Двигатель внутреннего сгорания

(51)5 Р 01 Х 3/22 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ произ-,иинстиФесина, Р.Н.Старобв и А.В.Соколов43 (088.8)рское свидетельствкл. Р 02 В 77/13 ск СССР 1986,ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯРИ ГКНТ СССР К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Волжское объединение иводству легковых автомобилеТольяттинский политехническтут(54) ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (57) Изобретение позволяет уменьшить токсичность и шум путем оптимизации конструкции механизма газораспределения и системы подачи вторичного воздуха, Двигатель 1 внутреннего сгорания содержит механизм газораспреде 7 ления, приводные шкивы 2 которогопомешены в кожух 3, установленныйна корпусе двигателя 1 и снабженныйвентиляционными отверстиями, по крайней мере одно иэ которых размещенона пересечении проекции на кожух 3главной оси инерции проекции объемазаключенного в кожухе, на плоскость,перпендикулярную осям шкивов 2 с кожухом. Двигатель 1 снабжен системойподачи вторичного воздуха в выхлопную систему 5 с трубопроводом 6, снабженным обратным клапаном 7, причемвходной акустический срез трубопровода 6 размешен в центре тяжестиобъема, образованного внутренней поверхностью кожуха 3 и торцовой поверхностью двигателя 1, что обеспечивает уменьшение токсичности и шума. 24 ил,Изобретение относится к машиноСтроению, в частности к двигателетроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания.5Целью изобретения является уменьшение токсичности и шума.На фиг. 1 представлена схема двигателя внутреннего сгорания; на Фиг.2 - лицевая панель кожуха; на Фиг.3 - се чение А-А на фиг.2; на Фиг.4 - упроенный вариант исполнения кожуха, ыполненного в виде прямоугольного параллелепипеда; на Фиг.5 - эпюра распределения полей давлений воздуш ого объема, заключенного в кожухе, а первой (низшей) собственной резоансной продольной Форме колебаний: а фиг.б - то же, поперечной форме олебаний; на Фиг.7 - то же, .второй 1 тродольной Формы колебаний воздушного объема; на фиг.Я - то же, второй 1 оперечной формы колебаний воздушного объема; на Фиг.9 - упрощенная схема лицевой панели кожуха (форма панели 25 ррямоугольная); на Фиг.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. - 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 Форме колебаний лицевой панели; на фиг,16 характер виброперемещений лицевой панели,при ее колебаниях иа первой (низшей) собственной резонансной Форме; на Фиг.17 - то же, на второй50 (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 Форме; 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: Р - давление; Ч - скорость; Й - 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 максималенДвигатель 1 дополнительно снабжен системой подачи вторичного воздуха в выхлопную систему 5 с трубопроводом б, снабженным обратным клапаном 7, причем входной акустический срез 8 трубопровода б (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 трубопровода6 (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 ортогональностиЕДля первой Формы распределение давлений вдоль оси координат близко к линейному, тогда интеграл (1) пропорционален интегралу(2)РПоследний 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 пределахК (0,5 + 1,0)-- , (3)свыводится в центр тяжести объема кожуха 3, В остальных четырех точкахразмещаются вентиляционные отверс"тия 4.35Окончательное определение уточненных положений зон максимумов виброскоростей и узлов давления, а также мест их наиболее эффективногопересечения может быть определено 40 при помощи виброщупов и акустическихзондов экспериментально,Двигатель внутреннего сгоранияработает следующим образом.При работе двигателя 1 отработавшие газы движутся по выпускномуколлектору системы 5 с колебаниямидавления, обусловленными рабочимпроцессом двигателя 1. При импульсе разрежения в выхлопном коллекторе системы 5 на режиме разгонадвигателя 1 с полной нагрузкой воздух поступает из полости коробчатого кожуха 3 по трубопроводу 6 ввыхлопной коллектор системы 5, обеспечивая при этом окисление продуктов сгорания отработавших газов.Обратный клапан 7 в это время поддействием разрежения в системе 5открыт. Забор воздуха в кожух 3 осу. 5 10 15 20 25 30 где Г - 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 8ществляется через отверстия 4, в которых может быть установлен пористый сетчатый материал (фиг.3). Одновременно звуковая энергия в ви 5 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 ма, заключенного в полости кожуха 3, возбуждаемого пульсирующим газовым потоком, передаваемым из системы 5 .через трубопровод б в полость кожуха 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 45объемы обладают определенными частотными характеристиками и, в конечном итоге, определяют звуковое излучение, производимое отверстиями 4в окружающую среду. Эти же причиныобуславливают нестационарность потокагаза в трубопроводе б.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 б стационарного потока воздуха, что повьппает эффективность работы системы подачи вторичного воздуха в выхлопную систему 5.Пульсирующий точечный возбудитель (срез 8) также может возбужпать 1тонкостенную 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 мо10 1539350 35 8. дой воздушного объема (фиг.9-17).В этом случае задача снижения шумарешается за счет выполнения вентиляционных отверстий 4 вблизи зон максимальных виброскоростей колебанийлицевой панели кожуха 3 и, соответственно, вблизи зон узлов давлений низших собственных форм воздушного объема, что предотвращает 1 Оинтенсивное звучание стенки (лицевойпанели) кожуха 3 вследствие акустического короткого замыкания междулицевой и обратной ей сторонами панели (фиг.19 и 20) и через отверстия 4. 15Одновременно за счет оптимальногос акустической точки зрения расположения отверстий 4 на кожухе 3 предотвращается "высвечивание" звука изобъема под кожухом 3, которое являет-. 20ся наиболее интенсивным на резонансных частотах воздушного объема наего низших резонансных формах, вследствие оптимального расположения от-.верстий 4 в узловых зонах низшихформ давлений воздушного объема,где звука Не сльшно 11,При размещении акустическогосреза 8 трубопровода б в полостикожуха 3 необходимо учитывать влияние динамических процессов. Так какцентр тяжести эпюры выходных скоростей пульсирующего в трубопроводе 6потока в бесконечном пространственаходится на расстоянии 0,3 й отреального среза трубопровода (статического среза), где Й - диаметрреального среза (фиг,21), то еслиузловая плоскость в данном случаенизшей формы колебаний давлений 40находится на расстоянии 0,3 й отреального (статического) среза,то не происходит возбуждения этойформы колебаний. На практике величина такого динамического приращения, как правило, находится в диапазоне 0,2-0,4 й. Формула изобретения Двигатель внутреннего сгорания, содержащий механизм газораспределения, приводные шкивы которого .помещены в коробчатый кожух, установленный на корпусе двигателя и снабженный вентвпяционными 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, или 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 щ и й с я 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 Поперечнаяплоскость Продольнаяпоскость Фи Про Мир 03 нООх оси инерции о 5 аеф куя м ставитель В.Славнико Редактор И.Рыбченко Техред А.Кравчук Корректор черява Заказ 199 Тираж 502 ПодписноеНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва Ж, Раушская наб., д, 4/5 водственно-ичдательскиц комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 ряЩ баЗОВяя П;.ОСКОСть (торец лв;и атель) Торец Зйг фаюоРау д 4 ЮФрслМ