Ограничитель воздуха Российский патент 2024 года по МПК F02M35/108 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано во впускной системе двигателя внутреннего сгорания автотранспортных средств как гражданских, так и гоночных автомобилей, для ограничения потока воздуха, поступающего в двигатель.

Уровень техники

В любых автоспортивных соревнованиях в целях безопасности, а также уравнения технических характеристик автомобилей, применяются какие-либо ограничения на двигатели: по мощности, объему и т.п. Один из видов ограничителей - это рестриктор (ограничительный патрубок определенного диаметра проходного сечения). Он уменьшает поток воздуха, проходящего через него, что способствует уменьшению мощности двигателя. Есть несколько конструктивных параметров ограничителя воздуха, влияющих на общую эффективность двигателя. Наиболее важные из них: длина диффузорной и конфузорной частей, их углы схождения/расхождения, диаметры впускного и выпускного отверстий, наименьший диаметр рестриктора и его форма.

Известен ограничитель воздуха, выполненный в виде трубки Вентури. Из данных, собранных в результате многочисленных симуляций, были получены значения угла схождения и угла расхождения трубки Вентури, составляющие 18° и 6°, соответственно, при диаметре впускного отверстия 20 мм, что позволило достичь максимального массового расхода воздуха при минимальных оборотах двигателя (Anshul Singhal, Mallika Parveen, «Air Flow Optimization via a Venturi Type Air Restrictor», Proceedings of the World Congress on Engineering, v.III, 2013).

Недостатком такого ограничителя воздуха является большая длина при таких показателях углов, что может стать проблемой при компоновке автомобиля.

Известен ограничитель воздуха, созданный с использованием сплошной конструкции, имеющей диффузорный и конфузорный участки, выполненные в виде усеченного конуса, в которых угол схождения соответствует 14°, а угол расхождения 6°. Такая конструкция ограничителя воздуха позволяет пропускать максимальный поток воздуха, чтобы цилиндры могли всасывать как можно больше воздуха во время такта впуска. Это позволяет максимизировать объемную эффективность при различных оборотах двигателя. (M. Shunmuga Priyan, K.G. Chrizo Ashwin, S. Periyadurai. «DESIGN AND FABRICATION OF AIR INTAKE NOZZLE FOR FS VEHICLE», International Research Journal of Modernization in Engineering Technology and Science, 05.2023).

Недостатком такого ограничителя воздуха также является большая длина при таких показателях углов, что может стать проблемой при компоновке автомобиля, так как этот рестриктор разрабатывался для автомобиля Formula Student, где благодаря отсутствию кузова отсутствует проблема компоновки впускной системы.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является ограничитель воздуха, имеющий раструбную форму конфузорного участка с диаметром горловины 20 мм. Было спроектировано две конструкции ограничителя воздуха с диаметром горловины 20 мм с измененными входным и выходным диаметрами и геометрией стенок. Первый ограничитель воздуха имеет конусность 8°, начинающуюся у горловины и постепенно переходящую к выходному отверстию, а второй ограничитель имеет конусность 6°. Исследования показали, что двигатель, оснащенный первым ограничителем, создает большую выходную мощность на высоких оборотах, чем двигатель, оснащенный вторым ограничителем воздуха, что позволяет уменьшить время разгона автомобиля. Конструкция второго ограничителя подает больше воздуха в двигатель, работающий на низких и средних оборотах, что в свою очередь, создаст более надежную кривую крутящего момента в диапазоне низких и средних оборотов, что к примеру, обеспечит дополнительную мощность при выходе из поворотов на соревнованиях по автокроссу и гонкам на выносливость (Logan M. Shelagowski, Thomas A. Mahank. CFR Formula SAE Intake Restrictor Design and Performance, American Society for Engineering Education, 2015).

В данном случае исследования проводились для автомобилей с атмосферным ДВС, что не дает возможности установки данного рестриктора на двигатели с турбокомпрессором, кроме того, данный рестриктор рассчитан на диаметр впускного отверстия 20 мм, что значительно меньше того, что необходимо большинству автомобилей.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является оптимизация геометрии внутренней поверхности ограничителя воздуха для создания эффективной работы двигателя при больших оборотах.

Технический результат заключается в увеличении массового расхода воздуха, проходящего через ограничитель воздуха на больших оборотах двигателя.

Технический результат достигается тем, что ограничитель воздуха для впускной системы двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, включающий корпус, имеющий внутреннюю полость, снабженную впускным и выпускным отверстиями для воздушного потока круглой формы, где внутренняя полость корпуса содержит диффузорный участок, выполненный в виде усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения воздушного потока от входа к выходу и конфузорный участок, имеющий на виде продольного сечения трапециевидную форму с закругленными внутрь боковыми сторонами, сужающимися в направлении движения воздушного потока от входа к выходу, расположенный перед диффузорным участком по ходу движения воздушного потока, при этом отношение длины конфузорного участка к длине диффузорного участка составляет 1:2,5-4.

Кроме того, отношение длины конфузорного участка к длине диффузорного участка выбрано из значений 1:2,5; 1:2,5-3; 1:3; 1:2,5-3,5; 1:3,5; 1:2,5-4; 1:4; 1:3-4; 1:3-3,5, предпочтительно 1:3.

Кроме того, угол γ расхождения конусного диффузорного участка ограничителя воздуха составляет 10-20°, предпочтительно 15°.

Кроме того, радиус закруглений боковых сторон конфузорного участка ограничителя воздуха составляет 25-35 мм, предпочтительно 32 мм.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - изображено продольное сечение ограничителя воздуха оптимизированной формы (по изобретению).

Фиг. 2 - изображено продольное сечение ограничителя воздуха первоначальной формы.

Фиг. 3 - замер внешних скоростных характеристик (ВСХ) с первоначальной формой ограничителя воздуха (сравнительный пример).

Фиг. 4 - замер внешних скоростных характеристик (ВСХ) с оптимизированной формой ограничителя воздуха (по изобретению).

Фиг. 5 - CFD - расчет потока, проходящего через рестриктор.

Фиг. 6 - часть впускной системы с ограничителем воздуха в разрезе.

Осуществление изобретения

Ограничитель воздуха состоит из корпуса, имеющего внутреннюю полость, снабженную впускным и выпускным отверстиями для воздушного потока круглой формы, размеры которых выбирают в зависимости от места установки ограничителя воздуха. Размеры впускных отверстий ограничителя воздуха подбирают таким образом, чтобы ограничитель воздуха располагался в нужной точке впускной системы. В частности, ограничитель воздуха может быть установлен на турбокомпрессор, сразу после воздушного фильтра (см. фиг. 6), где размер впускного отверстия продиктован размером впускного патрубка, а выпускного - диаметром ответной части турбокомпрессора. При этом впускное отверстие соответствует внутреннему диаметру силиконового патрубка, установленного до рестриктора, а выпускное отверстие соответствует диаметру ответной части турбокомпрессора. Ограничитель воздуха может быть установлен в любую часть впускной системы автомобиля в зависимости от потребностей (например, в некоторых гоночных сериях место установки регламентировано).

Внутренняя полость корпуса ограничителя воздуха, изображенного на фиг. 1 содержит диффузорный участок, выполненный в виде усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения воздушного потока от входа к выходу и конфузорный участок, имеющий на виде продольного сечения трапециевидную форму с закругленными внутрь боковыми сторонами, сужающимися в направлении движения воздушного потока от входа к выходу. Конфузорный участок расположен перед диффузорным участком по ходу движения воздушного потока. Радиус (R) закруглений боковых сторон конфузорного участка составляет 25-35 мм, предпочтительно 32 мм. Угол (γ) расхождения конусного диффузорного участка составляет 10-20°, предпочтительно 15°. Диаметр (d) горловины ограничителя воздуха, через которую проходит воздушный поток, составляет 20-40 мм, предпочтительно 33 мм. Отношение длины конфузорного участка к длине диффузорного участка выбрано из значений 1:2,5; 1:2,5-3; 1:3; 1:2,5-3,5; 1:3,5; 1:2,5-4; 1:4; 1:3-4; 1:3-3,5, предпочтительно 1:3.

При такой конструкции ограничитель воздуха обеспечивает максимизацию массового расхода воздуха, проходящего через ограничитель воздуха при максимальных оборотах двигателя.

Примеры

Конструкции ограничителей воздуха были исследованы с использованием программного обеспечения Solid Works Flow Simulation для анализа и визуализации потока воздуха в процессе проектирования. Каждая итерация состояла из создания модели, задания граничных условий и решения уравнений движения для давления и скорости воздушного потока. Затем геометрия каждой модели была изменена, и процесс повторялся до тех пор, пока не была найдена геометрия, демонстрирующая оптимальные характеристики потока воздуха.

Для сравнения различных форм ограничителя воздуха были изготовлены ограничители воздуха (первоначальная форма (см. фиг. 2), используемая во впускной системе двигателя и оптимизированная форма (см. фиг. 1) токарным методом обработки из сплава алюминия и проведены исследования на динамометрическом стенде на двигателе ВАЗ 21126. Диаметр горловины ограничителя воздуха оставался равным 33,0 мм, так как именно этот ограничитель необходим для участия в Russian Endurance Challenge, при этом геометрия стенок ограничителя была изменена.

Пример 1 (сравнительный): замер внешних скоростных характеристик (ВСХ) (см. фиг. 3) проведен с первоначальной формой ограничителя воздуха (см. фиг. 2). Диаметр (d) горловины ограничителя воздуха равен 33 мм, внутренняя полость снабжена впускным и выпускным отверстиями для воздушного потока круглой формы одинакового диаметра 48 мм, диффузорный и конфузорный участки, выполнены в виде усеченного конуса и соединены между собой радиусным сопряжением. Угол γ расхождения конусного диффузорного участка составляет 80°, угол α расхождения конусного конфузорного участка составляет 70°. Отношение длины конфузорного участка к длине диффузорного участка составляет 1:1 по 60 мм, соответственно.

Как видно из графика ВСХ (см. фиг. 3) максимальная мощность двигателя при такой форме ограничителя воздуха составляет 286,2 л.с., максимальный крутящий момент – 280,4 Н·м, массовый расход воздуха по расчету в программе Flow Simulation составляет 0,206 кг/с при максимальных оборотах двигателя (в данном случае - 8200 об/мин).

Пример 2 (по изобретению): замер внешних скоростных характеристик (ВСХ) (см. фиг. 4) проведен с оптимизированной формой ограничителя воздуха (см. фиг. 1). Внутренняя полость ограничителя воздуха снабжена впускным и выпускным отверстиями для воздушного потока, размеры которых выбираются в зависимости от места установки ограничителя воздуха во впускной системе. Внутренний диаметр горловины ограничителя воздуха равен 33 мм, внутренняя полость корпуса содержит диффузорный участок, выполненный в виде усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения воздушного потока от входа к выходу и конфузорный участок, имеющий на виде продольного сечения трапециевидную форму с закругленными вовнутрь боковыми сторонами, сужающимися в направлении движения воздушного потока от входа к выходу. Конфузорный участок расположен перед диффузорным участком по ходу движения воздушного потока. Угол γ расхождения конусного диффузорного участка составляет 15°. Радиус закруглений боковых сторон конфузорного участка составляет 32 мм. Отношение длины конфузорного участка к длине диффузорного участка составляет 1:3, где длина конфузорного участка составляет 25 мм, а диффузорного участка 75 мм.

Усовершенствованная внутренняя форма ограничителя воздуха с отношением длины конфузорного участка к длине диффузорного участка равным 1:3 позволяет практически полностью избавиться от отрыва потока воздуха от стенок ограничителя воздуха, что снижает турбулентность потока воздуха в ограничителе и увеличивает массовый расход воздуха (на скриншоте эти зоны можно определить по синему цвету) (см. фиг. 5). Чтобы полностью избавиться от отрыва пограничного потока от стенок, необходимо уменьшить угол диффузорной части, то есть увеличить его длину. Однако общая длина ограничителя воздуха ограничена компоновкой впускной системы. Кроме того, при проведении ряда расчетов было обнаружено, что при увеличении длины диффузорного участка в ущерб длины конфузорного участка, массовый расход воздуха снижается. При увеличении диффузорной части ограничителя воздуха более чем в четыре раза происходит увеличение отрыва потока воздуха от стенок ограничителя воздуха.

Как видно из графика ВСХ (см. фиг. 4) максимальная мощность двигателя при такой форме ограничителя воздуха составляет 302,7 л.с., а крутящий момент - 291,9 Н⋅м, массовый расход воздуха по расчету в программе Flow Simulation составляет 0,21 кг/с при максимальных оборотах двигателя (8200 об/мин).

Испытания показали, что при наличии ограничителя воздуха с усовершенствованной внутренней формой во впускной системе автомобиля с двигателем внутреннего сгорания прослеживается увеличение мощности двигателя на 10,8 л.с. и крутящего момента на 11,5 Н⋅м благодаря увеличению массового расхода воздуха.

Так как массовый расход напрямую влияет на максимальный крутящий момент двигателя, технический результат подтверждается данным значением.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Ограничитель воздуха для впускной системы двигателя внутреннего сгорания транспортного средства включает корпус, имеющий внутреннюю полость, снабженную впускным и выпускным отверстиями круглой формы для воздушного потока. Внутренняя полость корпуса содержит диффузорный участок, выполненный в виде усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения воздушного потока от входа к выходу, и конфузорный участок. Конфузорный участок имеет на виде продольного сечения трапециевидную форму с закругленными внутрь боковыми сторонами. Боковые стороны сужаются в направлении движения воздушного потока от входа к выходу. Конфузорный участок расположен перед диффузорным участком по ходу движения воздушного потока. Отношение длины конфузорного участка к длине диффузорного участка составляет 1:2,5-4. Технический результат заключается в увеличении массового расхода воздуха, проходящего через ограничитель воздуха при максимальных оборотах двигателя. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Ограничитель воздуха для впускной системы двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, включающий корпус, имеющий внутреннюю полость, снабженную впускным и выпускным отверстиями круглой формы для воздушного потока, отличающийся тем, что внутренняя полость корпуса содержит диффузорный участок, выполненный в виде усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения воздушного потока от входа к выходу, и конфузорный участок, имеющий на виде продольного сечения трапециевидную форму с закругленными внутрь боковыми сторонами, сужающимися в направлении движения воздушного потока от входа к выходу, расположенный перед диффузорным участком по ходу движения воздушного потока, при этом отношение длины конфузорного участка к длине диффузорного участка составляет 1:2,5-4.

2. Ограничитель воздуха по п.1, отличающийся тем, что отношение длины конфузорного участка к длине диффузорного участка выбрано из значений 1:2,5; 1:2,5-3; 1:3; 1:2,5-3,5; 1:3,5; 1:2,5-4; 1:4; 1:3-4; 1:3-3,5, предпочтительно 1:3.

3. Ограничитель воздуха по п.1, отличающийся тем, что угол γ расхождения конусного диффузорного участка составляет 10-20°, предпочтительно 15°.

4. Ограничитель воздуха по п.1, отличающийся тем, что радиус закруглений боковых сторон конфузорного участка составляет 25-35 мм, предпочтительно 32 мм.