Двигатель внутреннего сгорания
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, обрудованным турбокомпрессорами и имеющими лопатки для завихривания проходящего через них воздуха во впускных каналах головки цилиндров.
Для создания организованного кругового движения воздушного заряда в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) относительно оси цилиндра используются лопатки-завихрители, установленные в каналах впуска головок цилиндров, на выходе из которых образуется вихревой шнур с осью, совпадающей с осью патрубка. После втекания в цилиндр через впускной клапан движение воздуха в вихревом шнуре преобразуется во вращательное движение воздушного заряда относительно оси цилиндра.
В ДВС эффективность таких лопаток-завихрителей характеризуется величиной гидравлических потерь на лопатках-завихрителях, величиной отношения продуцируемого момента количества движения к расходу воздуха при заданном перепаде давления на лопатках-завихрителях, то есть удельным моментом количества движения, по результатам аэродинамических исследований на стендах статической продувки; эффективность работы турбокомпрессора оценивается безотрывным течением газов через лопатки колеса компрессора и турбины и в конечном итоге его кпд; эффективность работы каналов выпуска оценивается меньшей теплоотдачей от отработавших газов в систему охлаждения.
Известен ДВС, содержащий головку цилиндров с впускными и выпускными каналами. В приемной или выхлопной трубе, во впускных и выпускных каналах внутри корпусов закреплены в стенках последнего первичные и вторичные профилированные лопатки с соединительными элементами полуцилиндрической формы, формирующими пары лопастей. Профилированные лопатки предназначены для придания вращательного движения или завихрения текучей среды, которое приводит к смещению потока текучей среды от стенок канала и сокращает непрерывный контакт со стенками канала, что создает силы трения, увеличивающие торможение потока текучей среды. После установки устройства во впускной канал генерируемое завихрение обеспечивает более эффективное смешивание воздуха и топлива, что способствует более полному сгоранию воздушно-топливной смеси. После установки устройства в приемную или выхлопную трубу генерируемое завихрение препятствует снижению скорости отработавших газов путем снижения обратного давления и, следовательно, увеличивает выходную мощность и кпд двигателя (Устройство завихрения текучей среды для двигателя внутреннего сгорания (варианты) [Текст]: пат. РФ 2294441 МПК F02B 31/00 (2006.01), F02M 29/04 (2006.01) / Ким Джей; заявитель и патентообладатель ЦИКЛОН ЮЭСЭЙ. - №2004135548/06; заявл. 05.06.2003; опубл. 27.02.2007, Бюл. №6. - 19 с.: ил).
Однако применение вышеописанного ДВС наряду с положительным эффектом индикаторных показателей двигателя в связи с более полным сгоранием топлива приводит к ухудшению технико-экономических показателей двигателя, так как в связи с отсутствием плавного перехода в профилях лопаток происходит отрыв потока и образование паразитных вихрей, что ведет к увеличению сопротивления в системе газообмена, уменьшению наполнения цилиндров свежим зарядом и увеличению насосных потерь.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является ДВС, содержащий головку цилиндров с впускными каналами, в сменных патрубках которых размещены винтовые лопатки, поверхность каждой из которых образована вращением относительно оси канала и перемещением вдоль нее образующей, пересекающей внутренний диаметр канала таким образом, что след от пересечения этой образующей с поверхностью канала образует винтовую линию, и выпускными каналами, турбокомпрессор с винтовыми лопатками на колесе компрессора и турбины. Винтовая линия на развертке каждого впускного канала выполнена в виде плавной кривой линии в соответствии с зависимостью
где у - координата линии вдоль развертки;
x - координата вдоль оси канала;
k, m - постоянные величины, которые определяются по заданным осевой протяженности лопатки, углам установки лопатки на входе и выходе из впускного канала.
Для обеспечения больших моментов количества движения при ограниченных осевых габаритах лопаток винтовая линия на развертке выполнена сопряженными участками кривых, заданных функцией
i
i
где k и m - постоянные величины для каждого участка кривых.
0-1
1-2
2-3
вых
Для определения траектории линии на развертке участками кривых с функцией (2) задаются сопряженные отрезки L, L, L, угол выхода β, при этом в точках сопряжения отрезков углы для соседних отрезков равны, тогда общая система уравнений имеет вид
Угол входа потока на часть лопатки, проходящей через ось патрубка, равен нулю, что также обеспечивается безотрывное течение на входе лопаток. Выполнение винтовой линии на развертке канала сопряженными участками кривых, отмеченными функциями (3), позволяют существенно уменьшить гидравлические потери в заданных осевых размерах канала, увеличить удельный момент количества движения и обеспечить величины момента количества движения воздушного заряда, необходимого для обеспечения эффективного сгорания топлива (Головка цилиндров двигателя внутреннего сгорания [Текст]: пат. РФ 2043513 МПК F02B 31/04 / Бургсдорф Э.И., Кухарев Н.Е., Сырачев С.П., Нечаев Л.В., Пыжанкин Г.В., Пятков В.П.; заявитель и патентообладатель ПО "Барнаултрансмаш". - №4910803/06; заявл. 12.02.91; опубл. 10.09.95, Бюл. №25. - 6 с.: ил.).
Однако описанный ДВС имеет снижение технико-экономических показателей, так как, во-первых, выполнение плавной винтовой линии на развертке канала можно достичь, только решая системы уравнений для многочисленных сопряженных участков, и чем больше таких участков, тем плавнее переходы винтовой линии, что в свою очередь усложняет расчет, построение и изготовление лопаток, а при уменьшении количества сопряженных участков приводит к возникновению срыва потока воздуха в местах сопряжения и увеличению гидравлических сопротивлений во впускных каналах головки цилиндров; во-вторых, не обеспечивается необходимый удельный момент количества движения в зависимости от режима работы двигателя; в-третьих, кпд турбокомпрессора понижается вследствие увеличения гидравлических потерь в лопатках компрессора и турбины; в-четвертых, не позволяет достичь низкой трудоемкости изготовления, на основании расчета и построения, профиля лопаток в заданных осевых размерах канала.
В основе изобретения лежит техническая проблема, заключающаяся в улучшении технико-экономических показателей ДВС, во-первых, путем уменьшения гидравлических сопротивлений во впускных каналах головки цилиндров, во-вторых, путем обеспечения оптимального удельного момента количества движения в зависимости от режима работы двигателя, в-третьих, путем повышения кпд турбокомпрессора вследствие снижения гидравлических потерь в межлопаточных каналах колес компрессора и турбины, в четвертых, путем уменьшения трудоемкости изготовления, на основании расчета и построения, профиля лопаток в заданных осевых размерах канала впуска и профиля лопаток на колесах компрессора и турбины.
Решение этой технической проблемы достигается тем, что в ДВС, содержащем головку цилиндров с впускными каналами, в которых размещены сменные патрубки с винтовыми лопатками, поверхность каждой из которых образована вращением относительно оси канала и перемещением вдоль нее образующей, пересекающей внутренний диаметр канала таким образом, что след от пересечения этой образующей с поверхностью канала образует винтовую линию, и выпускными каналами, турбокомпрессор с винтовыми лопатками на колесе компрессора и турбины, причем винтовая линия на развертке каждого впускного канала выполнена в виде плавной кривой, согласно изобретению винтовая линия на развертке каждого впускного канала, выполненная в виде плавной кривой, и винтовая линия лопаток колес компрессора и турбины, выполненная в виде плавной кривой, исполнены в соответствии с уравнением обладающей свойством безотрывного течения потока лемнискаты Бернулли в декартовых координатах
где x - координата точки плавной кривой;
y - координата точки кривой; или в соответствии с полярным уравнением лемнискаты Бернулли
где а - величина лемнискаты Бернулли по горизонтальной оси;
ρ - полярный радиус-вектор;
вых
ϕ - угол наклона полярного радиус-вектора к горизонтальной оси, при этом по заданным величинам а лемнискаты Бернулли по горизонтальной оси и углу выхода винтовой лопатки α, определяется угол наклона полярного радиус-вектора к горизонтальной оси как параметр лемнискаты Бернулли выражением
вых
где α - угол выхода винтовой лопатки;
и координаты конца каждой винтовой лопатки определяются по системе уравнений
Кроме того, для уменьшения теплоотдачи в головку цилиндров от отработавших газов и соответственно в систему охлаждения в выпускных каналах размещены патрубки, имеющие кольцевую воздушную полость между наружным диаметром патрубка и головкой цилиндров.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено сечение головки цилиндров ДВС по впускному и выпускному каналам; на фиг. 2 изображена четверть лемнискаты Бернулли, для которой определены основные зависимости размеров и углов; на фиг. 3 представлены графики зависимости допустимого уменьшения длины лопатки при допустимом изменении угла начала ветви лемнискаты Бернулли относительно узловой точки 0 (Фиг. 2); на фиг. 4 изображена развертка боковой поверхности патрубка впускного канала с линией пересечения поверхностей винтовой лопатки и патрубка, описанной уравнениями лемнискаты Бернулли (4) и (5); на фиг. 5 изображена винтовая лопатка колеса компрессора турбокомпрессора ДВС, описанная уравнениями (4) или (5) лемнискаты Бернулли.
Кроме этого, на чертеже дополнительно обозначено следующее:
- OX, OY - оси координат;
- ρ - полярный радиус-вектор к произвольной точке D, лежащей на линии лемнискаты Бернулли;
- ϕ - угол наклона полярного радиус-вектора к оси X;
- G - точка пересечения касательных отрезков прямых к линии лемнискаты Бернулли в узловой точке 0 и точке D;
вых
- α - угол выхода касательной линии лемнискаты в произвольной точке D по отношению к начальному углу касательной в узловой точке 0;
к
вых
- α - смежный угол углу α;
- Е - точка пересечения отрезка прямой касательной к точке D и оси X;
1
- α - угол между осью X и отрезком прямой касательной к точке D;
1
- α - смежный угол углу α;
- μ - угол между полярным радиус- вектором и отрезком к касательной в точке D;
- а - заданная величина лемнискаты Бернулли по горизонтальной оси;
- Δρ - уменьшение линии лемнискаты Бернулли от узловой точки 0.
Двигатель внутреннего сгорания содержит головку цилиндров 1 с впускными и выпускными каналами. В каждом впускном канале 2 установлен сменный патрубок 3 с винтовой лопаткой 4, поверхность которой образована вращением относительно оси канала 2 и перемещением вдоль нее образующей, пересекающей внутренний диаметр канала 2 таким образом, что след от пересечения этой образующей с поверхностью канала 2 образует винтовую линию. Винтовая линия на развертке каждого впускного канала 2 выполнена в виде плавной кривой в соответствии с уравнением лемнискаты Бернулли (4) в декартовых координатах или в соответствии с полярным уравнением (5) лемнискаты Бернулли обладающей свойством безотрывного течения потока.
лз
вп
вн
внеш
вып,
вып
Патрубок 3 имеет длину 5, равную L, и внутренний диаметр 6, равный d. Входной участок 7 впускного канала 2 сопряжен с выходным участком 8 впускного канала 2 радиусом сопряжения 9, равным R, и радиусом сопряжения 10, равным R. В каждый выпускной канал 11 установлен патрубок 12. Патрубок 12 имеет длину 13, равную L и внутренний диаметр 14, равный d. С наружной стороны патрубка 12, а именно, между его наружным диаметром и головкой цилиндров, выполнена в головке цилиндров 1 кольцевая воздушная полость 15. Патрубок 12 предназначен для уменьшения теплоотдачи в головку цилиндров 1 от отработавших газов за счет наличия воздушной полости между патрубком 12 и головкой цилиндров 1 (Фиг. 1).
лз
к
На развертке 16 (Фиг. 4) патрубка 3 с линией разъема 17 длиной 5, равной L, и длиной развертки 18, равной π d, нанесена линия 19 пересечения поверхности лопатки 4 и внутренней поверхности патрубка 3, форма которой определена вычислением лемнискаты Бернулли с заданными параметрами от начала координат до точки D (Фиг. 2).
Так, для четверти лемнискаты Бернулли определены основные зависимости размеров и углов (Фиг. 2):
где μ - угол между полярным радиус- вектором и отрезком к касательной в точке D,
1
где α - угол между осью X и отрезком прямой касательной к точке D,
1
где α - смежный угол углу α,
где ϕ - угол наклона полярного радиус-вектора к оси X,
к
вых
где α - смежный угол углу α,
вых
где α - угол выхода касательной линии лемнискаты в произвольной точке D по отношению к начальному углу в узловой точке 0 - точке начала ветви лемнискаты Бернулли.
вых
Задавая величину, а лемнискаты Бернулли по горизонтальной оси и угол выхода винтовой лопатки α, определяются угол наклона полярного радиус-вектора к горизонтальной оси ϕ по выражению (6), величина полярного радиус - вектора ρ и координаты конца винтовой лопатки X, Y точки D, то есть конца лопатки по системе уравнений (7).
Для уменьшения габаритов по длине сменных винтовых лопаток представлены графики, поясняющие, на какую величину допустимо уменьшить длину лопатки с конструктивной точки зрения при незначительном изменении угла входа, то есть, на какую величину изменится угол от касательной начала координат, точка 0, при обрезании линии лемнискаты на величину Δρ при различно принятых значениях а (Фиг. 3).
вх
вых
Линия 19 в точке 20 (Фиг. 4) параллельная оси патрубка 3. Касательная 21 в точке 22, лежащей на входе в лопатки, при этом линия 19 укорочена на отрезок 23, что соответствует отрезку Δρ при допустимом изменении угла входа (Фиг. 3) и расположена под углом 24, равным β к линии разъема. Касательная 25 к точке 26, лежащей на выходе из лопатки под углом 27, равном α, заданном при расчетах.
На колесе 28 компрессора турбокомпрессора ДВС выполнены лопатки 29 с углом 30 входа, заданным таким же образом по расчетам лемнискаты Бернулли, описанные выражениями (4)-(7) (Фиг. 5). На колесе 31 турбины турбокомпрессора ДВС также выполнены лопатки 32 с углом 33 выхода, заданным таким же образом по расчетам лемнискаты Бернулли, описанные выражениями (4)-(7).
По данным выражениям могут быть спроектированы лопатки и для других газо- и гидроколес.
Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
Поток воздуха, втекающий в канал головки цилиндра из впускного коллектора (на чертеже не показан) соосно оси патрубка 3, безотрывно обтекает входную кромку винтовой лопатки 4 и, двигаясь вдоль лопатки 4, приобретает вращательное движение, при этом его тангенциальная компонента плавно возрастает от нулевого или близкого к нулевому значению до конечного значения на выходе. Вследствие плавного изменения угла между линией 19 пересечения поверхности лопатки 4 с поверхностью патрубка 3 и соответственно плавного изменения кривизны лопатки 4 течение воздуха протекает безотрывно. В связи с тем, что патрубок 3 сменный, это позволяет устанавливать их с различно создаваемой тангенциальной компонентой в зависимости от конструктивных особенностей камеры сгорания, топливоподачи и уровня форсирования ДВС.
В колесах 28 и 31 по межлопаточному пространству, образованному лопатками 29 и 32, поток газа протекает плавно без срыва потока, а оптимальный угол 30 входа или угол 33 выхода потока, как известно, зависит от результирующего вектора скорости, который определяется суммированием векторов скорости потока на входе или выходе и вектора окружной скорости колес 28 и 31, причем частота вращения колес равна, так как они расположены жестко на общем валу.
Отработавшие газы, имеющие высокую температуру, из цилиндра вытекают через выпускной канал 11, внутреннюю полость патрубка 12 в выпускной коллектор (на чертеже не показан) и из-за наличия кольцевой воздушной полости между наружным диаметром патрубка 12 и головкой цилиндров 1 теплоотдача в головку цилиндров 1 и соответственно в систему охлаждения уменьшается.
вых
вых
В ходе сравнительных исследований на продувочном стенде с прямым впускным каналом без клапана показали преимущества винтовой лопатки предложенного ДВС, выполненной по лемнискате Бернулли по сравнению с винтовой лопаткой, выполненной по зависимости вида (1) в соответствии с ДВС, выбранного в качестве прототипа. Винтовая лопатка, выполненная по лемнискате Бернулли, имела данные: а=120 мм, вход укорочен на 15 мм, α=45°. Винтовая лопатка, выполненной по зависимости вида (1) имела данные: k=0,371; m=1,179; количество оборотов n=0,6; α=45°. При сравнительных исследованиях с постоянным перепадом давления продувки вставок с винтовыми лопатками 500 и 1000 мм. вод.ст. получены следующие результаты: увеличение расхода воздуха составило около 1,5-2%, момента закрутки - около 4,5-5,5%; удельного момента количества движения - около 3-4%.
Результативность изобретения заключается в уменьшении гидравлического сопротивления во впускных каналах головки цилиндров, обеспечивающего необходимую в зависимости от модификации двигателя внутреннего сгорания величину удельного момента количества движения воздушного заряда для эффективного сгорания топлива; в уменьшении гидравлических потерь в межлопаточных каналах колес компрессора и турбины и повышении их кпд; в уменьшении теплоотдачи в головку цилиндров и далее в систему охлаждения ДВС.