Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение позволяет уменьшить токсичность и шум путем оптимизации конструкции механизма газораспределения и системы подачи вторичного воздуха. Двигатель 1 внутреннего сгорания содержит механизм газораспределения, приводные шкивы 2 которого помещены в кожух 3, установленный на корпусе двигателя 1 и снабженный вентиляционными отверстиями, по крайней мере одно из которых размещено на пересечении проекции на кожух 3 главной оси инерции проекции объема, заключенного в кожухе, на плоскость, перпендикулярную осям шкивов 2 с кожухом. Двигатель 1 снабжен системой подачи вторичного воздуха в выхлопную систему 5 с трубопроводом 6, снабженным обратным клапаном 7, причем входной акустический срез трубопровода 6 размещен в центре тяжести объема, образованного внутренней поверхностью кожуха 3 и торцовой поверхностью двигателя 1, что обеспечивает уменьшение токсичности и шума. 24 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)5 Е 01 N 3/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

:Ь

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

llO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4359657/25-06 (22) 08.12.87 (46) 30.01.90. Бюл. > - 4 (71) Волжское объединение по произ-. водству легковых автомобилей и

Тольяттинский политехнический институт (72) M.È.Ôåñèíà, P.Н. Старобинский, А.B.Ôðîëîâ и А.В.Соколов (53) 621.43 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1346832, кл. Р 02 В 77/13, 1986. (54) ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (57) Изобретение позволяет уменьшить токсичность и шум путем оптимизации конструкции механизма газораспределения и системы подачи вторичного воздуха. Двигатель 1 внутреннего сгора,ния содержит механизм газораспреде7

2 ления, приводные шкивы 2 которого помешены в кожух 3, установленный на корпусе двигателя 1 и снабженный вентиляционными отверстиями, по крайней мере одно иэ которых размещено на пересечении проекции на кожух 3 главной оси инерции проекции объема„ заключенного в кожухе, на плоскость, перпендикулярную осям шкивов 2 с кожухом. Двигатель 1 снабжен системой подачи вторичного воздуха в выхлопную систему 5 с трубопроводом 6, снабженным обратным клапаном 7, причем входной акустический срез трубопровода 6 размешен в центре тяжести объема, образованного внутренней поверхностью кожуха 3 и торцовой поверхностью двигателя 1, что обеспечивает уменьшение токсичности и шума. 24 ил.

1539350

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателе троению, а именно к двигателям внутреннего сгорания.

Целью изобретения является уменьшение токсичности и шума.

На фиг. 1 представлена схема двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2— лицевая панель кожуха; на фиг.3 — се- 10 чение А-А на фиг.2; на фиг.4 — упроенный вариант исполнения кожуха, ыполненного в виде прямоугольного параллелепипеда; на Аиг.5 — эпюра распределения полей давлений воздушного объема, заключенного в кожухе, а первой (низшей) собственной резоансной продольной форме колебаний: а фиг.6 — то же, поперечной форме олебаний; на фиг.7 - то же, .ВТОРо, 1тродольной формы колебаний воздушно о объема; на фиг.Я вЂ” то же, второй

1 оперечной формы колебаний воздушного объема; на фиг.9 — упрощенная схема лицевой панели кожуха (форма панели 25 ррямоугольная); на Аиг.10 — эпюра распределения звуковых давлений с продольной стороны колеблющейся панели.на первой (низшей) собственной

Резонансной вибрационной форме„" на фиг.11 — то же, с поперечной стороны колеблющейся панели на первой (низшей) собственной резонансной вибра ционной форме; на фиг.12 — то же, с продольной стороны колеблющейся панели на второй (низшей) собственной резонансной вибрационной форме; на фиг.13 — то же, с поперечной стороны колеблющейся панели на второй (низшей) собственно резонансной вибра. — 0 ционной форме; на фиг.14 — эпюра распределения виброскоростей на первой (низшей) собственной резонансной форме колебаний лицевой панели; на фиг.15 — то же, на второй (низшей) собственной резонансной Аорме колебаний лицевой панели; на фиг.16 характер виброперемещений лицевой панели.при ее колебаниях иа первой (низшей) собственной резонансной форме; на Аиг.17 — то же, на второй

50 (низшей) собственной резонансной форме; на фиг.18 — лицевая панель в статике; на фиг.19 — то же, в динамике, вариант одностороннего прогиба; на .фиг.20 — то же, вариант двухстороннего прогиба; на фиг.21 — акустический срез трубопровода; на фиг.22— сечение кожуха продольными и поперечными плоскостями, пересекающимися в центре тяжести объема кожуха при правильной геометрической его форме; на фиг.23 — часть кожуха, отсеченная продольными и поперечными плоскостями, пересекающимися в центре тяжести объема кожуха при правильной геометрической его Аорме; на фиг.24 — произвольная (сложная) форма кожуха и его проекция на торцовую плоскость двигателя.

Стрелками на фиг.19 и 20 показано направление перетекания воздушной среды из зоны повьппенного давления (+) в зону пониженного давления (-) при иэгибных колебаниях лицевой панели; принятые обозначения: P. — - давление; Ч вЂ” скорость; d — - диаметр.

Двигатель 1 внутреннего сгорания содержит механизм газораспределения, приводные шкивы 2 которого помещены в коробчатый кожух 3, установленный на корпусе двигателя 1 и снабженный вентиляционными отверстиями 4, по крайней мере одно из которых размещено на пересечении проекции на кожух 3 главной оси инерции проекции, объема, заключенного в кожухе 3, на плоскость, перпендикулярную осям шкивов 2 с кожухом 3, причем момент инерции объема относительно главной оси максимален, или на пересечении главной оси инерции проекции объема геометрической фигуры, образованной продольной и поперечной плоскостями, пересекающимися в центре тяжести объема кожуха 3, и ограниченной частью внешнего контура кожуха, с последним, причем момент инерции фигуры относительно главной оси максимален °

Двигатель 1 дополнительно снабжен системой подачи вторичного воздуха в выхлопную систему 5 с трубопроводом 6, снабженным обратным клапаном

7, причем входной акустический срез

8 трубопровода 6 (фиг.21) размещен в центре 9 тяжести объема, образованного внутренней поверхностью кожуха

3 и торцовой поверхностью 10 двигателя 1.

Например,, если кожух 3 имеет форму правильного параллелепипеда, центр тяжести его объема совпадает с его геометрическим центром и размещен на пересечении диагоналей.

В эту точку и необходимо поместить акчстический срез 8 трубопровода

1539350

) pdF.

Для первой формы распределение давлений вдоль оси координат близко к линейному, тогда интеграл (1) пропорционален интегралу

JxdF. (2) F

Последний же (фактически статический момент площади) равен нулю только тогда, когда нулевая линия проходит через центр тяжести площади проекции.

Аналогичные заключения справедливы для форм, описывающих распределение вибронапряжений в кожухе 3, а их узлы совпадают с пучностями виброскоростей кожуха 3, Зона совпадения узловых линий дав ления низших продольных и поперечных форм колебаний с зоной максимума виброскоростей панели реализуется вблизи центра тяжести проекции панели (для используемых в настоящее время кожухов примерно постоянной толщины). Первые собственные частоты внутренних объемов для используемых форм кожухов 3 достаточно хорошо коррелируются с площадью проекции панели и лежат в пределах

f (0,5 †: 1,0) -- — —, (3) с

2 (6 (фиг.4-8 и 21). Кожух 3 делится продольными и поперечными плоскостями на четыре объема (фиг.22 и 23).

Центры, тяжести каждого из таких объемов аналогичным образом размещены на пересечении диагоналей каждого из объемов. Если полученные центры тяжести объемов соединить прямыми, перпендикулярными плоскости торцовой поверхности 10 двигателя 1 (фиг.3), то эти прямые пересекут кожух 3 в точках, в которых выполняются отверстия 4. Если часть отверстий 4 размещена вне этих эон, то их целесообразно снадбить воздухопроницаемым звукоизолирующим элементом (фиг.3).

Так как на практике кожухи 3 имеют более сложную геометрическую форму, то зона виброскоростей и зона узлов давлений тяготеют к центру тяжести проекции панели кожуха 3 и распределение давлений в собственных формах удовлетворяют соотношению ортогональности выводится в центр тяжести объема кожуха 3. В остальных четырех точках размещаются вентиляционные отверс" тия 4.

Окончательное определение уточненных положений зон максимумов виброскоростей и узлов давления, а также мест их наиболее эффективного пересечения может быть определено

40 при помощи виброщупов и акустических зондов экспериментально.

Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

При работе двигателя 1 отработавшие газы движутся по выпускному коллектору системы 5 с колебаниями давления, обусловленными рабочим процессом двигателя 1. При импульсе разрежения в выхлопном коллекторе системы 5 на режиме разгона двигателя 1 с полной нагрузкой воздух поступает из полости коробчатого кожуха 3 по трубопроводу 6 в выхлопной коллектор системы 5, обеспечивая при этом окисление продуктов сгорания отработавших газов.

Обратный .клапан 7 в это время под действием разрежения в системе 5 открыт. Забор воздуха в кожух 3 осу5

30 где F — площадь проекции; с — скорость звука.

С учетом сказанного при наличии кожуха 3 произвольной геометрической формы (фиг.24) объем кожуха 3 проецируется на торцовую поверхность 10 двигателя 1, на которой закреплен кожух 3 (эта поверхность перпендикулярна осям шкивов 2 механизма газораспределения), Далее определяются главные оси инерции проекции объема, а также центр тяжести проекции объема. Найденные проекции проецируются в обратную сторону, на поверхность кожуха 3, и в результате на пересечении проекций на кожух 3 главных осей инерции проекции объема получается точка. Остальные точки находятся аналогичным образом, только в этом случае проецируется не весь объем кожуха, а объемы каждой из геометрических фигур, образованных продольными и поперечными плоскостями, пересекающимися в центре тяжести объема кожуха 3, и ограниченных частью внешнего контура кожуха 3.

В первой полученной на поверхности кожуха точке закрепляется трубопровод 6, а его акустический срез 8

1539350 ществляется через отверстия 4, в которых может быть установлен пористый сетчатый материал (фиг.3).

Одновременно звуковая энергия в ви5 де упругих волн, распространяемых по выхлопной системе 5, распространяется по трубопроводу 6 в кожух

3, заглушается в расширительной по,лости кожуха 3 и иэ него через от,верстия 4 распространяется в атмосферу в виде ослабленного (заглушенного) шума выхлопа.

При нарастании давления в системе

5 клапан 7 закрывается, при этом прекращается подача воздуха из кожуха 3 в систему 5 и, следовательно, прямая передача звука из системы 5 в кожух 3.

Основной причиной, отрицательно сказывающейся на нормальной работе системы подачи вторичного воздуха и ухудшающей акустические качества ,двигателя 1, является возникновение пульсаций давлений воздушного объе- 25 ма, заключенного в полости кожуха 3, возбуждаемого пульсирующим газовым потоком, передаваемым из системы 5 .через трубопровод .6 в полость кожу:ха 3. Другим отрицательным фактором . является шум, обусловленный вибри рующей лицевой панели кожуха 3, которая представляет собой тонкую де таль со значительной поверхностью излучения.

При работе двигателя 1 в момент открытия — закрытия впускных клапанов и в процессе изменения объемов цилиндров возникает переменная составляющая объемного расхода воздуха, что приводит к "раскачке" воздушных объемов, эаключенных, в частности, в трубопроводах системы 5, трубопроводе 6 и полости, ограничен-. ной кожУхом 3. Названные воздушные 45 объемы обладают определенными частотными характеристиками и, в конечном итоге, определяют звуковое излучение, производимое отверстиями 4 в окружающую среду. Эти же причины обуславливают нестационарность потока газа в трубопроводе 6.

Объем воздуха,.заключенного в кожухе 3, можно рассматривать как распределенную (по объему) массу, обладающую определенными упругими, инерционными и диссипативными характеристиками. Подвод возбуждения к этой массе осуществляется через срез 8 трубопровода 6, который подключен к выхлопной системе 5. Вследствие вызванного возбуждения объем газа под кожухом 3 начинает совершать колебания на собственных частотах, что увеличивает звуковое излучение через отверстия 4 в окружающую среду. Наиболее интенсивными являются колебания воздушного объема под кожухом 3 на низших собственных резонансных формах, которые характеризуются ярко выраженными пучностями и узлами (фиг.4-8).

Одновременно увеличивается интенсивность пульсаций давлений в трубопроводе 6, что снижает стабильность потока вторичного воздуха из кожуха

3 в выхлопную систему 5.

Описанные процессы (наряду с другими причинами) во многом способствуют повьппенному вибрационному возбуждению лицевой панели кожуха 3, что также повьппает шум двигателя.

С учетом сказанного вьппе, в двигателе 1 динамический срез 8 трубопровода 6 (т.е. источник возбуждения объема, заключенного в кожухе 3) размещен в центре 9 тяжести, т.е. в узле нечетных низших собственных форм, что исключает возбуждение этих форм.

Однако при этом возбуждаются четные собственные низшие формы. Но их передача в окружающую среду исключается эа счет размещения отверстий 4 в узлах этих Форм. Эффект, таким образом, достигается и по акустике, и по газодинамике, т.е. уровень шума уменьшается за счет исключения возбуждения низших собственных нечетных (наиболее определяющих) форм колебаний воздушного объема в полости кожуха 3 и исключения передачи из-под кожуха 3 возбужденных четных низших собственных форм. Размещение среза

8 в центре 9 тяжести обеспечивает забор из-под кожуха 3 в трубопровод

6 стационарного потока воздуха, что повьппает эффективность работы системы подачи вторичного воздуха в выхлопную систему 5.

Пульсирующий точечный возбудитель (срез 8) также может возбужпать

I тонкостенную конструкцию кожуха 3, в особенности его лицевую панель как наиболее податливый элемент со значительной поверхностью излучения корпусного шума. Причем наиболее сильно лицевая панель кожуха 3 возбуждается низшей второй четной мо1539350

35 дой воздушного объема (фиг.9-17).

В этом случае задача снижения шума решается sa счет выполнения вентиляционных отверстий 4 вблизи зон максимальных виброскоростей колебаний лицевой панели кожуха 3 и, соответственно, вблизи зон узлов давлений низших собственных форм воздушного объема, что предотвращает 10 интенсивное звучание стенки (лицевой панели) кожуха 3 вследствие акустического короткого замыкания между лицевой и обратной ей сторонами панели (фиг.19 и 20) и через отверстия 4. 15

Одновременно за счет оптимального с акустической точки зрения расположения отверстий 4 на кожухе 3 предотвращается "высвечивание" звука Hs объема под кожухом 3, которое являет-. 20 ся наиболее интенсивным на резонансных частотах воздушного объема на его низших резонансных формах, вследствие оптимального расположения от-. верстий 4 в узловых зонах низших форм давлений воздушного объема, где звука "не сльппно".

При размещении акустического среза 8 трубопровода б в полости кожуха 3 необходимо учитывать влия- 30 ние динамических процессов. Так как центр тяжести эпюры выходных скоростей пульсирующего в трубопроводе 6 потока в бесконечном пространстве находится на расстоянии 0,3 .d от реального среза трубопровода (статического среза), где d — диаметр реального среза (фиг.21), то если узловая плоскость в данном случае низшей формы колебаний давлений 40 находится на расстоянии 0,3 и от реального (статического) среза, то не происходит возбуждения этой формы колебаний. На практике величина такого динамического приращения, как правило, находится в диапазоне 0,2-0,4d. формула изобретения

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий механизм газораспределения, приводные шкивы которого . помещены в коробчатый кожух, установленный на корпусе двигателя и снабженный венткпяционнымн отверстиями, по меньшей мере одно иэ которых размещено на пересечении проекции на кожух главной оси инерции проекции объема, заключенного в кожухе, на плоскость, перпендикулярную осям шкивов с кожухом, причем момент инерции объема относительно главной оси максимален, кпи на.пересечении главной оси инерции проекции объема геометрической фигуры, образованной продольной и поперечной плоскостями, пересекающимися в центре тяжести объема кожуха, и ограниченной частью внешнего контура кожуха, с последним, причем момент инерции фигуры относительно главной оси максимален, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения токсичности и шума, он дополнительно снабжен системой подачи вторичного воздуха в выхлопную систему с трубопроводом, причем входной акустический срез трубопровода системы подачи вторичного воздуха размещен в центре тяжести объема, образованного внутренней поверхностью кожуха и торцовой поверхностью двигателя.

1539350

Фиг. б ч

Ф ?Л

НРОДОЛЬНаЯ

ПЛОСКОСТЬ

1539350

Поперечная

ПЛОСКОСТЬ

ПЭОДОЛЬН2Я

П-.ОСКОСТЪ баЗОНЯ- WOC.(OÑòú (торец дв:гатей) Фиг. Г5

Проекция ала3ной ф оекция м кожух оси инерции обаека

Торец 83иааееля (дазо/а namxocms

Составитель В.Славников

Техред А.Кравчук Корректор M.КУчерявая

Редактор И.Рыбченко

Заказ 199 Тираж 502 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва„ Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, l01