СИСТЕМА ВПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к двигателестроению, конкретнее к системам питания четырехтактных двигателей внутреннего сгорания.
Уровень техники
Система впуска двигателя служит для подвода свежего заряда (воздуха или горючей смеси) к цилиндрам двигателя. В двигателях с внешним смесеобразованием во впускной системе происходит также смешение паров жидкого топлива или газа с воздухом.
Известна система воздухоподачи двигателя внутреннего сгорания, содержащая воздушный фильтр с воздухозаборным устройством и воздуховод, соединяющий воздушный фильтр с впускным каналом головки цилиндра двигателя, перекрываемым впускным клапаном (см. каталог деталей и сборочных единиц автомобилей «Волга» ГА3-3110., М.: Колесо, 2000 г., с.92-94). Для удаления отработанных газов служит выпускной канал, перекрываемый выпускным клапаном. Это наиболее распространенная система питания, используемая в отечественных автомобилях. Недостатком этой системы является низкая эффективность продувки камер сгорания цилиндров двигателей от отработавших газов.
Известна система питания двигателя внутреннего сгорания (см. патент RU №2032105, МПК: F02M 23/00, опубл. 1995.03.27), содержащая главный проточный воздушный канал, сообщенный через карбюратор с патрубком подвода топливно-воздушной смеси во впускной канал головки цилиндра, перекрываемый впускным клапаном, и магистраль подвода вторичного воздуха в патрубок подвода топливно-воздушной смеси. Магистраль перекрыта клапаном, открываемым только при повышенной нагрузке на двигатель, когда происходит повышенная подача топлива, что обеспечивает обеднение смеси и ее более полное сгорание. Однако на продувку цилиндров такое решение не оказывает существенного влияния.
Для усиления подачи воздуха и улучшения качества продувки цилиндров известно использование наддува или турбонаддува, когда в канал подачи воздуха устанавливают компрессор или другой нагнетатель. Такое решение характеризуется постоянным повышенным давлением во впускной системе, высокими насосными потерями и завышенной прочностью деталей двигателя.
Известна система питания четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, содержащая основной сообщенный с атмосферой воздухопровод, связанный с цилиндром двигателя через впускной канал с установленным в нем впускным клапаном и дополнительный воздухоподводящий канал, сообщенный с полостью цилиндра через другой впускной канал с установленным в нем впускным клапаном, при этом в дополнительном канале установлено средство нагнетания воздуха (см. патент RU №2023181, МПК: F02B 37/00, опубл. 1994.11.15). Дополнительная подача сжатого воздуха перед впуском позволяет улучшить продувку цилиндра, при этом сжатие только части подаваемого в цилиндр воздуха позволяет исключить значительное повышение массы и габаритов устройства. Однако упомянутое решение предназначено только для двигателей, у которых не менее двух впускных каналов. При этом необходимость разработки и установки дополнительной системы управления работой клапанов значительно усложняет устройство.
Наиболее близким аналогом для заявляемого решения является система впуска двигателя внутреннего сгорания (см. патент на изобретение №2002080, МПК: F02B 29/00, F02M 23/00, F02B 31/00, опубл. 1993.10.30). Упомянутая система содержит сообщенный с атмосферой впускной трубопровод, связанный с впускным каналом головки цилиндра, перекрываемым впускным клапаном, и устройство подачи дополнительного воздуха, включающее открытую в зону впускного клапана воздушную трубку, сообщенную с атмосферой через дополнительный трубопровод. Устройство позволяет увеличить наполнение зон впускных клапанов за счет атмосферного воздуха, поступающего по дополнительному воздушному каналу через трубку, и тем самым несколько улучшить продувку камер сгорания двигателя. Однако этого не достаточно для эффективной продувки.
Раскрытие полезной модели
Задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности продувки цилиндров двигателей от отработавших газов.
Поставленная задача решена за счет того, что во впускной системе двигателя внутреннего сгорания, содержащей сообщенный с атмосферой впускной трубопровод, связанный с цилиндром двигателя через впускной канал с установленным в нем впускным клапаном, и устройство подачи дополнительного воздуха, включающее открытую в зону впускного клапана воздушную трубку, сообщающуюся с атмосферой через дополнительный трубопровод, согласно заявляемой полезной модели, упомянутое устройство подачи дополнительного воздуха выполнено с включенными в магистраль дополнительного трубопровода воздушным насосом, установленным на его входе, и ресивером, установленным перед воздушной трубкой и имеющим давление в своем объеме, превышающее давление во впускном трубопроводе.
Заявляемая совокупность существенных признаков позволяет получить новые положительные технические результаты, а именно: позволяет повысить количество и плотность свежего заряда в полости впускного клапана перед открытием последнего, что способствует увеличению скорости открывания клапана при впуске, и позволяет улучшить продувку цилиндра свежим воздухом в период перекрытия клапанов.
Более эффективная продувка цилиндров двигателя от отработавших газов предыдущего цикла обеспечивает повышение количества свежего заряда, поступившего в полость цилиндра и более полное сгорание рабочей смеси, что, способствует снижению количества токсичных веществ в выхлопных газах, сбрасываемых в атмосферу.
Работа насоса и подача сжатого воздуха в полость впускного клапана из дополнительного трубопровода осуществляется непрерывно и постоянно с момента начала работы двигателя, на всех стадиях рабочего цикла.
В отличие от прототипа, в период, когда впускной клапан закрыт, в заявляемом устройстве происходит усиленное нагнетание свежего воздуха в полость (зону) впускного клапана. Так как подача воздуха производится из ресивера, в котором величина давления превышает давление в основном воздухопроводе, а значит и в полости впускного клапана, то в результате расширения воздуха, попадающего из ресивера в полость клапана, происходит понижение температуры последнего, что способствует увеличению плотности заряда, образующегося в полости клапана перед его открытием.
В момент открывания впускного клапана масса свежего заряда, скопившегося в полости впускного клапана, значительно превышает массу заряда, имеющую место в прототипе. Большая масса заряда оказывает значительное давление на клапан, что ускоряет его открывание, а, следовательно, обеспечивает возможность скорейшего поступления в полость цилиндра основной массы свежего воздуха из основного, сообщенного с атмосферой впускного трубопровода.
При этом усиление основного потока воздуха дополнительным потоком, незначительным по площади поперечного сечения, но подаваемым под давлением, также способствует увеличению количества свежего заряда воздуха, поступающего в полость цилиндра, и усилению продувки последнего от отработавших газов.
Устройство подачи дополнительного воздуха отличается простотой реализации, отсутствием каких-либо дополнительных управляющих или согласующих узлов, т.к. подача воздуха по дополнительной магистрали осуществляется постоянно, независимо от рабочего цикла цилиндра двигателя.
Заявляемое решение может быть использовано для любых известных четырехтактных ДВС с системой подачи воздуха из атмосферы, имеющих, по меньшей мере, один впускной и один выпускной клапан. При этом конструктивные доработки, ведущие к получению указанных выше результатов, осуществляются без изменений основной конструкции и параметров атмосферного двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Наиболее целесообразной является установка заявляемой системы в инжекционных двигателях внутреннего сгорания, где подача топлива осуществляется непосредственно во впускной коллектор, неподалеку от впускного клапана. В этом случае открытую в зону впускного клапана воздушную трубку размещают таким образом, чтобы продольная ось ее открытого конца была направлена по линии, пересекающей направление потока топлива, подаваемого форсункой. Пересечение подаваемого под давлением потока воздуха из ресивера и потока топлива, подаваемого форсункой, усиливает распыление топлива в воздушном потоке, улучшает смесеобразование, что в итоге обеспечивает более полное сгорание топлива.
Давление в ресивере, предпочтительно, выше давления во впускном трубопроводе в два раза или более.
Открытый конец воздушной трубки выполнен в виде сопла-жиклера.
Предпочтительно оснащение ресивера редукционным клапаном, позволяющим исключить превышение давления воздуха в ресивере заданной величины.
В конкретном примере реализации устройства привод воздушного насоса выполнен в виде механической передачи, например, ременной или зубчатой, связанной с коленчатым валом, приводимым в движение двигателем внутреннего сгорания.
В других случаях реализации устройства привод воздушного насоса может быть осуществлен от газовой турбины машины или от отдельного электрического двигателя.
Осуществление полезной модели
Работа и устройство заявляемой впускной системы двигателя внутреннего сгорания поясняется прилагаемым чертежом.
Система впуска содержит основной впускной трубопровод 1, который с одной стороны сообщен с атмосферой через воздушный фильтр и воздухозаборник (на чертеже не показаны), а с другой - связан с полостью цилиндра 2 двигателя через впускной канал 3, перекрываемый впускным клапаном 4, установленным в головке 5 цилиндра, а также устройство подачи дополнительного воздуха, содержащее открытую в зону впускного клапана 4 воздушную трубку 6, сообщенную с атмосферой через дополнительный трубопровод 7, на входе которого установлен воздушный насос 8, а перед воздушной трубкой 6 установлен ресивер 9, оснащенный редукционным клапаном 10.
В приведенном примере воздушный насос 8 имеет привод, выполненный в виде зубчатой передачи 11, связанной с коленчатым валом 12, приводимым в движение двигателем внутреннего сгорания. Приведенный пример не ограничивает возможности использования другого привода, например, газовой турбины или электродвигателя.
Насос 8 начинает работу одновременно с запуском двигателя. Система работает следующим образом.
Насос 8 нагнетает воздух по трубопроводу 7 в ресивер 9, в котором воздух сжимается до давления, величина которого превышает давление во впускном трубопроводе 1. Воздушная трубка 6, выходящая из ресивера 9 выполняет функцию сопла-жиклера, через которое сжатый воздух постоянно подается в полость впускного клапана 4. Количество воздуха, поступающего в полость впускного клапана 4, определяется пропускной способностью сопла-жиклера 6 и давлением в ресивере 9. Диаметр трубки 6 выбирается в зависимости от объема цилиндра 2.
Подача воздуха из ресивера 9 в полость впускного клапана 4 происходит постоянно. Попадая из ресивера 9 в полость клапана 4 сжатый воздух- расширяется, его температура снижается. Упомянутое снижение температуры способствует повышению плотности свежего заряда, образующегося в полости клапана 4. К моменту открывания впускного клапана 4 заряд свежего воздуха составляет величину достаточную для того, чтобы в момент открытия клапана 4 значительно ускорить процесс его открывания.
При полностью открытом впускном клапане 4 в цилиндр 2 двигателя происходит поступление основной массы атмосферного воздуха из воздухопровода 1.
При этом дополнительный воздух продолжает подаваться под давлением из дополнительной магистрали 7. Смешиваясь с основным потоком воздуха, он способствует увеличению скорости продувки камеры сгорания 13 цилиндра 2 от отработавших газов, удаляемых по выпускному каналу 14 через открытый выпускной клапан 15.
В случае установки заявляемой системы в инжекционном двигателе внутреннего сгорания, когда подача топлива осуществляется во впускную воздушную систему, форсунка 16 подачи топлива также установлена во впускном канале 3 вблизи впускного клапана 4. Для более качественного смесеобразования воздушную трубку 6 размещают таким образом, чтобы направленный поток воздуха, поступающий из трубки 6, пересекался с потоком топлива, впрыскиваемого форсункой 16.
Благодаря тому, что поток топлива смешивается с потоком воздуха, подаваемого под давлением, улучшается распределение частиц топлива в воздушной массе, что способствует более полному ее сгоранию, а значит, также способствует уменьшению токсичных веществ в отходящих газах.