Многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания, транспортное средство, морское судно и способ выпуска для многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания

Многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания, транспортное средство, морское судно и способ выпуска для многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к многоцилиндровому двигателю внутреннего сгорания, транспортному средству, морскому судну и способу выпуска для многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания.

Уровень техники

Обычно для увеличения рабочих характеристик двигателей внутреннего сгорания усовершенствуют выпускные устройства двигателей внутреннего сгорания. Например, как описано в патентном документе 1, был предложен двигатель внутреннего сгорания, включающий сужающееся-расширяющееся сопло (обычно называемое "соплом Лаваля") для увеличения эффективности продувки. 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 давления Р0 в сужающейся секции и давления Р в расширяющейся секции (то есть Р/Р0) меньше, чем критическое отношение давлений (для воздуха приблизительно 0,528), скорость текучей среды превышает скорость звука в расширяющейся секции. Целью изобретения в патентном документе 1 является улучшение эффективности продувки с использованием этой функции сопла. В частности, как показано на фиг.1 патентного документа 1, шесть выпускных каналов рядного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания сходятся в выпускной коллектор. Кроме того, его выпускной канал образован так, что он имеет длину, которая увеличивает эффективность продувки, а в выпускном канале выхлопного коллектора расположено сопло. В патентном документе 1 описано, что поток отработанного газа, который прошел сопло и, таким образом, его скорость увеличена, захватывает отработанный газ, остающийся в выпускном коллекторе, и, таким образом, эффективность продувки может быть улучшена.

Патентный документ 1: Японская публикация полезной модели №1-76520.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Проблемы, решаемые изобретением

Авторы изучили двигатели внутреннего сгорания с использованием функции сужающегося-расширяющегося сопла, как описано в патентном документе 1. Изучая двигатели внутреннего сгорания, авторы обнаружили, что когда скорость отработанного газа увеличена до звуковой скорости, генерируя скачок уплотнения, давление в области ближе по потоку относительно скачка уплотнения уменьшено. Авторы решили усилить рабочие характеристики двигателя внутреннего сгорания посредством генерирования отрицательного давления в выпускном канале, используя такое уменьшение давления в области ближе по потоку относительно скачка уплотнения. Однако в результате активного изучения патентного документа 1 авторы обнаружили, что даже если скорость отработанного газа становится высокой вследствие действия сужающегося-расширяющегося сопла, отрицательное давление не может генерироваться в части выхлопного коллектора, которая находится ближе по потоку относительно сопла, по следующим причинам. Двигатель внутреннего сгорания, описанный в патентном документе 1, является двигателем внутреннего сгорания с шестью цилиндрами и создает зажигание через каждые 120 градусов поворота кривошипа. Таким образом, скачок уплотнения создается в выпускном канале с интервалом 120 градусов. Обычно угол, под которым открыт выпускной канал двигателя внутреннего сгорания (кинематический угол), составляет приблизительно 240 градусов. В двигателе внутреннего сгорания, описанном в патентном документе 1, окна цилиндров соединены с одним сужающимся-расширяющимся соплом в положении ближе него по потоку. Таким образом, когда выпускной канал одного цилиндра открыт, выпускной канал, по меньшей мере, одного из остающихся цилиндров открыт. Перед тем как выпускной канал одного цилиндра закрывается, выпускной канал цилиндра, в котором должно возникать следующее зажигание, открывается, и создается следующий скачок уплотнения. Таким образом, внутренняя часть выпускного коллектора всегда находится в состоянии положительного давления. Даже если отношение давления Р0 в сужающейся секции и давления Р в расширяющейся секции (то есть Р/Р0) уменьшено до уровня ниже, чем критическое отношение давлений, и скорость отработанного газа превышает скорость звука в расширяющейся секции, внутренняя часть выпускного коллектора всегда остается в состоянии положительного давления. В результате невозможно ожидать полного улучшения рабочих характеристик двигателя внутреннего сгорания.

Целью настоящего изобретения, созданного в свете таких обстоятельств, является создание нового многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, содержащего выпускные отверстия множества цилиндров, соединенные друг с другом, который обеспечивает улучшенные рабочие характеристики благодаря применению принципа сужающегося-расширяющегося сопла.

Способ решения проблем

Согласно первому варианту предложен многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания, содержащий: множество камер сгорания, каждая из которых имеет, по меньшей мере, одно выпускное отверстие; множество выпускных клапанов, каждый из которых выполнен с возможностью открытия или закрытия выпускного отверстия; и выпускной канал для направления отработанного газа, выпущенного из каждой из камер сгорания через выпускное отверстие; при этом выпускной канал 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 выпускную соединительную секцию, расположенную ближе по потоку относительно расширяющейся секции, для соединения множества камер сгорания, периоды открытия выпускных отверстии которых не перекрываются, и не соединения множества камер сгорания, периоды открытия выпускных отверстий которых перекрываются; причем скачок уплотнения, распространяющийся в выпускной соединительной секции с более высокой скоростью, чем отработанный газ, проходящий в выпускную соединительную секцию, когда одно из множества выпускных отверстий, соединенных выпускной соединительной секцией, открыто, отражается выпускным клапаном, закрывающим другое из множества выпускных отверстий; отработанный газ, проходящий в выпускной канал из камеры сгорания, проходит сужающуюся секцию и сталкивается с отраженным скачком уплотнения между входным концом выпускной соединительной секции и расширяющейся секцией, таким образом, увеличивая давление отработанного газа в сужающейся секции; и отработанный газ проходит расширяющуюся секцию, генерируя новый скачок уплотнения и, таким образом, генерируя отрицательное давление в части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, созданное новым скачком уплотнения.

Согласно второму варианту предложен многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания, содержащий: первую камеру сгорания, имеющую первое выпускное отверстие; вторую камеру сгорания, имеющую второе выпускное отверстие; первый выпускной клапан для открытия или закрытия первого выпускного отверстия; второй выпускной клапан для открытия или закрытия второго выпускного отверстия; и выпускной канал для направления отработанного газа, выпущенного из каждой из камер сгорания, через соответствующее выпускное отверстие; при этом период, в котором первое выпускное отверстие открыто, и период, в котором открыто второе выпускное отверстие, не перекрываются; причем выпускной канал 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 соединительную секцию, расположенную ближе по потоку относительно расширяющейся секции, для соединения первой ближней по потоку соединительной секции для направления отработанного газа, выпущенного из первого выпускного отверстия, и второй ближней по потоку соединительной секции для направления отработанного газа, выпущенного из второго выпускного отверстия; при этом скорость отработанного газа, проходящего в выпускной канал, когда каждое из выпускных отверстий открыто, составляет Ve, скорость распространения скачка уплотнения, распространяющегося в выпускном канале, составляет Vs, а расстояние Le1 между первым выпускным отверстием и соединительной секцией и расстояние Le2 между вторым выпускным отверстием и соединительной секцией удовлетворяет отношениям:

Le1/Ve≤(Le1+2Le2)/Vs и

Le2/Ve≤(Le2+2Le1)/Vs; и

причем время от момента, когда каждое из выпускных отверстий открыто, до момента, когда каждое из выпускных отверстий закрыто, составляет tv, а расстояние Ld между соединительной секцией и входным концом расширяющейся секции удовлетворяет отношениям:

(Le1+2Le2+Ld)/Vs≤tv+(Le1+Ld)/Ve и

(Le2+2Le1+Ld)/Vs≤tv+(Le2+Ld)/Ve.

Двигатель предпочтительно дополнительно содержит третью камеру сгорания, имеющую третье выпускное отверстие; и третий выпускной клапан для открытия или закрытия третьего выпускного отверстия; при этом третья находящаяся ближе по потоку соединительная секция для направления отработанного газа, выпущенного из третьего выпускного отверстия, соединена с соединительной секцией; период, в который третье выпускное отверстие открыто, не перекрывает период, в который открыто первое выпускное отверстие, или период, в который открыто второе выпускное отверстие; а расстояние Le3 между третьим выпускным отверстием и соединительной секцией удовлетворяет отношениям:

Le1/Ve≤(Le1+2Le3)/Vs,

Le2/Ve≤(Le2+2Le3)/Vs,

Le3/Ve≤(Le3+2Le1)/Vs,

Le3/Ve≤(Le3+2Le2)/Vs,

(Le1+2Le3+Ld)/Vs≤tv+(Le1+Ld)/Ve,

(Le2+2Le3+Ld)/Vs≤tv+(Le2+Ld)/Ve,

(Le3+2Le1+Ld)/Vs≤tv+(Le3+Ld)/Ve и

(Le3+2Le2+Ld)/Vs≤tv+(Le3+Ld)/Ve.

Согласно еще одному варианту предложен способ выпуска для многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, включающий 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; отражают, по меньшей мере, часть скачка уплотнения выпускным клапаном, закрывающим выпускное отверстие, и обеспечивают столкновение отраженного 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 ее секции, чем в находящейся ближе по потоку ее 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 ее секции, чем в находящейся ближе по потоку ее секции, таким образом, генерируя новый скачок уплотнения, распространяющийся в направлении потока в выпускном канале, для генерирования области отрицательного давления в выпускном канале.

Двигатель предпочтительно содержит четыре камеры сгорания и две выпускные соединительные секции; при этом каждая выпускная соединительная секция соединяет выпускные отверстия, образованные в двух камерах сгорания.

Двигатель предпочтительно содержит шесть камер сгорания и две выпускные соединительные секции; при этом каждая выпускная соединительная секция соединяет выпускные отверстия, образованные в трех камерах сгорания.

Двигатель предпочтительно содержит шесть камер сгорания и три выпускные соединительные секции; при этом каждая выпускная соединительная секция соединяет выпускные отверстия, образованные в двух камерах сгорания.

Двигатель предпочтительно содержит две камеры сгорания и одну выпускную соединительную секцию; при этом каждая выпускная соединительная секция соединяет выпускные отверстия, образованные в двух камерах сгорания.

Двигатель предпочтительно содержит три камеры сгорания и одну выпускную соединительную секцию; при этом каждая выпускная соединительная секция соединяет выпускные отверстия, образованные в трех камерах сгорания.

Двигатель предпочтительно содержит восемь камер сгорания и четыре выпускные соединительные секции; при этом каждая выпускная соединительная секция соединяет выпускные отверстия, образованные в двух камерах сгорания.

Согласно еще одному варианту предложено транспортное средство, содержащее двигатель внутреннего сгорания согласно первому варианту изобретения.

Согласно еще одному варианту предложено морское судно, содержащее двигатель внутреннего сгорания согласно первому варианту изобретения.

Эффект изобретения

Согласно настоящему изобретению выпускная соединительная секция расположена ближе по потоку относительно расширяющейся секции, которая соединяет выпускные отверстия множества камер сгорания, периоды открытия которых не перекрываются, не соединяя множество камер сгорания, периоды открытия выпускных отверстий которых перекрываются. В результате этой конструкции положительное давление и отрицательное давление поочередно генерируются в части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции. Скачок уплотнения, распространяющийся в соединительной секции с более высокой скоростью, чем отработанный газ, проходящий в соединительную секцию, когда одно из множества выпускных отверстий, соединенных соединительной секцией, открыто, отражается выпускным клапаном, закрывающим выпускное отверстие, и отраженный скачок уплотнения сталкивается с отработанным газом ближе по потоку относительно расширяющейся секции. Таким образом, давление отработанного газа увеличивается. Так как отработанный газ проходит через сужающуюся секцию, давление отработанного газа увеличивается. Так как такой отработанный газ проходит расширяющуюся секцию, генерируется новый скачок уплотнения, распространяющийся в направлении потока. Таким образом, положительное давление и отрицательное давление поочередно генерируются в части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, и давление в части ближе по потоку относительно нового скачка уплотнения уменьшается. В результате большое отрицательное давление генерируется в части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, и, таким образом, рабочие характеристики двигателя внутреннего сгорания могут быть улучшены.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - вид морского судна, имеющего установленный на нем двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.

Фиг.2 - увеличенный вид сверху части двигателя внутреннего сгорания как забортного двигателя.

Фиг.3 - вид сбоку многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания согласно Варианту 1 осуществления изобретения.

Фиг.4 - увеличенный вид сбоку части двигателя внутреннего сгорания как забортного двигателя.

Фиг.5 - схематичный вид сужающегося-расширяющегося сопла.

Фиг.6 - зависимость между отношением давлений и числом Маха в сужающемся-расширяющемся сопле.

Фиг.7 - схематичные виды выпускного устройства, показывающие продвижение скачка уплотнения и отработанного газа; (А) - исходное состояние такта выпуска, (В) - состояние, когда скачок уплотнения распространяется в ответвленный канал, и (С) - состояние, когда скачок уплотнения, отраженный ответвленным каналом, сталкивается с отработанным газом.

Фиг.8 - схематичный вид, полученный на основе фотографии внутренней части сужающегося-расширяющегося сопла, сделанной методом Теплера.

Фиг.9 - схематичный вид выпускного канала и т.п., показывающий путь в выпускном канале, которым распространяется скачок уплотнения, и путь в выпускном канале, которым распространяется отработанный газ.

Фиг.10 - график, показывающий зависимость между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа в заданных местоположениях в первом выпускном канале.

Фиг.11 - график, показывающий зависимость между скоростью отработанного газа и температурой отработанного газа в заданных местоположениях в первом выпускном канале.

Фиг.12 - соответствие между выпускным каналом 16 на фиг.10 и фиг.11 и выпускным каналом 16 в Варианте 1 осуществления изобретения.

Фиг.13 - графики зависимости давления и объема, представляющие насосные потери; (А) - график зависимости давления и объема обычного двигателя внутреннего сгорания, и (В) - график зависимости давления и объема двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.

Фиг.14 - вид сбоку выпускного канала, с которым соединена труба для подачи вторичного воздуха, показывающий выпускной канал и трубу для подачи вторичного воздуха с частичным сечением.

Фиг.15 - вид сверху выпускного канала, с которым соединена труба для подачи вторичного воздуха, показывающий трубу для подачи вторичного воздуха, питающие клапаны и соединительные трубы с частичным сечением.

Фиг.16 - схематичный вид, показывающий конструкцию двигателя внутреннего сгорания согласно Варианту 3 осуществления изобретения.

Фиг.17 - зависимость между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа в выпускном канале во временной последовательности.

Фиг.18 - зависимость между давлением отработанного газа и температурой отработанного газа в выпускном канале во временной последовательности.

Фиг.19 - мотоцикл, имеющий установленный на нем двигатель внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению.

фиг.20 - схематичные виды выпускного устройства согласно другим вариантам осуществления изобретения.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

В результате активных исследований авторы пришли к идее, что большое отрицательное давление может генерироваться в выпускном канале посредством применения принципа сужающегося-расширяющегося сопла и с использованием следующего способа, не известного из предшествующего уровня техники. Авторы обнаружили, что эта идея может улучшить рабочие характеристики многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания.

Способ заключается в следующем. (1) Скачок уплотнения, предшествующий отработанному газу, выпущенному из выпускного отверстия в выпускной канал, ответвляется; (2) ответвленный скачок уплотнения отражается выпускным клапаном, закрывающим выпускное отверстие, которое не является выпускным отверстием, из которого был выпущен отработанный газ; (3) отраженный скачок уплотнения сталкивается с отработанным газом, увеличивая давление отработанного газа; (4) отработанный газ, имеющий увеличенное давление, проходит расширяющуюся секцию, ускоряясь до сверхзвуковой скорости, таким образом, генерируя скачок уплотнения; и (5) в части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, генерируется отрицательное давление.

Вариант 1 осуществления изобретения

Далее двигатель внутреннего сгорания согласно варианту осуществления настоящего изобретения будет описан подробно со ссылками на чертежи. Двигатель внутреннего сгорания согласно этому варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.1, является рядным четырехтактным двигателем внутреннего сгорания с четырьмя цилиндрами в качестве забортного двигателя 101, установленного на морское судно 100.

На чертеже стрелка F представляет направление вперед относительно забортного двигателя 101. В следующем описании, когда морское судно, имеющее установленный на нем забортный двигатель 101, движется, а именно когда корпус морского судна движется вперед, направление движения упоминается как "направление вперед относительно забортного двигателя 101". Направление под углом 180 градусов к нему, то есть противоположное направление, упоминается как "направление назад". Когда корпус морского судна движется вперед, левая сторона относительно направления движения упоминается как "левая сторона относительно забортного двигателя" или просто как "левая сторона", и правая сторона относительно направления движения упоминается как "правая сторона относительно забортного двигателя" или просто как "правая сторона". Когда корпус морского судна движется вперед, поперечное направление забортного двигателя 101 упоминается как "направление по ширине забортного двигателя 101". Термины "ближе по потоку" и "дальше по потоку" соответственно относятся к положению ближе по потоку и дальше по потоку относительно направления, в котором проходит отработанный газ.

Как показано на фиг.2, двигатель 1 внутреннего сгорания включает картер 42 и корпус 3 цилиндра для удерживания с возможностью вращения коленчатого вала 41, головку 4 цилиндра, прикрепленную к корпусу 3 цилиндра, крышку 44 головки цилиндра, прикрепленную к головке 4 цилиндра, и т.п. Двигатель 1 внутреннего сгорания установлен в положении, в котором картер 42 расположен впереди относительно головки 4 цилиндра; другими словами, в положении, в котором картер 42 ближе к корпусу, чем головка 4 цилиндра. Эти элементы расположены в продольном направлении забортного двигателя 101 от переднего к заднему положениям в порядке: картер 42, корпус 3 цилиндра, головка 4 цилиндра и крышка 44 головки цилиндра. В корпусе 3 цилиндра и головке 4 цилиндра сформированы камеры 10 сгорания.

В корпусе 3 цилиндра расположены четыре цилиндра 48 в направлении сверху вниз. Головка 4 цилиндра имеет сформированную в ней находящуюся дальше по потоку секцию 6 впускного канала и ближнюю по потоку секцию 7 выпускного канала каждого цилиндра. Головка 4 цилиндра содержит впускной клапан 8 для открытия или закрытия впускного отверстия 8а и выпускной клапан 9 для открытия или закрытия выпускного отверстия 9а. Головка 4 цилиндра также содержит устройство 53 привода клапанов для приведения в действие впускного клапана 8 и выпускного клапана 9 и инжектор 2. Инжектор 2 используется в каждом цилиндре и впрыскивает топливо внутрь находящейся дальше по потоку секции 6 впускного канала. Входной конец находящейся дальше по потоку секции 6 впускного канала, сформированного в головке 4 цилиндра, открыт в поверхности правой стороны головки 4 цилиндра.

Находящийся дальше по потоку конец ближней по потоку секции 7 выпускного канала открыт в поверхности левой стороны головки 4 цилиндра.

Отверстие ближней по потоку секции 7 выпускного канала действует как выпускное отверстие 38 для отработанного газа. Это отверстие является выходным концом ближней по потоку секции 7 выпускного канала, который открыт в поверхности левой стороны головки 4 цилиндра. Выпускное отверстие 38 для отработанного газа открыто в поверхности левой стороны головки 4 цилиндра. Другими словами, выпускное отверстие 38 для отработанного газа открыто в направлении, противоположном находящейся дальше по потоку секции 6 впускного канала в направлении по ширине забортного двигателя 101.

Как показано на фиг.3 и фиг.4, выпускное устройство 172 согласно этому варианту осуществления изобретения содержит ближнюю по потоку секцию 7 выпускного канала, первый выпускной канал 173, второй выпускной канал 174, третий выпускной канал 175, камеру 176 для отработанного газа, главный выпускной канал 177, первый катализатор 17 и второй катализатор 18. Главный выпускной канал 177 сформирован так, что он проходит вниз от нижнего конца камеры 176 для отработанного газа. Главный выпускной канал 177 открыт в воду в центральной части гребного винта 106.

Первый катализатор 17 и второй катализатор 18 являются трехкомпонентными нейтрализаторами. Первый катализатор 17 расположен в соединительной части первого выпускного канала 173 и второго выпускного канала 174. Второй катализатор 18 расположен в соединительной части второго выпускного канала 174 и третьего выпускного канала 175.

Входной конец первого выпускного канала 173 соединен с выпускным отверстием 38 для отработанного газа. Второй выпускной канала 174 соединен с находящимся дальше по потоку концом первого выпускного канала 173. Третий выпускной канал 175 соединен с находящимся дальше по потоку концом второго выпускного канала 174. Камера 176 для отработанного газа соединена с находящимся дальше по потоку концом третьего выпускного канала 175.

Отработанный газ, выпускаемый из каждого из цилиндров двигателя 1 внутреннего сгорания, проходит в камеру 176 для отработанного газа через первый выпускной канал 173, второй выпускной канал 174 и третий выпускной канал 175. Отработанный газ из каждого цилиндра двигателя 1 внутреннего сгорания, который проходит в камеру 176 для отработанного газа, сливается в камере 176 для отработанного газа и выпускается во входной конец главного выпускного канала 177. Отработанный газ, поступивший в главный выпускной канал 177, выпускается в воду из центральной части гребного винта 106. В этом варианте осуществления изобретения выпускной канал 16 образован пространством, обеспеченным в первом выпускном канале 173, втором выпускном канале 174, третьем выпускном канале 175, камере 176 для отработанного газа и главном выпускном канале 177.

Как показано на фиг.4, в двигателе 1 внутреннего сгорания линия коленчатого вала 41 ориентирована в вертикальном направлении. Двигатель 1 внутреннего сгорания установлен в качестве забортного двигателя в положении, в котором цилиндры №1-№4 расположены позади относительно коленчатого вала 41 (расположены на противоположной стороне от корпуса относительно коленчатого вала 41). В этом варианте осуществления изобретения из четырех цилиндров двигателя 1 внутреннего сгорания цилиндр, расположенный в самом верхнем положении, упоминается "как цилиндр №1", а цилиндры, расположенные ниже цилиндра №1, последовательно упоминаются "как цилиндр №2", "цилиндр №3" и "цилиндр №4". Порядок зажигания для двигателя 1 внутреннего сгорания задан в порядке: цилиндр №1 - цилиндр №3 - цилиндр №4 - цилиндр №2. Цилиндр №1 и цилиндр №4 разнесены по моменту зажигания на 360 градусов поворота кривошипа, и период, когда выпускное отверстие 9а цилиндра №1 открыто, не перекрывает период, когда открыто выпускное отверстие 9а цилиндра №4. Цилиндр №2 и цилиндр №3 разнесены по моменту зажигания на 360 градусов поворота кривошипа и на период, в котором выпускное отверстие 9а цилиндра №2 не перекрывает период, в котором открыто выпускное отверстие 9а цилиндра №3.

Из двух выпускных каналов, каждый из которых образована из двух первых выпускных каналов 173, скомбинированных друг с другом, один выпускной канал образован ближней по потоку секцией 173а для цилиндра №1, ближней по потоку секцией 173d для цилиндра №4, первой соединительной секцией 173е, первой находящейся дальше по потоку секцией 173g и второй дальней по потоку секцией 173h. Первая соединительная секция 173е соединяет находящийся дальше по потоку конец ближней по потоку секции 173а для цилиндра №1 и находящийся дальше по потоку конец ближней по потоку секции 173d для цилиндра №4 друг с другом. Первая находящаяся дальше по потоку секция 173g и вторая находящаяся дальше по потоку секция 173h соединены с первой соединительной секцией 173е и ответвляются от первой соединительной секции 173е, проходя вниз. Из двух выпускных каналов, каждый из которых образован из двух первых выпускных каналов 173, скомбинированных друг с другом, другой выпускной канал образован из ближней по потоку секции 173b для цилиндра №2, ближней по потоку секции 173с для цилиндра №3, второй соединительной секции 173f, третьей дальней по потоку секции 173i и четвертой находящейся дальше по потоку секции 173j. Вторая соединительная секция 173f соединяет ближнюю по потоку секцию 173b для цилиндра №2 и находящийся дальше по потоку конец ближней по потоку секции 173с для цилиндра №3 друг с другом. Третья находящаяся дальше по потоку секция 173i и четвертая находящаяся дальше по потоку секция 173j соединены со второй соединительной секцией 173f и ответвлены от второй соединительной секции 173f, проходя вниз.

В каждой из первой находящейся дальше по потоку секции 173g, второй находящейся дальше по потоку секции 173h, третьей находящейся дальше по потоку секции 173i и четвертой находящейся дальше по потоку секции 173j образовано сужающееся-расширяющееся сопло 31, описанное ниже.

На фиг.5 показан схематичный вид обычного сужающегося-расширяющегося сопла 31. Сужающееся-расширяющееся сопло 31 имеет сужающуюся секцию 32, имеющую площадь поперечного сечения для потока, которая уменьшается по ходу текучей среды, расширяющуюся секцию 33, расположенную дальше по потоку относительно сужающейся секции 32 и имеющую площадь поперечного сечения для потока, которая увеличивается по ходу текучей среды, и горловинную часть 34, расположенную между сужающейся секцией 32 и расширяющейся секцией 33 и имеющую наименьшую площадь поперечного сечения для потока. На фиг.5 стрелка указывает направление, в котором распространяется текучая среда. В этом варианте осуществления изобретения текучая среда представляет собой отработанный газ 36.

Сужающееся-расширяющееся сопло 31 увеличивает скорость отработанного газа, проходящего в выпускном канале 16, от дозвуковой скорости до сверхзвуковой скорости. Площадь поперечного сечения А1 для потока на входном конце сужающейся секции 32, площадь поперечного сечения А2 для потока горловинной части 34 и площадь поперечного сечения A3 для потока на находящемся дальше по потоку конце расширяющейся секции 33 имеют зависимости А1>А2 и А2<А3. Площадь поперечного сечения А2 для потока горловинной части 34 равна площади поперечного сечения А2 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 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 ступенчато, 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 M1 (то есть звуковой скорости), отработанный газ в расширяющейся секции 33 может быть ускорен до сверхзвуковой скорости.

Выражение 1

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

Выражение 2

Среди этих выражений выражение (1) представляет зависимость между формой выпускного канала 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 выпускного канала в произвольном сечении, D представляет диаметр канала в произвольном сечении, γ представляет удельную теплоемкость, х представляет расстояние в направлении потока, и f представляет коэффициент трения.

С сужающимся-расширяющимся соплом 31, имеющим описанную выше конструкцию, когда отношение давлений полного давления Р0 текучей среды в сужающейся секции 32 и статического давления Р текучей среды в расширяющейся секции 33, то есть Р/Р0, меньше, чем критическое отношение давлений 0,528, скорость текучей среды становится звуковой скоростью в горловинной секции и становится сверхзвуковой скоростью в расширяющейся секции 33. На фиг.6 показано отношение давлений полного давления Р0 текучей среды в сужающейся секции 32 и статического давления Р текучей среды в расширяющейся секции, то есть Р/Р0, и скорость текучей среды, проходящей расширяющуюся секцию 33 при каждом отношении давлений. Когда полное давление Р0 в сужающейся секции 32 увеличивается, чтобы сделать Р/Р0 меньше, чем критическое отношение давлений, скорость в сужающемся-расширяющемся сопле 31 может быть сверхзвуковой скоростью.

Когда скорость в сужающемся-расширяющемся сопле 31 становится сверхзвуковой скоростью, генерируются новый скачок уплотнения, распространяющийся в направлении потока в расширяющейся секции 33, и волна разрежения, распространяющаяся против потока в расширяющейся секции 33. Таким образом, текучая среда в пространстве между скачком уплотнения, распространяющимся в направлении потока в выпускном канале 16, и волной разрежения, распространяющейся против потока в выпускном канале 16, быстро расширяется, и, таким образом, давление отработанного газа 36, текущего 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 посредством применения сужающегося-расширяющегося сопла 31 в выпускном канале 16 и соединения части выпускного канала, находящейся ближе относительно сужающегося-расширяющегося сопла 31, особым образом.

Далее со ссылками на фиг.7(А)-7(С) будет описан способ создания большого отрицательного давления в выпускном канале. На фиг.7(А)-7(С) схематически показано выпускное устройство 172 в этом варианте осуществления изобретения. Цилиндр № А (первая камера сгорания) и цилиндр № В (вторая камера сгорания) разнесены по моменту зажигания на 360 градусов поворота кривошипа, и период, в котором выпускное отверстие 9а цилиндра № А (первое выпускное отверстие) открыто, не перекрывает период, в котором открыто выпускное отверстие 9а цилиндра № В (второе выпускное отверстие).

Относительно фиг.7(А)-7(С), часть выпускного канала 16, которая находится ближе по потоку относительно входного конца расширяющейся секции 33, упоминается как "выпускная соединительная секция". В выпускной соединительной секции часть, которая находится ближе по потоку относительно соединительной секции 181 и соединена с выпускным отверстием 9а цилиндра № А, упоминается как "первая ближняя по потоку соединительная секция 19а". Часть, которая находится ближе по потоку относительно соединительной секции 181 и соединена с выпускным отверстием 9а цилиндра № В, упоминается как "вторая ближняя по потоку соединительная секция 19b". Части выпускной соединительной секции, которые находятся дальше по потоку относительно соединительной секции 181, называются "секциями 19с, находящимися дальше по потоку относительно соединительной секции". На фиг.7(А)-7(С) идентичные элементы или элементы, эквивалентные показанным на любой из фиг.1-5, имеют идентичные им ссылочные позиции, и их описание опущено, если оно не является необходимым.

Как показано на фиг.7(А), когда выпускное отверстие 9а открыто в ходе такта выпуска в цилиндре № А, отработанный газ 36 высокого давления поступает из камеры 10 сгорания в первую ближнюю по потоку соединительную секцию 19а выпускного канала. В то время, когда выпускное отверстие 9а начинает открываться, перепад давлений между камерой 10 сгорания и первой ближней по потоку соединительной секцией 19а большой. Таким образом, скорость отработанного газа 36 становится звуковой скоростью, и, таким образом, скачок 35 уплотнения генерируется в первой ближней по потоку соединительной секции 19а. Когда угол раскрытия выпускного отверстия 9а увеличивается, количество отработанного газа 36, проходящего в первую ближнюю по потоку соединительную секцию 19а, увеличивается, но скорость отработанного газа 36 уменьшается. Скорость отработанного газа 36 также уменьшается, когда отработанный газ 36 проходит первую ближнюю по потоку соединительную секцию 19а. Скачок 35 уплотнения распространяется в направлении потока в