Двигатель внутреннего сгорания Советский патент 1990 года по МПК F01N3/22 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателе- троению, а именно к двигателям внутреннего сгорания.

Целью изобретения является уменьшение токсичности и шума.

На фиг.1 представлена схема двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2- лицевая панель кожуха; на фиг.З - се- чение А-А на фиг.2; на Фиг.4 - упро- ценный вариант исполнения кожуха, иыполненного в виде прямоугольного Параллелепипеда; на фиг.5 - эпюра распределения полей давлений воздушного объема, заключенного в кожухе, на первой (низшей) собственной резонансной продольной Аорме колебаний: на фиг.6 - то же, поперечной форме Колебаний; на фиг.7 - то же, .второй- (продольной формы колебаний воздушного объема; на фиг.8 - то же, второй Поперечной формы колебаний воздушного объема; на фиг.9 - упрощенная схема лицевой панели кожуха (форма панели прямоугольная); на фиг.10 - эпюра распределения звуковых давлений с продольной стороны колеблющейся панели на первой (низшей) собственной резонансной вибрационной форме; на фиг.11 - то же, с поперечной стороны колеблющейся панели на первой (низшей) собственной резонансной вибра- ционной форме; на фиг.12 - то же, с продольной стороны колеблющейся панели на второй (низшей) собственной резонансной вибрационной форме; на фиг.13 - то же, с поперечной стороны колеблющейся панели на второй (низшей) собственно резонансной вибрационной форме; на фиг.14 - эпюра распределения виброскоростей на первой (низшей) собственной резонансной форме колебаний лицевой панели; на фиг.15 - то же, на второй (низшей) собственной резонансной форме колебаний лицевой панели; на фиг.16 - характер виброперемещений лицевой панели при ее колебаниях на первой (низшей) собственной резонансной форме; на фиг.17 - то же, на второй (низшей) собственной резонансной форме; на фиг.18 - лицевая панель в статике; на фиг.19 - то же, в динамике, вариант одностороннего прогиба

на фиг.20 - то же, вариант двухстороннего прогиба; на фиг.21 - акустический срез трубопровода; на фиг. 22- сечение кожуха продольными и попереч5

0

5

0

5

0

5

0

5

ными плоскостями, пересекающимися в центре тяжести объема кожуха при правильной геометрической его форме; на фиг.23 - часть кожуха, отсеченная продольными и поперечными плоскостями, пересекающимися в центре тяжести объема кожуха при правильной геометрической его Аорме; на фиг.24 - произвольная (сложная) форма кожуха и его проекция на торцовую плоскость двигателя.

Стрелками на фиг.19 и 20 показано направление перетекания воздушной среды из зоны повышенного давления (+) в зону пониженного давления (-) при изгибных колебаниях лицевой панели; принятые обозначения: Р - давление; V - скорость; d - диаметр.

Двигатель 1 внутреннего сгорания содержит механизм газораспределения, приводные шкивы 2 которого помещены в коробчатый кожух 3, установленный на корпусе двигателя 1 и снабженный вентиляционными отверстиями 4, по крайней мере одно из которых размещено на пересечении проекции на кожух 3 главной оси инерции проекции объема, заключенного в кожухе 3, на плоскость, перпендикулярную осям шкивов 2 с кожухом 3, причем момент инерции объема относительно главной оси максимален, или на пересечении главной оси инерции проекции объема геометрической фигуры, образованной продольной и поперечной плоскостями, пересекающимися в центре тяжести объема кожуха 3, и ограниченной частью внешнего контура кожуха, с последним, причем момент инерции фигуры относительно главной оси максимален .

Двигатель 1 дополнительно снабжен системой подачи вторичного воздуха в выхлопную систему 5 с трубопроводом 6, снабженным обратным клапаном 7, причем входной акустический срез 8 трубопровода 6 (фиг.21) размещен в центре 9 тяжести объема, образованного внутренней поверхностью кожуха 3 и торцовой поверхностью 10 двигателя 1.

Например, если кожух 3 имеет форму правильного параллелепипеда, центр тяжести его объема совпадает с его геометрическим центром и размещен на пересечении диагоналей. В эту точку и необходимо поместить акустический срез 8 трубопровода

5

6 (фиг.4-8 и 21). Кожух 3 делится продольными и поперечными плоскостями на четыре объема (Лиг.22 и 23). Центры тяжести каждого из таких объемов аналогичным образом размещены на пересечении диагоналей каждог из объемов. Если полученные центры тяжести объемов соединить прямыми, перпендикулярными плоскости торцово поверхности 10 двигателя 1 (фиг.З), то эти прямые пересекут кожух 3 в точках, в которых выполняются отвертия 4. Если часть отверстий 4 размещена вне этих зон, то их целесообразно снадбить воздухопроницаемым звукоизолирующим элементом (фиг.З). Так как на практике кожухи 3 имеют более сложную геометрическую форму, то зона виброскоростей и зона узлов давлений тяготеют к центру тяжести проекции панели кожуха 3 и распределение давлений в собственных формах удовлетворяют соотношению ортогональности

0

где

5

0

F - площадь проекции;

с - скорость звука. С учетом сказанного при наличии кожуха 3 произвольной геометрической формы (фиг.24) объем кожуха 3 проецируется на торцовую поверхность 10 двигателя 1, на которой закреплен кожух 3 (эта поверхность перпендикулярна осям шкивов 2 механизма газораспределения) . Далее определяются главные оси инерции проекции объема, а также центр тяжести проекции объема. Найденные проекции проецируются в обратную сторону, на поверхность кожуха 3, и в результате на пересечении проекций на кожух 3 главных осей инерции проекции объема получается точка. Остальные точки находятся аналогичным образом, только в этом случае проецируется не весь объем кожуха, а объемы каждой из геометрических фигур, образованных продольными и поперечными плоскостя

25

Изобретение позволяет уменьшить токсичность и шум путем оптимизации конструкции механизма газораспределения и системы подачи вторичного воздуха. Двигатель 1 внутреннего сгорания содержит механизм газораспределения, приводные шкивы 2 которого помещены в кожух 3, установленный на корпусе двигателя 1 и снабженный вентиляционными отверстиями, по крайней мере одно из которых размещено на пересечении проекции на кожух 3 главной оси инерции проекции объема, заключенного в кожухе, на плоскость, перпендикулярную осям шкивов 2 с кожухом. Двигатель 1 снабжен системой подачи вторичного воздуха в выхлопную систему 5 с трубопроводом 6, снабженным обратным клапаном 7, причем входной акустический срез трубопровода 6 размещен в центре тяжести объема, образованного внутренней поверхностью кожуха 3 и торцовой поверхностью двигателя 1, что обеспечивает уменьшение токсичности и шума. 24 ил.

JpdF.(1)

F

Для первой формы распределение давлений вдоль оси координат близко к линейному, тогда интеграл (1) пропорционален интегралу

х d F.

(2)

Последний же (фактически статический момент площади) равен нулю только тогда, когда нулевая линия проходит через центр тяжести площади проекции.

Аналогичные заключения справедливы для форм, описывающих распределение вибронапряжений в кожухе 3, а их узлы совпадают с пучностями виброскоростей кожуха 3.

Зона совпадения узловых линий давления низших продольных и поперечных форм колебаний с зоной максимума виброскоростей панели реализуется вблизи центра тяжести проекции панели (для используемых в настоящее время кожухов примерно постоянной толщины). Первые собственные частоты внутренних объемов для используемых форм кожухов 3 достаточно хорошо коррелируются с площадью проекции панели и лежат в пределах

с

35

f «t(0,5 r 1,0)

1-Я

к

объема кожуха 3, и ограниченных частью внешнего контура кожуха 3.

В первой полученной на поверхности кожуха точке закрепляется трубо- 30 провод 6, а его акустический срез 8 выводится в центр тяжести объема кожуха 3. В остальных четырех точках размещаются вентиляционные отверстия 4.

Окончательное определение уточненных положений зон максимумов виброскоростей и узлов давления, а так- же мест их наиболее эффективного пересечения может быть определено 40 при помощи виброщупов и акустических зондов экспериментально.

Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

При работе двигателя 1 отрабо- 45 тавшие газы движутся по выпускному коллектору системы 5 с колебаниями давления, обусловленными рабочим процессом двигателя 1. При импульсе разрежения в выхлопном коллекторе системы 5 на режиме разгона двигателя 1 с полной нагрузкой воздух поступает из полости коробчатого кожуха 3 по трубопроводу 6 в выхлопной коллектор системы 5, обеспечивая при этом окисление продуктов сгорания отработавших газов. Обратный клапан 7 в это время под (3) действием разрежения в системе 5

открыт. Забор воздуха в кожух 3 осу50

55

35

40

45

50

45

55

ществляется через отверстия 4, в которых может быть установлен пористый сетчатый материал (фиг.З). Одновременно звуковая энергия в виде упругих волн, распространяемых по выхлопной системе 5, распространяется по трубопроводу 6 в кожух 3, заглушается в расширительной полости кожуха 3 и из него через от- ерстия 4 распространяется в атмосферу в виде ослабленного (заглушенного) шума выхлопа.

При нарастании давления в системе 5 клапан 7 закрывается, при этом прекращается подача воздуха из кожуха 3 в систему 5 и, следовательно, прямая передача звука из системы 5 в кожух 3.

Основной причиной, отрицательно сказывающейся на нормальной работе системы подачи вторичного воздуха и ухудшающей акустические качества двигателя 1, является возникновение пульсаций давлений воздушного объема, заключенного в полости кожуха 3, возбуждаемого пульсирующим газовым потоком, передаваемым из системы 5 через трубопровод 6 в полость кожуха 3. Другим отрицательным фактором является шум, обусловленный вибрирующей лицевой панели кожуха 3, которая представляет собой тонкую деталь со значительной поверхностью излучения.

При работе двигателя 1 в момент открытия - закрытия впускных клапанов и в процессе изменения объемов цилиндров возникает переменная составляющая объемного расхода воздуха, что приводит к раскачке воз10

15

20

25

45

душных объемов, заключенных, в частности, в трубопроводах системы 5, трубопроводе 6 и полости, ограничен-, ной кожухом 3. Названные воздушные объемы обладают определенными частотными характеристиками и, в конечном итоге, определяют звуковое излучение, производимое отверстиями 4 в окружающую среду. Эти же причины обуславливают нестационарность потока газа в трубопроводе 6.

Объем воздуха, заключенного в кожухе 3, можно рассматривать как распределенную (по объему) массу, обла- гг дающую определенными упругими, инерционными и диссипативными характеристиками. Подвод возбуждения к этой массе осуществляется через срез 8

15393508

трубопровода 6, который подключен к выхлопной системе 5. Вследствие вызванного возбуждения объем газа под кожухом 3 начинает совершать колебания на собственных частотах, что увеличивает звуковое излучение через отверстия 4 в окружающую среду. Наиболее интенсивными являются колебания воздушного объема под кожухом 3 на низших собственных резонансных формах, которые характеризуются ярко выраженными пучностями и узлами (фиг.4-8). Одновременно увеличивается интенсивность пульсаций давлений в трубопроводе 6, что снижает стабильность потока вторичного воздуха из кожуха 3 в выхлопную систему 5.

Описанные процессы (наряду с другими причинами) во многом способствуют повышенному вибрационному возбуждению лицевой панели кожуха 3, что также повышает шум двигателя.

С учетом сказанного выше, в двигателе 1 динамический срез 8 трубопровода 6 (т.е. источник возбуждения объема, заключенного в кожухе 3) размещен в центре 9 тяжести, т.е. в узле нечетных низших собственных форм, что исключает возбуждение этих форм. Однако при этом возбуждаются четные собственные низшие формы. Но их передача в окружающую среду исключается за счет размещения отверстий 4 в узлах этих форм. Эффект, таким образом, достигается и по акустике, и по газодинамике, т.е. уровень шума уменьшается за счет исключения возбуждения низших собственных нечетных (наиболее определяющих) форм колебаний воздушного объема в полости кожуха 3 и исключения передачи из-под кожуха 3 возбужденных четных низших собственных форм. Размещение среза 8 в центре 9 тяжести обеспечивает забор из-под кожуха 3 в трубопровод 6 стационарного потока воздуха, что повышает эффективность работы системы подачи вторичного воздуха в выхлопную систему 5.

Пульсирующий точечный возбудитель (срез 8) также может возбужлать тонкостенную конструкцию кожуха 3, в особенности его лицевую панель как наиболее податливый элемент со значительной поверхностью излучения корпусного шума. Причем наиболее сильно лицевая панель кожуха 3 возбуждается низшей второй четной мо30

35

40

50

дои воздушного объема (фиг.9-17). В этом случае задача снижения шума решается за счет выполнения вентиляционных отверстий 4 вблизи зон максимальных виброскоростей колебаний лицевой панели кожуха 3 и, соответственно, вблизи зон узлов давлений низших собственных форм воздушного объема, что предотвращает интенсивное звучание стенки (лицевой панели) кожуха 3 вследствие акустического короткого замыкания между лицевой и обратной ей сторонами панели (фиг.19 и 20) и через отверстия 4.

Одновременно за счет оптимального с акустической точки зрения расположения отверстий 4 на кожухе 3 предотвращается высвечивание звука из объема под кожухом 3, которое являет ся наиболее интенсивным на резонансных частотах воздушного объема на его низших резонансных формах,вследствие оптимального расположения отверстий 4 в узловых зонах низших форм давлений воздушного объема, где звука не слышно.

При размещении акустического среза 8 трубопровода 6 в полости кожуха 3 необходимо учитывать влияние динамических процессов. Так как центр тяжести эпюры выходных скоростей пульсирующего в трубопроводе 6 потока в бесконечном пространстве находится на расстоянии 0,3 d от реального среза трубопровода (статического среза), где d - диаметр реального среза (фиг.21), то если узловая плоскость в данном случае низшей формы колебаний давлений находится на расстоянии 0,3 d от реального (статического) среза,

Н

AtfT

то не происходит возбуждения этой формы колебаний. На практике величина такого динамического прираще- с ния, как правило, находится в диапазоне 0,2-0,4d.

Формула изобретения

Ю Двигатель внутреннего сгорания, содержащий механизм газораспределения, приводные шкивы которого помещены в коробчатый кожух, установленный на корпусе двигателя и

15 снабженный вентиляционными отверстиями, по меньшей мере одно из которых размещено на пересечении проекции на кожух главной оси инерции проекции объема, заключенного в кожухе, 20 на плоскость, перпендикулярную осям шкивов с кожухом, причем момент инерции объема относительно главной оси максимален, или на пересечении главной оси инерции проекции объема

25 геометрической фигуры, образованной продольной и поперечной плоскостями, пересекающимися в центре тяжести объема кожуха, и ограниченной частью внешнего контура кожуха, с последним,

30 причем момент инерции фигуры относительно главной оси максимален, отличаю и с я тем, что, с целью уменьшения токсичности и шума, он дополнительно снабжен системой пода35 чи вторичного воздуха в выхлопную систему с трубопроводом, причем входной акустический срез трубопровода системы подачи вторичного воздуха размещен в центре тяжести объема,

40 образованного внутренней поверхностью кожуха и торцовой поверхностью двигателя .

Л-Л

Фиг.З

Фаг Л

s

+

/с +

ч

t

Продольная плоскость

i

fc

(риг 19

У

f

v

Фи ° (o,2+wd

f

V

фиг.21

Г

yt.

Фиг 23

Проекция глаВнои Проекция но кожух оси инерции объема

проекции центра нчкестц объема.

Кожух. Объем

Проекция главной оси

инерции объе ма

Проекция на кожух проекции главной оси инсрццц объема.

Торец дбиеателя фиъ 24(базовая плоскость)

Составитель В.Славников

Редактор И.Рыбченко

Техред А.Кравчук Корректор М.Кучерявая

Заказ 199Тираж 502 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

xS плоскость

y//{ базовчл плоскость /7 (торец дв 1гате.чл)

Проекция центра тяжести объема.

Проекция главной оси

инерции объема