Устройство подготовки и подачи воздуха в двигатель внутреннего сгорания.

Полезная модель относится к двигателям внутреннего сгорания.
Известен аналог - устройство для запасания сжатого воздуха и вдувания в двигатель внутреннего сгорания - патент США US 2011041496, 24.02.2011, включающее турбокомпрессор, накопитель для хранения сжатого воздуха, клапан для соединения накопителя для хранения сжатого воздуха с впускным коллектором двигателя внутреннего сгорания для вдувания запасенного сжатого воздуха в момент резкого нажатия на педаль газа.
Недостатком аналога является низкая точность дозирования подачи сжатого воздуха в цилиндры двигателя внутреннего сгорания, обусловленная тем, что его вдувание осуществляется сначала во впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания. При вдувании воздуха во впускной коллектор происходит скачкообразное расширение воздушного потока в коллекторе с потерей энергии, после чего воздух распространяется по всему коллектору. На давление воздуха в разных точках коллектора оказывает влияние геометрия коллектора и процесс открытия и закрытия впускных клапанов, выпускающих воздух из коллектора в цилиндры двигателя внутреннего сгорания, поэтому, при протекании воздуха через коллектор, его давление в разных точках коллектора отличается. Расход воздуха в цилиндры двигателя внутреннего сгорания зависит от давления перед клапанами в коллекторе. Поэтому описанное в аналоге устройство не позволяет обеспечить высокую точность дозирования подачи воздуха в каждый цилиндр двигателя внутреннего сгорания.
Известен аналог - устройство увеличения вращающего момента поршневой машины внутреннего сгорания, в частности двигателя в дизельном исполнении - изобретение, патент РФ №2382888, F02B 29/00, 10.11.2008, включающий, по меньшей мере, один цилиндр, одну турбину, один компрессор, один воздушный компрессор, один накопитель, один охладитель наддувочного воздуха, одну воздушную сушилку и одно управляющее устройство, причем трубопровод для вдувания воздуха соединен с впускным каналом в головке цилиндра двигателя.
Недостатком аналога является низкая эффективность работы дизельного двигателя, обусловленная низкой точностью дозирования сжатого воздуха при подаче в каждый цилиндр двигателя внутреннего сгорания, выраженная в неравномерном распределении воздуха между цилиндрами двигателя внутреннего сгорания. Причины неравномерного распределения воздуха между цилиндрами перечислены при описании недостатков аналогов по патенту US 2011041496.
Также известно устройство подготовки и подачи воздуха в двигатель внутреннего сгорания - патент США US 20120240909, 25.03.2011, выбранное в качестве прототипа предлагаемого устройства, содержащее компрессор для сжатия воздуха, накопитель сжатого воздуха, как минимум один инжектор для вдувания воздуха в цилиндр двигателя внутреннего сгорания.
Недостатком прототипа является низкое качество подготовки вдуваемого в цилиндр двигателя воздуха: отсутствие предварительной очистки, очистки после сжатия, не оптимальная температура и малый диапазон давлений подаваемого в цилиндр воздуха, что приводит к низкой эффективности работы двигателя внутреннего сгорания.
Технической задачей полезной модели является повышение качества подготовки и подачи воздуха в цилиндр двигателя внутреннего сгорания.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в осуществлении подачи воздуха оптимальной температуры, без примесей, снижающих качество воспламенения топливно-воздушной смеси, с оптимальным расходом непосредственно в цилиндр двигателя внутреннего сгорания через инжектор.
Решение технической задачи в устройстве подготовки и подачи воздуха в двигатель внутреннего сгорания, содержащем компрессор для сжатия воздуха, накопитель сжатого воздуха, как минимум один инжектор для вдувания воздуха в цилиндр двигателя внутреннего сгорания, достигается тем, что устройство содержит фильтр очистки воздуха, расположенный на входе в компрессор, устройство для отделения масла и влаги от воздуха, расположенное на выходе из компрессора и связанное с накопителем сжатого воздуха, устройство для редуцирования давления воздуха, теплообменник для охлаждения воздуха, и подогреватель воздуха, расположенные между накопителем сжатого воздуха и инжектором.
Накопитель сжатого воздуха может быть выполнен с предохранительным клапаном для выпуска воздуха из накопителя при достижении давления воздуха предельно допустимого значения.
На фиг. 1 изображено устройство подготовки и подачи воздуха в двигатель внутреннего сгорания.
На фиг. 2 представлен алгоритм работы электронного блока управления.
Устройство подготовки и подачи воздуха в двигатель внутреннего сгорания содержит компрессор 1 для сжатия воздуха, накопитель 2 сжатого воздуха, инжектор 3 для вдувания воздуха в цилиндр 4 двигателя внутреннего сгорания, фильтр 5 очистки воздуха, расположенный на входе в компрессор 1, устройство 6 для отделения масла и влаги от воздуха, расположенное на выходе из компрессора 1 и связанное с накопителем 2 сжатого воздуха, устройство 7 для редуцирования давления воздуха, теплообменник 8 для охлаждения воздуха, и подогреватель 9 воздуха, расположенные между накопителем 2 сжатого воздуха и инжектором 3, причем устройство 7 для редуцирования давления воздуха и инжектор 3 связаны с электронным блоком управления 10. На фиг. 1 показан инжектор 3, расположенный в двигателе внутреннего сгорания. На фиг. 1 показаны соединения электронного блока управления 10 с датчиками положения распредвала двигателя, положения коленвала двигателя, температуры охлаждающей жидкости, температуры топлива, давления атмосферного воздуха, положения педали газа, массового расхода воздуха, давления топлива.
Накопитель 2 сжатого воздуха может быть выполнен с предохранительным клапаном 11 для выпуска воздуха из накопителя 2 при достижении давления воздуха предельно допустимого значения.
2
2
2
2
2
2
2
Рассмотрим пример конкретной реализации устройства подготовки и подачи воздуха в двигатель внутреннего сгорания и его работу на грузовом автомобиле КамА3-740 с двигателем мощностью 210 л.с. Для запасания воздуха он сжимается до давления 200 кг/см с помощью поршневого компрессора 1 для сжатия воздуха, имеющего ременный привод от двигателя внутреннего сгорания и закачивается в накопитель 2 сжатого воздуха объемом 100 л, выполненный из углепластика. Дополнительно к описываемой в предлагаемом техническом решении функции, сжатый воздух из накопителя 2 сжатого воздуха может быть использован в качестве рабочего тела в тормозной системе автомобиля КАМА3-740. Для этого может быть использован редукционный клапан (на чертеже не показан), снижающий давление воздуха до давления 8 кГс/см, на которое рассчитан тормозной контур автомобиля. В компрессор 1 для сжатия воздуха воздух поступает из атмосферы, поэтому на входе в компрессор 1 для сжатия воздуха он очищается фильтром 5 очистки воздуха, установленным на впускном отверстии компрессора 1 для сжатия воздуха, для предотвращения попадания этих частиц в цилиндр 4 двигателя внутреннего сгорания, так как это приведет к преждевременному износу поршневых колец и цилиндра двигателя. Частицы масла, попавшие в воздух из-за не идеального уплотнения или износа поршневых колец компрессора 1 для сжатия воздуха, а также атмосферная влага, улавливаются устройством 6 для отделения масла и влаги от воздуха, находящимся на выходе из компрессора 1 для сжатия воздуха. Принцип работы устройства 6 для отделения масла и влаги от воздуха основан на пропускании воздуха через адсорбер влаги в виде силикогеля, помещенного в сосуд. Редуцирование сжатого воздуха перед вдуванием в цилиндр 4 двигателя внутреннего сгорания осуществляют для получения оптимального для конкретного режима работы двигателя внутреннего сгорания давления подаваемого воздуха. В штатном режиме работы в цилиндр 4 двигателя внутреннего сгорания подают воздух под рабочим давлением, которое варьируется в диапазоне значений до 5 кГс/см, в зависимости от режима работы двигателя. Например для осуществления резкого ускорения двигателя подают воздух под давлением 5 кГс/см. Для осуществления запуска двигателя воздух подают под давлением 15 кГс/см. При этом давление на выходе из устройства 7 для редуцирования давления воздуха равно 30 кГс/см, так как потери давления при прохождении воздуха равны 50%. Устройство 7 для редуцирования давления воздуха представляет из себя газовый редуктор с дистанционным электрическим приводом. Управление приводом устройства 7 для редуцирования давления воздуха осуществляется от электронного блока управления 10. При сжатии компрессором 1 для сжатия воздуха воздух нагревается до 150-200 градусов Цельсия, что снижает его плотность по сравнению с более холодным воздухом, находящимся под таким же давлением. Для увеличения массы воздуха, вдуваемого в цилиндр 4 двигателя внутреннего сгорания при заданном давлении его необходимо охладить. Для охлаждения воздуха используется теплообменник 8 для охлаждения воздуха, проходя через который воздух охлаждается до температуры ниже 100 градусов Цельсия. Теплообменник 8 для охлаждения воздуха охлаждается атмосферным воздухом, выполнен из алюминиевых трубок и пластин и располагается в районе воздухозаборника автомобиля. При эксплуатации автомобиля в условиях холодного климата до разогрева двигателя до штатной температуры применяется подогреватель 9 воздуха. Он предназначен для нагрева воздуха до плюсовой по Цельсию температуры, которая обеспечивает оптимальное образование топливной смеси в цилиндре 4 двигателя внутреннего сгорания. Подогреватель 9 воздуха выполнен в виде трубки, обогреваемой электрическим сопротивлением. Электрическая энергия для этого при работающем двигателе подводится от генератора автомобиля, а до запуска двигателя от аккумулятора. Подогреватель 9 включается по сигналу от электронного блока управления 10. Транспортировка воздуха между перечисленными устройствами осуществляется через трубопровод. Накопитель 2 сжатого воздуха может быть выполнен с предохранительным клапаном 11 для выпуска воздуха, выполненным в виде шарика, прижатого пружиной к седлу с усилием, которое преодолевается напором воздуха в накопителе 2 сжатого воздуха, когда давление воздуха в нем превышает 200 кГс/см. Это предотвращает превышение давление воздуха в накопителе 2 сжатого воздуха с целью исключить его разрушение. Электронный блок управления 10 представляет из себя микроконтроллер, который получает входные данные, характеризующие режим работы двигателя, с датчиков положения распредвала двигателя, положения коленвала двигателя, температуры охлаждающей жидкости, температуры топлива, давления атмосферного воздуха, положения педали газа, массового расхода воздуха, давления топлива.
По заданной программе управления двигателем, алгоритм части которой приведен на фиг. 2, микроконтроллер производит вычисления с использованием в качестве переменных входные данные, полученные с датчиков, и выдает управляющие сигналы на коммутаторы электроприводов инжектора 3 для вдувания воздуха в цилиндр 4 и устройства 7 для редуцирования давления воздуха.
2
2
2
2
Рассмотрим устройство подготовки и подачи воздуха в двигатель внутреннего сгорания в работе. Перед запуском двигателя внутреннего сгорания в накопителе 2 сжатого воздуха находится воздух под давлением 200 кГс/см, запасенный с предыдущего сеанса работы двигателя. При повороте ключа зажигания происходит подача воздуха из накопителя 2 сжатого воздуха в цилиндр 4 двигателя внутреннего сгорания под давлением 15 кГс/см, благодаря тому, что устройство редуцирования получает сигнал от электронного блока управления 10 на редуцирование воздуха до этого давления при запуске двигателя. Это приводит поршень и весь кривошипно-шатунный механизм в движение. Далее, синхронизированно, с определенным отставанием, запускаются рабочие такты двигателя, такие как выпуск воздуха из цилиндра 4 двигателя внутреннего сгорания, вдувание воздуха под рабочим давлением, впрыск топливной смеси, ее сжатие и воспламенение. Давление подаваемого воздуха перед впрыском топлива снижается до рабочего, с помощью устройства 7 для редуцирования давления воздуха. Одновременно с запуском двигателя производится запуск компрессора 1 для сжатия воздуха. Компрессор 1 для сжатия воздуха засасывает воздух из атмосферы, при этом воздух очищается фильтром 5 очистки воздуха, сжимается компрессором 1 для сжатия воздуха, очищается от влаги и масла устройством 6 для отделения масла и влаги и поступает в накопитель 2 сжатого воздуха непрерывно до достижения в нем давления воздуха 200 кГс/см. После достижения этого давления компрессор 1 для сжатия воздуха отключается и запускается вновь только при падении давления воздуха в накопителе 2 сжатого воздуха ниже 150 кГс/см. Из накопителя 2 сжатого воздуха воздух протекает по трубопроводу, через устройство 7 для редуцирования давления воздуха, теплообменник 8 для охлаждения воздуха и подогреватель 9 воздуха. Вытекание воздуха из этой замкнутой системы контролируется инжектором 3 для вдувания воздуха в цилиндр 4. Открытие инжектора 3 для вдувания воздуха в цилиндр 4 двигателя внутреннего сгорания управляется электронным блоком управления 10, который осуществляет вдувание воздуха в цилиндр 4 тактами, синхронизированными с рабочими тактами двигателя внутреннего сгорания. Объем воздуха, подаваемый в цилиндр 4 двигателя внутреннего сгорания определяется временем открытия инжектора 3 для вдувания воздуха в цилиндр 4 двигателя внутреннего сгорания и давлением воздуха перед инжектором 3 для вдувания воздуха в цилиндр 4 двигателя внутреннего сгорания, которое поддерживается с помощью устройства 7 для редуцирования давления воздуха. При нажатии водителя на педаль газа электронный блок управления 10 осуществляет пропорциональное степени нажатия педали увеличение времени открытия инжектора 3 для вдувания воздуха в цилиндр 4 двигателя внутреннего сгорания и увеличение давления воздуха перед инжектором 3 для вдувания большего количества воздуха в цилиндр 4 двигателя внутреннего сгорания.
В традиционных двигателях с турбокомпрессором раскручивание турбины осуществляется выхлопными газами и ее обороты и производительность турбокомпрессора связаны с оборотами коленвала не напрямую, а через выхлопную систему. Поэтому при резком нажатии на педаль газа производительности турбокомпрессора в начальный момент времени бывает не достаточно для обеспечения пропорционального нажатию педали газа увеличения количества подаваемого в цилиндр воздуха. В результате возникает эффект так называемых "турболага" или "турбоямы", заключающийся в отсутствии в этот момент времени, пока выхлоп не дойдет до турбины и не раскрутит ее, ускорения двигателя пропорционального нажатию на педаль газа. В выбранном прототипе этот недостаток частично устранен. Однако в прототипе отсутствует устройство для редуцирования воздуха, поэтому диапазон значений расхода воздуха, а также точность и скорость регулировки этого значения, необходимые для быстрой реакции двигателя на нажатие педали газа, ниже, чем в предлагаемом техническом решении. В предлагаемом техническом решении благодаря применению накопителя 2 сжатого воздуха и устройства 7 для редуцирования давления воздуха в любой момент времени возможна подача воздуха в большом диапазоне значений его расхода в цилиндр 4 двигателя внутреннего сгорания, что исключает возникновение "турбоямы".
Технический результат полезной модели достигается благодаря:
- применению устройства 7 для редуцирования давления воздуха, позволяющего осуществлять подачу воздуха в цилиндр 4 двигателя внутреннего сгорания с оптимальным точно дозированным расходом;
- применению теплообменника 8 для охлаждения воздуха и подогревателя 9 воздуха, позволяющих осуществлять подачу воздуха оптимальной температуры в цилиндр 4 двигателя внутреннего сгорания;
- применению фильтра 5 очистки воздуха и устройства 6 для отделения масла и влаги от воздуха, позволяющих осуществлять подачу в цилиндр 4 двигателя внутреннего сгорания воздуха без примесей, снижающих качество воспламенения топливно-воздушной смеси;
- применению непосредственного вдувания воздуха через инжектор 3 в цилиндр 4 двигателя внутреннего сгорания, исключая энергетические потери на расширение в коллекторе или других промежуточных объемах.
Предложенное техническое решение повышает эффективность подготовки и подачи воздуха в цилиндр двигателя внутреннего сгорания, тем самым повышая эффективность работы двигателя внутреннего сгорания
Дополнительным преимуществом по сравнению с прототипом в предлагаемом устройстве подготовки и подачи воздуха в двигатель внутреннего сгорания является возможность осуществления запуска двигателя сжатым воздухом из накопителя 2 сжатого воздуха.