Система впуска двигателя внутреннего сгорания

 

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: система впуска ДВС 1 содержит впускную трубу 2, один конец которой подключен к воздухоочистителю 3, а другой - к ресиверу 4, боковая стенка 5 которого снабжена впускными патрубками 6-9, подключенными соответственно к цилиндрам 10-13 двигателя 1, и электроподогреватель 14. Отличительной особенностью является то, что электроподогреватель 14 выполнен в виде штуцера, смонтированного внутри ресивера 4 соосно полости последнего, и имеет форму удлиненного цилиндра, ограниченного торцевыми стенками 16 и 17, к которым подключены контактные клеммы 18 и 19 источника электроснабжения 15, при этом штуцер изготовлен из газопроницаемого, демпфирующего пульсации и звук, обладающего высоким омическим сопротивлением материала. Возможны различные варианты изготовления штуцера 14. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к системам впуска, снабженным средствами для электроподогрева рабочего тела с целью улучшения пусковых качеств и токсических показателей 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), обеспечивающие количественное и качественное наполнение цилиндров горючей смесью (воздухом и топливом). Одной их 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, турбулизация 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.

В качестве другой важной проблемы, 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 оказывает 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 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 расходам 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 M 31/00, 1991, заявки Германии N 3943569, кл. F 02 M 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 запуска, продольно ли 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 наполнение, экономичность, токсичность и динамику двигателя. Кроме того, они могут являться источниками высокочастотного (кромочного) шума (свиста), особенно в том случае, когда установлены подвижно, например, вращающиеся элементы с средствами вихреобразования рабочего тела. Следует отметить и локальный ограниченный характер воздействия поверхностей теплосъема 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.

В качестве прототипа выбрана система впуска двигателя внутреннего сгорания, описанная в заявке Японии N 3-40232, кл. F 02 M 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 клапанами, подключенными к цилиндрам двигателя, и смонтированный в тракте системы впуска электроподогреватель.

Известному устройству присущи те же недостатки, что и в описанных 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. Также ухудшаются акустические качества за счет неизбежного возникновения высокочастотного свиста (скорость газового потока в заученной зоне возрастает).

Целью изобретения является повышение экономических и экологических показателей двигателя, при обеспечении высоких акустических параметров, в условиях низких эксплуатационных температур.

Сущность изобретения заключается в том, что в известной системе впуска двигателя внутреннего сгорания, содержащей 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, функционально запитанный от бортового источника электроснабжения, названный электроподогреватель выполнен в виде штуцера из газопроницаемого, звукодемпфирующего, обладающего высоким омическим сопротивлением материала, закрепленного на торцевой стенке ресивера и установленного вдоль полости ресивера в направлении потока рабочего тела.

Штуцер в ресивере может быть установлен консольно при этом его свободный торец может быть заглушен.

В предпочтительном варианте штуцер простирается по всей длине ресивера и его торец опирается, или закреплен на противоположной торцевой стенке ресивера.

При таком конструктивном исполнении, за счет использования впускного ресивера не только как элемента динамического разделения цилиндров от нежелательного взаимодействия и взаимовлияния волновых процессов впускных патрубков каждого из цилиндров, и не только как расширительной полости сглаживания пульсаций воздуха и снижения шума впуска, но и как наиболее подходящей зоны быстрого, качественного и стабильного подогрева всасываемого воздуха без увеличения гидравлических сопротивлений впускного тракта, за счет использования в ресивере (элементе с относительно низкой скоростью просасываемого газа) газопроницаемого, шумоглушащего штуцера (патрубка) с большой площадью нагрева и теплосъема. Так как засасываемый в цилиндры воздух имеет возможность просасываться через нагреваемую структуру большой площади поверхности (длина окружности штуцера умноженная на его длину), то это обстоятельство обеспечивает низкое гидравлическое сопротивление тракта, так как по отношению к площадям проходных сечений впускных труб до и после ресивера не только не происходит заужения проходного сечения (определяемого как площадь всех проходных каналов в газопроницаемом материале штуцера ресивера), а это сечение является даже намного большим сравниваемых.

В связи с тем, что такое устройство скомпоновано в достаточно близкой зоне к впускному клапану и цилиндру основному источнику пульсаций и шума впускной системы, и эта зона характеризуется максимальной концентрацией акустической энергии, то в отличие от воздействия на конструктивные параметры воздухоочистителя, значительно удаленного от этой зоны, эффективность подавления шума и пульсаций газа на впуске может быть достигнута в значительно более сильной степени при минимальном конструктивном воздействии на систему впуска ДВС.

В действительности, эпюра распределения звукового давления на первой собственной моде впускного тракта, в наибольшей мере ответственной за резонансные явления тракта, характеризуется косинусоидой с максимальным значением в зоне клапана и минимальным значением в зоне камеры воздухоочистителя. Соответственно, располагая устройства подавления шумов и пульсаций ближе к источнику шумов и пульсаций, т.е. к зоне максимальных концентраций волновой энергии, можно повысить эффективность их использования.

Таким образом, в предлагаемом двигателе обеспечивается широкая полоса эффективного глушения шума, генерируемого колеблющемся объемом газа в полости ресивера и особенно на низших собственных формах колебаний названного объема.

В грубом приближении, конструкцию ресивера с размещенным внутри него и по всей его длине штуцером, выполненным из газопроницаемого звукопоглощающего материала можно рассматривать как глушитель с последовательно подключенной активной фрикцией.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где таким образом достигается улучшение экономических, экологических (токсичность, шум) показателей ДВС автомобиля в условиях низких эксплуатационных температур на режимах запуска двигателя и на режимах эксплуатации на частичных режимах нагрузки (следует подчеркнуть, что именно частичные режимы нагрузки, составляют подавляющий диапазон эксплуатации автомобилей).

На фиг. 1 показана система впуска двигателя; на фиг. 2 конструктивный вариант полого штуцера; на фиг. З вид А на фиг. 2; на фиг. 4 система впуска с развитой поверхностью теплоотдачи штуцера.

Система впуска двигателя 1 внутреннего сгорания (фиг.1) содержит впускную трубу 2, один конец которой подключен к воздухоочистителю 3, а другой к ресиверу 4, боковая стенка 5 которого снабжена впускными патрубками 6, 7, 3 и 9, соответственно подключенными к цилиндрам 10, 11, 12 и 13 двигателя 1, и смонтированный в тракте системы впуска электроподогреватель 14, функционально запитанный от бортового источника электроснабжения 15 (аккумуляторной батареи) автомобиля.

Электроподогреватель 14 выполнен в виде штуцера, смонтированного внутри ресивера 4, соосно полости последнего и имеющего форму удлиненного цилиндры, ограниченного торцевыми стенками 16 и 17, к которым подключены контактные клеммы 18 (+) и 19 (-) аккумулятора 15 через замок зажигания 20. В электроцепи имеется также многофункциональный процессор 21, отслеживающий температурный режим двигателя 1 в зависимости от параметров на впуске (температуры засасываемого воздухе), в системе смазки (температуры масла) и охлаждения (температуры охлаждающей жидкости) и др.

Штуцер 14 может быть размещен по всей длине ресивера 4, при этом его торцы 16 и 17 закреплены на торцевых станках 22 и 23 ресивера 4. При этом между торцами 17 и 23 установлен электроизолятор 24.

На фиг. 1 показан один из датчиков 25 температуры охлаждающей жидкости, сигнал от которого поступает на многофункциональный процессор 21.

Подогрев воздуха на впуске в условиях запуска двигателя при низких температурах окружающей среды (эксплуатация в зимних условиях), в условиях крайнего Севера, тестовые режимы испытаний по национальным и международным стандартам и требованиям), позволяет не только обеспечивать быстрый запуск двигателя, но и резко уменьшить токсичность и улучшить экономичность двигателя автомобиля.

Обычно в этих целях, управляющий процессор включает или отключает подогрев воздушной смеси в зависимости от нагрузочных режимов работы двигателя, температуры окружающей среды и других задающих параметров.

Можно также добавить, что автоматическое включение нагревательного элемента штуцера 14 необходимо и дизельному двигателю при возникновении определенных его виброускорений, с тем чтобы обеспечить более равномерную его работу с низким уровнем вибраций и шума. Т.е. использование подогрева целесообразно и с точки зрения акустики. При этом управляемыми параметрами выступают виброускорения.

Охлаждение воздушного заряда (электроподогреватель не включен) на впуске с целью увеличения его плотности для улучшения наполнения и улучшения эффективной мощности и момента необходимого только на режимах движения автомобиля с полной нагрузкой (с полностью открытой дроссельной заслонкой). Для современных конструкций легковых автомобилей, прежде всего, с высокими показателями экономичности и низкой токсичности, на первый план встают задачи обеспечения этих показателей на частичных и переходных режимах (с частично открытой дроссельной заслонкой). В этом случае из-за достаточно большего дросселирования на впуске (создаваемого прикрытой дроссельной заслонкой), влияние некоторого изменения плотности заряда из-за изменения его температуры при наполнении в целом практически очень слабое. А в то же время повышение температуры заряда на впуске на частичных режимах работы двигателя целесообразно с точки зрения улучшения гомогенизации топливовоздушной смеси, позволяющей уже заметно улучшить экономические и токсические показатели ДВС.

Для реализации описанного выше в предлагаемой системе впуска электроподогреватель выполнен в виде штуцера 14 (полого или сплошного) из пористого газопроницаемого материала, обладающего высоким омическим сопротивлением и свойствами эффективно рассеивать пульсации и звук. При этом, при включении замка зажигания 20 (начальный момент попытки запуска двигателя 1), вся поверхность штуцера 14 практически сразу прогревается до рабочей температуры и в это же время весь поток воздуха из впускной трубы 2, просачиваясь через проходные микроканалы материала штуцера 14, подвергается прогреву, причем происходит это в непосредственней близости от цилиндров 10-13 двигателя, что ослабляет тепловые потери нагретого газа при транспортировке по короткому тракту и способствует надежному пуску двигателя. По мере достаточного прогрева двигателя 1 датчик 25 подает сигнал на процессор 21, а последний дает команду на отключение электроподогревателя штуцера 14 от источника электроснабжения аккумулятора 15. При движении автомобиля на режимах частичных нагрузок двигателя, сигналы с датчиков температуры засасываемого воздуха и положения дроссельной заслонки, аналогичным образом с помощью процессора 21 гибко управляют работой электронагревателя штуцера 14. Все время штуцер 14 продолжает работать как высокоэффективное средство гашения звука и пульсаций в системе впуска двигателя 1.

Открытие впускного клапана вызывает перепад давлений в емкости цилиндра 10-13, которая образована днищем поршня и камерой сгорания за клапаном и в окружающей среде, при этом колебательный импульс в виде упругих волн распространяется в воздушной среде, заполняющей впускной тракт, вследствие чего происходит возбуждение воздушных объемов патрубков 6-9 с закрытыми клапанами (тупиковых волноводов) и взаимодействие и связанность звуковых полей и газодинамических пульсаций газа в патрубках 6-9, что затрудняет разобщающее (разделяющее) действие ресивера 4, формирование звукового поля в пространстве ресивера 4, отражение звуковых волн от стенок 5, 22 и 23 ресивера 4 по направлению к впускным клапанам патрубков 6-9 и "вытеснение" звуковой энергии во впускную трубу 2, как в передающий волновод с определенной акустической проводимостью (определенным акустическим сопротивлением) и вызывает необходимость скачкообразного преодоления роста акустического сопротивления при прохождении упругих волн в штуцер 14 через его пористую структуру, в результате чего происходит рассеивание колебательной (звуковой) энергии в пористом воздухопроницаемом звукопоглощающем материале штуцера 14 вследствие трения в нем колеблющихся частиц газа и потерь энергии вследствие микродинамических деформаций материала, и превращение этой колебательной энергии в тепловую. Также, дополнительно к рассеиванию колебательной энергии газа в пористом материале штуцера 14, происходит рост звукоизоляции системы в направлении входного среза воздухозаборного патрубка воздухоочистителя 3.

Ввиду того, что газопроницаемый штуцер 14 не заужает проходное сечение ресивера 4, простирается по всему объему его пустотелого пространства (воздействует на весь объем по длине), демпфируя низкочастотные резонансные пульсации в пространстве ресивера 4, то в результате этого демпфирования пульсаций происходит снижение гидравлических сопротивлений системы впуска при заданном расходе газа, засасываемого в цилиндры и проходящего через ресивер 4 (гидравлическое сопротивления тракта при транспортировке пульсирующего газового потока определяется квадратом амплитудных значений его пульсации).

Физико-математическая модель описанного выше динамического состояния объекта выглядит следующим образом.

Каждый из 4-х цилиндров четырехтактного ДВС при его работе генерирует серию импульсов всасывания. Эта последовательность импульсов создает колебания (пульсации) объемного расхода газа с основной частотой: и кратными частотами: f_m= m·f₁,Гц где m 1, 2, 3; n 1/мин Колебания расхода газа в различных цилиндрах сдвинуты по времени: и по фазе: для 4-х цилиндрового двигателя происходит сдвиг по фазе для первой гармоники равный:
где k порядок следования импульсов по цилиндрам в соответствии с порядком работы цилиндров. Для первого цилиндра 10 k=1, для второго 11 k=4, для третьего 12 k=2, для четвертого 13 k=1З.

π = 3,14 рад
Для n-ной гармоники сдвиг по времени тот же, а по фазе:
ϕ_m= mϕ_1, рад
Двигатель с ресивером 4 способствует обеспечению раздельного наддува цилиндров за счет существенного разрыва динамических связей между патрубками 6-9 и объемом ресивера 4. С другой стороны, взаимная независимость волновых явлений в патрубках 6-9, соединяющих ресивер 4 с цилиндрами 10-13, приводит к более резкому развитию колебаний газа в каждом патрубке по отдельности. Эти резонансные колебания проявляются на собственных частотах патрубков

где C скорость звука, м/с;
P 1, 2, 3.

lп длина патрубков, м.

На низшей резонансной частоте (f⁽¹⁾) в систему, образующую резонансный контур, частично вовлекаются и другие, связанные с патрубками массы газа (непосредственно в ресивере и примыкающим к нему элементам).

Вследствие несимметрии акустических нагрузок, создаваемых ресивером 4, акустические нагрузки на патрубки 6-9 отдельных цилиндров различны и это приводит к небольшому несовпадению резонансных частот (f⁽¹⁾) отдельных патрубков. Поэтому, возникающие резонансные колебания газа в одном из них (на своей резонансной частоте) не подавляются колебаниями, приходящими в ресивер от других патрубков, даже если начальные импульсы от цилиндров скомпенсированы (идут в противофазе).

Второе неблагоприятное явление связано с возбуждением первой несимметричной резонансной формы колебаний газа в ресивере 4. Как правило, ее частота близка (или кратна) к одной из собственных частот колебаний газа в патрубке, что приводит к резонансному усилению излучения звука из системы, особенно на частотах нечетных гармоник основной частоты процесса всасывания (f₁). Это подразумевает передачу из ресивера 4 усиленного излучения в систему впуска по направлению к свободному открытому концу воздухозаборного патрубка воздухоочистителя 3. На пути этой цепи передачи это излучение будет трансформироваться (видоизменяться по спектральному составу, частично усиливаться или ослабляться по амплитудам) по всему пути передачи (впускная труба 12, тракты систем воздухоочистки и воздухоподачи, воэдухозаборный патрубок, моторный отсек и окружающая среда).

Учитывая важную роль ресивера 4 в формировании акустических нагрузок, действующих как непосредственно на впускные трубы, так и на их взаимодействие с одной стороны, и на передачу акустической энергии по свободной цепи передачи (по системе впуска) в окружающую среду с другой стороны, целесообразно применение в ресивере звукозаграждающего свободную передачу акустической энергии элемента. Тем более что, как это уже было отмечено выше, данная зона воздействия (полость ресивера) является зоной высокой концентрации звуковой энергии, а также то, что при резонансных режимах газ в системе колеблется как газ в сильно связанных между собой объемах с нарушенным разделением воздушных объемов (т.е. нарушается прямая функция ресивера разделение цилиндра с получением улучшенного их наполнения за счет динамического наддува).

Поскольку штуцер 14, выполненный из газопроницаемого материала (например, металлорезины, пористого сетчатого материала, или других аналогичных материалов; материала, представляющего собой однородную структуру, либо штуцер содержит жесткую скелетную арматуру, заполненную одним из вышеперечисленных газопроницаемых звукопоглощающих материалов), не заужает вход проходного сечения ресивера 4, простирается по всему объему пустотелого пространства (воздействует на весь по длине объем), демпфируя низкочастотные резонансные пульсации в пространстве ресивера 4, то в результате этого демпфирования пульсации происходит снижение гидравлических сопротивлений системы впуска при заданном расходе газа, засасываемого в цилиндры и проходящего через ресивер. Снижение гидравлических сопротивлений впускного тракта в ряде случаев позволяет улучшить наполнение цилиндров свежим зарядом, а соответственно улучшить мощностные, экономические и токсические характеристики двигателя.

Таким образом, достигнуты следующие преимущества:
улучшение экономических (расход топливо) и экологических (шум и токсичность) показателей на режимах частичных нагрузок и на режимах пуска двигателя в условиях низких температур окружающей среды;
большая активная поверхность теплосъема обеспечивает быстрый прогрев и снижает тепловую инерцию при пуске, а также позволяет повысить до максимума температуру всасываемого воздуха;
пожаробезопасность устройства (нагревательный элемент внутри камеры ресивера;
близость расположения к цилиндрам малые тепловые потери при транспортировке газа в цилиндры;
не заужает реальное проходное сечение впускного воздуховода, так как находится в наиболее его широком месте что не влечет рост гидросопротивления тракта, и соответственно ухудшения показателей двигателей;
продолжает попутно выполнять полезную функцию акустической активной фрикции;
простота монтажа демонтажа (установки) при эксплуатации со свободного конца ресивера при сборке, диагностики и т.п.

Формула изобретения

1. Система впуска двигателя внутреннего сгорания, 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, функционально запитанный от бортового источника электроснабжения автомобиля, отличающаяся тем, что подогреватель выполнен в виде штуцера, смонтированного внутри ресивера соосно полости последнего, и имеющего форму удлиненного цилиндра, ограниченного торцевыми стенками, к которым подключены контактные клеммы источника электроснабжения, при этом штуцер изготовлен из газопроницаемого, демпфирующего пульсации и звук, обладающего высоким омическим сопротивлением материала.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что штуцер в ресивере смонтирован в направлении потока рабочего тела консольно, при этом свободный его торец заглушен.

3. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что штуцер размещен по всей длине ресивера, а его торцы закреплены на торцевых стенках ресивера.

4. Система по пп.1 3, отличающаяся тем, что штуцер выполнен полым.

5. Система по пп.1 3, отличающаяся тем, что штуцер выполнен сплошным.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3