МНОГОЦИЛИНДРОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО, МОРСКОЕ СУДНО И СПОСОБ ВЫПУСКА ДЛЯ МНОГОЦИЛИНДРОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
MULTI-CYLINDER INTERNAL COMBUSTION ENGINE, TRANSPORT VEHICLE, SEA VESSEL AND DISCHARGE METHOD FOR MULTI-CYLINDER INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к многоцилиндровому двигателю внутреннего сгорания, транспортному средству, морскому судну и способу выпуска для многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания.
Уровень техники
Обычно для увеличения рабочих характеристик двигателей внутреннего сгорания усовершенствуют выпускные устройства двигателей внутреннего сгорания. Например, как описано в патентном документе 1, был предложен двигатель внутреннего сгорания, включающий сужающееся-расширяющееся сопло (обычно называемое "соплом Лаваля") для увеличения эффективности продувки. 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 давления Р0 в сужающейся секции и давления Р в расширяющейся секции (то есть Р/Р0) меньше, чем критическое отношение давлений (для воздуха приблизительно 0,528), скорость текучей среды превышает скорость звука в расширяющейся секции. Целью изобретения в патентном документе 1 является улучшение эффективности продувки с использованием этой функции сопла. В частности, как показано на фиг.1 патентного документа 1, шесть выпускных каналов рядного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания сходятся в выпускной коллектор. Кроме того, его выпускной канал образован так, что он имеет длину, которая увеличивает эффективность продувки, а в выпускном канале выхлопного коллектора расположено сопло. В патентном документе 1 описано, что поток отработанного газа, который прошел сопло и, таким образом, его скорость увеличена, захватывает отработанный газ, остающийся в выпускном коллекторе, и, таким образом, эффективность продувки может быть улучшена.
Патентный документ 1: Японская публикация полезной модели №1-76520.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Проблемы, решаемые изобретением
Авторы изучили двигатели внутреннего сгорания с использованием функции сужающегося-расширяющегося сопла, как описано в патентном документе 1. Изучая двигатели внутреннего сгорания, авторы обнаружили, что когда скорость отработанного газа увеличена до звуковой скорости, генерируя скачок уплотнения, давление в области ближе по потоку относительно скачка уплотнения уменьшено. Авторы решили усилить рабочие характеристики двигателя внутреннего сгорания посредством генерирования отрицательного давления в выпускном канале, используя такое уменьшение давления в области ближе по потоку относительно скачка уплотнения. Однако в результате активного изучения патентного документа 1 авторы обнаружили, что даже если скорость отработанного газа становится высокой вследствие действия сужающегося-расширяющегося сопла, отрицательное давление не может генерироваться в части выхлопного коллектора, которая находится ближе по потоку относительно сопла, по следующим причинам. Двигатель внутреннего сгорания, описанный в патентном документе 1, является двигателем внутреннего сгорания с шестью цилиндрами и создает зажигание через каждые 120 градусов поворота кривошипа. Таким образом, скачок уплотнения создается в выпускном канале с интервалом 120 градусов. Обычно угол, под которым открыт выпускной канал двигателя внутреннего сгорания (кинематический угол), составляет приблизительно 240 градусов. В двигателе внутреннего сгорания, описанном в патентном документе 1, окна цилиндров соединены с одним сужающимся-расширяющимся соплом в положении ближе него по потоку. Таким образом, когда выпускной канал одного цилиндра открыт, выпускной канал, по меньшей мере, одного из остающихся цилиндров открыт. Перед тем как выпускной канал одного цилиндра закрывается, выпускной канал цилиндра, в котором должно возникать следующее зажигание, открывается, и создается следующий скачок уплотнения. Таким образом, внутренняя часть выпускного коллектора всегда находится в состоянии положительного давления. Даже если отношение давления Р0 в сужающейся секции и давления Р в расширяющейся секции (то есть Р/Р0) уменьшено до уровня ниже, чем критическое отношение давлений, и скорость отработанного газа превышает скорость звука в расширяющейся секции, внутренняя часть выпускного коллектора всегда остается в состоянии положительного давления. В результате невозможно ожидать полного улучшения рабочих характеристик двигателя внутреннего сгорания.
Целью настоящего изобретения, созданного в свете таких обстоятельств, является создание нового многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, содержащего выпускные отверстия множества цилиндров, соединенные друг с другом, который обеспечивает улучшенные рабочие характеристики благодаря применению принципа сужающегося-расширяющегося сопла.
Способ решения проблем
Согласно первому варианту предложен многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания, содержащий: множество камер сгорания, каждая из которых имеет, по меньшей мере, одно выпускное отверстие; множество выпускных клапанов, каждый из которых выполнен с возможностью открытия или закрытия выпускного отверстия; и выпускной канал для направления отработанного газа, выпущенного из каждой из камер сгорания через выпускное отверстие; при этом выпускной канал 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 выпускную соединительную секцию, расположенную ближе по потоку относительно расширяющейся секции, для соединения множества камер сгорания, периоды открытия выпускных отверстии которых не перекрываются, и не соединения множества камер сгорания, периоды открытия выпускных отверстий которых перекрываются; причем скачок уплотнения, распространяющийся в выпускной соединительной секции с более высокой скоростью, чем отработанный газ, проходящий в выпускную соединительную секцию, когда одно из множества выпускных отверстий, соединенных выпускной соединительной секцией, открыто, отражается выпускным клапаном, закрывающим другое из множества выпускных отверстий; отработанный газ, проходящий в выпускной канал из камеры сгорания, проходит сужающуюся секцию и сталкивается с отраженным скачком уплотнения между входным концом выпускной соединительной секции и расширяющейся секцией, таким образом, увеличивая давление отработанного газа в сужающейся секции; и отработанный газ проходит расширяющуюся секцию, генерируя новый скачок уплотнения и, таким образом, генерируя отрицательное давление в части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, созданное новым скачком уплотнения.
Согласно второму варианту предложен многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания, содержащий: первую камеру сгорания, имеющую первое выпускное отверстие; вторую камеру сгорания, имеющую второе выпускное отверстие; первый выпускной клапан для открытия или закрытия первого выпускного отверстия; второй выпускной клапан для открытия или закрытия второго выпускного отверстия; и выпускной канал для направления отработанного газа, выпущенного из каждой из камер сгорания, через соответствующее выпускное отверстие; при этом период, в котором первое выпускное отверстие открыто, и период, в котором открыто второе выпускное отверстие, не перекрываются; причем выпускной канал 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 соединительную секцию, расположенную ближе по потоку относительно расширяющейся секции, для соединения первой ближней по потоку соединительной секции для направления отработанного газа, выпущенного из первого выпускного отверстия, и второй ближней по потоку соединительной секции для направления отработанного газа, выпущенного из второго выпускного отверстия; при этом скорость отработанного газа, проходящего в выпускной канал, когда каждое из выпускных отверстий открыто, составляет Ve, скорость распространения скачка уплотнения, распространяющегося в выпускном канале, составляет Vs, а расстояние Le1 между первым выпускным отверстием и соединительной секцией и расстояние Le2 между вторым выпускным отверстием и соединительной секцией удовлетворяет отношениям:
Le1/Ve≤(Le1+2Le2)/Vs и
Le2/Ve≤(Le2+2Le1)/Vs; и
причем время от момента, когда каждое из выпускных отверстий открыто, до момента, когда каждое из выпускных отверстий закрыто, составляет tv, а расстояние Ld между соединительной секцией и входным концом расширяющейся секции удовлетворяет отношениям:
(Le1+2Le2+Ld)/Vs≤tv+(Le1+Ld)/Ve и
(Le2+2Le1+Ld)/Vs≤tv+(Le2+Ld)/Ve.
Двигатель предпочтительно дополнительно содержит третью камеру сгорания, имеющую третье выпускное отверстие; и третий выпускной клапан для открытия или закрытия третьего выпускного отверстия; при этом третья находящаяся ближе по потоку соединительная секция для направления отработанного газа, выпущенного из третьего выпускного отверстия, соединена с соединительной секцией; период, в который третье выпускное отверстие открыто, не перекрывает период, в который открыто первое выпускное отверстие, или период, в который открыто второе выпускное отверстие; а расстояние Le3 между третьим выпускным отверстием и соединительной секцией удовлетворяет отношениям:
Le1/Ve≤(Le1+2Le3)/Vs,
Le2/Ve≤(Le2+2Le3)/Vs,
Le3/Ve≤(Le3+2Le1)/Vs,
Le3/Ve≤(Le3+2Le2)/Vs,
(Le1+2Le3+Ld)/Vs≤tv+(Le1+Ld)/Ve,
(Le2+2Le3+Ld)/Vs≤tv+(Le2+Ld)/Ve,
(Le3+2Le1+Ld)/Vs≤tv+(Le3+Ld)/Ve и
(Le3+2Le2+Ld)/Vs≤tv+(Le3+Ld)/Ve.
Согласно еще одному варианту предложен способ выпуска для многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, включающий 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; отражают, по меньшей мере, часть скачка уплотнения выпускным клапаном, закрывающим выпускное отверстие, и обеспечивают столкновение отраженного скачка уплотнения с отработанным газом, таким образом, увеличивая давление отработанного газа; направляют отработанный газ в часть выпускного канала, имеющую меньшую площадь поперечного сечения для потока в находящейся дальше по потоку ее секции, чем в находящейся ближе по потоку ее 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 ее секции, чем в находящейся ближе по потоку ее секции, таким образом, генерируя новый скачок уплотнения, распространяющийся в направлении потока в выпускном канале, для генерирования области отрицательного давления в выпускном канале.
Двигатель предпочтительно содержит четыре камеры сгорания и две выпускные соединительные секции; при этом каждая выпускная соединительная секция соединяет выпускные отверстия, образованные в двух камерах сгорания.
Двигатель предпочтительно содержит шесть камер сгорания и две выпускные соединительные секции; при этом каждая выпускная соединительная секция соединяет выпускные отверстия, образованные в трех камерах сгорания.
Двигатель предпочтительно содержит шесть камер сгорания и три выпускные соединительные секции; при этом каждая выпускная соединительная секция соединяет выпускные отверстия, образованные в двух камерах сгорания.
Двигатель предпочтительно содержит две камеры сгорания и одну выпускную соединительную секцию; при этом каждая выпускная соединительная секция соединяет выпускные отверстия, образованные в двух камерах сгорания.
Двигатель предпочтительно содержит три камеры сгорания и одну выпускную соединительную секцию; при этом каждая выпускная соединительная секция соединяет выпускные отверстия, образованные в трех камерах сгорания.
Двигатель предпочтительно содержит восемь камер сгорания и четыре выпускные соединительные секции; при этом каждая выпускная соединительная секция соединяет выпускные отверстия, образованные в двух камерах сгорания.
Согласно еще одному варианту предложено транспортное средство, содержащее двигатель внутреннего сгорания согласно первому варианту изобретения.
Согласно еще одному варианту предложено морское судно, содержащее двигатель внутреннего сгорания согласно первому варианту изобретения.
Эффект изобретения
Согласно настоящему изобретению выпускная соединительная секция расположена ближе по потоку относительно расширяющейся секции, которая соединяет выпускные отверстия множества камер сгорания, периоды открытия которых не перекрываются, не соединяя множество камер сгорания, периоды открытия выпускных отверстий которых перекрываются. В результате этой конструкции положительное давление и отрицательное давление поочередно генерируются в части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции. Скачок уплотнения, распространяющийся в соединительной секции с более высокой скоростью, чем отработанный газ, проходящий в соединительную секцию, когда одно из множества выпускных отверстий, соединенных соединительной секцией, открыто, отражается выпускным клапаном, закрывающим выпускное отверстие, и отраженный скачок уплотнения сталкивается с отработанным газом ближе по потоку относительно расширяющейся секции. Таким образом, давление отработанного газа увеличивается. Так как отработанный газ проходит через сужающуюся секцию, давление отработанного газа увеличивается. Так как такой отработанный газ проходит расширяющуюся секцию, генерируется новый скачок уплотнения, распространяющийся в направлении потока. Таким образом, положительное давление и отрицательное давление поочередно генерируются в части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, и давление в части ближе по потоку относительно нового скачка уплотнения уменьшается. В результате большое отрицательное давление генерируется в части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, и, таким образом, рабочие характеристики двигателя внутреннего сгорания могут быть улучшены.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид морского судна, имеющего установленный на нем двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.
Фиг.2 - увеличенный вид сверху части двигателя внутреннего сгорания как забортного двигателя.
Фиг.3 - вид сбоку многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания согласно Варианту 1 осуществления изобретения.
Фиг.4 - увеличенный вид сбоку части двигателя внутреннего сгорания как забортного двигателя.
Фиг.5 - схематичный вид сужающегося-расширяющегося сопла.
Фиг.6 - зависимость между отношением давлений и числом Маха в сужающемся-расширяющемся сопле.
Фиг.7 - схематичные виды выпускного устройства, показывающие продвижение скачка уплотнения и отработанного газа; (А) - исходное состояние такта выпуска, (В) - состояние, когда скачок уплотнения распространяется в ответвленный канал, и (С) - состояние, когда скачок уплотнения, отраженный ответвленным каналом, сталкивается с отработанным газом.
Фиг.8 - схематичный вид, полученный на основе фотографии внутренней части сужающегося-расширяющегося сопла, сделанной методом Теплера.
Фиг.9 - схематичный вид выпускного канала и т.п., показывающий путь в выпускном канале, которым распространяется скачок уплотнения, и путь в выпускном канале, которым распространяется отработанный газ.
Фиг.10 - график, показывающий зависимость между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа в заданных местоположениях в первом выпускном канале.
Фиг.11 - график, показывающий зависимость между скоростью отработанного газа и температурой отработанного газа в заданных местоположениях в первом выпускном канале.
Фиг.12 - соответствие между выпускным каналом 16 на фиг.10 и фиг.11 и выпускным каналом 16 в Варианте 1 осуществления изобретения.
Фиг.13 - графики зависимости давления и объема, представляющие насосные потери; (А) - график зависимости давления и объема обычного двигателя внутреннего сгорания, и (В) - график зависимости давления и объема двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.
Фиг.14 - вид сбоку выпускного канала, с которым соединена труба для подачи вторичного воздуха, показывающий выпускной канал и трубу для подачи вторичного воздуха с частичным сечением.
Фиг.15 - вид сверху выпускного канала, с которым соединена труба для подачи вторичного воздуха, показывающий трубу для подачи вторичного воздуха, питающие клапаны и соединительные трубы с частичным сечением.
Фиг.16 - схематичный вид, показывающий конструкцию двигателя внутреннего сгорания согласно Варианту 3 осуществления изобретения.
Фиг.17 - зависимость между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа в выпускном канале во временной последовательности.
Фиг.18 - зависимость между давлением отработанного газа и температурой отработанного газа в выпускном канале во временной последовательности.
Фиг.19 - мотоцикл, имеющий установленный на нем двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.
фиг.20 - схематичные виды выпускного устройства согласно другим вариантам осуществления изобретения.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
В результате активных исследований авторы пришли к идее, что большое отрицательное давление может генерироваться в выпускном канале посредством применения принципа сужающегося-расширяющегося сопла и с использованием следующего способа, не известного из предшествующего уровня техники. Авторы обнаружили, что эта идея может улучшить рабочие характеристики многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания.
Способ заключается в следующем. (1) Скачок уплотнения, предшествующий отработанному газу, выпущенному из выпускного отверстия в выпускной канал, ответвляется; (2) ответвленный скачок уплотнения отражается выпускным клапаном, закрывающим выпускное отверстие, которое не является выпускным отверстием, из которого был выпущен отработанный газ; (3) отраженный скачок уплотнения сталкивается с отработанным газом, увеличивая давление отработанного газа; (4) отработанный газ, имеющий увеличенное давление, проходит расширяющуюся секцию, ускоряясь до сверхзвуковой скорости, таким образом, генерируя скачок уплотнения; и (5) в части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, генерируется отрицательное давление.
Вариант 1 осуществления изобретения
Далее двигатель внутреннего сгорания согласно варианту осуществления настоящего изобретения будет описан подробно со ссылками на чертежи. Двигатель внутреннего сгорания согласно этому варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.1, является рядным четырехтактным двигателем внутреннего сгорания с четырьмя цилиндрами в качестве забортного двигателя 101, установленного на морское судно 100.
На чертеже стрелка F представляет направление вперед относительно забортного двигателя 101. В следующем описании, когда морское судно, имеющее установленный на нем забортный двигатель 101, движется, а именно когда корпус морского судна движется вперед, направление движения упоминается как "направление вперед относительно забортного двигателя 101". Направление под углом 180 градусов к нему, то есть противоположное направление, упоминается как "направление назад". Когда корпус морского судна движется вперед, левая сторона относительно направления движения упоминается как "левая сторона относительно забортного двигателя" или просто как "левая сторона", и правая сторона относительно направления движения упоминается как "правая сторона относительно забортного двигателя" или просто как "правая сторона". Когда корпус морского судна движется вперед, поперечное направление забортного двигателя 101 упоминается как "направление по ширине забортного двигателя 101". Термины "ближе по потоку" и "дальше по потоку" соответственно относятся к положению ближе по потоку и дальше по потоку относительно направления, в котором проходит отработанный газ.
Как показано на фиг.2, двигатель 1 внутреннего сгорания включает картер 42 и корпус 3 цилиндра для удерживания с возможностью вращения коленчатого вала 41, головку 4 цилиндра, прикрепленную к корпусу 3 цилиндра, крышку 44 головки цилиндра, прикрепленную к головке 4 цилиндра, и т.п. Двигатель 1 внутреннего сгорания установлен в положении, в котором картер 42 расположен впереди относительно головки 4 цилиндра; другими словами, в положении, в котором картер 42 ближе к корпусу, чем головка 4 цилиндра. Эти элементы расположены в продольном направлении забортного двигателя 101 от переднего к заднему положениям в порядке: картер 42, корпус 3 цилиндра, головка 4 цилиндра и крышка 44 головки цилиндра. В корпусе 3 цилиндра и головке 4 цилиндра сформированы камеры 10 сгорания.
В корпусе 3 цилиндра расположены четыре цилиндра 48 в направлении сверху вниз. Головка 4 цилиндра имеет сформированную в ней находящуюся дальше по потоку секцию 6 впускного канала и ближнюю по потоку секцию 7 выпускного канала каждого цилиндра. Головка 4 цилиндра содержит впускной клапан 8 для открытия или закрытия впускного отверстия 8а и выпускной клапан 9 для открытия или закрытия выпускного отверстия 9а. Головка 4 цилиндра также содержит устройство 53 привода клапанов для приведения в действие впускного клапана 8 и выпускного клапана 9 и инжектор 2. Инжектор 2 используется в каждом цилиндре и впрыскивает топливо внутрь находящейся дальше по потоку секции 6 впускного канала. Входной конец находящейся дальше по потоку секции 6 впускного канала, сформированного в головке 4 цилиндра, открыт в поверхности правой стороны головки 4 цилиндра.
Находящийся дальше по потоку конец ближней по потоку секции 7 выпускного канала открыт в поверхности левой стороны головки 4 цилиндра.
Отверстие ближней по потоку секции 7 выпускного канала действует как выпускное отверстие 38 для отработанного газа. Это отверстие является выходным концом ближней по потоку секции 7 выпускного канала, который открыт в поверхности левой стороны головки 4 цилиндра. Выпускное отверстие 38 для отработанного газа открыто в поверхности левой стороны головки 4 цилиндра. Другими словами, выпускное отверстие 38 для отработанного газа открыто в направлении, противоположном находящейся дальше по потоку секции 6 впускного канала в направлении по ширине забортного двигателя 101.
Как показано на фиг.3 и фиг.4, выпускное устройство 172 согласно этому варианту осуществления изобретения содержит ближнюю по потоку секцию 7 выпускного канала, первый выпускной канал 173, второй выпускной канал 174, третий выпускной канал 175, камеру 176 для отработанного газа, главный выпускной канал 177, первый катализатор 17 и второй катализатор 18. Главный выпускной канал 177 сформирован так, что он проходит вниз от нижнего конца камеры 176 для отработанного газа. Главный выпускной канал 177 открыт в воду в центральной части гребного винта 106.
Первый катализатор 17 и второй катализатор 18 являются трехкомпонентными нейтрализаторами. Первый катализатор 17 расположен в соединительной части первого выпускного канала 173 и второго выпускного канала 174. Второй катализатор 18 расположен в соединительной части второго выпускного канала 174 и третьего выпускного канала 175.
Входной конец первого выпускного канала 173 соединен с выпускным отверстием 38 для отработанного газа. Второй выпускной канала 174 соединен с находящимся дальше по потоку концом первого выпускного канала 173. Третий выпускной канал 175 соединен с находящимся дальше по потоку концом второго выпускного канала 174. Камера 176 для отработанного газа соединена с находящимся дальше по потоку концом третьего выпускного канала 175.
Отработанный газ, выпускаемый из каждого из цилиндров двигателя 1 внутреннего сгорания, проходит в камеру 176 для отработанного газа через первый выпускной канал 173, второй выпускной канал 174 и третий выпускной канал 175. Отработанный газ из каждого цилиндра двигателя 1 внутреннего сгорания, который проходит в камеру 176 для отработанного газа, сливается в камере 176 для отработанного газа и выпускается во входной конец главного выпускного канала 177. Отработанный газ, поступивший в главный выпускной канал 177, выпускается в воду из центральной части гребного винта 106. В этом варианте осуществления изобретения выпускной канал 16 образован пространством, обеспеченным в первом выпускном канале 173, втором выпускном канале 174, третьем выпускном канале 175, камере 176 для отработанного газа и главном выпускном канале 177.
Как показано на фиг.4, в двигателе 1 внутреннего сгорания линия коленчатого вала 41 ориентирована в вертикальном направлении. Двигатель 1 внутреннего сгорания установлен в качестве забортного двигателя в положении, в котором цилиндры №1-№4 расположены позади относительно коленчатого вала 41 (расположены на противоположной стороне от корпуса относительно коленчатого вала 41). В этом варианте осуществления изобретения из четырех цилиндров двигателя 1 внутреннего сгорания цилиндр, расположенный в самом верхнем положении, упоминается "как цилиндр №1", а цилиндры, расположенные ниже цилиндра №1, последовательно упоминаются "как цилиндр №2", "цилиндр №3" и "цилиндр №4". Порядок зажигания для двигателя 1 внутреннего сгорания задан в порядке: цилиндр №1 - цилиндр №3 - цилиндр №4 - цилиндр №2. Цилиндр №1 и цилиндр №4 разнесены по моменту зажигания на 360 градусов поворота кривошипа, и период, когда выпускное отверстие 9а цилиндра №1 открыто, не перекрывает период, когда открыто выпускное отверстие 9а цилиндра №4. Цилиндр №2 и цилиндр №3 разнесены по моменту зажигания на 360 градусов поворота кривошипа и на период, в котором выпускное отверстие 9а цилиндра №2 не перекрывает период, в котором открыто выпускное отверстие 9а цилиндра №3.
Из двух выпускных каналов, каждый из которых образована из двух первых выпускных каналов 173, скомбинированных друг с другом, один выпускной канал образован ближней по потоку секцией 173а для цилиндра №1, ближней по потоку секцией 173d для цилиндра №4, первой соединительной секцией 173е, первой находящейся дальше по потоку секцией 173g и второй дальней по потоку секцией 173h. Первая соединительная секция 173е соединяет находящийся дальше по потоку конец ближней по потоку секции 173а для цилиндра №1 и находящийся дальше по потоку конец ближней по потоку секции 173d для цилиндра №4 друг с другом. Первая находящаяся дальше по потоку секция 173g и вторая находящаяся дальше по потоку секция 173h соединены с первой соединительной секцией 173е и ответвляются от первой соединительной секции 173е, проходя вниз. Из двух выпускных каналов, каждый из которых образован из двух первых выпускных каналов 173, скомбинированных друг с другом, другой выпускной канал образован из ближней по потоку секции 173b для цилиндра №2, ближней по потоку секции 173с для цилиндра №3, второй соединительной секции 173f, третьей дальней по потоку секции 173i и четвертой находящейся дальше по потоку секции 173j. Вторая соединительная секция 173f соединяет ближнюю по потоку секцию 173b для цилиндра №2 и находящийся дальше по потоку конец ближней по потоку секции 173с для цилиндра №3 друг с другом. Третья находящаяся дальше по потоку секция 173i и четвертая находящаяся дальше по потоку секция 173j соединены со второй соединительной секцией 173f и ответвлены от второй соединительной секции 173f, проходя вниз.
В каждой из первой находящейся дальше по потоку секции 173g, второй находящейся дальше по потоку секции 173h, третьей находящейся дальше по потоку секции 173i и четвертой находящейся дальше по потоку секции 173j образовано сужающееся-расширяющееся сопло 31, описанное ниже.
На фиг.5 показан схематичный вид обычного сужающегося-расширяющегося сопла 31. Сужающееся-расширяющееся сопло 31 имеет сужающуюся секцию 32, имеющую площадь поперечного сечения для потока, которая уменьшается по ходу текучей среды, расширяющуюся секцию 33, расположенную дальше по потоку относительно сужающейся секции 32 и имеющую площадь поперечного сечения для потока, которая увеличивается по ходу текучей среды, и горловинную часть 34, расположенную между сужающейся секцией 32 и расширяющейся секцией 33 и имеющую наименьшую площадь поперечного сечения для потока. На фиг.5 стрелка указывает направление, в котором распространяется текучая среда. В этом варианте осуществления изобретения текучая среда представляет собой отработанный газ 36.
Сужающееся-расширяющееся сопло 31 увеличивает скорость отработанного газа, проходящего в выпускном канале 16, от дозвуковой скорости до сверхзвуковой скорости. Площадь поперечного сечения А1 для потока на входном конце сужающейся секции 32, площадь поперечного сечения А2 для потока горловинной части 34 и площадь поперечного сечения A3 для потока на находящемся дальше по потоку конце расширяющейся секции 33 имеют зависимости А1>А2 и А2<А3. Площадь поперечного сечения А2 для потока горловинной части 34 равна площади поперечного сечения А2 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 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 ступенчато, 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 M1 (то есть звуковой скорости), отработанный газ в расширяющейся секции 33 может быть ускорен до сверхзвуковой скорости.
Выражение 1
где Λ представляет собой коэффициент, вычисленный согласно выражению (2):
Выражение 2
Среди этих выражений выражение (1) представляет зависимость между формой выпускного канала 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 выпускного канала в произвольном сечении, D представляет диаметр канала в произвольном сечении, γ представляет удельную теплоемкость, х представляет расстояние в направлении потока, и f представляет коэффициент трения.
С сужающимся-расширяющимся соплом 31, имеющим описанную выше конструкцию, когда отношение давлений полного давления Р0 текучей среды в сужающейся секции 32 и статического давления Р текучей среды в расширяющейся секции 33, то есть Р/Р0, меньше, чем критическое отношение давлений 0,528, скорость текучей среды становится звуковой скоростью в горловинной секции и становится сверхзвуковой скоростью в расширяющейся секции 33. На фиг.6 показано отношение давлений полного давления Р0 текучей среды в сужающейся секции 32 и статического давления Р текучей среды в расширяющейся секции, то есть Р/Р0, и скорость текучей среды, проходящей расширяющуюся секцию 33 при каждом отношении давлений. Когда полное давление Р0 в сужающейся секции 32 увеличивается, чтобы сделать Р/Р0 меньше, чем критическое отношение давлений, скорость в сужающемся-расширяющемся сопле 31 может быть сверхзвуковой скоростью.
Когда скорость в сужающемся-расширяющемся сопле 31 становится сверхзвуковой скоростью, генерируются новый скачок уплотнения, распространяющийся в направлении потока в расширяющейся секции 33, и волна разрежения, распространяющаяся против потока в расширяющейся секции 33. Таким образом, текучая среда в пространстве между скачком уплотнения, распространяющимся в направлении потока в выпускном канале 16, и волной разрежения, распространяющейся против потока в выпускном канале 16, быстро расширяется, и, таким образом, давление отработанного газа 36, текущего 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 посредством применения сужающегося-расширяющегося сопла 31 в выпускном канале 16 и соединения части выпускного канала, находящейся ближе относительно сужающегося-расширяющегося сопла 31, особым образом.
Далее со ссылками на фиг.7(А)-7(С) будет описан способ создания большого отрицательного давления в выпускном канале. На фиг.7(А)-7(С) схематически показано выпускное устройство 172 в этом варианте осуществления изобретения. Цилиндр № А (первая камера сгорания) и цилиндр № В (вторая камера сгорания) разнесены по моменту зажигания на 360 градусов поворота кривошипа, и период, в котором выпускное отверстие 9а цилиндра № А (первое выпускное отверстие) открыто, не перекрывает период, в котором открыто выпускное отверстие 9а цилиндра № В (второе выпускное отверстие).
Относительно фиг.7(А)-7(С), часть выпускного канала 16, которая находится ближе по потоку относительно входного конца расширяющейся секции 33, упоминается как "выпускная соединительная секция". В выпускной соединительной секции часть, которая находится ближе по потоку относительно соединительной секции 181 и соединена с выпускным отверстием 9а цилиндра № А, упоминается как "первая ближняя по потоку соединительная секция 19а". Часть, которая находится ближе по потоку относительно соединительной секции 181 и соединена с выпускным отверстием 9а цилиндра № В, упоминается как "вторая ближняя по потоку соединительная секция 19b". Части выпускной соединительной секции, которые находятся дальше по потоку относительно соединительной секции 181, называются "секциями 19с, находящимися дальше по потоку относительно соединительной секции". На фиг.7(А)-7(С) идентичные элементы или элементы, эквивалентные показанным на любой из фиг.1-5, имеют идентичные им ссылочные позиции, и их описание опущено, если оно не является необходимым.
Как показано на фиг.7(А), когда выпускное отверстие 9а открыто в ходе такта выпуска в цилиндре № А, отработанный газ 36 высокого давления поступает из камеры 10 сгорания в первую ближнюю по потоку соединительную секцию 19а выпускного канала. В то время, когда выпускное отверстие 9а начинает открываться, перепад давлений между камерой 10 сгорания и первой ближней по потоку соединительной секцией 19а большой. Таким образом, скорость отработанного газа 36 становится звуковой скоростью, и, таким образом, скачок 35 уплотнения генерируется в первой ближней по потоку соединительной секции 19а. Когда угол раскрытия выпускного отверстия 9а увеличивается, количество отработанного газа 36, проходящего в первую ближнюю по потоку соединительную секцию 19а, увеличивается, но скорость отработанного газа 36 уменьшается. Скорость отработанного газа 36 также уменьшается, когда отработанный газ 36 проходит первую ближнюю по потоку соединительную секцию 19а. Скачок 35 уплотнения распространяется в направлении потока в первой ближней по потоку соединительной секции 19а с высокой скоростью. В этот момент отработанный газ 36 проходит в направлении потока в первую ближнюю по потоку соединительную секцию 19а с небольшой задержкой относительно скачка 35 уплотнения и с меньшей скоростью.
Как показано на фиг.7(В), скачок 35 уплотнения, распространяющийся в первой выпускной соединительной секции 19а, разделяется на скачки уплотнения, соответственно распространяющиеся в двух соединительных находящихся дальше по потоку секциях 19с, и скачок уплотнения, распространяющийся во второй выпускной соединительной секции 19b, проходя соединительную секцию 181. Эти скачки уплотнения распространяются отдельно в дальней по потоку соединительной секции 19с и второй выпускной соединительной секции 19b. Скачки 35 уплотнения, распространяющиеся в дальней по потоку соединительной секции 19с, ослабляются и исчезают после прохождения сужающегося-расширяющегося сопла 31. В отличие от этого скачок 35 уплотнения, распространяющийся во второй выпускной соединительной секции 19b, отражается выпускным клапаном 9 (вторым выпускным клапаном), закрывающим выпускное отверстие 9а цилиндра № В, и распространяется в противоположном направлении во второй выпускной соединительной секции 19b, возвращаясь в соединительную секцию 181.
Как показано на фиг.7(С), размер выпускной соединительной секции 19 выбран таким образом, что момент времени, когда отраженный скачок 35 уплотнения возвращается в соединительную секцию 181 от второй выпускной соединительной секции 19b, совпадает или происходит после момента времени, когда отработанный газ 36 высокого давления выпускается из цилиндра № А, и распространяется в первой выпускной соединительной секции 19а с задержкой относительно достижения скачком 35 уплотнения соединительной секции 181. Таким образом, отраженный скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом в местоположении, которое находится дальше по потоку относительно входного конца соединительной секции 181 и ближе по потоку относительно входного конца расширяющейся секции 33.
Благодаря столкновению отраженного скачка 35 уплотнения и отработанного газа 36 друг с другом в местоположении дальше по потоку относительно входного конца соединительной секции 181 и ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33, давление отработанного газа 36, проходящего в выпускном канале, может быть увеличено. Когда это происходит, полное давление Р0 в сужающейся секции сужающегося-расширяющегося сопла 31 увеличивается. Таким образом, отношение полного давления Р0 в сужающейся секции и статического давления Р в расширяющейся секции, то есть Р/Р0, становится меньше, чем критическое отношение давлений 0,528. В результате, скорость отработанного газа 36 в горловинной секции 34 достигает звуковой скорости.
На фиг.8 показан схематичный вид, полученный на основе фотографии внутренней части сужающегося-расширяющегося сопла, сделанной методом Теплера. В результате скорости отработанного газа 36, достигающей звуковой скорости, в сужающемся-расширяющемся сопле 31 генерируется новый скачок 35b уплотнения. Новый скачок 35b уплотнения ускоряется, проходя расширяющуюся секцию 33 сужающегося-расширяющегося сопла 31. Как показано на фиг.8, когда генерируется скачок 35b уплотнения, создается волна разрежения 35с, распространяющаяся против скачка 35b уплотнения. В результате возникновения скачка 35b уплотнения, ускоряемого в расширяющейся секции 33, и волны 35с разрежения, распространяющейся против направления скачка 35b уплотнения, давление отработанного газа 36, существующее между скачком 35b уплотнения и волной разрежения 35с, значительно уменьшается, становясь равным или ниже, чем атмосферное давление, благодаря адиабатическому расширению.
1
2
Как показано на фиг.9, точка, в которой центральная линия Х сечения для потока первой находящейся ближе по потоку соединительной секции 19а и центральная линия Y сечения для потока второй находящейся ближе по потоку соединительной секции 19b пересекаются, задана как центр 181с соединения. Расстояние между центром 9ас выпускного отверстия 9а цилиндра № А и центром 181с соединения задано как Le1, и расстояние между выпускным клапаном 9 цилиндра № В и центром 181с соединения задано как Le2. Скорость отработанного газа 36 задана как Ve, и скорость распространения скачка 35 уплотнения задана как Vs. В этом случае время T, которое является временем от момента, когда выпускное отверстие 9а цилиндра № А открыто, до момента, когда отработанный газ 36 достигает соединительной секции 181, представлено выражением (3). Время Т, которое является временем от момента, когда выпускное отверстие 9а цилиндра № А открыто, до момента, когда скачок 35 уплотнения отражен выпускным клапаном 9 цилиндра № В и достигает соединительной секции 181, представлено выражением (4).
1
2
Когда T≤T, скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом дальше по потоку относительно соединительной секции 181. В частности, когда Le1/Ve≤(Le1+2Le2)/Vs, скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом дальше по потоку относительно входного конца соединительной секции 181. Для удобства, например, максимальная скорость отработанного газа 36 может рассматриваться как скорость Ve, или средняя скорость отработанного газа 36 может рассматриваться как скорость Ve. Аналогичным образом, например, максимальная скорость распространения скачка 35 уплотнения может рассматриваться как скорость Vs распространения, или средняя скорость распространения скачка 35 уплотнения может рассматриваться как скорость Vs распространения.
3
4
Как показано на фиг.9, расстояние от центра 181с соединения до входного конца расширяющейся секции 33 сужающегося-расширяющегося сопла 31 задано как Ld, и время от момента, когда выпускное отверстие 9а открывается, до момента, когда выпускное отверстие 9а закрывается, задано как tv. Время Т, которое является временем от момента, когда выпускное отверстие 9а цилиндра № А открывается, до момента, когда задний конец порции отработанного газа 36 достигает входного конца расширяющейся секции 33, представлено выражением (5). Время Т, которое является временем от момента, когда выпускное отверстие 9а цилиндра № А открывается, до момента отражения скачка 35 уплотнения выпускным клапаном 9 цилиндра № В и достижения входного конца расширяющейся секции 33, представлено выражением (6).
4
3
Когда Т≤Т, скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом до того, как весь отработанный газ 36 достигает входного конца расширяющейся секции 33. В частности, когда (Le1+2Le2+Ld)/Vs≤tv+(Le1+Ld)/Ve, скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом до того, как весь отработанный газ 36 достигает входного конца расширяющейся секции 33.
В приведенном выше описании цилиндр № А находится в такте выпуска. Поскольку цилиндр № В выполняет по существу такие же условия, как и цилиндр № А, происходит по существу такой же эффект. В частности, достаточно того, что цилиндр № В удовлетворяет следующим выражениям (7) и (8).
На фиг.10 и фиг.11 показаны результаты моделирований, выполненных авторами. На фиг.12 показано соответствие между выпускным каналом 16, показанным на фиг.10 и фиг.11, и выпускным каналом 16 в этом варианте осуществления изобретения. На фиг.10 показаны скорость отработанного газа и давление отработанного газа в точках в выпускном канале 16 непосредственно после образования нового скачка уплотнения в сужающемся-расширяющемся сопле 31. На фиг.10 показаны скорость отработанного газа и температура отработанного газа в точках в выпускном канале 16 непосредственно после того, как новый скачок уплотнения генерируется в сужающемся-расширяющемся сопле 31. После того как скачок уплотнения генерируется в сужающемся-расширяющемся сопле 31, скачок уплотнения ускоряется в расширяющейся секции. Когда это происходит, как показано на фиг.10 и фиг.11, скорость отработанного газа быстро увеличивается, тогда как давление и температура отработанного газа быстро уменьшаются. На фиг.10 и фиг.11 показана скорость отработанного газа, но не показана скорость распространения скачка уплотнения.
В этом варианте осуществления изобретения горловинная секция 34 сужающегося-расширяющегося сопла 31 задана относительно длинной. После того как скачок уплотнения, отраженный ответвленной секцией, сталкивается с отработанным газом, скачок уплотнения распространяется в горловинной секции 34, опережая отработанный газ. В этот момент создается адиабатическое расширение в пространстве между отработанным газом 36 и скачком 35 уплотнения, и, таким образом, давление немного уменьшается. Таким образом, отработанный газ 36 всасывается скачком 35 уплотнения в горловинную секцию 34, не уменьшая скорости. Таким образом, посредством задания длины горловинной части 34, имеющей постоянную площадь поперечного сечения для потока в соответствии с двигателем внутреннего сгорания, момент времени, в который скачок 35 уплотнения должен ускоряться в расширяющейся секции 33, другими словами, момент времени, в который отработанный газ 36 должен быть приведен в состояние низкого давления и низкой температуры, может быть установлен 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 36 в выпускном канале 16 по сравнению с предшествующим уровнем техники. В двигателе 1 внутреннего сгорания, согласно этому варианту осуществления изобретения, только выпускные отверстия 9а камер сгорания, периоды открытия которых не перекрываются, соединены раньше по потоку относительно расширяющейся секции 33. Таким образом, двигатель 1 внутреннего сгорания не подвергается влиянию отработанного газа из других цилиндров, в отличие от предшествующего уровня техники. Благодаря уменьшению температуры и давления отработанного газа рабочие характеристики двигателя 1 внутреннего сгорания могут быть улучшены, например, как описано ниже.
В результате значительного уменьшения давления отработанного газа, как в этом варианте осуществления изобретения, можно уменьшить насосные потери двигателя 1 внутреннего сгорания. Так как давление отработанного газа 36 в выпускном канале 16 значительно уменьшено, поршень (не показан) двигателя 1 внутреннего сгорания притягивается к выпускному каналу 16, а именно к верхней мертвой точке в такте выпуска, и, таким образом, уменьшается работа, необходимая для привода поршня в такте выпуска.
Это будет описано более подробно со ссылками на фиг.13. На фиг.13(А) показан график отношения давления и объема обычного двигателя внутреннего сгорания, и на фиг.13(В) показан график отношения давления и объема двигателя 1 внутреннего сгорания в этом варианте осуществления изобретения. В этом варианте осуществления изобретения, как показано на фиг.13(В), область, окруженная замкнутой кривой, образуется вблизи верхней мертвой точки такта выпуска двигателя внутреннего сгорания (в области, окруженной пунктирной линией с одной точкой). Область, окруженная замкнутой кривой, соответствует работе, произведенной двигателем 1 внутреннего сгорания. А именно, когда давление отработанного газа значительно уменьшено благодаря созданию скачка 35b уплотнения в расширяющейся секции 33, поршень притягивается отработанным газом, что содействует выполнению двигателем 1 внутреннего сгорания полезной работы в ходе такта выпуска.
В этом варианте осуществления изобретения температура отработанного газа 36 в выпускном канале 16 может быть уменьшена ближе по потоку относительно первого катализатора 17. При чрезмерно высокой температуре эффективность очистки трехкомпонентного нейтрализатора снижается эффектом, называемым "спеканием". Однако в этом варианте осуществления изобретения может предотвращаться чрезмерное повышение температуры первого катализатора 17 и второго катализатора 18, и, таким образом, спекание может быть эффективно предотвращено. Согласно этому варианту осуществления изобретения, даже когда двигатель внутреннего сгорания приводится в действие в состоянии высокой нагрузки, может быть уменьшена температура отработанного газа 36. Таким образом, топливо может сгорать с теоретическим отношением количества воздуха к количеству топлива. Таким образом, отработанный газ 36 может эффективно очищаться первым катализатором 17 и вторым катализатором 18.
Как показано на фиг.4, в этом варианте осуществления изобретения длина ближней по потоку секции 173а для цилиндра №1 и длина ближней по потоку секции 173d для цилиндра №4 одинаковы. Длина ближней по потоку секции 173b для цилиндра №2 и длина ближней по потоку секции 173с для цилиндра №3 одинаковы. Таким образом, в такте выпуска время, требуемое для распространения скачка 35 уплотнения, генерируемого в ближней по потоку секции 173а для цилиндра №1, в ближнюю по потоку секцию 173d для цилиндра №4 от первой соединительной секции 173е и возвращения в первую соединительную секцию 173е после отражения выпускным клапаном 9 цилиндра №4, равно времени, требуемому для распространения скачка 35 уплотнения, генерируемого в ближней по потоку секции 173d для цилиндра №4, в ближнюю по потоку секцию 173а для цилиндра №1 от первой соединительной секции 173е и возвращения в первую соединительную секцию 173е после отражения выпускным клапаном 9 цилиндра №1. Это также применимо для ближней по потоку секции 173b для цилиндра №2 и ближней по потоку секции 173с для цилиндра №3.
Как описано выше относительно первого выпускного канала 173 двигателя 1 внутреннего сгорания в этом варианте осуществления изобретения, длина ближней по потоку секции 173а для цилиндра №1 и длина ближней по потоку секции 173d для цилиндра №4 одинаковы, и длина ближней по потоку секции 173b для цилиндра №2 и длина ближней по потоку секции 173с для цилиндра №3 одинаковы. Таким образом, скорость отработанного газа 36 может равномерно увеличиваться в сужающихся-расширяющихся соплах 31, расположенных в первой-четвертой находящихся дальше по потоку секциях 173g-173j, и, таким образом, давление во всех выпускных каналах 16 может быть уменьшено по существу равномерно.
Вариант 2 осуществления изобретения
Согласно настоящему изобретению, так как в выпускном канале 16 генерируется большое отрицательное давление, вторичный воздух легко подается к выпускному каналу 16. Таким образом, как показано на фиг.14 и фиг.15, в выпускном канале 16 может быть расположена система 120 подачи вторичного воздуха. За исключением этого отличия конструкции. Вариант 2 осуществления изобретения аналогичен Варианту 1 осуществления изобретения. Соответственно, подробное описание Варианта 2 осуществления изобретения дано в соответствии с подробным описанием фиг.1-13 относительно Варианта 1 осуществления изобретения.
Как показано на фиг.14 и фиг.15, система 120 подачи вторичного воздуха содержит трубу 122 для подачи вторичного воздуха, первый питающий клапан 123 и второй питающий клапан 124. Труба 122 для подачи вторичного воздуха образована из первой трубы 122а для подачи вторичного воздуха, соединенной с первой соединительной секцией 173е, и второй трубы 122b для подачи вторичного воздуха, соединенной со второй соединительной секцией 173f. Первая труба 122а для подачи вторичного воздуха соединена с впускным устройством 65 двигателя 1 внутреннего сгорания через первый питающий клапан 123. Вторая труба 122b для подачи вторичного воздуха соединена с впускным устройством 65 двигателя 1 внутреннего сгорания через второй питающий клапан 124.
Первая труба 122а для подачи вторичного воздуха образована из нижней части 122с, выполненной за одно целое с первой выпускной трубой 173 посредством литья, и верхней части 122d, прикрепленной к входному концу нижней части 122с. Вторая труба 122b для подачи вторичного воздуха образована из нижней части 122е, выполненной за одно целое с первым выпускным каналом 173, предпочтительно, например, посредством литья, и верхней части 122f, прикрепленной к входному концу нижней части 122е.
Применение первого питающего клапана 123 и второго питающего клапана 124 может предотвращать прохождение отработанного газа во впускное устройство 65 двигателя 1 внутреннего сгорания из канала 121 для подачи вторичного воздуха. Первый питающий клапан 123 и второй питающий клапан 124 открываются отрицательным давлением, генерируемым в выпускном канале 16, для подачи воздуха в выпускной канал 16 через трубу 122 для подачи вторичного воздуха.
В этом варианте 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 содержит сужающееся-расширяющееся сопло 31. Явление, заключающееся в том, что отрицательное давление генерируется действием сужающегося-расширяющегося сопла 31, продолжается, даже когда частота вращения двигателя 1 внутреннего сгорания увеличена до уровня, более высокого, чем частота вращения при максимальной выходной мощности. Таким образом, в этом варианте осуществления изобретения, даже когда частота вращения двигателя 1 внутреннего сгорания становится высокой, достаточное количество воздуха может подаваться в выпускной канал 16. В обычном двигателе внутреннего сгорания отрицательное давление не генерируется в выпускном канале в состоянии высокой частоты вращения или высокой нагрузки, и, таким образом, используется большой насос для принудительной подачи воздуха. Так как насос приводится в действие двигателем внутреннего сгорания, потеря мощности двигателя внутреннего сгорания значительна. В отличие от этого в этом варианте осуществления изобретения достаточное количество воздуха может подаваться к выпускному каналу 16 без использования отдельного устройства для принудительной подачи воздуха в выпускной канал 16, такого как воздушный насос или подобное средство. Даже когда используется насос для подачи воздуха, нагрузка для насоса может быть небольшой, и, таким образом, потеря мощности двигателя внутреннего сгорания может быть небольшой.
Температура воздуха, подаваемого в выпускной канал 16, примерно равна температуре внешнего воздуха и значительно ниже, чем температура отработанного газа. Таким образом, в этом варианте осуществления изобретения температура отработанного газа может быть дополнительно уменьшена воздухом, имеющим низкую температуру, который подается в выпускной канал 16 в большом количестве. Также в этом варианте осуществления изобретения большое количество воздуха может быть подано ближе по потоку относительно первого катализатора 17. Таким образом, даже когда количество впрыскиваемого топлива увеличено для того, 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 составу, где отношение количества воздуха к количеству топлива является теоретическим отношением количества воздуха к количеству топлива, может быть подан к первому катализатору 17. Таким образом, в этом варианте осуществления изобретения температура отработанного газа также может быть уменьшена посредством создания отношения количества воздуха к количеству топлива для двигателя 1 внутреннего сгорания, меньшего, чем теоретическое отношение 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 двигателя 1 внутреннего сгорания может быть увеличена.
Вариант 3 осуществления изобретения
В этом варианте осуществления изобретения сужающаяся секция образована способом, отличным от Варианта 1 или 2 осуществления изобретения. За исключением этого отличия конструкции, Вариант 3 осуществления изобретения аналогичен Варианту 1 осуществления изобретения. Соответственно, подробное описание Варианта 3 осуществления изобретения дано в соответствии с подробным описанием фиг.1-13 относительно Варианта 1 осуществления изобретения. Как показано на фиг.16, в этом варианте осуществления изобретения сужающаяся секция образована из первой ближней по потоку соединительной секции 19а, второй ближней по потоку соединительной секции 19b и дальней по потоку соединительной секции 19с. На фиг.16 показана только одна из множества дальних по потоку соединительных секций 19с выпускного канала 16. Площадь поперечного сечения для потока первой ближней по потоку соединительной секции 19а задана как А5, площадь поперечного сечения для потока второй ближней по потоку соединительной секции 19b задана как А4, и площадь поперечного сечения для потока дальней по потоку соединительной секции 19с задана как А7. Когда площадь поперечного сечения А5 для потока первой находящейся ближе по потоку соединительной секции 19а, площадь поперечного сечения А4 для потока второй находящейся ближе по потоку соединительной секции 19b и площадь поперечного сечения А7 для потока дальней по потоку соединительной секции 19с по существу равны друг другу, и А5, А4 и А7 имеют следующую зависимость. Сумма площади поперечного сечения А5 для потока первой находящейся ближе по потоку соединительной секции 19а и площадь поперечного сечения А4 для потока второй находящейся ближе по потоку соединительной секции 19b больше, чем площадь поперечного сечения А7 для потока дальней по потоку соединительной секции 19с (А4+А5>А7). Соответственно, благодаря слиянию первой ближней по потоку соединительной секции 19а и второй ближней по потоку соединительной секции 19b, имеющих по существу одинаковый диаметр трубы, дальше по потоку относительно соединительной секции 181 может быть образована сужающаяся секция, имеющая меньшую площадь поперечного сечения для потока на дальнем по потоку ее конце, чем на ее входном конце. Таким образом, просто посредством применения расширяющейся секции 33 дальше по потоку относительно соединительной секции 181, по существу может быть сформировано сужающееся-расширяющееся сопло 31. Часть между соединительной секцией 181 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 расширяющейся секции 33 не ограничена плавно увеличивающейся в направлении потока и может увеличиваться ступенчато. Площадь поперечного сечения для потока сужающейся секции может уменьшаться ступенчато.
В Вариантах 1-3 осуществления изобретения двигатель 1 внутреннего сгорания переводит отработанный газ в состояние низкого давления и низкой температуры следующим способом. Топливо воспламеняется в камере 10 сгорания. Выпускной клапан 9 (первый выпускной клапан) для открытия или закрытия выпускного отверстия 9а камеры 10 сгорания цилиндра № А открывается для выпуска отработанного газа 36 в первую ближнюю по потоку соединительную секцию 19а из камеры 10 сгорания. Создается скачок 35 уплотнения, распространяющийся в первую ближнюю по потоку соединительную секцию 19а с более высокой скоростью, чем отработанный газ 36. По меньшей мере, часть скачка 35 уплотнения ответвляется из первой ближней по потоку соединительной секции 19а, и ответвленный скачок 35 уплотнения распространяется во вторую ближнюю по потоку соединительную секцию 19b для отражения скачка 35 уплотнения выпускным клапаном 9 цилиндра № В. Отраженный скачок 35 уплотнения распространяется в противоположном направлении во второй ближней по потоку соединительной секции 19b и сталкивается 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. Таким образом, отработанный газ переводится в состояние низкого давления и низкой температуры эффектом адиабатического охлаждения, вызванным адиабатическим расширением. Таким образом, отработанный газ может быть переведен в состояние низкого давления и низкой температуры, даже когда двигатель 1 внутреннего сгорания работает в состоянии высокой нагрузки или высокой скорости.
Со ссылками на фиг.17 и фиг.18 будет описан более подробно описанный выше способ выпуска для двигателя внутреннего сгорания. На фиг.17 показана зависимость между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа в выпускном канале 16 во временной последовательности. На фиг.18 показана зависимость между давлением отработанного газа и температурой отработанного газа в выпускном канале 16 во временной последовательности. Формы волны, показанные на фиг.10, представляют зависимость между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа, когда скачок уплотнения ускоряется, как показано на фиг.17(С). На фиг.17(А) и фиг.18(А) показана соответствующая зависимость непосредственно после того, как выпускное отверстие 9а открыто. На фиг.17(В) и фиг.18(В) показана соответствующая зависимость непосредственно после того, как отработанный газ и скачок уплотнения сталкиваются друг с другом дальше по потоку относительно соединительной секции 181. На фиг.17(С) и фиг.18(С) показана соответствующая зависимость, когда скачок уплотнения ускоряется в расширяющейся секции 33. На фиг.17(D) и фиг.18(D) показана соответствующая зависимость после того, как скачок уплотнения ускорен.
Способ выпуска для многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания в этом варианте осуществления изобретения заключается в следующем.
1) Топливо воспламеняется в камере 10 сгорания цилиндра № А. При открытии выпускного отверстия 9а в камере сгорания отработанный газ выпускается в первую ближнюю по потоку соединительную секцию 19а, которая является частью выпускного канала, из камеры сгорания, и также создается скачок уплотнения, распространяющийся в первую ближнюю по потоку соединительную секцию 19а с более высокой скоростью, чем отработанный газ. На фиг.17(А) показаны скорость отработанного газа и давление отработанного газа непосредственно после того, как выпускное отверстие 9а открыто. Как показано на фиг.17(А), когда выпускное отверстие 9а открыто, давление отработанного газа вблизи выпускного отверстия 9а становится более высоким, чем атмосферное давление. На фиг.18(А) показаны давление отработанного газа и температура отработанного газа непосредственно после того, как выпускное отверстие 9а открыто. Как показано на фиг.18(А), температура отработанного газа становится очень высокой за счет получения тепла сгорания.
2) Вторая ближняя по потоку соединительная секция 19b ответвляет, по меньшей мере, часть скачка уплотнения, распространяющегося в первой ближней по потоку соединительной секции 19а. Выпускной клапан 9 цилиндра № В отражает ответвленный скачок уплотнения. Отраженный скачок уплотнения распространяется во вторую ближнюю по потоку соединительную секцию 19b в направлении, противоположном соединительной секции 181. Отраженный скачок уплотнения сталкивается с отработанным газом, проходящим в соединительной секции 181 или дальней по потоку соединительной секции 19с, 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 уплотнения и отработанного газа, или увеличение давления отработанного газа, вызванное уменьшением площади поперечного сечения для потока. В частности, столкновение скачка уплотнения и отработанного газа может происходить перед тем или после того, как давление отработанного газа увеличено в сужающейся секции 32. На фиг.17(В) показаны скорость отработанного газа и давление отработанного газа непосредственно после того, как давление отработанного газа увеличено. Как показано на фиг.17(В), вблизи сужающейся секции 32 давление отработанного газа более высокое, чем в этот момент на фиг.17(А). Ближе по потоку относительно сужающейся секции 32 скорость отработанного газа более высокая, чем в этот момент на фиг.17(А). На фиг.18(В) показаны давление отработанного газа и температура отработанного газа непосредственно после того, как давление отработанного газа увеличено. Как показано на фиг.18(В), температура отработанного газа ниже вблизи выпускного отверстия 9а, но более высокая ближе по потоку относительно сужающейся секции 32, чем в момент времени на фиг.18(А).
3) Площадь поперечного сечения для потока выпускного канала 16 увеличена в расширяющейся секции 33 для уменьшения давления отработанного газа. Когда давление отработанного газа уменьшено до уровня, равного или ниже, чем критическое отношение давлений, создается новый скачок уплотнения, распространяющийся в направлении потока в выпускном канале 16. Когда создается скачок уплотнения, создается волна разрежения, одновременно распространяющаяся в направлении против потока. Новый скачок уплотнения ускоряется в расширяющейся секции 33. Таким образом, текучая среда, находящаяся в пространстве между скачком уплотнения, распространяющимся в направлении потока в выпускном канале 16, и волной 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 уплотнения эффектом адиабатического охлаждения, вызванным адиабатическим расширением. На фиг.17(С) показаны скорость отработанного газа и давление отработанного газа, когда скачок уплотнения ускоряется в расширяющейся секции. Как показано на фиг.17(С), давление отработанного газа быстро уменьшается относительно давления, показанного на фиг.17(В), 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.18(С) показаны давление отработанного газа и температура отработанного газа, когда скачок уплотнения ускоряется в расширяющейся секции 33. Как показано на фиг.18(С), одновременно с уменьшением давления отработанного газа ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33, температура отработанного газа быстро уменьшается относительно температуры, показанной на фиг.18(В).
На фиг.17(D) показаны скорость отработанного газа и давление отработанного газа после того, как скачок уплотнения ускорен. Как показано на фиг.17(D), влияние давления отработанного газа, которое уменьшено ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33 в момент, показанный на фиг.17(С), воздействует даже на выпускное отверстие 9а ближе по потоку относительно сужающейся секции 32. Таким образом, давление отработанного газа становится отрицательным давлением также вблизи выпускного отверстия 9а. На фиг.18(D) показаны давление отработанного газа и температура отработанного газа после того, как скачок уплотнения ускорен. Как показано на фиг.18(D), так как давление отработанного газа становится отрицательным давлением также вблизи выпускного отверстия 9а, температура отработанного газа также может быть значительно уменьшена вблизи выпускного отверстия. Это также может охлаждать выпускной клапан 9 и сдерживать его изнашивание.
Как показано на фиг.18, 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.18(А), 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.17 и фиг.18, 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 подключен канал подачи вторичного воздуха для подачи вторичного воздуха в область, в которой создается отрицательное давление, в выпускной канал 16 может подаваться вторичный воздух. В частности, как показано на фиг.17(С) и фиг.17(D), после того, как скачок 35b уплотнения ускорен, ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33 создается область отрицательного давления. Таким образом, благодаря соединению канала подачи вторичного воздуха ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33, в выпускной канал 16 может подаваться вторичный воздух.
Другие варианты осуществления изобретения
Нет каких-либо ограничений применения двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению. Двигатель внутреннего сгорания, соответствующий настоящему изобретению, может применяться, например, в транспортном средстве, таком как мотоцикл. На фиг.19 показан пример, в котором двигатель 1 внутреннего сгорания, согласно настоящему изобретению, применен для мотоцикла 200.
В каждом из вышеупомянутых вариантов осуществления изобретения двигатель 1 внутреннего сгорания включает два сужающихся-расширяющихся сопла 31 дальше по потоку относительно одной соединительной секции 181. Форма двигателя 1 внутреннего сгорания, согласно настоящему изобретению, не ограничена этим. Например, одно сужающееся-расширяющееся сопло 31, или три, или больше сужающихся-расширяющихся сопел 31 могут применяться для одной соединительной секции 181.
В каждом из вышеупомянутых вариантов осуществления двигатель 1 внутреннего сгорания является рядным двигателем. Форма двигателя 1 внутреннего сгорания, согласно настоящему изобретению, не ограничена этим. Например, двигатель 1 внутреннего сгорания может быть V-образным двигателем, двигателем с горизонтально расположенными оппозитными цилиндрами или двигателем со звездообразно расположенными цилиндрами.
В каждом из вышеупомянутых вариантов осуществления изобретения, как показано на фиг.20(А), двигатель 1 внутреннего сгорания содержит четыре цилиндра и две выпускные соединительные секции 19. Каждая выпускная соединительная секция 19 соединяет выпускные отверстия 9а, образованные в двух камерах сгорания ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33. Для двигателя 1 внутреннего сгорания, согласно настоящему изобретению, достаточно того, чтобы только выпускные отверстия 9а камер сгорания, периоды открытия которых не перекрываются, соединялись ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33. Например, как показано на фиг.20(В), двигатель 1 внутреннего сгорания, согласно настоящему изобретению, может включать шесть цилиндров и три выпускные соединительные секции 19, и каждая выпускная соединительная секция 19 может соединять выпускные отверстия 9а, образованные в двух камерах 10 сгорания ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33. В альтернативном варианте, как показано на фиг.20(С), двигатель 1 внутреннего сгорания, согласно настоящему изобретению, может содержать шесть цилиндров и две выпускные соединительные секции 19, при этом каждая выпускная соединительная секция 19 может соединять выпускные отверстия 9а, образованные в трех камерах 10 сгорания 10 ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33. Также в альтернативном варианте, как показано на фиг.20(D), двигатель 1 внутреннего сгорания, согласно настоящему изобретению, может содержать два цилиндра и одну выпускную соединительную секцию 19, при этом выпускная соединительная секция 19 может соединять выпускные отверстия 9а, образованные в двух камерах 10 сгорания ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33. Также в альтернативном варианте, как показано на фиг.20(Е), двигатель 1 внутреннего сгорания, согласно настоящему изобретению, может содержать три цилиндра и одну выпускную соединительную секцию 19, при этом выпускная соединительная секция 19 может соединять выпускные отверстия 9а, образованные в трех камерах 10 сгорания ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33. Также в альтернативном варианте, как показано на фиг.20(F), двигатель 1 внутреннего сгорания, согласно настоящему изобретению, может содержать восемь цилиндров и четыре выпускных соединительных секции 19, при этом каждая выпускная соединительная секция 19 может соединять выпускные отверстия 9а, образованные в двух камерах 10 сгорания, ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33.
В конкретных примерах, показанных на фиг.20(А), фиг.20(В), фиг.20(D) и фиг.20(F), каждая выпускная соединительная секция 19 соединяет выпускные отверстия 9а, образованные в двух камерах сгорания ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33. Таким образом, получены такие же эффекты, как в Варианте 1 осуществления изобретения, где выполнены по существу такие же условия, как и в Варианте 1 осуществления изобретения.
В конкретных примерах, показанных на фиг.20(С) и фиг.20(Е), каждая выпускная соединительная секция 19 соединяет выпускные отверстия 9а, образованные в трех камерах сгорания ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33. Таким образом, только выпускные отверстия камер сгорания, периоды открытия которых не перекрываются, должны быть соединены ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33. Кроме того, должны быть выполнены следующие выражения (9)-(20).
В указанных выше выражениях Le1, Le2 и Le3 соответственно представляют собой расстояние между выпускным отверстием 9а цилиндра № А и соединительной секцией 181, расстояние между выпускным отверстием 9а цилиндра № В и соединительной секцией 181 и расстояние между выпускным отверстием 9а цилиндра № С и соединительной секцией 181 на фиг.20(С) и фиг.20(Е). Ld представляет собой расстояние от соединительной секции 181 до входного конца расширяющейся секции 33, tv представляет собой время от момента, когда выпускное отверстие 9а открывается, до момента, когда выпускное отверстие 9а закрывается, Ve представляет собой скорость отработанного газа 36, и Vs представляет собой скорость распространения скачка 35 уплотнения.
Описание ссылочных позиций
1 - Двигатель внутреннего сгорания.
9 - Выпускной клапан.
9а - Выпускное отверстие.
10 - Камера сгорания.
16 - Выпускной канал.
17 - Первый катализатор.
18 - Второй катализатор.
19 - Выпускная соединительная секция.
31 - Сужающееся-расширяющееся сопло.
32 - Сужающаяся секция.
33 - Расширяющаяся секция.
34 - Горловинная секция.
35 - Скачок уплотнения.
36 - Отработанный газ.
101 - Забортный двигатель.
173а - Ближняя по потоку секция для цилиндра №1.
173d - Ближняя по потоку секция для цилиндра №4.
173е - Первая соединительная секция.
173g - Первая находящаяся дальше по потоку секция.
173j - Четвертая находящаяся дальше по потоку секция.
181 - Соединительная секция.