RU2096649C1

RU2096649C1 - Intake system of internal combustion engine for transport facility

Info

Publication number: RU2096649C1
Application number: RU95107091A
Authority: RU
Inventors: М.И. Фесина; А.В. Соколов
Original assignee: Акционерное общество "АвтоВАЗ"
Priority date: 1995-05-04
Filing date: 1995-05-04
Publication date: 1997-11-20
Also published as: RU95107091A

Abstract

FIELD: manufacture of engines. SUBSTANCE: system includes air cleaner 1 to whose chamber branch pipes 3 and 4 and pipe 2 are connected, as well as devices for temperature control of intake air and reduction of intake noise. Mixed air pipe 2, preheated air branch pipe 4 and cold air branch pipe 3 have similar length. Branch pipe 4 is made in form of cartridge at least in part of its length. Cartridge is made from gastight, sound-absorbing material possessing high ohmic resistance. Its opposite ends are connected to electric power supply source. Free shear of branch pipe 4 is provided with stiff blank 5 made from gastight material; inlet shear of branch pipe 3 is provided with swivel damper 6 for OPEN-CLOSED position. EFFECT: enhanced reliability. 4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к системам впуска, снабженным средствами для электроподогрева рабочего тела с целью улучшения пусковых качеств и токсических показателей двигателя в условиях пониженных температур окружающей среды и улучшения экономических и экологических показателей двигателей на режимах частичных нагрузок. The invention relates to engine building, in particular, to intake systems equipped with means for electrically heating the working fluid in order to improve starting characteristics and toxic characteristics of the engine at low ambient temperatures and improve the economic and environmental performance of engines under partial load conditions.

Известны системы впуска двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС), как с искровым зажиганием (карбюраторные версии и версии с впрыском топлива), так и с воспламенением от сжатия (дизельные версии), обеспечиващие количественное и качественное наполнение цилиндров горючей смесью (воздухом и топливом). Одной из самых ответственных функций любой конструкции системы впуска является качественная подготовка горючей смеси до ее поступления в цилиндры двигателя. Она подразумевает как обеспечение подачи необходимого количества воздуха и топлива в зависимости от скоростного и нагрузочного режима работы двигателя, так и необходимую подготовку этой смеси для ее качественного воспламенения в цилиндрах. В данном случае, подразумевается гомогенизация топливно-воздушной смеси за устройством подачи топлива до момента ее поступления в цилиндр, турболизация смеси путем организации направленных вихрей, обеспечение заданной температуры смеси поступающей в цилиндр и т.д. Таким образом, ведется подготовка смеси для ее наиболее полного и качественного сгорания с тем, чтобы получить высокие мощностные показатели, высокую экономичность, низкую токсичность выхлопа. Intake systems for internal combustion engines (hereinafter referred to as ICE) are known, both with spark ignition (carbureted versions and versions with fuel injection) and with compression ignition (diesel versions), which provide quantitative and high-quality filling of cylinders with a combustible mixture (air and fuel). One of the most critical functions of any intake system design is the high-quality preparation of the combustible mixture before it enters the engine cylinders. It implies both ensuring the supply of the necessary amount of air and fuel, depending on the speed and load conditions of the engine, and the necessary preparation of this mixture for its high-quality ignition in the cylinders. In this case, it implies the homogenization of the fuel-air mixture behind the fuel supply device until it enters the cylinder, turbolization of the mixture by organizing directed vortices, ensuring a given temperature of the mixture entering the cylinder, etc. Thus, the mixture is being prepared for its most complete and high-quality combustion in order to obtain high power indicators, high efficiency, and low toxicity of the exhaust.

Другая важная проблема, которую необходимо решать при конструировании системы впуска ДВС, это обеспечение низких уровней шума в процессе наполнения цилиндров, вызванных возбуждением газодинамических пульсаций в системе, вследствие перепада давлений в цилиндре двигателя и в зоне свободного среза воздухозаборного патрубка воздухоочистителя в момент открытия и закрытия впускного (впускных) клапана. Возникающие газодинамические пульсации во впускной системе ДВС не только оказывают отрицательное влияние на окружающую среду в виде излучаемого системой шума впуска, но и неблагоприятно влияют на процессы наполнения цилиндров, вызывая образование резонансных стоячих волн в отдельных элементах впускной системы и, в первую очередь, во впускных трубах впускного коллектора, что в свою очередь вызывает увеличение гидравлических сопротивлений, ухудшение наполнения и неравномерности наполнения отдельных цилиндров двигателя. Это, в свою очередь, ухудшает мощностные, экономические и токсические показатели ДВС. Следует подчеркнуть, что в современных конструкциях впускных систем ДВС, за счет применения различных конструктивных решений и использования различных дополнительных управляемых систем, в первую очередь пытаются обеспечить высокие экономические показатели, низкую токсичность выхлопа и низкий шум. А мощностные показатели двигателей в этом случае отошли как бы на второй план. Это вызвано непрерывным ужесточением международных и национальных стандартов по токсичности, внешнему шуму и расходом топлива автомобильного транспорта. При этом работа таких систем должна обеспечивать двигателю достижение высоких экологических (токсичность, шум) и экономических показателей во всем эксплуатационном диапазоне температур окружающей среды. С этой целью также существуют (и подвергаются процессу ужесточения) международные нормы, лимитирующие показатели пуска двигателя в условиях как заданных низких, так и высоких температур окружающей среды и т.д. Another important problem that needs to be solved when designing the ICE intake system is ensuring low noise levels during cylinder filling caused by excitation of gas-dynamic pulsations in the system, due to pressure differences in the engine cylinder and in the free-cut area of the air intake pipe at the moment of opening and closing the air intake (inlet) valves. The resulting gas-dynamic pulsations in the intake system of the internal combustion engine not only negatively affect the environment in the form of intake noise emitted by the system, but also adversely affect the filling of the cylinders, causing the formation of resonant standing waves in individual elements of the intake system and, primarily, in the intake pipes intake manifold, which in turn causes an increase in hydraulic resistance, deterioration of filling and uneven filling of individual engine cylinders. This, in turn, worsens the power, economic and toxic indicators of internal combustion engines. It should be emphasized that in modern designs of ICE intake systems, through the use of various design solutions and the use of various additional controlled systems, they primarily try to ensure high economic performance, low exhaust toxicity and low noise. And the power indicators of the engines in this case receded into the background, as it were. This is due to the continuous tightening of international and national standards for toxicity, external noise and fuel consumption of motor vehicles. Moreover, the operation of such systems should ensure that the engine achieves high environmental (toxicity, noise) and economic indicators in the entire operational range of ambient temperatures. To this end, there are also (and are undergoing a process of toughening) international standards that limit engine starting performance under conditions of both given low and high ambient temperatures, etc.

Практическое решение описанных выше проблем представлено, например, в описаниях: патента США N 5078115, кл. F 02 M 31/00, 1992; патента Германии N 289095, кл. F 02 М 31/00, 1991; заявки Германии N 3943569, кл. F 02 М 31/02, 1991; заявки Франции N 2661951, кл. F 02 M 31/135 и многих других источниках патентной информации. A practical solution to the above problems is presented, for example, in the descriptions: US patent N 5078115, CL. F 02 M 31/00, 1992; German patent N 289095, cl. F 02 M 31/00, 1991; German application N 3943569, cl. F 02 M 31/02, 1991; applications of France N 2661951, cl. F 02 M 31/135 and many other sources of patent information.

Суть решения технической задачи здесь заключается в установке во впускном тракте ДВС различных по конструкции нагревательных элементов, преимущественно электрического типа, которые в период запуска двигателя и его прогрева, имея определенную поверхность теплосъема, воздействуют на впускной заряд воздуха или горючую смесь. The essence of solving the technical problem here is to install heating elements of various designs in the intake path of the internal combustion engine, mainly of the electric type, which during the start-up of the engine and its heating, having a certain heat removal surface, act on the intake air charge or fuel mixture.

Таким образом, средствами достижения эффекта в названных конструкциях являются самые различные нагревательные элементы, установленные в тракте системы впуска, продольно или поперечно сориентированные по отношению к потоку компонентов рабочего тела. Thus, the means to achieve the effect in the above structures are a variety of heating elements installed in the intake system path, longitudinally or transversely oriented with respect to the flow of components of the working fluid.

Отрицательным фактором здесь является то, что названные нагревательные элементы, загромождая впускной тракт, определяют повышенные его гидродинамические сопротивления, что отрицательно сказывается на наполнении, экономичности, токсичности и динамике двигателя. Кроме того, они могут являться источниками высокочастотного (кромочного) шума (свиста). Следует отметить и локальный, ограниченный характер воздействия этих элементов на рабочее тело, что делает длительным время его прогрева и увеличивает период запуска и прогрева двигателя, что в конечном итоге снижает потребительские качества автомобиля. A negative factor here is that the aforementioned heating elements cluttering the inlet tract determine its increased hydrodynamic drags, which negatively affects the filling, economy, toxicity and engine dynamics. In addition, they can be sources of high-frequency (edge) noise (whistle). It should be noted the local, limited nature of the impact of these elements on the working fluid, which makes it warm for a long time and increases the start-up and warm-up periods of the engine, which ultimately reduces the consumer qualities of the car.

Известна система впуска двигателя внутреннего сгорания, описанная в заявке Японии N 3-40232, кл. F 02 М 31/12, публ. 18.06.91, N 5-1006, содержащая 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. Known intake system of an internal combustion engine described in Japanese application N 3-40232, class. F 02 M 31/12, publ. 06/18/91, N 5-1006, containing an inlet pipe, one end of which is connected to an air cleaner, 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 intake system duct.

Известному устройству присущи те же недостатки, что и в описанных выше аналогах, в частности это загромождение проходного сечения впускной трубы (заужение проходного сечения), что обуславливает повышенное гидродинамическое сопротивление впускного тракта, незначительная локальная поверхность теплоотдачи электроподогревателя, что увеличивает количество пусков двигателя и период его прогрева после запуска. Так же ухудшаются акустические качества за счет неизбежного возникновения на кромках подогревателя высокочастотного свиста (скорость газового потока в зауженной зоне возрастает). The known device has the same disadvantages as in the analogs described above, in particular, it is cluttered by the inlet pipe inlet section (narrowing of the inlet section), which leads to increased hydrodynamic resistance of the inlet tract, a small local heat transfer surface of the electric heater, which increases the number of engine starts and its period warming up after starting. Acoustic qualities also deteriorate due to the inevitable occurrence of high-frequency whistling on the edges of the heater (the gas flow rate in the narrowed zone increases).

В качестве прототипа принята система впуска двигателя внутреннего сгорания, уже упомянутая ранее и описанная в авторском свидетельстве СССР N 871570, кл. F 02 М 31/00, публ. 07.03.84, содержащая воздухоочиститель, к камере которого подключена труба смешанного воздуха, к открытому концу которой подключены патрубки холодного и подогреваемого воздуха, а также средства термостатирования впускного воздуха и снижения шума впуска. As a prototype, the intake system of an internal combustion engine, already mentioned earlier and described in the USSR author's certificate N 871570, class. F 02 M 31/00, publ. 03/07/84, containing an air purifier, to the chamber of which a mixed air pipe is connected, to the open end of which are connected pipes of cold and heated air, as well as means for thermostating the intake air and reducing intake noise.

Недостатки системы подробно описаны выше, в частности это:
повышение гидросопротивления впускного тракта из-за наличия в нем коробчатого корпуса и заслонки терморегулятора, которые одновременно являются активным излучателем кромочного шума (высокочастотного свиста), а также вероятной причиной автоколебаний заслонки;
возможность засасывания через систему в цилиндры двигателя воды при движении через водные преграды и поломка в результате этого двигателя;
возможность полного или частичного загромождения воздухозаборного патрубка снегом при движении по заснеженной трассе, что приводит к остановке двигателя;
малая эффективность устройства в период пуска и прогрева двигателя в холодное время года, из-за длительного периода прогрева выхлопного коллектора, необходимость при этом многократных попыток пуска двигателя, что влечет значительный рост токсичности;
неизбежное усиление структурного (вибрационного) шума, излучаемого заборником патрубка подогретого воздуха, поскольку он представляет собой тонкостенную деталь с развитой поверхностью излучения;
недостаточная надежность работы терморегулятора, т.к. под воздействием высоких температур заслонка коробится и возможно ее заедание в корпусе.The disadvantages of the system are described in detail above, in particular this:
increase in hydraulic resistance of the inlet tract due to the presence of a box-shaped case and a temperature control damper in it, which are simultaneously an active emitter of edge noise (high-frequency whistling), as well as a probable cause of self-oscillations of the damper;
the possibility of sucking water through the system into the cylinders of the engine when moving through water barriers and breaking as a result of this engine;
the possibility of complete or partial obstruction of the intake pipe with snow when driving on a snowy track, which leads to engine shutdown;
low efficiency of the device during starting and warming up the engine in the cold season, due to the long period of heating the exhaust manifold, the need for multiple attempts to start the engine, which entails a significant increase in toxicity;
the inevitable increase in structural (vibrational) noise emitted by the intake of the heated air pipe, since it is a thin-walled part with a developed radiation surface;
insufficient reliability of the thermostat, as under the influence of high temperatures, the damper warps and it may seize in the housing.

Цель изобретения улучшение эксплуатационных качеств двигателя за счет повышения эффективности работы системы впуска двигателя, особенно в условиях пониженной температуры окружающей среды. The purpose of the invention is the improvement of engine performance by increasing the efficiency of the engine intake system, especially in conditions of low ambient temperature.

Сущность изобретения заключается в том, что в известной системе впуска двигателя внутреннего сгорания, содержащей воздухоочиститель, к камере которого подключена труба смешанного воздуха, к открытому концу которой подключены патрубки холодного и подогретого воздуха, а также средства термостатирования впускного воздуха и снижения шума впуска, названные труба смешанного воздуха и патрубки подогретого и холодного воздуха имеют одинаковую длину, и патрубок подогретого воздуха, по крайней мере по части своей длины, выполнен в виде патрона из газопроницаемого, звукопоглощающего, обладающего высоким омическим сопротивлением материала, противоположные торцы которого подключены к источнику электроснабжения, при этом на свободном срезе патрубка подогретого воздуха смонтирована жесткая звукоотражающая заглушка из газонепроницаемого материала, а во входном срезе патрубка холодного воздуха установлена поворотная заслонка, работающая по закону "открыто-закрыто". The essence of the invention lies in the fact that in the known intake system of an internal combustion engine containing an air purifier, a mixed air pipe is connected to its chamber, to the open end of which are connected cold and heated air pipes, as well as means for thermostating the intake air and reducing the intake noise, called the pipe mixed air and the heated and cold air nozzles have the same length, and the heated air nozzle, at least in part of its length, is made in the form of a cartridge made of a gas-permeable, sound-absorbing, high ohmic resistance material, the opposite ends of which are connected to a power supply source, while a rigid sound-reflecting plug made of gas-tight material is mounted on a free section of the heated air pipe, and a rotary damper installed according to the law is installed in the inlet section of the cold air pipe " open-closed. "

Патрон, для исключения его механических повреждений и частичной термоизоляции, может быть размещен внутри перфорированной обечайки и выполнен из отдельных электроизолированных друг от друга модулей, функционально подключенных к управляемому микропроцессору. The cartridge, to exclude its mechanical damage and partial thermal insulation, can be placed inside the perforated shell and is made of separate electrically insulated from each other modules, functionally connected to a controlled microprocessor.

При таком конструктивном исполнении, за счет исключения из трассы системы впуска заслонки терморегулятора, акустической настройки длин трубы и патрубков, перекрытия патрубка холодного воздуха при движении автомобиля вброд, или в условиях сильных встречных снежных потоков, за счет практически мгновенного прогрева нагревательного элемента и регулируемой степени подогрева, достигается поставленная цель и исключаются перечисленные выше недостатки известных систем впуска. With this design, due to the exclusion from the route of the intake system of the temperature control damper, acoustic adjustment of the pipe and pipe lengths, overlap of the cold air pipe when fording the car, or in conditions of strong oncoming snow flows, due to the almost instantaneous heating of the heating element and an adjustable degree of heating , the goal is achieved and the above disadvantages of the known intake systems are eliminated.

На фиг. 1 показана заявляемая система впуска, на фиг. 2 показано сечение А-А по фиг. 1, на фиг. 3 и 4 показаны варианты изготовления патронов, на фиг. 5 показан патрон, состоящий из отдельных модулей. In FIG. 1 shows the inventive intake system, FIG. 2 shows section AA in FIG. 1, in FIG. 3 and 4 show embodiments of the manufacture of cartridges, in FIG. 5 shows a cartridge consisting of individual modules.

Система впуска, по фиг. 1, содержит воздухоочиститель 1, к камере которого подключена труба 2 смешанного воздуха, к открытому концу которой подключены патрубки 3 и 4, соответственно холодного и подогретого воздуха. The intake system of FIG. 1, contains an air purifier 1, to the chamber of which a mixed air pipe 2 is connected, to the open end of which are connected pipes 3 and 4, respectively, of cold and heated air.

Труба 2 и патрубки 3 и 4 имеют равную длину. Pipe 2 and nozzles 3 and 4 are of equal length.

Патрубок 4 выполнен в виде патрона из газопроницаемого, звукопоглощающего, обладающим высоким омическим сопротивлением материала, например, пористого сетчатого материала, противоположные концы которого подключены к источнику электроснабжения + и -. The pipe 4 is made in the form of a cartridge of a gas-permeable, sound-absorbing, having a high ohmic resistance of the material, for example, a porous mesh material, the opposite ends of which are connected to the power supply + and -.

На свободном срезе патрубка 4 смонтирована жесткая звукоотражающая заглушка 5 (донышко) из газонепроницаемого материала, а во входном срезе патрубка 3 установлена поворотная заслонка 6, работающая по закону "открыто-закрыто". A rigid sound-reflecting plug 5 (bottom) of gas-tight material is mounted on a free section of the pipe 4, and a rotary valve 6, operating according to the "open-closed" law, is installed in the inlet section of the pipe 3.

Патрубок 4 или его часть выполнен в виде патрона, который может быть размещен внутри перфорированной обегайки 7, отверстия перфорации показаны поз. 8. The pipe 4 or part thereof is made in the form of a cartridge, which can be placed inside the perforated shell 7, the perforation holes are shown in pos. eight.

При этом, фиг. 3, патрон для увеличения жесткости может включать арматуру 9 (например, витую цилиндрическую пружину), или быть цельноформованным, фиг. 4 с оребренными или гофрообразными наружными стенками. In this case, FIG. 3, the cartridge for increasing stiffness may include reinforcement 9 (for example, a coiled coil spring), or be integrally formed, FIG. 4 with ribbed or corrugated outer walls.

Патрон, фиг. 5, в одном из вариантов может быть собран из отдельных, электроизолированных друг от друга модулей, функционально подключенных к микропроцессору (не показан), что позволяет регулировать величину теплосъема с патрона и поддерживать оптимальную температуру воздуха в трубе 2. Cartridge, FIG. 5, in one embodiment, it can be assembled from separate, electrically insulated from each other modules, functionally connected to a microprocessor (not shown), which allows you to adjust the amount of heat removal from the cartridge and maintain optimal air temperature in the pipe 2.

При запуске холодного двигателя, при отрицательной температуре окружающей среды, заслонка 6 перекрывает сечение патрубка 3. Одновременно с этим подводится электроток к патрону патрубка 4, что вызывает его быстрый нагрев и передачу тепла потоку всасываемого через патрубок 4 воздуха, поступающему через патрубок 2 в воздухоочиститель 1 и далее в цилиндры двигателя. When starting a cold engine, at a negative ambient temperature, the shutter 6 overlaps the section of the nozzle 3. At the same time, an electric current is supplied to the nozzle of the nozzle 4, which causes it to quickly heat up and transfer heat to the air drawn in through the nozzle 4, which enters through the nozzle 2 to the air cleaner 1 and further into the engine cylinders.

При достижении определенной температуры заслонка 6 открывает сечение патрубка 3 и воздух с оптимальным температурным режимом поступает в воздухоочиститель 1 по обоим патрубкам 3 и 4, при этом смешение холодного и подогретого воздуха осуществляется в патрубке 2. When a certain temperature is reached, the shutter 6 opens the cross section of the nozzle 3 and the air with the optimal temperature regime enters the air purifier 1 through both nozzles 3 and 4, while the cold and heated air are mixed in the nozzle 2.

При этом оптимальная температура нагрева потока воздуха в патрубке 4 достигается или изменением величины электротока, подаваемого на торцы патрона, либо путем включения или отключения отдельных модулей патрона, фиг. 5, микропроцессором, отслеживающим температуру потока воздуха в патрубке 2. In this case, the optimum temperature of heating the air flow in the pipe 4 is achieved either by changing the magnitude of the electric current supplied to the ends of the cartridge, or by turning on or off individual modules of the cartridge, FIG. 5, a microprocessor that monitors the temperature of the air flow in the pipe 2.

В условиях высокой температуры окружающей среды патрона отключен от источника питания, а заслонка 6 открыта. Подача воздуха в трубу 2 осуществляется через оба патрубка 3 и 4. In conditions of high ambient temperature, the cartridge is disconnected from the power source, and the shutter 6 is open. The air supply to the pipe 2 is carried out through both pipe 3 and 4.

Во всех остальных случаях патрон осуществляет адаптивный подогрев, а заслонка 6 постоянно открыта. In all other cases, the cartridge carries out adaptive heating, and the shutter 6 is constantly open.

При движении автомобиля вброд, или значительного наличия в засасываемом двигателем забортном воздухе снега, заслонка 6 перекрывает сечение патрубка 3, а патрон максимально разогрет. Впуск воздуха в трубу 2 осуществляется только через патрубок 4. При этом вода или снег, проходя через пористую структуру патрона превращается в пар, что исключает попадание воды в цилиндры двигателя и предотвращает его поломку. When the car is wade, or there is a significant presence of snow in the outboard air sucked by the engine, the shutter 6 covers the cross section of the pipe 3, and the cartridge is warmed up to the maximum. The air inlet into the pipe 2 is carried out only through the pipe 4. In this case, water or snow passing through the porous structure of the cartridge turns into steam, which eliminates the ingress of water into the engine cylinders and prevents its breakdown.

Во всех эксплуатационных режимах патрубок 4 с жесткой звукоотражающей заглушкой 5 выполняет положительную функцию 1/4 волнового акустического резонатора подавляя резонансные акустические явления в патрубке 3 и уменьшая, таким образом, шум впуска двигателя. In all operating modes, the pipe 4 with a rigid sound-reflecting plug 5 performs the positive function of 1/4 wave acoustic resonator suppressing resonant acoustic phenomena in the pipe 3 and thus reducing the noise of the engine inlet.

В положении заслонки 6 "закрыто" патрубок 3 также выполняет функцию 1/4 волнового акустического резонатора. Это обеспечивается из-за равенства длин
l -патрубков 2, 3 и 4.In the position of the shutter 6 "closed" pipe 3 also performs the function of 1/4 wave acoustic resonator. This is ensured due to the equality of lengths.
l-tubes 2, 3 and 4.

Claims

1. The intake system of an internal combustion engine containing an air purifier, in the chamber of which a mixed air pipe is connected, to the open end of which are connected cold and heated air pipes, as well as means for thermostating the intake air and reducing intake noise, characterized in that the mixed air pipe and pipes heated and cold air have the same length and the heated air pipe, at least part of its length, is made in the form of a cartridge of gas permeable, sound-absorbing, a material with high ohmic resistance, the opposite ends of which are connected to a power source, while a rigid plug made of gas-tight material is mounted on a free section of the heated air pipe, and a rotary damper installed in the inlet pipe section of the cold air pipe operates according to the "open-closed" law.

2. The system according to claim 1, characterized in that the cartridge is made of separate electrically insulated from each other modules, functionally connected to the control microprocessor.

3. The system according to claim 1, characterized in that the ends of the cartridge are connected to a power source with an adjustable electric current.

4. The system according to PP.1 to 3, characterized in that the cartridge is placed inside the perforated shell.