Способ наддува двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к области двигателестроения. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя путем увеличения мощности двигателя в широком диапазоне оборотов двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что в качестве резонатора, установленного во впускной системе двигателя, используют рупор. При этом выбирают нижнюю частоту вращения коленчатого вала двигателя, начиная с которой рупор будет увеличивать амплитуду воздушной волны, например, 3000 об/мин или 8000 об/мин. Рассчитывают частоту колебаний воздушной волны во впускной системе. На основании полученной частоты делают расчет рупора, определяя: площадь горла, площадь устья, общую длину, формулу и коэффициент раскрытия на длину. Причем полученная частота является нижней рабочей частотой рупора.

 

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для использования во впускной системе двигателей внутреннего сгорания.

Известен аналог US №2010/0101525 apr. 29, 2010 - Воздушный рупор для эффективного жидкого впуска. Изобретатель: Loe Now; South San Francisco, CA(US), дата - 21 окт. 2009, в котором используется рупор для гомогенизации воздушного потока, проходящего во впускном тракте двигателя внутреннего сгорания (далее по тексту ДВС), за счет чего в двигатель попадает больше воздуха и он выдает большую мощность.

Недостатки: недостаточно высокая эффективность, не используется волновая энергия впускного тракта и амплитудно-резонансные свойства рупора.

Известен аналог способ наддува двигателя внутреннего сгорания в описании изобретения к патенту РФ №2136919, МПК F02B 27/02, F02M 35/10, 26.06.1998, опубл. 10.09.1999, включающий двухступенчатое изменение объема резонатора, подключенного к его впускному коллектору, отличающийся тем, что объем резонатора изменяют с частотой, пропорциональной числу оборотов двигателя внутреннего сгорания, причем минимальное значение объема резонатора устанавливают при открытом впускном органе цилиндра на время ^Δt=(1,0-0,7)t0, где t0 - интервал времени, в течение которого впускной органе цилиндра открыт.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ступенчатое изменение объема резонатора осуществляют в моменты времени, соответствующие значению давления во впускном коллекторе, равным среднему давлению за период изменения объема резонатора.

Недостатки: недостаточно высокая эффективность, объем увеличения потребления воздуха и увеличение мощности не превышает 10-15%.

Технический результат: увеличение мощности двигателя в широком диапазоне оборотов двигателя.

Технический результат достигается за счет того, что способ наддува двигателя внутреннего сгорания, состоящий из установки резонатора во впускной системе двигателя, отличающийся тем, что в качестве резонатора, установленного во впускной системе перед дроссельной заслонкой или перед впускным коллектором, если дроссельной заслонки нет, по ходу движения воздуха, используют экспоненциальный или радиальный, или конический, или гиперболический, или трактрису, или комбинированный рупор с его свойством увеличивать амплитуду колебаний воздушной волны в широкой полосе частот, создавать концентрацию принимаемой волновой энергии, увеличивать амплитуду давления волны в горле рупора, преобразовывать волновую энергию от низкого давления и высокой колебательной скорости в районе устья к высокому давлению и низкой колебательной скорости в горле, причем предварительно осуществляют выбор частот вращения коленчатого вала двигателя, на которых осуществляется наддув, и параметры рупора: диапазон рабочих частот, площадь горла, площадь устья, общая длина, формула и коэффициент раскрытия на длину, при этом для расчета контура экспоненциального рупора используют формулу

А_x=А_te^(mx),

где Ах - площадь раскрытия на длину х;

At - площадь горла рупор;

х - расстояние от горла,

для расчета площади устья рупора используют формулу

А_m=С²/(4KπF_о ²),

где A_m - площадь рупора в м²;

С - скорость звука 340 м/с;

F₀ - начальная частота;

K - коэффициент размера устья, K=1 при размещении рупора в открытом пространстве, K=2 при размещении рупора вплотную вдоль одной плоскости, K=4 при размещении рупора вплотную вдоль двух плоскостей, K=8 при размещении рупора в угол трех плоскостей,

для расчета длины экспоненциального рупора используют формулу

L=ln(A_m/A_t)/m,

где Am - площадь устья рупора;

At - площадь горла рупора;

m - постоянная величина, рассчитывается по формуле 4;

m=(4πFo)/C;

где Fo - нижняя частота Гц;

С - скорость звука м/с,

для расчета контура гиперболического рупора используют формулу

A_х=A_t(cosh(x/x0)+M^·sinh(x/x0))²,

где Ax - площадь раскрытия на длину х;

xo=c/(2πFo);

х - расстояние от горла;

М - степень гиперболического расширения, при М=1 расширение экспоненциальное, при М<1 расширение гиперболическо-экспоненциальное, при М=0 контур - катеноид,

для расчета контура трактрисы рупора используют формулу

х=а*ln((a+sqrt(a²-r²))/r)-sqrt(a²-r²),

где х - расстояние от устья рупора;

а - радиус в устье;

r - радиус на расстоянии х от устья.

Использование рупора на впуске так же, как и резонатора, основано на пульсирующем всасывании воздуха цилиндрами ДВС. Но в отличие от резонатора рупор оказывает эффект в намного более широкой полосе частот и намного больше увеличивает амплитуду колебаний - 2-6 раз, в зависимости от конструкции, чем резонатор. Что соответствует пропорциональному увеличению потребления воздуха двигателем - 20-60%. Увеличение мощности двигателя в широком диапазоне оборотов достигают за счет использования свойства рупора увеличивать амплитуду колебаний воздушной волны, создавать концентрацию принимаемой волновой энергии, увеличивать амплитуду давления волны в горле рупора, преобразовывать волновую энергию от низкого давления и высокой колебательной скорости в районе устья к высокому давлению и низкой колебательной скорости в горле, возникающей во впускном тракте ДВС при его работе. Эффект - увеличение наполнения цилиндров воздухом на 30-70% и, как следствие, возросший крутящий момент двигателя в широком диапазоне оборотов и пропорциональное увеличение мощности. Это сопоставимо с эффектом от установки турбокомпрессора.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с аналогами позволяет сделать вывод, что заявляемое изобретение отличается от известных аналогов совокупностью существенных отличительных признаков, соответствует требованиям патентоспособности по критериям новизны, изобретательского уровня и промышленной применимости.

Заявляемый способ состоит из выбора нижней частоты вращения коленчатого вала двигателя, начиная с которой рупор будет увеличивать амплитуду воздушной волны, например, 3000 об/мин или 8000 об/мин, расчета частоты колебаний воздушной волны образуемой цилиндрами во впускной системе по формуле 1:

F=NP/120,

где F - частота Гц;

N - число цилиндров двигателя с последовательной работой цилиндров;

Р - частота оборотов двигателя об/мин.

На основании полученной частоты делают расчет рупора, амплитудно-частотные характеристики которого определяют его параметры: площадь горла, площадь устья, общая длина, формула и коэффициент раскрытия на длину. Причем полученная частота является нижней рабочей частотой рупора.

Для расчета экспоненциального рупора используют следующие формулы, для расчета площади устья рупора используют формулу 2

А_m=С²/(4KπF₀ ²),

где А_m - площадь рупора в м²;

С - скорость звука 340 м/с;

F₀ - начальная частота;

K - коэффициент размера, K=1 при размещении рупора в открытом пространстве, K=2 при размещении рупора вплотную вдоль одной плоскости, K=4 при размещении рупора вплотную вдоль двух плоскостей, K=8 при размещении рупора в угол трех плоскостей.

Для расчета длины экспоненциального рупора используют формулу 3

L=ln(A_m/A_t)/m,

где A_m - площадь устья рупора;

A_t - площадь горла рупора;

m - постоянная величина, рассчитывается по формуле 4;

m=(4πF_о)/C,

где F_о - нижняя частота Гц;

С - скорость звука 340 м/с.

Примечание: постоянная m имеет нестрогое значение и может быть корректирована.

Примечание: рекомендовано, чтобы длина рупора L была не меньше четверти длины волны F_о.

Для расчета контура экспоненциального рупора используют формулу 5

А_x=A_te^(mx),

где А_х - площадь раскрытия на длину х;

A_t - площадь горла рупор;

х - расстояние от горла;

для расчета контура гиперболического рупора используют формулу 6

A_x=A_t(cosh(x/x0)+Msinh(x/x0))²,

где A_x - площадь раскрытия на длину х;

х₀=с/(2πF₀);

х - расстояние от горла;

F₀ - нижняя частота Гц;

М - степень гиперболического расширения, при М=1 расширение экспоненциальное, при М<1 расширение гиперболическо-экспоненциальное, при М=0 контур - катеноид;

для расчета контура трактрисы рупора используют формулу 7

х=а*ln((а+sqrt(a²-r²))/r)-sqrt(a²-r²),

где х - расстояние от устья рупора;

а - радиус в устье;

r - радиус на расстоянии х от устья.

Площадь горла рупора A_t принимают равной минимальному проходному сечению впускной системы конкретного двигателя внутреннего сгорания. Возможно использование экспоненциального или радиального, или конического, или гиперболического, или трактрисы, или комбинированного рупоров. Затем изготовленный рупор устанавливают во впускную систему двигателя перед дроссельной заслонкой или перед впускным коллектором, если дроссельной заслонки нет, по ходу движения воздуха.

Пример осуществления заявляемого способа.

Для расчета рупора для двигателя прежде всего необходимо выбрать нижнюю частоту коленчатого вала, начиная с которой он будет оказывать эффект наддува. Чем с более низкой частоты будет работать рупор, тем больших размеров он должен быть. Наибольший эффект наддува рупором отмечен на двигателях с последовательной работой цилиндров, причем с фазами впуска воздуха в цилиндры, не перекрывающими друг друга, так как амплитуда колебаний на впуске в таких двигателях максимальна. Например, рядный четырехцилиндровый или V-образный восьмицилиндровый двигатель. Воздушная волна, образованная во впускной системе пульсирующим всасыванием воздуха цилиндрами, имеет частоту волны, которая рассчитывается по формуле 1. Например, для рядного 4-х цилиндрового двигателя при 3000 об/мин коленчатого вала резонансная частота составляет 100 Гц. Соответственно при 6000 об/мин - 200 Гц.

Например, для гоночного V-образного восьмицилиндрового двигателя, рассчитывают рупор для каждой из половин V-образного двигателя. Выбирают нижнюю частоту вращения коленчатого вала Fн, начиная с которой будет работать рупор, например 10000 об/мин. По формуле 1, частота колебаний на впуске составит F=nFн/120; F=4×10000/120=333 hz.

Рассчитывают площадь устья рупора (большее отверстие). Формула 2.

А_m=340²/(4*3,14*1*333²)=0,083 м² при расположении рупора в открытом пространстве. Если расположить рупор вдоль двух плоскостей, то площадь устья может быть уменьшена в четыре раза.

А_m=340²/(4*3,14*4*333²)=0,021 м².

Площадь горла рупора нужно рассчитывать исходя из минимально возможного проходного сечения входного отверстия впускной системы для данного двигателя. Для примера взято A_t=0,01 м², то есть 100 см².

Рассчитывают длину рупора L, используя формулу 3 и формулу 4.

m=(4πf₀)/C; m=4*3.14*333/340=12,3;

L=ln(A_m/A_t)/m; L=ln(0,083/0,01)/12,3=3,73/3,694=0,172 m.

Получаем рупор со стороной квадрата устья 29 см при расположении в открытом пространстве или 15 см при расположении вплотную вдоль двух плоскостей и общей длиной не более 18 см.

Далее рассчитывают кривую контура экспоненциального рупора по формуле 5

A_x=A_te^(mx),

где A_x - площадь раскрытия на длину х;

A_t - площадь горла рупора;

х - расстояние от горла;

m - постоянная раскрытия.

Наибольший эффект оказывают экспоненциальные, гиперболические и трактрисы рупоры, но возможно использование также радиального, или конического, или комбинированного контуров рупора. Для расчета контура трактрисы или гиперболического рупора пользуются формулами 6 и 7.

Изготовленный рупор устанавливают во впускную систему перед дроссельной заслонкой или перед впускным коллектором, если дроссельной заслонки нет, с каждой сторон из половин V-образного восьмицилиндрового двигателя. В результате наддува увеличивается потребления воздуха двигателем на 30-70% и, как следствие, происходит прирост крутящего момента на 30-70%, начиная с расчетных 10000 об/мин, и заканчивая максимальной частотой работы двигателя. Таким образом, мощность двигателя на максимальных оборотах увеличится на 30-70% в зависимости от конструкции.

Технико-экономический эффект

Заявляемый способ в основном применяют для увеличения мощности высокофорсированных высокооборотных двигателей внутреннего сгорания, например двигателей спортивных мотоциклов, двигателей гоночных автомобилей, двигателей быстроходных катеров, самолетов и т.п. Использование заявляемого способа позволит увеличить мощность двигателя на 30-70%.

Способ наддува двигателя внутреннего сгорания, состоящий из установки резонатора во впускной системе двигателя, отличающийся тем, что в качестве резонатора, установленного во впускной системе перед дроссельной заслонкой или перед впускным коллектором, если дроссельной заслонки нет, по ходу движения воздуха, используют экспоненциальный, или радиальный, или конический, или гиперболический, или трактрису, или комбинированный рупор с его свойством увеличивать амплитуду колебаний воздушной волны в широкой полосе частот, создавать концентрацию принимаемой волновой энергии, увеличивать амплитуду давления волны в горле рупора, преобразовывать волновую энергию от низкого давления и высокой колебательной скорости в районе устья к высокому давлению и низкой колебательной скорости в горле, причем предварительно осуществляют выбор частот вращения коленчатого вала двигателя, на которых осуществляется наддув, и параметры рупора: диапазон рабочих частот, площадь горла, площадь устья, общая длина, формула и коэффициент раскрытия на длину, при этом для расчета контура экспоненциального рупора используют формулу
А_x=А_te^(mx),
где А_х - площадь раскрытия на длину х;
At - площадь горла рупора;
х - расстояние от горла;
для расчета площади устья рупора используют формулу
A_m=C²/(4KπF_o ²),
где A_m - площадь рупора, м²;
С - скорость звука 340 м/с;
F₀ - начальная частота;
К - коэффициент размера устья, К=1 при размещении рупора в открытом пространстве, К=2 при размещении рупора вплотную вдоль одной плоскости, К=4 при размещении рупора вплотную вдоль двух плоскостей, К=8 при размещении рупора в угол трех плоскостей,
для расчета длины экспоненциального рупора используют формулу
L=ln(A_m/A_t)/m,
где A_m - площадь устья рупора;
At - площадь горла рупора;
m - постоянная величина, рассчитывается по формуле
m=(4πFо)/С,
где Fo - нижняя частота, Гц;
С - скорость звука, м/с,
для расчета контура гиперболического рупора используют формулу
A_x=A_t(cosh(x/x0)+M·sinh(x/x0))²,
где А_х - площадь раскрытия на длину х;
хо=с/(2πFо);
Fo - нижняя частота, Гц;
х - расстояние от горла;
М - степень гиперболического расширения, при М=1 расширение экспоненциальное, при М<1 расширение гиперболическо-экспоненциальное, при М=0 контур - катеноид,
для расчета контура трактрисы рупора используют формулу
x=a·ln((a+sqrt(a²-r²))/r)-sqrt(a²-r²),
где х - расстояние от устья рупора;
a - радиус в устье;
r - радиус на расстоянии х от устья.