Поршневой двигатель внутреннего сгорания с резонансной системой подвода свежего заряда

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я)5 F 02 В 27 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н flATEHTY

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

IlQ ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 3507325/25-06 (22) 20.10.82 (31) 3051/81 (32) 20.10 ° 81 . (33) HU (46) 23.08.90. Бюл . Ф 31 (71) Аутоипари Кутато Интезет (НП) (72) Дьюла Чер (НЩ (53) 621.43.52 (088.8) (56) Патент СССР Ф 539541, кл. F 02 В 27/00, 1972. (54)(57)1.ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С РЕЗОНАНСНОЙ СИСТЕМОЙ

ПОДАЧИ СВЕЖЕГО ЗАРЯДА, содержащий по меньшей мере одну промежуточную емкость, подсоединенную через переходные патрубки к цилиндрам с неперекрывающимися фазами впуска, и подключенный при помощи резонансной трубы к ресиверу, впускное отверстие которого связано с напорным патрубком на— гнетателя наддува, причем длина каждого переходного патрубка в метрах не превышает кратное от деления значения номинальной частоты вращения на число 1500, а объем промежуточной емкости в сумме с объемом переходных

Изобретение относится к машиностроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания с резонансным наддувом.

Известен поршневой двигатель внутреннего сгорания с резонансной системой подачи свежего заряда, содержащий по меньшей мере одну промежуточную емкость> подсоединенную через пере„80„„1588287 А 3 патрубков по меньшей мере в два pasa превышает объем каждого иэ подсоединенных к нему цилиндров, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью обеспечения компактности, резонансная труба по меньшей мере частично выполнена расширяющейся с увеличением сечения, примыкающего к промежуточной емкости, не меньше чем в 1,2 раза над минимальным ее сечением, а расстояние месяцу минимальным ее сечением и противоположной стенкой промежуточной емкости, измеренное по средней линии трубы, выполнено больше диаметра круга, соответствующего сечению, примыкающему к .емкости, 2. Двигатель го п.1, о т л и— ч а ю шийся тем, что удаленный от промежуточной емкости конец трубы выполнен расширяющимся с увеличением сечения не менее чем в 1,2 раза и расстояние от этого сечения до противоположной стенки ресивера, измеренное по средней линии трубы, выполнено больше диаметра круга, соответствующего ему по площади.

1 ходные патрубки к цилиндрам с неперекрывающимися фазами впуска и подключенную при помощи резонансной трубы к ресиверу, впускное отверстие которого связано с. напорным патрубком нагнетателя наддува, причем длина каждого переходного патрубка в метрах не превышает кратное от деления значения номинальной частоты вращения на

1588287 исло 1500, а объем промежуточной емкости в сумме с объемом переходных патрубков по меньшей мере в два раза йревышает объем каждого из подключенных к нему цилиндров, Соотношения размеров системы подачи заряда обесПечивают улучшенное заполнение цииндров не только при частоте вращеия, соответствующей резонансу, но вызывают положительный эффект в шиоком диапазоне частот вращения.

Однако проблема практического исользования известной системы связана компоновкой промежуточной емкости резонансных труб на шестицилиндровом двигателе в приемлемых габаритах.

Цель изобретения — обеспечение компактности. .Для достижения поставленной цели у поршневого двигателя с резонансной системой подачи свежего заряда, содержащего по меньшей мере одну проме, æóòî÷íóþ емкость, подсоединенную че рез переходные патрубки к цилиндрам, с неперекрывающимися фазами впуска и подключенную при помощи резонансной трубы к ресиверу, впускное отверстие которого связано с нагнетательным патрубком нагнетателя наддува, причем длина каждого переходного патруб ка в метрах не превышает кратное от деления значения номинальной частоты вращения на число 1500, а объем про, межуточной емкости в сумме с объемом переходных патрубков по мвиьшей мере в два раза превышает объем каждого из подсоединенных к нему цилиндров, резонансная труба по меньшей мере частично выполнена расширяющейся с увеличением сечения, примыкающего к промежуточной емкости, в 1,2 раза над минимальным ее сечением, а расстояние между максимальным ее сечением и противоположной стенкой промежуточной 4 емкости, измеренное по средней линии трубы, выполнено больше диаметра круга, соответствующего сечению, примыкающему к емкости. Удаленный от резонаторного резервуара конец трубы так же выполнен расширяющимся с увеличением сечения в 1,2 раза и расстояние от ".òîãî сечения до противоположной стенки ресивера, измеренное по средней линии трубы выполнено больше

55 д иаметра круга соответствуюшего ему

Э

1 по площади.

На фиг.1 показан шестицилиндровый четырехтактный двигатель с турбонаддувом и резонансной системой подачи свежего заряда, разрез; на фиг.2 подключенние резонансной трубьг к промежуточной емкости для случая, когда стенки последнего не перпендикулярны к средней линии трубы; на фиг.3 — то же, для перпендикулярного расположения стенок и средней линии трубы.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания выполнен четырехтактным с шестью цилиндрами 1-6, расположенными в ряд с обычной последовательностью зажигания 1-5-3-6-2-4. Б цилиндрах перемещаются поршни 7-12, отделяющие в них рабочий объем. Общий объем двигателя составляет 12 л и объем каж дого цилиндра 2 л. Номинальная частота вращения двигателя 2200 мин " . Цилиндры снабжены впускными клапанами

13-1g при помощи которых каждый цилиндр сообщается с одним из переходных патрубков 19-24. Патрубки своими противоположными сечениями 25-30 подсоединены к промежуточным емкостям

31 и 32. Вследствие указанной последовательности зажигания цилиндры разделены на две группы: цилиндры 1 — 3 и 4 — 6. Угол открытия клапанов 13-18 о выбран равным 240, в результате чего в каждой группе цилиндров фазы впуска не перекрываются. Каждая такая группа цилиндров соединена со своей промежуточной емкостью. Длина переходных патрубков 19 — 24 выбрана равной 0,2 м и, таким образом, меньше величины, определяемой условием

n/1500 = 1,46 м, причем значение и

2200 мин -, а величина 1500 определена экспериментально.

Каждая из емкостей. 31 и 32 подключена при помощи резонансной трубы 33 или 34 с торцовыми сечениями 35-38 к ресиверу 39. Впускное отверстие 40 этого ресивера связано с напорным и,-;трубком 41 нагнетателя 42 наддува.

На фиг.1 представлен нагнетатель с газотурбинным приводом, но привод может быть любым.

Каждая резонансная труба 33 и 34 выполнена с цилиндрическими участками

43 и 44 и двумя расширяющимися участками 45-48, имеющими форму конуса.

Противоположные трубам стенки 49-50 промежуточных емкостей 31 и 32 выполнены с отверстиями для переходных патрубков 19-24 при этом стенка 49 может не быть перпендикулярной средней линии трубы, как показано на i 58828 7 фиг.2. Стенка 51 ресивера 39 может быть перпендикулярна средней линии трубы, как показано на фиг.3, или расположена под острым углом. В случае расположения стенок под углом площадь максимального сечения вычисляется для сечения, ограниченного точками 52 и 53 пересечения продолжения конусов с продолжением стенки.

Радиус 54 скругления не учитывается.

Расстояние между максимальным сечением трубы и противоположной стенкой емкости, измеренное по средней линии

55 трубы, соответствует отрезку 56, заключенному между пересечением средней линии со стенкой 49 и условным сечением трубы. В случае перпендикулярного расположения средней линии и стенки 51 отрезок 57 измерить проще.

Периодическое всасывание цилинд/ ров 1- 3 вызывает колебания столба, свежего заряда в резонансной системе подачи свежего заряда, образованной переходными патрубками 19-22, промежуточной емкостью 31 и резонансной трубой 33, подключенной к этой емкости. Поскольку моменты зажигания в цилиндрах 1-3 смещены Hà 240о поворота коленчатого вала, процессы всасывания поршнями 7-9 в цилиндрах также смещены на 240, т.е. длительность каждого колебательного цикла соответствует углу поворота 240 независимо от мгновенной частоты вращения.

Таким образом, из открывающихся на о

240 клапанов 13-14 один постоянно открыт и сообщает емкость 31 с внутренней полостью цилиндра. На фиг.1 емкость 3f сообщена с цилиндром 1.

В этом случае, например, относя- щемся к полному колебательному циклу, средний объем ципиндра 1, сообщающе.гося с емкостью 31 через впускной клапан 13, соответствует средней алг/ебраической величине мгновенных объемов цилиндра, образующихся в течение угла поворота 240, соответствующего открытию клапана 13. В случае, если длительность открытия клапана 13 меньше, например 200, необо ходимо было бы учитывать изменение объема цилиндра за 200 . Во второй группе цилиндров с промежуточной емкостью 32 сообщен цилиндр 5 и его клапан 17 показан открытым.

В ходе практического использования двигателя возможна ситуация, при которой длительность открытия клапанов

1О

55 3-18 превышает длительность колебательного цикла. В приведенном примере это возможно, если продолжительность открытия клапанов превышает

240, В этом случае с емкостью сообщаются одновременно два цилиндра.

Во всех случаях объем одного из цилиндров, например цилиндра 1, объем двух других патрубков 20 и 21, сообщенных с емкостью 31 при закрытых клапанах 14 и 15, а также объем емкости 31 образуют резонирующее пространство V. В рассматриваемом случае объем этого пространства равен 10 л.

Подобным образом объем цилиндра 5, патрубка 23, а также объемы патрубков

22 и 24 в совокупности с объемом емкости 32 образуют другое резонирующее пространство того же объема V = 10л .

Минимальные поперечные сечения цилиндрических участков 43 и 44 каждой резонансной трубы выполнены равными по 46 см . Величина каждого из максимальных сечений расширяющихся участков 45-48 превышает по меньшей мере в 1,2 раза сечение цилиндрического участка, и его цифровое значение в данном примере составляет 25,6 см .

Длина резонансных труб 33 и 34 между сечениями 35 и 37 или 36 и 38 (включая длины расширяющихся участков) выбирается таким образом, чтобы резонансная система была наиболее эффективной при частоте вращения менее половины номинальной, для рассматривае- мого примера для n = 1000 мин-", Для этой цели длина каждой резонансной трубы должна соответствовать величи-. не 0,73 м или ее объем при названных сечениях 1,2 л. Таким образом, объем резонаторного пространства в 8,4 раза больше объема резонаторной трубы 33 или 34.

Для обеспечения благоприятных усло» вий течения газа расстояние 56 между противоположной стенкой и максимальным сечением трубы выполнено больше диаметра круга, соответствующего площади этого сечения, в данном случае

0,08 м. Аналогичным образом у емкости

32 расстояние, измеренное по линии 55, также составляет 0,08 м.

В успокоительной емкости также для обеспечения благоприятных условий течения свежего заряда расстояние от противоположной стенки до максимального сечения каждой резонансной трубы выполнено равным 0,08 м.

1588287

Переходные патрубки 19 — 24 могут быть иными, так как возможна конструкция двигателя беэ клапанов 13-18. В этом случае промежуточная емкость мо5 жет подключаться непосредс твен но к, впускным отверстиям цилиндров.

В отличие от приведенного примера необязательно, чтобы поперечное сечение расширяющихся участков 45-48 уве10 . личивалось. Эффект можно получить и в том случае, если общее увеличение сечения складывается из нескольких расширяющихся участков, чередующихся с участками постоянного поперечного сечения. Такой же эффект можно достигнуть, если между расширяющимся участком и торцом трубы выполнен

: участок постоянного сечения.

Обязательным условием является, 2< чтобы концы обеих резонансных труб 33 и 34 имели одинаковое конструктивное

1 выполнение как со стороны резонаторного объема, так и со стороны успокоительной емкости. 25

Двигатель работает следующим образом.

Вследствие периодического всасывания в цилиндры 1-3 возникают колебания давления в резонансном пространстве, соответствующем сумме объемов промежуточной емкости 31, патрубков

19 — 21 и сообщающемся с промежуточной емкостью внутренней полостью цилиндра 1 (в положении, показанном на фиг.1). Ввиде того, что наиболее удаленные точки резонаторного простран-; ства — резервуар 31 и цилиндр 1 связаны патрубком, максимальная длина которого равна 1500/и, давление во всем резонансном пространстве изменяется одинаково и существенное сме-,щение фаз не возникает, Периодические изменения давления в емкости"ускоряют и замедляют движе- 45 ние свежего заряда в трубе 33. Под воздействием колебаний осуществляется ускоренное течение свежего заряда в первой половине впуска в направлении резонаторного резервуара 31 и за счет колебаний в трубе 33 повышается величина кинетической энергии свежего заряда. Разогнанный в резонансной трубе 33 столб свежего заряда обуславливает такое заполнение резонансного пространства во второй половине процесса впуска, при котором происходит существенное увеличение давления и, следовательно, наполнение цилиндра

1 свежим зарядом. На участке 43 трубы 33 в минимальном ее сечении, уменьшенном на 30-70 по сравнению с постоянным сечением трубы, развиваются сравнительно высокие скорости, и по этой причине необходимый уровень кинетической энергии может быть достигнут и при относйтельно небольшой длине резонансной трубы 33. Возникающая на участке 43 с минимальным сечением высокая скорость снижается на расширяющемся участке и таким путем goñòèгается повторное преобразование скорости движения заряда в давление. По этой причине необходимая для создания значительной энергии высокая скорость движения газа не теряется при входе в емкость 31, а может быть в значительной мере восстановлена и при этом уменьшаются потери энергии. Отрицательное влияние от увеличения сечения участков 45 н 47 устраняется за счет того, что объем резонансного пространства выбирают существенно большим по сравнению с. объемом заряда в трубе 31, в примере объем резонансного пространства больше в 8,4 раза.

В результате того, что в резонансном пространстве заключен большой объем протекающего свежего заряда,в сече.ниях 35 и 37 трубы не происходит скачкообразное изменение давления, соответственно возникающее в поперечных сечениях участков 45 и 47, отраженные

-волны не велики и их влиянием можно пренебречь, Таким образом использование резонансной трубы, поперечное сечение которой не постоянно, позволяет достигнуть столь же высокую эффектив ность, как и при использовании системы с постоянным сечением трубы.

Остаток кинетической энергии замедленного потока, выходящего из сечения 35 трубы, также используется для улучшения заполнения резонансного пространства, благодаря подбору расстояния между срезом трубы и противоположной стенкой емкости. Величина кинетической энергии потока, выходящего из сечения 35., достаточна для того, чтобы обеспечить передачу заряда в отдаленные участки емкости без дополнительных затрат энергии. Эффект повышается при уменьшении минимального сечения трубы 31 и при увеличении расширения на участке 45. На основании многочисленных экспериментов установлено, что максимальный эф1588287

10 фект достигается при увеличении сечения расширяющейся части по меньшей мере в 1,2 раза. При увеличении сечения в 1,Ь раз удалось добиться такого уменьшения поперечного сечения трубы, что для достижения резонанса, согласованного с низкой частотой вращения (1 000 мин - ) потребовалась длина трубы 33, равная всего 0,73 мм. Подобный эффект при трубе постоянного сечения соответствует длине трубы на

507. больше. Уменьшение длины трубы 33 позволяет уменьшить объем емкости 31 примерно на 30-40Х. Однако снижение объема Ч не должно сопровождаться его уменьшением ниже величины в 2,5 раза меньше объема резонансной трубы, вследствие увеличения влияния отраженных волн. Колебания заряда из области сечений 37 или 38 могут распространяться по емкости 39 и через входное отверстие 40 проникать к нагнета телю 42, оказывания влияние на его работу.

Таким образом выполнение каждой резонансной трубы с расширяющимися концами позволяет существенно уменьшить размеры элементов резонансной системы подачи заряда и тем самым обеспечить компактность двигателя..1 588287

Составитель М.Файн

Техред JI.Îëèéíûê

Редактор Н.Яцола

Корректор А.Осауленко

«>

Заказ 2429 Тираж 437 Подписноее

ВНИИПИ Государственного комитета ио изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Ужгород, ул,. Гагарина, 101