ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройствам воздухоочистки и топливоподачи, преимущественно для многоцилиндровых двигателей 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 и 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 М 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 N63-219866, 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 обеих 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, ее 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 ДВС связаны с использованием дополнительных расширительных или резонансных камер, подключаемых как параллельно, так и последовательно к впускному тракту, использованием электронных систем формирования искуственных 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.

Известен ДВС фирмы "Мазда Мотор", описанный в заявке ЕПВ 0379926, F 02 M 35/12, публ. 01.08.90, выбранный в качестве прототипа, 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 установленный по оси полости ресивера резонатор, закрепленный на его торцевой стенке. К системе впуска двигателя подключены три глушителя шума, непосредственно сообщенного с объемом полости ресивера, подключенного к трубе между ресивером и камерой воздухоочистителя и подключенного к камере воздухоочистителя.

Труба, сообщающая полость ресивера и камеру воздухоочистителя (промежуточная труба), и воздухозаборный патрубок (см. фиг.1 названного прототипа), имеют различную длину, причем на графической части патентной заявки геометрические длины приведены без учета динамических удлинений. Как представлено на фиг. 2 описания прототипа, разнодлинные и, соответственно, разночастотные (имеющие различные значения собственной частоты) упомянутые патрубки и промежуточная труба участвуют в образовании спектра шумового излучения с выраженными тремя резонансными частотными пиками для подавления которых используются три устройства, в виде трех разночастотных настроенных акустических резонаторов:
- резонатор Гельмгольца, подключенный параллельно к полости ресивера для ослабления резонансных возбуждений, генерируемых подсоединенными к ресиверу впускными патрубками 1;
- резонатор Гельмгольца, подключенный параллельно к промежуточной трубе L2 для ослабления ее собственного резонанса;
- 1/4 волновой резонатор, подключенный к полости корпуса воздухоочистителя, для ослабления резонансного возбуждения воздушной полости камеры, вследствие подавления собственного резонанса воздухозаборного патрубка L3.

Эффективность использования применения каждого отдельного шумозаглушающего элемента, настроенного на заданную конкретную частоту звукового излучения, вызывает необходимость совместного применения одновременно трех указанных глушителей, для подавления собственных резонансов каждого из трех трубопроводов, открытых с обеих концов - впускного патрубка при открытом впускном клапане, промежуточной трубы и воздухозаборного патрубка воздухоочистителя.

Очевидны недостатки такой системы глушения шума впуска с точки зрения стоимости и материалоемкости, ограниченных возможностей компоновки трех резонаторов в стесненном пространстве моторного отсека автомобиля, а также неблагоприятного влияния параллельно подключенных объемов резонаторных камер глушителей на изменение коэффициента избытка воздуха в процессе впуска на нестационарных режимах интенсивного разгона ДВС автомобиля (ухудшение динамики из-за подключения дополнительных воздушных объемов резонаторов к впускной магистрали ДВС).

Решение технической задачи основано на сокращении до минимума (до одного) числа применяемых резонаторов при обеспечении шумозаглушающего эффекта в целом, путем акустической настройки системы, за счет выбора патрубков одинаковых длин, что сводит к совмещению их собственных резонансных частот к одной частоте и позволяет использовать всего один резонатор (для подавления одной частоты), заглушающий резонансное излучение в этом случае обеих патрубков и т.о. позволяет уменьшить стоимость и материалоемкость системы в целом.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном ДВС, с распределенным впрыском топлива, содержащем головку цилиндров, в которой сформирована, по крайней мере, одна камера сгорания, соединенный с камерой сгорания впускной патрубок, ограниченный со стороны камеры сгорания впускным клапаном и сообщенный свободным концом с полостью ресивера, которая посредством промежуточной трубы подключена к полости камеры воздухоочистителя, снабженного воздухозаборным патрубком, а также устройство для подавления шума впуска, динамические длины впускного и воздухозаборного патрубков равны между собой и, соответственно, настроены на одну и ту же собственную резонансную моду колебаний воздушного объема, заключенного в полостях соответствующих патрубков, а устройство для подавления шума впуска выполнено в виде встроенного в воздухозаборный патрубок тупикового 1/4 волнового резонатора, расположенного по оси воздухозаборного патрубка в его заходной части, и открытый динамический срез которого расположен в середине воздухозаборного патрубка. Наиболее оптимальным вариантом конструктивного исполнения является такой вариант, когда динамические длины впускного патрубка, промежуточной трубы между ресивером и камерой воздухоочистителя и воздухозаборного патрубка равны между собой.

Первая собственная резонансная частота трубы, открытой с обеих концов (первая собственная резонансная мода), определяется исключительно ее длиной и не зависит от геометрии поперечного сечения. Значение этой частоты задается половиной длины волны, укладывающейся по динамической длине трубы. Именно первая собственная резонансная мода является наиболее энергоемкой и ее заглушение является наиболее актуальной задачей по снижению шумового излучения, передаваемого и излучаемого трубой.

Патрубки L₁ и L₃ являются наиболее важными звеньями звукопередающей системы, по которой транспортируется шум впуска, где L₁ - начальный участок генерирования резонансного звука у самого источника возбуждения (открытого впускного клапана и движущегося поршня), а L₃ - конечное звено звукоизлучательной системы (излучатель), производящее непосредственное излучение звука в окружающую среду. Оба эти патрубка L₁ и L₃ являются гладкими трубами, в связи с чем их акустический резонанс отличается высокой добротностью, в отличие от промежуточной трубы L₂, которая содержит элементы активного сопротивления, вызывая фрикционные потери - в виде дроссельной заслонки, расходомера воздуха и выполнения самой трубы в виде гофрированного резинового шланга. Именно наличие указанных элементов в достаточно сильной степени и подавляет собственные резонансные моды промежуточной трубы L₂.

На фиг.1 показан один из возможных вариантов конструктивного исполнения устройства тракта впуска заявляемого ДВС. В данном случае показан вариант четырехцилиндрового ДВС.

На фиг.2 показана принципиальная схема устройства тракта впуска заявляемого ДВС, на которой представлено распределение низших собственных резонансных форм (мод) колебаний давлений воздушного объема, заключенного в впускном патрубке, промежуточной трубе и воздухозаборном патрубке.

L₁ - динамическая длина впускного патрубка;
L₂ - динамическая длина промежуточной трубы, через которую сообщаются полости ресивера и воздухоочистителя;
L₃ - динамическая длина воздухозаборного патрубка;
λ - длина волны, м.

Динамическое "удлинение" трубы (патрубка), вызываемое присоединенное на срезах трубы массой воздуха, составляет примерно 0,3 внутреннего диаметра соответствующей трубы (патрубка).

Четырехцилиндровый ДВС, по фиг.1, с распределенным впрыском топлива, содержит головку цилиндров, в которой сформированы камеры сгорания (не показаны), соединенные с камерами сгорания впускные патрубки 1, ограниченные со стороны камеры сгорания впускными клапанами 2 и сходящиеся свободными концами в общий ресивер 3, полость -А- которого посредством промежуточной трубы 4 подключена к полости -В- воздухоочистителя 5, снабженного воздухозаборным патрубком 6, а также средство для заглушения шума впуска. Названное средство для заглушения шума впуска выполнено в виде встроенного в воздухозаборный патрубок тупикового 1/4 волнового резонатора 7, расположенного вдоль оси воздухозаборного патрубка в его заходной части, его (резонатора) открытый динамический срез расположен в середине патрубка и настроенный как на низшую собственную резонансную частоту колебаний объема воздуха, заключенного внутри воздухозаборного патрубка, так и на низшую собственную резонансную частоту впускного патрубка (т.к. они совпадают), при этом, по крайней мере динамические длины -L₁- впускного патрубка 1 и динамическая длина -L₃- воздухозаборного патрубка 6 имеют одинаковую длину, т.е. L₁=L₃. Наиболее оптимальным вариантом конструктивного исполнения является такой вариант, когда динамические длины -L₁- впускных патрубков 1, трубы 4 -L₂ - между ресивером 3 и воздухоочистителем 5 и воздухозаборного патрубка 6 -L₃- равны между собой, т.е. L₁=L₂=L₃.

Работает ДВС обычным образом.

Реализация рабочего процесса в ДВС соответствующим открытием впускного клапана 2 вызывает перепад давлений в емкости цилиндра ДВС, которая сформирована поверхностями днища поршня и камеры сгорания (за клапаном), по отношению к окружающей среде. При этом колебательный импульс в виде упругих волн распространяется со скоростью звука в воздушной среде, заполняющей впускной тракт, вследствие чего происходит возбуждение воздушных объемов впускных патрубков 1, формирование соответствующего звукового поля в пространстве ресивера 3, отражение звуковых волн от стенок ресивера 3 по направлению к впускному клапану патрубка 1 и "вытеснение" и распространение звуковой энергии из полости ресивера по промежуточной трубе 4 в полость -В- воздухоочистителя 5 и далее во воздухозаборному патрубку 6 - в окружающую среду, как в конечный звукопередающий волновод с определенной акустической проводимостью.

В предлагаемом двигателе глушитель шума впуска в виде тупикового четвертьволнового акустического резонатора 7 работает на подавление резонансных собственных мод двух, при L₁=L₃, или всех трех трубопроводов, при L₁=L₂=L₃, открытых с обеих концов: впускного патрубка 1, промежуточной трубы 4 и воздухозаборного патрубка 6. Таким образом, достаточно использование одного шумоподавляющего устройства в виде, например, четвертьволнового резонатора, настроенного на одну частоту колебаний, с тем, чтобы эффективно воздействовать на подавление собственных резонансов нескольких трубопроводов, см. фиг.2.

Практическая реализация предлагаемой конструкции, оригинальный тракт воздухоподвода и топливоподачи которого по сути представляет единый многофункциональный модуль, включающий элементы подачи воздуха, очистки воздуха и заглушения шума впуска, не представляет каких-либо технологических и производственных проблем и, что особенно важно, вполне приемлема для массового (конвейерного) производства двигателей.