Многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания

2002124930
МКИ F02B 29/02
Многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания.
Полезная модель относится к двигателестроению, в частности, к многоцилиндровым двигателям внутреннего сгорания с впрыском топлива з цилиндры.
Применение системы электронного впрыска топлива, вызывает необходимость введения в конструкцию двигателя внутреннего сгорания (далее ДВС) устройств, позволяющих в значительной степени ослабить величину резонансных амплитуд пульсаций объёмного расхода воздуха, и соответственно, снизить гидравлические сопротивления в тракте системы впуска, с целью улучшения наполнения цилиндров, повысить эффективную мощность и улучшить экономические показатели ДВС. С другой стороны, подавление резонансных пульсаций газа во впускной системе ДВС благоприятно с точки зрения снижения звукового (шумового) излучения в окружающую среду, производимого как выходным срезом воздухозаборного патрубка воздухоочистителя (аэродинамический шум), так и вибрирующими стенками элементов системы впуска (структурный, корпусной шум).
Так, например, японская фирма Ямаха Моторс в заявке № 61-244824, F02B 27/00, публ. 31.10.86, для снижения пульсаций и шума в системе впуска двигателя предлагает использовать два ресивера, параллельно и последовательно подключенных к трассе впускного трубопровода для обеспечения более существенного суммарного эффекта.
Японская фирма Хонда Моторс в заявке № 63-219866, F02M 35/10, публ. 13.09.88, предлагает для снижения шума при всасывании в ДВС использовать два раздельных воздушных трубопровода, соединяющих воздухоочиститель и ресивер с двумя управляемыми дроссельными заслонками, обеспечивающими закрытие вспомогательного канала на низких оборотах и открытое состояние обеих соединительных трубопроводов на высоких оборотах. Эта же фирма в заявке № 61190159, F02M 35/12, публ. 14.01.87, в целях обеспечения заданного шумоглушения в широком диапазоне частот, предлагает соединять с впускной трубой два устройства шумоглушения - 1/4 волновой резонатор тупикового типа и автономную резонансную камеру.
В ЕПВ № 0278117, F02B 27/00, публ. 17.08.88, для использования эффектов повышения наполнения цилиндров за счет подавления резонансных пульсаций газа путем их сложения в противофазе, предлагается использовать взаимосогласованные дополнительные резонансные трубы и дополнительный ресивер.
Австрийская фирма АВЛ в заявке ФРГ № 3820607, F01B 25/00, публ. 29.12.88, для расширения частотного диапазона эффективной работы (шумозаглушения) дополнительного акустического резонатора, предлагает выполнять его конструкцию изменяемого объема, управляемого и настраивающегося в зависимости от скорости вращения коленвала.
Японская фирма Ниппон радзиэта в заявке Японии № 62-48047, F01M 1/02, публ. 12.10.87, предлагает, с целью повышения эффекта глушения шума, взамен использования крупногабаритных сложных конструкций глушителей применять антирезонансную впускную трубу, включающую управляемый источник шума или вибраций, электромагнитный клапан, приемные акустические датчики, управляющий процессор.
Японская фирма Хитачи сэйсакусе в заявке Японии № 2-4840, F16L 55/04, публ. 30.01.90, для снижения пульсаций в системе трубопроводов предлагает трубопровод разветвлять по меньшей мере на два канала, на различных расстояниях от точки разветвления размещать расширительные камеры, отражающие прямые падающие звуковые волны назад к источнику пульсаций (цилиндру ДВС), причем расстояние между стенками камер выбирается определенным образом.
Английское отделение фирмы Форд Мотор в заявке Великобритании № 2203488, F02B 29/00, публ. 19.10.88, для подавления пульсаций газа и шума во впускном коллекторе, предусматривает установку устройства антизвука в виде специального громкоговорителя или специального резервуара с электроклапаном с
противофазным излучением генерируемых сигналов.
Японская фирма Ниссан Дзидося в японской заявке № 51-23656, F02B 37/00, публ. 08.05.89, для снижения шума впуска ДВС и повышения его мощности, вследствие снижения обратного тока наддувочного воздуха, предлагает использовать специальную конструкцию глушителя шума в виде расширительной камеры с внутренними трубками определенного соотношения диаметров и определенного расстояния срезов труб между собой.
Канадское отделение фирмы Сименс-Бендикс в патенте США № 4934343, F02M 35/00, для глушения шума газового потока, без существенного влияния на гидравлическое сопротивление впускного тракта, предусматривает применение двух диффузорных секций на раздвоенном участке газопровода, обеспечивающих фазовый сдвиг и компенсацию амплитуд пульсаций вследствие этого при их сложении в зоне соединения.
Французской фирмой Пежо в патенте Франции № 2536792, публ. 22.06.84, заявляется использование дроссельной шайбы или диффузорной вставки сужающей проходное сечение впускной трубы для снижения шума впуска ДВС с непосредственным впрыском топлива. Дроссельная шайба или диффузорная вставка для обеспечения требуемой эффективности располагается в зоне пучности волны колебательной скорости газового потока на некотором заданном скоростном режиме работы ДВС. Очевидным недостатком известного заявляемого устройства является рост гидравлических сопротивлений впускной системы вследствие заужения проходного сечения впускной трубы и, как следствие - ухудшение мощностных, экономических и экологических (токсических) показателей ДВС. Также расположение дроссельной шайбы или диффузорной вставки в одно конкретное место впускной трассы позволяет эффективно воздействовать только на одну резонансную частоту пульсаций и шума или кратные ей нечетные гармоники, т.е. имеется в наличии ограниченное по эффективности воздействие на отдельных скоростных режимах работы ДВС.
Американское отделение фирмы Сименс-Бендикс в патенте США № 4907547, F02M 35/10, публ. 13.03.90, для подавления шумов и пульсаций в системе впуска ДВС
предлагает использовать специальный отражатель волн, располагаемый поперек впускной трубы одного из цилиндров и пары цилиндров на вращающемся валике, который, поворачиваясь, обеспечивает избирательное открытие одной из соседних впускных труб цилиндра ДВС.
Японской фирмой Мазда Моторс в заявке ЕВП № 0376299, F02M 35/12, публ. 04.07.90, для подавления газовых пульсаций и шума во впускной системе ДВС предусмотрено использование специального избирательного устройства для подавления каждой из резонансных гармоник пульсаций кратных Л.(0,5 + п) длинам резонансных волн пульсаций, где п - целое число равное нулю или более нуля, а Л, длина волны.
Германской фирмой Фольксваген в заявке ФРГ № 3742322, F02M 35/10, публ. 07.07.88, предусматривается демпфировать колебания потока всасываемого воздуха в ДВС за счет включения во впускной тракт дополнительного успокоительного ресивера с эластичными стенками, в котором за счет упругих деформаций стенок ресивера, вследствие пульсирующего воздействия газового потока, будет происходить преобразование энергии пульсаций в тепловую энергиюв
деформируемом упругом материале стенки с высоким внутренним трением материала (резины). К очевидным недостаткам такой системы следует отнести относительную дороговизну устройства, нестабильность эксплуатационных характеристик упругой стенки, относительно малую долговечность, опасность попадания неочищенного воздуха в цилиндры ДВС при повреждении упругой стенки, существенное излучение звука непосредственно колеблющейся с высокими амплитудами пульсирующей упругой стенкой и т.п.
Анализируя и обобщая результаты вышеприведенного патентного обзора следует сделать вывод, что вышеперечисленные известные устройства улучшения акустических характеристик и снижения газодинамических пульсаций во впускных системах ДВС и, соответственно, устройства улучшения их мощностных, экономических и экологических показателей - связаны с использованием дополнительных расширительных или резонансных камер, подключаемых как параллельно, так и последовательно к впускному тракту, использованием
электронных систем формирования искусственных противофазных сигналов для компенсации реальных сигналов пульсаций и шума,использованием
дополнительных ресиверов, дополнительных управляемых воздуховодов и камер с изменяемым объемом, разветвленных газоводов с фазоуправляемыми диффузорными секциями.
В качестве прототипа рассмотрена конструкция многоцилиндрового ДВС по патенту РФ № 2107182, F02 М 35/10, публ. 20.03.98 г. БИ №8, содержащего, в частности, головку цилиндров с впускными отверстиями, в которых установлены впускные клапаны, впускные трубы, снабжённые средствами топливоподачи (форсунками), отходящие непосредственно от впускных отверстий и выходящие в газосборный ресивер, боковая стенка которого снабжена присоединительными
отверстиями для упомянутых впускных труб, и частично размещённый в полости
ресивера патрубок, внутренний динамический срез которого расположен в плоскости,
в которой значения уровней колебаний звуковых давлений газового объёма, заключенного в полости ресивера, на низшей резонансной собственной продольной форме минимальны, а наружный срез подключен к системам воздухоочистки (воздухоочистителю) и регулирования воздухоподачи (корпусу дроссельной заслонки, расходомеру).
К очевидным недостаткам рассмотренной выше конструкции ДВС следует отнести следующее.
Применяемые в конструкции корпуса ресивера, как правило, относительно тонкие стенки (боковые и торцевые) не обеспечивают, в ряде случаев, ему достаточной изгибной жёсткости и являются по этой причине легко виброшумовозбудимыми, что приводит к интенсивному генерированию названными стенками структурного (корпусного) шума, в особенности, на собственных частотах колебаний стенок. Расположение внутреннего среза патрубка в полости ресивера по известному техническому решению, хотя и является оптимальным с точки зрения геометрической акустики (ослабления и передачи возбуждения низших собственных мод воздушной полости ресивера), но не является оптимальным с точки зрения качественной газодинамики (наполнения) всасываемого в цилиндры ДВС воздушного
заряда. Это, в частности, следует из фиг.1 графической части описания (направление засасываемого воздушного потока здесь показано стрелками). Видно, что во впускные трубы 4 и 5 засасываемый воздушный поток поступает плавно, при малом угле поворота воздушного потока, а во впускные трубы 6 и особенно 7 - засасываемый воздушный поток попадает резко изменив своё направление, причём последующее направление воздушного потока меняется на противоположное начальному направлению. Это приводит в том числе и к интенсивному вихреобразованию, турбулизации воздушного потока, росту гидросопротивлений и другим нежелательным физическим явлениям, отрицательно сказывающимся на работе ДВС.
Решение технической задачи по устранению вышеуказанного конструктивного недостатка достигается путём целенаправленного изменения конструкции внутреннего патрубка и геометрии внутренней полости корпуса ресивера.
Сущность полезной модели заключается в том, что в известном многоцилиндровом ДВС, содержащем, в частности, головку цилиндров с впускными отверстиями, в которых установлены впускные клапаны, впускной коллектор, включающий впускные трубы, отходящие непосредственно от впускных отверстий и выходящие в общий газосборный ресивер, боковая стенка которого снабжена присоединительными отверстиями для упомянутых впускных труб, и частично размещённый в полости ресивера патрубок, внутренний свободный динамический срез которого расположен в плоскости, в которой значения уровней колебаний звуковых давлений газового объёма, заключенного в полости ресивера, на низшей резонансной собственной продольной форме минимальны, а наружный срез патрубка подключен к магистрали с элементами воздухоочистки и регулирования воздухоподачи, часть патрубка, размещённая внутри полости корпуса ресивера, образована частично боковой стенкой корпуса ресивера, частично его торцевой стенкой и выполнена изогнутой, таким образом, что внутренний свободный динамический срез патрубка обращён в сторону выходных отверстий впускных труб впускного коллектора, при этом площадь поперечных сечений изогнутого участка патрубка составляет не менее величины площади поперечного сечения внутреннего свободного среза патрубка.
Корпус ресивера и патрубок ресивера могут быть выполнены в виде единого неразборного монолитного блока (отлитого или сборного из отдельных частей). Т.е. корпус ресивера и патрубок ресивера в этом случае, например, выполняются в виде двух деталей, неразъёмно соединённых одним из известных технологических приёмов, например, сваркой, клеем. В другом варианте конструктивного исполнения корпус ресивера и патрубок могут быть выполнены в виде единой монолитной детали, что может быть достигнуто путём литья, горячего формования. Корпус ресивера и патрубок предпочтительно выполняются из полимерного материала. На отдельных элементах структуры наружных и/или внутренних поверхностей стенок корпуса ресивера могут быть выполнены рёбра жёсткости.
Сущность полезной модели поясняется на чертежах.
На фиг.1 показано поперечное сечение корпуса ресивера по оси патрубка.
На фиг.2 показано продольное сечение корпуса ресивера по осям впускных труб.
Многоцилиндровый две содержит головку цилиндров с впускными отверстиями, в которых установлены впускные клапаны, впускной коллектор с впускными трубами 1, отходящими непосредственно от впускных отверстий и выходящими в общий газосборный ресивер 2, боковая стенка 3 которого снабжена присоединительными отверстиями 4 для упомянутых впускных труб, и частично размещённый в полости -Пресивера внутренний патрубок 5 ресивера 2, внутренний свободный динамический срез 6 которого расположен в плоскости Х-Х, в которой значения уровней колебаний звуковых давлений газового объёма, заключенного в полости -П- ресивера, на низшей резонансной собственной продольной форме (моде) минимальны, а наружный срез 7 подключен к магистрали с элементами воздухоочистки и регулирования воздухоподачи. Часть 8 внутреннего патрубка 5, размещённая внутри полости корпуса ресивера, образована частично наружной боковой стенкой 3 корпуса ресивера, а частично его торцевой стенкой 9, и выполнена изогнутой таким образом, что внутренний свободный динамический срез 6 внутреннего патрубка 5 обращён в сторону присоединительных отверстий 4 впускных труб 1, при этом площадь поперечных сечений изогнутых участков патрубка 5 составляет не менее величины площади поперечного сечения внутреннего свободного среза 6.1 патрубка 5.
Корпус ресивера 2 и патрубок 5, для обеспечения более высокой жёсткости конструкции, могут быть выполнены в виде единого неразборного монолитного блока. Т.е. корпус ресивера и патрубок в этом случае выполняются в виде двух деталей, неразъёмно соединённых одним из известных технологических приёмов, например, сваркой, клеем. В другом варианте конструктивного исполнения корпус ресивера 2 и патрубок 5 могут быть выполнены в виде единой монолитной детали, что может быть достигнуто путём литья, горячего формования. Корпус ресивера и патрубок могут быть выполнены из полимерного материала. На отдельных фрагментах наружных и/или внутренних поверхностей стенок корпуса ресивера могут быть выполнены рёбра жёсткости.
Работает предлагаемый многоцилиндровый ДВС обычным образом.
Открытие впускного клапана (клапанов) в одном из цилиндров ДВС вызывает перепад давления до и после клапана (в цилиндре двигателя по отношению к окружающей среде). Пульсации воздуха и упругие волны разрежения-сжатия воздушной среды, заполняющей трассу системы впуска, со скоростью звука распространяются по направлению от впускного клапана к открытому срезу патрубка воздухоочистителя, а также в направлении всех свободных отводных тупиковых впускных труб с закрытыми впускными клапанами. Т.е. образуется звуковое газодинамическое поле многократно отражающихся упругих волн в сложном геометрическом объёме впускной системы, с утечкой (излучением) энергии этих упругих волн в окружающую среду через свободно открытый срез воздухозаборного патрубка воздухоочистителя в виде звука.
В рассматриваемом многоцилиндровом ДВС часть 8 внутреннего патрубка 5, размещённая внутри полости корпуса ресивера, образована частично наружной боковой стенкой 3 корпуса ресивера, а частично его торцевой стенкой 9, и выполнена изогнутой таким образом, что внутренний свободный динамический срез 6 внутреннего патрубка 5 обращён в сторону присоединительных отверстий 4 впускных труб 1. Это дополнительно приводит к увеличению изгибной жёсткости и ослаблению структурного звука, производимого корпусом ресивера. Особенно актуально это для конструкции ресивера изготовленного из полимерной с низким модулем Юнга
структуры. Одновременно с этим, достигается более равномерное распределение и наполнение по цилиндрам ДВС воздушного заряда при всасывании, поскольку динамический срез 6 сориентирован в сторону всех присоединительных отверстий 4 впускных труб 1. Площадь проходных поперечных сечений изогнутого участка патрубка составляет не менее величины площади поперечного сечения внутреннего свободного среза патрубка 6, поэтому не происходит увеличения гидросопротивлений всасываемого в ДВС потока воздуха.
Фиг.З и фиг.4 иллюстрируют акустическую эффективность использования заявляемого устройства в сравнении с штатной конструкцией ресивера системы впуска ДВС (без изогнутого внутреннего патрубка 5). Как следует из предоставленных результатов эксперимента, выполненного на 4-х цилиндровом ДВС рабочим объемом 1,5 литра на режиме полной нагрузки двигателя, использование заявляемого устройства позволяет уменьшить общие уровни шума всасывания ДВС на 3 дБА, что соответствует 2-х кратному уменьшению звуковой энергии за счет ослабления излучения звуковой энергии на низших собственных модах воздушной полости ресивера (1000... 1600 Гц) на  10... 11 дБ, что соответствует десятикратному ослаблению звуковой энергии.
Фиг 5 и 6 иллюстрирует влияние использования заявляемого устройства в сравнении со штатной конструкцией ресивера системы впуска ДВС (без изогнутого внутреннего патрубкаб) на эффективные показатели двигателя - крутящий момент на коленчатом валу Me и эффективную мощность Ne. Как следует из результатов эксперимента, выполненного на 4-х цилиндровом ДВС рабочим объемом 1,5 литра на режиме полной нагрузки двигателя, использование заявляемого устройства позволяет увеличить максимальное значение крутящего момента на 4 н.м. (на 4%) и эффективной мощности - на 1,5 кВт (на 1%)
Практическая реализация предлагаемой полезной модели отличается технологической простотой, высокой надёжностью и эффективностью.