ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО, МОРСКОЕ СУДНО И СПОСОБ ПОДАЧИ ВТОРИЧНОГО ВОЗДУХА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE, TRANSPORT VEHICLE, SEA VESSEL AND SECONDARY AIR SUPPLY METHOD FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, транспортным средствам, морским судам и способу подачи вторичного воздуха для двигателя внутреннего сгорания.
Уровень техники
Известны системы подачи вторичного воздуха для подачи воздуха в выпускной канал двигателя внутреннего сгорания. Система подачи вторичного воздуха подает воздух в отработанный газ высокой температуры для сжигания вредного оксида углерода или углеводорода в отработанном газе и, таким образом, образования безопасной воды или двуокиси углерода. Система подачи вторичного воздуха также подает воздух к части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно катализатора для очистки отработанного газа, для содействия реакции окисления в катализаторе. В патентном документе 1 описана система подачи вторичного воздуха для подачи при помощи питающего клапана воздуха с использованием отрицательного давления в выпускном канале. В патентном документе 2 описана система для принудительной подачи воздуха в выпускной канал с использованием насоса вместо использования отрицательного давления в выпускном канале. Насос приводится в действие с использованием части мощности двигателя внутреннего сгорания.
Патентный документ 1: Публикация патента Японии №09-324624.
Патентный документ 2: Публикация патента Японии №07-205890.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Проблемы, решаемые изобретением
В системе с использованием отрицательного давления, описанной в патентном документе 1, в отличие от системы, описанной в патентном документе 2, включающей насос для принудительной подачи воздуха в выпускной канал, нет необходимости в приведении в действие насоса и, таким образом, потеря мощности двигателя внутреннего сгорания небольшая. Однако когда двигатель внутреннего сгорания приводится в действие в состоянии высокой нагрузки, давление в выпускном канале вблизи выпускного отверстия становится высоким и не может подаваться достаточное количество воздуха. В отличие от этого в системе, описанной в патентном документе 2, включающей насос для подачи воздуха в выпускной канал, даже когда двигатель внутреннего сгорания приводится в действие в состоянии высокой нагрузки, воздух может подаваться. Однако, так как насос приводится в действие двигателем внутреннего сгорания, потеря мощности двигателя внутреннего сгорания значительна.
Целью настоящего изобретения, сделанного с учетом таких обстоятельств, является создание двигателя внутреннего сгорания, способного подавать воздух в выпускной канал даже в состоянии высокой нагрузки с меньшей потерей его мощности.
Способ решения проблемы
Авторы обнаружили скачок уплотнения, распространяющийся в направлении потока в выпускном канале, когда выпускное отверстие открыто, и поняли, что при использовании отрицательного давления, генерируемого позади скачка уплотнения, воздух может подаваться, даже когда двигатель внутреннего сгорания находится в состоянии высокой нагрузки. Однако было обнаружено, что, поскольку этот скачок уплотнения генерируется вблизи выпускного отверстия, насосные потери увеличиваются и выходная мощность двигателя внутреннего сгорания уменьшается, когда большое количество воздуха подается вблизи выпускного отверстия.
Авторы придумали генерирование нового отрицательного давления посредством создания нового скачка уплотнения в выпускном канале, который отличается от скачка уплотнения, распространяющегося в направлении потока в выпускном канале, когда выпускное отверстие открыто. Это означает применение принципа общеизвестного сужающегося-расширяющегося сопла, обычно называемого "соплом Лаваля", в двигателе внутреннего сгорания, включающем систему подачи вторичного воздуха. Это сопло включает сужающуюся секцию, имеющую площадь поперечного сечения для потока, которая уменьшается по ходу текучей среды, расширяющуюся секцию, расположенную дальше по потоку относительно сужающейся секции и имеющую площадь поперечного сечения для потока, которая увеличивается по ходу текучей среды, и горловинную секцию, расположенную между сужающейся секцией и расширяющейся секцией. Когда отношение давлений давления P0 в сужающейся секции и давления P в расширяющейся секции (то есть P/P0) меньше, чем критическое отношение давлений (для воздуха приблизительно 0,528), скорость текучей среды в расширяющейся секции превышает звуковую скорость. Для создания нового скачка уплотнения в выпускном канале авторы применили сужающуюся секцию, имеющую меньшую площадь поперечного сечения для потока на ее выходном конце, чем на ее входном конце, и также применили расширяющуюся секцию, расположенную дальше по потоку относительно сужающейся секции, имеющую большую площадь поперечного сечения для потока ее выходном конце чем, на ее входном конце. Однако когда в выпускном канале применяют только сужающуюся секцию и расширяющуюся секцию, отношение давлений давления P0 в сужающейся секции и давления P в расширяющейся секции (то есть P/P0) не достигает критического отношения давлений и, таким образом, было невозможно генерировать новый скачок уплотнения.
В результате дальнейших активных исследований двигателей внутреннего сгорания авторы обнаружили, что скачок уплотнения, распространяющийся в направлении потока в выпускном канале, когда выпускное отверстие открыто, распространяется с более высокой скоростью, чем отработанный газ, проходящий в этот момент в выпускной канал из камеры сгорания. Обращая внимание на разность скорости между скачком уплотнения и отработанным газом, авторы придумали конструкцию для увеличения давления P0 в сужающейся секции. Эта конструкция включает ответвленную секцию для ответвления скачка уплотнения, предшествующего отработанному газу, и, таким образом, распространения скачка уплотнения назад в выпускной канал. Таким образом, авторы придумали конструкцию, в которой ответвленная секция скомбинирована с питающей секцией для подачи воздуха в часть выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции.
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 систему подачи вторичного воздуха для подачи воздуха в выпускное устройство. 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 выпускном канале из камеры сгорания, когда выпускное отверстие открыто, из части выпускного канала, который 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 через расширяющуюся секцию, создавая новый скачок уплотнения. Система подачи вторичного воздуха содержит питающую секцию для подачи воздуха к части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, с использованием отрицательного давления, генерируемого в части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, вновь созданным скачком уплотнения.
Другой 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 систему подачи вторичного воздуха для подачи воздуха в выпускное устройство. 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. Система подачи вторичного воздуха содержит питающую секцию для подачи воздуха в часть выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции. Скорость отработанного газа, выпущенного из камеры сгорания, когда выпускное отверстие открыто, составляет Ve, а скорость распространения скачка уплотнения, распространяющегося в выпускном канале, составляет Vs, причем расстояние Le между выпускным отверстием и входом ответвленной секции и расстояние Ls, на которое скачок уплотнения распространяется в ответвленной секции, удовлетворяет 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 подачи вторичного воздуха для 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, имеющего 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; и 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, для создания области отрицательного давления в выпускном канале и подачи воздуха в эту область.
Эффект изобретения
Согласно настоящему изобретению скачок уплотнения, предшествующий отработанному газу, задерживается в ответвленной секции и распространяется назад в выпускной канал и также проходит для столкновения с отработанным газом, распространяющимся с задержкой. Это увеличивает давление отработанного газа. Отработанный газ проходит в сужающуюся секцию, что увеличивает давление отработанного газа в сужающейся секции. Так как такой отработанный газ проходит в расширяющуюся секцию, создается новый скачок уплотнения, который отличается от скачка уплотнения, создаваемого, когда выпускное отверстие открыто, и относительно нового скачка уплотнения ближе по потоку генерируется большое отрицательное давление. С использованием этого большего отрицательного давления воздух может подаваться в выпускной канал даже в состоянии работы двигателя внутреннего сгорания с высокой нагрузкой. Само собой разумеется, так как используется отрицательное давление, потеря мощности двигателя внутреннего сгорания может быть небольшой.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид конструкции выпускного устройства двигателя внутреннего сгорания согласно Варианту 1 конструкции, являющийся видом в сечении его выпускного канала и т.п.
Фиг.2 - схематичный вид сужающегося-расширяющегося сопла.
Фиг.3 - зависимость между отношением давлений и числом Маха в сужающемся-расширяющемся сопле.
Фиг.4 - виды в сечении выпускного канала и т.п., показывающие продвижение скачка уплотнения и отработанного газа; (A) - исходное состояние такта выпуска, (B) - состояние, когда скачок уплотнения распространяется в ответвленный канал, и (C) - состояние, когда скачок уплотнения, отраженный ответвленным каналом, сталкивается с отработанным газом.
Фиг.5 - схематичный вид выпускного канала и т.п., показывающий путь в выпускном канале, в котором распространяется скачок уплотнения, и путь в выпускном канале, в котором распространяется отработанный газ.
Фиг.6 - схематичный вид, полученный на основе фотографии внутренней части сужающегося-расширяющегося сопла, сделанной методом Теплера.
Фиг.7 - график, показывающий зависимость между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа в заданных положениях в первой выпускной трубе.
Фиг.8 - график, показывающий зависимость между скоростью отработанного газа и температурой отработанного газа в заданных положениях в первой выпускной трубе.
Фиг.9 - графики отношения давления и объема, представляющие насосные потери; (A) - график отношения давления и объема обычного двигателя внутреннего сгорания, и (B) - график отношения давления и объема двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.
Фиг.10 - график, показывающий зависимость между отношением площади поперечного сечения для потока канала для подачи вторичного воздуха относительно площади поперечного сечения для потока выпускного канала и отношением R0 количества воздуха к количеству топлива, когда вторичный воздух не подается, относительно отношения R количества воздуха к количеству топлива, когда вторичный воздух подается из канала для подачи вторичного воздуха.
Фиг.11 - вид в сечении конструкции двигателя внутреннего сгорания согласно Варианту 2 осуществления изобретения и его выпускного канала и т.п.
Фиг.12 - вид в сечении конструкции двигателя внутреннего сгорания согласно Варианту 3 осуществления изобретения и его выпускного канала и т.п.
Фиг.13 - зависимость между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа в выпускном канале во временной последовательности.
Фиг.14 - зависимость между давлением отработанного газа и температурой отработанного газа в выпускном канале во временной последовательности.
Фиг.15 - морское судно, имеющее установленный на нем двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.
Фиг.16 - транспортное средство, имеющее установленный на нем двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.
Фиг.17 - виды в сечении многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, с которым применено настоящее изобретение, и виды в сечении выпускного канала и т.п., показывающие продвижение скачка уплотнения и отработанного газа, как на фиг.4.
Фиг.18 - модификация одного из вышеупомянутых вариантов осуществления изобретения и вид в сечении его выпускного канала и т.п.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
В результате активных изучений авторы пришли к идее, заключающейся в том, что большое отрицательное давление может генерироваться в выпускном канале благодаря применению принципа сужающегося-расширяющегося сопла и с использованием неизвестного в предшествующем уровне техники нижеследующего способа. Авторы обнаружили, что он может улучшить рабочие характеристики двигателя внутреннего сгорания.
Способ заключается в следующем. (1) Скачок уплотнения, предшествующий отработанному газу, ответвляется; (2) ответвленный скачок уплотнения задерживается таким образом, что скачок уплотнения сталкивается с отработанным газом, таким образом увеличивая давление отработанного газа; (3) отработанный газ, имеющий увеличенное давление, проводится через расширяющуюся секцию, ускоряясь до сверхзвуковой скорости, таким образом генерируя скачок уплотнения; и (4) отрицательное давление генерируется в части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции.
Вариант 1 осуществления изобретения
Далее двигатель внутреннего сгорания согласно варианту осуществления настоящего изобретения будет описан подробно со ссылками на чертежи. В нижеследующем описании термины "ближе по потоку" и "дальше по потоку" соответственно относятся к положениям ближе по потоку и дальше по потоку относительно направления, в котором проходит отработанный газ.
Как показано на фиг.1, двигатель 1 внутреннего сгорания содержит корпус 3 цилиндра и расположенную на одном его конце головку 4 цилиндра. В корпусе 3 цилиндра и головке 4 цилиндра сформирована камера 10 сгорания. Двигатель 1 внутреннего сгорания является бензиновым четырехтактным двигателем. Двигатель 1 внутреннего сгорания может быть двигателем с воздушным охлаждением или двигателем с жидкостным охлаждением. Головка 4 цилиндра имеет сформированные в ней дальнюю по потоку секцию 6 впускного канала и ближнюю по потоку секцию 7 выпускного канала 16. Головка 4 цилиндра содержит впускной клапан 8 для открытия или закрытия впускного отверстия 8а, выпускной клапан 9 для открытия или закрытия выпускного отверстия 9а, механизм привода клапана (не показан) для привода впускного клапана 8 и выпускного клапана 9 и т.п. В этом варианте осуществления изобретения одна дальняя по потоку секция 6 впускного канала и одна ближняя по потоку секция 7 выпускного канала использованы для одной камеры 10 сгорания. В альтернативном варианте для одной камеры сгорания могут быть использованы множество впускных отверстий 8а, множество впускных клапанов 8, множество выпускных клапанов 9а и/или множество выпускных клапанов 9. К головке 4 цилиндра прикреплен инжектор 2 для впрыска топлива. Хотя это не показано, цилиндр 4 также снабжен свечой зажигания.
Ближе по потоку относительно находящейся дальше по потоку секции 6 впускного канала присоединена ближняя по потоку секция (не показана) впускного канала. Внутри ближней по потоку секции расположен дроссельный клапан. Дроссельный клапан приводится в действие вручную или электрически электродвигателем.
Выпускное устройство 5 содержит головку 4 цилиндра, первую выпускную трубу 12, соединенную с головкой 4 цилиндра, вторую выпускную трубу 13, соединенную с первой выпускной трубой 12, и третью выпускную трубу 14, соединенную со второй выпускной трубой 13. Первая выпускная труба 12 прикреплена к головке 4 цилиндра при помощи болта 11. Третья выпускная труба 14 имеет сформированную в ней камеру 15 для выхлопных газов. Выпускное устройство 5 имеет сформированный в нем выпускной канал 16, который соединяет находящуюся ближе по потоку секцию 7 с окружающей средой через камеру 15 для выхлопных газов.
В выпускном канале 16 расположены первый катализатор 17 и второй катализатор 18. Второй катализатор 18 расположен дальше по потоку относительно первого катализатора 17. Первый катализатор 17 и второй катализатор 18 имеют пространство между ними.
Дальше по потоку относительно камеры 15 для выхлопных газов присоединен глушитель (не показан). Отработанный газ, который проходит внутрь камеры 15 для выхлопных газов, проходит глушитель и затем выпускается наружу. Камера 15 для выхлопных газов снабжена датчиком 19 концентрации кислорода для определения количества кислорода в отработанном газе.
Электронный управляющий блок 20, который является управляющим устройством, регулирует количество топлива, впрыскиваемого инжектором 2, время воспламенения свечой зажигания и т.п. на основе частоты вращения двигателя 1 внутреннего сгорания, угла раскрытия дроссельного клапана или сигнала от датчика 19 концентрации кислорода. В этом варианте осуществления изобретения электронный управляющий блок 20 регулирует количество топлива, впрыскиваемого инжектором 2, таким образом, что, например, отношение количества воздуха к количеству топлива топливной смеси, которая потребляется двигателем 1 внутреннего сгорания, является теоретическим отношением количества воздуха к количеству топлива.
В ближней по потоку секции первой выпускной трубы 12 расположен патрубок 22. Один конец патрубка 22 соединен с первой выпускной трубой 12, а другой конец патрубка 22 закрыт. Закрытый конец патрубка 22 действует как отражающая секция 21b для отражения скачка уплотнения, как описано ниже. Патрубок 22 выполнен за одно целое с первой выпускной трубой 12. В альтернативном варианте патрубок 22 может быть сформирован отдельно от первой выпускной трубы 12 и прикреплен к ней. Например, первая выпускная труба 12 и патрубок 22 могут быть приварены друг к другу или прикреплены друг к другу при помощи крепежного элемента (не показан), такого как болт, заклепка или подобное средство. Патрубок 22 сформирован так, что он имеет большую площадь поперечного сечения для потока на одном конце, чем на другом конце, но форма патрубка 22 не ограничена показанной на фиг.1. Площадь поперечного сечения для потока патрубка 22 на одном конце может быть равной или меньшей, чем площадь поперечного сечения для потока на другом конце. В патрубке 22 сформирована ответвленная секция 21. Один конец ответвленной секции 21 сообщается с выпускным каналом 16, а другой ее конец закрыт. Вход 21a ответвленной секции 21 (то есть часть, сообщающаяся с выпускным каналом 16) имеет площадь поперечного сечения для потока, которая имеет размер, обеспечивающий распространение скачка уплотнения, распространяющегося в выпускном канале 16, также в ответвленную секцию 21, как описано ниже. На фигуре ссылочная позиция "X" представляет центральную линию сечения для потока входа 21a ответвленной секции 21.
Между ответвленной секцией 21 и первым катализатором 17 расположено сужающееся-расширяющееся сопло 31. Сужающееся-расширяющееся сопло 31 обычно называют "соплом Лаваля". Сужающееся-расширяющееся сопло 31 увеличивает скорость отработанного газа, проходящего в выпускном канале 16, от дозвуковой скорости до сверхзвуковой скорости. Сужающееся-расширяющееся сопло 31 образовано сужающейся секцией 32, горловинной секцией 34 и расширяющейся секцией 33. Сужающаяся секция 32 является частью, имеющей площадь поперечного сечения для потока, которая постепенно уменьшается к находящемуся дальше по потоку его концу. Расширяющаяся секция 33 является частью, имеющей площадь поперечного сечения для потока, которая постепенно увеличивается к находящемуся дальше по потоку его концу. Горловинная секция 34 является частью, расположенной между сужающейся секцией 32 и расширяющейся секцией 33 и имеющей самую малую площадь поперечного сечения для потока.
Используется система 70 подачи вторичного воздуха для подачи воздуха в выпускной канал 16 из выпускного устройства 5. Система 70 подачи вторичного воздуха содержит воздухоочиститель 76, имеющий фильтр 76a, клапан 75 регулирования количества воздуха, расположенный дальше по потоку относительно него, для регулирования количества воздуха, питающий клапан 74, расположенный дальше по потоку относительно него, и трубку 72 для подачи вторичного воздуха, расположенную дальше по потоку относительно него. Трубка 72 для подачи вторичного воздуха присоединена между патрубком 22 и сужающимся-расширяющимся соплом 31 в первой выпускной трубе 12. Передний конец трубки 72 для подачи вторичного воздуха открыт в выпускной канал 16. Система 70 подачи вторичного воздуха формирует канал 71 подачи вторичного воздуха, проходящий из внутреннего пространства воздухоочистителя 76 в выпускной канал. Питающая секция 73 канала 71 для подачи вторичного воздуха выполнена в виде прорези на переднем конце трубки 72 для подачи вторичного воздуха. В результате этой конструкции трубка 72 для подачи вторичного воздуха может подавать воздух в широкую область выпускного канала 16, включая его центральную линию Y сечения для потока.
Входной конец трубки 72 для подачи вторичного воздуха соединен с воздухоочистителем 76 через питающий клапан 74 и клапан 75 регулирования количества воздуха. Питающий клапан 74 предотвращает прохождение отработанного газа из трубки 72 для подачи вторичного воздуха в часть ближе по потоку относительно питающего клапана 74. Питающий клапан 74 выполнен с возможностью открытия отрицательным давлением, генерируемым в выпускном канале 16, для направления воздуха к питающей секции 73 канала 71 для подачи вторичного воздуха. Клапан 75 регулирования количества воздуха выполнен с возможностью согласования количества воздуха с рабочим состоянием двигателя 1 внутреннего сгорания. Клапан 75 регулирования количества воздуха содержит привод, серводвигатель, соленоид или подобное средство, приводимое в действие отрицательным входным давлением и т.п. Угол раскрытия клапана 75 регулирования количества воздуха регулируется электронным управляющим блоком 20.
Когда угла раскрытия дроссельного клапана меньше, чем заданный угол, электронный управляющий блок 20 вызывает закрытие клапана 75 регулирования количества воздуха или относительное уменьшение угла раскрытия дроссельного клапана. Заданный угол предварительно установлен и сохранен в запоминающем устройстве электронного управляющего блока 20. Когда угол раскрытия дроссельного клапана больше, чем заданный угол, электронный управляющий блок 20 увеличивает угол раскрытия клапана 75 регулирования количества воздуха. Таким образом, понятно, что угол раскрытия клапана 75 регулирования количества воздуха увеличивается или уменьшается в соответствии с углом раскрытия дроссельного клапана. Применение клапана 75 регулирования количества воздуха позволяет подавать воздух в выпускной канал 16 с адекватным расходом без избытка или недостаточности. Клапан 75 регулирования количества воздуха не является абсолютно необходимым и может быть исключен из конструкции.
На фиг.2 показан схематичный общий вид сужающегося-расширяющегося сопла. Как показано на фиг.2, площадь поперечного сечения А1 для потока на входном конце сужающейся секции 32, площадь поперечного сечения A2 для потока горловинной части 34 и площадь поперечного сечения A3 для потока на находящемся дальше по потоку конце расширяющейся секции 33 имеют зависимость А1>A2 и A2<A3. Площадь поперечного сечения A2 для потока горловинной части 34 равна площади поперечного сечения A2 для потока на находящемся дальше по потоку конце сужающейся секции 32 и площади поперечного сечения для потока на входном конце расширяющейся секции 33. В этом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, площади поперечного сечения для потока сужающейся секции 32 и расширяющейся секции 33 изменяются с постоянным коэффициентом в направлении потока. Нет какого-либо определенного ограничения формы сужающейся секции 32 и расширяющейся секции 33. Сужающаяся секция 32 и расширяющаяся секция 33 могут быть сформированы так, чтобы они имели форму, имеющую площадь поперечного сечения для потока, изменяющуюся постепенно, как сопло, принятое для ракет, или могут быть сформированы так, чтобы они имели плавно изогнутую форму.
Сужающееся-расширяющееся сопло 31 сформировано для выполнения условий, представленных выражениями (1) и (2) ниже. В результате скорости отработанного газа, проходящего в горловинную секцию 34, достигающей числа М1 (то есть звуковой скорости), отработанный газ в расширяющейся секции 33 может быть ускорен до сверхзвуковой скорости.
где Λ представляет собой коэффициент, вычисленный согласно выражению (2):
Среди этих выражений выражение (1) представляет зависимость между формой выпускной трубы и числом Маха в основном потоке, сопровождаемом вязкостным трением. Выражение (2) представляет Λ в выражении (1). В этих выражениях М представляет число Маха, А представляет площадь поперечного сечения выпускной трубы в произвольном сечении, D представляет диаметр трубы в произвольном сечении, γ представляет удельную теплоемкость, х представляет расстояние в направлении потока и f представляет коэффициент трения.
Как показано на фиг.2 и фиг.3, в целом, с сужающимся-расширяющимся соплом 31, сформированным для соответствия условиям, представленным выражениями (1) и (2), когда отношение давлений полного давления Р0 в части, расположенной раньше по потоку относительно горловинной секции 34, и статического давления Р в части, расположенной дальше по потоку относительно горловинной секции 34, то есть Р/Р0, меньше, чем критическое отношение давлений (=0,528; точка С на фиг.3), скорость становится звуковой скоростью (M1) в горловинной секции и становится сверхзвуковой скоростью в расширяющейся секции 33. Когда полное давление Р0 увеличено для того, чтобы сделать Р/Р0 меньше критического отношения давлений, в сужающемся-расширяющемся сопле 31 может быть сформирован сверхзвуковой поток.
Когда скорость в сужающемся-расширяющемся сопле 31 становится сверхзвуковой скоростью, генерируются новый скачок 35b уплотнения, распространяющийся в направлении потока в расширяющейся секции 33, и волна 35с разрежения, распространяющаяся против потока в расширяющейся секции 33 (см. фиг.6). Таким образом, текучая среда в пространстве между скачком 35b уплотнения, распространяющимся в направлении потока в выпускном канале 16, и волной 35с разрежения, распространяющейся против потока в выпускном канале 16, быстро расширяется, и, таким образом, давление отработанного газа, проходящего в выпускном канале 16, может быть уменьшено. В результате температура отработанного газа может быть быстро уменьшена эффектом адиабатического охлаждения, вызванного адиабатическим расширением. В результате активных исследований авторы осуществили такое состояние, комбинируя сужающееся-расширяющееся сопло 31 и ответвленную секцию 21.
Далее со ссылками на фиг.4(A)-(C) будет описан принцип приведения отработанного газа в состояние низкого давления и низкой температуры в выпускном канале. На фиг.4(A)-(C) схематично показано выпускное устройство 5. На фиг.4(A)-(C) элементам, идентичным или эквивалентным показанным на фиг.1 или фиг.2, присвоены идентичные ссылочные позиции.
Как показано на фиг.4(A), когда выпускное отверстие 9а открыто в ходе такта выпуска двигателя 1 внутреннего сгорания, отработанный газ 36 высокого давления выпускается из камеры 10 сгорания в ближнюю по потоку секцию 7 выпускного канала 16 через выпускное отверстие 9a. В момент, когда выпускное отверстие 9a начинает открываться, перепад давлений между камерой 10 сгорания и ближней по потоку секцией 7 выпускного канала 16 является большим. Таким образом, скорость отработанного газа 36 становится звуковой скоростью, и, таким образом, в ближней по потоку секции выпускного канала 16 создается скачок 35 уплотнения. Когда угол раскрытия выпускного отверстия 9а увеличивается, количество отработанного газа 36, проходящего в ближнюю по потоку секцию 7 выпускного канала 16, увеличивается, но скорость отработанного газа 36 уменьшается. Скорость отработанного газа также уменьшается, когда отработанный газ продвигается в ближней по потоку секции 7 выпускного канала 16. Как показано на фиг.4(A), скачок 35 уплотнения распространяется в первую выпускную трубу 12 из ближней по потоку секции 7 выпускного канала 16 и далее распространяется по ходу потока с высокой скоростью. В этот момент отработанный газ 36 продвигается в направлении потока в выпускном канале 16 с задержкой относительно скачка 35 уплотнения с относительно низкой скоростью.
Как показано на фиг.4(B), скачок 35 уплотнения, распространяющийся в первой выпускной трубе, разделяется на скачок уплотнения, распространяющий в выпускном канале 16, и скачок уплотнения, распространяющийся в ответвленную секцию 21 во входе 21a ответвленной секции 21, и затем эти скачки уплотнения продвигаются отдельно в выпускном канале 16 и ответвленной секции 21. Скачок 35 уплотнения, распространяющийся в выпускном канале 16, ослабляется и исчезает после прохождения сужающегося-расширяющегося сопла 31. В отличие от этого скачок 35 уплотнения, распространяющийся в ответвленной секции 21, отражается отражающей секцией 21b ответвленной секции 21 и распространяется в противоположном направлении в ответвленной секции 21, возвращаясь в выпускной канал 16.
Как показано на фиг.4(C), длина ответвленной секции 21 задана таким образом, что момент времени, когда отраженный скачок 35 уплотнения возвращается в выпускной канал 16 из ответвленной секции 21, соответствует моменту или возникает после момента времени, когда отработанный газ 36 высокого давления достигает центра входа 21a ответвленной секции 21. Таким образом, скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом в местоположении выпускного канала, которое находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33 и соответствует ответвленной секции 21 или находится дальше по потоку относительно нее.
1
2
Как показано на фиг.5, расстояние от центра 9ac выпускного отверстия 9а до центральной линии X сечения для потока во входе 21a ответвленной секции 21 задано как Le, а расстояние от центральной линии Y сечения для потока выпускного канала 16 до отражающей секции 21b задано как Ls. Скорость отработанного газа 36 задана как Ve, а скорость распространения скачка 35 уплотнения задана как Vs. В этом случае время T, которое составляет время от момента, когда выпускное отверстие 9а открывается, до момента, когда отработанный газ 36 достигает входа 21a, представлено выражением (3). Время T, которое составляет период от момента, когда выпускное отверстие 9a открыто, до момента отражения скачка 35 уплотнения отражающей секцией 21b и достижения им центральной линии Y выпускного канала 16, представлено выражением (4).
1
T=Le/Ve (3)
2
T=(Le+2Ls)/Vs (4)
1
2
Когда T≤T, отраженный скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом. В частности, когда Le/Ve≤(Le+2Ls)/Vs, скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом в местоположении выпускного канала, которое ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33 и соответствует ответвленной секции 21 или находится дальше нее. Для удобства, например, максимальную скорость отработанного газа 36 можно принять как скорость Ve или среднюю скорость отработанного газа 36 можно принять как скорость Ve. Аналогичным образом, например, максимальную скорость распространения скачка 35 уплотнения можно принять как скорость Vs распространения или среднюю скорость распространения скачка 35 уплотнения можно принять как скорость Vs распространения.
3
4
Как показано на фиг.5, расстояние от центральной линии X сечения для потока на входе 21a ответвленной секции 21 до входного конца расширяющейся секции 33 задано как Ld и время от момента, когда выпускное отверстие 9а открывается, до момента, когда выпускное отверстие 9а закрывается, задано как tv. Время T от момента открытия выпускного отверстия 9а до момента, когда задняя часть порции отработанного газа 36 достигает входного конца расширяющейся секции 33, представлено выражением (5). Время T от момента, когда выпускное отверстие 9а открывается, до момента, когда скачок 35 уплотнения отражен отражающей секцией 21b и достигает входного конца расширяющейся секции 33, представлено выражением (6).
3
T=tv+(Le+Ld)/Ve (5)
4
T=(Le+2Ls+Ld)/Vs (6)
4
3
Когда T≤T, скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 могут сталкиваться друг с другом до того, как весь отработанный газ 36 проходит горловинную секцию 34. В частности, когда (Le+2Ls+Ld)/Vs≤tv+(Le+Ld)/Ve, скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 могут сталкиваться друг с другом до того, как весь отработанный газ 36 проходит горловинную секцию 34.
В случае когда расстояние Ls между центральной линией Y сечения для потока выпускного канала 16 и отражающей секцией 21b относительно короткое, ослабление скачка 35 уплотнения в ответвленной секции 21 сдерживается. Например, расстояние Ls может быть короче, чем расстояние Le.
Давление отработанного газа 36 в сужающейся секции 32 дополнительно увеличивается сжатием отработанного газа 36 в сужающейся секции 32 и также при столкновении отработанного газа 36 со скачком 35 уплотнения. Когда это происходит, полное давление P0 ближе по потоку относительно входа сужающегося-расширяющегося сопла 31 увеличивается. Таким образом, отношение полного давления P0 ближе по потоку относительно входа и статического давления P дальше по потоку относительно горловинной секции, то есть P/P0, становится ниже, чем критическое отношение давлений, составляющее 0,528. В результате скорость отработанного газа 36 в горловинной секции 34 достигает звуковой скорости.
На фиг.6 показан схематичный вид, полученный на основе фотографии внутренней части сужающегося-расширяющегося сопла, выполненной методом Теплера. В результате достижения отработанным газом 36 звуковой скорости в сужающемся-расширяющемся сопле 31 создается новый скачок уплотнения. Далее вновь созданный скачок уплотнения будет для удобства называться "распространяющимся скачком 35b уплотнения". Распространяющийся скачок 35b уплотнения ускоряется, проходя расширяющуюся секцию 33 сужающегося-расширяющегося сопла 31. Как показано на фиг.6, когда создается распространяющийся скачок 35b уплотнения, создается волна 35c разрежения, распространяющаяся против распространяющегося скачка 35b уплотнения. В результате ускорения распространяющегося скачка 35b уплотнения в расширяющейся секции 33 и распространения волны 35c разрежения против распространяющегося скачка 35b уплотнения давление и температура отработанного газа 36, находящегося между распространяющимся скачком 35b уплотнения и волной 35c разрежения, значительно уменьшаются. Как описано ниже, давление отработанного газа становится равным или меньшим, чем атмосферное давление, а именно отрицательным давлением.
На фиг.7 и фиг.8 показаны результаты моделирований, выполненных авторами. На фиг.7 показаны скорость отработанного газа и давление отработанного газа в точках в выпускном канале 16 непосредственно после того, как в сужающемся-расширяющемся сопле 31 создается новый скачок 35b уплотнения. На фиг.8 показаны скорость отработанного газа и температура отработанного газа в точках в выпускном канале 16 непосредственно после того, как в сужающемся-расширяющемся сопле 31 создается новый скачок 35b уплотнения. После того как в сужающемся-расширяющемся сопле 31 создается скачок 35b уплотнения, скачок 35b уплотнения ускоряется в расширяющейся секции 33. Когда это происходит, как показано на фиг.7 и фиг.8, скорость отработанного газа быстро увеличивается, тогда как давление и температура отработанного газа быстро уменьшаются. На фиг.7 и фиг.8 показана скорость отработанного газа, но не показана скорость распространения скачка уплотнения. На фиг.7 и фиг.8 горловинная секция 34 сужающегося-расширяющегося сопла 31 задана как относительно длинная. После того как скачок 35 уплотнения, отраженный ответвленной секцией 21, сталкивается с отработанным газом 36, скачок 35 уплотнения распространяется в горловинной секции 34, опережая отработанный газ 36. В этой точке в пространстве между отработанным газом 36 и скачком 35a уплотнения создается адиабатическое расширение, и, таким образом, давление уменьшается. Таким образом, отработанный газ 36 всасывается скачком 35 уплотнения в горловинную секцию 34 без уменьшения его скорости. Таким образом, благодаря заданию длины горловинной секции 34, имеющей постоянную площадь поперечного сечения канала для потока в соответствии с двигателем внутреннего сгорания, временные интервалы, с которыми скачок 35b уплотнения должен быть ускорен в расширяющейся секции 33, другими словами, временные интервалы, с которыми давление и температура отработанного газа должны быть уменьшены, могут быть установлены в соответствии с двигателем внутреннего сгорания.
Как описано выше, двигатель 1 внутреннего сгорания согласно этому варианту осуществления изобретения может значительно уменьшать температуру и давление отработанного газа в выпускном канале 16 по сравнению с предшествующим уровнем техники.
Согласно этому варианту осуществления изобретения воздух может эффективно подаваться в выпускной канал 16 отрицательным давлением, генерируемым в выпускном канале 16. Отрицательное давление значительно более высокое, а именно давление значительно ниже, чем давление в обычном двигателе внутреннего сгорания, который не включает сужающееся-расширяющееся сопло 31 или патрубок 22. Явление, заключающееся в том, что отрицательное давление генерируется действием сужающегося-расширяющегося сопла 31, продолжается, даже когда частота вращения двигателя 1 внутреннего сгорания увеличивается до более высокого уровня, чем частота вращения при максимальной выходной мощности. Таким образом, в этом варианте осуществления изобретения, даже когда диапазон частоты вращения двигателя 1 внутреннего сгорания является относительно высоким диапазоном, может подаваться достаточное количество воздуха. "Относительно высокий диапазон частоты вращения двигателя 1 внутреннего сгорания" означает диапазон работы с высокой скоростью или диапазон работы с высокой нагрузкой, в котором вышеупомянутый обычный двигатель внутреннего сгорания не может потреблять воздух. Таким образом, в этом варианте осуществления изобретения достаточное количество воздуха может подаваться в выпускной канал 16 без использования отдельного устройства для принудительной подачи воздуха в выпускной канал 16, такого как воздушный насос или подобное средство. Само собой разумеется, поскольку используется отрицательное давление, потеря мощности двигателя внутреннего сгорания может быть небольшой. Даже когда используется насос для подачи воздуха, нагрузка насоса может быть небольшой и, таким образом, потеря мощности двигателя внутреннего сгорания может быть небольшой.
В этом варианте осуществления изобретения температура отработанного газа 36 в выпускном канале 16 может быть уменьшена ближе по потоку относительно первого катализатора 17. Таким образом предотвращается избыточное повышение температуры первого катализатора 17 и второго катализатора 18. В случае когда первый катализатор 17 и второй катализатор 18 являются трехкомпонентными нейтрализаторами, когда температура чрезмерно высока, возникает феномен, называемый "спеканием", который снижает эффективность очистки. Однако в этом варианте осуществления изобретения такое спекание может быть эффективно предотвращено. Поэтому, даже когда двигатель внутреннего сгорания работает с высокой частотой вращения, топливо может сгорать при теоретическом отношении количества воздуха к количеству топлива. Таким образом, отработанный газ 36 может эффективно очищаться первым катализатором 17 и вторым катализатором 18. Другими словами, в этом варианте осуществления изобретения характеристика очистки, которая является одной рабочей характеристикой двигателя 1 внутреннего сгорания, может быть улучшена. В этом варианте осуществления изобретения два катализатора расположены последовательно в середине выпускного канала 16, но настоящее изобретение не ограничено этим. Может применяться только один катализатор, или три, или больше катализаторов. Множество катализаторов может быть расположено параллельно.
Температура воздуха, подаваемого в выпускной канал, примерно равна температуре внешнего воздуха и значительно ниже температуры отработанного газа. Таким образом, в этом варианте осуществления изобретения температура отработанного газа может быть дополнительно уменьшена воздухом, имеющим относительно низкую температуру, который подается в выпускной канал 16 в большом количестве. Также в этом варианте осуществления изобретения большое количество воздуха может подаваться ближе по потоку относительно первого катализатора 17. Таким образом, даже когда количество впрыскиваемого топлива увеличено, чтобы сделать отношение количества воздуха к количеству топлива двигателя 1 внутреннего сгорания меньше, чем теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива, отработанный газ, содержащий количество кислорода, эквивалентное случаю, когда отношение количества воздуха к количеству топлива является теоретическим отношением количества воздуха к количеству топлива, может подаваться к первому катализатору 17. Таким образом, в этом варианте осуществления изобретения температура отработанного газа также может быть уменьшена посредством уменьшения отношения количества воздуха к количеству топлива двигателя 1 внутреннего сгорания по сравнению с теоретическим отношением количества воздуха к количеству топлива и, таким образом, уменьшения температуры сгорания. Кроме того, так как отношение количества воздуха к количеству топлива меньше, чем теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива, можно охлаждать элементы вблизи камеры 10 сгорания (впускной клапан 8, выпускной клапан 9, седло клапана, поршень и т.д.) дополнительным топливом. Таким образом, надежность, которая является одной рабочей характеристикой двигателя 1 внутреннего сгорания, может быть улучшена.
Благодаря значительному уменьшению давления отработанного газа, как в этом варианте осуществления изобретения, насосные потери двигателя 1 внутреннего сгорания могут быть уменьшены. Это происходит по следующей причине. Когда давление отработанного газа в выпускном канале 16 значительно уменьшено, поршень (не показан) двигателя 1 внутреннего сгорания притягивается к выпускному каналу 16, а именно к верхней мертвой точке, и, таким образом, работа, необходимая для движения поршня в ходе такта выпуска, уменьшена. Это будет описано со ссылками на фиг.9.
На фиг.9(A) показан график отношения давления и объема обычного двигателя внутреннего сгорания, а на фиг.9(B) показан график отношения давления и объема двигателя 1 внутреннего сгорания в этом варианте осуществления изобретения. Как показано на фиг.9(B), когда давление отработанного газа значительно уменьшено, поршень притягивается отработанным газом, даже если коленчатый вал (не показан) не приводит поршень. Таким образом, двигатель 1 внутреннего сгорания может выполнять полезную работу в ходе такта выпуска. Область, окруженная пунктиром с одной точкой, представляет полезную работу.
Как показано на фиг.1, в выпускном устройстве 5 согласно этому варианту осуществления изобретения питающая секция 73 канала 71 для подачи вторичного воздуха расположена ближе по потоку относительно входного конца расширяющейся секции 33. Таким образом, система 70 подачи вторичного воздуха никогда не препятствует распространяющемуся скачку 35b уплотнения. Также, как показано на фиг.1, в выпускном устройстве 5 согласно этому варианту осуществления изобретения питающая секция 73 канала 71 для подачи вторичного воздуха расположена дальше по потоку относительно ответвленной секции 21. Таким образом, система 70 подачи вторичного воздуха никогда не препятствует скачку 35 уплотнения.
Давление в выпускном канале 16 уменьшается в большей степени в положении ближе к ближней по потоку секции 7 выпускного канала 16. Таким образом, питающая секция 73 канала 71 для подачи вторичного воздуха может быть расположена в целом в том же местоположении, что и ответвленная секция 21, или ближе по потоку относительно нее. Это может сдерживать ослабление волны 35c разрежения системой 70 подачи вторичного воздуха, и, таким образом, воздух может подаваться более эффективно.
На фиг.10 показан график, полученный моделированием и показывающий зависимость трех параметров. На графике на фиг.10 вертикальная ось представляет величину, полученную делением отношения R количества воздуха к количеству топлива, когда воздух подается от системы 70 подачи вторичного воздуха, на отношение R0 количества воздуха к количеству топлива, когда воздух не подается. Когда количество подаваемого воздуха увеличивается, величина R/R0 увеличивается. Таким образом, вертикальная ось представляет количество подаваемого воздуха. Горизонтальная ось представляет величину, полученную делением давления K в сужающейся секции 32, когда применяют патрубок 22, на давление K0 в сужающейся секции 32, когда ни система 70 подачи вторичного воздуха, ни патрубок 22 не применяются. Когда давление в сужающейся секции 32 увеличено столкновением отработанного газа 36 и скачка 35 уплотнения, K/K0 увеличивается. Таким образом, горизонтальная ось представляет то, как давление в сужающейся секции 32 увеличивается столкновением отработанного газа 36 и скачка 35 уплотнения. Увеличение величины по горизонтальной оси означает, что критическое отношение P/P0 давлений уменьшается, и распространяющийся скачок 35b уплотнения ускоряется в сужающемся-расширяющемся сопле 31. Другой параметр представляет собой отношение площади поперечного сечения для потока входа 21a ответвленной секции 21 к площади поперечного сечения для потока выпускного канала 16, в котором расположена ответвленная секция 21 (в дальнейшем упомянуто просто как "отношение площадей").
Как показано на фиг.10, когда отношение площадей составляет 10-50%, R/R0 и K/K0 находятся в пропорции друг к другу. Однако когда отношение площадей составляет 50% или выше, R/R0 увеличивается, но K/K0 почти совсем не увеличивается. Наоборот, можно видеть, что K/K0 может увеличиваться почти до максимальной величины при отношении площадей 50% или выше.
Как показано на фиг.3, когда критическое отношение P/P0 давлений составляет 0,2-0,8 или когда число Маха составляет 0,5-1,7, критическое отношение давлений и число Маха 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. Область, в которой число Маха быстро увеличивается по сравнению с уменьшением критического отношения давлений, считается соответствующей области, в которой отношение площадей составляет 50% или выше на фиг.10. В частности, предполагается, что скачок уплотнения, имеющий число Маха 1,7 или выше, генерируется в сужающемся-расширяющемся сопле 31 благодаря применению канала 71 подачи вторичного воздуха, имеющего отношение площадей 50% или выше.
Когда отношение площадей составляет 50% или выше, даже когда отношение площадей увеличивается, K/K0 не увеличивается, но R/R0 увеличивается. В частности, можно видеть, что, даже когда отношение площадей составляет 50% или выше, подается большее количество воздуха, когда отношение площадей увеличено. Таким образом, отношение площадей может составить 100%. В частности, площадь поперечного сечения для потока выпускного канала 16, в котором применяют ответвленную секцию 21, может быть равной площади поперечного сечения для потока входа 21a ответвленной секции 21. В альтернативном варианте отношение площадей может быть выше 100%. В частности, площадь поперечного сечения для потока входа 21a ответвленной секции 21 может быть больше, чем площадь поперечного сечения для потока выпускного канала 16, в котором применяют ответвленную секцию 21. Например, вход 21a ответвленной секции 21 может иметь эллиптическую площадь поперечного сечения или подобную, которая больше, чем площадь поперечного сечения выпускного канала 16, в котором расположена ответвленная секция 21.
Вариант 2 осуществления изобретения
Как показано на фиг.11, в Варианте 2 осуществления изобретения патрубок 22 используется как часть трубки для подачи вторичного воздуха. За исключением этого отличия конструкции Вариант 2 осуществления изобретения по существу аналогичен Варианту 1 осуществления изобретения. Соответственно, подробное описание Варианта 2 осуществления изобретения дано подробным описанием фиг.1-10 относительно Варианта 1 осуществления изобретения. Питающий клапан 74 прикреплен к трубке 72 для подачи вторичного воздуха, также действующей как патрубок 22. Питающий клапан 74 действует как закрытый конец патрубка 22, также действующего как трубка 72 для подачи вторичного воздуха. Другими словами, питающий клапан 74, который является частью системы 70 подачи вторичного воздуха, действует как отражающая секция 21b ответвленной секции 21 выпускного устройства 5. В этом варианте осуществления изобретения вход 21a ответвленной секции 21 выпускного устройства 5 действует как питающая секция 73 системы 70 подачи вторичного воздуха. Кроме того, ответвленная секция 21 выпускного устройства 5 действует как часть канала 71 для подачи вторичного воздуха системы 70 подачи вторичного воздуха. В Варианте 2 осуществления изобретения патрубок 22 действует также как трубка 72 для подачи вторичного воздуха. В альтернативном варианте трубка 72 для подачи вторичного воздуха, описанная в Варианте 1 осуществления изобретения, может быть вставлена в промежуточную часть патрубка 22 снаружи.
С выпускным устройством 5 в этом варианте осуществления изобретения, когда выпускное отверстие 9a открыто, питающий клапан 74 закрыт. Таким образом, скачок уплотнения может быть отражен питающим клапаном 74. Когда отрицательное давление генерируется в выпускном канале 16 действием сужающегося-расширяющегося сопла 31, питающий клапан 74 открывается и воздух может подаваться в выпускной канал 16 через ответвленную секцию 21. В этом варианте осуществления изобретения в выпускной канал 16 также может подаваться достаточное количество воздуха.
В этом варианте осуществления изобретения нет необходимости формировать канал, действующий исключительно как ответвленная секция 21. Таким образом, выпускное устройство 5 в этом варианте осуществления изобретения дешевле, чем выпускное устройство 5 с использованием специальной ответвленной секции 21, например выпускное устройство 5 в Варианте 1 осуществления изобретения. Кроме того, степень свободы компоновки может быть улучшена.
Вариант 3 осуществления изобретения
,
Как показано на фиг.12, в Варианте 3 осуществления изобретения патрубок 22 используется как часть сужающегося-расширяющегося сопла. За исключением этого отличия конструкции Вариант 3 осуществления изобретения является аналогичным Варианту 1 осуществления изобретения. Соответственно, подробное описание Варианта 3 осуществления изобретения дано подробным описанием фиг.1-10 относительно Варианта 1 осуществления изобретения. В Вариантах 1 и 2 осуществления изобретения сужающаяся секция 32горловинная секция 34 и расширяющаяся секция 33 сформированы в части выпускного канала 16, которая находится дальше по потоку относительно ответвленной секции 21. Однако в результате продолжения активных исследований авторы придумали конструкцию, обеспечивающую аналогичный эффект с более простой конструкцией. Согласно настоящему изобретению для генерирования распространяющегося скачка 35b уплотнения, который является новым скачком уплотнения, применена ответвленная секция 21 для отражения и распространения скачка 35 уплотнения назад в выпускной канал 16. При рассмотрении этой ответвленной секции 21 с другой точки зрения можно отметить, что выпускной канал 16 имеет площадь поперечного сечения для потока, увеличенную в местоположении ответвленной секции 21 и уменьшенную дальше по потоку относительно этого местоположения. Другими словами, сужающаяся секция 32 и горловинная секция 34 сформированы в выпускном канале ответвленной секцией 21. В случае когда площадь поперечного сечения A5 для потока части выпускного канала 16, которая находится ближе по потоку относительно входа 21a ответвленной секции 21, приблизительно равна площади поперечного сечения A7 для потока части выпускного канала 16, которая находится дальше по потоку относительно входа 21a ответвленной секции 21, существует следующая зависимость. Как показано на фиг.12, сумма площади поперечного сечения A5 для потока части выпускного канала 16, которая находится ближе по потоку относительно входа 21a ответвленной секции 21, и площади поперечного сечения A4 для потока ответвленной секции 21 больше, чем площадь поперечного сечения A7 для потока части выпускного канала 16, которая находится дальше по потоку относительно входа 21a. В частности, A4+A5>A7. Соответственно, можно считать, что сужающаяся секция 32 и горловинная секция 34 сформированы дальше по потоку относительно входа 21a. Таким образом, просто посредством расположения расширяющейся секции 33 дальше по потоку относительно входа 21a по существу может быть сформировано сужающееся-расширяющееся сопло 31. A6 представляет площадь поперечного сечения для потока расширяющейся секции 33, и A7<A6. Часть между входом 21a и расширяющейся секцией 33 является горловинной секцией 34. Горловинная секция 34 может иметь длину вдоль направления потока, как показано здесь. Площадь поперечного сечения для потока сужающейся секции 32 и расширяющейся секции 33 не ограничена плавным изменением в направлении потока и может изменяться ступенчато.
В Вариантах 1, 2 и 3 осуществления изобретения двигатель 1 внутреннего сгорания подает воздух в выпускной канал 16 следующим образом. Топливо воспламеняется в камере 10 сгорания. Выпускной клапан 9 для открытия или закрытия выпускного отверстия 9а камеры 10 сгорания открывается для выпуска отработанного газа 36 в выпускной канал 16 из камеры 10 сгорания. Создается скачок 35 уплотнения, распространяющийся в выпускном канале 16 с более высокой скоростью, чем отработанный газ 36. По меньшей мере, часть скачка 35 уплотнения ответвляется из выпускного канала 16, и ответвленный скачок 35 уплотнения распространяется назад в выпускной канал 16 для столкновения скачка 35 уплотнения с отработанным газом, таким образом увеличивая давление отработанного газа. Площадь поперечного сечения для потока выпускного канала 16 уменьшена для увеличения давления отработанного газа 36. А именно, давление отработанного газа увеличено посредством направления отработанного газа в часть выпускного канала 16, в которой площадь поперечного сечения для потока уменьшается в направлении потока. Кроме того, скорость отработанного газа 36 увеличивается посредством увеличения площади поперечного сечения для потока выпускного канала 16. А именно, скорость отработанного газа увеличивается благодаря направлению отработанного газа в часть выпускного канала 16, в которой площадь поперечного сечения для потока увеличена в направлении потока. Создается новый скачок 35b уплотнения, распространяющийся в направлении потока в выпускном канале 16 для формирования области отрицательного давления в выпускном канале 16. К этой области подается воздух. Таким образом, воздух может подаваться в выпускной канал даже тогда, когда двигатель 1 внутреннего сгорания приводится в действие в состоянии высокой нагрузки или высокой скорости. Само собой разумеется, поскольку используется отрицательное давление, потеря мощности двигателя внутреннего сгорания может быть небольшой.
Со ссылками на фиг.13 и фиг.14 будет подробно описан способ подачи вторичного воздуха. На фиг.13 показана зависимость между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа в выпускном канале 16 во временной последовательности. На фиг.14 показана зависимость между давлением отработанного газа и температурой отработанного газа в выпускном канале 16 во временной последовательности. Формы волны, показанные на фиг.7, представляют зависимость между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа, когда скачок уплотнения ускоряется, как показано на фиг.13(C). На фиг.13(A) и фиг.14(A) показана соответствующая зависимость непосредственно после того, как выпускной канал открыт. На фиг.13(B) и фиг.14(B) показана соответствующая зависимость непосредственно после того, как отработанный газ и скачок уплотнения сталкиваются друг с другом дальше по потоку относительно ответвленной секции 21. На фиг.13(C) и фиг.14(C) показана соответствующая зависимость, когда скачок уплотнения ускоряется в расширяющейся секции 33. На фиг.13(D) и фиг.14(D) показана соответствующая зависимость после того, как скачок уплотнения ускорен.
1) Топливо воспламеняется в камере сгорания. При открытии выпускного отверстия 9а в камере сгорания отработанный газ 36 проходит в выпускной канал 16 из камеры 10 сгорания и также создается скачок 35 уплотнения, распространяющийся в выпускном канале 16 с более высокой скоростью, чем отработанный газ. На фиг.13(A) показаны скорость отработанного газа и давление отработанного газа непосредственно после того, как выпускной канал 9a открыт. Как показано на фиг.13(A), когда выпускной канал 9a открыт, давление отработанного газа вблизи выпускного отверстия 9а становится более высоким, чем атмосферное давление. На фиг.14(A) показаны давление отработанного газа и температура отработанного газа непосредственно после того, как выпускной канал 9a был открыт. Как показано на фиг.14(A), температура отработанного газа становится очень высокой за счет получения тепла сгорания.
2) Ответвленная секция 21 ответвляет, по меньшей мере, часть скачка 35 уплотнения, распространяющегося в выпускном канале 16, от выпускного канала 16. Отражающая секция 21b ответвленной секции 21 отражает ответвленный скачок 35 уплотнения. Отраженный скачок 35 уплотнения распространяется в ответвленную секцию 21 и снова обратно в выпускной канал 16. Отраженный скачок 35 уплотнения сталкивается с отработанным газом 36, проходящим в выпускном канале 16, что увеличивает давление отработанного газа. Площадь поперечного сечения для потока выпускного канала 16 уменьшена в сужающейся секции 32, что увеличивает давление отработанного газа. Может происходить первым или увеличение давления отработанного газа, вызванное столкновением скачка 35 уплотнения и отработанного газа 36, или увеличение давления отработанного газа, вызванное уменьшением площади поперечного сечения для потока. В частности, столкновение скачка 35 уплотнения и отработанного газа 36 может происходить перед тем или после того, как давление отработанного газа увеличено в сужающейся секции 32. На фиг.13(B) показаны скорость отработанного газа и давление отработанного газа непосредственно после того, как давление отработанного газа увеличено. Как показано на фиг.13(B), вблизи сужающейся секции 32 давление отработанного газа более высокое, чем в этот момент на фиг.13(A). Ближе по потоку относительно сужающейся секции 32 скорость отработанного газа более высокая, чем в этот момент на фиг.13(A). На фиг.14(B) показаны давление отработанного газа и температура отработанного газа непосредственно после того, как давление отработанного газа увеличено. Как показано на фиг.14(B), температура отработанного газа ниже вблизи выпускного отверстия 9а, но выше ближе по потоку относительно сужающейся секции 32, чем в момент времени на фиг.14(A).
3) Когда площадь поперечного сечения для потока выпускного канала 16 увеличена в расширяющейся секции 33 для увеличения скорости отработанного газа, создается новый скачок 35b уплотнения, распространяющийся в направлении потока в выпускном канале 16. Когда создается скачок 35b уплотнения, создается волна 35с разрежения, одновременно распространяющаяся в направлении против потока. Новый скачок 35b уплотнения ускоряется в расширяющейся секции 33. Таким образом, текучая среда, находящаяся в пространстве между скачком 35b уплотнения, распространяющимся в направлении потока в выпускном канале 16, и волной 35с разрежения, распространяющейся против потока в выпускном канале 16, быстро расширяется. Это может уменьшать давление отработанного газа, проходящего в выпускном канале 16. Таким образом, в выпускном канале 16 может генерироваться область отрицательного давления. В этой точке температура отработанного газа может быть уменьшена ближе по потоку относительно скачка 35b уплотнения эффектом адиабатического охлаждения, вызванным адиабатическим расширением. На фиг.13(C) показаны скорость отработанного газа и давление отработанного газа, когда скачок 35b уплотнения ускоряется в расширяющейся секции 33. Как показано на фиг.13(C), давление отработанного газа быстро уменьшается относительно давления, показанного на фиг.13(B), ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33, становясь отрицательным давлением. Одновременно с этим быстро увеличивается скорость отработанного газа ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33. На фиг.14(C) показаны давление отработанного газа и температура отработанного газа, когда скачок 35b уплотнения ускоряется в расширяющейся секции 33. Как показано на фиг.14(C), одновременно с уменьшением давления отработанного газа ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33 температура отработанного газа быстро уменьшается относительно температуры, показанной на фиг.14(B).
На фиг.13(D) показаны скорость отработанного газа и давление отработанного газа после того, как скачок 35b уплотнения ускорен. Как показано на фиг.13(D), влияние давления отработанного газа, которое уменьшено ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33 в момент, показанный на фиг.13(C), воздействует даже на выпускное отверстие 9a ближе по потоку относительно сужающейся секции 32. Таким образом, давление отработанного газа становится отрицательным давлением также вблизи выпускного отверстия 9a. На фиг.14(D) показаны давление отработанного газа и температура отработанного газа после того, как скачок 35b уплотнения ускорен. Как показано на фиг.14(D), так как давление отработанного газа становится отрицательным давлением также вблизи выпускного отверстия 9a, температура отработанного газа также может быть значительно уменьшена вблизи выпускного отверстия.
Как показано на фиг.14, температура отработанного газа дальше по потоку относительно расширяющейся секции 33 значительно не изменяется. Другими словами, поскольку отработанный газ высокой температуры вблизи выпускного отверстия 9а, показанный на фиг.14(A), охлажден эффектом адиабатического охлаждения в расширяющейся секции 33, может предотвращаться изменение температуры отработанного газа дальше по потоку относительно расширяющейся секции 33.
В примере, показанном на фиг.13 и фиг.14, первый катализатор 17 и второй катализатор 18 расположены дальше по потоку относительно расширяющейся секции 33. Так как изменение температуры отработанного газа дальше по потоку относительно расширяющейся секции 33 может предотвращаться, как описано выше, можно предотвращать чрезмерное повышение температуры отработанного газа, проходящего первый катализатор 17 и второй катализатор. Это может предотвращать спекание катализаторов, даже когда двигатель 1 внутреннего сгорания работает в диапазоне высоких нагрузок и частот вращения.
Когда подключена трубка 72 подачи вторичного воздуха для подачи воздуха в область, в которой создается отрицательное давление, в выпускной канал 16 может подаваться вторичный воздух. В частности, как показано на фиг.13(C) и фиг.13(D), после того как скачок 35b уплотнения ускорен, ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33 создается область отрицательного давления. Таким образом, благодаря применению питающей секции 73 канала 71 для подачи вторичного воздуха ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33 в выпускной канал 16 может подаваться большое количество воздуха.
Другие варианты осуществления изобретения
На фиг.15 показано морское судно, имеющее установленный на нем двигатель внутреннего сгорания, соответствующий настоящему изобретению. В частности, на фиг.15 показано морское судно 100, имеющее установленные на нем два забортных двигателя 101, каждый из которых представляет собой двигатель 1 внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению. На фиг.16 показано транспортное средство, имеющее установленный на нем двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению. В частности, на фиг.16 показан мотоцикл 200, имеющий двигатель 1 внутреннего сгорания, расположенный в центре его корпуса. Не существует какого-либо ограничения применения двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.
На фиг.17 показан многоцилиндровый двигатель, в котором выпускные отверстия 9a множества камер 10 сгорания соединены друг с другом выпускным каналом 16 и сужающееся-расширяющееся сопло 31 расположено дальше по потоку относительно точки слияния. В этом варианте осуществления изобретения часть выпускного канала, соединенная с одним из отверстий 9а, действует как ответвленная секция 21. Подробное описание фиг.17 аналогично описанию в отношении фиг.4. Таким образом, легко понять, что настоящее изобретение применимо для многоцилиндрового двигателя, как показано на фиг.17.
В описанных выше вариантах осуществления изобретения одно выпускное отверстие применяется для одной камеры сгорания. В альтернативном варианте множество выпускных отверстий может применяться для одной камеры сгорания. В описанных выше вариантах осуществления изобретения одно сужающееся-расширяющееся сопло применяется для одной камеры сгорания. В альтернативном варианте два или более сопел могут применяться для одной камеры сгорания. Само собой разумеется, такие конструкции применимы для многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, имеющего множество камер сгорания. Настоящее изобретение применимо к любому из различных типов двигателей внутреннего сгорания.
В описанных выше вариантах осуществления изобретения одна ответвленная секция применяется для одного выпускного канала. В альтернативном варианте множество ответвленных секций может применяться для одного выпускного канала. В другом альтернативном варианте концы множества ответвленных секций, ответвленных от одного общего местоположения выпускного канала 16, могут быть соединены друг с другом для формирования ответвленной секции, имеющей циклический канал. В этом случае скачки уплотнения, которые распространяются в соответствующих ответвленных секциях, сталкиваются друг с другом и отражаются в соединительной части. Соединительная часть действует как отражающая секция. Отражающая секция может применяться даже без такого элемента, как стенка.
На фиг.18 показана модификация одного из вышеупомянутых вариантов осуществления изобретения и вид в сечении его выпускного канала и т.п. В Варианте 1 осуществления изобретения, как показано на фиг.18, трубка 72 для подачи вторичного воздуха, а именно питающая секция 73 канала 71 для подачи вторичного воздуха, расположена дальше по потоку относительно ответвленной секции 21. В альтернативном варианте, в модификации, трубка 72 для подачи вторичного воздуха, а именно питающая секция 73 канала 71 для подачи вторичного воздуха, может быть расположена ближе по потоку относительно ответвленной секции 21 (см. ссылочную позицию 72b) или в том же положении, как и ответвленная секция 21 (см. ссылочную позицию 72a).
В Варианте 2 осуществления изобретения воздух подается к ответвленной секции 21. Таким образом, канал, действующий исключительно как ответвленная секция 21, не сформирован. Таким образом, по сравнению с Вариантом 1 осуществления изобретения и Вариантом 3 осуществления изобретения, в которых используется отдельно назначенная ответвленная секция 21, затраты снижаются и степень свободы компоновки может быть увеличена.
Согласно настоящему изобретению площадь поперечного сечения для потока входа 21a ответвленной секции 21 задана равной или большей, чем 50% площади поперечного сечения для потока выпускного канала 16, в котором расположена ответвленная секция 21. В результате давление в сужающейся секции 32 может быть увеличено столкновением отработанного газа 36 и скачка 35 уплотнения, таким образом увеличивая K/K0. Благодаря увеличению K/K0 критическое отношение P/P0 давлений может быть уменьшено для дальнейшего ускорения распространяющегося скачка 35b уплотнения в расширяющейся секции 33.
Согласно настоящему изобретению площадь поперечного сечения для потока части канала 71 для подачи вторичного воздуха, которая находится ближе по потоку относительно питающей секции 73, задана равной или большей, чем площадь поперечного сечения для потока питающей секции 73. Таким образом, воздушный поток не перекрывается питающим клапаном 74 или подобным средством, и, таким образом, необходимое и достаточное количество воздуха может подаваться в выпускной канал 16.
Согласно настоящему изобретению было обнаружено, что отрицательное давление более высокое в местоположении ближе к выпускному отверстию 9a. Благодаря выполнению питающей секции 73 таким образом, что воздух подается ближе по потоку относительно ответвленной секции 21 в направлении потока в выпускном канале 16, воздух может подаваться более эффективно.
Согласно настоящему изобретению питающая секция 73 подает воздух в местоположение ответвленной секции 21 в направлении потока в выпускном канале 16. Таким образом, канал 71 для подачи вторичного воздуха используется как дополнительная ответвленная секция. Он может увеличивать отрицательное давление и, таким образом, может обеспечивать подачу воздуха еще более эффективно.
Согласно настоящему изобретению питающая секция 73 подает воздух дальше по потоку относительно ответвленной секции 21 в направлении потока в выпускном канале 16. Таким образом, температура в находящейся дальше по потоку части выпускного канала 16 может быть эффективно уменьшена.
Описание ссылочных позиций
1 - Двигатель внутреннего сгорания.
5 - Выпускное устройство.
9 - Выпускной клапан.
9a - Выпускное отверстие.
10 - Камера сгорания.
16 - Выпускной канал.
21 - Ответвленная секция.
21a - Вход.
21b - Отражающая секция.
31 - Сужающееся-расширяющееся сопло.
32 - Сужающаяся секция.
33 - Расширяющаяся секция.
34 - Горловинная секция.
35 - Скачок уплотнения.
35b - Распространяющийся скачок уплотнения.
35c - Волна разрежения.
36 - Отработанный газ.
71 - Канал для подачи вторичного воздуха.