Двигатель внутреннего сгорания, транспортное средство, морское судно и способ очистки отработанного газа двигателя внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания, транспортное средство, морское судно и способ очистки отработанного газа двигателя внутреннего сгорания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, транспортному средству, морскому судну и способу очистки отработанного газа двигателя внутреннего сгорания.

Уровень техники

В общем известны двигатели внутреннего сгорания, включающие в себя трехкомпонентный каталитический нейтрализатор для очистки отработанного газа, предложенные в патентном документе 1.

Патентный документ 1: Публикация патента Японии № 07-205890.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Проблемы, решаемые изобретением

Чтобы довести до максимума эффективность очистки посредством трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, отношение количества воздуха к количеству топлива в смешиваемом газе (далее называемое отношением воздуха к топливу для сгорания) должно представлять собой теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива. Однако когда двигатель внутреннего сгорания приводят в действие при теоретическом отношении количества воздуха к количеству топлива в состоянии высокой нагрузки, температура сгорания становится чрезмерно высокой, при этом температура отработанного газа также становится высокой. Когда температура отработанного газа становится чрезмерно высокой, катализатор подвергается воздействию этой чрезмерно высокой температуры и разрушается вследствие так называемого явления спекания. В результате эффективность очистки посредством катализатора будет снижена. По этой причине, чтобы избежать возникновения чрезмерно высокой температуры отработанного газа, двигатель внутреннего сгорания, который предложен в патентном документе 1, в состоянии высокой нагрузки приводят в действие при отношении количества воздуха к количеству топлива, меньшем, чем теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива. Поэтому эксплуатационные качества трехкомпонентного каталитического нейтрализатора в отношении очистки не могут быть использованы в максимально возможной степени.

В свете указанных обстоятельств целью настоящего изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания, способного обеспечить повышение эффективности очистки посредством предотвращения повышения температуры отработанного газа для уменьшения разрушения катализатора.

Способ решения проблемы

Авторы настоящего изобретения обнаружили скачок уплотнения, распространяющийся в направлении потока в выпускном канале, когда открыто выпускное отверстие, и поняли, что посредством использования отрицательного давления, создаваемого позади скачка уплотнения, воздух может быть подан даже тогда, когда двигатель внутреннего сгорания находится в состоянии высокой нагрузки. Однако этот скачок уплотнения образуется вблизи от выпускного отверстия. Поэтому авторы данного изобретения решили уменьшить температуру отработанного газа посредством подачи большого количества воздуха вблизи выпускного отверстия. Но было установлено, что в результате этого насосные потери будут увеличены и, следовательно, выходная мощность двигателя внутреннего сгорания будет уменьшена.

Авторы настоящего изобретения разработали идею генерирования нового отрицательного давления посредством генерирования нового скачка уплотнения в выпускном канале, который отличается от скачка уплотнения, распространяющегося в направлении потока в выпускном канале, когда открыто выпускное отверстие, и, следовательно, уменьшения давления и температуры в выпускном канале, другими словами, уменьшения давления и температуры отработанного газа. Это означает применение принципа в общем известного сужающегося и расширяющегося сопла, обычно называемого «соплом Лаваля», к двигателю внутреннего сгорания, содержащему вспомогательную систему подачи воздуха. Это сопло включает в себя сужающуюся секцию, имеющую площадь поперечного сечения для потока, которая уменьшается при движении текучей среды вперед, расширяющуюся секцию, расположенную дальше по потоку относительно сужающейся секции и имеющую площадь поперечного сечения для потока, которая увеличивается при движении текучей среды вперед, а также горловую секцию, расположенную между сужающейся секцией и расширяющейся секцией. Когда отношение давления Р0 в сужающейся секции и давления Р в расширяющейся секции (то есть Р/Р0) меньше критического отношения давлений (для воздуха порядка 0,528), скорость текучей среды в расширяющейся секции превышает скорость звука. Чтобы создать новый скачок уплотнения в выпускном канале, в настоящем изобретении предусмотрена сужающаяся секция, имеющая меньшую площадь поперечного сечения для потока у ее выходного конца, чем у входного конца, а также предусмотрена расширяющаяся секция, находящаяся дальше по потоку относительно сужающейся секции, имеющая большую площадь поперечного сечения для потока у ее выходного конца, чем у входного конца. Однако, когда в выпускном канале предусмотрены только ссужающаяся секция и расширяющаяся секция, отношение давления Р0 в сужающейся секции и давления Р в расширяющейся секции (то есть Р/Р0) не достигает критического отношения давлений, и поэтому невозможно создать новый скачок уплотнения.

В результате дальнейшего активного изучения двигателей внутреннего сгорания авторы данного изобретения установили, что распространение скачка уплотнения в выпускном канале дальше по потоку, когда выпускное отверстие открыто, происходит с более высокой скоростью, чем происходящее в это же время течение отработанного газа к выпускному каналу из камеры сгорания. Обратив внимание на разность скорости скачка уплотнения и отработанного газа, авторы данного изобретения разработали конструкцию для увеличения давления Р0 в сужающейся секции. Это конструкция, которая включает в себя ответвленную секцию для ответвления скачка уплотнения, предшествующего отработанному газу, и, следовательно, для распространения скачка уплотнения назад к выпускному каналу. Кроме того, авторы настоящего изобретения разработали конструкцию, посредством которой ответвленная секция объединена с катализатором, расположенным в части выпускного канала, которая находится дальше по потоку относительно расширяющейся секции.

Двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению содержит камеру сгорания, имеющую выпускное отверстие, выпускной клапан для открытия и закрытия выпускного отверстия, выпускное устройство, имеющее выпускной канал для направления отработанного газа, выпускаемого из камеры сгорания через выпускное отверстие, и устройство для очистки отработанного газа, расположенное в выпускном канале и содержащее катализатор. Выпускное устройство содержит сужающуюся секцию, имеющую площадь поперечного сечения для потока, меньшую у выходного конца, чем у входного конца, расширяющуюся секцию, расположенную дальше по потоку относительно сужающейся секции и имеющую площадь поперечного сечения для потока, большую на ее выходном конце, чем на ее входном конце, и ответвленную секцию для ответвления скачка уплотнения, распространяющегося по пути потока в выпускном канале с более высокой скоростью, чем отработанный газ, проходящий в выпускной канал из камеры сгорания, когда открыто выпускное отверстие, из части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, и распространения скачка уплотнения назад к выпускному каналу. Отработанный газ, проходящий в выпускной канал из камеры сгорания, должен проходить сужающуюся секцию и сталкиваться со скачком уплотнения, который распространяется в ответвленной секции, между ответвленной секцией и расширяющейся секцией, чтобы увеличить давление отработанного газа в сужающейся секции. Отработанный газ должен проходить расширяющуюся секцию для генерирования нового скачка уплотнения и, следовательно, для уменьшения температуры отработанного газа. Катализатор устройства для очистки отработанного газа устанавливают в части выпускного канала, которая находится дальше по потоку относительно расширяющейся секции.

Еще один двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению содержит камеру сгорания, имеющую выпускное отверстие, выпускной клапан для открытия или закрытия выпускного отверстия, выпускное устройство, имеющее выпускной канал для направления отработанного газа, выпускаемого из камеры сгорания через выпускное отверстие, и устройство для очистки отработанного газа, расположенное в выпускном канале и имеющее катализатор. Выпускное устройство содержит сужающуюся секцию, имеющую площадь поперечного сечения для потока, меньшую на ее выходном конце, чем на ее входном конце, расширяющуюся секцию, расположенную дальше по потоку относительно сужающейся секции и имеющую площадь поперечного сечения для потока, большую на ее выходном конце, чем на ее входном конце, и ответвленную секцию для ответвления скачка уплотнения, распространяющегося в направлении потока во впускном канале с более высокой скоростью, чем отработанный газ, проходящий в выпускной канал из камеры сгорания, когда открыто выпускное отверстие, из части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, и распространения скачка уплотнения назад в выпускной канал. Катализатор устройства для очистки отработанного газа расположен в части выпускного канала, которая находится дальше по потоку относительно расширяющейся секции. Если скорость отработанного газа, выпускаемого из камеры сгорания, когда открыто выпускное отверстие, представляет собой Ve, а скорость скачка уплотнения, распространяющегося в выпускном канале, представляет собой Vs, то расстояние Le между выпускным отверстием и входом ответвленной секции и расстояние Ls, на которое скачок уплотнения распространяется в ответвленной секции, удовлетворяют отношению Le/Ve≤(Le+2Ls)/Vs, и время от момента, когда выпускное отверстие открыто, до момента, когда выпускное отверстие закрыто, составляет tv, а расстояние Ld между входом ответвленной секции и расширяющейся секцией удовлетворяет отношению: (Le+2Ls+Ld)/Vs≤tv+(Le+Ld)/Ve.

Способ очистки отработанного газа двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению включает этапы, на которых воспламеняют топливо в камере сгорания; открывают выпускной клапан для открытия или закрытия выпускного отверстия камеры сгорания для выпуска отработанного газа из камеры сгорания в выпускной канал и генерирования скачка уплотнения, распространяющегося в выпускном канале с более высокой скоростью, чем отработанный газ; ответвляют, по меньшей мере, часть скачка уплотнения из выпускного канала и распространяют ответвленный скачок уплотнения назад в выпускной канал для столкновения скачка уплотнения с отработанным газом, таким образом увеличивая давление отработанного газа; направляют отработанный газ в часть выпускного канала, имеющую меньшую площадь поперечного сечения для потока в находящейся дальше по потоку его секции, чем в находящейся ближе по потоку его секции, таким образом увеличивая давление отработанного газа; направляют отработанный газ в часть выпускного канала, имеющую большую площадь поперечного сечения для потока в находящейся дальше по потоку его секции, чем в находящейся ближе по потоку его секции, таким образом генерируя новый скачок уплотнения, распространяющийся в направлении потока в выпускном канале и, таким образом, уменьшают температуру отработанного газа; пропускают отработанный газ через катализатор для его очистки.

Эффект изобретения

Согласно настоящему изобретению скачок уплотнения, предшествующий отработанному газу, задерживается в ответвленной секции и распространяется назад к выпускному каналу, а также будет вынужден столкнуться с отработанным газом, продвигающимся с задержкой. Это повышает давление отработанного газа. Отработанный газ должен миновать сужающуюся секцию, что повышает давление отработанного газа в сужающейся секции. Поскольку этот отработанный газ должен миновать расширяющуюся секцию, будет генерирован новый скачок уплотнения, который отличается от скачка уплотнения, генерируемого, когда выпускное отверстие открыто, и температура отработанного газа будет уменьшена. Посредством такого использования температура отработанного газа, следующего к катализатору, может быть уменьшена. В результате эффективность очистки может быть повышена при меньшем разрушении катализатора.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена конструкция выпускного устройства двигателя внутреннего сгорания согласно варианту 1, а также показан вид в поперечном сечении выпускного канала и тому подобного в этом варианте.

На фиг.2 представлен схематичный вид в сечении сужающегося и расширяющегося сопла.

На фиг.3 представлена связь между отношением давлений и числом Маха в сужающемся и расширяющемся сопле.

На фиг.4 представлены виды в поперечном сечении выпускного канала и тому подобного, демонстрирующие продвижение скачка уплотнения и отработанного газа; на фиг. (А) показано начальное состояние такта выпуска, на фиг. (В) показано состояние, при котором скачок давления распространяется к ответвленному каналу, и на фиг. (С) показано состояние, при котором скачок уплотнения, отраженный ответвленным каналом, сталкивается с отработанным газом.

На фиг.5 представлен схематичный вид выпускного канала и тому подобного, демонстрирующий направление в выпускном канале, в котором распространяется скачок уплотнения, и направление в выпускном канале, в котором продвигается отработанный газ.

На фиг. 6 представлен схематичный вид, основанный на фотографии внутренней части сужающегося и расширяющегося сопла, полученной методом Теплера.

На фиг.7 представлен график, демонстрирующий связь между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа в заданных местах в первой выпускной трубе.

На фиг.8 представлен график, демонстрирующий связь между скоростью отработанного газа и температурой отработанного газа в заданных местах в первой выпускной трубе.

На фиг.9 показаны диаграммы P-V, характеризующие насосные потери; на фиг.(А) представлена диаграмма P-V обычного двигателя внутреннего сгорания, а на фиг.(В) представлена диаграмма P-V двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.

На фиг.10 представлен график, демонстрирующий связь между отношением площади поперечного сечения для потока вспомогательного канала подачи воздуха к площади поперечного сечения для потока в выпускном канале и отношением пропорции R0 количества воздуха к количеству топлива, когда подача вспомогательного воздуха не происходит, к пропорции R количества воздуха к количеству топлива, когда вспомогательный воздух подают из вспомогательного канала подачи воздуха.

На фиг.11 представлена конструкция двигателя внутреннего сгорания согласно второму варианту, а также показан вид в поперечном сечении выпускного канала и чего-то подобного в этом варианте.

На фиг.12 представлена конструкция двигателя внутреннего сгорания согласно третьему варианту, а также показан вид в поперечном сечении выпускного канала и чего-то подобного в этом варианте.

На фиг.13 представлена связь между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа в выпускном канале в последовательности по времени.

На фиг.14 представлена связь между давлением отработанного газа и температурой отработанного газа в выпускном канале в последовательности по времени.

На фиг.15 представлено морское судно, имеющее установленный на нем двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.

На фиг.16 представлено транспортное средство, имеющее установленный на нем двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.

На фиг.17 представлены виды в поперечном сечении многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, к которому применено настоящее изобретение, а также представлены виды в поперечном сечении выпускного канала и чего-то подобного, демонстрирующие продвижение скачка уплотнения и отработанного газа подобно фиг.4.

На фиг.18 показана модификация одного из приведенных выше вариантов осуществления изобретения, при этом она представляет собой вид в поперечном сечении выпускного канала и чего-то подобного в этом варианте.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

В результате активных исследований авторы настоящего изобретения разработали идею, заключающуюся в том, что давление и температура в выпускном канале могут быть значительно уменьшены посредством применения принципа сужающегося и расширяющегося сопла и использования представленного далее способа, который, в общем, не известен. Авторы данного изобретения установили, что эта идея может повысить эксплуатационные характеристики двигателя внутреннего сгорания.

Способ заключается в следующем: (1) ответвляют скачок уплотнения, который предшествует отработанному газу; (2) ответвленный скачок уплотнения задерживают таким образом, чтобы он столкнулся с отработанным газом, повышая при этом давление отработанного газа; (3) вынуждают отработанный газ, находящийся при повышенном давлении, пройти расширяющуюся секцию для ускорения до сверхзвуковой скорости, создавая при этом скачок уплотнения; (4) значительно уменьшают давление и температуру в выпускном канале.

Вариант 1 осуществления изобретения

Далее двигатель внутреннего сгорания согласно варианту осуществления настоящего изобретения будет подробно описан со ссылками на чертежи. В последующем описании термины «ближе по потоку» и «дальше по потоку» соответственно означают ближнюю сторону и дальнюю сторону по отношению к направлению, в котором проходит отработанный газ.

Как показано на фиг.1, двигатель внутреннего сгорания 1 включает в себя корпус 3 цилиндра и головку 4 цилиндра, установленную на одном конце корпуса. В корпусе 3 цилиндра и головке 4 цилиндра образована камера сгорания 10. Двигатель 1 представляет собой четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания 1 представляет собой одноцилиндровый двигатель. Двигатель 1 может представлять собой двигатель с воздушным или с водяным охлаждением. Головка 4 цилиндра имеет образованные в ней дальнюю секцию 6 всасывающего канала и ближнюю секцию 7 выпускного канала 16. Головка 4 цилиндра вмещает в себя впускной клапан 8 для открытия или закрытия впускного отверстия 8а, выпускной клапан 9 для открытия или закрытия выпускного отверстия 9а, механизм (не показан) приведения в действие клапанов, предназначенный для приведения в действие впускного клапана 8 и выпускного клапана 9, и тому подобное. В этом варианте осуществления изобретения одна дальняя по потоку секция 6 всасывающего канала и одна ближняя по потоку секция 7 выпускного канала 16 образованы для одной камеры сгорания 10. Как вариант, для одной камеры сгорания может быть создано множество впускных отверстий 8а, множество впускных клапанов 8, множество выпускных отверстий 9а и/или множество выпускных клапанов 9. К головке цилиндров 4 крепят инжектор 2 для впрыска топлива. Хотя это и не показано, цилиндр 4 также снабжен свечой зажигания.

Ближе по потоку относительно находящейся дальше по потоку секции 6 всасывающего канала подсоединена ближняя секция всасывающего канала (не показана). Внутри ближней секции расположен дроссельный клапан. Дроссельный клапан может быть приведен в действие вручную или посредством электроники с возможностью управления двигателем.

Выпускное устройство 5 включает в себя головку 4 цилиндра, первую выпускную трубу 12, подсоединенную к головке 4 цилиндра, вторую выпускную трубу 13, подсоединенную к первой выпускной трубе 12, и третью выпускную трубу 14, подсоединенную ко второй выпускной трубе 13. Первую выпускную трубу 12 крепят к головке 4 цилиндра посредством болта 11. Третья выпускная труба 14 имеет образованную в ней выпускную камеру 15. Выпускное устройство 5 имеет образованный в нем выпускной канал 16, который сообщает ближнюю по потоку секцию 7 с наружной стороной через выпускную камеру 15.

Как показано на фиг.1, очистное устройство 40 в этом варианте осуществления изобретения включает в себя первый катализатор 41 и второй катализатор 42. Первый катализатор 41 и второй катализатор 42 расположены в выпускном канале 16. Второй катализатор 42 расположен дальше по потоку от первого катализатора 41. Между первым катализатором 41 и вторым катализатором 42 имеется пространство.

Дальше по потоку по отношению к выпускной камере 15 подсоединен глушитель (не показан). Отработанный газ, который проходит во внутреннюю часть выпускной камеры 15, проходит глушитель и далее будет выпущен наружу. Выпускная камера 15 снабжена датчиком 19 концентрации кислорода для определения количества кислорода в отработанном газе.

Электронный управляющий блок 20, который представляет собой управляющее устройство, управляет количеством топлива, которое должно быть впрыснуто из инжектора 2, временем, чтобы вызвать воспламенение посредством свечи зажигания или чего-то подобного на основе скорости вращения двигателя внутреннего сгорания 1, углом открытия дроссельного клапана или сигналом, определяемым датчиком 19 концентрации кислорода. В этом варианте осуществления изобретения электронный управляющий блок 20 управляет количеством топлива, которое должно быть впрыснуто из инжектора 2, так чтобы, например, отношение количества воздуха и количества топлива в смешанном газе, который должен быть поглощен двигателем внутреннего сгорания 1, представляло собой теоретическое отношение количества воздуха к количеству топлива.

В ближней по потоку секции первой выпускной трубы 12 обеспечена ответвленная труба 22. Один конец ответвленной трубы 22 соединен с первой выпускной трубой 12, а другой конец ответвленной трубы 22 закрыт. Закрытый конец ответвленной трубы 22 действует в качестве отражательного участка 21b для отражения описанного далее скачка уплотнения. Ответвленная труба 22 образована за одно с первой выпускной трубой 12. Как вариант, ответвленная труба 22 может быть образована отдельно от первой выпускной трубы 12 и прикреплена к ней. Например, первая выпускная труба 12 и ответвленная труба 22 могут быть приварены друг к другу или прикреплены друг к другу посредством стягивающего элемента, например болта, заклепки или чего-то подобного. Ответвленную трубу 22 образуют таким образом, чтобы она имела площадь поперечного сечения для потока с одного конца, большую, чем с другого конца, однако конфигурация ответвленной трубы 22 не ограничена тем, что показано на фиг.1. Площадь поперечного сечения для потока в ответвленной трубе 22 с другого конца может быть такой же либо меньшей, чем площадь поперечного сечения для потока с одного конца. Внутри ответвленной трубы 22 образована ответвленная секция 21. Один конец ответвленной секции 21 сообщают с выпускным каналом 16, а другой ее конец закрыт. Вход 21а ответвленной секции 21 (то есть части, сообщающейся с выпускным каналом 16) имеет площадь поперечного сечения для потока, которой придан размер для такой возможности распространения скачка уплотнения в выпускном канале 16, чтобы распространение также происходило в ответвленной секции 21, как описано далее. На показанном чертеже «Х» представляет собой ось служащего для прохождения потока поперечного сечения входа 21а ответвленной секции 21.

Между ответвленной секцией 21 и первым катализатором 41 установлено сужающееся и расширяющееся сопло 31. Сужающееся и расширяющееся сопло 31 обычно называют «соплом Лаваля». Сужающееся и расширяющееся сопло 31 увеличивает скорость отработанного газа, проходящего к выпускному каналу 16, с дозвуковой скорости до сверхзвуковой скорости. Сужающееся и расширяющееся сопло 31 образовано из сужающейся секции 32, горловой секции 34 и расширяющейся секции 33. Сужающаяся секция 32 представляет собой часть, имеющую площадь поперечного сечения для потока, которая постепенно уменьшается к ее выходному концу. Расширяющаяся секция 33 представляет собой часть, имеющую площадь поперечного сечения для потока, которая постепенно увеличивается по направлению к ее выходному концу. Горловая секция 34 представляет собой ту часть, которая обеспечена между сужающейся секцией 32 и расширяющейся секцией 33 и имеет наименьшую площадь поперечного сечения для потока.

Предусмотрена вспомогательная система 70 для подачи воздуха, предназначенная для подачи воздуха к выпускному каналу 16 выпускного устройства 5. Вспомогательная система 70 для подачи воздуха включает в себя очиститель 76 воздуха, содержащий фильтр 76а, управляющий клапан 75, расположенный дальше относительно очистителя воздуха и служащий для управления количеством воздуха, подводящий клапан 74, установленный дальше относительно управляющего клапана, и вспомогательную трубу 72 для подачи воздуха, установленную дальше относительно подводящего клапана. Вспомогательная труба 72 для подачи воздуха подсоединена между ответвленной трубой 22 и сужающимся и расширяющимся соплом 31 в первой выпускной трубе 12. Передний конец вспомогательной трубы 72 для подачи воздуха выходит к выпускному каналу 16. Вспомогательная система 70 для подачи воздуха образует вспомогательный канал 71 подачи воздуха, проходящий из внутреннего пространства очистителя 76 воздуха к выпускному каналу. Подающая секция 73 вспомогательного канала 71 подачи воздуха сформирована так, чтобы она была подобна щели у переднего конца вспомогательной трубы 72 для подачи воздуха. В результате этой конструкции вспомогательная труба 72 может подавать воздух к широкой зоне выпускного канала 16, включающей в себя осевую линию Y ее поперечного сечения пути потока.

Ближний по потоку конец вспомогательной трубы 72 для подачи воздуха подсоединен к очистителю 76 воздуха через подводящий клапан 74 и клапан 75 управления количеством воздуха. Подводящий клапан 74 препятствует прохождению отработанного газа из вспомогательной трубы 72 для подачи воздуха к части, находящейся ближе по потоку по отношению к подводящему клапану 74. Подводящий клапан 74 предназначен для открытия посредством отрицательного давления, создаваемого в выпускном канале 16, чтобы вызвать прохождение воздуха к подающей секции 73 канала 71 подачи вспомогательного воздуха. Клапан 75 управления количеством воздуха предназначен для согласовывания количества воздуха с состоянием приведения в действие двигателя внутреннего сгорания 1. Клапан 75 включает в себя исполнительный механизм, серводвигатель, соленоид или что-то подобное, приводимое в действие отрицательным давлением на всасывании или чем-то подобным. Углом открытия клапана 75 управления количеством воздуха управляет электронный управляющий блок 20.

Когда угол открытия дроссельного клапана меньше, чем заданный угол, электронный управляющий блок 20 обеспечивает закрытие клапана 75 управления количеством воздуха или соответственно уменьшает угол открытия дроссельного клапана. Задаваемый угол устанавливают и хранят в электронном управляющем блоке 20. Когда угол открытия дроссельного клапана больше, чем заданный угол, блок 20 увеличивает угол открытия клапана 75 управления количеством воздуха. Из этого следует, что угол открытия клапана 75 управления количеством воздуха увеличивается или уменьшается в соответствии с углом открытия дроссельного клапана. Установка клапана 75 управления количеством воздуха обеспечивает возможность подачи вспомогательного воздуха к выпускному каналу 16 с надлежащей скоростью потока без избытка и недостатка. Клапан 75 не является абсолютно необходимым, и без него можно обойтись.

На фиг.2 представлен схематичный вид обычного сужающегося и расширяющегося сопла. Как показано на фиг. 2, площадь А1 поперечного сечения для потока у входного конца сужающейся секции 32, площадь поперечного сечения А2 для потока горловой секции 34 и площадь поперечного сечения А3 для потока у выходного конца расширяющейся секции 33 находятся в следующей взаимосвязи: А1>А2 и А2<А3. Площадь А2 поперечного сечения для потока горловой секции 34 такая же, как площадь А2 у выходного конца сужающейся секции 32 и площадь у входного конца расширяющейся секции 33. В этом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, каждая из площадей поперечного сечения для потока сужающейся секции 32 и расширяющейся секции 33 изменяется в направлении потока с постоянным коэффициентом. Нет какого-то определенного ограничения в отношении конфигурации сужающейся секции 32 и расширяющейся секции 33. Сужающаяся секция 32 и расширяющаяся секция 33 могут быть сформированы таким образом, чтобы они имели конфигурацию с площадью поперечного сечения для потока, изменяющейся ступенчато, подобно соплу, предназначенному для ракет, либо могут быть сформированы так, чтобы они имели плавно изгибающуюся конфигурацию.

Сужающееся и расширяющееся сопло 31 сформировано таким образом, чтобы обеспечивать условия, характеризуемые представленными ниже формулами (1) и (2). Посредством скорости отработанного газа, проходящего в горловую секцию 34, достигающей 1 Маха (то есть звуковой скорости), отработанный газ в расширяющейся секции 33 может быть ускорен до сверхзвуковой скорости.

Формула 1

Формула 2

Из этих формул формула (1) характеризует взаимосвязь между конфигурацией выпускной трубы и числом Маха в основном потоке, сопровождающемся вязкостным трением. Формула (2) характеризует Λ в формуле (1). В этих формулах М представляет собой число Маха, А - площадь поперечного сечения выпускной трубы в произвольном поперечном сечении, D - диаметр трубы в произвольном поперечном сечении, характеризует определенное тепловое соотношение, х -расстояние в направлении потока и f - коэффициент трения.

Как показано на фиг.2 и 3, в общем, в случае сужающегося и расширяющегося сопла 31, сформированного для выполнения условий, характеризуемых формулами (1) и (2), когда отношение полного давления Р0 в части, ближней по потоку по отношению к горловой секции 34, и статического давления Р в части, дальней по потоку по отношению к горловой секции 34, то есть Р/Р0, меньше, чем критическое отношение давлений (=0,528; точка С на фиг.3), скорость становится звуковой скоростью (число Маха равно 1) в горловой секции и сверхзвуковой скоростью в расширяющейся секции 33. Когда полное давление Р0 увеличено так, чтобы Р/Р0 стало меньше, чем критическое отношение давлений, в сужающемся и расширяющемся сопле 31 может быть образован сверхзвуковой поток.

Когда скорость в сужающемся и расширяющемся сопле 31 становится сверхзвуковой скоростью, будут созданы новый скачок 35b уплотнения, распространяющийся в направлении потока в расширяющейся секции 33, и волна 35с расширения, распространяющаяся в ближнем направлении в расширяющейся секции 33 (см. фиг.6). Следовательно, текучая среда в пространстве между скачком 35b уплотнения, распространяющимся в направлении потока в выпускном канале 16, и волной 35с расширения, распространяющейся в ближнем направлении в выпускном канале 16, быстро расширяется, и поэтому давление отработанного газа, проходящего в выпускном канале 16, уменьшается. Вследствие этого температура отработанного газа может быть быстро уменьшена посредством адиабатического охлаждающего действия, вызываемого адиабатическим расширением. В результате активных исследований авторы данного изобретения реализовали такое состояние посредством объединения сужающегося и расширяющегося сопла 31 с ответвленной секцией 21.

Далее со ссылками на фиг.4(А)-4(С) будет описан принцип, посредством которого отработанный газ приводят в выпускном канале 16 в состояние низкого давления и низкой температуры. На фиг.4(А)-4(С) схематично представлено выпускное устройство 5. На фиг.4(А)-4(С) элементы, идентичные или эквивалентные элементам, показанным на фиг.1 или 2, имеют идентичные позиции.

Как показано на фиг.4(А), когда выпускное отверстие 9а открыто при выпускном такте двигателя внутреннего сгорания 1, отработанный газ 36 под высоким давлением выпускают из камеры сгорания 10 в находящуюся ближе по потоку секцию 7 выпускного канала 16 через выпускное отверстие 9а. В то время, когда выпускное отверстие 9а начинает открываться, разность давлений между камерой сгорания 10 и ближней по потоку секцией 7 выпускного канала 16 будет велика. Следовательно, скорость отработанного газа 36 становится звуковой скоростью, и поэтому в ближней по потоку секции выпускного канала 16 будет создан скачок 35 уплотнения. Когда угол открытия выпускного отверстия 9а увеличивается, количество отработанного газа 36, проходящего к ближней по потоку секции 7 выпускного канала 16, увеличивается, но скорость отработанного газа 36 уменьшается. Скорость отработанного газа также уменьшается, когда этот газ движется вперед в ближней по потоку секции 7 выпускного канала 16. Как показано на фиг.4(А), скачок 35 уплотнения распространяется к внутренней стороне первой выпускной трубы 12 от ближней по потоку секции 7 выпускного канала 16 и дополнительно распространяется далее по потоку с высокой скоростью. Кроме того, отработанный газ 36 движется вперед дальше по потоку в выпускном канале 16 с задержкой по отношению к скачку 35 уплотнения при относительно низкой скорости.

Как показано на фиг.4(В), скачок 35 уплотнения, распространяющийся внутри первой выпускной трубы 12, разделяется на скачок уплотнения, распространяющийся в выпускном канале 16, и на скачок уплотнения, распространяющийся в ответвленную секцию 21 у входа 21а ответвленной секции 21, и далее эти скачки уплотнения по отдельности движутся вперед в выпускном канале 16 и в ответвленной секции 21. Скачок 35 уплотнения, распространяющийся в выпускном канале 16, ослабевает и исчезает после прохождения сужающегося и расширяющегося сопла 31. Напротив, скачок 35 уплотнения, распространяющийся в ответвленной секции 21, отражается посредством отражательной секции 21b ответвленной секции 21 и движется противоположно в ответвленной секции 21 для возврата к выпускному каналу 16.

Как показано на фиг.4(С), длину ответвленной секции 21 задают такой, что время, когда отраженный скачок 35 уплотнения возвращается к выпускному каналу 16 от ответвленной секции 21, представляет собой то же самое время либо последующее время, когда отработанный газ 36 под высоким давлением достигает центра входа 21а ответвленной секции 21. Следовательно, скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом в том месте в выпускном канале, которое находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33, находится там же, где и ответвленная секция 21, либо находится дальше по потоку относительно ответвленной секции.

Как показано на фиг.5, расстояние от центра 9ас выпускного отверстия 9а до осевой линии Х поперечного сечения пути потока на входе 21а ответвленной секции 21 обозначено Le, а расстояние от осевой линии Y поперечного сечения пути потока в выпускном канале 16 до отражательной секции 21b обозначено Ls. Скорость отработанного газа 36 обозначена Ve, а скорость распространения скачка 35 уплотнения обозначена Vs. В этом случае время Т₁, которое проходит с момента, когда выпускное отверстие 9а открыто, до момента, когда отработанный газ 36 достигает входа 21а, удовлетворяет выражению (3). Время Т₂, которое проходит с момента, когда выпускное отверстие 9а открыто, до момента, когда скачок 35 уплотнения будет отражен отражательной секцией 21b и достигнет осевой линии Y выпускного канала 16, удовлетворяет выражению (4).

Т₁=Le/Ve (3)

Т₂=(Le+2Ls)/Vs (4)

Когда Т₁≤Т₂, отраженный скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом. Более конкретно, когда Le/Ve≤(Le+2Ls)/Vs, отраженный скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом в том месте выпускного канала, которое находится ближе по потоку по отношению к расширяющейся секции 33, находится в том же самом месте, что и ответвленная секция 21, либо находится дальше по потоку по отношению к ответвленной секции. Для удобства, например, можно считать, что макс