Устройство для резонансного наддува двигателя внутреннего сгорания Советский патент 1989 года по МПК F02B27/00 

1

(21)2780288/25-06

(22)15.06.79

(46) 23.10.89. Бюл. № 39

(71)Завод транспортного машиностроения им. В.И. Ленина

(72)В.Б. Путикарев и И.В. Козьмснко (53) 621.43-224.4(088.8)

(56) Авторское свидстельстно llPli № 11805, кл, F 02 В 27/00, опублик. 1967.

(54)(57) I, УСТРОЙСТВО /ЩЯ РЕЗОНАНСНОГО HAZUIYBA ДВИГАТКЛЯ ВИУТРЕННКГО СГ ОРА- НИЯ, содержащее впускной груиопровод резонансной длины, оЬгединяюпшй через впускные патрубки пнлиндры с нссоипл- дающими фазами тшуска и снабженный отражателем колг-бани, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности и уменьшения габариюв путем объединения цилиндров в группы с числом цилиндров не более четырех, трубопровод расположен в плоскости, перпендикулярной оси цилиндров, и вьпюлнен огибающим цилиндры.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестрое- нию, в частности к устройствам для газодинамического наддува двигателей внутреннего сгорания, использующим кинетическую и волнову энергию заряда воздуха или ТГ)ПГ| ЕОВОЗДУШ ЮЙ

смеси в системах впуска.

Целью изобрс г iHHH является шение эффект пп:о ги устройства и уменьшение его путег-i нения цилиндров в с числом цилиндров 6t;ju e четырех.

2.y r. (ю ПС; п, I, от .-. и - ч а h-: щ е t с я тем, чтг грубоп ju)i:i ;; огибает циг1ин )ы lui окружнчсти и par положен симметрично относительно крайних ni-ij:H U j4 .в, а отп л 1тел1. лебани) устаноч.чен на ра.чнь х распри- ниях от крайних цили1ц;роь и с .- Гч;н1- Ш)|, противоположнс.Г; BiiycKHbiM патрубкам ,

3.Устргч Ъ; ьо по п. , ii i ,п ч - ч а ю щ е о с: ч , ; . о. рал пт.-.-ч: колебаний rjbiniMUiL i ь ип.-с- :ici i р/Г-ка , ус пиовленн о перпсид . оси

ТГ; . nporiO;l,. .

4.Ус трои с ТР о ( Г:. 2, О Т ...,

ч я ю П1 е е с я . ем, чт, отраж.п c.c f. колебаний вмгкхчьеи и г.идс .,1о)..-.

один к другому ОТК ЬГПЛХ К;1ЦЦОВ . рл -провода.

5.Устройство но п. ч. 1 т / и - чающеес п тем, что откр(,пь. концы тpyбoпp. заклшчоны в I;VK- нутую eMKocTt., имек.щую входн ) патрубок .

На фиг. 1 изображено п ред-па .и М м- устройство для .г J с цилиндров более четырех на приме 1с 6- цилмндровоа-о двигателя; на фиг. 2 - то же, в трехцилиндроро 1 исмолнени;:; на фиг. 3 - акустическая TPI .- цилилдрового двигателя; на 4 i r. - ;iKycTJT4 екая модель извест го усл- ройства на Фиг. 5 - акуг тичс-скиг ми- дизвесгно1м и аредлагаемсч у -т-ройств; на фи1 - устрой; rnii с -.-т- ражателем колебаний п видг , Hii,i: друг к другу открытых ко1:;;о i-p.y. i,-t)

(/)

с:

ел

05

о о

QD

провода; на фиг. 7 - устройство с ресивером-отражателем в виде дополнительной емкости; на фиг. 8 - акустическая модель шестицилиндрового устройства; на фиг. 9 - шестицилиндрово устройство с отражателем колебаний в виде обращенных друг к другу открытых концов трубопровода; на фиг. 10 то же, с ресивером-отражателем; на фиг. 11 - диаграммы изменения давления в трубопроводе до и после разветвления; на фиг. Л2 - неравномерность наполнения по цилиндрам с несимметричным трубопроводом; на фиг. 13 - эффективность работы устройства с несимметричным (известное устройство) и симметричным трубопроводами.

Предлагаемое устройство содержит впускной трубопровод 1 резонансных длины и диаметра, впускные патрубки 2, цилиндры 3-8 двигателя 9 и перегородку 10. Отражатель колебаний может быть выполнен либо в риде патрубка 11, установленного перпендику- л.йрно оси трубопровода и на равных расстояниях от крайних цилиндров 3 и 8 (или 3 и 5), либо в виде обращенных один к другому открытых концов 12 трубопровода, которые могут быть заключены в замкнутую емкость 13 с входным патрубком 14. Трубопровод 1 расположен в плоскости, перпендикулярной оси цилиндров 3-8, и выполнен огибающим цилиндры.

Устройство работает следующим образом.

Под влиянием периодического вса- сьшающего действия порщней на такте впуска во впускном трубопроводе 1, огибающем цилиндры 3-8, возникают вынужденные колебания столба воздуха (или топливовоздушной смеси) , поступающего в устройство через патрубок 11, которые принимают форму волн давления.

Эти волны распространяются в обе стороны от цилиндров вдоль оси трубопровода 1 и доходят до патрубка 11.

Из теории звукопроводов известного, что разветвление трубопроводов подобное ответвлению патрубка 11 от трубопровода 1, является отражателем колебаний, поступающих к ответвлению с обеих сторон.

Таким образом, с акустической точки зрения патрубок 11, расположенный перпендикулярно оси трубопровода 1,

0

5

0

5

0

5

0

эквивалентен конечному pajjjbray в сплошности трубопровода 1 и от этого разрыва колебания отражаются, как от открытых концов, сообщенных с атмосферой. Отражаясь от разветвления, колебания до открытого среза патрубка 11 не доходят, чем обеспечивается автономность этой колебательной системы. Из указанного следует, что акустической моделью предлагаемого устройства является трубопровод, открытый с обеих сторон, симметрично открытым концам которого подключены цилиндры двигателя. При определенных значениях длины и диаметра этого трубопровода вынужденные колебания от всасьюающего действия порщней совпадают с собственными колебаниями основной частоты столба воздуха (или топливовоздущной смеси), заключенного в нем, что ведет к возникновению в трубопроводе стоячей волны.

, Из теории колебаний в трубопроно- дах известно, что трубопровод с oGt - ими открытыми концами, возбужденный собственной частотой колебаний, дает стоячую волну давления с пучностью (максимальным изменением амплитуды давления) посередине трубопровода и двумя узлами (отсутствием колебаний) на открытых концах трубопровода.

Из акустической модел ; (фи: , следует, что nai рубо; -отрал а ieju в натурном устройстве располпгаг в точке, где сходятся два узла волновой настройки кольцевого трубопровода, что и о6ьяс1ыет о I cy: TLt ie- колебаний на выходе из устройства (автономность работы). Так же, как и при четвертьволновой на тройке, изменение давления Р в стоячей BOJ, не полуволновой настройки происходи

5

0

по длине L

тр.

трубопровода практичес:

ки в одной фазе.

При совпадении момента достижения в пучности стоячей волны избыточного положительного давления с моментом закрытия впускно-го клапана каждого из цилиндров происходит подача в последние дополнительного количества воздуха (или топливовоздушной смеси), т.е. газодинамический наддув. Положение стоячей волны в устройстве относительно цилиндров, как следует из 5 акустической модели на фиг. 3, таково, что максимальные значения избыточных давлений P приходятся на участок, где расположены ципнндры группы. Этим

515

достигнута наибольшая подача добавочного рабочего тела в цилиндры двигателя .

Равномерность распределения дополнительного количества рабочего тела по цилиндрам в рассматриваемом устро стве так же, как и для несимметрично го трубопровода, зависит от степени сосредоточенности цилиндров в зоне максимального давлення (пучности) стячей волны.

Для сравнения на фиг. 4 приведена акустическая модель известного устройства .

У полуволновой настройки есть и принципиальное преимущество в обеспечении лучшей равномерности подачи рабочего тела по цилиндрам (фиг. 5 На фиг. 5 приведены акустически модели устройства с четвертьпи а пио. настройкой 15 и с полуволновой настройкой 16, которые имеют одинаково число цилиндров и равные частоты колебаний, т.е. одинаковую пологость падения волны давления.

Как видно из фиг. 5, для полуволновой настройки 16 крайние цилиндры двигателя находятся в зоне больших давлений и совмещены своими пучностями.

Как видно из фиг. 5, для полуволновой настройки 16 крайние цилиндры двигателя находятся в зоне больших давлений, чем цилиндр, наиболее удаленный от стенки в устройстве с четвертьволновой настройкой 15. Объясняется это тем, что полуволновая настройка состоит из двух четвертей волны, как бы пристыкованных друг к другу своими пучностями, чем обеспечиваются большая по протяженности зона максимальных давлений в пучности, а следовательно, и большая пологость волны. Если в известном устройстве - подача рабочего тела к цилиндрам происходит по трубопроводу с одной стороны, то в предлагаемом устройстве подача рабочего тела идет по одному трубопроводу, но с обеих сторон, так как оба конца трубопровода открыты.

При одинаковых, например, диаметрах трубопроводов, числах цилиндров и числах оборотов двигателя дл5 моделей 15 и 16 средняя скорость движени рабочего тела в предлагаемом устройстве в два раза меньше, поскольку 1 абочее тело подходит к цилиндрам

6096

одновременно с обоих концов, снижает гидравлические потери в предлагаемом устройстве. Снижению гидрапли- ческих потерь также способствует кольцевая форма трубопровода 1, наличие которой позволяет органически вписать трубопровод в конструктивные формы двж-ателя, например, расположив - ТО вокруг блока цилиндров. Это обеспечивает высокую компактность и одновременно позволяет получить достаточно большие радиусы поворота на торцовых участках, уменьшив тем са5 мым потери, связанные с поворотом потока.

Повьппение компактности заметно способствует также замене объема- отражателя разветвлением-отражате - Г М колебаний.

Таким образом, повышение компактности, улучшение компоновочных возможностей, снижение гидравлических потерь и повышение равномерности рас5 пределения рабочего тела по цилиндрам в предлагаеком устройстве для газодинамического поддува двигателей внутреннего сгорания по сравнению с известным устройством достиг0 нуто за счет замены несимметричного изогнутого впускного т - бопровода на симметричный впускной трубопровод кольцевой формы с отражением колебаний от разветвления вместо отражате. ля-ресиве1)а и размещения кольцевого трубопровода с использованием конст- руктивньгх форм двигателя, практически не выходя из его габаритов.

Наличие патрубка-отражателя делаQ ет работу предлагаемого устройства автономной. Устройство в равной степени может работать с открытым входом патрубка в атмосферу, а также с присоединенными к нему агрегатами: воз« духоочистителем, глушителем шума, впуска, карбюратором, механическим агрегатом наддува и др. В тех случаях, когда впускной тракт двигателя не имеет дополнительных установленных

0 агрегатов, входной патрубок-отражатель может быть заменен открытыми з атмосферу и обрашенньми один к другому концами трубопровода 1.(фиг. 6). Возможна также замена патрубка-от5 ражателя на ресивер-отражатель.

Описание и работа устройства, изображенного на фиг. 2, относятся к случаю, когда блок цилиндров двигателя содержит количество цилиндров

не более четырех, при котором соблюдается условие несовпадения фаз работы цилиндров на такте впуска.

Если двигатель имеет в блоке количество цилиндров более четырех, то известное устройство практически работать перестает, а для сохранения эффекта наддува должны быть внесены изменения (фиг. 1) на примере 6-ци- линдрового двигателя.

В этом случае впускные патрубки 2 цилиндров двигателя 9 объединены трубопроводами 1, огибающими группы цилиндров 3-5 и 6-8 с несовпадающими фазами впуска.

Трубопроводы 1, огибающие группы цилиндров, имеют общую перегородку 10.

Трубопровод 1 имеет также патрубок 11, расположенный перпендикулярно к оси трубопровода 1 и на равных расстояниях от перегородки 10 и от крайних цилиндров 3 и 8 двигателя 9, из- меренных по оси трубопровода 1.

Симметричный кольцевой трубопровод 1 имеет конфигурацию, повторяющую конструктивные формы двигателя 9, например, блока цилиндров двигателя.

Изменение избыточного давления Pj J во впускном трубопроводе 1 шести цилиндрового двигателя приведено на фиг. 8.

Практическая проверка предлагаемог устройства и его элементов вьтолнена на рядном дизельном двигателе размерностью S/D I5/18.

Оценка величины дополнительного количества воздуха, поданного в цилиндр на такте впуска за счет работы устройства, производилась замером величины давления конца сжатия в цилиндре (Рр кг/см ) при отключенной форсунке подачи топлива и сравнением полученной величины PC с контрольным замером этой же величины без устройства (когда воздух засасьшается цилиндром через впускной патрубок непосредственно из атмосферы). При про- чих равных условиях изменение расхода воздуха через цилиндр пропорционально изменению давления конца сжатия Р

На фиг. 11 показаны результаты замеров изменения давления Р р в пат- рубке-отражателе 11 предлагаемого устройства и в районе расположения цилиндров двигателя по углу поворота коленчатого вала двигателя.

0

5

0

5

Q

.

0

5

Кривая 17 относится к замерам в трубопроводе в районе расположения цилиндров, а кривая 18 - в патрубке, перпендикулярном трубопроводу.

Как следует из фиг. И, колебания давления, явно выраженные в трубопроводе 1, в патрубке 11 уменьшаются примерно в 3 раза по амплитуде, что свидетельствует об отражении колебаний от исследуемого разветвления.

Одновременно указанное снижение амплитуды колебаний давления в патрубке 11 подтверждает, что последний находится в зоне узла колебаний столба рабочего тела в трубопроводе с полуволновой (или четвертьволновой) настройкой.

На фиг. 12 приведены результаты определения неравномерности распределения добавочного количества воздуха по цилиндрам двигателя в устройстве с несимметричным впускным трубопроводом. Трубопровод имеет общую длину 1300 мм, внутренний диаметр равен 70 мм. Трубопровод подключен к блоку двигателя с 3-мя цилиндрами, расстояние между которыми 176 мм, расстояние от тупиковой стенки до оси впускного патрубка ближайшего цилиндра 100 мм.

Как видно из фиг. 12, наибольшее значение приращения расхода воздуха имеет место в цилиндре, ближайшем к тупиковой стенке (т.е. к максимум пучности). Чем дальше удален цилиндр от стенки, тем меньшее добавочное количество воздуха он получает, что подтверждает физическую модель питания цилиндров добавочным количеством рабочего тела от избыточного давления в стоячей волне, имеющей пучность у закрытого конца и узел у открытого конца трубопровода.

На фиг. 13 приведено сопоставление эффективности работы устройства г н симметричным впускным трубопроводом и симметричным впускным трубопроводом, настроенных на один и тот же участок скоростной характеристики двигателя об/мин и имеюощх одинаковый внутренний диаметр, равный 50 мм, а также одинаковые условия на входе в устройство (открытые концы).

Как видно из фиг. 13, симметричный впускной трубопровод обеспечивает подачу дополнительного количества воздуха примерно в 1,6 раза больше, что

объясняется существенным снижением гидравлических потерь за счет подачи рабочего тела одновременно с обоих концов трубопровода.

Компоновочные проработки и изготовление варианта устройства с трубопроводом, огибающим цилиндры, подтвердили их достаточную компактность, возможность размещения их полностью в габаритах наддуваемого двигателя.

Таким образам, эксперим ч1тлльные исследовамия показали, что предлагаемое устройство при объединении цилиндров в группы с числом цилиндрон четыре и менее, позволит повысить KOhmdKTHOCTb устройства (по сравнению с известными техническими ретени- ями), а также равномерность распределения воздуха (или топливовоздушной смеси) по цилиндрам и эффективность работы двигателя.

Изобретение относится к машиностроению. Цель - повышение эффективности устройства и уменьшение его габаритов путем объединения цилиндров в группы с числом цилиндров не более четырех. Устройство содержит впускной трубопровод резонансной длины, объединяющий через впускные патрубки цилиндра с несовпадающими фазами впуска и снабженный отражателем колебаний. Трубопровод расположен в плоскости, перпендикулярной оси цилиндров, огибает цилиндры по окружности и расположен симметрично относительно крайних цилиндров, а отражатель колебаний установлен на равных расстояниях от крайних цилиндров и со стороны, противоположной впускным патрубкам. Отражатель колебаний выполнен в виде патрубка, установленного перпендикулярно оси трубопровода и обращенных один к другому открытых концов трубопровода. Открытые концы трубопровода заключены в замкнутую емкость, имеющую входной патрубок. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

а

йя.;

(Риг.г

-НА

« .4

P:af

см

УЖ1

Л

aPufg.S

г« зц

12

J t f (Pu.l

Риз5щ РилЬгц bjfL РизЬ

1ц 2ц ц ц 5ц 6ч Фиг В

Фиг. 6

13

e/rf

«w

Узм

/p,Af

Фиг. 9

Z 9

,1 JO

Фиг.Ю

.g- S- 3- 5- s-- S- Э

ЛРизб %

X

Ч

C

«

W

чг

w

38 X

л л

30

Синмвтричныи Упусннои mptjKonpoooaч

без тру

доо 300 то поо поо поо iwo пэе

.n

3ц 2ц 1ц

гч

0ut1Z

ЗЦ

Цияиндри

Нкиннегпричнии олусннои трубопровод

без впуммщ трубопроУо