СИСТЕМА ВПУСКА ВОЗДУХА ДЛЯ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
AIR INTAKE SYSTEM FOR HEAT ENGINE

Область техники
Изобретение относится к системе впуска воздуха теплового двигателя или двигателя внутреннего сгорания. Изобретение относится также к тепловому двигателю, содержащему такую систему впуска воздуха. Наконец, изобретение относится к автомобилю, содержащему такую систему впуска воздуха или такой тепловой двигатель.
Уровень техники
Для соблюдения международных норм на токсичность вредных выбросов для двигателей с искровым зажиганием, в частности, бензиновых двигателей, производители автомобилей стремятся оптимизировать сжигание топлива (бензина или дизельного топлива) в камерах сгорания двигателя. Для этого система впуска воздуха должна удовлетворять определенным ограничениям: в каждую камеру сгорания должно поступать контролируемое количество свежего воздуха при одновременном генерировании аэродинамической турбулентности. Генерируемая турбулентность отличается в двигателях с искровым зажиганием и дизельных двигателях.
Для повышения эффективности работы двигателя, как известно, систему впуска воздуха дополняют элементом, обеспечивающим сжатие воздуха, для того чтобы увеличить давление поступающих газов и улучшить заполнение цилиндров двигателя топливно-воздушной смесью, что приводит к увеличению удельной мощности двигателя и, следовательно, увеличивается мощность двигателя или снижается потребление топлива. Этот элемент сжатия воздуха может быть электрическим или компрессором турбонагнетателя, установленным между воздушным фильтром и воздухозаборным коллектором двигателя. Воздух, таким образом, отбирается из передней поверхности автомобиля, затем проходит через фильтр, сжимающий элемент и воздухозаборный коллектор, прежде чем вернется в двигатель через воздушные впускные каналы в головке блока цилиндров.
Однако входящий воздух нагревается после сжатия, что оказывает негативное влияние на эффективность работы двигателя.
Для ввода свежего воздуха в двигатель между сжимающим элементом и воздухозаборным коллектором в системе впуска воздуха двигателя установлен теплообменник для охлаждения сжатого воздуха, который затем поступает в камеры сгорания.
Воздух, собираемый в воздухозаборном коллекторе, известным образом распределяется в каждой камере сгорания через воздушные впускные каналы, проходящие через головку блока цилиндров двигателя, что позволяет регулировать расход воздуха, поступающего в каждый цилиндр двигателя. Воздухозаборный коллектор содержит выемку для дроссельной заслонки, объем для буферного воздуха, называемый также ресивером, и по меньшей мере столько воздушных впускных каналов, сколько имеется цилиндров. Воздухозаборный коллектор, может быть, например, литой деталью или пластмассовой деталью, прикрепленной к головке блока цилиндров.
Воздухозаборный коллектор и воздушные впускные каналы способны генерировать аэродинамическую турбулентность в камере сгорания для обеспечения оптимального смешивания бензина с воздухом для достижения эффективного сгорания топлива. Геометрия и ориентация воздушных впускных каналов относительно камеры сгорания имеют решающее значение в способности генерировать эту аэродинамическую турбулентность.
Воздухозаборный коллектор и теплообменник прикреплены к двигателю известным образом, а именно, к стенке головки блока цилиндров, что значительно увеличивает размеры двигателя.
Кроме того, уменьшение веса двигателя является важным с точки зрения потребления топлива и выбросов загрязняющих веществ, в частности, моноксида углерода. С целью снижения веса головки блока цилиндров, как известно, элементы воздухозаборного коллектора выполнены в стенке головки блока цилиндров. Таким образом, стенка головки блока цилиндров может быть одновременно стенкой камеры коллектора.
В патентном документе US3949715-A описана головка блока цилиндров с камерой воздухозаборного коллектора. Указанная камера является частью головки блока цилиндров, что увеличивает объем и, соответственно, вес головки блока цилиндров.
Задача изобретения заключается в создании системы впуска воздуха для теплового двигателя (бензинового или дизельного), которая устраняет указанные выше недостатки и повышает эффективность известных систем впуска воздуха тепловых двигателей.
Раскрытие изобретения
Задача решается, в частности, системой впуска воздуха для теплового двигателя, которая является компактной, облегчает сборку и эксплуатацию при минимизации веса системы, оптимизации циркуляции воздуха, и обеспечении снижения перепада давления потока воздуха.
Более конкретно, изобретение относится к системе впуска воздуха для теплового двигателя, размещаемой между элементом сжатия воздуха и по меньшей мере одним верхним участком камеры сгорания, выполненным в головке блока цилиндров двигателя, при этом система впуска воздуха включает в себя головку блока цилиндров, воздухозаборный коллектор, прикрепленный к соединительной стенке головки блока цилиндров, и по меньшей мере один воздушный впускной канал, проходящий в полость головки блока цилиндров и характеризующейся тем, что содержит по меньшей мере один резервуар с изогнутой поверхностью, обращенной к коллектору, при этом резервуар расположен в полости головки блока цилиндров и имеет отверстие, соединенное с трубчатым элементом, введенным в по меньшей мере один воздушный впускной канал.
Предпочтительно резервуар и трубчатый элемент образуют устройство, направляющее входящий воздух напрямую во впускные каналы, выполненные в головке блока цилиндров. Это устраняет необходимость в использовании сложной головке блока цилиндров и, в частности, в наличии полости в головке блока цилиндров, приспособленной для сбора и направления воздушных потоков в воздушные впускные каналы головки блока цилиндров.
В соответствии с другими особенностями изобретения резервуар окружен радиальным ободком, выполненным с возможностью плотного прилегания к соединительной стенке головки блока цилиндров.
Предпочтительно радиальный ободок обеспечивает место соединения резервуара с головкой блока цилиндров. Трубчатый элемент, соединенный с резервуаром, выполнен коническим.
Предпочтительно трубчатый элемент, соединенный с резервуаром, выполнен коническим для ускорения поступающего потока воздуха на входе в камеру сгорания.
Предпочтительно резервуар имеет отклоняющую стенку, приспособленную для направления потока воздуха к отверстию, связанному с трубчатым элементом, и его форма является оптимальной для направления входящего потока воздуха. В стенка трубчатого элемента имеет кольцевую канавку, обращенную к по меньшей мере одному воздушному каналу и приспособленную для размещения уплотнительной прокладки.
Предпочтительно трубчатый элемент снабжен уплотнительной прокладкой для предотвращения обратного протекания воздуха в полости головки блока цилиндров. Радиальный ободок резервуара имеет уплотнительный элемент, обращенный к соединительной стенке головки блока цилиндров. Уплотнительный элемент имеет выступ, проходящий вокруг кромки ободка, и уплотнительную прокладку, расположенную между радиальным ободком и соединительной стенкой головки блока цилиндров.
Предпочтительно радиальный ободок резервуара имеет уплотнительный элемент, обращенный к головке блока цилиндров. Резервуар выполнен из пластмассы.
Предпочтительно резервуар выполнен из пластмассы, что способствует снижению веса. Резервуар отделен от стенки полости головки блока цилиндров.
Предпочтительно резервуар отделен от стенки полости головки блока цилиндров, и, следовательно, объем полости превышает объем резервуара. Пространство, сформованное в головке блока цилиндров для образования упомянутой полости, может быть оптимизировано для значительного снижения веса.
Резервуар, радиальный ободок и трубчатый элемент образуют цельную деталь.
Предпочтительно, резервуар, радиальный ободок и трубчатый элемент образуют цельную деталь, что облегчает изготовление и одновременно способствует повышению её жесткости.
Воздухозаборный коллектор имеет расположенное ниже по потоку выпускное отверстие, радиально окруженное соединительным выступом, обеспечивающим плотное прилегание к радиальному ободку резервуара и соединительной стенке головки блока цилиндров.
Предпочтительно радиальный ободок приспособлен для улучшения соединения между воздухозаборным коллектором и головкой блока цилиндров.
Радиальный ободок, резервуар и трубчатый элемент являются элементами воздухозаборного коллектора.
Предпочтительно радиальный ободок, резервуар и трубчатый элемент являются элементами воздухозаборного коллектора, что способствует уменьшению количества элементов по сравнению с противопоставленным аналогом и количества операций, необходимых для сборки системы впуска воздуха.
Другие особенности и преимущества изобретения раскрыты ниже в описании конкретных примеров вариантов осуществления изобретения со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично показана система впуска воздуха, вид в продольном разрезе;
на фиг. 2 – система впуска воздуха согласно изобретению, вид сверху в разрезе;
на фиг. 3 – система впуска воздуха согласно изобретению, вид в продольном разрезе.
Осуществление изобретения
В описании одинаковые ссылочные номера позиций относятся к идентичным элементам, выполняющим одинаковые функции.
Как схематично показано на фиг. 1, автомобили могут быть оборудованы двигателем внутреннего сгорания или тепловым двигателем 100. Тепловой двигатель обычно содержит головку блока цилиндров, установленную на блоке 101 цилиндров, именуемом также блоком двигателя. Двигатель содержит также систему 10 впуска воздуха, посредством которой воздух поступает в камеры 14 сгорания двигателя из внешней среды.
Воздух захватывается с передней стороны автомобиля и проходит через впускную систему перед попаданием в камеры сгорания. Для улучшения характеристик двигателя, как известно, увеличивают давление поступающих газов и повышают степень заполнения цилиндров двигателя топливно-воздушной смесью. Это увеличивает удельную мощность и мощность двигателя при одновременном снижении расхода топлива двигателем. Ступень сжатия поступающего воздуха размещена между воздушным фильтром и двигателем. Эта ступень сжатия образована или сжимающей частью турбокомпрессора или электрическим компрессором. На фиг. 1 показан соединительный раструб 102, размещенный выше по потоку, между ступенью сжатия (не показано) и системой впуска воздуха.
Сжатый воздух находится при высокой температуре, и его массовая плотность уменьшена, что оказывает негативное влияние на характеристики двигателя. Поэтому эффективным решением является добавление ступени охлаждения воздуха ниже по потоку относительно компрессора. Ступень охлаждения может представлять собой охлаждающее устройство 16 и, в частности, воздушный/водяной теплообменник. Вода с умеренной температурой протекает через этот теплообменник и забирает некоторое количество теплоты от сжатого воздуха.
Затем воздух направляется в воздухозаборный коллектор 17 для регулирования расхода воздуха, подводимого в камеры сгорания 14. Коллектор с помощью фланца 104 прикреплен к соединительной стенке 20 головки блока цилиндров двигателя и направляет сжатый охлажденный воздух в воздушные впускные каналы 12, выполненные в головке блока цилиндров. Указанные воздушные впускные каналы имеют определенную форму и профиль, в зависимости от типа двигателя, например, дизельного двигателя или двигателя с искровым зажиганием.
Система 10 впуска воздуха размещена между компрессором (не показан) и двигателем 100, содержащем блок 101 цилиндров, на котором установлена головка 11 блока цилиндров. Цилиндры 103, содержащие поршни, размещены внутри блока цилиндров. Указанные поршни скользят в цилиндрах, совершая возвратно-поступательные перемещения вдоль оси цилиндра.
Для каждого из цилиндров выполнена камера сгорания, образованная цилиндром, поршнем и нижней стенкой 13 головки блока цилиндров. Воздушные впускные каналы 12, отверстия которых для каждой камеры 14 сгорания блокируются регулирующими клапанами 15, открываются в указанной нижней стенке головки блока цилиндров.
Как показано на фиг. 1-3, охладитель 16 и воздухозаборный коллектор 17 образуют единую деталь 19. Охладитель называется также воздушно-водяным охладителем (WCAC). Коллектор отделен от входа во воздушные впускные каналы 12 головки блока цилиндров по существу ресивером 18 или резервной воздушной камерой. В этом изобретении коллектор расположен ниже по потоку относительно теплообменника и имеет с ним общий корпус. Указанный корпус прикреплен непосредственно к соединительной стенке головки блока цилиндров. Указанная соединительная стенка 20 расположена в одной плоскости и имеет наклон относительно горизонтальной плоскости, представленной, например, соединительной плоскостью 21, расположенной между головкой блока цилиндров и блоком цилиндров. Упомянутый наклон облегчает установку охладителя и повышает надежность и эффективность технического обслуживания.
Приведенное ниже описание для облегчения понимания идеи изобретения относится к одному цилиндру, но двигатель в соответствии с изобретением, содержит, по меньшей мере, один цилиндр.
В соответствии с вариантом выполнения, показанном на двух фигурах, головка 11 блока цилиндров имеет полость 22, в которую входит основной воздушный впускной канал 23. От основного канала проходит по два вспомогательных канала 24, которые подводят поступающий воздух в камеру сгорания в двух различных направлениях для получения желаемого эффекта завихрения или перемешивания в зависимости от типа двигателя (дизельный или бензиновый).
Полость 22 получена путем литья, и состояние поверхности стенки полости не имеет большого значения. Предпочтительно образующая полость выемка в головке блока цилиндров выполнена настолько большой, насколько это возможно, учитывая при этом механическую прочность головки цилиндров вокруг отверстия основного впускного канала 23.
В полости расположен резервуар 25. Указанный резервуар имеет форму чаши и кривизну, ориентированную к внешней поверхности двигателя и к воздухозаборному коллектору при размещении коллектора напротив соединительной стенки головки блока цилиндров.
Резервуар 25 имеет отверстие 30, соединенное с по существу трубчатым элементом 26. Указанный трубчатый элемент позволяет направить входящий воздух напрямую в основной впускной канал 23 головки 11 блока цилиндров. Указанный трубчатый элемент выполнен по существу коническим с уменьшением проходного сечения в направлении от конца 25, находящегося выше по потоку, к концу 28, расположенному ниже по потоку, для ускорения входящего потока. Наружный участок расположенного ниже по потоку конца 28 трубчатого элемента по существу соответствует площади сечения основного канала 23 в пределах допусков посадки при сборке.
Предпочтительно расположенный ниже по потоку конец трубчатого элемента охвачен уплотнительным элементом, установленным между находящимся ниже по потоку концом 28 трубчатого элемента 26 и основным впускным каналом 23 головки блока цилиндров, для предотвращения обратного протекания воздуха к полости 22 головки блока цилиндра. Этот элемент может представлять собой уплотнительную кромку. Предпочтительно и согласно варианту выполнения, показанном на фиг. 2, этот уплотнительный элемент представляет собой кольцевое уплотнение 29, расположенное в кольцеобразной канавке (не показано), обращенную к стенке основного канала 23 головки блока цилиндров и охватывающую расположенный ниже по потоку конец 28 трубчатого элемента. Кольцевое уплотнение 29 выполнено из эластомера и имеет упругие и амортизирующие демпфирующие свойства.
Резервуар 25 содержит отклоняющую стенку 31, которая приспособлена для направления входящего воздуха к отверстию 30, соединенному с трубчатым элементом 26. Отклоняющая стенка 31, показанная на фиг. 3, выполнена, например, плоской и наклонена относительно горизонтальной плоскости 21 для направления входящего воздуха к нижней части резервуара, в которой расположено отверстие 30, после установки резервуара на головке блока цилиндров.
Резервуар 25 окружен ободком 32 или бортиком, проходящим радиально и приспособленным для плотного прилегания к соединительной стенке 20 головки 11 блока цилиндров. Указанный ободок 32 расположен в опорной плоскости 34.
Предпочтительно объем, ограниченный резервуаром 25 и опорной плоскостью 34 меньше объема, ограниченного полостью 22 и плоскостью соединительной стенки 20 головки блока цилиндров. Соответственно, после установки резервуара на головке блока цилиндров стенка резервуара 25 отделена от стенки полости 22 головки блока цилиндров. Это также облегчает операцию монтажа резервуара с трубчатым элементом в головке 11 блока цилиндров.
Предпочтительно соединительный ободок снабжен уплотнительным элементом, расположенным напротив соединительной стенки 20 головки блока цилиндров. Указанный уплотнительный элемент имеет выступ, проходящий вокруг кромки указанного ободка, и уплотнительную прокладку, размещенную между ободком и плоскостью соединительной стенки 20 головки блока цилиндров.
Предпочтительно соединительный ободок приспособлен для сопряжения с периметром воздухозаборного коллектора. Следует отметить, что воздухозаборный коллектор 17 содержит расположенное ниже по потоку воздушное выходное отверстие, окруженное соединительным выступом 33, который обеспечивает плотное прилегание к соединительному ободку 32 и соединительной стенке 20 головки 11 блока цилиндров. Упомянутый соединительный ободок расположен между воздухозаборным коллектором 17 и соединительной стенкой 20 головки 11 блока цилиндров. Уплотнительный элемент также размещен между соединительным ободком 32 и соединительным выступом 33 коллектора. Указанный уплотнительный элемент имеет выступ, проходящий вокруг кромки ободка, и уплотнительную прокладку, размещенную между ободком и соединительным выступом 33 коллектора.
Предпочтительно три элемента (соединительный ободок 32, резервуар 25 и трубчатый элемент 26) выполнены в виде единой детали, полученной литьем пластмассы, образующей промежуточную деталь 35 между коллектором 17 и головкой 11 блока цилиндров, в результате чего уменьшается вес и упрощается изготовление головки блока цилиндров.
Установка промежуточной детали включает в себя следующие этапы:
– размещение кольцевого уплотнения 29 в канавке вокруг расположенного ниже по потоку конца трубчатого элемента,
– возможное размещение уплотнительной прокладки на ободке упомянутой промежуточной детали,
– введение трубчатого элемента в основной канал 23,
– введение резервуара 25 в полость 22 головки блока цилиндров перед введением соединительного ободка 32 в плотный контакт с соединительной стенкой 20 головки блока цилиндров,
– размещение воздухозаборного коллектора перед упомянутой промежуточной деталью, при этом расположенное ниже по потоку выходное отверстие воздухозаборного коллектора обращено к резервуару 25,
– крепление воздухозаборного коллектора к головке блока цилиндров, при этом соединительный выступ 33 коллектора плотно прилегает к кромке промежуточной детали 35.
После осуществления сборки промежуточная деталь 35 направляет входящий поток воздуха, поступающего из коллектора 17, напрямую в основной канал 23 головки блока цилиндров. Кольцевое уплотнение 29, во-первых, предотвращает обратное протекание воздуха в полость 22 головки блока цилиндров, а, во-вторых, поглощает вибрации, обусловленные движением воздуха.
В результате достигается поставленная цель, а именно, за счет использования промежуточной детали 35 упрощается изготовление и снижается вес головки 11 блока цилиндров.
Понятно, что изобретение не ограничивается только примерами, приведенными выше лишь в целях иллюстрации, но включает все возможные варианты.