Поршневой двигатель внутреннего сгорания с резонансной системой подвода свежего заряда Советский патент 1990 года по МПК F02B27/00 

Изобретение относится к машино- строению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания с резонансным наддувом. Известен поршневой двигатель внутреннего сгорания с резонансной системой подачи свежего заряда, содержащий по меньшей мере одну промежуточную емкостьJ подсоединенную через переходные патрубки к цилиндрам с неперекрывающимися фазами впуска и подключенную при помопш резонансной трубы к ресиверу, впускное отверстие которого связано с.напорным патрубком нагнетателя наддува , причем длина каждого переходного патрубка в метрах не превышает кратное от деления значения, номинальной частоты вращения на

О4

tfHcno 1500, a объем промежуточной ем- iocTH в сумме с объемом переходных Аатрубков по меньшей мере в два раза йревьшает.объем каждого из подключен- фых к нему цилиндров. Соотношения . размеров системы подачи заряда обес- гечивают улучшенное заполнение ци- Линдров не только при частоте враще- шя, соответствующей резонансу, но i вызывают положительный эффект в ши- эоком диапазоне частот враш;ения .

Однако проблема практического использования известной системы связана с компоновкой промежуточной емкости 1 и резонансных труб на шестицилиндровом двигателе в приемлемых габаритах.

Цель изобретения - обеспечение компактности.

-Для достижения поставленной цели 2 у поршйевого двигателя с резонансной системой подачи свежего заряда, содержащего по меньшей мере одну промежуточную емкость, подсоединенную че- 1рез переходные патрубки к цилиндрам 2 с неперекрывающимися фазами впускали I подключенную при помощи резонансной трубы к ресиверу, впускное отверстие которого связано с нагнетательным i патрубком нагнетателя наддува, при- чем длина каждого переходного патруб- ка в метрах не -превышает кратное от : деления значения номинальной частоты вращения на число 1500, а объем про- : межуточной емкости в сумме с объемом переходных патрубков по ме«ьшей мере в два раза превьш1ает объем каждого из подсоединенных к нему цилиндров, резонансная труба по меньшей мере частично выполнена расширяющейся с уве- личением сечения, примыкающего к промежуточной емкости, в 1,2 раза над минимальным ее сечением, а расстояние между максимальным ее сечением и противоположной стенкой промежуточной емкости, измеренное по средней линии - трубы, выполнено больше диаметра кру- соответствующего сечению, примыга,

кающему к емкости. Удаленный от резо- наторного резервуара конец трубы так- же выполнен расширяющимся с увеличением сечения в 1,2 раза и расстояние от этого сечения до противоположной стенки ресивера, измеренное по средней линии трубы, выполнено больше диаметра круга, соответствуюш;его ему

по площади. .

На фиг.1 показан шестицилиндровыи

четырехтактный двигат,ель с турбонаддувом и резонансной системой подачи свежего заряда, разрез; на фиг.2 - подключенние резонансной трубы- к промежуточной емкости для случая, когда стенки последнего не перпендикулярны к средней линии трубы; на фиг.З - то же, для перпендикулярного расположения стенок и средней линии трубы.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания выполнен четырехтактным с шестью цилиндрами 1-6, расположенными в ряд с обычной последовательностью зажигания 1-5-3-6-2-4. В цилиндрах перемещаются поршни 7-12, отделяющие в них рабочий объем. Общий объем двигателя составляет 12 л и объем каж- дого цилиндра 2 л. Номинальная частота вращения двигателя 2200 мин . Цилиндры снабжены впускными клапанами 13-1, при помош;и которых каждый цилиндр сообщается с одним из переходных патрубков 19-24. Патрубки своими противоположными сечениями 25-30 подсоединены к промежуточным емкостям 31 и 32. Вследствие указанной последовательности зажигания цилиндры разделены на две группы: цилиндры 1 - 3 и 4 - 6. Угол открытия клапанов 13-18 выбран равным 240, в результате чего в каждой группе цилиндров фазы впуска не перекрываются. Каждая такая группа цилиндров соединена со своей промежуточной емкостью. Длина переходных патрубков 19-24 выбрана равной 0,2 м и, таким образом, меньше величины, определяемой условием п/1500 1,46 м, причем значение п 2200 мин- , а величина 1500 определена экспериментально.

Каждая из емкостей. 31 и 32 подключена при помощи резонансной трубы 33 или 34 с торцовыми сечениями 35-38 к ресиверу 39. Впускное отверстие 40 этого ресивера связано с напорным п трубком 41 нагнетателя 42 наддува. На фиг.1 представлен.нагнетатель с газЬтурбинным приводом, но привод может быть любым.

Каждая резонансная труба 33 и 34 выполнена с цилиндрическими участкам 43 и 44 и двумя расширяющимися участками 45-48, имеющими форму конуса. Противоположные трубам стенки 49-50 промежуточных емкостей 31 и 32 выполнены с отверстиями дпя переходных патрубков 19-24 при этом стенка 49 может не быть перпендикулярной средней линии трубы-, как показано на

фиг.2. Стенка 51 ресивера 39 может быть перпендикулярна средней линии трубы, как показано на фиг.З, или расположена- под острым углом. В случае расположения стенок под углом площадь максимального сечения вычисляется для сечения, ограниченного точками 52 и 53 пересечения продолжния конусов с продолжением стенки. Радиус 54 скругления не учитывается Расстояние между максимальным сечением трубы и противоположной стенко емкости, измеренное по средней лини 55 трубы, соответствует отрезку 56 заключенному между пересечением средней линии со стенкой 49 и условным сечением трубы. В случае перпендикулярного расположения средней линии и стенки 51 отрезок 57 измерить проще. Периодическое всасывание цилиндров 1-3 вызывает колебания столба свежего заряда в резонансной системе подачи свежего заряда, образованной переходными патрубками 19-22, промежуточной емкостью 31 и резонансной трубой 33, подключенной к этой емкости. Поскольку моменты зажигания в цилиндрах 1-3 смещены на 240° поворота коленчатого вала, процессы всасывания поршнями 7-9 в цилиндрах также смещены на 240, т.е. длительность каждого колебательного цикла соответствует углу поворота 240 независимо от мгновенной частоты вращения. Таким образом, из открывающихся на 240 клапанов 13-14 один постоянно открыт и сообщает емкость 31 с внутренней полостью цилиндра. На фиг.1 емкость 31 сообщена с цилиндром 1.

В этом случае, например, относя- i Щемся к полному колебательному циклу средний объем цилиндра 1, сообщающе- гося с ёмкостью 31 через впускной клапан 13, соответствует средней алгебраической величине мгновенных объемов цилиндра, образующихся в течение угла поворота 240% соответствующего открытию клапана 13. В случае, если длительность открытия клапана 13 меньще, например 200, необходимо было бы учитывать изменение объема цилиндра за 200. Во второй группе цилиндров с промежуточной емкостью 32 сообщен цилиндр 5 и его клапан 17 показан открытым.

В ходе практического использования двигателя возможна ситуация, при которой длительность открытия клапанов

8287

20

25

30

35

40

45

50

5

13-18 превьш1ает длительность колебательного цикла. В приведенном примере это возможно, если продолжитель- ность открытия клапанов превышает 240 . В этом случае с емкостью сообщаются одновременно два цилиндра.

Во всех случаях объем одного из цилиндров, например цилиндра 1, объем двух других патрубков 20 и 21, сообщенных с емкостью 31 при закрытых клапанах 14 и 15, а также объем емкости 31 образуют резонирующее пространство V. В рассматриваемом случае 15 объем этого пространства равен 10 л. Подобным образом объем цилиндра 5 патрубка 23, а также объемы патрубков 22 и 24 в совокупности с объемом емкости 32 образуют другое резонирующее пространство того же объема V Юл. Минимальные поперечные сечения цилиндрических участков 43 и 44 каяздой резонансной трубы выполнены равными по 46 см2, Величина каждого из максимальных сечений расширяющихся участков 45-48 превышает по меньшей ме- ре в 1,2 раза сечение цилиндрического участка, и его цифровое значение в данном примере составляет 25,6 см . Дпина резонансных труб 33 и 34 меаду сечениями 35 и 37 или 36 и 38.(включая длины расширяющихся участков) выбирается таким образом, чтобы резонансная система была наиболее эффективной при частоте вращения менее -половины номинальной, для рассматривае- мого примера для п 1000 мин- . Для этой цели длина каждой резонансной трубы должна соответствовать величине 0,73 м или ее объем при названных сечениях 1,2 л. Таким образом, объем резонаторного пространства в 8,4 раза больше объема резонаторной трубы 33 или 34.

Дпя обеспечения благоприятных условий течения газа расстояние 56 мелду противоположной стенкой и максимальным сечением трубы выполнено больше диаметра круга, соответствующего rmo- Щади этого сечения, в данном случае 0,08 м. Аналогичным образом у емкости 32 расстояние, измеренное по линии 55, также составляет 0,08 м.

В успокоительной емкости также для обеспечения благоприятных условий течения свежего заряда расстояние от противоположной стенки до максимального сечения каждой резонансной трубы выполнено равным 0,08 м.

Переходные патрубки 19-24 могут быть иньми, так как возможна конструкция двигателя без клапанов 13-18. В этом случае промежуточная емкость может подключаться непосредственно к впускным отверстиям цилиндров. В ртличие от приведенного примера необязательно, чтобы поперечное сече- ние расширяюЕШХся участков 45-48 уве- Q личивалось. Эффект можно получить и в том случае, если общее увеличение сечения складывается из нескольких расширяющихся участков, чередующихся с участками постоянного поперечного сечения. Такой же эффект можно достигнуть, если между расширяющимся участком и торцом трубы выполнен участок постоянного сечения.

Обязательным условием является, JQ чтобы концы обеих резонансных труб 33 и 34 имели одинаковое конструктивное выполнение как со сторйны резонатор- ного объема, так и со стороны успокоительной емкости.25

Двигатель работает следующим образом.

Вследствие периодического всасывания в цилиндры 1-3 возникают колебания давления в резонансном простран- 0 стве, соответствующем сумме объемов промежуточной емкости 31, патрубков 19 - 21 и сообщающемся с промежуточной емкостью внутренней полостью цилиндра 1 (в положении, показанном на фиг.1). Ввиде того, что наиболее удаленные точки резонаторного простран-: ства - резервуар 31 и цилиндр 1 связаны патрубком, максимальная длина которого равна 1500/п, давление во Q всем резонансном пространстве изменяется одинаково и существенное сме-,. - .щение фаз не возникает.

Периодические изменения давления в емкости--ускоряют и замедляют движе- д ние свежего заряда в трубе 33. Под воздействием колебаний осуществляется ускоренное течение свежего заряда в первой половине впуска в направлении резонаторного резервуара 3.1 и за - счет колебаний в трубе 33 повышается величина кинетической энергии свежего заряда. Разотнанный в резонансной трубе 33 столб свежего заряда обуславливает такое заполнение резонансного пространства во второй половине процесса впуска, при котором происходит существенное увеличение давления и, следовательно, наполнение цилиндра

55

5

1 свежим зарядом. На участке 43 трубы 33 в минимальном ее сечении, уменьшенном на 30-70% по сравнению с постоянным сечением трубы, развиваются сравнительно высокие скорости, и по этой причине необходимый уровень кинетической энергии может быть достигнут и при относительно небольшой длине резонансной трубы 33. Возникающа:я на участке 43 с минимальным сечением высокая скорость снижается на расширяющемся участке и таким путем достигается повторное преобразование скорости движения заряда в давление. По этой причине необходимая для создания значительной энергии высокая скорость движения газа не теряется при входе в емкость 31, а может быть в значительной мере восстановлена и при этом уменьшаются потери энергии. Отрицательное влияние от увеличения сечения участков 45 и 47 устраняется за счет того, что объем резонансного пространства выбирают существенно большим по сравнению с объемом заряда в трубе 31, в примере объем резонансного пространства больше в 8,4 раза. В результате того, что в резонансном пространстве заключен большой объем протекающего свежего заряда,в сече- .ниях 35 и 37 трубы не происходит скачкообразное изменение давления, соответственно возникающее в поперечных сечениях участков 45 и 47, отраженные волны не велики и их влиянием можно пренебречь. Таким образом использование резонансной трубы,поперечное-сечение которой не постоянно, позволяет достигнуть столь же высокую эффектив ность, как и при использовании системы с постоянным сечением трубы.

Остаток кинетической энергии замедленного потока, выходящего из сечения 35 трубы, также используется для улучшения заполнения резонансного пространства, благодаря подбору расстояния между срезом трубы и противоположной стенкой емкости. Величина кинетической энергии потока, выходящего из сечения 35, достаточна для того, чтобы обеспечить передачу заряда в отдаленные участки емкости без дополнительных затрат энергии. Эффект повьш1ается при уменьшении минимального -сечения трубы 31 и при увеличении расширения на участке 45. На основании многочисленных экспериментов установлено, что максимальный эффект достигается при увеличении сечения расширяющейся части по меньшей мере в 1,2 раза. При увеличении сечения в 1,6 раз удалось добиться такого уменьшения поперечного сечения трубы, что для достижения резонанса, согласованного с низкой частотой вращения (1000 мин-О потребовалась длина трубы 33, равная всего 0,73 мм. Подобньй эффект при трубе постоянного сечения соответствует длине трубы на 50% больше. Уменьшение длины трубы 33 позволяет уменьшить объем емкости 31 римерно на 30-40%. Однако снижение бъема V не должно сопровождаться

его уменьшением ниже величины в 2,5 раза меньше объема резонансной трубы, вследствие увеличения влияния отраженных волн. Колебания заряда из области сечений 37 или 38 могут распространяться по емкости 39 и через входное отверстие 40 проникать к нагнета - телю 42, оказывания влияние на его работу.

Таким образом выполнение каждой резонансной трубы с расширяющимися концами позволяет существенно уменьшить размеры элементов резонансной системы подачи заряда и тем самым обеспечить компактность двигателя.

Г/22 ЛЛз vrxz

ч 5 « J Ь Фиг.

32

ю

фиг.2

Фс/е.З

3J