Двигатель внутреннего сгорания, транспортное средство, морское судно и способ выпуска для двигателя внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания, транспортное средство, морское судно и способ выпуска для 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 выпуска для двигателя внутреннего сгорания.

Уровень техники

Обычно для увеличения рабочих характеристик двигателей внутреннего сгорания усовершенствуют выхлопные 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 этого сопла. В частности, как показано на фиг.1 патентного документа 1, шесть выхлопных каналов рядного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания сходятся в выхлопной коллектор. Кроме того, его выпускной канал образован так, что он имеет длину, которая увеличивает эффективность продувки, и 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 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. В целом, 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 них 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/РО) 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, осуществленного в свете таких обстоятельств, является создание нового двигателя внутреннего сгорания, предлагающего улучшенные рабочие характеристики благодаря применению принципа сужающегося-расширяющегося сопла.

Способ решения проблем

В качестве одного способа решения вышеуказанной проблемы предполагается соединять расширяющуюся секцию только с одной камерой сгорания, которая расположена ближе по потоку относительно нее. В результате этого устройства делается невозможным то, что, когда выпускное отверстие одного цилиндра открыто, скачок уплотнения, генерируемый в выпускном отверстии другого цилиндра, распространяется в выпускной канал, соединенный с выпускным отверстием, которое открыто. Таким образом, положительное давление и отрицательное давление поочередно генерируются в части выпускного канала, которая находится ближе по потоку расширяющейся секции. Однако было обнаружено, что с этой конструкцией большое отрицательное давление не может генерироваться в выпускном канале по следующим причинам и вследствие следующих проблем. Одна проблема состоит в том, что скачок уплотнения, генерируемый, когда выпускное отверстие в камере сгорания открыто, ослабляется до достижения входного конца расширяющейся секции. Другая проблема состоит в том, что давление отработанного газа, текущего в выпускном канале с задержкой относительно скачка уплотнения, ослабляется до достижения отработанным газом входного конца расширяющейся секции. По этим причинам, даже если или скачок уплотнения, или отработанный газ достигает входного конца расширяющейся секции, отношение давлений давления РО в сужающейся секции и давления Р в расширяющейся секции не становится меньше критического отношения давлений. Таким образом, скорость текучей среды, проходящей в выпускном канале, не превышает скорость звука, и, таким образом, функция сужающегося-расширяющегося сопла не может быть получена.

Согласно первому варианту предложен двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру сгорания, имеющую выпускное отверстие, выпускной клапан для открытия или закрытия выпускного отверстия, и выпускное устройство, имеющее выпускной канал для направления отработанного газа, выпускаемого из камеры сгорания через выпускное отверстие, при этом 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 выпускной клапан открыт, из части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, и распространения ответвленного скачка уплотнения назад в выпускной канал, причем расширяющаяся секция соединена только с одной камерой сгорания, расположенной ближе по потоку относительно расширяющейся секции, отработанный газ, проходящий в выпускной канал из камеры сгорания, сталкивается со скачком уплотнения, который отражается в ответвленной секции перед расширяющейся секцией, и проходит через сужающуюся секцию, таким образом, увеличивая давление отработанного газа в сужающейся секции, и отработанный газ проходит через расширяющуюся секцию для создания нового скачка уплотнения, и в выпускном канале новым скачком уплотнения создается отрицательное давление ближе по потоку относительно расширяющейся секции.

Согласно второму варианту предложен двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру сгорания, имеющую выпускное отверстие, выпускной клапан для открытия или закрытия выпускного отверстия, и выпускное устройство, имеющее выпускной канал для направления отработанного газа, выпускается из камеры сгорания через выпускное отверстие, при этом 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, ответвленную от части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции и имеющую отражающую секцию, способную отражать скачок уплотнения, причем расширяющаяся секция соединена только с одной камерой сгорания, расположенной ближе по потоку относительно расширяющейся секции, причем скорость отработанного газа, выпускаемого из камеры сгорания, когда выпускной клапан открыт, составляет Ve, а скорость распространения скачка уплотнения, распространяющегося в выпускном канале, составляет Vs, при этом расстояние Le между выпускным отверстием и входом ответвленной секции и расстояние Ls между входом ответвленной секции и отражающей секцией удовлетворяет отношению:

Le/Ve≤(Le+2Ls)/Vs,

и когда время от момента, когда выпускное отверстие открыто, до момента, когда выпускное отверстие закрыто, составляет tv, расстояние Ld между входом ответвленной секции и расширяющейся секцией удовлетворяет отношению:

(Le+2Ls+Ld)/Vs≤tv+(Le+Ld)/Ve.

Выпускной канал предпочтительно дополнительно содержит часть, имеющую постоянную площадь поперечного сечения для потока между сужающейся секцией и расширяющейся секцией.

Согласно еще одному варианту предложен способ выпуска для двигателя внутреннего сгорания, включающий этапы, на которых воспламеняют топливо в камере сгорания, открывают выпускное отверстие камеры сгорания для выпуска отработанного газа из камеры сгорания в выпускной канал и создания скачка уплотнения, распространяющегося в выпускном канале с более высокой скоростью, чем отработанный газ, ответвляют, по меньшей мере, часть скачка уплотнения из выпускного канала и отражают ответвленный скачок уплотнения назад в выпускной канал для обеспечения столкновения скачка уплотнения с отработанным газом, таким образом, увеличивая давление отработанного газа, направляют отработанный газ в часть выпускного канала, имеющую площадь поперечного сечения, которая уменьшается в направлении потока, таким образом увеличивая давление отработанного газа, и направляют отработанный газ в часть выпускного канала, имеющую площадь поперечного сечения, которая увеличивается в направлении потока, таким образом создавая новый скачок уплотнения, распространяющийся в направлении потока в выпускном канале, для создания области отрицательного давления в выпускном канале.

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

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

Согласно еще одному варианту предложен двигатель внутреннего сгорания, использующий вышеописанный способ выпуска.

Эффект изобретения

Согласно настоящему изобретению расширяющаяся секция соединена только с одной камерой сгорания, расположенной ближе по потоку относительно нее, и также ответвленная секция расположена в части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции. В результате скачок уплотнения, распространяющийся в выпускной трубе с более высокой скоростью, чем отработанный газ, выходящий из камеры сгорания в выпускной канал, когда выпускное отверстие открыто, ответвляется от части выпускного канала, которая находится ближе по потоку относительно расширяющейся секции, распространяется назад в выпускной канал после задержки в ответвленной секции и сталкивается с отработанным газом, текущим с задержкой. Таким образом, давление отработанного газа увеличивается. Кроме того, так как отработанный газ проходит через расширяющуюся секцию, давление отработанного газа увеличивается. Так как отработанный газ проходит через расширяющуюся секцию, создается новый скачок уплотнения, распространяющийся в направлении потока. Так как положительное давление и отрицательное давление поочередно генерируются в части выпускного канала, который находится ближе по потоку расширяющейся секции, и также давление ближе по потоку относительно нового скачка уплотнения уменьшено, большое отрицательное давление создается в части выпускного канала, которая находится ближе по потоку расширяющейся секции. Это может улучшить рабочие характеристики двигателя внутреннего сгорания.

Краткое описание чертежей

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

Фиг.2 - вид конструкции 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 прогрессирующее состояние скачка уплотнения и отработанного газа; (А) - вид исходного состояния такта выпуска, (В) - вид состояния, когда скачок уплотнения распространяется к ответвленной секции, и (С) - вид состояния, когда скачок уплотнения, отраженный ответвленной секцией, 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, изображенный на основе фотографии внутренней части сужающегося-расширяющегося сопла, выполненной методом Теплера.

Фиг.7 - график, показывающий зависимость между скоростью отработанного газа и давлением отработанного газа, когда скачок уплотнения ускоряется.

Фиг.8 - график, показывающий зависимость между скоростью отработанного газа и температурой отработанного газа, когда скачок уплотнения ускоряется.

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

Фиг.10 - вид конструкции двигателя внутреннего сгорания согласно Варианту 2 осуществления изобретения, показывающий вид в сечении его выпускного канала и т.п.

Фиг.11 - вид конструкции двигателя внутреннего сгорания согласно Варианту 3 осуществления изобретения, показывающий вид в сечении его выпускного канала и т.п.

Фиг.12 - вид конструкции двигателя внутреннего сгорания согласно Варианту 4 осуществления изобретения, показывающий вид в сечении его выпускного канала и т.п.

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

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

Фиг.15 - пример морского судна, включающего установленный на нем двигатель внутреннего сгорания в качестве забортного двигателя.

Фиг.16 - пример мотоцикла, имеющего установленный на нем двигатель внутреннего сгорания.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

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

Способ включает следующее. (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, проходит через расширяющуюся секцию для ускорения до сверхзвуковой скорости, таким образом, генерируя скачок уплотнения; и (4) создается отрицательное давление в части выпускного канала, которая находится ближе по потоку 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 текучая среда, такая как отработанный газ и т.п.

Как показано на фиг.1, двигатель 1 внутреннего сгорания включает корпус 3 цилиндра и 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 применены для одной камеры 10 сгорания. В альтернативном варианте множество впускных отверстий 8а, множество выпускных отверстий 9а, множество впускных клапанов 8, множество выпускных клапанов 9, множество дальних по потоку секций 6 впускного канала и множество ближних по потоку секций 7 выпускного канала могут быть применены для одной камеры сгорания. Инжектор 2 для впрыска топлива прикреплен к головке 4 цилиндра. Хотя это не показано, цилиндр 4 также снабжен свечой зажигания.

Хотя это не показано, во впускном канале расположен дроссельный клапан. Дроссельный клапан приводится в действие вручную или управляется с помощью электроники.

Выпускное устройство 5 включает первую выпускную трубу 12, вторую выпускную трубу 13, третью выпускную трубу 14 и выхлопную камеру 15, которые последовательно соединены в этом порядке от ближнего по потоку положения к дальнему по потоку положению. Выпускное устройство 5 имеет сформированный в нем выпускной канал 16. Первая выпускная труба 12 прикреплена к головке 4 цилиндра при помощи крепежного болта 11. Вторая выпускная труба 13 соединена с дальним по потоку концом первой выпускной трубы 12. Третья выпускная труба 14 соединена с дальним по потоку концом второй выпускной трубы 13. Третья выпускная труба 14 и выхлопная камера 15 выполнены за одно целое.

В выпускном устройстве 5 расположены первый катализатор 17 и второй катализатор 18. Второй катализатор 18 расположен дальше по потоку относительно первого катализатора 17. Между первым катализатором 17 и вторым катализатором 18 существует пространство.

Глушитель (не показан) соединен с дальним по потоку концом выхлопной камеры 15. Отработанный газ, который поступает в выхлопную камеру 15, проходит глушитель и затем выпускается наружу. Выхлопная камера 15 снабжена датчиком 19 концентрации кислорода для определения количества кислорода в отработанном газе.

Электронный управляющий блок 20, который является управляющим устройством, управляет количеством топлива, которое впрыскивается инжектором 2, моментом зажигания свечой зажигания и т.п., на основе частоты вращения двигателя 1 внутреннего сгорания, угла открытия дроссельного клапана, количества кислорода в отработанном газе, определенного датчиком 19 концентрации кислорода, и т.п. В этом варианте осуществления изобретения электронный управляющий блок 20 управляет количеством топлива, которое впрыскивается инжектором 2, таким образом, что, например, отношение количества воздуха к количеству топлива в топливной смеси, которая будет израсходована двигателем 1 внутреннего сгорания, является теоретическим отношением количества воздуха к количеству топлива.

Выпускное устройство 5 включает патрубок 22. Патрубок 22 имеет сформированную в нем ответвленную секцию 21. Один конец патрубка 22 соединен с выпускным каналом 16, а другой конец патрубка 22 закрыт. Закрытый конец патрубка 22 действует как отражающая секция для отражения скачка уплотнения, как описано ниже. В этом варианте осуществления изобретения патрубок 22 выполнен за одно целое с первой выпускной трубой 12. В альтернативном варианте патрубок 22 может быть выполнен отдельно и прикреплен к первой выпускной трубе 12. 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 или подобное средство. Ответвленная секция 21 сформирована так, что она имеет большую площадь поперечного сечения потока на закрытом конце, чем на конце, соединенном с выпускным каналом 16, но форма ответвленной секции 21 не ограничена показанной на фиг.1. Например, ответвленная секция 21 может иметь форму камеры, как показано на фиг.1, может иметь форму трубы, имеющей постоянную площадь поперечного сечения потока и имеющей закрытый конец, или может иметь форму, имеющую меньшую площадь поперечного сечения канала для потока на закрытом конце, чем на конце, соединенном с выпускным каналом. Вход ответвленной секции 21 (то есть часть, соединенная с выпускным каналом 16) имеет размер, позволяющий скачку уплотнения, распространяющемуся в выпускном канале 16, ответвляться в ответвленную секцию 21 и распространяться в ней, как описано ниже.

Дальше по потоку относительно ответвленной секции 21 расположено сужающееся-расширяющееся сопло (обычно называемое "соплом Лаваля") 31. Как показано на фиг.2, 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 секцию 34, расположенную между сужающейся секцией 32 и расширяющейся секцией 33 и имеющую самую малую площадь поперечного сечения для потока. На фиг.2 стрелка указывает направление, в котором распространяется текучая среда. Сужающееся-расширяющееся сопло 31 ускоряет скорость отработанного газа, текущего в выпускном канале 16, от дозвуковой скорости до сверхзвуковой скорости. Как показано на фиг.2, площадь А1 поперечного сечения для потока на входном конце сужающейся секции 32, площадь А2 поперечного сечения для потока горловинной секции 34 и площадь A3 поперечного сечения для потока на выходном конце расширяющейся секции 33 имеют зависимости А1>А2 и А2<А3. В этом варианте осуществления изобретения площади поперечного сечения для потока сужающейся секции 32 и расширяющейся секции 33 каждая изменяются с постоянным коэффициентом в направлении потока. Нет какого-либо особого 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, предназначенное для ракет, или могут быть сформированы так, чтобы они имели ступенчатую форму.

В этом варианте осуществления изобретения расширяющаяся секция 33 соединена только с одной камерой 10 сгорания, расположенной ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33, при помощи выпускного канала 16. Таким образом, отработанный газ 36, выпускаемый из выпускного отверстия 9а, сформированного только в одной камере 10 сгорания, проходит в расширяющуюся секцию 33.

Сужающееся-расширяющееся сопло 31 сформировано для выполнения условий, представленных выражениями (1) и (2) ниже. В результате скорости отработанного газа, текущего 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 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.

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/РО, меньше, чем критическое отношение давлений (=0,528; точка С на фиг.3), скорость текучей среды составляет скорость звука в горловинной секции и составляет сверхзвуковую скорость в расширяющейся секции 33. На фиг.3 показано 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, и скорость текучей среды, проходящей расширяющуюся секцию 33 при каждом отношении давлений. Когда полное давление Р0 в сужающейся секции 32 увеличено для того, чтобы сделать Р/Р0 меньше критического отношения давлений, скорость может быть сверхзвуковой скоростью в сужающемся-расширяющемся сопле 31.

Когда скорость становится сверхзвуковой скоростью в сужающемся-расширяющемся сопле 31, генерируются 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, распространяющей 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(А)-4(С) будет описан способ приведения отработанного газа в низкотемпературное состояние и состояние низкого давления. На фиг.4(А)-4(С) схематично показано выпускное устройство 5. На фиг.4(А)-4(С) элементам, идентичным или эквивалентным, показанным на фиг.1 или фиг.2, присвоены идентичные ссылочные позиции.

Как показано на фиг.4(А), 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 9а. В момент, когда выпускное отверстие 9а 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 7 выпускного канала 16 создается скачок 35 уплотнения. Когда угол раскрытия выпускного отверстия 9а увеличивается, количество отработанного газа 36, проходящего в выпускной канал 16, увеличивается, но скорость отработанного газа 36 уменьшается. Скорость отработанного газа 36 также уменьшается, когда отработанный газ 36 продвигается в выпускном канале 16. Как показано на фиг.4(А), скачок 35 уплотнения распространяется в направлении потока в выпускном канале 16. В этот момент отработанный газ 36 продвигается в направлении потока в выпускном канале 16 с задержкой относительно скачка 35 уплотнения и с меньшей скоростью, чем он.

Как показано на фиг.4(В), скачок 35 уплотнения, распространяющийся в выпускном канале 16, разделяется на скачок уплотнения, распространяющий в выпускном канале 16, и скачок уплотнения, распространяющийся в ответвленную секцию 21 во входе 21а 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 ответвленный 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.

Момент времени, когда выпускное отверстие 9а открыто и отработанный газ 36 образуется до того, как отработанный газ 36 достигает входа 21а ответвленной секции 21, задан как T₁. Время от момента, когда скачок 35 уплотнения образуется в выхлопном отверстии 9а, до отражения скачка 35 уплотнения отражающей секцией 21b ответвленной секции 21 и достигает входа 21а ответвленной секции 21, задано как Т2. Когда выполнено состояние T₁≤Т₂, как показано на фиг.4(С), скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом в положении дальше по потоку относительно входа 21а ответвленной секции 21. Ответвленная секция 21 имеет такую длину, что скачок 35 уплотнения, отраженный ответвленной секцией 21, и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом во входе 21а ответвленной секции 21.

Как показано на фиг.5, расстояние от центра 9ас выпускного отверстия 9а до центральной линии Х сечения для потока во входе 21а ответвленной секции 21 задано как Le, и 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, и скорость распространения скачка 35 уплотнения задана как Vs. В этом случае время T₁, которое составляет время от момента, когда выпускной канал 9а открывается, до момента, когда отработанный газ 36 достигает входа 21а ответвленной секции 21, представлено выражением (3). Время Т₂, которое составляет период от момента, когда выпускной канал 9а открыт, до отражения скачка уплотнения отражающей секцией 21b ответвленной секции 21 и достигает центральной линии Y выпускного канала 16, представлено выражением (4):

Когда T₁ равно или меньше, чем T₂ (T₁<T₂), отраженный скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом в положении дальше по потоку относительно входа 21а ответвленной секции 21. В частности, когда Le/Ve≤(Le+2Ls)/Vs, скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом в положении дальше по потоку относительно входа 21а ответвленной секции 21. 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 Х сечения для потока на входе 21а ответвленной секции 21 до входного конца расширяющейся секции 33 сужающегося-расширяющегося сопла 31 задано как Ld, и время от момента, когда выпускной клапан 9 открывается, до момента, когда выпускной клапан 9 закрывается, задано как tv. Время Т₃ 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 Т₄ от момента, когда выпускной канал 9а открывается, до момента, когда скачок уплотнения отражен отражающей секцией 21b и достигает входного конца расширяющейся секции 33, представлено выражением (6):

Когда Т₄ равно или меньше, чем Т₃ (Т₄≤Т₃), скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 могут сталкиваться друг с другом до того, как весь отработанный газ 36 проходит горловинную секцию 34. В частности, когда (Le+2Ls+Ld)/Vs≤tv+(Le+Ld)/Ve, скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 могут сталкиваться друг с другом до того, как весь отработанный газ 36 проходит горловинную секцию 34.

В случае, когда расстояние Ls между входом 21а ответвленной секции 21 и отражающей секцией 21b относительно короткое, ослабление скачка 35 уплотнения в ответвленной секции 21 сдерживается. Например, расстояние Ls может быть короче, чем расстояние Le.

В результате того, что скачок 35 уплотнения и отработанный газ 36 сталкиваются друг с другом в положении дальше по потоку относительно входа 21а и ближе по потоку относительно расширяющейся секции 33, давление отработанного газа 36, проходящего в выпускном канале, может быть увеличено. Когда это происходит, полное давление Р0 ближе по потоку относительно входа сужающегося-расширяющегося сопла 31 увеличивается. Таким образом, отношение полного давления Р0 ближе по потоку относительно входа и статического давления Р дальше по потоку относительно горловинной секции 34, то есть Р/Р0, становится ниже, чем критическое отношение давлений, составляющее 0,528. В результате скорость отработанного газа 36 в горловинной секции 34 достигает звуковой скорости.

На фиг.6 показан схематичный вид, полученный на основе фотографии внутренней части сужающегося-расширяющегося сопла, выполненной методом Теплера. В результате достижения отработанным газом 36 звуковой скорости в сужающемся-расширяющемся сопле 31 создается новый скачок уплотнения. Новый скачок 35b уплотнения ускоряется, проходя расширяющуюся секцию 33 сужающегося-расширяющегося сопла 31. Как показано на фиг.6, когда создается скачок 35b уплотнения, создается волна 35 с разрежения, распространяющаяся против скачка 35b уплотнения. В результате ускорения скачка 35b уплотнения в расширяющейся секции 33 и распространения волны 35с разрежения против скачка 35b уплотнения давление отработанного газа 36, находящегося между скачком 35b уплотнения и волной 35с разрежения, значительно уменьшается, становясь равным или меньшим, чем атмосферное давление, благодаря эффекту адиабатического охлаждения, вызванному адиабатическим расширением.

На фиг.7 и фиг.8 показаны результаты моделирований, выполненных авторами. На фиг.7 показаны скорость отработанного газа и давление отработанного газа в точках в выпускном канале 16 непосредственно после того, как в сужающемся-расширяющемся сопле 31 создается новый скачок 35b уплотнения. На фиг.8 показаны скорость отработанного газа и температура отработанного газа в точках в выпускном канале 16 непосредственно