RU152094U1

RU152094U1 - INTERNAL COMBUSTION ENGINE INLET SYSTEM

Info

Publication number: RU152094U1
Application number: RU2013134913/06U
Authority: RU
Inventors: Инна Владимировна Карнаухова
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2015-05-10

Abstract

Полезная модель относится к системам впуска и подогрева воздуха для двигателей транспортных средств. Предложена система впуска двигателя внутреннего сгорания, содержащая впускную трубу 2, один конец которой через впускные патрубки, подключен к цилиндрам двигателя и другой конец подключен к воздухоочистителю 3, в котором под типовым очистительным элементом 4 установлен нагревательный элемент 5, нагревательный элемент выполнен из газопроницаемого графитированного волокна. Технический результат заключается в улучшении пуска двигателя при низких температурах и экономии топлива до 5% за счет регулирования температуры на впуске в двигатель в пределах 20-60°C при минимальных затратах. 1 н.п., 2 з.п., ф-лы, 5 ил. The utility model relates to air intake and heating systems for vehicle engines. An intake system for an internal combustion engine is proposed, comprising an inlet pipe 2, one end of which is connected to the engine cylinders through the inlet pipes and the other end is connected to an air cleaner 3, in which a heating element 5 is installed under a typical cleaning element 4, and the heating element is made of gas-permeable graphite fiber . The technical result is to improve engine starting at low temperatures and fuel economy of up to 5% by adjusting the temperature at the inlet to the engine within 20-60 ° C at a minimum cost. 1 n.p., 2 z.p., f-ly, 5 ill.

Description

Полезная модель относится к системам впуска и подогрева воздуха транспортных средств.The utility model relates to vehicle air intake and heating systems.

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.Intake systems for internal combustion engines (hereinafter referred to as ICE) are known both with spark ignition (gasoline ICE with fuel injection and carburetor versions) and with compression ignition (diesel engines), which ensure high-quality filling of cylinders with a combustible mixture or air.

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.High-quality preparation of a combustible mixture implies not only ensuring the supply of a combustible mixture or air depending on the speed and load conditions of the internal combustion engine, but also the preparation of air or mixture for its high-quality ignition in the engine cylinders, that is, ensuring a given temperature of the mixture or air entering the combustion chamber with the aim successful engine starting at low temperatures to obtain higher engine power and economy, as well as low exhaust toxicity.

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.In modern designs of ICE intake systems through the use of various design solutions, first of all, they provide high economic indicators and low exhaust toxicity. At the same time, ICE power indicators faded into the background, due to the tightening of international and national standards for toxicity and fuel consumption in the world. To this end, international standards are constantly being tightened, limiting the indicators of engine starting in conditions of low and even high ambient temperatures.

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.Heating the air or the fuel mixture at the inlet is especially necessary in partial engine operation modes, as it improves the homogenization of the air-fuel mixture, which significantly increases the economic and toxic parameters of the internal combustion engine. This is especially true when working with diesel engines, because all diesel engines operate on lean mixtures - the excess air coefficient is not lower than 1.3 (that is, it is 30% more than necessary for complete combustion of fuel under ideal conditions), and when the engine is running on idling, the coefficient of excess air can reach 1.9-2.5. Therefore, unclaimed oxygen is almost always located in the combustion chamber of diesel engines.

Известна система впуска двигателя внутреннего сгорания, описанная в патенте РФ №2090775, С1 МПК⁶ 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.A known intake system of an internal combustion engine described in the patent of the Russian Federation No. 2090775, C1 IPC ⁶ F02M 31/13, publ. 1997. The intake system of an internal combustion engine contains an inlet pipe, one end of which is connected to an air purifier, and the other to a receiver, the side wall of which is equipped with inlet pipes connected to the engine cylinders, and an electric heater mounted in the path of the intake system is functionally powered from the onboard power supply a car. The heater is made in the form of a fitting mounted inside the receiver coaxially with the cavity of the latter, and having the form of an elongated cylinder bounded by end walls to which the contact terminals of the power supply are connected, while the fitting is made of gas-permeable, damping pulsation and sound having a high ohmic resistance of the material .

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.The disadvantages of the known device include the fact that a design change by installing a heating device inside the manifold causes a rise in price, the impossibility of repair and maintenance without disassembling the engine.

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.A known intake system of an internal combustion engine comprising an inlet pipe, one end of which is connected to the engine cylinder through the inlet pipes and the other end is connected to an air cleaner, and a heating element / US No. 4708118, publ., Is installed in the air cleaner. 11.24.1987 /. The specified inlet pipe can be connected through the inlet pipes to several engine cylinders. The disadvantages of the known technical solutions include the fact that there is no increase in the rate of heating of air in the air filter.

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.The problem to which the claimed technical solution is directed is to improve engine starting at low temperatures and save fuel up to 5% by adjusting the temperature at the inlet to the engine within 20-60 ° C at minimal cost.

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.The essence of the utility model is that in the known intake system of an internal combustion engine containing an intake pipe, one end of which is connected to an air cleaner equipped with an air filter, and the other to the inlet pipes of the engine block, a heating element is installed in the air cleaner under the air filter, the new one is the fact that the heating element is made of gas-permeable graphitized fiber.

Кроме того, нагревательный элемент функционально запитан от бортового источника питания и имеет конфигурацию воздушного фильтра.In addition, the heating element is functionally powered from an on-board power source and has an air filter configuration.

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.This arrangement of the heating element provides quick and high-quality heating of the intake air to a certain temperature of 20-60 ° C without increasing the hydraulic resistance of the inlet tract, since the air passing into the cylinders has the ability to pass through a large-area heated structure.

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^-6 до 10^-5 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.In connection with the above disadvantages of the known systems considered, manufacturers, despite real fuel savings of up to 5%, do not go up in price for their products. Inspection, replacement of the air filter, oil is carried out at all service stations either monthly or every 30000-40000 km of run. Therefore, the claimed technical solution that provides heating of the air in the air filter avoids the above disadvantages. The manufacture of heating elements is supposed to be carried out using graphitized fibers, because they have less inertia when turned on and have a larger heating surface, which increases the speed of heating the air in the air filter. The fiber has a resistivity of 10 ^-6 to 10 ^-5 Ohm × m. By changing the density and structure of the fiber, you can have electric heaters of various capacities and designs, which allows them to be used for all engines and in all types of air filters.

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.This solution has a positive effect on noise reduction, since the plot of the sound pressure distribution in the intake manifold is characterized by a cosine wave with a maximum value in the valve area and a minimum value in the air cleaner chamber. Thus, the proposed engine provides a wide band of effective jamming of engine noise and fuel economy of up to 5% on any type of engine by increasing the intake air temperature to 20-60 ° C. This is especially true when you consider that 70% of the territory of the Russian Federation is in the zone of low temperatures.

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.The essence of the technical solution is illustrated by illustrative materials, where in FIG. 1 shows a car engine intake system, explaining how to improve the economic, environmental, power indicators of internal combustion engines of cars at low temperatures during startup and operation of cars, FIG. 2, 3 shows a structural embodiment of a heating element of a flat shape, in FIG. 4, 5 - constructive version of the heating element of a round shape.

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.The intake system of the internal combustion engine 1 contains an inlet pipe (manifold) 2, one end of which is connected to the air purifier 3, and the other through the inlet pipes 6, 7, 8 9 of the intake pipe 2 is connected to the cylinders 10, 11, 12, 13 of engine 1. B an air purifier 3 under the air filter 4 (typical cleaning element), for example, through an insulating gasket (ebonite), a heating element 5 (electric heater) is installed, functionally powered from the vehicle’s onboard power supply (battery).

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.The electric heater 5 has a configuration that geometrically matches the configuration of the air filter 4 of the air cleaner 3. For example, the electric heater 5 can be made either in the form of a rectangle, if the air filter 4 is rectangular, or a hollow cylinder, if the air filter 4 has a round shape for round cases of air purifiers 3 For example, the electric heater 5 is made in the form of a flat rectangle with a thickness of 10-50 mm for cars and 100-200 mm for trucks.

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.The electric heater 5 is connected to the terminals 15 (+) and 14 (-) of the battery. The electric circuit of many cars already has a multi-function processor 16 that monitors the temperature regime of engine 1 depending on the parameters at the inlet (intake air temperature, coolant temperature and fuel consumption). If there is no processor, then it must be installed, but it is not available only on older models of cars.

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.Heated air at the inlet under starting conditions at low temperatures allows you to quickly start engine 1, increasing engine power and efficiency by increasing the intake temperature and better mixture formation. The processor 16 turns on or off the heating of the air, depending on the temperature of the air entering the engine 1. An increase in the air temperature at the inlet to 20-60 ° C is always advisable from the point of improvement of homogenization of the air-fuel mixture, which can significantly increase power and efficiency up to 5-10% all internal combustion engines and reduce toxicity.

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.For the implementation of the technical solution, it is possible to make the electric heater 5 in the form of plates or cylinders made of porous gas-permeable graphite fiber having high ohmic resistance and the power necessary to maintain the inlet air temperature or from a nichrome, tungsten wire of the corresponding geometric shape, necessary for this car model. When the ignition is turned on, the entire surface of the electric heater 5 instantly warms up to a working temperature of 90 ° C and the entire air stream passing through it is heated to a temperature of 20-60 ° C, depending on the power of the electric heater 5 and the temperature of the outside air. When the temperature of the air entering the engine 1 rises above 60 ° C, the processor 16 turns off the heating of the air.

При исследованиях нагревательных элементов, установленных в воздушных фильтрах, получены следующие результаты:In studies of heating elements installed in air filters, the following results were obtained:

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.1. Fuel economy in the amount of 5-7% due to the constant operation of the heater at various engine operating modes, which maintains the temperature of the air entering the engine in the range of 20-60 ° C and the outdoor temperature from 0 ° C to -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.2. Increase in power by increasing the temperature of the end of the compression stroke by 50-110 ° C of any engine cylinder and homogenizing the air-fuel mixture, especially diesel engines.

3. Быстрый прогрев снижает тепловую инерцию двигателя в условиях низких температур.3. Rapid heating reduces the thermal inertia of the engine at low temperatures.

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.4. The ease of installation of electric heaters, which are installed together with any air filter, facilitate maintenance and repair and replacement, in case of failure of the heating element, which is impossible to implement in all existing structures. Heaters are manufactured separately, just like air filters or with them, and are simply inserted into the air purifiers during each maintenance.

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.Studies conducted at the Department of Operation of Road Transport of the Tyumen State Oil and Gas University found that when air is heated at the inlet of a gasoline engine to an engine up to 20-40 ° C, fuel economy is 2.8-3.5%, and a diesel engine can reach 3-5%. In this case, the release of a sufficient amount of thermal energy for the normal operation of the engine occurs less than a minute after starting the engine. Heated air contributes to better mixture formation in the engine cylinder and engine warming up, especially at low ambient temperatures, and also reduces energy costs when passing through the intake manifold of the internal combustion engine. Further heating of the air at the inlet to the internal combustion engine is carried out by a standard device that exists in all internal combustion engines produced in the world - this is the heating using the heat of the exhaust gases of the internal combustion engine.

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.Thus, the installation of electric heaters of different capacities in air purifiers makes it possible to facilitate engine start-up at low temperatures and maintain the intake air temperature in the range of 20-60 ° C, depending on the outdoor temperature, without reconstruction of the produced ICE, which gives fuel savings of 5-10% of total fuel consumption and provides maintenance and replacement of electric heaters during operation.

Claims

1. The intake system of an internal combustion engine containing an inlet pipe, one end of which is connected to the engine cylinders through the inlet pipes and the other end is connected to an air cleaner, wherein a heating element is installed in the air cleaner under the air filter, characterized in that said heating element is made of gas-permeable graphitized fiber.

2. The intake system of an internal combustion engine according to claim 1, characterized in that said heating element has an air filter configuration.

3. The intake system of an internal combustion engine according to claim 1, characterized in that said heating element is functionally powered from an onboard power source and is configured to control power.