Двигатель внутреннего сгорания, транспортное средство, морское судно и способ подачи вторичного воздуха для двигателя внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания, транспортное средство, морское судно и способ подачи вторичного воздуха для двигателя внутреннего сгорания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, транспортным средствам, морским судам и способу подачи вторичного воздуха для двигателя внутреннего сгорания.

Уровень техники

Известны системы подачи вторичного воздуха для подачи воздуха в выпускной канал двигателя внутреннего сгорания. Система подачи вторичного воздуха подает воздух в отработанный газ высокой температуры для сжигания вредного оксида углерода или углеводорода в отработанном газе и, таким образом, образования безопасной воды или двуокиси углерода. Система подачи вторичного воздуха также подает воздух к части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно катализатора для очистки отработанного газа, для содействия реакции окисления в катализаторе. В патентном документе 1 описана система подачи вторичного воздуха для подачи при помощи питающего клапана воздуха с использованием отрицательного давления в выпускном канале. В патентном документе 2 описана система для принудительной подачи воздуха в выпускной канал с использованием насоса вместо использования отрицательного давления в выпускном канале. Насос приводится в действие с использованием части мощности двигателя внутреннего сгорания.

Патентный документ 1: Публикация патента Японии №09-324624.

Патентный документ 2: Публикация патента Японии №07-205890.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Проблемы, решаемые изобретением

В системе с использованием отрицательного давления, описанной в патентном документе 1, в отличие от системы, описанной в патентном документе 2, включающей насос для принудительной подачи воздуха в выпускной канал, нет необходимости в приведении в действие насоса и, таким образом, потеря мощности двигателя внутреннего сгорания небольшая. Однако когда двигатель внутреннего сгорания приводится в действие в состоянии высокой нагрузки, давление в выпускном канале вблизи выпускного отверстия становится высоким и не может подаваться достаточное количество воздуха. В отличие от этого в системе, описанной в патентном документе 2, включающей насос для подачи воздуха в выпускной канал, даже когда двигатель внутреннего сгорания приводится в действие в состоянии высокой нагрузки, воздух может подаваться. Однако, так как насос приводится в действие двигателем внутреннего сгорания, потеря мощности двигателя внутреннего сгорания значительна.

Целью настоящего изобретения, сделанного с учетом таких обстоятельств, является создание двигателя внутреннего сгорания, способного подавать воздух в выпускной канал даже в состоянии высокой нагрузки с меньшей потерей его мощности.

Способ решения проблемы

Авторы обнаружили скачок уплотнения, распространяющийся в направлении потока в выпускном канале, когда выпускное отверстие открыто, и поняли, что при использовании отрицательного давления, генерируемого позади скачка уплотнения, воздух может подаваться, даже когда двигатель внутреннего сгорания находится в состоянии высокой нагрузки. Однако было обнаружено, что, поскольку этот скачок уплотнения генерируется вблизи выпускного отверстия, насосные потери увеличиваются и выходная мощность двигателя внутреннего сгорания уменьшается, когда большое количество воздуха подается вблизи выпускного отверстия.

Авторы придумали генерирование нового отрицательного давления посредством создания нового скачка уплотнения в выпускном канале, который отличается от скачка уплотнения, распространяющегося в направлении потока в выпускном канале, когда выпускное отверстие открыто. Это означает применение принципа общеизвестного сужающегося-расширяющегося сопла, обычно называемого "соплом Лаваля", в двигателе внутреннего сгорания, включающем систему подачи вторичного воздуха. Это сопло включает сужающуюся секцию, имеющую площадь поперечного сечения для потока, которая уменьшается по ходу текучей среды, расширяющуюся секцию, расположенную дальше по потоку относительно сужающейся секции и имеющую площадь поперечного сечения для потока, которая увеличивается по ходу текучей среды, и горловинную секцию, расположенную между сужающейся секцией и расширяющейся секцией. Когда отношение давлений давления P0 в сужающейся секции и давления P в расширяющейся секции (то есть P/P0) меньше, чем критическое отношение давлений (для воздуха приблизительно 0,528), скорость текучей среды в расширяющейся секции превышает звуковую скорость. Для создания нового скачка уплотнения в выпускном канале авторы применили сужающуюся секцию, имеющую меньшую площадь поперечного сечения для потока на ее выходном конце, чем на ее входном конце, и также применили расширяющуюся секцию, расположенную дальше по потоку относительно сужающейся секции, имеющую большую площадь поперечного сечения для потока ее выходном конце чем, на ее входном конце. Однако когда в выпускном канале применяют только сужающуюся секцию и расширяющуюся секцию, отношение давлений давления P0 в сужающейся секции и давления P в расширяющейся секции (то есть P/P0) не достигает критического отношения давлений и, таким образом, было невозможно генерировать новый скачок уплотнения.

В результате дальнейших активных исследований двигателей внутреннего сгорания авторы обнаружили, что скачок уплотнения, распространяющийся в направлении потока в выпускном канале, когда выпускное отверстие открыто, распространяется с более высокой скоростью, чем отработанный газ, проходящий в этот момент в выпускной канал из камеры сгорания. Обращая внимание на разность скорости между скачком уплотнения и отработанным газом, авторы придумали конструкцию для увеличения давления P0 в сужающейся секции. Эта конструкция включает ответвленную секцию для ответвления скачка уплотнения, предшествующего отработанному газу, и, таким образом, распространения скачка уплотнения назад в выпускной канал. Таким образом, авторы придумали конструкцию, в которой ответвленная секция скомбинирована с питающей секцией для подачи воздуха в часть выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции.

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 систему подачи вторичного воздуха для подачи воздуха в выпускное устройство. 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 в выпускном канале с более высокой скоростью, чем отработанный газ, проходящий в выпускном канале из камеры сгорания, когда выпускное отверстие открыто, из части выпускного канала, который находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, и распространения скачка уплотнения назад в выпускной канал. Отработанный газ, проходящий в выпускной канал из камеры сгорания, проходит через сужающуюся секцию и сталкивается со скачком уплотнения, который распространяется в ответвленной секции между ответвленной секцией и расширяющейся секцией, таким образом увеличивая давление отработанного газа в сужающейся секции. Отработанный газ проходит через расширяющуюся секцию, создавая новый скачок уплотнения. Система подачи вторичного воздуха содержит питающую секцию для подачи воздуха к части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, с использованием отрицательного давления, генерируемого в части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, вновь созданным скачком уплотнения.

Другой 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 систему подачи вторичного воздуха для подачи воздуха в выпускное устройство. 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 в выпускном канале с более высокой скоростью, чем отработанный газ, проходящий в выпускной канал из камеры сгорания, когда выпускное отверстие открыто, из части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, и распространения скачка уплотнения назад в выпускной канал. Система подачи вторичного воздуха содержит питающую секцию для подачи воздуха в часть выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции. Скорость отработанного газа, выпущенного из камеры сгорания, когда выпускное отверстие открыто, составляет Ve, а скорость распространения скачка уплотнения, распространяющегося в выпускном канале, составляет Vs, причем расстояние Le между выпускным отверстием и входом ответвленной секции и расстояние Ls, на которое скачок уплотнения распространяется в ответвленной секции, удовлетворяет 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 подачи вторичного воздуха для 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, имеющего 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; и 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, для создания области отрицательного давления в выпускном канале и подачи воздуха в эту область.

Эффект изобретения

Согласно настоящему изобретению скачок уплотнения, предшествующий отработанному газу, задерживается в ответвленной секции и распространяется назад в выпускной канал и также проходит для столкновения с отработанным газом, распространяющимся с задержкой. Это увеличивает давление отработанного газа. Отработанный газ проходит в сужающуюся секцию, что увеличивает давление отработанного газа в сужающейся секции. Так как такой отработанный газ проходит в расширяющуюся секцию, создается новый скачок уплотнения, который отличается от скачка уплотнения, создаваемого, когда выпускное отверстие открыто, и относительно нового скачка уплотнения ближе по потоку генерируется большое отрицательное давление. С использованием этого большего отрицательного давления воздух может подаваться в выпускной канал даже в состоянии работы двигателя внутреннего сгорания с высокой нагрузкой. Само собой разумеется, так как используется отрицательное давление, потеря мощности двигателя внутреннего сгорания может быть небольшой.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - вид конструкции выпускного устройства двигателя внутреннего сгорания согласно Варианту 1 конструкции, являющийся видом в сечении его выпускного канала и т.п.

Фиг.2 - схематичный вид сужающегося-расширяющегося сопла.

Фиг.3 - зависимость между отношением давлений и числом Маха в сужающемся-расширяющемся сопле.

Фиг.4 - виды в сечении выпускного канала и т.п., показывающие продвижение скачка уплотнения и отработанного газа; (A) - исходное состояние такта выпуска, (B) - состояние, когда скачок уплотнения распространяется в ответвленный канал, и (C) - состояние, когда скачок уплотнения, отраженный ответвленным каналом, сталкивается с отработанным газом.

Фиг.5 - схематичный вид выпускного канала и т.п., показывающий путь в выпускном канале, в котором распространяется скачок уплотнения, и путь в выпускном канале, в котором распространяется отработанный газ.

Фиг.6 - схематичный вид, полученный на основе фотографии внутренней части сужающегося-расширяющегося сопла, сделанной методом Теплера.

Фиг.7 - график, показывающий зависимость между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа в заданных положениях в первой выпускной трубе.

Фиг.8 - график, показывающий зависимость между скоростью отработанного газа и температурой отработанного газа в заданных положениях в первой выпускной трубе.

Фиг.9 - графики отношения давления и объема, представляющие насосные потери; (A) - график отношения давления и объема обычного двигателя внутреннего сгорания, и (B) - график отношения давления и объема двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.

Фиг.10 - график, показывающий зависимость между отношением площади поперечного сечения для потока канала для подачи вторичного воздуха относительно площади поперечного сечения для потока выпускного канала и отношением R0 количества воздуха к количеству топлива, когда вторичный воздух не подается, относительно отношения R количества воздуха к количеству топлива, когда вторичный воздух подается из канала для подачи вторичного воздуха.

Фиг.11 - вид в сечении конструкции двигателя внутреннего сгорания согласно Варианту 2 осуществления изобретения и его выпускного канала и т.п.

Фиг.12 - вид в сечении конструкции двигателя внутреннего сгорания согласно Варианту 3 осуществления изобретения и его выпускного канала и т.п.

Фиг.13 - зависимость между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа в выпускном канале во временной последовательности.

Фиг.14 - зависимость между давлением отработанного газа и температурой отработанного газа в выпускном канале во временной последовательности.

Фиг.15 - морское судно, имеющее установленный на нем двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.

Фиг.16 - транспортное средство, имеющее установленный на нем двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.

Фиг.17 - виды в сечении многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, с которым применено настоящее изобретение, и виды в сечении выпускного канала и т.п., показывающие продвижение скачка уплотнения и отработанного газа, как на фиг.4.

Фиг.18 - модификация одного из вышеупомянутых вариантов осуществления изобретения и вид в сечении его выпускного канала и т.п.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

В результате активных изучений авторы пришли к идее, заключающейся в том, что большое отрицательное давление может генерироваться в выпускном канале благодаря применению принципа сужающегося-расширяющегося сопла и с использованием неизвестного в предшествующем уровне техники нижеследующего способа. Авторы обнаружили, что он может улучшить рабочие характеристики двигателя внутреннего сгорания.

Способ заключается в следующем. (1) Скачок уплотнения, предшествующий отработанному газу, ответвляется; (2) ответвленный скачок уплотнения задерживается таким образом, что скачок уплотнения сталкивается с отработанным газом, таким образом увеличивая давление отработанного газа; (3) отработанный газ, имеющий увеличенное давление, проводится через расширяющуюся секцию, ускоряясь до сверхзвуковой скорости, таким образом генерируя скачок уплотнения; и (4) отрицательное давление генерируется в части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции.

Вариант 1 осуществления изобретения

Далее двигатель внутреннего сгорания согласно варианту осуществления настоящего изобретения будет описан подробно со ссылками на чертежи. В нижеследующем описании термины "ближе по потоку" и "дальше по потоку" соответственно относятся к положениям ближе по потоку и дальше по потоку относительно направления, в котором проходит отработанный газ.

Как показано на фиг.1, двигатель 1 внутреннего сгорания содержит корпус 3 цилиндра и расположенную на одном его конце головку 4 цилиндра. В корпусе 3 цилиндра и головке 4 цилиндра сформирована камера 10 сгорания. Двигатель 1 внутреннего сгорания является бензиновым четырехтактным двигателем. Двигатель 1 внутреннего сгорания может быть двигателем с воздушным охлаждением или двигателем с жидкостным охлаждением. Головка 4 цилиндра имеет сформированные в ней дальнюю по потоку секцию 6 впускного канала и ближнюю по потоку секцию 7 выпускного канала 16. Головка 4 цилиндра содержит впускной клапан 8 для открытия или закрытия впускного отверстия 8а, выпускной клапан 9 для открытия или закрытия выпускного отверстия 9а, механизм привода клапана (не показан) для привода впускного клапана 8 и выпускного клапана 9 и т.п. В этом варианте осуществления изобретения одна дальняя по потоку секция 6 впускного канала и одна ближняя по потоку секция 7 выпускного канала использованы для одной камеры 10 сгорания. В альтернативном варианте для одной камеры сгорания могут быть использованы множество впускных отверстий 8а, множество впускных клапанов 8, множество выпускных клапанов 9а и/или множество выпускных клапанов 9. К головке 4 цилиндра прикреплен инжектор 2 для впрыска топлива. Хотя это не показано, цилиндр 4 также снабжен свечой зажигания.

Ближе по потоку относительно находящейся дальше по потоку секции 6 впускного канала присоединена ближняя по потоку секция (не показана) впускного канала. Внутри ближней по потоку секции расположен дроссельный клапан. Дроссельный клапан приводится в действие вручную или электрически электродвигателем.

Выпускное устройство 5 содержит головку 4 цилиндра, первую выпускную трубу 12, соединенную с головкой 4 цилиндра, вторую выпускную трубу 13, соединенную с первой выпускной трубой 12, и третью выпускную трубу 14, соединенную со второй выпускной трубой 13. Первая выпускная труба 12 прикреплена к головке 4 цилиндра при помощи болта 11. Третья выпускная труба 14 имеет сформированную в ней камеру 15 для выхлопных газов. Выпускное устройство 5 имеет сформированный в нем выпускной канал 16, который соединяет находящуюся ближе по потоку секцию 7 с окружающей средой через камеру 15 для выхлопных газов.

В выпускном канале 16 расположены первый катализатор 17 и второй катализатор 18. Второй катализатор 18 расположен дальше по потоку относительно первого катализатора 17. Первый катализатор 17 и второй катализатор 18 имеют пространство между ними.

Дальше по потоку относительно камеры 15 для выхлопных газов присоединен глушитель (не показан). Отработанный газ, который проходит внутрь камеры 15 для выхлопных газов, проходит глушитель и затем выпускается наружу. Камера 15 для выхлопных газов снабжена датчиком 19 концентрации кислорода для определения количества кислорода в отработанном газе.

Электронный управляющий блок 20, который является управляющим устройством, регулирует количество топлива, впрыскиваемого инжектором 2, время воспламенения свечой зажигания и т.п. на основе частоты вращения двигателя 1 внутреннего сгорания, угла раскрытия дроссельного клапана или сигнала от датчика 19 концентрации кислорода. В этом варианте осуществления изобретения электронный управляющий блок 20 регулирует количество топлива, впрыскиваемого инжектором 2, таким образом, что, например, отношение количества воздуха к количеству топлива топливной смеси, которая потребляется двигателем 1 внутреннего сгорания, является теоретическим отношением количества воздуха к количеству топлива.

В ближней по потоку секции первой выпускной трубы 12 расположен патрубок 22. Один конец патрубка 22 соединен с первой выпускной трубой 12, а другой конец патрубка 22 закрыт. Закрытый конец патрубка 22 действует как отражающая секция 21b для отражения скачка уплотнения, как описано ниже. Патрубок 22 выполнен за одно целое с первой выпускной трубой 12. В альтернативном варианте патрубок 22 может быть сформирован отдельно от первой выпускной трубы 12 и прикреплен к ней. Например, первая выпускная труба 12 и патрубок 22 могут быть приварены друг к другу или прикреплены друг к другу при помощи крепежного элемента (не показан), такого как болт, заклепка или подобное средство. Патрубок 22 сформирован так, что он имеет большую площадь поперечного сечения для потока на одном конце, чем на другом конце, но форма патрубка 22 не ограничена показанной на фиг.1. Площадь поперечного сечения для потока патрубка 22 на одном конце может быть равной или меньшей, чем площадь поперечного сечения для потока на другом конце. В патрубке 22 сформирована ответвленная секция 21. Один конец ответвленной секции 21 сообщается с выпускным каналом 16, а другой ее конец закрыт. Вход 21a ответвленной секции 21 (то есть часть, сообщающаяся с выпускным каналом 16) имеет площадь поперечного сечения для потока, которая имеет размер, обеспечивающий распространение скачка уплотнения, распространяющегося в выпускном канале 16, также в ответвленную секцию 21, как описано ниже. На фигуре ссылочная позиция "X" представляет центральную линию сечения для потока входа 21a ответвленной секции 21.

Между ответвленной секцией 21 и первым катализатором 17 расположено сужающееся-расширяющееся сопло 31. Сужающееся-расширяющееся сопло 31 обычно называют "соплом Лаваля". Сужающееся-расширяющееся сопло 31 увеличивает скорость отработанного газа, проходящего в выпускном канале 16, от дозвуковой скорости до сверхзвуковой скорости. Сужающееся-расширяющееся сопло 31 образовано сужающейся секцией 32, горловинной секцией 34 и расширяющейся секцией 33. Сужающаяся секция 32 является частью, имеющей площадь поперечного сечения для потока, которая постепенно уменьшается к находящемуся дальше по потоку его концу. Расширяющаяся секция 33 является частью, имеющей площадь поперечного сечения для потока, которая постепенно увеличивается к находящемуся дальше по потоку его концу. Горловинная секция 34 является частью, расположенной между сужающейся секцией 32 и расширяющейся секцией 33 и имеющей самую малую площадь поперечного сечения для потока.

Используется система 70 подачи вторичного воздуха для подачи воздуха в выпускной канал 16 из выпускного устройства 5. Система 70 подачи вторичного воздуха содержит воздухоочиститель 76, имеющий фильтр 76a, клапан 75 регулирования количества воздуха, расположенный дальше по потоку относительно него, для регулирования количества воздуха, питающий клапан 74, расположенный дальше по потоку относительно него, и трубку 72 для подачи вторичного воздуха, расположенную дальше по потоку относительно него. Трубка 72 для подачи вторичного воздуха присоединена между патрубком 22 и сужающимся-расширяющимся соплом 31 в первой выпускной трубе 12. Передний конец трубки 72 для подачи вторичного воздуха открыт в выпускной канал 16. Система 70 подачи вторичного воздуха формирует канал 71 подачи вторичного воздуха, проходящий из внутреннего пространства воздухоочистителя 76 в выпускной канал. Питающая секция 73 канала 71 для подачи вторичного воздуха выполнена в виде прорези на переднем конце трубки 72 для подачи вторичного воздуха. В результате этой конструкции трубка 72 для подачи вторичного воздуха может подавать воздух в широкую область выпускного канала 16, включая его центральную линию Y сечения для потока.

Входной конец трубки 72 для подачи вторичного воздуха соединен с воздухоочистителем 76 через питающий клапан 74 и клапан 75 регулирования количества воздуха. Питающий клапан 74 предотвращает прохождение отработанного газа из трубки 72 для подачи вторичного воздуха в часть ближе по потоку относительно питающего клапана 74. Питающий клапан 74 выполнен с возможностью открытия отрицательным давлением, генерируемым в выпускном канале 16, для направления воздуха к питающей секции 73 канала 71 для подачи вторичного воздуха. Клапан 75 регулирования количества воздуха выполнен с возможностью согласования количества воздуха с рабочим состоянием двигателя 1 внутреннего сгорания. Клапан 75 регулирования количества воздуха содержит привод, серводвигатель, соленоид или подобное средство, приводимое в действие отрицательным входным давлением и т.п. Угол раскрытия клапана 75 регулирования количества воздуха регулируется электронным управляющим блоком 20.

Когда угла раскрытия дроссельного клапана меньше, чем заданный угол, электронный управляющий блок 20 вызывает закрытие клапана 75 регулирования количества воздуха или относительное уменьшение угла раскрытия дроссельного клапана. Заданный угол предварительно установлен и сохранен в запоминающем устройстве электронного управляющего блока 20. Когда угол раскрытия дроссельного клапана больше, чем заданный угол, электронный управляющий блок 20 увеличивает угол раскрытия клапана 75 регулирования количества воздуха. Таким образом, понятно, что угол раскрытия клапана 75 регулирования количества воздуха увеличивается или уменьшается в соответствии с углом раскрытия дроссельного клапана. Применение клапана 75 регулирования количества воздуха позволяет подавать воздух в выпускной канал 16 с адекватным расходом без избытка или недостаточности. Клапан 75 регулирования количества воздуха не является абсолютно необходимым и может быть исключен из конструкции.

На фиг.2 показан схематичный общий вид сужающегося-расширяющегося сопла. Как показано на фиг.2, площадь поперечного сечения А1 для потока на входном конце сужающейся секции 32, площадь поперечного сечения A2 для потока горловинной части 34 и площадь поперечного сечения A3 для потока на находящемся дальше по потоку конце расширяющейся секции 33 имеют зависимость А1>A2 и A2<A3. Площадь поперечного сечения A2 для потока горловинной части 34 равна площади поперечного сечения A2 для потока на находящемся дальше по потоку конце сужающейся секции 32 и площади поперечного сечения для потока на входном конце расширяющейся секции 33. В этом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, площади поперечного сечения для потока сужающейся секции 32 и расширяющейся секции 33 изменяются с постоянным коэффициентом в направлении потока. Нет какого-либо определенного ограничения формы сужающейся секции 32 и расширяющейся секции 33. Сужающаяся секция 32 и расширяющаяся секция 33 могут быть сформированы так, чтобы они имели форму, имеющую площадь поперечного сечения для потока, изменяющуюся постепенно, как сопло, принятое для ракет, или могут быть сформированы так, чтобы они имели плавно изогнутую форму.

Сужающееся-расширяющееся сопло 31 сформировано для выполнения условий, представленных выражениями (1) и (2) ниже. В результате скорости отработанного газа, проходящего в горловинную секцию 34, достигающей числа М1 (то есть звуковой скорости), отработанный газ в расширяющейся секции 33 может быть ускорен до сверхзвуковой скорости.

где Λ представляет собой коэффициент, вычисленный согласно выражению (2):

Среди этих выражений выражение (1) представляет зависимость между формой выпускной трубы и числом Маха в основном потоке, сопровождаемом вязкостным трением. Выражение (2) представляет Λ в выражении (1). В этих выражениях М представляет число Маха, А представляет площадь поперечного сечения выпускной трубы в произвольном сечении, D представляет диаметр трубы в произвольном сечении, γ представляет удельную теплоемкость, х представляет расстояние в направлении потока и f представляет коэффициент трения.

Как показано на фиг.2 и фиг.3, в целом, с сужающимся-расширяющимся соплом 31, сформированным для соответствия условиям, представленным выражениями (1) и (2), когда отношение давлений полного давления Р0 в части, расположенной раньше по потоку относительно горловинной секции 34, и статического давления Р в части, расположенной дальше по потоку относительно горловинной секции 34, то есть Р/Р0, меньше, чем критическое отношение давлений (=0,528; точка С на фиг.3), скорость становится звуковой скоростью (M1) в горловинной секции и становится сверхзвуковой скоростью в расширяющейся секции 33. Когда полное давление Р0 увеличено для того, чтобы сделать Р/Р0 меньше критического отношения давлений, в сужающемся-расширяющемся сопле 31 может быть сформирован сверхзвуковой поток.

Когда скорость в сужающемся-расширяющемся сопле 31 становится сверхзвуковой скоростью, генерируются новый скачок 35b уплотнения, распространяющийся в направлении потока в расширяющейся секции 33, и волна 35с разрежения, распространяющаяся против потока в расширяющейся секции 33 (см. фиг.6). Таким образом, текучая среда в пространстве между скачком 35b уплотнения, распространяющимся в направлении потока в выпускном канале 16, и волной 35с разрежения, распространяющейся против потока в выпускном канале 16, быстро расширяется, и, таким образом, давление отработанного газа, проходящего в выпускном канале 16, может быть уменьшено. В результате температура отработанного газа может быть быстро уменьшена эффектом адиабатического охлаждения, вызванного адиабатическим расширением. В результате активных исследований авторы осуществили такое состояние, комбинируя сужающееся-расширяющееся сопло 31 и ответвленную секцию 21.

Далее со ссылками на фиг.4(A)-(C) будет описан принцип приведения отработанного газа в состояние низкого давления и низкой температуры в выпускном канале. На фиг.4(A)-(C) схематично показано выпускное устройство 5. На фиг.4(A)-(C) элементам, идентичным или эквивалентным показанным на фиг.1 или фиг.2, присвоены идентичные ссылочные позиции.

Как показано на фиг.4(A), когда выпускное отверстие 9а открыто в ходе такта выпуска двигателя 1 внутреннего сгорания, отработанный газ 36 высокого давления выпускается из камеры 10 сгорания в ближнюю по потоку секцию 7 выпускного канала 16 через выпускное отверстие 9a. В момент, когда выпускное отверстие 9a начинает открываться, перепад давлений между камерой 10 сгорания и ближней по потоку секцией 7 выпускного канала 16 является большим. Таким образом, скорость отработанного газа 36 становится звуковой скоростью, и, таким образом, в ближней по потоку секции выпускного канала 16 создается скачок 35 уплотнения. Когда угол раскрытия выпускного отверстия 9а увеличивается, количество отработанного газа 36, проходящего в ближнюю по потоку секцию 7 выпускного канала 16, увеличивается, но скорость отработанного газа 36 уменьшается. Скорость отработанного газа также уменьшается, когда отработанный газ продвигается в ближней по потоку секции 7 выпускного канала 16. Как показано на фиг.4(A), скачок 35 уплотнения распространяется в первую выпускную трубу 12 из ближней по потоку секции 7 выпускного канала 16 и далее распространяется по ходу потока с высокой скоростью. В этот момент отработанный газ 36 продвигается в направлении потока в выпускном канале 16 с задержкой относительно скачка 35 уплотнения с относительно низкой скоростью.

Как показано на фиг.4(B), скачок 35 уплотнения, распространяющийся в первой выпускной трубе, разделяется на скачок уплотнения, распространяющий в выпускном канале 16, и скачок уплотнения, распространяющийся в ответвленную секцию 21 во входе 21a ответвленной секции 21, и затем эти скачки уплотнения продвигаются отдельно в выпускном канале 16 и ответвленной секции 21. Скачок 35 уплотнения, распространяющийся в выпускном канале 16, ослабляется и исчезает после прохождения сужающегося-расширяющегося сопла 31. В отличие от этого скачок 35 уплотнения, распространяющийся в ответвленной секции 21, отражается отражающей секцией 21b ответвленной секции 21 и распространяется в противоположном направлении в ответвленной секции 21, возвращаясь в выпускной канал 16.

Как показано на фиг.4(C), длина ответвленной секции 21 задана таким образом, что момент времени, когда отраженный скачок 35 уплотнения возвращается в выпускной канал 16 из ответвленной секции 21, соответствует моменту или возникает после момента времени, когда отработанный газ 36 высокого давления достигает центра входа 21a ответвленной секции 21. Таким образом, скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом в местоположении выпускного канала, которое находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33 и соответствует ответвленной секции 21 или находится дальше по потоку относительно нее.

Как показано на фиг.5, расстояние от центра 9ac выпускного отверстия 9а до центральной линии X сечения для потока во входе 21a ответвленной секции 21 задано как Le, а расстояние от центральной линии Y сечения для потока выпускного канала 16 до отражающей секции 21b задано как Ls. Скорость отработанного газа 36 задана как Ve, а скорость распространения скачка 35 уплотнения задана как Vs. В этом случае время T₁, которое составляет время от момента, когда выпускное отверстие 9а открывается, до момента, когда отработанный газ 36 достигает входа 21a, представлено выражением (3). Время T₂, которое составляет период от момента, когда выпускное отверстие 9a открыто, до момента отражения скачка 35 уплотнения отражающей секцией 21b и достижения им центральной линии Y выпускного канала 16, представлено выражением (4).

T₁=Le/Ve (3)

T₂=(Le+2Ls)/Vs (4)

Когда T₁≤T₂, отраженный скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом. В частности, когда Le/Ve≤(Le+2Ls)/Vs, скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом в местоположении выпускного канала, которое ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33 и соответствует ответвленной секции 21 или находится дальше нее. Для удобства, например, максимальную скорость отработанного газа 36 можно принять как скорость Ve или среднюю скорость отработанного газа 36 можно принять как скорость Ve. Аналогичным образом, например, максимальную скорость распространения скачка 35 уплотнения можно принять как скорость Vs распространения или среднюю скорость распространения скачка 35 уплотнения можно принять как скорость Vs распространения.

Как показано на фиг.5, расстояние от центральной линии X сечения для потока на входе 21a ответвленной секции 21 до входного конца расширяющейся секции 33 задано как Ld и время от момента, когда выпускное отверстие 9а открывается, до момента, когда выпускное отверстие 9а закрывается, задано как tv. Время T₃ от момента открытия выпускного отверстия 9а до момента, когда задняя часть порции отработанного газа 36 достигает входного конца расширяющейся секции 33, представлено выражением (5). Время T₄ от момента, когда выпускное отверстие 9а открывается, до момента, когда скачок 35 уплотнения отражен отражающей секцией 21b и достигает входного конца расширяющейся секции 33, представлено выражением (6).

T₃=tv+(Le+Ld)/Ve (5)

T₄=(Le+2Ls+Ld)/Vs (6)

Когда T₄≤T₃, скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 м