СИСТЕМА ВПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 1997 года по МПК F02M31/12 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к системам впуска, снабженным средствами для электроподогрева рабочего тела с целью улучшения пусковых качеств и токсических показателей двигателя в условиях пониженных температур окружающей среды и улучшения экономических и экологических показателей двигателей на режимах частичных нагрузок.

Известны системы впуска двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС), как с искровым зажиганием (карбюраторные версии и версии с впрыском топлива), так и с воспламенением от сжатия (дизельные версии), обеспечиващие количественное и качественное наполнение цилиндров горючей смесью (воздухом и топливом). Одной из самых ответственных функций любой конструкции системы впуска является качественная подготовка горючей смеси до ее поступления в цилиндры двигателя. Она подразумевает как обеспечение подачи необходимого количества воздуха и топлива в зависимости от скоростного и нагрузочного режима работы двигателя, так и необходимую подготовку этой смеси для ее качественного воспламенения в цилиндрах. В данном случае, подразумевается гомогенизация топливно-воздушной смеси за устройством подачи топлива до момента ее поступления в цилиндр, турболизация смеси путем организации направленных вихрей, обеспечение заданной температуры смеси поступающей в цилиндр и т.д. Таким образом, ведется подготовка смеси для ее наиболее полного и качественного сгорания с тем, чтобы получить высокие мощностные показатели, высокую экономичность, низкую токсичность выхлопа.

Другая важная проблема, которую необходимо решать при конструировании системы впуска ДВС, это обеспечение низких уровней шума в процессе наполнения цилиндров, вызванных возбуждением газодинамических пульсаций в системе, вследствие перепада давлений в цилиндре двигателя и в зоне свободного среза воздухозаборного патрубка воздухоочистителя в момент открытия и закрытия впускного (впускных) клапана. Возникающие газодинамические пульсации во впускной системе ДВС не только оказывают отрицательное влияние на окружающую среду в виде излучаемого системой шума впуска, но и неблагоприятно влияют на процессы наполнения цилиндров, вызывая образование резонансных стоячих волн в отдельных элементах впускной системы и, в первую очередь, во впускных трубах впускного коллектора, что в свою очередь вызывает увеличение гидравлических сопротивлений, ухудшение наполнения и неравномерности наполнения отдельных цилиндров двигателя. Это, в свою очередь, ухудшает мощностные, экономические и токсические показатели ДВС. Следует подчеркнуть, что в современных конструкциях впускных систем ДВС, за счет применения различных конструктивных решений и использования различных дополнительных управляемых систем, в первую очередь пытаются обеспечить высокие экономические показатели, низкую токсичность выхлопа и низкий шум. А мощностные показатели двигателей в этом случае отошли как бы на второй план. Это вызвано непрерывным ужесточением международных и национальных стандартов по токсичности, внешнему шуму и расходом топлива автомобильного транспорта. При этом работа таких систем должна обеспечивать двигателю достижение высоких экологических (токсичность, шум) и экономических показателей во всем эксплуатационном диапазоне температур окружающей среды. С этой целью также существуют (и подвергаются процессу ужесточения) международные нормы, лимитирующие показатели пуска двигателя в условиях как заданных низких, так и высоких температур окружающей среды и т.д.

Практическое решение описанных выше проблем представлено, например, в описаниях: патента США N 5078115, кл. F 02 M 31/00, 1992; патента Германии N 289095, кл. F 02 М 31/00, 1991; заявки Германии N 3943569, кл. F 02 М 31/02, 1991; заявки Франции N 2661951, кл. F 02 M 31/135 и многих других источниках патентной информации.

Суть решения технической задачи здесь заключается в установке во впускном тракте ДВС различных по конструкции нагревательных элементов, преимущественно электрического типа, которые в период запуска двигателя и его прогрева, имея определенную поверхность теплосъема, воздействуют на впускной заряд воздуха или горючую смесь.

Таким образом, средствами достижения эффекта в названных конструкциях являются самые различные нагревательные элементы, установленные в тракте системы впуска, продольно или поперечно сориентированные по отношению к потоку компонентов рабочего тела.

Отрицательным фактором здесь является то, что названные нагревательные элементы, загромождая впускной тракт, определяют повышенные его гидродинамические сопротивления, что отрицательно сказывается на наполнении, экономичности, токсичности и динамике двигателя. Кроме того, они могут являться источниками высокочастотного (кромочного) шума (свиста). Следует отметить и локальный, ограниченный характер воздействия этих элементов на рабочее тело, что делает длительным время его прогрева и увеличивает период запуска и прогрева двигателя, что в конечном итоге снижает потребительские качества автомобиля.

Известна система впуска двигателя внутреннего сгорания, описанная в заявке Японии N 3-40232, кл. F 02 М 31/12, публ. 18.06.91, N 5-1006, содержащая впускную трубу, один конец которой подключен к воздухоочистителю, а другой к ресиверу, боковая стенка которого снабжена впускными патрубками, подключенными к цилиндрам двигателя, и смонтированный в тракте системы впуска электроподогреватель.

Известному устройству присущи те же недостатки, что и в описанных выше аналогах, в частности это загромождение проходного сечения впускной трубы (заужение проходного сечения), что обуславливает повышенное гидродинамическое сопротивление впускного тракта, незначительная локальная поверхность теплоотдачи электроподогревателя, что увеличивает количество пусков двигателя и период его прогрева после запуска. Так же ухудшаются акустические качества за счет неизбежного возникновения на кромках подогревателя высокочастотного свиста (скорость газового потока в зауженной зоне возрастает).

В качестве прототипа принята система впуска двигателя внутреннего сгорания, уже упомянутая ранее и описанная в авторском свидетельстве СССР N 871570, кл. F 02 М 31/00, публ. 07.03.84, содержащая воздухоочиститель, к камере которого подключена труба смешанного воздуха, к открытому концу которой подключены патрубки холодного и подогреваемого воздуха, а также средства термостатирования впускного воздуха и снижения шума впуска.

Недостатки системы подробно описаны выше, в частности это:
повышение гидросопротивления впускного тракта из-за наличия в нем коробчатого корпуса и заслонки терморегулятора, которые одновременно являются активным излучателем кромочного шума (высокочастотного свиста), а также вероятной причиной автоколебаний заслонки;
возможность засасывания через систему в цилиндры двигателя воды при движении через водные преграды и поломка в результате этого двигателя;
возможность полного или частичного загромождения воздухозаборного патрубка снегом при движении по заснеженной трассе, что приводит к остановке двигателя;
малая эффективность устройства в период пуска и прогрева двигателя в холодное время года, из-за длительного периода прогрева выхлопного коллектора, необходимость при этом многократных попыток пуска двигателя, что влечет значительный рост токсичности;
неизбежное усиление структурного (вибрационного) шума, излучаемого заборником патрубка подогретого воздуха, поскольку он представляет собой тонкостенную деталь с развитой поверхностью излучения;
недостаточная надежность работы терморегулятора, т.к. под воздействием высоких температур заслонка коробится и возможно ее заедание в корпусе.

Цель изобретения улучшение эксплуатационных качеств двигателя за счет повышения эффективности работы системы впуска двигателя, особенно в условиях пониженной температуры окружающей среды.

Сущность изобретения заключается в том, что в известной системе впуска двигателя внутреннего сгорания, содержащей воздухоочиститель, к камере которого подключена труба смешанного воздуха, к открытому концу которой подключены патрубки холодного и подогретого воздуха, а также средства термостатирования впускного воздуха и снижения шума впуска, названные труба смешанного воздуха и патрубки подогретого и холодного воздуха имеют одинаковую длину, и патрубок подогретого воздуха, по крайней мере по части своей длины, выполнен в виде патрона из газопроницаемого, звукопоглощающего, обладающего высоким омическим сопротивлением материала, противоположные торцы которого подключены к источнику электроснабжения, при этом на свободном срезе патрубка подогретого воздуха смонтирована жесткая звукоотражающая заглушка из газонепроницаемого материала, а во входном срезе патрубка холодного воздуха установлена поворотная заслонка, работающая по закону "открыто-закрыто".

Патрон, для исключения его механических повреждений и частичной термоизоляции, может быть размещен внутри перфорированной обечайки и выполнен из отдельных электроизолированных друг от друга модулей, функционально подключенных к управляемому микропроцессору.

При таком конструктивном исполнении, за счет исключения из трассы системы впуска заслонки терморегулятора, акустической настройки длин трубы и патрубков, перекрытия патрубка холодного воздуха при движении автомобиля вброд, или в условиях сильных встречных снежных потоков, за счет практически мгновенного прогрева нагревательного элемента и регулируемой степени подогрева, достигается поставленная цель и исключаются перечисленные выше недостатки известных систем впуска.

На фиг. 1 показана заявляемая система впуска, на фиг. 2 показано сечение А-А по фиг. 1, на фиг. 3 и 4 показаны варианты изготовления патронов, на фиг. 5 показан патрон, состоящий из отдельных модулей.

Система впуска, по фиг. 1, содержит воздухоочиститель 1, к камере которого подключена труба 2 смешанного воздуха, к открытому концу которой подключены патрубки 3 и 4, соответственно холодного и подогретого воздуха.

Труба 2 и патрубки 3 и 4 имеют равную длину.

Патрубок 4 выполнен в виде патрона из газопроницаемого, звукопоглощающего, обладающим высоким омическим сопротивлением материала, например, пористого сетчатого материала, противоположные концы которого подключены к источнику электроснабжения + и -.

На свободном срезе патрубка 4 смонтирована жесткая звукоотражающая заглушка 5 (донышко) из газонепроницаемого материала, а во входном срезе патрубка 3 установлена поворотная заслонка 6, работающая по закону "открыто-закрыто".

Патрубок 4 или его часть выполнен в виде патрона, который может быть размещен внутри перфорированной обегайки 7, отверстия перфорации показаны поз. 8.

При этом, фиг. 3, патрон для увеличения жесткости может включать арматуру 9 (например, витую цилиндрическую пружину), или быть цельноформованным, фиг. 4 с оребренными или гофрообразными наружными стенками.

Патрон, фиг. 5, в одном из вариантов может быть собран из отдельных, электроизолированных друг от друга модулей, функционально подключенных к микропроцессору (не показан), что позволяет регулировать величину теплосъема с патрона и поддерживать оптимальную температуру воздуха в трубе 2.

При запуске холодного двигателя, при отрицательной температуре окружающей среды, заслонка 6 перекрывает сечение патрубка 3. Одновременно с этим подводится электроток к патрону патрубка 4, что вызывает его быстрый нагрев и передачу тепла потоку всасываемого через патрубок 4 воздуха, поступающему через патрубок 2 в воздухоочиститель 1 и далее в цилиндры двигателя.

При достижении определенной температуры заслонка 6 открывает сечение патрубка 3 и воздух с оптимальным температурным режимом поступает в воздухоочиститель 1 по обоим патрубкам 3 и 4, при этом смешение холодного и подогретого воздуха осуществляется в патрубке 2.

При этом оптимальная температура нагрева потока воздуха в патрубке 4 достигается или изменением величины электротока, подаваемого на торцы патрона, либо путем включения или отключения отдельных модулей патрона, фиг. 5, микропроцессором, отслеживающим температуру потока воздуха в патрубке 2.

В условиях высокой температуры окружающей среды патрона отключен от источника питания, а заслонка 6 открыта. Подача воздуха в трубу 2 осуществляется через оба патрубка 3 и 4.

Во всех остальных случаях патрон осуществляет адаптивный подогрев, а заслонка 6 постоянно открыта.

При движении автомобиля вброд, или значительного наличия в засасываемом двигателем забортном воздухе снега, заслонка 6 перекрывает сечение патрубка 3, а патрон максимально разогрет. Впуск воздуха в трубу 2 осуществляется только через патрубок 4. При этом вода или снег, проходя через пористую структуру патрона превращается в пар, что исключает попадание воды в цилиндры двигателя и предотвращает его поломку.

Во всех эксплуатационных режимах патрубок 4 с жесткой звукоотражающей заглушкой 5 выполняет положительную функцию 1/4 волнового акустического резонатора подавляя резонансные акустические явления в патрубке 3 и уменьшая, таким образом, шум впуска двигателя.

В положении заслонки 6 "закрыто" патрубок 3 также выполняет функцию 1/4 волнового акустического резонатора. Это обеспечивается из-за равенства длин
l -патрубков 2, 3 и 4.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: система содержит воздухоочиститель 1, к камере которого подключены патрубки 3 и 4, и труба 2, а также средства термостатирования впускного воздуха и снижения шума впуска. Труба смешанного воздуха 2 и патрубки подогретого 4 и холодного воздуха 3 имеют одинаковую длину, и патрубок подогретого воздуха 4, по крайней мере на части своей длины выполнен в виде патрона из газопроницаемого, звукопоглощающего, обладающего высоким омическим сопротивлением материала, противоположные торцы которого подключены к источнику электроснабжения, при этом на свободном срезе патрубка 4 смонтирована жесткая заглушка 5 из газонепроницаемого материала, а во входном срезе патрубка 3 установлена поворотная заслонка 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система впуска двигателя внутреннего сгорания, содержащая воздухоочиститель, в камере которого подключена труба смешанного воздуха, к открытому концу которой подключены патрубки холодного и подогретого воздуха, а также средства термостатирования впускного воздуха и снижения шума впуска, отличающаяся тем, что труба смешанного воздуха и патрубки подогретого и холодного воздуха имеют одинаковую длину и патрубок подогретого воздуха, по крайней мере на части своей длины, выполнен в виде патрона из газопроницаемого, звукопоглощающего, обладающего высоким омическим сопротивлением материала, противоположные торцы которого подключены к источнику электроснабжения, при этом на свободном срезе патрубка подогретого воздуха смонтирована жесткая заглушка из газонепроницаемого материала, а во входном срезе патрубка холодного воздуха установлена поворотная заслонка, работающая по закону "открыто-закрыто". 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что патрон выполнен из отдельных электроизолированных друг от друга модулей, функционально подключенных к управляющему микропроцессору. 3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что торцы патрона подключены к источнику электроснабжения с регулируемой силой электрического тока. 4. Система по пп.1 3, отличающаяся тем, что патрон размещен внутри перфорированной обечайки.