УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАДДУВА V-ОБРАЗНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
BOOSTING DEVICE OF V-SHAPED INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к устройствам для наддува двигателей внутреннего сгорания (ДВС), использующим энергию колебательных процессов в системах впуска.
Известны двигатели внутреннего сгорания с V-образным расположением цилиндров (два-четыре цилиндра в блоке), оснащенные газотурбинным наддувом от двух свободных турбокомпрессоров (ТКР), установленных по одному на каждый блок двигателя и закрепленных на двух его выпускных коллекторах на внешних сторонах головок блоков, и с осями вращения ТКР, параллельными оси вращения коленчатого вала двигателя.
Впускные коллекторы в таких известных ДВС, расположенные внутри развала между блоками цилиндров, подсоединяются к выходу сжатого воздуха из двух компрессорных ступеней ТКР трубопроводами одинаковой длины и внутреннего диаметра, а два входа воздуха в ТКР объединяются одним трубопроводом, в который окружающий атмосферный воздух поступает через тройник, расположенный на одинаковом расстоянии от входов в ТКР.
Такое расположение тройника делит систему впуска и потоки воздуха в ней на две одинаковые симметричные половины по длинам и диаметрам трубопроводов, ее образующих, и создает условия для организации в каждой из половин системы резонансного эффекта с целью повышения напорности на пониженных частотах вращения двигателя.
Одно из таких известных решений на примере V-образного шестицилиндрового двигателя описано в Патенте JP 63124825 (Япония) [1] и взято в качестве прототипа предлагаемого устройства.
Известное решение по Патенту JP 63124825 как пример сочетания газотурбинного наддува с резонансным эффектом применительно к V-образному двигателю внутреннего сгорания с расположением выпускных коллекторов и соответственно турбокомпрессоров вне развала между блоками приводит к необходимости создания сомкнутой кольцевой системы трубопроводов с неизбежным увеличением длины трубопроводов и числа их поворотов и соответственно повышением аэродинамических потерь, а также утяжелению системы из-за повышенной металлоемкости. Тройник-разветвление с его явно выраженным поворотом на 90° дополнительно способствует увеличению общего уровня аэродинамических потерь давления воздуха в системе. Кольцевой принцип организации резонансных трубопроводов сопровождается общим ростом их длины, что входит в противоречие с тенденцией повышения частоты вращения современных ДВС, при которой длина резонансных трубопроводов должна быть тем короче, чем выше частота вращения двигателя.
Задача, таким образом, состоит в том, чтобы, сохраняя общий принцип совмещения газотурбинного и резонансного наддува применительно к V-образному двигателю внутреннего сгорания, существенно снизить внутренние аэродинамические потери в устройстве и привести общую длину резонансных трубопроводов в соответствие с тенденцией повышения частот вращения современных ДВС.
Поставленная задача решается тем, что выпускные коллекторы с установленными на их торцах ТКР с осями параллельно оси вращения коленчатого вала располагаются внутри развала между блоками цилиндров, а кольцевая система резонансных трубопроводов заменяется на разомкнутую линейную систему трубопроводов с использованием ресивера-отражателя вместо тройника.
Такой переход от кольцевых резонансных трубопроводов к линейным и замена тройника ресивером-отражателем сокращает число поворотов воздушного потока до минимума, а общая длина линейных резонансных трубопроводов согласуется с частотами вращения ДВС при существенном снижении аэродинамических потерь в системе.
Совокупность существенных признаков заявляемого изобретения достаточна и необходима для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата. Для пояснения сущности предлагаемого изобретения ниже приводится пример его исполнения со ссылкой на прилагаемый чертеж на Фиг.1, где:
- изображена конструктивная схема устройства для наддува V-образного двигателя внутреннего сгорания 1 с расположением выпускных коллекторов 2 внутри развала между блоками цилиндров 3. На торцевых концах выпускных коллекторов 2 закреплены турбокомпрессоры 6, оси которых параллельны оси вращения коленчатого вала двигателя 1. Впускные коллекторы 4 расположены вне развала блоков цилиндров 3 и соединены с компрессорными ступенями турбокомпрессоров 6 резонансными трубопроводами 5, а входы в компрессорные ступени объединены общим ресивером-отражателем 7.
Из Фиг.1 следует, что двигатель 1 имеет две симметричные разомкнутые линейные впускные системы с резонансными трубопроводами 5 одинаковой длины, подключенные к турбокомпрессорам 4, которые имеют на входах в компрессорные ступени общий ресивер-отражатель 7 с определенным объемом.
Устройство работает следующим образом.
В результате периодического всасывающего действия поршней 3 на тактах впуска в каждой из двух половин системы трубопроводов на участках «впускной коллектор 4 - ресивер-отражатель 7» возникают вынужденные продольные колебания давления в столбах воздуха, которые при определенных длинах и диаметрах трубопроводов 5 преобразуются в собственные колебания, резонансно усиленные и соотносящиеся с определенной частотой вращения двигателя 1.
Из общих положений акустики [2] известно, что в трубопроводе, открытом с одного конца и закрытом с другого, собственные колебания столба воздуха, в нем заключенного, преобразуются в стоячие волны давления и объемной скорости. Причем на закрытых концах системы (в впускных коллекторах 4) стоячая волна давления имеет пучность (максимальные изменения давления) и узел (отсутствие) колебаний объемной скорости (нулевую скорость). Наоборот, у открытого конца системы, (в рассматриваемом случае - у ресивера-отражателя 7) объемная скорость имеет пучность (максимальное изменение скорости), а давление имеет узел (отсутствие изменения давления).
Если максимальная избыточная волна давления на закрытых концах системы (то есть в районе расположения цилиндров 3, подключенных к впускным коллекторам 4) приходится каждый раз на конец такта впуска в одном из цилиндров, то из этой волны давления в цилиндр поступает добавочное количество воздуха и осуществляется так называемый газодинамический или резонансный наддув.
Открытые концы резонансных трубопроводов 5, подключенные через проточные части турбокомпрессоров 6 к ресиверу-отражателю 7, оперируют с максимумами объемной скорости, которые приходят к нему в противофазе (в одном конце скорость направлена в ресивер-отражатель 7, а в другом конце в тот же момент времени из ресивера-отражателя 7), что делает, в целом, работу системы автономной, с перетеканием импульса скорости из одного конца трубопровода 5 в другой без его излучения за пределы ресивера-отражателя 7.
Переход к линейной системе резонансных трубопроводов 5 в предлагаемом устройстве приводит к существенному снижению аэродинамических потерь в воздушном потоке, который делает практически единственный вынужденный поворот в месте подключения резонансных трубопроводов 5 к впускным коллекторам 4. Остальные повороты воздушного потока естественны и происходят внутри компрессорных ступеней турбокомпрессоров 6 и в ресивере-отражателе 7.
Переход к укороченной линейной системе расположения резонансных трубопроводов 5 позволяет также упростить согласование резонансных режимов работы устройства с частотами вращения двигателя 1 при имеющейся тенденции повышения частот вращения современных ДВС и компенсировать падение напорности устройства в требуемых областях его работы.
Следует заметить, что описанный колебательный процесс, в том числе и местное изменение объемной скорости, развивается и происходит на фоне постоянного наличия массовой скорости физического перемещения воздуха по системе впуска в результате потребления его двигателем.
В целом, предлагаемое устройство в системе наддува V-образного двигателя внутреннего сгорания продолжает оставаться совмещением газотурбинного наддува с резонансным, при котором последнее позволяет поднять общую напорность на пониженных частотах вращения двигателя за счет следующих отличий от принятого прототипа:
- размещение выпускных коллекторов внутри развала блоков цилиндров V-образного двигателя;
- замена сомкнутых кольцевых резонансных трубопроводов на разомкнутые линейные резонансные трубопроводы с понижением до минимума количества поворотов в них воздушного потока;
- применение общего ресивера-отражателя, подключенного к входам воздуха в турбокомпрессоры, установленные на выпускные коллекторы, по одному турбокомпрессору на каждый из двух блоков цилиндров.
Новым существенным признаком предлагаемого решения является применение разомкнутых линейных симметричных резонансных трубопроводов, соединяющих впускные коллекторы, установленные вне развала V-образного ДВС, с общим ресивером-отражателем через компрессорные ступени турбокомпрессоров, по одному турбокомпрессору на каждый блок цилиндров двигателя.
На Фиг.2 приведен результат экспериментальной проверки работы предлагаемого устройства с разомкнутой линейной симметричной системой резонансного наддува.
Как видно из Фиг.2, устройство обеспечивает подачу дополнительного количества воздуха в районе максимального крутящего момента, то есть в области пониженных частот вращения наддуваемого двигателя, о чем свидетельствует рост суммарного коэффициента наполнения Кнап в указанном частотном и нагрузочном диапазоне работы.
Использование предлагаемого устройства повышает эффективность работы системы наддува за счет существенного снижения аэродинамических потерь давления за счет снижения количества поворотов воздушного потока до минимума, снижает металлоемкость системы, расширяет диапазон ее применения с учетом тенденции увеличения частот вращения современных ДВС.
Источники информации
1. Патент JP 63124825.
2. М.А.Исакович. Общая акустика. - М.: Наука, 1973.