Устройство завихрения воздуха для двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к области машиностроения, а именно, к двигателестроению, может быть использовано в системах впуска двигателей внутреннего сгорания.
Из уровня техники известна впускная система с регулируемым вихреобразованием для автомобильного двигателя с распределенным впрыскиванием топлива (патент RU на изобретение №2180702, опубликовано: 20.03.2002 г., МПК: F02B 31/08, F02M 31/13). Впускная система 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, 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.
К недостаткам данного устройства можно отнести сложность конструкции и технологии изготовления, а также невысокий уровень закрутки воздушного потока, недостаточную интенсивность смесеобразования, что не позволяет обеспечить существенное повышение экономии топлива, повышение мощности и других показателей автомобильных бензиновых двигателей.
Известна система впуска двигателя внутреннего сгорания (Авторское свидетельство №1199964, опубликовано: 23.12.1985 г., МПК: F02B 31/06, F02F 1/42), содержащая впускной патрубок, расположенный в головке цилиндра, впускной клапан, установленный во впускном патрубке, впускной коллектор, подсоединенный через выходной участок к впускному патрубку, и поворотную дроссельную заслонку, установленную на оси, параллельной оси впускного клапана, отличающаяся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования интенсивности закрутки потока воздуха, впускной коллектор снабжен поворотным участком с внешним и внутренним радиусами закругления, ось поворотного участка расположена в плоскости, перпендикулярной оси впускного клапана, а дроссельная заслонка установлена в выходном участке впускного коллектора, причем плоскость поворотной заслонки оси в ее положении полного прикрытия направлена по касательной к окружности внешнего радиуса закругления.
Наиболее близким по конструкции к прелагаемому техническому решению является устройство завихрения текучей среды для двигателя внутреннего сгорания (Патент SU №2294441, опубликовано: 27.02.2007 г., МПК: F02B 31/00, F02M 29/04), которое выбрано в качестве прототипа. Устройство для завихрения воздуха, поступающего в двигатель внутреннего сгорания, содержит корпус для установки в канале впуска воздуха двигателя внутреннего сгорания, множество первичных лопастей, расположенных в пределах указанного корпуса и закрепленных за их окончания в стенках указанного корпуса, а также множество вторичных лопастей, расположенных, в пределах указанного корпуса и закрепленных за их окончания в стенках указанного корпуса. При этом указанное множество первичных лопастей включает в себя набор пар первичных лопастей и набор соединительных элементов полуцилиндрической формы, формирующих пары лопастей. К недостаткам данного устройства можно отнести сложность изготовления лопаток, имеющих сложную форму трехмерной модели, деформированную в трех плоскостях, и недостаточную эффективность работы при образовании завихрения при работе на определенной частоте вращения двигателя.
Техническая проблема, решаемая созданием заявленной полезной модели, заключается в обеспечении экономии топлива, повышении эксплуатационных качеств двигателя транспортного средства.
Технический результат полезной модели выражается в упрощении конструкции устройства завихрения воздуха в канале впуска воздуха двигателя внутреннего сгорания, улучшении смесеобразования для повышения основных показателей двигателя.
Технический результат достигается тем, что устройство завихрения воздуха для двигателя внутреннего сгорания, устанавливаемое в канале впуска воздуха двигателя внутреннего сгорания; содержит множество лопастей, соединительные элементы, формирующие пары лопастей. При этом оно отличается от прототипа тем, что дополнительно включает верхнее основание и нижнее основание, выполненные в форме колец одинакового диаметра, при этом лопасти установлены по касательной к внутреннему отверстию верхнего и нижнего оснований с открытыми промежутками на полную длину в продольной боковой части с возможностью образования цилиндрической формы и жестко закреплены нижними торцевыми поверхностями на нижнем основании, а верхними торцевыми поверхностями - на верхнем основании, причем соседние лопасти попарно соединены между собой посредством горизонтальных соединительных элементов треугольной формы, размещенных по винтовой линии снизу вверх по внешнему периметру установленных лопастей.
Сущность полезной модели поясняется рисунками Фиг. 1 - Фиг. 9, на которых изображено следующее:
Фиг. 1 - общий вид устройства завихрения воздуха для двигателя внутреннего сгорания;
Фиг. 2 - вид сверху устройства завихрения воздуха для двигателя внутреннего сгорания;
Фиг. 3 - верхнее основание устройства завихрения воздуха для двигателя внутреннего сгорания;
Фиг. 4 - вид сверху без верхнего основания устройства завихрения воздуха для двигателя внутреннего сгорания;
Фиг. 5 - продольный разрез устройства завихрения воздуха для двигателя внутреннего сгорания;
Фиг. 6 - вид с боку устройства завихрения воздуха для двигателя внутреннего сгорания;
Фиг. 7 - способ установки устройства завихрения воздуха для двигателя внутреннего сгорания в воздушный фильтр цилиндрического типа;
Фиг. 8 - вид устройства завихрения воздуха для двигателя внутреннего сгорания, установленного в воздушном фильтре автомобиля;
Фиг. 9 - таблица параметров устройства завихрения воздуха для двигателя внутреннего сгорания.
Устройство завихрения воздуха для двигателя внутреннего сгорания включает следующие конструктивные элементы:
1 - лопасти,
2 - верхнее основание,
3 - нижнее основание,
4 - внутренние отверстия верхнего и нижнего оснований,
5 - нижние торцевые поверхности лопастей,
6 - верхние торцевые поверхности лопастей,
7 - соединительные элементы,
8 - открытые промежутки между лопастями,
9 - воздушный фильтр.
Устройство завихрения воздуха для двигателя внутреннего сгорания (Фиг. 1 - Фиг. 6), устанавливаемое в канале впуска воздуха двигателя внутреннего сгорания, содержит множество лопастей 1, верхнее основание 2 и соразмерное ему нижнее основание 3, выполненные в форме колец. При этом лопасти 1 выполнены в виде пластин прямоугольной формы и установлены по касательной к внутренним отверстиям 4 верхнего 2 и нижнего 3 оснований. Лопасти 1 жестко закреплены нижними торцевыми поверхностями 5 на нижнем основании 3, а верхними торцевыми поверхностями 6 - на верхнем основании 2. Соседние лопасти 1 попарно соединены между собой посредством горизонтальных соединительных элементов 7 треугольной формы. Соединительные элементы 7 размещены по винтовой линии снизу вверх. Лопасти 1 установлены с открытыми промежутками 8 на полную длину в продольной боковой части и образуют цилиндрическую форму по внешнему и внутреннему периметрам с установленными лопастями 1.
Верхнее основание 2 и нижнее основание 3 выполнены из неметаллического материала (например, оргстекло). Между основаниями 2, 3 вертикально установлены и закреплены лопасти 1, выполненные в виде пластин прямоугольной формы. Лопасти 1 установлены по касательной, проходящей через внутренние отверстия 4 верхнего 2 и нижнего 3 оснований. Угол расположения лопастей 1 рассчитывается в зависимости от типа двигателя, в котором применяется данное устройство, и от высоты воздушного фильтра 9, в который устанавливается данное устройство. Помимо лопастей 1 по восходящей спирали от нижнего основания 3 к верхнему основанию 2, между парами соседних лопастей 1 устанавливают горизонтальные вспомогательные элементы 7 треугольной формы, образующие восходящий поток. Вспомогательные элементы 7 повышают жесткость конструкции, устраняют возникающие вибрации, и поднимают завихренный воздушный поток в направлении впускного патрубка двигателя. Количество полных оборотов спирали вспомогательных элементов 7, опоясывающих периметр устройства завихрения, зависит от типа двигателя и поставленной задачи работы данного устройства. Устройство завихрения воздуха для двигателя внутреннего сгорания может иметь как левое вращение, так и правое, в зависимости от типа впускного коллектора двигателя, в котором оно устанавливается. Все элементы данного устройства, имеющие простую геометрическую форму, изготовлены из неметаллических токонепроводящих материалов (текстолит, оргстекло), что позволяет избежать поверхностной ионизации воздуха от металлических поверхностей и не растерять накопленный вследствие вращения в молекулах заряд раньше, чем образуется бензиновоздушная смесь, или ранее, чем смесь попадет в цилиндр (изготовленные из пластмассы впускные коллекторы доказали свое преимущество в сравнении с металлическими). Крепление лопастей 1 к верхнему 2 и нижнему 3 основаниям, а также крепление горизонтальных спиралеобразующих всмомогательных элементов 7 производится путем сварки, пайки, или клеевого соединения, на материалы устойчивые к воздействию масла, бензина, и повышенных вибрационных и температурных нагрузок.
Устройство завихрения воздуха для двигателя внутреннего сгорания устанавливается внутри фильтра автомобиля (Фиг. 7 - Фиг. 8) и работает следующим образом. Воздух, всасываемый в двигатель внутреннего сгорания, проходит через первичные лопасти 1, расположенные под определенным углом относительно друг друга. Угол установки первичных лопастей 1 рассчитывается математически для обеспечения оптимального режима работы на определенных частотах двигателя. Например, для того, чтобы получить прирост тяги при частоте вращения 2000 оборотов в минуту, зная объем двигателя и скорость движения воздуха, рассчитывают ширину открытых промежутков в продольной боковой части между первичными лопастями 1. Соответственно, при частоте вращения 2000 оборотов в минуту двигатель будет получать идеально подготовленный воздух. На других частотах прирост тяги и мощности конечно будет, но значительно меньше. Если устройство рассчитано на работу при частоте вращения 2000 оборотов в минуту, то оно и будет работать идеально только при данной частоте. Принцип работы данного устройства основан на преобразовании Броуновского движения частиц воздуха в организованное и направленное движение, за счет естественного направления движения частиц в общий поток. При этом отклонения и хаотичное поведение частиц сводятся к минимуму. Частица перестает тратить свою энергию на перемещение поперечно потоку, и эта сила ускоряет продольное движение частиц, то есть, поперечные боковые хаотичные силы преобразуются в продольные, ускоряя тем самым поток воздуха. Организованное Броуновское движение высвобождает дополнительную энергию, которая направляется в нужное русло, а сдерживание этой энергии осуществляется теми же молекулами и частицами за счет их направленного движения.
Таким образом, за счет снижения сопротивления на впуске создаются благоприятные условия для прохода в двигатель внутреннего сгорания большего количества воздуха. Чем больше воздуха вводится в двигатель внутреннего сгорания, тем выше будет показатель его мощности. Снижение сопротивления на впуске обеспечивается искусственно созданным вихревым потоком воздуха, который, набрав скорость, «вкручивается» в отверстие забора воздуха (подобно смерчу).
Устройство завихрения воздуха для двигателя внутреннего сгорания имеет простую конструкцию и технологию изготовления, в отличие от прототипа, оно не только лучше смешивает бензиновоздушную смесь, но и организует ее, позволяя быстрее проходить через отверстие впускной системы. Повышая тем самым количество горючей смеси, поступившей в цилиндр, соответсвенно, повышая мощность и крутящий момент двигателя.
Для подтверждения расчетных параметров были проведены экспериментальные работы. Сравнение параметров до проведения эксперимента и после проведения эксперимента отражено в таблице на Фиг. 9.
Для проведения экспериментальных работ необходимо было выполнить ряд требований, в частности, автомобиль должен быть полностью исправным, желательно без проведения предварительных ремонтов, прошедший стадию обкатки согласно инструкции завода изготовителя, не имеющий отклонений в заявленных характеристиках, и не подверженный работе с перегрузом транспортного средства или движения в тяжелых условиях. Наличие на автомобиле электронного блока управления (ЭБУ) двигателем с достаточно широким и адаптивным к небольшим изменениям исходных параметров «коридором» работы ЭБУ. Предпочтительно система с распределенным впрыском топлива. Для снятия параметров во впускном коллекторе - необходимость наличия датчика абсолютного давления (ДАД) во впускной системе и возможность беспрепятственного считывания данных с датчика при помощи диагностического оборудования серийно выпускаемого и доступного обычным пользователям.
К двигателю внутреннего сгорания предъявлялись требования по скоростям воздушных потоков на впуске, приближенные к характеристикам распространенных двигателей серии Д-240/245. Для эксперимента был выбран автомобиль ГАЗ-22177-245 «Соболь» 4×4, как наиболее удовлетворяющий вышеуказанным требованиям, оснащенный двигателем УМЗ-42164, соответствующим экологическому стандарту Евро-4.
Также предъявлялись жесткие требования к оборудованию для считывания показателей работы двигателя, для чего после ряда поисков был выбран бортовой компьютер Мультитроникс модели ТС 750, который позволяет с высокой точностью отслеживать изменения расхода топлива или длительности впрыска. При изменении выводится предупреждение и числовое значение ухудшения/улучшения качества топлива (в процентах к эталону).
В процессе эксперимента отслеживались показатели первого датчика кислорода в выпускном коллекторе, и датчика абсолютного давления (ДАД) на впуске, а также время впрыска форсунок, мгновенный расход топлива на холостом ходу, мгновенный расход топлива на сто километров пробега, итоговый расход топлива за поездку, пробег за поездку, количество потраченного топлива за поездку.
Параллельно с установкой бортового компьютера были использованы альтернативные способы измерений, основанные на простоте, и как следствие, гарантированности проверки данных, а именно: с автомобиля было полностью слито топливо через сливную пробку на бензобаке (остатки топлива в топливопроводе незначительны), и изготовлена мерная линейка, для измерения уровня топлива через отверстие залива топлива (горловину бака), с целью определения объема израсходованного топлива за поездку и проверкой данного параметра после повторного опустошения бака в конце эксперимента. Таким образом, мы получаем три параметра расхода топлива. Таким образом обеспечивается возможность определения расхода топлива, измеряемого механически (мерной линейкой), расхода топлива по остатку в баке (при сливе объема топлива из бака в мерную емкость) и расхода топлива на дисплее бортового компьютера, который считывает параметр исходя из времени впрыска топлива, и подсчитывает потраченное топливо на фиксированный пробег. Сопоставление данных в конце эксперимента позволит с достаточной точностью или подтвердить или опровергнуть предполагаемые результаты эксперимента. Предварительно за 30 дней до проведения эксперимента за испытуемым автомобилем был обеспечен повышенный контроль и запись средних параметров. Затем был математически рассчитан и изготовлен опытный образец устройства с вращением потока воздуха против часовой стрелки в размер штатного воздушного фильтра 9 автомобиля. Функциональность фильтра при этом нарушена не была, и система фильтрации осталась работоспособна, то есть не была удалена. Устройство монтировалось в штатный фильтр 9 путем вставки его в цилиндрическую внутреннюю полость фильтрующего элемента, и соответственно закреплено в нем. Исключая возможность обхода потоком воздушных масс устройства завихрения воздуха. Перед первым запуском на 1 час была отключена аккумуляторная батарея, с целью лучшей адаптации блока ЭБУ к возможным изменениям в среде воздушного потока. Автомобиль эксплуатировался 30 дней в штатном режиме с опытным установленным устройством. По прошествии 30 дней, перед проведением контрольного расхода топлива были сняты параметры давления во впускном коллекторе, и показания первого датчика кислорода, установленного перед катализатором.
Также проводились практические испытания на определение экономии топлива. Для этого предварительно был оттарирован бак, с градацией в 500 миллилитров до 5 литров топлива и с градацией в 1000 миллилитров - после первых 5 литров топлива.
Схема тарировки бака состояла в предварительном опустошении бака, и последующем градиентном заполнении с измерением путем опускания металлического щупа с делениями под углом до дна бака. Технологическая неровность дна бака ограничивала ход мерного щупа при каждом измерении в одной и той же точке. Во избежание деформации щупа он опускался до конкретной величины, выставленной вровень с горловиной бака. Таким образом исключается возможность ошибочного' измерения уровня топлива.
Первые 5 литров замерялись каждые 500 мл., с нанесением на мерный щуп насечек в соответствии с действительным уровнем топлива, заправка последующих 20 литров топлива измерялась каждые 1000 мл, в соответствии с уровнем на мерный щуп были нанесены соответствующие метки. Итого в бак через измерительные приборы было залито 25 литров топлива АИ-92. Также была измерена температура топлива, с целью пересчета расширения топлива после пробега, во избежание неточностей при измерениях топлива в единицах объема. Температура топлива на момент нахождения в баке составляла 20 градусов по Цельсию. И измерялась путем погружения термопары мультитметра в бак с топливом.
Контрольный заезд состоялся по федеральной трассе М5 «Урал». Суммарный пробег за испытания составил 135 километров. Средняя скорость составила 86 км/час. Движение автомобиля было затруднено периодическими обгонами попутного транспорта, сопровождающимися возрастанием скорости до 110 км/час, то есть режим движения был сильно далек от идеального и равномерного. При этом расход топлива по показаниям бортового компьютера составил 11,1 л/100 км. Что наглядно подтверждает успешную работу опытного устройства вихревого действия. В сравнении со стандартным расходом топлива в 13,75 л/100 км экономия топлива составила 15%. Причем как водителем, так и сопровождающими лицами отмечен более ровный звук работы двигателя на холостом ходу, возросшая динамика, отсутствие неравномерности и сбоев двигателя.
Измерение мерным щупом объема топлива в баке показало примерно расход на 135 км пути израсходовано 15 литров топлива. По сливу остатка из бака данная величина подтвердилась. Температура топлива по завершению эксперимента составляла 38 градусов по Цельсию.
К положительным результатам испытаний устройства можно отнести параметр экономии топлива, который составляет 15%, повышение давления во впускном коллекторе составляет 18%, и повышение экологичности транспортного средства, судя по показаниям первого датчика кислорода и снижению его напряжения на 16,4%. Работу, проведенную по подготовке эксперимента и созданию опытного образца можно считать не напрасной. Ведь вышеуказанные параметры получены на серийном автомобиле без вмешательства в программу управления двигателем, в имеющихся «коридорах» управления параметрами двигателя. Официальное заключение регионального дилера завода ГАЗ о серийности и подлинности испытуемого автомобиля было получено после предъявления авто до и Уже по первичному эксперименту явно заметно что давление во впускном коллекторе возросло с 0,32 до 0,38 кПа, что в пересчете в проценты составляет повышение давления на впуске на 18,7%. Падение значения первого датчика кислорода - это следствие более полного сгорания топлива, и повышенной экологичности двигателя, так как чем ниже значение датчика кислорода, тем чище выхлопные газы на выходе из двигателя. Падение напряжения составило с 0,85 В до 0,71 В, что в пересчете в проценты составляет снижение на 16,4%.