впускная труба четырехцилиндрового рядного двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Впускная труба четырехцилиндрового рядного двигателя внутреннего сгорания, состоящая из отдельных каналов для каждого цилиндра, составляющих попарно в плане фигуру полутора и имеющая устройство для подогрева топливной смеси, отличающаяся тем, что она имеет фланец под двухкамерный карбюратор, одно выходное отверстие которого связано с каналами первого и четвертого цилиндров, а другое - с каналами второго и третьего цилиндров, каналы трубы имеют по всей длине равный гидравлический диаметр, на виде спереди каждый канал имеет участок входа, выполненный плавным поворотом на 90^o в вертикальной плоскости, сопряженный с горизонтальным участком, который, в свою очередь, сопряжен с участком выхода в головку цилиндров, выполненным плавным поворотом в вертикальной плоскости на угол менее 90^o, причем каналы, образующие в плане полутор, разделены снизу в зоне вертикального поворота на 90^o гребешком, поперечные сечения каналов на участках входа и горизонтальных участках выполнены в форме "четырехлепестковой розы", вписанной в окружность входной фаски в ее нижней плоскости, "лепестки розы" по всей длине каналов образованы дугами пересекающихся окружностей с центрами, лежащими в плане, в нижней плоскости входной фаски в вершинах квадрата, диагонали которого, являющиеся эксцентриситетом сечений, равны 0,3 - 0,4 радиуса образующих окружностей сечений и изменяются по величине по ходу каналов, на участках выхода в головку цилиндров сечения каналов трубы имеют форму фигуры, образованной совмещением "четырехлепестковой розы" с "Кассини-овалом" с радиусом образующих окружностей, равным радиусу образующих окружностей сечений в форме "четырехлепестковой розы" и плавно возрастающим по ходу каналов эксцентриситетом, максимальное значение которого равно 0,5 - 0,6 радиуса образующих окружностей, устройство для подогрева топливной смеси выполнено в виде полости, отлитой как одна деталь с впускной трубой, распространенной по всей нижней поверхности впускных каналов и связанной с системой охлаждения головки цилиндров двигателя.

2. Труба по п.1, отличающаяся тем, что одна диагональ квадрата, в вершинах которого лежат центры образующих окружностей сечений типа "четырехлепестковой розы", расположена в плане на продольной оси фланца под карбюратор и уменьшается от максимума в нижней плоскости входной фаски трубы до нуля в плоскости присоединения трубы к головке цилиндров, а другая диагональ указанного квадрата плавно уменьшается до минимального значения, не равного нулю к концу участка входа, затем остается постоянной на горизонтальном участке и плавно возрастает до максимума на участке выхода в головку цилиндров, являясь на этом участке эксцентриситетом "Кассини-овалов", центры образующих окружностей "Кассини-овалов" нижней части каждого канала на участке выхода в головку цилиндров лежат на дуге окружности, расположенной в горизонтальной плоскости и являющейся траекторией движения крайней точки перпендикулярной продольной оси фланца под карбюратор диагонали квадрата, в вершинах которого лежат центры образующих окружностей сечений типа "четырехлепестковой розы", проекция которой в плане является осью полутора соответствующего канала, а на виде спереди - прямой, параллельной оси канала на горизонтальном участке и лежащей ниже этой оси на величину, равную половине эксцентриситета поперечных сечений канала на горизонтальном участке, центры образующих окружностей "Кассини-овалов" верхней части каждого канала на участке выхода в головку цилиндров лежат на объемной кривой, являющейся траекторией движения другой крайней точки перпендикулярной продольной оси фланца под карбюратор диагонали квадрата, в вершинах которого лежат центры образующих окружностей сечений типа "четырехлепестковой розы", причем проекция объемной кривой в плане является осью полутора соответствующего канала, а на виде спереди - другой окружности, сопряженной с прямой, параллельной оси канала на горизонтальном участке и лежащей выше этой оси на величину, равную половине эксцентриситета поперечных сечений канала на горизонтальном участке трубы.

3. Труба по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что каналы трубы соединены тремя отверстиями, выполненными в перегородке между каналами, одно из которых расположено в зоне фланца под карбюратор с центром на оси симметрии полуторов, а два других - в зонах, близких к плоскости присоединения впускной трубы к головке цилиндров, диаметр соединительных отверстий в перегородке каналов равен 0,6 - 1,4 радиуса образующих окружностей поперечных сечений каналов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к конструкции впускных труб четырехцилиндровых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известна впускная труба ДВС ЗМЗ - 4021.10, выполненная методом отливки из алюминиевого сплава под двухкамерный карбюратор. Труба имеет круглое сечение каналов, выходящих из общей камеры под карбюратором. В горизонтальной плоскости каналы идут под углом к поперечной оси головки, оси их выполнены в виде прямых, параллельных для первого-второго цилиндров и третьего-четвертого цилиндров. В зоне подхода к головке цилиндров оси каналов выполнены дугами окружностей для сопряжения с впускными каналами головки цилиндров. Впускная труба имеет газовый подогрев впускной смеси за счет того, что смесительная камера под карбюратором имеет дно, выполненное в виде оребренной поверхности, омываемой снизу выхлопными газами из выпускного коллектора ДВС. Впускная труба соединена с выхлопным коллектором и вместе с ним крепится к двигателю.

Недостатком этого технического решения является большая емкость под карбюратором, разные сечения по длине канала, повышенное гидравлическое сопротивление каналов, недостаточный подогрев поступающей смеси, т.к. он осуществляется только по дну камеры под карбюратором и искривление впускной трубы и подсос в нее воздуха в процессе эксплуатации двигателя в связи с общим креплением к двигателю впускной трубы и выхлопного коллектора, что приводит к ухудшению массового наполнения горючей смесью цилиндров двигателя, и, как следствие, к уменьшению коэффициента наполнения, мощности, увеличению расхода топлива, шума и токсичности отработавших газов двигателя.

Известен впускной трубопровод по заявке Франции N 2.559.548, F 02 M 31/10, F 01 P 7/12, имеющий нагревательное устройство, выполненное в виде вспомогательного контура, связанного с ответвлением системы охлаждения двигателя с охладителем, находящимся в жидком состоянии. Ответвления прямого и обратного трубопроводов вспомогательного контура находятся вблизи стороны нагнетания и всасывания насоса системы охлаждения двигателя, и во вспомогательном контуре впускного трубопровода циркулирует 20 - 40% расхода жидкости, что обеспечивает быстрый нагрев впускного коллектора. Согласно графическим материалам вспомогательный контур выполнен в виде полости внизу впускного трубопровода, идущей по всей нижней поверхности каналов, что улучшает смесеобразование в ДВС на малой частоте вращения вала двигателя и ухудшает смесеобразование на большой частоте вращения вала. В то же время расположение прямого и обратного трубопроводов вспомогательного контура вблизи насоса системы охлаждения довольно затруднительно в конструктивном отношении, а циркуляция 20 - 40% расхода жидкости системы охлаждения во вспомогательном контуре впускного трубопровода, по нашему мнению, чрезмерно велика и значительно увеличит потери на привод водяного насоса, вызывая явление кавитации охлаждающей жидкости, перегрев двигателя на максимальной мощности.

Известен впускной патрубок по заявке Франции N 2.550824 F 02 M 35/10, 31/12, (прототип), имеющий основной канал, соединенный с корпусом карбюратора, и впускные трубы для питания соответствующих цилиндров двигателя.

Впускной патрубок имеет направляющее устройство для топливной смеси, соединенное с каналом для компонентов смеси, находящихся в жидкой фазе. Согласно графическим материалам впускные трубы для питания соответствующих цилиндров составляют попарно в плане полуторы, сопряженные с прямыми участками на выходе в головку цилиндров. Впускные трубы (каналы) отдельные для каждого цилиндра имеют круглое поперечное сечение. Впускной патрубок имеет электрическое устройство для подогрева топливной смеси в зоне под карбюратором. Форма каналов уменьшает гидравлическое сопротивление на впуске, но подогрев смеси только в зоне под карбюратором не позволяет достичь оптимального смесеобразования.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение поперечной площади каналов, гидравлического сопротивления и шума на впуске, повышение скорости движения потока, улучшение смесеобразования, увеличение топливной экономичности ДВС и снижение токсичности выхлопных газов, а также повышение массового наполнения цилиндров и улучшение мощностных показателей двигателя и рациональное соотношение момента и мощности ДВС на разных частотах вращения и повышения степени сжатия на 12% без изменения октанового числа бензина.

Указанный технический результат достигается за счет того, что во впускной трубе четырехцилиндрового рядного ДВС, состоящей из отдельных каналов для каждого цилиндра, составляющих попарно в плане фигуру полутора и имеющей устройство для подогрева топливной смеси, согласно изобретению имеется фланец под двухкамерный карбюратор, одно выходное отверстие которого связано с каналами второго и третьего цилиндров, каналы трубы имеют по всей длине равный гидравлический диаметр, на виде спереди каждый канал имеет участок входа, выполненный плавным поворотом на 90^o в вертикальной плоскости, сопряженный с горизонтальным участком, который в свою очередь сопряжен с участком выхода в головку цилиндров, выполненным рациональным плавным поворотом в вертикальной плоскости на угол менее 90^o, причем каналы, образующие в плане полутор, разделены снизу в зоне вертикального поворота на 90^o, гребешком. Поперечные сечения каналов на участках входа и горизонтальных участках выполнены в форме "четырехлепестковой розы", вписанной в окружность входной фаски в ее нижней плоскости. "Лепестки розы" по всей длине каналов образованы дугами пересекающихся окружностей с центрами, лежащими в плане в нижней плоскости входной фаски в вершинах квадрата, диагонали которого, являющиеся эксцентриситетами сечений, равны 0,3 - 0,4 радиуса образующих сечений и изменяются по величине по ходу каналов.

На участке выхода в головку цилиндров сечения каналов трубы имеют форму фигуры, образованной совмещением "четырехлепестковой розы" с "Кассини-овалом" с радиусом образующих окружностей, равным радиусу образующих окружностей сечения в форме "четырехлепестковой розы" и плавно возрастающим по ходу каналов эксцентриситетом, максимальное значение которого равно 0,5 - 0,6 радиусов образующих окружностей.

Устройство для подогрева топливной смеси выполнено в виде полости, отлитой как одна деталь с впускной трубой, распространенной по всей нижней поверхности впускных каналов и связанной с системой охлаждения головки цилиндров двигателя.

В предложенном конструктивном варианте одна из диагоналей квадрата, в вершинах которого лежат центры образующих окружностей сечений типа "четырехлепестковой розы", расположена в плане на продольной оси фланца под карбюратор и уменьшается плавно от максимума в нижней плоскости входной фаски трубы до нуля в плоскости присоединения трубы к головке цилиндров, а другая диагональ указанного квадрата плавно уменьшается до минимального значения, не равного нулю, к концу участка входа, затем остается постоянной на горизонтальном участке и плавно возрастает до максимума на участке выхода в головку цилиндров, являясь на этом участке эксцентриситетом "Кассини-овалов".

Центры образующих окружностей "Кассини-овалов" нижней части каждого канала на участке выхода в головку цилиндров лежат на дуге окружности, расположенной в горизонтальной плоскости и являющейся траекторией движения крайней точки перпендикулярной продольной оси фланца под карбюратор диагонали квадрата, в вершинах которого лежат центры образующих окружностей сечений типа "четырехлепестковой розы", причем проекция этой дуги в плане является осью полутора соответствующего канала, а на виде спереди - прямой, параллельной оси канала на горизонтальном участке и лежащей ниже этой оси на величину, равную половине эксцентриситета поперечных сечений канала на горизонтальном участке.

Центры образующих окружностей "Кассини-овалов" верхней части каждого канала на участке выхода в головку цилиндров лежат на объемной кривой, являющейся траекторией движения другой крайней точки перпендикулярной продольной оси фланца под карбюратор диагонали квадрата, в вершинах которого лежат центры образующих окружностей сечений типа "четырехлепестковой розы", причем проекция этой объемной кривой в плане является осью полутора соответствующего канала, а на виде спереди - дугой окружности, сопряженной с прямой, параллельной оси канала на горизонтальном участке и лежащей выше этой оси на величину, равную половине эксцентриситета поперечных сечений канала на горизонтальном участке трубы.

Каналы соединены тремя отверстиями, выполненными в перегородке между каналами, одно из которых расположено в зоне фланца под карбюратор с центром на оси симметрии полуторов, а два других - в зонах, близких к плоскости присоединения впускной трубы к головке цилиндров. Диаметр соединительных отверстий в перегородке между каналами равен 0,6 - 1,4 радиуса образующих окружностей сечений каналов. Впускная труба не соединяется с впускным коллектором и самостоятельно крепится к головке цилиндров двигателя.

Равные гидравлические диаметры каналов означают, что 4S/p = const для любого сечения любого канала впускной трубы, где S - площадь сечения канала, p - смачиваемый периметр сечения. Равные гидравлические диаметры каналов трубы уменьшают гидравлические сопротивления каналов, шум на впуске, увеличивают наполнение цилиндров и соответственно мощностные и экономические показатели двигателя. Уменьшению гидравлического сопротивления и увеличению наполнения цилиндров способствует также выполнение каналов в плане в виде полуторов, плавный поворот на 90^o в вертикальной плоскости и гребешок в нижней части каналов в зоне вертикального поворота.

Выполнение сечений каналов в виде "четырехлепестковой прозы", вписанной на входе в трубу в окружность впускной фаски, "лепестки" которой выполнены дугами пересекающихся окружностей, снижает нежелательные на этом участке впускного тракта большие завихрения смеси во впускной трубе, что резко уменьшает гидравлическое сопротивление и увеличивает скорость движения горючей смеси, наполнение цилиндров во время опаздывания впуска и улучшает смесеобразование горючей смеси и испарение легких фракций топлива за счет увеличения поверхности подогрева, что дополнительно улучшает процессы смесеобразования и горения. В конечном итоге улучшаются мощностные и экономические показатели двигателя, улучшаются его пусковые качества и снижается токсичность отработавших газов. Форма сечений каналов на участках входа в головку цилиндров в сочетании с поворотом каналов в двух плоскостях дает смеси момент вращательного движения без нежелательных завихрений, т.к. облегчает повороты потока смеси с малым газодинамическим сопротивлением и рациональным подогревом. Сечения в форме "Кассини-овалов" обеспечивают подачу смеси в каналы головок цилиндров под нужным углом, что снижает гидравлическое сопротивление впускной системы в целом, увеличивает наполнение цилиндров, а также снижает шум на впуске.

Предложенные конструктивные соотношения в трубке облегчают ее компьютерное проектирование, расчет размеров сечений равного гидравлического диаметра и упрощает технологию отливки детали.

Соединение каналов трубы тремя отверстиями в зоне под карбюратором и перед входом в головку цилиндров резко уменьшают амплитуду колебания давления обратной волны потока горючей смеси, идущей от закрытого впускного отверстия к карбюратору, выравнивают величину давлений в каналах, уменьшают аэродинамическое сопротивление на входе и обеспечивают взаимоподпитку каналов, благодаря чему происходит дозарядка цилиндров при опаздывании впуска и в конечном итоге увеличение коэффициентов наполнения, уменьшение коэффициента остаточных газов и увеличение мощности и экономичности двигателя.

Подогрев впускных каналов трубы по всей нижней поверхности за счет подачи воды в полость, выполненную снизу в отливке трубы, обеспечивает разгонную характеристику топлива, быстрый и равномерный подогрев подаваемой смеси, что улучшает смесеобразование и соответственно процесс горения и уменьшает токсичность выхлопных газов.

Подача воды в подогревательную полость из головки цилиндров, к которой крепится впускная труба, упрощает конструкцию водяного подогрева.

Крепление впускной трубы к головке цилиндров отдельно от выпускного коллектора снижает деформацию впускной трубы при работе двигателя, облегчает герметизацию стыка головки и впускной трубы, исключает подсос в нее воздуха и выброс выхлопных газов в атмосферу.

Фиг. 1 - вид спереди на впускную трубу.

Фиг. 2 - вид сверху на впускную трубу.

Фиг. 3 - разрез по К-К.

Фиг. 4 - вид по стрелке M.

Впускная труба 1 имеет фланец 2 под двухкамерный карбюратор и каналы: 3 - четвертого цилиндра, 4 - третьего цилиндра, 5 - второго цилиндра и 6 - первого цилиндра, симметричные на виде спереди относительно оси 7, а в горизонтальной плоскости относительно оси 8. Труба 1 имеет также полость 9 для подогрева топливной смеси, которая выполнена в литье как одна деталь с трубой 1 и проходит снизу трубы 1 по всей поверхности указанных каналов. Полость 9 связана с системой охлаждения головки цилиндров двигателя, к которой крепится впускная труба 1 отдельно от выпускного коллектора. Для крепления к головке цилиндров труба 1 имеет четыре бобышки 10, вода из системы охлаждения головки цилиндров поступает в полость 9 трубы 1 через отверстие 11, расположенное между выходными окнами 12 и 13, и возвращается в систему охлаждения головки через симметричное отверстие (не показано) между выходными окнами первого и второго цилиндров. Резьбовое отверстие 14 служит для слива воды из полости 9 при необходимости и для опоры стержня водяной нагревательной полости трубы при ее отливке. Каналы 6 и 3 первого и четвертого цилиндров и каналы 5 и 4 второго и третьего цилиндров образуют в плане фигуру полутора. На виде спереди каналы 3 и 6 имеют входной участок A плавного поворота на 90^o в вертикальной плоскости, горизонтальный участок B и участок C выхода в головку цилиндров,выполненный плавным поворотом в вертикальной плоскости на угол, меньший 90^o.

Каналы 4, 5 на виде спереди имеют входной участок A плавного поворота на 90^o в вертикальной плоскости, горизонтальный участок E и участок F выхода в головку цилиндров, выполненный плавным поворотом в вертикальной плоскости на угол меньше 90^o.

Поперечное сечение каналов (фиг. 4) выполнено в форме "четырехлепестковой розы" 15, вписанной в окружность 16 входной фаски диаметром D. Сечение 15 образовано дугами 17 пересекающихся окружностей с радиусом R. Центры окружностей 17 лежат в вершинах квадрата 18, одна диагональ 19 которого в предлагаемом конструктивном варианте расположена на продольной оси 8 фланца 2 под карбюратор, а другая диагональ 20 квадрата 18 расположена на оси 21, перпендикулярной оси 8.

Величина диагоналей 19 и 20 квадрата 18 равна 0,3 - 0,4 R в нижней плоскости 22 входной фаски и измеряются по ходу каналов.

Диагональ 19 квадрата 18 плавно уменьшается по ходу каналов трубы от максимума в плоскости 22 входной фаски до нуля в плоскости 23 присоединения трубы 1 к головке цилиндров.

Диагональ 20 плавно уменьшается до минимальной величины H в плоскости окончания входного участка A, а затем остается постоянной, равной H, на горизонтальных участках E и B. На участках C и F выхода в головку цилиндров величина диагонали 20 плавно увеличивается от величины H до максимальной величины, равной G, за счет чего каналы трубы постепенно приобретают вертикальный эксцентриситет и являются фигурой, получающейся в результате совмещения фигуры в виде "четырехлепестковой розы" с минимальным эксцентриситетом, характерным для участков C и F, с фигурой в виде "Кассини-овала" с радиусом образующих окружностей, равным радиусу R образующих окружностей сечений в виде "четырехлепестковой розы".

Максимальная величина G эксцентриситета "Кассини-овалов" равна 0,5 - 0,6 R и расположена в плоскости 23 присоединения к головке цилиндров.

Так как в плоскости 23 присоединения трубы 1 к головке цилиндров диагональ 19 квадрата 18 равна нулю, то сечение каналов трубы в этой плоскости имеют форму чистого "Кассини-овала" 24, с эксцентриситетом G и радиусом образующей окружности R.

В зоне A вертикального поворота канала 3 - 6 и 4 - 5 разделены гребешком 25, симметричным относительно оси 7.

Впускные каналы 3, 4, 5, 6 имеют по всей длине равный гидравлический диаметр.

Центры образующих окружностей "Кассини-овалов" 24 нижней части каждого канала лежат на дуге 26 окружности, лежащей в горизонтальной плоскости и являющейся траекторией движения крайней точки P диагонали 20 квадрата 18. Проекция дуги 26 в плане является осью соответствующего полутора.

На виде спереди дуги 26 проектируются в виде прямой 27, параллельной оси 28 каналов на горизонтальных участках B и E и лежащей ниже этой оси на величину, равную H/2.

Центры образующих окружностей "Кассини-овалов" 24 верхней части каждого канала на участках C и F лежат на объемной кривой, являющейся траекторией движения крайней точки Q диагонали 20 квадрата 18. Проекция этой объемной кривой в плане является осью 26 соответствующего полутора, а на виде спереди - дугой 29, 30 окружности, сопряженной с прямой 31, параллельной оси 28 канала на горизонтальном участке B, E и лежащей выше оси 28 на величину, равную H/2.

Дуги 29 и 30 выполнены радиусами R1 и R2. Каналы 3, 4, 5, 6 соединены отверстием 32 в перегородке 33 под фланцем 2 для карбюратора.

Каналы 3 и 4 соединены отверстием 34 в перегородке 33 в зоне, близкой к плоскости 23 присоединения трубы 1 к головке цилиндров, каналы 5 и 6 соединены отверстием в перегородке 33 в зоне, близкой к плоскости 23 крепления трубы 1 к головке цилиндров (не показано).

Размеры этих соединительных отверстий выбраны экспериментально и равны (0,6 - 1,4) R.

Топливная смесь поступает из карбюратора в каналы 3, 4, 5, 6. Благодаря равному гидравлическому диаметру каналов по всей длине, выполнению их в плане в виде полуторов и на виде спереди в виде плавного поворота на 90^o, где гребешок 25 служит для направления потока смеси в нужный канал, каналы имеют малое гидравлическое сопротивление, что увеличивает наполнение цилиндров и снижает шум на впуске. На большей части каналов, а именно на участках A, F, C, каналы делают поворот сразу в двух плоскостях, поэтому смесь приобретает момент вращательного движения (закрутки) без нежелательных завихрений благодаря сечению каналов в виде "четырехлепестковой розы". Конструктивное выполнение каналов, введение сечений в виде "Кассини-овалов" 24 облегчает повороты потока смеси и вход в каналы для головки цилиндров.

По мере прохождения по каналам 3, 4, 5, 6 смесь быстро подогревается, благодаря большой поверхности подогрева, увеличенной дополнительно за счет выполнения сечений каналов в виде "четырехлепестковой розы". Это улучшает смесеобразование, процесс горения, особенно на малых и средних частотах вращения и нагрузках. Соединение каналов отверстиями 32 и 34, выполняемыми в перегородке 33, резко уменьшает амплитуду колебаний давления обратной волны потока горючей смеси, идущей от закрытого впускного отверстия цилиндра к карбюратору, выравнивает величину давлений в каналах, уменьшает сопротивление на входе, обеспечивает взаимоподпитку каналов, очистку и дозарядку цилиндров, что увеличивает мощность и экономичность двигателя и уменьшает токсичность выхлопных газов.

Как показали испытания, предложенная конструкция впускной трубы дает улучшение наполнения двигателя на малых и средних частотах вращения на 12 - 14% и улучшение топливной экономичности на этих же частотах на 5 - 10%.