СИСТЕМА ВПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

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.
6
Известна система впуска двигателя внутреннего сгорания, описанная в патенте РФ №2090775, С1 МПК 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.
-6
-5
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 до 10 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.