Система впуска двигателя внутреннего сгорания
Полезная модель относится к системам впуска и подогрева воздуха для двигателей транспортных средств. Предложена система впуска двигателя внутреннего сгорания, содержащая впускную трубу 2, один конец которой через впускные патрубки, подключен к цилиндрам двигателя и другой конец подключен к воздухоочистителю 3, в котором под типовым очистительным элементом 4 установлен нагревательный элемент 5, нагревательный элемент выполнен из газопроницаемого графитированного волокна. Технический результат заключается в улучшении пуска двигателя при низких температурах и экономии топлива до 5% за счет регулирования температуры на впуске в двигатель в пределах 20-60°C при минимальных затратах. 1 н.п., 2 з.п., ф-лы, 5 ил.
Полезная модель относится к системам впуска и подогрева воздуха транспортных средств.
Известны системы впуска двигателей внутреннего сгорания (далее - ДВС) как с искровым зажиганием (бензиновые ДВС с впрыском топлива и карбюраторные версии), так и с воспламенением от сжатия (дизельные двигатели), обеспечивающие качественное наполнение цилиндров горючей смесью или воздухом.
Качественная подготовка горючей смеси подразумевает не только обеспечение подачи горючей смеси или воздуха в зависимости от скоростного и нагрузочного режима ДВС, но и подготовку воздуха или смеси для ее качественного воспламенения в цилиндрах двигателя, то есть обеспечение заданной температуры смеси или воздуха поступающего в камеру сгорания с целью успешного пуска двигателя при низких температурах для получения более высокой мощности и экономичности двигателя, а также низкой токсичности выхлопа.
В современных конструкциях впускных систем ДВС за счет применения различных конструктивных решений, в первую очередь, обеспечивают высокие экономические показатели и низкую токсичность выхлопа. В то же время показатели мощности ДВС отошли на второй план, что вызвано ужесточением международных и национальных стандартов по токсичности и расходу топлива в мире. С этой целью постоянно ужесточаются международные стандарты, лимитирующие показатели пуска двигателя в условиях низких и даже высоких температур окружающей среды.
Подогрев воздуха или топливной смеси на впуске особенно необходим на частичных режимах работы двигателя, так как позволяет улучшить гомогенизацию топливовоздушной смеси, что заметно повышает экономические и токсические показатели ДВС. Особенно это актуально при работе дизельных двигателей, потому что все дизели работают на бедных смесях - коэффициент избытка воздуха не ниже 1,3 (то есть его на 30% больше, чем необходимо для полного сгорания топлива в идеальных условиях), а при работе двигателя на холостом ходу коэффициент избытка воздуха может достигать 1,9-2,5. Поэтому в камере сгорания дизельных двигателей почти всегда находится, невостребованный кислород.
Известна система впуска двигателя внутреннего сгорания, описанная в патенте РФ 
2090775, С1 МПК6 F02M 31/13, опубл. 1997 г. Система впуска двигателя внутреннего сгорания содержит 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. При этом 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.
К недостаткам известного устройства можно отнести то, что изменение конструкции путем установки нагревательного устройства внутри коллектора обуславливает удорожание, невозможность ремонта и технического обслуживания без разборки двигателя.
Известна система впуска двигателя внутреннего сгорания, содержащая впускную трубу, один конец которой через впускные патрубки подключен к цилиндру двигателя, а другой конец подключен к воздухоочистителю, причем в воздухоочистителе под воздушным фильтром установлен нагревательный элемент /US 4708118, опубл. 24.11.1987/. Указаннаявпускная труба может быть подключена через впускные патрубки к нескольким цилиндрам двигателя. К недостаткам известного технического решения можно отнести то, что не обеспечено повышение скорости нагрева воздуха в воздушном фильтре.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является улучшение пуска двигателя при низких температурах и экономия топлива до 5% за счет регулирования температуры на впуске в двигатель в пределах 20-60°C при минимальных затратах.
Сущность полезной модели заключается в том, что в известной системе впуска двигателя внутреннего сгорания, содержащей впускную трубу, один конец которой подключен к воздухоочистителю, снабженному воздушным фильтром, а другой к впускным патрубкам блока двигателя, в воздухоочистителе под воздушным фильтром установлен нагревательный элемент, новым является то, что при этом нагревательный элемент выполнен из газопроницаемого графитированного волокна.
Кроме того, нагревательный элемент функционально запитан от бортового источника питания и имеет конфигурацию воздушного фильтра.
Такое расположение нагревательного элемента обеспечивает быстрый и качественный подогрев всасываемого воздуха до определенной температуры 20-60°C без увеличения гидравлических сопротивлений впускного тракта, так как проходящий в цилиндры воздух имеет возможность проходить через нагреваемую структуру большой площади.
В связи с вышеперечисленными недостатками, рассмотренных известных систем, производители, несмотря, на реальную экономию топлива в пределах 5%, не идут на удорожание своей продукции. Техосмотр, замена воздушного фильтра, масла проводится на всех станциях технического обслуживания или ежемесячно, или чрез каждые 30000-40000 км пробега. Поэтому, заявляемое техническое решение, обеспечивающее подогрев воздуха в воздушном фильтре позволяет избежать вышеперечисленные недостатки.Изготовление нагревательных элементов предполагается выполнять с применением графитированных волокон, потому что они имеют меньшую инерционность при включении и большую поверхность нагрева, что повышает скорость нагрева воздуха в воздушном фильтре. Волокно имеет удельное сопротивление от 10-6 до 10-5 Ом×м. Изменяя плотность и структуру волокна, можно иметь электронагреватели различной мощности и конструкции, что позволяет их использовать для всех двигателей и во всех типах воздушных фильтров.
Данное решение положительно влияет на уменьшение шума, так как эпюра распределения звукового давления во впускном коллекторе характеризуется косинусоидой с максимальным значением в зоне клапана и минимальным значением в камере воздухоочистителя. Таким образом, в предполагаемом двигателе обеспечивается широкая полоса эффективного глушения шума работы двигателя и экономия топлива до 5% на любом типе двигателя за счет повышения впускной температуры воздуха до 20-60°C. Это особенно актуально, если учесть, что 70% территории РФ находится в зоне низких температур.
Сущность технического решения поясняется иллюстративными материалами, где на фиг. 1 показана система впуска двигателя автомобиля, поясняющая каким образом достигается улучшение экономических, экологических, мощностных показателей двигателей внутреннего сгорания автомобилей в условиях низких температур на режимах запуска и эксплуатации автомобилей, на фиг. 2, 3 представлен конструктивный вариант нагревательного элемента плоской формы, на фиг. 4, 5 - конструктивный вариант нагревательного элемента круглой формы.
Система впуска двигателя внутреннего сгорания 1 содержит впускную трубу (коллектор) 2, один конец которой подключен к воздухоочистителю 3, а другой через впускные патрубки 6, 7, 8 9 впускной трубы 2 соединен с цилиндрами 10, 11, 12, 13 двигателя 1. В воздухоочистителе 3 под воздушным фильтром 4 (типовой очистительный элемент), например, через изоляционную прокладку(эбонит), установлен нагревательный элемент 5 (электронагреватель), функционально запитанный от бортового источника электроснабжения (аккумуляторной батареи) автомобиля.
Электронагреватель 5 имеет конфигурацию, геометрически совпадающую с конфигурацией воздушного фильтра 4 воздухоочистителя 3. Например, электронагреватель 5 может быть выполнен или в виде прямоугольника, если воздушный фильтр 4 прямоугольной формы, или полого цилиндра, если воздушный фильтр 4 имеет круглую форму для круглых корпусов воздухоочистителей 3. Например, электронагреватель 5 выполнен в виде плоского прямоугольника, толщиной 10-50 мм для легковых и 100-200 мм для грузовых автомобилей.
К электронагревателю 5 подключены контактные клеммы 15 (+) и 14 (-) аккумулятора. В электроцепи многих автомобилей уже имеется многофункциональный процессор 16, отслеживающий температурный режим двигателя 1 в зависимости от параметров на впуске (температуры засасываемого воздуха, температуры охлаждающей жидкости и расхода топлива). Если процессора нет, то его необходимо установить, но он отсутствует только на старых моделях автомобилей.
Подогрев воздуха на впуске в условиях запуска при низких температурах позволяет обеспечивать быстрый запуск двигателя 1, повышая мощность и экономичность двигателя за счет повышения температуры впуска и лучшего смесеобразования. Процессор 16 включает или отключает подогрев воздушной среды в зависимости от температуры воздуха на входе в двигатель 1. Повышение температуры воздуха на впуске до 20-60°C всегда целесообразно с точки улучшения гомогенизации топливовоздушной смеси, позволяющей заметно повысить мощность и экономичность до 5-10% всех ДВС и уменьшить токсичные показатели.
Для осуществления технического решения можно выполнять электронагреватель 5 в виде пластин или цилиндров из пористого газопроницаемого графитированного волокна, обладающего высоким омическим сопротивлением и необходимой для данной модели автомобиля мощностью поддержания впускной температуры воздуха или из нихромовой, вольфрамовой проволоки соответствующей геометрической формы. При включении зажигания вся поверхность электронагревателя 5 мгновенно прогревается до рабочей температуры 90°C и весь поток воздуха, проходя через него, нагревается до температуры 20-60°C в зависимости от мощности электронагревателя 5 и температуры наружного воздуха. При повышении температуры воздуха на входе в двигатель 1 более 60°C процессор 16 отключает нагрев воздуха.
При исследованиях нагревательных элементов, установленных в воздушных фильтрах, получены следующие результаты:
1. Экономия топлива в размере 5-7% за счет постоянной работы нагревателя при различных режимах работы двигателя, который поддерживает температуру воздуха на входе в двигатель в диапазоне 20-60°C и температуре наружного воздуха от 0°C до -50°C.
2. Увеличение мощности за счет повышения температуры конца такта сжатия на 50-110°C любого цилиндра двигателя и гомогенизации топливовоздушной смеси, особенно дизельных двигателей.
3. Быстрый прогрев снижает тепловую инерцию двигателя в условиях низких температур.
4. Простота монтажа электронагревателей, которые устанавливаются вместе с любым воздушным фильтром, облегчают техническое обслуживание и ремонт и замену, в случае выхода из строя нагревательного элемента, что невозможно осуществить во всех существующих конструкциях. Нагреватели изготавливаются отдельно, точно также как и воздушные фильтры или вместе с ними, и просто вставляются в воздухоочистители при каждом техническом обслуживании.
Исследованиями, проведенными на кафедре «Эксплуатация автомобильного транспорта» Тюменского государственного нефтегазового университета, установлено, что при подогреве воздуха на впуске в двигатель бензинового автомобиля до 20-40°C экономия топлива составляет 2,8-3,5%, а дизельного ДВС может достигать 3-5%. При этом выделение достаточного количества тепловой энергии для нормальной работы ДВС происходит менее чем через минуту после пуска двигателя. Нагретый воздух способствует лучшему смесеобразованию в цилиндре двигателя и прогреву двигателя, особенно при низких температурах окружающего воздуха, а также уменьшает затраты энергии при прохождении по впускному коллектору ДВС. Дальнейший подогрев воздуха на входе в ДВС осуществляется стандартным устройством, существующем во всех ДВС, выпускаемых в мире - это подогрев с использованием теплоты выхлопных газов ДВС.
Таким образом, установка электронагревателей разной мощности в воздухоочистителях позволяет без реконструкции выпускаемых ДВС облегчить пуск двигателей при низких температурах и поддерживать впускную температуру воздуха в пределах 20-60°C в зависимости от температуры наружного воздуха, что дает экономию топлива в размере 5-10% от общего потребления топлива и обеспечивает техническое обслуживание и замену электронагревателей в процессе эксплуатации.
1. Система впуска двигателя внутреннего сгорания, содержащая впускную трубу, один конец которой через впускные патрубки подключен к цилиндрам двигателя, а другой конец подключен к воздухоочистителю, причем в воздухоочистителе под воздушным фильтром установлен нагревательный элемент, отличающаяся тем, что указанный нагревательный элемент выполнен из газопроницаемого графитированного волокна.
2. Система впуска двигателя внутреннего сгорания по п. 1, отличающаяся тем, что указанный нагревательный элемент имеет конфигурацию воздушного фильтра.
3. Система впуска двигателя внутреннего сгорания по п. 1, отличающаяся тем, что указанный нагревательный элемент функционально запитан от бортового источника питания и выполнен с возможностью регулирования мощности.
РИСУНКИ
