Многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к многоцилиндровым двигателям внутреннего сгорания с впрыском топлива в цилиндры. Техническим результатом является снижение шума и улучшение наполнения цилиндров. Сущность изобретения заключается в том, что четырехцилиндровый четырехтактный двигатель содержит впускные патрубки, выходящие в газосборный ресивер, и соосно установленный вдоль полости ресивера, закрепленный на его торцевой стенке штуцер, выход которого подключен к системе воздухоочистки и топливоподачи двигателя. Входной динамический срез штуцера расположен в центре тяжести газового объема, заключенного в полости ресивера. Согласно изобретению выходящие в полость ресивера срезы впускных патрубков, чередующиеся в соответствии с установленным порядком работы цилиндров, размещены в противоположных сторонах от плоскости, пересекающей по нормали боковую стенку ресивера и проходящей через центр тяжести объема полости ресивера на расстоянии 1/4L от названной плоскости, где L - длина камеры ресивера. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к многоцилиндровым двигателям внутреннего сгорания с впрыском топлива в 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 объемного расхода воздуха (снизить гидравлические сопротивления) в тракте системы впуска, с целью улучшения наполнения цилиндров, повышения эффективной мощности и экономических показателей 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 Мотор" в заявке 61-244824, F 02 B 27/00, публ. 31.10.86, для снижения пульсаций и шума предлагает использовать два ресивера, параллельно и последовательно подключенных к трассе впускного трубопровода.

Японская фирма "Хонда Мотор" в заявке 63-219866, F 02 M 35/10, публ. 13.09.88, предлагает для снижения шума при всасывании использовать два раздельных воздушных трубопровода, соединяющих воздухоочиститель и ресивер с двумя управляемыми дроссельными заслонками, обеспечивающими закрытие вспомогательного канала на низких оборотах и открытое состояние обоих соединительных трубопроводов на высоких оборотах. Эта же фирма в заявке 61-190159, F 02 M 35/12, публ. 14.01.87, в целях обеспечения шумоглушения в широком диапазоне частот предлагает соединять с впускной трубой два устройства шумоглушения - 1/4 волновой резонатор тупикового типа и резонансную камеру.

В ЕПВ 0278117, F 02 B 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, F 01 B 25/00, публ. 29.12.88, для расширения частотного диапазона эффективной работы дополнительного акустического резонатора предлагает выполнять его конструкцию изменяемого объема, настраиваемого в зависимости от скорости вращения коленвала.

Японская фирма "Ниппон радзиэта" в заявке Японии 62-48047, F 01 M 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, F 16 L 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 двигателя), причем расстояние между стенками камер выбирается определенным образом.

Английское отделение фирмы "Форд Мотор" в заявке Великобритании 2203488, F 02 B 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.

Японская фирма "Ниссан Дзидося" в японской заявке 51-23656, F 02 B 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, F 02 M 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 при их сложении в зоне соединения.

Французской фирмой "Пежо" в патенте Франции 2536792, публ. 22.06.84, заявляется использование сужающей проходное сечение впускной трубы дроссельной шайбы или диффузорной вставки 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 устройства является рост гидравлических сопротивлений впускной системы вследствие заужения проходного сечения 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 и кратные ей нечетные гармоники, т.е. имеется в наличии ограниченное воздействие на отдельных скоростных режимах работы ДВС.

Американское отделение фирмы "Сименс-Бендикс" в патенте США 4907547, F 02 M 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 Мотор" в ЕВП 0376299, F 02 M 35/12, публ. 04.07.90, для подавления газовых пульсаций и шума во впускной системе ДВС предусмотрено использование специального приспособления для подавления каждой из резонансных гармоник пульсаций, кратных λ(0,5+n) длинам резонансных волн пульсаций, где n - целое число, равное нулю или более нуля.

Германской фирмой "Фольксваген" в заявке ФРГ 3742322, F 02 M 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 энергию в упругом материале стенки с высоким внутренним трением материала (резины). К очевидным недостаткам такой системы следует отнести относительную дороговизну устройства, нестабильность эксплуатационных характеристик упругой стенки, малую долговечность, опасность попадания неочищенного воздуха в цилиндры ДВС при повреждении упругой стенки, существенное излучение звука непосредственно "пульсирующей" упругой стенкой и т.п.

Анализируя и обобщая результаты вышеприведенного патентного обзора, следует сделать вывод, что вышеперечисленные устройства улучшения акустических характеристик и снижения газодинамических пульсаций во впускных системах ДВС и соответственно 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 принят ДВС, патент Российской Федерации 2095612, кл. F 02 M 35/10, публ. 10.11.97, бюл. 31, содержащий головку цилиндров с впускными отверстиями, в которых установлены впускные клапаны, снабженные средствами топливоподачи (например, форсунками) впускные патрубки, отходящие непосредственно от впускных отверстий и выходящие в подключенный к системе воздухоочистки и топливоподачи газосборный ресивер, имеющий цилиндрический корпус, ограниченный торцовыми стенками, боковая стенка которого снабжена присоединительными отверстиями для названных патрубков, и установленный в полости ресивера, закрепленный на его боковой стенке штуцер, выход которого подключен к системе воздухоочистки и топливоподачи ДВС, а входной динамический срез расположен в центре тяжести газового объема, заключенного в полости штуцера.

В прототипе имеет место традиционное подключение впускных патрубков к корпусу ресивера в линию, вдоль оси его корпуса, что, несмотря на компактность такого конструктивного решения, приводит к возбуждению продольных собственных мод колебаний воздушного объема, заключенного в полости ресивера, ввиду того, что каждый из выходящих в полость ресивера срезов впускных патрубков при открытии соответствующего впускного клапана создает силовой импульс объемного расхода газа, вектор которого находится на некотором расстоянии относительно центра тяжести названного объема газа. Момент действия этого силового импульса и обеспечивает раскачку продольных акустических форм колебаний воздушного объема в полости ресивера. Возникающая при этом звуковая энергия на этой резонансной акустической моде передается в тракт системы впуска двигателя и излучается в окружающую среду свободным срезом воздухозаборного патрубка.

Техническая задача, связанная с ослаблением динамического возбуждения воздушной полости ресивера, решается путем оптимального расположения срезов впускных патрубков внутри этой полости.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном четырехцилиндровом четырехтактном ДВС с заданным порядком работы цилиндров, содержащем головку цилиндров с впускными отверстиями, в которых установлены впускные клапаны, впускные патрубки, отходящие непосредственно от впускных отверстий и выходящие в газосборный ресивер, боковая стенка которого снабжена присоединительными отверстиями для названных патрубков, и соосно установленный вдоль полости ресивера, закрепленный на его торцевой стенке штуцер, выход которого подключен к системе воздухоочистки и топливоподачи двигателя, а входной динамический срез штуцера расположен в центре тяжести газового объема, заключенного в полости ресивера, выходящие в полость ресивера срезы впускных патрубков, чередующиеся в соответствии с установленным порядком работы цилиндров, размещены в противоположных сторонах от плоскости, пересекающей по нормали боковую стенку ресивера и проходящей через центр тяжести объема полости ресивера, на расстоянии 1/4 длины камеры ресивера от названной плоскости.

Кроме того, при работе цилиндров ДВС по схеме 1-3-4-2 первый и третий срезы и четвертый и второй срезы впускных патрубков предпочтительно могут быть расположены в полости ресивера диагонально. В свою очередь, при работе цилиндров ДВС по схеме 1-2-4-3 первый и второй срезы и четвертый и третий срезы впускных патрубков предпочтительно могут быть расположены в полости ресивера диагонально.

При таком конструктивном исполнении срезы впускных патрубков оказываются расположенными в узловой плоскости колебаний второй продольной низшей собственной формы колебаний воздушного объема, заключенного в полости ресивера (эта форма интенсивно возбуждается динамическим срезом штуцера), и это приводит к тому, что эта мода практически не пропускается впускными патрубками ни в сторону впускных клапанов, ни в сторону системы воздухоочистки и топливоподачи, а в итоге - в окружающую среду. Кроме того, расположение последовательно срабатывающих срезов впускных патрубков (в соответствии с порядком работы цилиндров ДВС) на противоположных равноудаленных расстояниях от центра тяжести объема воздушной полости ресивера, в промежутках перекрытия фаз процессов последующих впусков взаимно компенсирует возбуждающие импульсы, распространяемые в полость ресивера от двух одновременно открытых впускных клапанов.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг.1 показана схема заявляемого ДВС с установленным порядком работы цилиндров 1-3-4-2. На фиг.2 показана схема заявляемого ДВС с установленным порядком работы цилиндров 1-2-4-3.

Четырехцилиндровый четырехтактный ДВС с установленным порядком работы цилиндров содержит головку цилиндров 1 с впускными отверстиями 2, в которых установлены впускные клапаны 3, впускные патрубки 4...7, отходящие непосредственно от впускных отверстий 2 и выходящие в газосборный ресивер 8, боковая стенка которого снабжена присоединительными отверстиями для названных патрубков 4. . .7, и соосно установленный вдоль полости ресивера 8, закрепленный на его торцевой стенке 9 штуцер 10, выход которого подключен к системе воздухоочистки и топливоподачи 11 ДВС, а входной динамический срез 12 штуцера 10 расположен в центре тяжести (ЦТ) газового объема, заключенного в полости ресивера 8. Выходящие в полость ресивера 8 срезы 13...16 соответственно впускных патрубков 4. ..7 попарно размещены в плоскостях Х-Х и Y-Y, по нормали пересекающих боковую стенку ресивера 8 и расположенных от ЦТ на расстоянии 1/4L, где L - длина внутренней полости камеры ресивера 8. При работе цилиндров ДВС по схеме 1-3-4-2 первый 13 и третий 14 срезы, а также четвертый 15 и второй 16 срезы соответствующих впускных патрубков 4...7 расположены в полости ресивера 8 на противоположных сторонах симметрично относительно плоскости Z-Z, проходящей через ЦТ и по нормали пересекающей боковую стенку ресивера 8. При работе цилиндров ДВС по схеме 1-2-4-3 срезы впускных патрубков первого и второго цилиндров, а также четвертого и третьего цилиндров располагаются в полости ресивера 8 на противоположных сторонах симметрично относительно плоскости Z-Z, проходящей через ЦТ и по нормали пересекающей боковую стенку ресивера 8. Дополнительно показаны воздухоочиститель 17 и воздухозаборный патрубок.

Работает ДВС обычным образом.

Открытие впускного клапана 3 (клапанов) в одном из цилиндров ДВС вызывает перепад давления до и после клапана 3 (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 3 к открытому срезу воздухозаборного патрубка 18 воздухоочистителя 17, а также в направлении всех свободных отводных тупиковых каналов (впускных патрубков) трассы впуска с закрытыми впускными клапанами 3. Т.е. образуется звуковое газодинамическое поле многократно отражающихся упругих волн в сложном геометрическом объеме впускной системы, с утечкой (излучением) энергии этих упругих волн в окружающую среду через свободно открытый срез воздухозаборного патрубка 18 воздухоочистителя 17 в виде звука.

Как это уже было отмечено выше, срезы впускных патрубков расположены в узловой плоскости колебаний второй продольной низшей собственной формы колебаний воздушного объема полости ресивера (эта форма интенсивно возбуждается динамическим срезом штуцера). Это приводит к тому, что эта мода практически не пропускается впускными патрубками ни в сторону впускных клапанов, ни в сторону системы воздухоочистки и топливоподачи, а в итоге - в окружающую среду. Одновременно с этим, первая продольная низшая собственная форма колебаний воздушного объема полости ресивера динамическим срезом 12 штуцера 10 не возбуждается, поскольку срез 12 находится в ЦТ объема полости ресивера, что соответствует его размещению в узловой плоскости этой моды колебаний. Кроме того, расположение последовательно срабатывающих срезов впускных патрубков (в соответствии с порядком работы цилиндров ДВС) по обе стороны симметрично относительно плоскости Z-Z позволяет последовательно уравнивать (компенсировать) динамическое возбуждение воздушной полости в моменты перекрытия фаз впуска.

Формула изобретения

1. Четырехцилиндровый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий головку цилиндров с впускными отверстиями, в которых установлены впускные клапаны, впускные патрубки, отходящие непосредственно от впускных отверстий и выходящие в газосборный ресивер, боковая стенка которого снабжена присоединительными отверстиями для названных патрубков, и соосно установленный вдоль полости ресивера, закрепленный на его торцевой стенке штуцер, выход которого подключен к системе воздухоочистки и топливоподачи двигателя, а входной динамический срез штуцера расположен в центре тяжести газового объема, заключенного в полости ресивера, отличающийся тем, что выходящие в полость ресивера срезы впускных патрубков чередующиеся в соответствии с установленным порядком работы цилиндров, размещены в противоположных сторонах от плоскости, пересекающей по нормали боковую стенку ресивера и проходящей через центр тяжести объема полости ресивера на расстоянии 1/4L от названной плоскости, где L - длина камеры ресивера.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что порядок работы цилиндров двигателя соответствует схеме 1-3-4-2, при этом срезы 1, 3 и 4, 2 впускных патрубков расположены в полости ресивера диагонально.

3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что порядок работы цилиндров двигателя соответствует схеме 1-2-4-3, при этом срезы 1, 2 и 4, 3 впускных патрубков расположены в полости ресивера диагонально.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2