплотнения, распространяющийся в выпускном канале 16, ослабевает и исчезает после прохождения сужающегося и расширяющегося сопла 31. Напротив, скачок 35 уплотнения, распространяющийся в ответвленной секции 21, отражается посредством отражательной секции 21b ответвленной секции 21 и движется противоположно в ответвленной секции 21 для возврата к выпускному каналу 16.
Как показано на фиг.4(С), длину ответвленной секции 21 задают такой, что время, когда отраженный скачок 35 уплотнения возвращается к выпускному каналу 16 от ответвленной секции 21, представляет собой то же самое время либо последующее время, когда отработанный газ 36 под высоким давлением достигает центра входа 21а ответвленной секции 21. Следовательно, скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом в том месте в выпускном канале, которое находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33, находится там же, где и ответвленная секция 21, либо находится дальше по потоку относительно ответвленной секции.
Как показано на фиг.5, расстояние от центра 9ас выпускного отверстия 9а до осевой линии Х поперечного сечения пути потока на входе 21а ответвленной секции 21 обозначено Le, а расстояние от осевой линии Y поперечного сечения пути потока в выпускном канале 16 до отражательной секции 21b обозначено Ls. Скорость отработанного газа 36 обозначена Ve, а скорость распространения скачка 35 уплотнения обозначена Vs. В этом случае время Т1, которое проходит с момента, когда выпускное отверстие 9а открыто, до момента, когда отработанный газ 36 достигает входа 21а, удовлетворяет выражению (3). Время Т2, которое проходит с момента, когда выпускное отверстие 9а открыто, до момента, когда скачок 35 уплотнения будет отражен отражательной секцией 21b и достигнет осевой линии Y выпускного канала 16, удовлетворяет выражению (4).
Т1=Le/Ve (3)
Т2=(Le+2Ls)/Vs (4)
Когда Т1≤Т2, отраженный скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом. Более конкретно, когда Le/Ve≤(Le+2Ls)/Vs, отраженный скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом в том месте выпускного канала, которое находится ближе по потоку по отношению к расширяющейся секции 33, находится в том же самом месте, что и ответвленная секция 21, либо находится дальше по потоку по отношению к ответвленной секции. Для удобства, например, можно считать, что максимальная скорость отработанного газа 36 представляет собой скорость Ve либо средняя скорость отработанного газа 36 представляет собой скорость Ve. Аналогичным образом, например, можно считать, что максимальная скорость распространения скачка 35 уплотнения представляет собой скорость распространения Vs либо средняя скорость распространения скачка 35 уплотнения представляет собой скорость распространения Vs.
Как показано на фиг.5, расстояние от осевой линии Х поперечного сечения для потока на входе 21а ответвленной секции 21 до входного конца расширяющегося участка 33 обозначено Ld, при этом время от момента, когда выпускное отверстие 9а открыто, до момента, когда выпускное отверстие 9а закрыто, обозначено tv. Время Т3, которое проходит от момента, когда выпускное отверстие 9а открыто, до момента, когда хвостовой конец отработанного газа 36 достигнет входного конца расширяющейся секции 33, удовлетворяет выражению (5). Время Т4, которое проходит от момента, когда выпускное отверстие 9а открыто, до момента, когда скачок 35 уплотнения будет отражен посредством отражательной секции 21b и достигнет входного конца расширяющейся секции 33, удовлетворяет выражению (6).
Т3=tv+(Le+Ld)/Ve (5)
T4=(Le+2Ls+Ld)/Vs (6)
Когда Т4≤Т3, отраженный скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 могут быть вынуждены столкнуться друг с другом, перед тем как весь отработанный газ 36 минует горловую секцию 34. Более конкретно, когда (Le+2Ls+Ld)/Vs≤tv+(Le+Ld)/Ve, отраженный скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 могут быть вынуждены столкнуться друг с другом, прежде чем весь отработанный газ 36 минует горловую секцию 34.
В том случае, когда расстояние Ls между осевой линией Y поперечного сечения для потока выпускного канала 16 и отражательной секцией 21b относительно коротко, затухание скачка 35 уплотнения в ответвленной секции 21 будет сдерживаться. Расстояние Ls, например, может быть короче, чем расстояние Le.
Давление отработанного газа 36 в сужающейся секции 32 будет дополнительно увеличено посредством отработанного газа 36, сжатого в сужающейся секции 32, а также посредством отработанного газа 36, сталкивающегося со скачком 35 уплотнения. Когда это происходит, полное давление Р0 ближе по потоку относительно входа сужающегося и расширяющегося сопла 31 увеличивается. Таким образом, отношение полного давления Р0 ближе по потоку относительно входа и статического давления Р дальше по потоку относительно горловой секции, то есть Р/Р0, становится меньше, чем критическое отношение давлений порядка 0,528. В результате скорость отработанного газа 36 в горловой секции 34 доходит до звуковой скорости.
На фиг.6 представлен схематичный вид на основе фотографии внутренней части сужающегося и расширяющегося сопла, полученной методом Теплера. Посредством скорости отработанного газа 36, достигающей звукового значения, в сужающемся и расширяющемся сопле 31 будет создан новый скачок уплотнения. Далее заново созданный скачок уплотнения для ясности будем называть «распространяющимся скачком 35b уплотнения». Распространяющийся скачок 35b уплотнения будет ускорен, когда проходит расширяющуюся секцию 33 сужающегося и расширяющегося сопла 31. Как показано на фиг.6, когда создан распространяющийся скачок 35b уплотнения, будет создана волна 35с расширения, распространяющаяся противоположно распространяющемуся скачку 35b уплотнения. Посредством распространяющегося скачка 35b уплотнения в расширяющейся секции 33 и посредством волны 35с расширения, распространяющейся противоположно распространяющемуся скачку 35b уплотнения, давление и температура отработанного газа 36, находящегося между распространяющимся скачком 35b уплотнения и волной 35с расширения, будут значительно уменьшены. Как описано далее, давление отработанного газа становится равным атмосферному давлению или будет ниже него, а именно, станет отрицательным давлением.
На фиг.7 и 8 показаны результаты моделирований, выполненных авторами данного изобретения. На фиг.7 представлены скорость отработанного газа и давление отработанного газа в точках выпускного канала 16 непосредственно после создания нового скачка 35b уплотнения в сужающемся и расширяющемся сопле 31. На фиг.8 представлены скорость отработанного газа и температура отработанного газа в точках выпускного канала 16 непосредственно после создания нового скачка 35b уплотнения в сужающемся и расширяющемся сопле 31. После того как в сужающемся и расширяющемся сопле 31 создан скачок 35b уплотнения, этот скачок 35b уплотнения будет ускорен в расширяющейся секции 33. Когда это происходит, как показано на фиг.7 и 8, скорость отработанного газа будет быстро увеличена, в то время как давление и температура отработанного газа будут быстро уменьшены. На фиг.7 и 8 показана скорость отработанного газа, но не показана скорость распространения скачка уплотнения. На фиг.7 и 8 горловая секция 34 сужающегося и расширяющегося сопла 31 задана относительно длинной. После того как скачок 35 уплотнения, отраженный ответвленной секцией 21, сталкивается с отработанным газом 36, этот скачок 35 уплотнения распространяется в горловой секции 34, предшествуя отработанному газу 36. В этот момент в пространстве между отработанным газом 36 и скачком 35а уплотнения происходит адиабатическое расширение и, следовательно, давление будет уменьшено. Поэтому отработанный газ 36 будет засасываться скачком 35 уплотнения для течения в горловую секцию 34 без снижения скорости. Следовательно, посредством задания длины горловой секции 34, имеющей постоянную площадь поперечного сечения для потока согласно двигателю внутреннего сгорания, в соответствии с двигателем внутреннего сгорания может быть задано время, за которое скачок 35b уплотнения должен быть ускорен в расширяющейся секции 33, другими словами, может быть задано время, за которое давление и температура отработанного газа должны быть уменьшены.
Как описано выше, двигатель внутреннего сгорания 1 согласно этому варианту осуществления изобретения может значительно уменьшить давление и температуру отработанного газа в выпускном канале 16 по сравнению с обычным уровнем техники.
Согласно этому варианту осуществления изобретения воздух может быть эффективно подан к выпускному каналу 16 посредством отрицательного давления, создаваемого в выпускном канале 16. Отрицательное давление значительно выше, то есть давление значительно ниже, чем давление в обычном двигателе внутреннего сгорания, который не включает в себя сужающееся и расширяющееся сопло 31 или ответвленную трубу 22. Явление, заключающееся в том, что отрицательное давление будет создано под действием сужающегося и расширяющегося сопла 31, продолжается даже тогда, когда скорость вращения двигателя внутреннего сгорания 1 увеличивается таким образом, что она будет выше скорости вращения во время максимальной мощности. Следовательно, в этом варианте осуществления изобретения, даже когда диапазон скорости вращения двигателя внутреннего сгорания 1 представляет собой относительно высокий диапазон, может быть подано достаточное количество воздуха. Под «относительно высоким диапазоном скорости вращения двигателя внутреннего сгорания 1» подразумевают диапазон приведения в действие с высокой скоростью или диапазон приведения в действие при высокой нагрузке, в случае которого вышеупомянутый обычный двигатель внутреннего сгорания не может поглощать воздух. Следовательно, в этом варианте осуществления изобретения достаточное количество воздуха может быть подано к выпускному каналу 16 без использования отдельного устройства для принудительной подачи воздуха к выпускному каналу 16, например воздушного насоса или чего-то подобного. Можно и не говорить о том, что вследствие использования отрицательного давления потери мощности двигателя внутреннего сгорания могут быть небольшими. Даже когда используют насос для подачи воздуха, нагрузка на насосе может быть небольшой и поэтому потери мощности двигателя внутреннего сгорания могут быть небольшими.
В этом варианте осуществления изобретения температура отработанного газа 36 в выпускном канале 16 может быть уменьшена ближе по потоку относительно первого катализатора 41. Следовательно, может быть предотвращено чрезмерное повышение температуры первого катализатора 41 и второго катализатора 42. В том случае, когда первый катализатор 41 и второй катализатор 42 представляют собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, в случае чрезмерно высокой температуры происходит явление, называемое «спеканием», понижающее эффективность очистки. Однако в этом варианте изобретения возникновение такого спекания может быть эффективно предотвращено. По этой причине, даже когда двигатель внутреннего сгорания приводят в действие с высокой скоростью вращения, топливо может сгорать при теоретическом отношении количества воздуха к количеству топлива. Поэтому отработанный газ 36 может быть эффективно очищен первым катализатором 41 и вторым катализатором 42. Другими словами, в этом варианте осуществления изобретения характеристика очистки отработанного газа, которая представляет собой одну из эксплуатационных характеристик двигателя внутреннего сгорания 1, может быть повышена. В этом варианте изобретения два катализатора расположены последовательно в середине выпускного канала 16, однако настоящее изобретение этим не ограничено. Можно применить только один катализатор, три или более катализатора. Множество катализаторов может быть расположено параллельно.
Температура воздуха, который должен быть подан к выпускному каналу, приблизительно равна температуре наружного воздуха и значительно ниже, чем температура отработанного газа. Следовательно, в этом варианте осуществления изобретения температура отработанного газа может быть дополнительно уменьшена посредством воздуха, имеющего относительно низкую температуру, который подают к выпускному каналу 16 в большом количестве. Кроме того, в этом варианте изобретения большое количество воздуха может быть подано ближе по потоку относительно первого катализатора 41. Поэтому, даже когда количество топлива, которое должно быть впрыснуто, увеличено, чтобы отношение количества воздуха к количеству топлива в двигателе внутреннего сгорания 1 стало меньше, чем теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива, отработанный газ, содержащий количество кислорода, эквивалентное тому, когда отношение количества воздуха к количеству топлива представляет собой теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива, может быть подан к первому катализатору 41. Следовательно, в этом варианте осуществления изобретения температура отработанного газа также может быть уменьшена посредством обеспечения отношения количества воздуха к количеству топлива в двигателе внутреннего сгорания 1, меньшего, чем теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива, и посредством этого будет снижена температура сгорания. Кроме того, поскольку отношение количества воздуха к количеству топлива меньше, чем теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива, можно охладить элементы, находящиеся вблизи от камеры сгорания 10 (впускной клапан 8, выпускной клапан 9, седло клапана, поршень и т.д.) посредством избыточного топлива. Таким образом, надежность, которая является одной из эксплуатационных характеристик двигателя внутреннего сгорания 1, может быть повышена.
Двигатель внутреннего сгорания, например, в качестве забортного двигателя часто используют в течение продолжительного времени в таком состоянии приведения в действие, что его выходная мощность будет максимальной. Когда отношение количества воздуха к количеству топлива в таком состоянии приведения в действие двигателя внутреннего сгорания представляет собой теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива, чтобы повысить эффективность катализатора в отношении очистки отработанного газа, температура сгорания становится чрезвычайно высокой. Если не приняты контрмеры, температура первого катализатора 41 и второго катализатора 42 может нежелательным образом стать чрезмерно высокой. В качестве одного из способов снижения температуры катализаторов предполагается сделать так, чтобы отношение количества воздуха к количеству топлива при сгорании было меньше, чем теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива, таким образом уменьшая температуру сгорания. Однако, когда отношение количества воздуха к количеству топлива меньше, чем теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива, эффективность очистки первым катализатором 41 и вторым катализатором 42 будет снижена.
В случае выпускного устройства 5 согласно этому варианту осуществления изобретения к выпускному каналу 16 подают большое количество воздуха. Поэтому при сохранении высокой эффективности очистки первым катализатором 41 и вторым катализатором 42 может быть обеспечено меньшее отношение количества воздуха к количеству топлива при сгорании, чем теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива, чтобы уменьшить температуру сгорания. Более конкретно, в случае выпускного устройства 5 согласно этому варианту изобретения отработанный газ и воздух проходят к первому катализатору 41 и ко второму катализатору 42. Поэтому, даже если в отработанном газе мало кислорода из-за уменьшения отношения количества воздуха к количеству топлива при сгорании, такой недостаток кислорода может быть компенсирован воздухом, подаваемым к выпускному каналу 16. По этой причине, даже если обеспечено отношение количества воздуха к количеству топлива при сгорании, которое меньше, чем теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива, вредные компоненты в отработанном газе могут быть в значительной мере очищены первым катализатором 41 и вторым катализатором 42.
Другими словами, выпускное устройство 5 в этом варианте осуществления изобретения может обеспечить отношение количества воздуха к количеству топлива при сгорании, которое меньше, чем теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива, чтобы понизить температуру сгорания с сохранением состояния, при котором выпускают очищенный отработанный газ. В результате с большей гарантией может быть предотвращено возникновение сгорания, отклоняющегося от нормы, например, самовоспламенение, детонация или что-то подобное, возникающее в двигателе внутреннего сгорания 1.
Кроме того, в этом варианте осуществления изобретения посредством обеспечения отношения количества воздуха к количеству топлива при сгорании, которое меньше, чем теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива, элементы в камере сгорания 10 могут быть охлаждены вследствие расходования тепла на испарение топлива. Это приводит к охлаждению внутренней части камеры сгорания 10 топливом и может предотвратить возникновение неисправностей, вызываемых чрезвычайно высокой температурой в камере сгорания 10, а именно, поломку поршня, повреждение седла клапана или чего-то подобного. Температура воздуха, который должен быть подан к выпускному каналу 16, приблизительно равна температуре наружного воздуха и значительно ниже, чем температура отработанного газа. Поэтому в данном варианте осуществления изобретения температура отработанного газа может быть дополнительно понижена посредством воздуха, имеющего относительно низкую температуру, который подают в большом количестве к выпускному каналу 16. Это может с большей гарантией предотвратить спекание первого катализатора 41 и второго катализатора 42.
Посредством значительного снижения давления отработанного газа, которое происходит в этом варианте осуществления изобретения, насосные потери двигателя внутреннего сгорания 1 могут быть уменьшены. Это происходит по следующей причине. Когда давление отработанного газа в выпускном канале 16 значительно снижено, поршень (не показан) двигателя внутреннего сгорания 1 будет продвинут к выпускному каналу 16, а именно, к верхней мертвой точке, и поэтому работа, необходимая для приведения поршня в движение при такте выпуска, будет уменьшена. Это будет описано со ссылкой на фиг.9.
На фиг.9(А) представлена диаграмма Р-V для обычного двигателя внутреннего сгорания, а на фиг.9(В) представлена диаграмма P-V для двигателя внутреннего сгорания 1 согласно этому варианту осуществления изобретения. Как показано на фиг.9(В), когда давление отработанного газа значительно снижено, происходит засасывание поршня посредством отработанного газа, даже если коленчатый вал (не показан) не приводит поршень в движение. Следовательно, двигатель внутреннего сгорания 1 может выполнять положительную работу при такте выпуска. Зона, охваченная линией в виде цепи точек, представляет собой положительную работу.
Как показано на фиг.1, в выпускном устройстве 5 согласно этому варианту осуществления изобретения подающий участок 73 вспомогательного канала 71 подачи воздуха расположен ближе по потоку относительно входного конца расширяющейся секции 33. Следовательно, вспомогательная система 70 подачи воздуха никогда не будет препятствовать распространению скачка 35b уплотнения. Кроме того, как показано на фиг.1, в выпускном устройстве 5 согласно этому варианту осуществления изобретения подающая секция 73 вспомогательного канала 71 подачи воздуха расположена дальше по потоку относительно ответвленной секции 21. Следовательно, вспомогательная система 70 подачи воздуха никогда не будет препятствовать скачку 35 уплотнения.
Давление в выпускном канале 16 уменьшается в большей степени в месте, находящемся ближе к ближней по потоку секции 7 выпускного канала 16. По этой причине подающая секция 73 вспомогательного канала 71 подачи воздуха может быть расположена, в общем, в том же самом месте, что и ответвленная секция 21, либо ближе по потоку относительно отклоненной секции. Это может предотвратить ослабление волны 35с расширения посредством вспомогательной системы 70 подачи воздуха, и, следовательно, воздух может быть подан более эффективно.
На фиг.10 представлен график, полученный при моделировании, и показана взаимосвязь трех параметров. На графике согласно фиг.10 вертикальная ось характеризует величину, полученную посредством деления отношения R количества воздуха к количеству топлива, когда воздух подают из вспомогательной системы 70 подачи воздуха, на отношение R0 количества воздуха к количеству топлива, когда подача воздуха не происходит. Когда количество подаваемого воздуха увеличивается, величина R/R0 увеличивается. Таким образом, вертикальная ось характеризует количество подаваемого воздуха. Горизонтальная ось характеризует величину, полученную посредством деления давления К в сужающейся секции 32, когда создана ответвленная труба 22, на давление К0 в сужающейся секции 32, когда не предусмотрены ни вспомогательная система 70 для подачи воздуха, ни ответвленная труба 22. Когда давление в сужающейся секции 32 увеличивается посредством столкновения отработанного газа 36 и скачка 35 уплотнения, K/К0 увеличивается. Таким образом, горизонтальная ось характеризует то, как давление в сужающейся секции 32 увеличивается посредством столкновения отработанного газа 36 и скачка 35 уплотнения. Увеличение значения по горизонтальной оси означает, что критическое отношение давлений Р/Р0 уменьшается и распространение скачка 35b уплотнения в сужающемся и расширяющемся сопле 31 будет ускорено. Еще один параметр представляет собой отношение площади поперечного сечения для потока на входе 21а ответвленной секции 21 к площади поперечного сечения для потока в выпускном канале 16, в котором обеспечена ответвленная секция 21 (далее просто называемое «отношением площадей»).
Как показано на фиг.10, когда отношение площадей составляет от 10 до 50%, R/R0 и К/К0 пропорциональны друг другу. Однако, когда отношение площадей составляет 50% или выше, R/R0 увеличивается, но К/К0 почти вообще не будет увеличиваться. Другими словами, видно, что К/К0 может быть увеличено почти до максимальной величины посредством обеспечения отношения площадей, равного 50% или выше.
Как показано на фиг.3, когда критическое отношение давлений Р/Р0 составляет от 0,2 до 0,8 или когда число Маха составляет от 0,5 до 1,7, то критическое отношение давлений и число Маха будут пропорциональны друг другу. Однако, как показано на фиг.3, когда критическое отношение давлений составляет 0,2 или ниже, или когда число Маха составляет 1,7 или выше, число Маха быстро увеличивается по сравнению с уменьшением критического отношения давлений. Зону, в которой число Маха быстро увеличивается по сравнению с уменьшением критического отношения давлений, можно считать соответствующей той зоне, в которой отношение площадей составляет 50% или выше на фиг.10. Более конкретно, можно полагать, что скачок уплотнения, имеющий число Маха порядка 1,7 или выше, будет создан в сужающемся и расширяющемся сопле 31 посредством создания вспомогательного канала 71 подачи воздуха, имеющего отношение площадей порядка 50% или выше.
Если отношение площадей составляет 50% или выше, то даже тогда, когда происходит увеличение отношения площадей, К/К0 не увеличивается, а R/R0 увеличивается. Видно, что даже когда отношение площадей составляет 50% или выше, будет подано большее количество воздуха, когда отношение площадей увеличивается. Следовательно, отношение площадей может составлять 100%. Более конкретно, площадь поперечного сечения для потока в выпускном канале 16, в котором предусмотрена ответвленная секция 21, может быть равна площади поперечного сечения для потока на входе 21а ответвленной секции 21. Как вариант, отношение площадей может быть больше 100%. Более конкретно, площадь поперечного сечения для потока на входе 21а ответвленной секции 21 может быть больше, чем площадь поперечного сечения для потока в выпускном канале 16, в котором обеспечена ответвленная секция 21. Например, вход 21а ответвленной секции 21 может иметь эллиптическую площадь поперечного сечения или подобную, что больше, чем площадь поперечного сечения выпускного канала 16, в котором обеспечена ответвленная секция 21.
Вариант 2 осуществления изобретения
Как показано на фиг.11, во втором варианте осуществления изобретения ответвленную трубу 22 используют как часть вспомогательной трубы для подачи воздуха. За исключением этого конструктивного отличия второй вариант точно такой же, что и первый вариант. Соответственно, подробное описание второго варианта осуществления изобретения будет обеспечено посредством подробного описания фиг.1-10, касающихся первого варианта. Подводящий клапан 74 крепят к вспомогательной трубе 72 для подачи воздуха, также действующей в качестве ответвленной трубы 22. Подводящий клапан 74 действует в качестве закрытого конца ответвленной трубы 22, также действующей в качестве вспомогательной трубы 72 для подачи воздуха. Другими словами, подводящий клапан 74, который представляет собой часть вспомогательной системы 70 для подачи воздуха, действует в качестве отражательной секции 21b ответвленной секции 21 выпускного устройства 5. В этом варианте осуществления изобретения вход 21а ответвленной секции 21 выпускного устройства 5 действует в качестве подающей секции 73 вспомогательной системы 70 для подачи воздуха. Кроме того, ответвленная секция 21 выпускного устройства 5 действует как часть вспомогательного канала 71 для подачи воздуха вспомогательной системы 70 подачи воздуха. Во втором варианте осуществления изобретения ответвленная труба 22 также действует в качестве вспомогательной трубы 72 для подачи воздуха. В качестве альтернативы вспомогательная труба 72 для подачи воздуха, описанная применительно к первому варианту осуществления изобретения, может быть вставлена снаружи в промежуточную часть ответвленной трубы 22.
В случае выпускного устройства 5 этого варианта осуществления изобретения, когда выпускное отверстие 9а открыто, подводящий клапан 74 будет закрыт. Таким образом, скачок уплотнения может быть отражен посредством подводящего клапана 74. Когда под действием сужающегося и расширяющегося сопла 31 в выпускном канале 16 может быть создано отрицательное давление, подводящий клапан 74 открывается и воздух может быть подан к выпускному каналу 16 по ответвленной секции 21. Кроме того, в этом варианте осуществления изобретения к выпускному каналу 16 может быть подано достаточное количество воздуха.
В этом варианте осуществления изобретения нет необходимости в формировании канала, действующего исключительно в качестве ответвленной секции 21. Следовательно, выпускное устройство 5 этого варианта стоит меньше, чем выпускное устройство 5, использующее особую ответвленную секцию 21, например выпускное устройство 5 первого варианта осуществления изобретения. Кроме того, степень свободы компоновки может быть повышена.
Вариант 3 осуществления изобретения
Как показано на фиг.12, в третьем варианте осуществления изобретения ответвленную трубу 22 используют как часть сужающегося и расширяющегося сопла. За исключением этого конструктивного отличия третий вариант в точности такой же, что и первый вариант. Соответственно, подробное описание третьего варианта осуществления изобретения обеспечено посредством подробного описания фиг.1-10, касающихся первого варианта. В первом и втором вариантах осуществления изобретения сужающаяся секция 32, горловая секция 34 и расширяющаяся секция 33 образованы в части выпускного канала 16, которая расположена дальше по потоку относительно ответвленной секции 21. Однако в результате продолжения активных исследований авторы данного изобретения разработали более простую конструкцию, обеспечивающую тот же самый полезный результат. Согласно настоящему изобретению, чтобы создать распространяющийся скачок 35b уплотнения, который является новым скачком уплотнения, обеспечена ответвленная секция 21 для отражения и распространения скачка 35 уплотнения назад к выпускному каналу 16. Если рассматривать эту ответвленную секцию 21 с разных точек зрения, то выпускной канал 16 имеет площадь поперечного сечения для потока, увеличенную в месте ответвленной секции 21 и уменьшенную дальше по потоку относительно этого места. Другими словами, расширяющаяся секция 32 и горловая секция 34 образованы в выпускном канале посредством ответвленной секции 21. В том случае, когда площадь А5 поперечного сечения для потока части выпускного канала 16, которая находится ближе по потоку относительно входа 21а ответвленной секции 21, приблизительно такая же, что и площадь А7 поперечного сечения для потока части выпускного канала 16, которая находится дальше по потоку относительно входа 21а ответвленной секции 21, то будет иметь место указанная далее взаимосвязь. Как показано на фиг.12, сумма площади А5 поперечного сечения для потока части выпускного канала 16, которая находится ближе по потоку относительно входа 21а ответвленной секции 21, и площади А4 поперечного сечения для потока ответвленной секции 21 больше, чем площадь А7 поперечного сечения для потока части выпускного канала 16, которая находится дальше по потоку относительно входа 21а. Точнее А4+А5>А7. Соответственно, можно полагать, что сужающаяся секция 32 и горловая секция 34 будут сформированы дальше по потоку относительно входа 21а. Следовательно, сужающееся и расширяющееся сопло 31 фактически может быть образовано лишь посредством обеспечения расширяющейся секции 33 дальше по потоку относительно входа 21а. А6 характеризует площадь поперечного сечения для потока в расширяющейся секции 33, при этом А7<А6. Часть между входом 21а и расширяющейся секцией 33 представляет собой горловую секцию 34. Горловая секция 34 может быть вытянутой в направлении потока, как показано здесь. Площадь поперечного сечения для потока в сужающейся секции 32 и расширяющейся секции 33 не ограничена плавным изменением в направлении по потоку и может изменяться ступенчато.
В первом, втором и третьем вариантах осуществления изобретения двигатель внутреннего сгорания 1 подает воздух к выпускному каналу 16 следующим образом. Топливо сгорает в камере сгорания 10. Выпускной клапан 9 для открытия или закрытия выпускного отверстия 9а камеры сгорания 10 открывается для выпуска отработанного газа 36 к выпускному каналу 16 из камеры сгорания 10. Скачок 35 уплотнения распространяется по выпускному каналу 16 с более высокой скоростью, чем образуется отработанный газ 36. По меньшей мере, часть скачка 35 уплотнения будет отведена от выпускного канала 16, и отведенный скачок 35 уплотнения будет распространяться назад к выпускному каналу 16, чтобы вызвать столкновение скачка 35 уплотнения с отработанным газом, увеличивая давление отработанного газа. Площадь поперечного сечения для потока выпускного канала 16 будет уменьшена для увеличения давления отработанного газа 36. Давление отработанного газа будет увеличено посредством прохождения отработанного газа в часть выпускного канала 16, в которой площадь поперечного сечения для потока уменьшается в дальнем по потоку направлении. Кроме того, скорость отработанного газа 36 будет увеличена посредством увеличения площади поперечного сечения для потока в выпускном канале 16. Скорость отработанного газа будет увеличена посредством прохождения отработанного газа в часть выпускного канала 16, в которой площадь поперечного сечения для потока увеличивается в дальнем по потоку направлении. Новый скачок 35b уплотнения, распространяющийся в дальнем по потоку направлении в выпускном канале 16, создан для того, чтобы значительно уменьшить температуру отработанного газа 36. Отработанный газ 36 должен проходить катализатор и подвергаться очистке. Следовательно, эффективность очистки может быть повышена при меньшем ухудшении состояния катализатора.
Со ссылкой на фиг.13 и 14 будет подробно описан способ очистки отработанного газа. На фиг.13 представлена взаимосвязь между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа в выпускном канале 16 в последовательности по времени. На фиг.14 представлена взаимосвязь между давлением отработанного газа и температурой отработанного газа в выпускном канале 16 в последовательности по времени. Формы волны, показанные на фиг.7, характеризуют взаимосвязь между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа, когда скачок уплотнения будет ускорен так, как показано на фиг.13(С). На фиг.13(А) и 14(А) представлена соответствующая взаимосвязь сразу же после того, как открыто выпускное отверстие. На фиг.13(В) и 14(В) представлена соответствующая взаимосвязь сразу же после того, как отработанный газ и скачок уплотнения сталкиваются друг с другом дальше относительно ответвленной секции 21. На фиг.13(С) и 14(С) представлена соответствующая взаимосвязь, когда скачок уплотнения ускоряется в расширяющейся секции 33. На фиг.13(D) и 14(D) представлена соответствующая взаимосвязь после ускорения скачка уплотнения.
1) Топливо сгорает в камере сгорания. Посредством открытия выпускного отверстия 9а в камере сгорания отработанный газ 36 будет выпущен к выпускному каналу 16 из камеры сгорания 10 и, кроме того, скачок 35 уплотнения будет распространяться по выпускному каналу 16 с более высокой скоростью, чем образуется отработанный газ 36. На фиг.13(А) представлены скорость отработанного газа и давление отработанного газа сразу же после открытия выпускного отверстия 9а. Как показано на фиг.13(А), когда выпускное отверстие 9а открыто, давление отработанного газа вблизи от выпускного отверстия 9а становится выше атмосферного давления. На фиг.14(А) представлены давление отработанного газа и температура отработанного газа сразу же после открытия выпускного отверстия 9а. Как показано на фиг.14(А), температура отработанного газа 36 становится весьма высокой посредством получения тепла, создаваемого при сгорании.
2) Ответвленная секция 21 ответвляет, по меньшей мере, часть скачка 35 уплотнения, распространяющегося по выпускному каналу 16, от этого канала 16. Отражательная секция 21b ответвленной секции 21 отражает ответвленный скачок 35 уплотнения. Отраженный скачок 35 уплотнения распространяется в ответвленной секции 21 и вновь проходит назад к выпускному каналу 16. Отраженный скачок 35 уплотнения сталкивается с отработанным газом 36, проходящим по выпускному каналу 16, что повышает давление отработанного газа. Площадь поперечного сечения для потока в выпускном канале 16 уменьшается в сужающейся секции 32, что повышает давление отработанного газа. Сначала может произойти либо повышение давления отработанного газа, вызываемое столкновением скачка 35 уплотнения и отработанного газа 36, либо повышение давления отработанного газа, вызываемое уменьшением площади поперечного сечения для потока. Более конкретно, столкновение скачка 35 уплотнения и отработанного газа 36 может произойти до или после того, как будет повышено давление отработанного газа в сужающейся секции 32. На фиг.13(В) представлены скорость отработанного газа и давление отработанного газа сразу же после того, как увеличено давление отработанного газа. Как показано на фиг.13(В), вблизи от сужающейся секции 32 давление отработанного газа будет выше, чем давление в это время согласно фиг.13(А). Ближе по потоку относительно сужающейся секции 32 скорость отработанного газа будет выше, чем скорость в это время согласно фиг.13(А). На фиг.14(В) представлены давление отработанного газа и температура отработанного газа сразу же после того, как увеличено давление отработанного газа. Как показано на фиг.14(В), температура отработанного газа будет ниже вблизи от выпускного отверстия 9а, но будет выше ближе по потоку относительно сужающейся секции 32, чем температура в это время согласно фиг.14(А).
3) Когда площадь поперечного сечения для потока в выпускном канале 16 увеличивается в расширяющейся секции 33, чтобы увеличить скорость отработанного газа, будет генерирован новый скачок 35b уплотнения, распространяющийся в дальнем по потоку направлении в выпускном канале 16. Когда генерирован скачок 35b уплотнения, в то же время будет генерирована волна 35с расширения, распространяющаяся в ближнем направлении. Новый скачок 35b уплотнения будет ускорен в расширяющейся секции 33. Следовательно, текучая среда, находящаяся в пространстве между скачком 35b уплотнения, распространяющимся в направлении по потоку в выпускном канале 16, и волной 35с расширения, проходящей в ближнем направлении в выпускном канале 16, быстро расширяется. Это может уменьшить давление отработанного газа в выпускном канале 16. Следовательно, в выпускном канале 16 может быть создана зона отрицательного давления. В этот момент температура отработанного газа может быть уменьшена ближе относительно скачка 35b уплотнения посредством эффекта адиабатического охлаждения, вызываемого адиабатическим расширением. На фиг.13(С) представлены скорость отработанного газа и давление отработанного газа, когда скачок 35b уплотнения ускорен в расширяющейся секции 33. Как показано на фиг.13(С), давление отработанного газа быстро падает относительно давления, которое согласно фиг.13(В) имеет место в это время ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33, и при этом оно становится отрицательным давлением. В соответствии с этим скорость отработанного газа ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33 быстро увеличивается. На фиг.14(С) представлены давление отработанного газа и температура отработанного газа, когда скачок 35b уплотнения ускоряется в расширяющейся секции 33. Как показано на фиг.14(С), в соответствии с уменьшением давления отработанного газа ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33 температура отработанного газа будет быстро уменьшена по отношению к той температуре, которая имеет место в это время согласно фиг.14(В).
На фиг.13(D) представлены скорость отработанного газа и давление отработанного газа после ускорения скачка 35b уплотнения. Как показано на фиг.13(D), влияние давления отработанного газа, которое уменьшается ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33 в это время, согласно фиг.13(С), будет оказано даже на выпускное отверстие 9а ближе по потоку относительно сужающейся секции 32. Следовательно, давление отработанного газа становится отрицательным давлением также и вблизи от выпускного отверстия 9а. На фиг.14(D) представлены давление отработанного газа и температура отработанного газа после ускорения скачка 35b уплотнения. Как показано на фиг.14(D), поскольку давление отработанного газа становится отрицательным давлением также и вблизи от выпускного отверстия 9а, температура отработанного газа вблизи от выпускного отверстия тоже может быть значительно уменьшена.
Как показано на фиг.14, температура отработанного газа дальше по потоку относительно расширяющейся секции 33 изменяется незначительно. Другими словами, поскольку отработанный газ при высокой температуре вблизи от выпускного отверстия 9а, показанного на фиг.14(А), охлаждается под действием адиабатического охлаждения в расширяющейся секции 33, может быть предотвращено изменение температуры отработанного газа дальше по потоку относительно расширяющейся секции 33.
В примере, показанном на фиг.13 и 14, первый катализатор 41 и второй катализатор 42 установлены дальше по потоку относительно расширяющейся секции 33. Поскольку изменение температуры отработанного газа дальше по потоку относительно расширяющейся секции 33 может быть предотвращено, как описано выше, может быть предотвращена чрезмерно высокая температура отработанного газа, проходящего первый катализатор 41 и второй катализатор. Это может предотвратить спекание катализаторов даже тогда, когда двигатель внутреннего сгорания 1 приводят в действие при высокой нагрузке или в высоком диапазоне скорости вращения.
Когда к зоне, в которой создано отрицательное давление, подсоединена вспомогательная труба 72 для подачи воздуха, воздух может быть подан к выпускному каналу 16. Как показано на фиг.13(С) и 13(D), после ускорения скачка 35b уплотнения будет создана зона отрицательного давления ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33. Следовательно, посредством создания подающей секции 73 вспомогательного канала 71 подачи воздуха ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33 к выпускному каналу 16 может быть подано большое количество воздуха.
Другие варианты осуществления изобретения
На фиг.15 представлено морское судно с установленным на нем двигателем внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению. Более конкретно на фиг.15 представлено морское судно 100, имеющее два установленных на нем забортных двигателя 101, каждый из которых представляет собой двигатель внутреннего сгорания 1 согласно настоящему изобретению. На фиг.16 представлено транспортное средство с установленным на нем двигателем внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению. Более конкретно на фиг.16 представлен мотоцикл 200, имеющий двигатель внутреннего сгорания 1, расположенный по центру корпуса. Нет никаких ограничений в отношении объекта для применения двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.
На фиг.17 представлен многоцилиндровый двигатель, в котором выпускные отверстия 9а множества камер сгорания 10 соединены друг с другом посредством выпускного канала, а сужающееся и расширяющееся сопло 31 обеспечено дальше по потоку относительно соединительной части. В этом варианте осуществления изобретения часть выпускного канала, соединенная с одним из отверстий 9а, действует в качестве ответвленной секции 21. Подробное описание фиг.17 аналогично описанию фиг.4. Таким образом, вполне понятно, что настоящее изобретение может быть применено к многоцилиндровому двигателю, который показан на фиг.17.
В приведенных выше вариантах осуществления изобретения одно выпускное отверстие предусмотрено для одной камеры сгорания. Как вариант, для одной камеры сгорания может быть предусмотрено множество выпускных отверстий. В приведенных выше вариантах одно сужающееся и расширяющееся сопло предусмотрено для одной камеры сгорания. Как вариант, для одной камеры сгорания могут быть предусмотрены два или более сопла. Не приходится говорить о том, что такие конструкции могут быть применены к многоцилиндровому двигателю внутреннего сгорания, имеющему множество камер сгорания. Настоящее изобретение может быть применено к любому из различных типов двигателей внутреннего сгорания.
В приведенных выше вариантах осуществления изобретения предусмотрена одна ответвленная секция для одного выпускного канала. Как вариант, для одного выпускного канала может быть обеспечено множество ответвленных секций. В случае еще одного варианта концы множества ответвленных секций, ответвленных от одного и того же места выпускного канала 16, могут быть соединены друг с другом для образования ответвленной секции, имеющей циклический путь. В этом случае скачки уплотнения, которые распространяются в соответствующих ответвленных секциях, сталкиваются друг с другом и отражаются в соединительной части. Соединительная часть действует в качестве отражательной секции. Отражательная секция может быть выполнена даже без такого элемента как стенка.
На фиг.18 представлена модификация одного из приведенных выше вариантов осуществления изобретения и показан вид в сечении выпускного канала и тому подобного. В первом варианте, как вновь показано на фиг.18, вспомогательная труба 72 для подачи воздуха, а именно подающая секция 73 вспомогательного канала 71 для подачи воздуха, обеспечена дальше по потоку относительно ответвленной секции 21. Как вариант, в модификации вспомогательная труба 72 для подачи воздуха, а именно подающая секция 73 вспомогательного канала 71 для подачи воздуха, может быть обеспечена ближе по потоку относительно ответвленной секции 21 (см. позицию 72b) или в том же самом месте, что и ответвленная секция 21 (см. позицию 72а).
Согласно настоящему изобретению выпускное устройство 5 включает в себя выпускной канал, имеющий площадь поперечного сечения для потока, которая не уменьшается между выходным концом расширяющейся секции 33 и входным концом катализатора 41 устройства 40 для очистки отработанного газа. Следовательно, отработанный газ не будет сжат, и поэтому повышение температуры отработанного газа может быть предотвращено.
Согласно настоящему изобретению устройство 40 для очистки отработанного газа включает в себя катализатор 41, имеющий площадь поперечного сечения для потока, которая у его входного конца такая же или больше, чем площадь поперечного сечения для потока у выходного конца расширяющейся секции 33. Площадь поперечного сечения для потока у катализатора 41 представляет собой площадь катализатора 41 за исключением его несущего устройства, другими словами, представляет собой площадь поперечного сечения эффективного отверстия корпуса катализатора, через которое может проходить отработанный газ. В результате этой конструкции отработанный газ не будет сжат, когда проходит катализатор 41, и поэтому может быть обеспечено дополнительное сдерживание повышения температуры отработанного газа. Кроме того, в результате этой конструкции может быть предотвращено увеличение размера выпускного устройства 5 и устройства 40 для очистки отработанного газа, так что для повышения эффективности очистки может быть создан катализатор, имеющий большую площадь поперечного сечения для потока.
Согласно настоящему изобретению устройство 40 для очистки отработанного газа включает в себя катализатор 41, имеющий площадь поперечного сечения для потока, которая у его входного конца такая же, что и площадь поперечного сечения для потока у выходного конца расширяющейся секции 33, либо больше нее. Выпускное устройство 5 включает в себя выпускной канал 16, имеющий площадь поперечного сечения для потока, которую поддерживают постоянной, либо увеличивают между выходным концом расширяющейся секции 33 и входным концом катализатора 41. В результате этой конструкции может быть предотвращено увеличение размера выпускного устройства 5 и устройства 40 для очистки отработанного газа, так что для повышения эффективности очистки может быть обеспечен катализатор, имеющий большую площадь поперечного сечения для потока. Кроме того, отработанный газ не будет сжат, и поэтому можно сдерживать повышение температуры отработанного газа.
ОПИСАНИЕ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1. Двигатель внутреннего сгорания.
5. Выпускное устройство.
9. Выпускной клапан.
9а. Выпускное отверстие.
10. Камера сгорания.
16. Выпускной канал.
21. Ответвленная секция.
21а. Вход.
21b. Отражательная секция
31. Сужающееся и расширяющееся сопло.
32. Сужающаяся секция.
33. Расширяющаяся секция.
34. Горловая секция.
35. Скачок уплотнения.
35b. Распространяющийся скачок уплотнения.
35с. Волна расширения.
36. Отработанный газ.
71. Вспомогательный канал для подачи воздуха.
Двигатель внутреннего сгорания 1 включает в себя сужающуюся, расширяющуюся и ответвленную секции 32, 33 и 21. Ответвленная секция 21 ответвляет скачок 35 уплотнения, распространяющийся в направлении по потоку с более высокой скоростью, чем отработанный газ 36, проходящий к выпускному каналу 16 из камеры сгорания 10, когда открыт выпускной клапан 9, из ближней по потоку относительно расширяющейся секции 33 части выпускного канала 16 и обеспечивает распространение скачка 35 уплотнения назад в выпускной канал 16. Отработанный газ 36 должен проходить сужающуюся секцию 32 и сталкиваться со скачком 35 уплотнения между ответвленной секцией 21 и расширяющейся секцией 33, чтобы таким образом повысить давление отработанного газа 36 в сужающейся секции 32. Отработанный газ 36 должен проходить расширяющуюся секцию 33, чтобы генерировать новый скачок уплотнения и таким образом уменьшить температуру отработанного газа. Катализатор устройства для очистки отработанного газа расположен в части выпускного канала 16, которая находится дальше по потоку относительно расширяющейся секции 33. Изобретение направлено на повышение эффективности очистки посредством предотвращения повышения температуры отработанного газа, чтобы уменьшить ухудшение состояния катализатора. 8 н. и 3 з.п. ф-лы, 18 ил.
1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий: камеру сгорания, имеющую выпускное отверстие; выпускной клапан для открытия или закрытия выпускного отверстия; выпускное устройство, имеющее выпускной канал для направления отработанного газа, выпускаемого из камеры сгорания через выпускное отверстие; устройство для очистки отработанного газа, расположенное в выпускном канале и имеющее катализатор; при этом выпускное устройство содержит: сужающуюся секцию, имеющую площадь поперечного сечения для потока, меньшую на ее выходном конце, чем на ее входном конце; расширяющуюся секцию, расположенную дальше по потоку относительно сужающейся секции и имеющую площадь поперечного сечения для потока, большую на ее выходном конце, чем на ее входном конце; и ответвленную секцию для ответвления скачка уплотнения, распространяющегося в направлении потока в выпускном канале с более высокой скоростью, чем отработанный газ, проходящий в выпускной канал из камеры сгорания, когда выпускное отверстие открыто, из части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, и распространения скачка уплотнения назад в выпускной канал; отработанный газ, проходящий в выпускной канал из камеры сгорания, проходит через сужающуюся секцию и сталкивается со скачком уплотнения, который распространяется в ответвленной секции, между ответвленной секцией и расширяющейся секцией, таким образом увеличивая давление отработанного газа в сужающейся секции; отработанный газ проходит расширяющуюся секцию для создания нового скачка уплотнения и, таким образом, уменьшения температуры отработанного газа; катализатор устройства для очистки отработанного газа расположен в части выпускного канала, которая находится дальше по потоку относительно расширяющейся секции.
2. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру сгорания, имеющую выпускное отверстие; выпускной клапан для открытия или закрытия выпускного отверстия; выпускное устройство, имеющее выпускной канал для направления отработанного газа, выпускаемого из камеры сгорания через выпускное отверстие; устройство для очистки отработанного газа, расположенное в выпускном канале и имеющее катализатор; при этом выпускное устройство содержит сужающуюся секцию, имеющую площадь поперечного сечения для потока, меньшую на ее выходном конце, чем на ее входном конце; расширяющуюся секцию, расположенную дальше по потоку относительно сужающейся секции и имеющую площадь поперечного сечения для потока, большую на ее выходном конце, чем на ее входном конце; и ответвленную секцию для ответвления скачка уплотнения, распространяющегося в направлении потока в выпускном канале с более высокой скоростью, чем отработанный газ, проходящий в выпускной канал из камеры сгорания, когда выпускное отверстие открыто, из части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, и распространения скачка уплотнения назад в выпускной канал; катализатор устройства для очистки отработанного газа расположен в части выпускного канала, которая находится дальше по потоку относительно расширяющейся секции; причем скорость отработанного газа, выпущенного из камеры сгорания, когда выпускное отверстие открыто, представляет собой Ve, a скорость распространения скачка уплотнения, распространяющегося в выпускном канале, представляет собой Vs, при этом расстояние Le между выпускным отверстием и входом ответвленной секции и расстояние Ls, на которое скачок уплотнения распространяется в ответвленной секции, удовлетворяют отношению:
Le/Ve≤(Le+2Ls)/Vs; и
время от момента, когда выпускное отверстие открыто, до момента, когда выпускное отверстие закрыто, составляет tv, а расстояние Ld между входом ответвленной секции и расширяющейся секцией удовлетворяет отношению:
(Le+2Ls+Ld)/Vs≤tv+(Le+Ld)/Ve.
3. Двигатель по п.1 или 2, в котором выпускное устройство содержит выпускной канал, имеющий площадь поперечного сечения для потока, которая не уменьшается между выходным концом расширяющейся секции и входным концом катализатора.
4. Двигатель по п.1 или 2, в котором устройство для очистки отработанного газа содержит катализатор, имеющий площадь поперечного сечения для потока, которая у его входного конца такая же, что и площадь поперечного сечения для потока выходного конца расширяющейся секции, либо больше нее.
5. Двигатель внутреннего сгорания по п.1 или 2, в котором устройство для очистки отработанного газа содержит катализатор, имеющий площадь поперечного сечения для потока, которая у его входного конца такая же, что и площадь поперечного сечения для потока выходного конца расширяющейся секции, либо больше нее; а выпускное устройство содержит выпускной канал, имеющий площадь поперечного сечения для потока, которая остается постоянной или увеличивается между выходным концом расширяющейся секции и входным концом катализатора.
6. Транспортное средство, содержащее двигатель внутреннего сгорания по п.1.
7. Транспортное средство, содержащее двигатель внутреннего сгорания по п.2.
8. Морское судно, содержащее двигатель внутреннего сгорания по п.1.
9. Морское судно, содержащее двигатель внутреннего сгорания по п.2.
10. Способ очистки отработанного газа двигателя внутреннего сгорания, включающий этапы, на которых: воспламеняют топливо в камере сгорания; открывают выпускной клапан для открытия или закрытия выпускного отверстия камеры сгорания для выпуска отработанного газа из камеры сгорания в выпускной канал и генерирования скачка уплотнения, распространяющегося в выпускном канале с более высокой скоростью, чем отработанный газ; ответвляют, по меньшей мере, часть скачка уплотнения из выпускного канала и распространяют ответвленный скачок уплотнения назад в выпускной канал для обеспечения столкновения скачка уплотнения с отработанным газом, таким образом увеличивая давление отработанного газа; направляют отработанный газ в часть выпускного канала, имеющую меньшую площадь поперечного сечения для потока в находящейся дальше по потоку его секции, чем в находящейся ближе по потоку его секции, таким образом увеличивая давление отработанного газа; направляют отработанный газ в часть выпускного канала, имеющую большую площадь поперечного сечения для потока в находящейся дальше по потоку его секции, чем в находящейся ближе по потоку его секции, таким образом генерируя новый скачок уплотнения, распространяющийся в направлении потока в выпускном канале и, таким образом, уменьшают температуру отработанного газа; и пропускают отработанный газ через катализатор для его очистки.
11. Двигатель внутреннего сгорания, использующий способ очистки отработанного газа по п.10.
| Станок для изготовления деревянных ниточных катушек из цилиндрических, снабженных осевым отверстием, заготовок | 1923 |
|
SU2008A1 |
| Способ приготовления мыла | 1923 |
|
SU2004A1 |
| Устройство для сортировки каменного угля | 1921 |
|
SU61A1 |
| Устройство для сортировки каменного угля | 1921 |
|
SU61A1 |
| Способ восстановления хромовой кислоты, в частности для получения хромовых квасцов | 1921 |
|
SU7A1 |
| RU 2002077 С1, 30.10.1993 | |||
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 2002 |
|
RU2212548C1 |
