Способ и устройство гибридного акустического наддува двигателя
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройству впускных систем двигателей внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, один дополнительный акустический излучатель, связанный с системой формирования амплитудно-частотных характеристик активного акустического наддува и излучающий звук в систему впуска двигателя таким образом, чтобы достичь максимального эффекта усиления давления потока газа при поступлении заряда газовоздушной смеси в цилиндр двигателя при впуске либо разрежения вблизи выпускного клапана в конце процесса выпуска в момент перекрытия клапанов путем интерференции или суперпозиции волн давления основного воздушного потока, поступающего в систему впуска, и звукового давления, создаваемого устройством акустического наддува, при этом необходимые для достижения эффекта амплитудно-частотные характеристики излучателя звука вырабатываются системой формирования амплитудно-частотных характеристик активного акустического наддува и подаются на излучатель в заданный момент времени, при этом геометрические, акустические и иные характеристики элементов системы впуска двигателя подобраны таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность наддува в сочетании характеристик данных пассивных элементов с активным акустическим излучением или путем гибридного акустического наддува, при этом вышеназванное устройство наддува связано с датчиком режима работы двигателя, а активный излучатель звука имеет такое местоположение и такие акустические характеристики, что в сочетании с характеристиками пассивных элементов системы впуска двигателя внутреннего сгорания при максимальном эффекте наддува обеспечиваются минимальные энергозатраты на формирование активного акустического излучения, максимальная помехозащищенность к воздействию внешних факторов, отсутствие нежелательных резонансных и других негативных явлений, снижающих эффективность наддува. Активный акустический излучатель может излучать звук во впускной коллектор через дополнительные трубопроводы с характеристиками, необходимыми для получения максимального эффекта наддува. Изобретение обеспечивает повышение эффективности наддува. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, преимущественно к устройству впускных систем двигателей внутреннего сгорания.
Известны устройства агрегатного наддува для двигателей внутреннего сгорания для увеличения количества свежего заряда горючей смеси, подаваемой в ДВС, за счет давления поступающего в цилиндр воздуха или смеси, см., например, "Автомобильные двигатели", учебник для вузов под ред. М.С.Ховаха, М.: "Высшая школа", 1977, с.211; и безагрегатного акустического (волнового) наддува двигателя внутреннего сгорания, например, авторское свидетельство СССР №1615409, МКИ F 02 В 27/00, 23.12.1990, бюл. №47, для которой повышение наполнения цилиндра двигателя достигается путем подбора конструкционных параметров газовоздушного тракта и возникающих при этом волновых явлений. Система содержит настроенные впускные трубопроводы, соединительный патрубок и дополнительную емкость резонансной длины, в канале подключения которой установлена заслонка, кинематически связанная с органами топливоподачи и датчиком частоты вращения двигателя. Система обеспечивает увеличение коэффициента наполнения и значительный прирост расхода воздуха, что позволяет повысить эффективность впуска.
В настоящее время для серийно выпускаемых автомобильных двигателей наиболее распространенным является агрегатный наддув, преимущественно с использованием турбокомпрессоров. Он обладает рядом недостатков: высокие механические и тепловые нагрузки, дополнительная масса, необходимость использования дополнительного устройства охлаждения и др. Традиционный безагрегатный акустический наддув (пассивный наддув) также имеет недостатки. Эффективность пассивного акустического наддува определяется, главным образом, рациональным подбором параметров впускной системы. Использование впускных и дополнительных трубопроводов с необходимыми геометрическими размерами ведет к компоновочным трудностям, так как необходимо дополнительное пространство для размещения. Дополнительная масса ведет к увеличению общего веса автомобиля. Отсутствует возможность направленного формирования акустических полей разнообразной формы для обеспечения повышенных давлений и скоростей потока воздуха перед открытым клапаном и достижения максимальной эффективности наддува и др.
В значительной мере этих недостатков лишено выбранное в качестве прототипа устройство для акустического (волнового) наддува двигателя внутреннего сгорания (устройство активного акустического наддува), описанное в статье Васильева А.В. и Шилова Д.А. “Устройство активного акустического наддува автомобильных ДВС”, опубликованной в открытой печати в сборнике трудов Всероссийской научно-практической конференции “Промышленная и экологическая безопасность как условие обеспечения качества продукции и услуг”, Тольятти, 27-28 марта 2002 г., с.194-200, содержащее впускной трубопровод и подводящие к цилиндрам патрубки, при этом во впускной трубопровод вмонтирован по меньшей мере один излучатель звука, связанный с электронным блоком управления и излучающий звук в пространство впускного трубопровода таким образом, чтобы достичь максимального эффекта усиления давления потока газа при поступлении заряда газовоздушной смеси в цилиндр двигателя при впуске либо разрежения вблизи выпускного клапана в конце процесса выпуска в момент перекрытия клапанов путем интерференции волн давления основного воздушного потока, поступающего в систему впуска, и звукового давления, создаваемого устройством акустического наддува. Необходимые для достижения эффекта амплитудно-частотные характеристики излучателя звука вырабатываются электронным блоком управления и подаются на излучатель в заданный момент времени.
При использовании данного устройства акустический наддув осуществляется с помощью компактных маловесных активных излучателей звука, позволяющих создавать акустическое излучение с необходимыми для достижения максимальной эффективности наддува характеристиками звукового давления.
В свою очередь, выбранное в качестве прототипа устройство имеет следующие недостатки: во-первых, не учитываются геометрические и акустические характеристики элементов системы впуска двигателя внутреннего сгорания, что ведет к недостаточно полному использованию эффекта акустического наддува, а также возможным резонансным явлениям во впускном коллекторе; во-вторых, устройство-прототип требует высоких энергозатрат на формирование активного излучения для акустического наддува; в-третьих, не продуман механизм механозащищенности активного излучателя от воздействия внешних факторов (температура, вибрация, агрессивные химические компоненты, влажность и др.) при работе в реальных условиях эксплуатации транспортного средства и др.
Цель изобретения - повышение эффективности наддува двигателя внутреннего сгорания.
Сущность изобретения заключается в том, что акустический (волновой) наддув двигателя внутреннего сгорания заключается в излучении звука в систему впуска двигателя и усилении давления потока газа при поступлении заряда газовоздушной смеси в цилиндр двигателя, при этом звуковой сигнал излучают при впуске либо при разрежении вблизи выпускного клапана в конце процесса выпуска в момент перекрытия клапанов, а усилие потока обеспечивают путем интерференции и/или суперпозиции волн давления основного потока воздушной смеси, поступающего в систему впуска и звукового давления, создаваемого устройством акустического наддува, при максимальном или близком к максимальному значении угла открытия дроссельной заслонки.
Устройство гибридного акустического наддува двигателя внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, один акустический излучатель, связанный с системой формирования амплитудно-частотных характеристик акустического наддува и излучающий звук в систему впуска двигателя, при этом устройство наддува связано с датчиком режима работы двигателя, причем акустический излучатель излучает звук через дополнительные трубопроводы при впуске либо при разрежении вблизи выпускного клапана в конце процесса выпуска в момент перекрытия клапанов, при максимальном или близком к максимальному значению угла открытия дроссельной заслонки.
Акустический излучатель выполнен в виде громкоговорителя, а датчик режима работы двигателя выполнен в виде элемента, фиксирующего угол открытия дроссельной заслонки.
Система формирования амплитудно-частотных характеристик акустического наддува содержит датчик отключения, срабатывающий при режимах работы двигателя, отличных от режима разгона.
Заявляемое устройство приобретает название “устройство гибридного акустического наддува”.
Активный акустический излучатель (излучатели) может излучать звук во впускной коллектор через дополнительные трубопроводы с характеристиками, необходимыми для получения максимального эффекта наддува при сочетании с акустическими характеристиками активного излучателя и пассивных элементов системы впуска двигателя внутреннего сгорания, например размеров внутреннего диаметра и длины впускного трубопровода и подводящих патрубков и др.
Количество и расположение активного акустического излучателя (излучателей) определяется для конкретной системы впуска экспериментально, с учетом обеспечения максимального эффекта наддува в сочетании с характеристиками пассивных элементов системы впуска.
Активный акустический излучатель может быть выполнен в виде громкоговорителя, а датчик режима работы двигателя может быть выполнен в виде элемента, фиксирующего угол открытия дроссельной заслонки.
Система формирования амплитудно-частотных характеристик активного акустического наддува может содержать датчик отключения, срабатывающий при режимах работы двигателя, отличных от режима разгона.
На фигуре 1 представлена общая схема системы впуска одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, содержащая устройство гибридного акустического наддува.
На фигуре 2 показана схема конструктивного исполнения устройства гибридного акустического наддува, содержащего дополнительные трубопроводы.
На фигуре 3 показана сравнительная эффективность повышения давления газовоздушной вмеси на основной частоте работы двигателя в режиме разгона при пассивном, активном и гибридном акустическом наддуве.
Двигатель внутреннего сгорания содержит воздухозаборный патрубок 2 с открытым концом 1, воздухоочиститель 3, впускной патрубок 4, датчик режима работы двигателя (например, фиксирующий угол открытия α дроссельной заслонки) 5, карбюратор 6, по меньшей мере один активный излучатель звука - источник активного акустического наддува (например, громкоговоритель) 7, систему формирования амплитудно-частотных характеристик активного акустического наддува 8, впускное окно 9, головку цилиндра 10, корпус цилиндра 11, впускной клапан 12, цилиндр 13, поршень 14 и шатун 15.
Активный излучатель (излучатели) звука может (могут) излучать звук во впускной коллектор через дополнительные трубопроводы 16.
Заявляемый способ заключается в том, что акустический (волновой) наддув двигателя внутреннего сгорания осуществляется с использованием устройства, содержащего по меньшей мере один акустический излучатель (активный источник), связанный с электронным блоком управления и излучающий звук в систему впуска двигателя таким образом, чтобы достичь максимального эффекта усиления давления потока газа при поступлении заряда газовоздушной смеси в цилиндр двигателя при впуске либо разрежения вблизи выпускного клапана в конце процесса выпуска в момент перекрытия клапанов путем интерференции и (или) суперпозиции волн давления основного воздушного потока, поступающего в систему впуска, и звукового давления, создаваемого устройством акустического наддува, при этом геометрические, акустические и иные характеристики элементов системы впуска двигателя внутреннего сгорания подобраны таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность наддува в сочетании характеристик данных пассивных элементов с активным акустическим излучением:
где PΣmax - максимально достижимая величина давления, создаваемого при поступлении заряда газовоздушной смеси в цилиндр двигателя при впуске либо разрежения вблизи выпускного клапана в конце процесса выпуска в момент перекрытия клапанов, достигаемая путем гибридного акустического наддува;
P1max - максимально достижимая величина звукового давления, получаемая при использовании устройства активного акустического наддува;
Р2mах - максимально достижимая величина звукового давления, получаемая при использовании пассивного акустического наддува.
Заявляемое устройство гибридного акустического наддува работает следующим образом. В начале такта впуска поток газовоздушной смеси поступает в систему впуска двигателя внутреннего сгорания через открытый конец 1 воздухозаборного патрубка 2, проходит воздухозаборный патрубок 2, воздухоочиститель 3, впускной патрубок 4 и другие элементы системы впуска и через впускной клапан 12 поступает в цилиндр 13 двигателя внутреннего сгорания. При этом давление и скорость потока изменяются по времени и длине трубопровода. В некоторый момент времени активный излучатель (излучатели) звука (например, громкоговоритель) 7 излучает звук с необходимыми акустическими характеристиками, которые вырабатываются системой формирования амплитудно-частотных характеристик активного акустического наддува 8 и обеспечивает эффект активного акустического наддува. При прохождении потока газовоздушной смеси через элементы системы впуска двигателя внутреннего сгорания, характеристики которых подобраны таким образом, чтобы обеспечить максимальный наддув, создается эффект пассивного акустического наддува.
В результате за счет интерференции и (или) суперпозиции волн давления основного потока газовоздушной смеси, поступающего в цилиндр двигателя через элементы системы впуска со специально подобранными характеристиками, обеспечивающими пассивный акустический наддув, и звукового давления, создаваемого устройством активного акустического наддува, достигается эффект усиления давления потока газа. Суммарный газодинамический поток с большой скоростью и звуковым давлением устремляется в цилиндр двигателя, где тормозится, обеспечивая акустический наддув. Таким образом, достигается повышение эффективности наддува двигателя внутреннего сгорания. Сравнительная эффективность повышения давления газовоздушной смеси на основной частоте работы двигателя в режиме разгона при пассивном, активном и гибридном акустическом наддуве представлена на фигуре 3.
Конструктивные элементы системы впуска ДВС должны быть спроектированы так, чтобы избежать нежелательных резонансных и других негативных явлений, снижающих эффективность наддува.
В условиях практического применения метода и устройства гибридного акустического наддува двигателя внутреннего сгорания транспортного средства существенное значение приобретает величина энергозатрат, требуемых на формирование активного излучения. Известно, что мощность излучаемого активного звукового сигнала, необходимая для создания максимального эффекта наддува, будет минимальной, если звуковой сигнал будет излучаться непосредственно в зону интерференции и (или) суперпозиции. В этих целях в заявленном устройстве предусмотрено, что активный акустический излучатель (излучатели) может (могут) излучать звук по впускной коллектор через дополнительный трубопровод (трубопроводы) 16 с характеристиками, необходимыми для получения максимального эффекта наддува при сочетании с акустическими характеристиками активного излучателя и пассивных элементов системы впуска двигателя внутреннего сгорания, например размеров внутреннего диаметра и длины впускного трубопровода и подводящих патрубков и др. Схема конструктивного исполнения устройства гибридного акустического наддува, содержащего дополнительные трубопроводы, приведена на фигуре 2.
Кроме того, использование дополнительного трубопровода позволяет повысить помехозащищенность системы формирования амплитудно-частотных характеристик активного наддува.
Количество и расположение активного акустического излучателя (излучателей) может определяться для конкретной системы впуска экспериментально, с учетом обеспечения максимального эффекта наддува в сочетании с характеристиками пассивных элементов системы впуска.
Активный акустический излучатель может быть выполнен в виде громкоговорителя и помещен в специальный защитный корпус. Элементы системы формирования амплитудно-частотных характеристик активного акустического наддува могут быть установлены в зонах наименьших воздействий внешних факторов (температура, вибрация, агрессивные химические компоненты, влажность и др.) и помещены в специальные защитные устройства. Зоны наименьших воздействий внешних факторов могут определяться экспериментально для каждого конкретного транспортного средства при его работе в реальных дорожных условиях.
Датчик режима работы двигателя может быть выполнен в виде элемента, фиксирующего угол открытия дроссельной заслонки двигателя α. Такое исполнение позволяет достичь дополнительного снижения энергозатрат на формирование активного излучения. Известно, что величина дополнительного повышения мощности двигателя, достигаемая при наддуве, играет наиболее существенную роль при работе двигателя в режиме разгона при полностью или почти полностью открытой дроссельной заслонке. В этом случае угол открытия дроссельной заслонки двигателя α имеет максимальное или близкое к максимальному значение. Таким образом, заявляемое устройство может иметь такое конструктивное исполнение, при котором формирование активного излучения происходит при α≈ϕmax, °. При значениях α<<ϕmax срабатывает датчик отключения и формирования активного излучения не происходит.
Изобретение позволяет повысить эффективность наддува и увеличения мощностных показателей двигателя и снизить токсичность отработавших газов за счет подобранных определенным образом характеристик элементов системы впуска ДВС, что при помощи активного акустического излучения может явиться полезным вкладом в создание прогрессивных автотранспортных средств с улучшенными эксплуатационными и экологическими качествами.
1. Способ гибридного акустического наддува двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в излучении звука в систему впуска двигателя и усилении давления потока газа при поступлении заряда газовоздушной смеси в цилиндр двигателя, отличающийся тем, что звуковой сигнал излучают при впуске либо при разрежении вблизи выпускного клапана в конце процесса выпуска в момент перекрытия клапанов, а усиление потока обеспечивают путем интерференции и/или суперпозиции волн давления основного потока воздушной смеси, поступающего в систему впуска и звукового давления, создаваемого устройством акустического наддува, при максимальном или близком к максимальному значению угла открытия дроссельной заслонки.
2. Устройство гибридного акустического наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащее, по меньшей мере, один акустический излучатель, связанный с системой формирования амплитудно-частотных характеристик акустического наддува и излучающий звук в систему впуска двигателя, отличающийся тем, что устройство наддува связано с датчиком режима работы двигателя, причем акустический излучатель излучает звук через дополнительные трубопроводы при впуске либо при разрежении вблизи выпускного клапана в конце процесса выпуска в момент перекрытия клапанов, при максимальном или близком к максимальному значению угла открытия дроссельной заслонки.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что акустический излучатель выполнен в виде громкоговорителя, а датчик режима работы двигателя выполнен в виде элемента, фиксирующего угол открытия дроссельной заслонки.
4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что система формирования амплитудно-частотных характеристик акустического наддува содержит датчик отключения, срабатывающий при режимах работы двигателя, отличных от режима разгона.
