способ продувки рабочих цилиндров двигателя внутреннего сгорания и выхлопная система двигателя внутреннего сгорания для осуществления этого способа

Формула изобретения

1. Способ продувки рабочих цилиндров двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что при выпуске отработавших газов из цилиндра через коллектор этого цилиндра в основную выхлопную трубу осуществляют эжекторное разрежение в коллекторе цилиндра, начавшего впуск свежего заряда, отличающийся тем, что при выпуске отработавших газов из указанного первым цилиндра перекрывают выходы коллекторов других цилиндров в основную выхлопную трубу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при закрытии выпускного клапана цилиндра, начавшего впуск свежего заряда, перекрывают канал сообщения коллектора этого цилиндра с коллектором цилиндра, осуществляющего выпуск отработавших газов в основную выхлопную трубу.

3. Выхлопная система двигателя внутреннего сгорания, содержащая по количеству цилиндров коллекторы, сообщенные с выпускными окнами цилиндров и каждый из которых сообщен с основной выхлопной трубой, при этом коллектор каждого цилиндра сообщен магистралью с коллектором другого цилиндра, такт впуска свежего заряда которого совпадает с началом такта выпуска отработавших газов первого цилиндра, а в зоне соединения коллектора с магистралью на внутренней стенке коллектора выполнен наклонный отражательный щиток для ускорения потока отработавших газов, отличающаяся тем, что каждый коллектор сообщен с основной выхлопной трубой через газодинамический замок, представляющий собой редукционный клапан с функцией открытия от давления в коллекторе.

4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что в каждой магистрали каждого цилиндра установлен управляемый кран с функцией открытия и закрытия от положения впускного и выпускного клапанов этого цилиндра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в выхлопных системах двигателей внутреннего сгорания для обеспечения более глубокой очистки цилиндров от продуктов сгорания.

Известен способ продувки рабочих цилиндров двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что при выпуске отработавших газов одного из цилиндров через коллектор этого цилиндра в основную выхлопную трубу осуществляют эжекторным путем разряжение в коллекторе другого цилиндра, начавшего впуск свежего заряда (см. заявку Великобритании N 2093524, F02B27/04, F1B, 1982 г.).

Настоящий способ позволяет при работе двигателя внутреннего сгорания осуществлять дополнительное разряжение в коллекторе того цилиндра, в котором начался такт впуска свежего заряда, но выпускной клапан еще не закрыт, при этом разряжение осуществляется за счет эжекторного действия потока отработавших газов цилиндра, осуществляющего такт выпуска.

Недостатком этого способа является то, что все коллекторы и связывающие их магистрали сообщены между собой в общую систему, обеспечивающую эффект разряжения во всей системе при выпуске отработавших газов одного цилиндра. Это снижает эффективность отсоса продуктов сгорания из того цилиндра, в котором открылся клапан впуска и началась подача свежего заряда. Степень разряжения, создаваемая эжекторным действием отходящих газов, по величине невелика и ее не хватает на всю разветвленную сеть коллекторов и магистралей выпускной системы двигателя внутреннего сгорания. Целесообразно было бы это разряжение использовать только на один цилиндр, именно тот, в котором начался такт впуска свежего заряда. В том случае существенно повышается степень очищения камеры этого цилиндра от остаточных газов.

Кроме того, недостатком такого способа является то, что при создании даже небольшого разряжения в системе в целом появляется возможность возврата отработавших газов из выхлопной трубы в коллекторы. Происходит замыкание потока выхлопа с частичным его возвратом в зону разряжения, но уже в другой коллектор.

Известна выхлопная система двигателя внутреннего сгорания, осуществляющая указанный способ продувки рабочих цилиндров. Эта система описана в заявке Великобритании N 2093524 и содержит по количеству цилиндров коллекторы, сообщенные с выпускными окнами цилиндров и каждый из которых сообщен с основной выхлопной трубой, при этом коллектор каждого цилиндра сообщен магистралью с коллектором другого цилиндра, такт впуска свежего заряда которого совпадает с началом такта выпуска отработавших газов первого цилиндра, а в зоне соединения коллектора с магистралью на внутренней стенке коллектора выполнен наклонный отражательный щиток для ускорения потока отработавших газов.

Недостатки данной системы выпуска отработавших газов и продувки цилиндров те же, что присущи и рассмотренному способу.

Настоящее изобретение направлено на решение следующих технических задач: создание разряжения в коллекторе того цилиндра, в котором начался впуск свежего заряда, для более глубокой очистки камеры цилиндра от продуктов сгорания и изолирование всех цилиндров, в которых не начался процесс выпуска отработавших газов, от основной выхлопной трубы для исключения повышения давления от возврата отработавших газов.

Получаемый при этом технический эффект заключается в улучшении наполнения цилиндров свежим зарядом и увеличении механической отдачи двигателя внутреннего сгорания.

Указанный технический эффект обеспечивается тем, что в способе продувки рабочих цилиндров двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что при выпуске отработавших газов из цилиндра через коллектор этого цилиндра в основную выхлопную трубу осуществляют эжекторное разряжение в коллекторе цилиндра, начавшего впуск свежего заряда, при выпуске отработавших газов из указанного первым цилиндра перекрывают выходы коллекторов других цилиндров в основную выхлопную трубу.

Кроме того, при закрытии выпускного клапана цилиндра, начавшего впуск свежего заряда, перекрывают канал сообщения коллектора этого цилиндра с коллектором цилиндра, осуществляющего выпуск отработавших газов в основную выхлопную трубу.

Для реализации этого способа с целью достижения указанного эффекта необходимо чтобы в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания, содержащей по количеству цилиндров коллекторы, сообщенные с выпускными окнами цилиндров и каждый из которых сообщен с основной выходной трубой, при этом коллектор каждого цилиндра сообщен магистралью с коллектором другого цилиндра, такт впуска свежего заряда которого совпадает с началом такта выпуска отработавших газов первого цилиндра, а в зоне соединения коллектора с магистралью на внутренней стенке коллектора выполнен наклонный отражательный щиток для ускорения потока отработавших газов, каждый коллектор сообщен с основной выхлопной трубой через газодинамический замок, представляющий собой редукционный клапан с функцией открытия от давления в коллекторе.

Целесообразно, чтобы в каждой магистрали каждого цилиндра был установлен управляемый кран с функцией открытия от положения впускного и выпускного клапанов этого цилиндра.

Указанные признаки в способе и в устройстве являются существенными и взаимосвязанными с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, однозначно характеризующих заявленное предложение и возможность достижения указанного эффекта.

Так, например, в способе перекрытие выходных отверстий коллекторов всех цилиндров, кроме того, который работает на выпуск отработавших газов, позволяет осуществить более глубокое разряжение в замкнутой системе выхлопа двигателя, не расходуя энергии на компенсацию повышения давления от возвратных газов. Это позволяет более интенсивно провести процесс отсоса продуктов сгорания из камеры цилиндра, начавшего впуск свежего заряда при открытом еще выпускном клапане.

Введение перекрытия магистралей позволяет целенаправленно отсасывать продукты сгорания, не расходуя при этом энергии на разряжение в коллекторах других цилиндров, не сохраняя в них ранее достигнутый уровень разряжения. Это позволяет усилить процесс вывода продуктов сгорания из цилиндров.

Эти рассуждения справедливы и для устройства, реализующего указанный способ.

На фиг. 1 общий вид выпускной системы двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 показана зона соединения коллектора с магистралью и цилиндром; на фиг. 3 пример исполнения газодинамического замка; на фиг. 4 управляемый кран магистрали; на фиг. 5 часть индикаторной диаграммы, относящаяся к процессу газообмена.

Заявляемый способ продувки рабочих цилиндров двигателя внутреннего сгорания рассматривается применительно к четырехтактному двигателю с порядком работы цилиндров 1-3-4-2 (см. фиг. 1). В основе способа лежит особенность действительного процесса работы двигателя внутреннего сгорания, отраженного на индикаторной диаграмме, относящейся к процессу газообмена (см. фиг. 5). В действительном цикле выпуск происходит не мгновенно: выпускной клапан открывается в точке 3, т.е. до прихода поршня в н.м.т. и закрывается в точке 4, т. е. после прохода поршнем в н.м.т. В точке 3 диаграммы давление газов в цилиндре значительно выше атмосферного (0,3-0,5 МПа) и предварением выпуска (участок 3b) обеспечивает удаление отработавших газов. Вследствие этого к приходу поршня в н.м.т. (точка b) давление в цилиндре оказывается значительно ниже давления конца расширения и на последующее удаление газов при перемещении поршня к в.м.т. затрачивается меньшая работа. В конце выпуска скорость истечения отработавших газов все еще велика (60-100 м/с). Поэтому запаздывание выпуска (участок r4) улучшают очистку цилиндра за счет инерции газов.

Степень заполнения цилиндра свежим зарядом оценивают коэффициентом наполнения, представляющим собой отношение количества свежего заряда, фактически поступившего в цилиндр, к количеству заряда, которое могло бы заполнить рабочий объем. Для того, чтобы улучшить наполнение цилиндра свежим зарядом, стремятся уменьшить давление в конце выпуска. Кроме того впускной клапан открывают до прихода поршня в в.м.т. (точка 1 на фиг. 5), а закрывают после прохода поршнем н.м.т. (точка 2). Опережение открытия впускного клапана необходимо для того, чтобы к моменту, когда поршень во время движения к н. м.т. займет положение, соответствующее точке 4, клапан был бы открыт возможно дольше и не затруднял поступление свежего заряда в цилиндр.

Таким образом видно, что в четырехтактном двигателе имеет место совпадение процессом по времени: открытие выпускного клапана одного цилиндра (участок 3b) процесс выпуска отработавших газов с высокой скоростью и большим давлением и открытие впускного клапана другого цилиндра при незакрытом выпускном клапане этого же цилиндра (участок 1-4). Перекрытие указанных процессов применительно к взятому в качестве примера двигателю с порядком работы цилиндров 1-3-4-2 имеет место в следующем виде: 1 цилиндр (выпуск) и 2 цилиндр (впуск), 3 цилиндр (выпуск) и 1 цилиндр (впуск), 4 цилиндр (выпуск) и 3 цилиндр (впуск), 2 цилиндр (выпуск) и 4 цилиндр (впуск).

Таким образом видно, что по крайней мере в двух цилиндрах (например, в первом и втором) одновременно открыты оба выпускных клапана, сообщающих камеры рабочих цилиндров с выхлопной трубой. При этом из первого цилиндра поступают отработавшие газы под большим давлением и с высокой скоростью, а из второго остаточные газы за счет инерции в условиях значительно сниженного давления. Если сообщить оба коллектора между собой, то возможно организовать эжекторное разряжение в коллекторе второго цилиндра, используя для этого энергию отработавших газов первого цилиндра. В этом случае к инерционному процессу выхода продуктов сгорания из второго цилиндра прибавится эффект отсасывания этих продуктов, что приводит к уменьшению давления во втором цилиндре.

Согласно способа продувки рабочих цилиндров двигателя внутреннего сгорания при выпуске отработавших газов из первого цилиндра через коллектор этого цилиндра в основную выхлопную трубу осуществляют эжекторное разряжение в коллекторе того цилиндра, в котором начался процесс впуска свежего заряда, при этом коллекторы всех цилиндров, кроме первого, перекрывают с тем, чтобы исключить разгерметизацию в коллекторах, достигнутую за счет эжекторного воздействия выходящего высокоскоростного потока отработавших газов из первого цилиндра. Затем этот процесс повторяется применительно к цилиндрам 3-1, где в цилиндре 3 осуществляется выпуск газов, а в цилиндре 1 впуск свежего заряда. При этом все коллекторы, кроме коллектора цилиндра 3, перекрыты и не имеют сообщения с выхлопной трубой.

Таким образом обеспечивается снижение давления в цилиндре, осуществляющем начало такта впуска свежего заряда по сравнению с традиционно принятыми системами продувки.

Обращается внимание на то, что перекрытие коллекторов цилиндров, не участвующих в выпуске отработавших газов, позволяет исключить возможность повышения давления за счет возврата газов. При этом вся энергия выходящих отработавших газов используется на разряжение замкнутой системы, а не разомкнутой, как это имеет место в прототипе. При системе, имеющей замкнутый объем, процесс разряжения имеет большую интенсивность и более ярко выраженный вид. Обращается внимание на то, что с увеличением количества цилиндров увеличивается разветвленность коллекторной системы. Поэтому процесс снижения давления за счет эжекторного воздействия отходящих газов цилиндра в такой сильно разветвленной системе существенно падает и теряет его эффективность. В этом случае целесообразно согласно способу по изобретению сохранить воздействие газов только на один цилиндр и только на его коллектор. В этом случае перекрывают магистрали связи коллекторов между собой, оставляя открытым только ту связь, которая сообщает коллектор цилиндра в такте выпуска с коллектором цилиндра в такте впуска свежего заряда. Тогда вся энергия по созданию разряжения будет расходоваться на откачивание продуктов сгорания только на один цилиндр, а не на всю коллекторную систему двигателя внутреннего сгорания.

Способ иллюстрируется устройством выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, представляющим собой один из возможных примеров исполнения.

Каждый цилиндр двигателя внутреннего сгорания (см. фиг. 1) связан в зоне выпускного окна с отдельным коллектором 2, через газодинамический замок 3 сообщенный с отводными каналами 4. Отводные каналы 4 связаны через муфту 5 с выхлопной трубой 6. При этом коллектор 2 сообщен с соответствующим ему коллектором другого цилиндра через магистраль 7. Соответствие связей коллекторов между собой определяется порядком работы цилиндров. В представленном примере определен следующий порядок: 1-3-4-2. Следовательно, коллектор первого цилиндра сообщен с коллектором второго цилиндра, коллектор третьего цилиндра сообщен с коллектором первого цилиндра, коллектор четвертого цилиндра сообщен с коллектором третьего цилиндра, коллектор второго цилиндра сообщен с коллектором четвертого цилиндра.

Таким образом, магистрали 7 направлены на сообщение коллекторов тех цилиндров, в которых по установленному порядку имеет место перекрытие процессов выпуска отработавших газов и впуска свежего заряда.

Каждая магистраль 7 подключена определенным образом. Так магистраль 7 между первым и вторым цилиндрами связана одним концом с коллектором первого цилиндра в зоне гидродинамического замка, а другим концом в зоне выпускного окна второго цилиндра (см. фиг. 2).

В месте соединения магистрали 7 с коллектором 2 в зоне выпускного окна цилиндра (см. фиг. 2) выполняется наклонный отражательный щиток 8, образующий участок усеченно-конической формы. Это позволяет увеличить скорость потока отработанных газов с целью создания эжекторного разряжения в магистрали 7.

Коллекторы связаны с отводными каналами через газодинамический замок (см. фиг. 3), основной задачей которого является открытие канала отвода газов в выхлопную трубу в процессе выпуска отработавших газов и закрытие этого канала при работе цилиндра в режиме других тактов. В качестве примера исполнения такого замка использован редукционный клапан, работающий от давления на его входе.

Этот клапан содержит установленную в канале заслонку 9, смонтированную с возможностью поворота на оси, кинематически связанной (поз. 10) с поршнем 11, установленным в камере 12. Камера 12 сообщена каналом 13 с внутренней полостью коллектора 2. При истечении из цилиндра отработавших газов под большим давлением и с высокой скоростью газ оказывает давление через канал 13 на поршень 11, который перемещается по камере 12 и поворачивает заслонку 9, открывающую проход отработавшему газу.

После падения давления в коллекторе 2 поршень возвращается в прежнее исходное положение, в котором заслонка 9 перекрывает клапан сообщения с выхлопной трубой. Возврат поршня может быть организован любыми известными средствами, например, пружиной, подачей противодавления от канала другого цилиндра, работающего на выпуск, или введением разницы между массами нижней части заслонки и верхней части заслонки с связью и поршнем (по типу игрушки "неваляшки"). В этом случае при падении давления за счет более утяжеленной нижней своей части заслонка повернется и возвратит поршень в исходное положение.

Соответствующим подбором размеров камеры, поршня и канала обеспечивают режим работы газодинамического замка, при котором открытие заслонки происходит при повышении давления в коллекторе.

Возможна установка крана перекрытия магистрали 7 с функцией открытия и закрытия от положения впускного и выпускного клапанов цилиндра. Этот кран монтируется в магистрали цилиндра, в зоне его выпускного окна. Установка этого крана позволяет перекрывать магистраль 7 (см. фиг. 4) сразу же после закрытия выпускного клапана цилиндра с тем, чтобы сохранить созданное в коллекторе этого цилиндра разряжение (область низкого давления) и исключить повышение давления вследствие работы других цилиндров.

Кран представляет собой поворотно установленную заслонку 14, имеющую кинематическую связь с толкателем 15, на который воздействует кулачок 16 распределительного вала 17, несущего кулачки 18 воздействия на впускные и выпускные клапаны цилиндра. Кулачок 16 в данном варианте выполняется на том же распределительном валу, что и кулачки открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов. Это позволяет увязать положение клапанов на участке 1r4 диаграммы (фиг. 5), когда они открыты, с открытием заслонки 14 в магистрали 7 этого же цилиндра. Возможны и другие варианты исполнения. Данный пример представлен для иллюстрации возможности решения этой проблемы, т.е. увязки положения заслонки с положением впускного и выпускного клапанов.

Выхлопная система двигателя внутреннего сгорания, реализующая предложенный способ продувки цилиндров, работает следующим образом.

При открытии выпускного клапана первого цилиндра поток отходящих газов с большим давлением и большой скоростью устремляется по своему коллектору 2 в направлении газодинамического замка. Повышение давления в этом коллекторе приводит к перемещению поршня 11 и открытию клапана в выхлопную трубу за счет поворота заслонки 9. Поток отработавших газов поступает в глушитель. Гидродинамические замки в других коллекторах перекрывают каналы связи с выхлопной трубой вследствие недостаточности давления в соответствующих им коллекторах.

Одновременно во втором цилиндре происходит начало впуска свежего заряда при открытом выпускном клапане. За счет связи коллекторов этих цилиндров магистралью 7 происходит разряжение в коллекторе 2 второго цилиндра, которое увеличивает интенсивность отсоса продуктов сгорания из камеры этого цилиндра, одновременно уменьшается давление и в других коллекторах, т.е. третьего и четвертого цилиндров, так как все коллекторы объединены между собой в замкнутую систему.

После закрытия выпускного клапана второго цилиндра процесс выхода отработавших газов идет по угасающей с последующим перекрытием заслонкой 9 канала этого коллектора.

При выпуске продуктов сгорания из третьего цилиндра процесс разряжения повторяется применительно к первому цилиндру, в котором начался впуск свежего заряда и к всей системе коллекторов в целом.

При введении в магистрали 7 каждого цилиндра в зоне его выпускного окна крана с функцией открытия и закрытия от положения клапанов этого цилиндра обеспечивается разделение замкнутой системы коллекторов на подсистемы замкнутого вида. В этом случае при выпуске отработавших газов из первого цилиндра разряжение будет создаваться только в коллекторе второго цилиндра, так как все другие магистрали перекрыты. Это позволяет осуществить более глубокое очищение камеры сгорания второго цилиндра.

При выпуске отработавших газов из третьего цилиндра эжекторное разряжение будет организовано в коллекторе первого цилиндра, так как все другие магистрали, в том числе и ранее открытая магистраль между первым и вторым цилиндром, перекрыты.

Настоящее изобретение позволяет увеличить механическую отдачу двигателя внутреннего сгорания за счет улучшения наполнения рабочего цилиндра свежим зарядом.