Впускная система с регулируемым вихреобразованием для автомобильного бензинового двигателя

 

Изобретение может быть использовано в области двигателей внутреннего сгорания для повышения топливной экономичности, снижения токсичности отработавших газов и улучшения других показателей автомобильных бензиновых двигателей. Впускная система с регулируемым вихреобразованием для автомобильного двигателя с распределенным впрыскиванием топлива включает основную (большую) и дополнительную (малую) дроссельные заслонки, воздушный ресивер с впускными патрубками для каждого цилиндра и вспомогательные каналы, подводящие вихреобразующие потоки воздуха под углом к оси впускных патрубков в зону впрыскивания топлива, а также механизм привода заслонок, регулирующий поступление воздуха в ресивер путем перемещения основной дроссельной заслонки, а во вспомогательные каналы - путем перемещения дополнительной дроссельной заслонки. Электроуправляемый регулятор холостого хода расположен в байпасном воздушном канале холостого хода. Вспомогательные каналы выполнены в виде трубок, выходящих из единой распределительной воздушной магистрали, расположенной параллельно воздушному ресиверу. Эти трубки подведены тангенциально к каждому впускному патрубку в плоскости, перпендикулярной его оси, а дополнительная дроссельная заслонка установлена на входе в распределительную магистраль. Внутренний диаметр каждой из подводящих тангенциальных трубок составляет 0,15 - 0,5 внутреннего диаметра впускного патрубка, а площадь поперечного сечения распределительной воздушной магистрали находится в пределах 1,5 - 4,0 суммарной площади поперечного сечения тангенциальных трубок. На входе в распределительную воздушную магистраль после дополнительной дроссельной заслонки установлен электронагреватель воздуха. Байпасный воздушный канал холостого хода выполнен в обход дополнительной дроссельной заслонки. Технический результат заключается в упрощении конструкции впускной системы с регулируемым вихреобразованием и повышении основных показателей автомобильных бензиновых двигателей за счет улучшения смесеобразования. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано для повышения топливной экономичности, снижения токсичности отработавших газов и улучшения других показателей автомобильных бензиновых двигателей.

Известны впускные системы с регулируемым вихреобразованием для автомобильного двигателя, содержащие, как правило, заслонки или другие подвижные элементы для регулирования и(или) разделения потоков воздуха с целью создания их закрутки (вихреобразования) во впускных каналах двигателя (а.с. СССР 1576698, 1576699, 1199964; патент РФ 2028470, патент США 5435283 и др.). Эти устройства обычно применяются с системами распределенного впрыскивания бензина и позволяют за счет более совершенного смесеобразования улучшить основные показатели двигателей.

Общими недостатками подобных впускных систем являются их конструктивная и технологическая сложность, большое количество регулирующих элементов (заслонок, лопаток и т. п.), повышение газодинамических потерь на впуске, трудность регулирования интенсивности вихреобразования на различных режимах работы двигателя. Эти недостатки не позволяют в полной мере использовать преимущества закрученных (вихревых) потоков для интенсификации смесеобразования и повышения основных показателей двигателей.

Известна впускная система с регулируемым вихреобразованием для автомобильного двигателя, включающая для каждого цилиндра впускные патрубки с основной дроссельной заслонкой и вспомогательные вихреобразующие каналы меньшего диаметра с дополнительной заслонкой (патент США 5533483, МПК⁶ F 02 В 15/00; НКИ 123/308). На режимах холостого хода и малых нагрузок подача воздуха к каждому цилиндру производится через вспомогательные вихреобразующие каналы и регулируется дополнительной (малой) заслонкой, что обеспечивает закрутку воздушного потока в зоне впрыскивания топлива и улучшение смесеобразования. По мере повышения нагрузки двигателя увеличивается открытие основной дроссельной заслонки и возрастает расход воздуха через впускные патрубки, что снижает вихреобразование и позволяет достичь высокого наполнения цилиндров.

Это устройство характеризуется конструктивной и технологической сложностью, невысоким уровнем закрутки воздушного потока, недостаточной интенсификацией смесеобразования. Указанные недостатки не позволяют существенно улучшить топливную экономичность, снизить токсичность отработавших газов, повысить другие показатели автомобильных бензиновых двигателей.

Цель предлагаемого изобретения - упрощение конструкции впускной системы с регулируемым вихреобразованием и повышение основных показателей автомобильных бензиновых двигателей за счет улучшения смесеобразования.

Поставленная цель достигается тем, что во впускной системе с регулируемым вихреобразованием для автомобильного двигателя с распределенным впрыскиванием топлива, включающей основную (большую) и дополнительную (малую) дроссельные заслонки, воздушный ресивер с впускными патрубками для каждого цилиндра и вспомогательные каналы, подводящие вихреобразующие потоки воздуха под углом к оси впускных патрубков в зону впрыскивания топлива, а также механизм привода заслонок, позволяющий регулировать поступление воздуха в ресивер путем перемещения основной дроссельной заслонки, а во вспомогательные каналы - путем перемещения дополнительной заслонки, кроме этого содержащей электроуправляемый регулятор холостого хода, расположенный в байпасном воздушном канале холостого хода, вспомогательные каналы выполнены в виде трубок, выходящих из единой распределительной воздушной магистрали, расположенной параллельно воздушному ресиверу, причем эти трубки подведены тангенциально к каждому впускному патрубку в плоскости, перпендикулярной его оси, а дополнительная дроссельная заслонка установлена на входе в распределительную магистраль, при этом внутренний диаметр каждой из подводящих тангенциальных трубок составляет 0,15...0,5 внутреннего диаметра впускного патрубка, а площадь поперечного сечения распределительной воздушной магистрали находится в пределах 1,5...4,0 суммарной площади поперечного сечения тангенциальных трубок, кроме этого, на входе в распределительную воздушную магистраль, после дополнительной дроссельной заслонки, установлен электронагреватель воздуха и байпасный воздушный канал холостого хода выполнен в обход дополнительной дроссельной заслонки.

На чертеже схематично показана конструкция предлагаемой впускной системы с регулируемым вихреобразованием. Она включает в себя воздушный ресивер 1 с основной (большей) дроссельной заслонкой 2 на входе и впускными патрубками 3 для каждого цилиндра. Параллельно воздушному ресиверу 1 размещена распределительная воздушная магистраль 4 с трубками 5, расположенными тангенциально по отношению к каждому впускному патрубку 3 в плоскости, перпендикулярной его оси. Воздушная магистраль 4 выполнена из термостойкого ударопрочного пластика. На входе в магистраль 4 установлен электронагреватель 6, имеющий термостойкий корпус и электрические контакты 7 для подключения к бортовой сети автомобиля. Такой электронагреватель может быть выполнен на основе позисторной керамики или металлических (например, нихромовых) нагревательных элементов. Вход в электронагреватель 6 соединен резинотканевым патрубком 8 с каналом 9, перед которым расположена дополнительная (малая) дроссельная заслонка 10, в обход которой выполнен байпасный канал 11 холостого хода с электроуправляемым регулятором 12. Основная 2 и дополнительная 10 дроссельные заслонки конструктивно объединены в единый дроссельный узел 13, крепящийся с помощью фланцев 14 через прокладку к воздушному ресиверу 1. Узел 13 включает также вышеуказанные каналы 9, 11 и регулятор холостого хода 12. Для осуществления перемещения заслонок 2 и 10 дроссельный узел 13 имеет механизм их привода (на чертеже не показан). Заслонки могут приводиться как механическим путем, так и с помощью сервопривода.

Работает предлагаемая впускная система следующим образом. Перед пуском, по команде микропроцессорного блока управления двигателя, осуществляется включение электронагревателя 6 через контакты 7 и силовое реле (на чертеже не показано). После прогрева элементов электронагревателя до температуры 250. . . 300^oС (через 10...15 с) производится пуск двигателя. Дополнительная заслонка 10 при этом закрыта и поток воздуха проходит через байпасный канал 11 (на чертеже положение заслонки и движение потока воздуха при этом показаны пунктирными линиями). Проходя через электронагреватель 6, воздух нагревается и далее поступает в распределительную воздушную магистраль 4, откуда по тангенциальным трубкам 5 подается во впускные патрубки 3 цилиндров двигателя. При этом во впускных патрубках в зоне впрыскивания топлива образуется интенсивный вихрь, созданный нагретым потоком воздуха, способствующий улучшению смесеобразования и облегчающий пуск холодного двигателя. Электронагреватель 6 для подогрева вихреобразующих потоков воздуха может включаться по командам микропроцессорного блока управления не только на режимах пуска и прогрева двигателя, но и на холостом ходу, что будет способствовать улучшению смесеобразования на этих режимах и снижению токсичности отработавших газов при одновременном повышений топливной экономичности двигателя. При этом условиями включения электронагревателя могут быть определенные значения сигналов датчиков температуры воздуха на впуске, температуры охлаждающей жидкости, положения дополнительной дроссельной заслонки, частоты вращения вала двигателя.

На малых нагрузках двигателя количество воздуха, поступающего в двигатель, будет регулироваться путем открытия дополнительной заслонки 10 при полностью закрытой основной заслонке 2. На этих режимах подача воздуха через воздушную магистраль 4 и тангенциальные подводящие трубки 5 будет создавать интенсивное вихреобразование в зоне впрыскивания топлива и, таким образом, способствовать улучшению смесеобразования и повышению показателей двигателя. По мере дальнейшего увеличения нагрузки постепенно будет открываться основная дроссельная заслонка 2 и воздух будет также поступать через ресивер 1 и впускные патрубки 3 в цилиндры двигателя. При этом в зависимости от принципа действия привода заслонок возможна реализация различных стратегий регулирования их положения: а) при механическом приводе осуществляется последовательное открытие заслонок - сначала полностью открывается дополнительная заслонка 10, затем начинает перемещаться основная заслонка 2; вихреобразование на впуске при этом снижается, но не прекращается совсем при больших нагрузках двигателя; б) при использовании сервопривода после полного открытия дополнительной заслонки 10 и начала постепенного перемещения основной заслонки 2 заслонка 10 может плавно закрываться, обеспечивая прекращение вихреобразования при больших нагрузках двигателя.

Могут применяться и другие стратегии взаимосвязанного регулирования положения основной 2 и дополнительной 10 дроссельных заслонок, зависящие от особенностей конкретного двигателя и целей регулирования.

Таким образом, возможно изменение интенсивности вихреобразования на впуске в зависимости от режима работы двигателя. На малых нагрузках интенсивный воздушный вихрь в зоне впрыскивания топлива обеспечит улучшение смесеобразования, а при больших нагрузках уменьшение (или прекращение) вихреобразования позволит повысить наполнение цилиндров и достичь требуемых мощностных показателей двигателя.

Выполнение байпасного канала холостого хода в обход дополнительной дроссельной заслонки позволяет на холостом ходу направлять воздух через электронагреватель и далее - через распределительную воздушную магистраль - к тангенциальным трубкам для создания вихря во впускных патрубках. Регулирование номинальной частоты вращения вала на прогретом двигателе осуществляется изменением и фиксацией начального положения дополнительной дроссельной заслонки с помощью специального регулировочного винта (на чертеже не показан), расположенного на корпусе дроссельного узла.

Установка электронагревателя на входе в распределительную воздушную магистраль позволяет подогревать воздух для улучшения смесеобразования на режимах пуска, прогрева и холостого хода двигателя, а также (при необходимости) и на режимах малых нагрузок.

Предлагаемая впускная система с регулируемым вихреобразованием обладает рядом преимуществ: простотой конструкции, компактностью, отсутствием подвижных деталей (кроме дроссельных заслонок, которые необходимы в любом случае) и сложных электронных управляющих устройств, широкими возможностями изменения интенсивности вихреобразования, небольшим газодинамическим сопротивлением, высоким максимальным уровнем закрутки потока. Кроме этого, заявляемая впускная система позволяет облегчить пуск и прогрев двигателя за счет закрутки нагретого воздуха в зоне впрыскивания топлива.

На стадии предварительных стендовых испытаний предлагаемой впускной системы на двигателе МеМЗ-245 подтверждена ее работоспособность и получены положительные результаты. В частности, применение заявляемой впускной системы позволило снизить суммарную токсичность отработавших газов на 35...60% при повышении топливной экономичности в среднем на 3...7%. Мощностные показатели двигателя при этом не ухудшились.

В ходе испытаний установлено, что наиболее рациональными являются следующие величины основных конструктивных параметров: 1. внутренний диаметр каждой из подводящих тангенциальных трубок должен находиться в пределах 0,15...0,5 внутреннего диаметра впускного патрубка; 2. площадь поперечного сечения распределительной воздушной магистрали должна составлять 1,5. ..4,0 суммарной площади поперечного сечения тангенциальных трубок.

Применение заявленной конструкции впускной системы позволит повысить технический уровень и улучшить показатели современных автомобильных бензиновых двигателей.

Формула изобретения

Впускная система с регулируемым вихреобразованием для автомобильного двигателя с распределенным впрыскиванием топлива, включающая основную (большую) и дополнительную (малую) дроссельные заслонки, воздушный ресивер с впускными патрубками для каждого цилиндра и вспомогательные каналы, подводящие вихреобразующие потоки воздуха под углом к оси впускных патрубков в зону впрыскивания топлива, а также механизм привода заслонок, регулирующий поступление воздуха в ресивер путем перемещения основной дроссельной заслонки, а во вспомогательные каналы - путем перемещения дополнительной дроссельной заслонки, содержащая также электроуправляемый регулятор холостого хода, расположенный в байпасном воздушном канале холостого хода, отличающаяся тем, что вспомогательные каналы выполнены в виде трубок, выходящих из единой распределительной воздушной магистрали, расположенной параллельно воздушному ресиверу, причем эти трубки подведены тангенциально к каждому впускному патрубку в плоскости, перпендикулярной его оси, а дополнительная дроссельная заслонка установлена на входе в распределительную магистраль, при этом внутренний диаметр каждой из подводящих тангенциальных трубок составляет 0,15-0,5 внутреннего диаметра впускного патрубка, а площадь поперечного сечения распределительной воздушной магистрали находится в пределах 1,5-4,0 суммарной площади поперечного сечения тангенциальных трубок, кроме этого, на входе в распределительную воздушную магистраль после дополнительной дроссельной заслонки установлен электронагреватель воздуха и байпасный воздушный канал холостого хода выполнен в обход дополнительной дроссельной заслонки.

РИСУНКИ

Рисунок 1