СИСТЕМА ВЫПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F01N5/02 F01N3/04 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к глушителям шума двигателей внутреннего сгорания.

Изобретение позволяет повысить эффективность системы выпуска выхлопных газов и улучшить утилизацию тепла.

Известны глушители шума выхлопа для двигателей внутреннего сгорания, содержащие выходную трубу, разветвленную на конце на два участка разной длины, изогнутых в виде тора, имеющего щель для выхода газа [1] (аналог).

Один изогнутый участок тора выполнен длиннее другого, вследствие этого глушение шума осуществляется за счет интерференции волн. Для улучшения эффекта глушения шума в корпусе известного глушителя установлены последовательно три тора один за другим, что сложно и громоздко.

Известна система выпуска двигателя внутреннего сгорания, содержащая корпус, выполненный в виде цилиндрического газоциклона, впускной и выпускной патрубки и резонансные камеры, сопло Лаваля, установленные соосно корпусу, и соединена с выпускным патрубком цилиндрическим перфорированным экраном, установленным коаксиально в корпусе с образованием кольцевого зазора, кольцевых поперечных перфорированных перегородок, термоэлектрических элементов, образующих термоэлектрогенератор, радиаторами холодных и горячих спаев, установленных соответственно снаружи и изнутри корпуса, причем горячие спаи термоэлементов соединены с перфорированным экраном при помощи теплопередающей связи. Выпускной патрубок и корпус снаружи снабжены термоизолирующими прокладками, а резонансные камеры образованы перфорированным экраном, поперечными перегородками и радиаторами горячих спаев [2] (прототип).

Этой системе свойственны следующие недостатки: горячие спаи термоэлементов находятся в зоне расширяющихся газов, что снижает температуру горячих спаев и снижает эффективность термоэлектрогенератора, кроме того, горячие спаи соединены с перфорированным экраном при помощи теплопередающей связи, что представляет собою дополнительное тепловое сопротивление (фиг. 1). Поскольку термоэлектрогенератор включен параллельно аккумуляторной батарее без реле обратного тока или обратного диода, то при неработающем двигателе внутреннего сгорания, когда термоэлектрогенератор не работает, аккумуляторная батарея разряжается на термоэлектрогенератор (фиг. 2).

Цель изобретения повышение эффективности системы, улучшение утилизации тепла и предотвращение разряда аккумуляторной батареи на термоэлектрогенератор.

Это достигается тем, что отработанные выхлопные газы подаются в вихревую трубу (трубу Ж. Ранка) [3] при этом часть выхлопных газов охлаждается и подается в расширительный диффузор, закручиваясь в диффузоре в одну сторону в процессе расширения перед выходом в атмосферу. Другая часть выхлопных газов подогревается и подается в кольцевую расширяющуюся трубу, одна сторона которой является радиатором горячих спаев термоэлементов термоэлектрогенератора, при этом этот поток горячих газов закручивается перед выходом в атмосферу в другую (обратную) сторону. Холодные спаи термоэлементов термоэлектрогенератора прижимаются к радиатору холодных спаев, находящихся в кольцевом сопле Лаваля. Термоэлектрогенератор включается параллельно аккумуляторной батарее через обратный диод.

Продольный разрез системы выпуска двигателя внутреннего сгорания показан на фиг. 1. Схема включения термоэлементов термоэлектрогенератора, аккумуляторной батареи, обратного диода и нагрузки показана на фиг. 2.

Система выпуска двигателя внутреннего сгорания состоит из трубы 1 (фиг. 1), по которой выхлопные газы попадают в вихревую трубу 2 (труба Ж. Ранка) [3] Поток газов закручивается, расширяется и разделяется на два потока с различным теплосодержанием. Один из потоков, назовем его охлажденный 3, через отверстие на оси диафрагмы вихревой трубы 2 поступает в центральную выхлопную трубу 4. В трубе 4 находятся направляющие 5, которые размещены на половине диаметра выхлопной трубы 4. Перед выходом в атмосферу охлажденный поток закручивается и несколько расширяется. Второй поток, назовем его подогретый 6, поступает в кольцевую выхлопную трубу 7. Он закручивается в противоположную сторону с помощью винтообразных направляющих с отверстиями 8, образующими резонансные камеры и несколько расширяется. Регулировочный конус 9 изменяет расходы и температуры подогретого и охлажденного газовых потоков. Привод 10 регулирует положение регулировочного конуса 9 и ширину его кольцевой щели. На большем диаметре кольцевой выхлопной трубы 7, находятся ребра 11 радиаторов горячих спаев термоэлементов 12 термоэлектрогенератора, к которым они примыкают [4-8] С другой стороны холодные спаи термоэлементов 12 примыкают к радиаторам холодных спаев, ребра которых 13 в движущихся двигателях внутреннего сгорания охлаждаются набегающим потоком воздуха 14, который формируется соплом Лаваля 15. Сопло Лаваля 15 служит также в качестве наружного корпуса и окружает систему выпуска двигателя внутреннего сгорания. В стационарных двигателях внутреннего сгорания ребра 13 радиаторов холодных спаев имеют жидкостное охлаждение, например, водяное. Выход охлаждающего воздуха (или охлаждающей жидкости) осуществляется через кольцевой зазор 16, образованный соплом Лаваля (корпус) 15 и радиаторами холодных спаев термоэлементов 13.

На фиг. 2 показана электрическая схема включения термоэлементов 12, собранных из отрицательных 17 и положительных 18 термоэлементов термоэлектрогенератора 19. Для получения необходимого напряжения отдельные термоэлементы включаются между собою последовательно в ветвь термоэлементов 12. Для получения необходимого тока отдельные ветви термоэлементов 12 включаются между собою параллельно, образуя термоэлектрогенератор 19. Параллельно термоэлектрогенератору 19 включается аккумуляторная батарея 20, куда термоэлектрогенератор отдает свою электрическую энергию, подзаряжая аккумуляторную батарею. Между термоэлектрогенератором 19 и аккумуляторной батареей 20 включен обратный диод 21.

Работает система выпуска двигателя внутреннего сгорания следующим образом. Отработанные выхлопные газы из выходной трубы 1 подаются в вихревую трубу 2 (труба Ж. Ранка), где поток газов закручивается, расширяется и разделяется на два потока, один из которых охлажденный 3 через отверстие на оси диафрагмы вихревой трубы поступает в центральную выхлопную трубу 4, расширяется и закручивается в одну сторону с помощью винтовых направляющих 5 на половине диаметра центральной выхлопной трубы 4. Второй поток газов, подогретый 6, поступает в кольцевую выхлопную трубу 7, закручивается в противоположную сторону с помощью винтообразных направляющих с отверстиями 8, которые образуют резонансные камеры. Поток несколько расширяется. Регулировочный конус 9 изменяет расходы и температуру подогретого и охлажденного газовых потоков. Положение регулировочного конуса 9, ширина его кольцевой щели устанавливается с помощью привода 10. На большем диаметре кольцевой выхлопной трубы 7 находятся ребра 11 радиаторов горячих спаев термоэлементов ветвей 12, к которым они прилегают. С другой стороны холодные спаи термоэлементов ветвей 12 примыкают к радиаторам холодных спаев, ребра которых 13 в движущихся двигателях внутреннего сгорания охлаждаются набегающим потоком воздуха 14, который формируется кольцевым соплом Лаваля 15 и одновременно служит корпусом, окружая систему выпуска двигателя внутреннего сгорания. На судовых двигателях внутреннего сгорания ребра радиаторов холодных спаев 13 имеют жидкостное охлаждение, например, пресной или морской водой. В стационартных двигателях внутреннего сгорания ребра радиаторов холодных спаев 13 имеют жидкостное охлаждение, например, водяное. Выход охлаждающего воздуха осуществляется через кольцевой зазор 16, образованный кольцевым соплом Лаваля (корпус) 15 и холодными радиаторами 13 спаев термоэлементов ветвей 12. Поскольку потоки закручены в разные стороны, то на выходе они гасят друг друга. С помощью вихревой трубы 2 (труба Ж. Ранка) выхлопные газы, которые в входной трубе 1 имеют температуру порядка 540.630^oC, подразделяются на два потока газов. Один поток понижает свое теплосодержание и становится "холоднее", другой повышает свое теплосодержание и становится "горячее", что используется для нагрева горячих спаев термоэлементов ветвей 12 термоэлектрогенератора, это повышает КПД преобразования тепловой энергии в электрическую. Холодные спаи термоэлементов охлаждаются потоком набегающего воздуха (или жидкостью, на судах и стационарных установках). Чем больше разность температур между горячими и холодными спаями термоэлементов ветвей 12, тем больше ЭДС, напряжение термоэлектрогенератора и его мощность. Для получения необходимого напряжения отдельные термоэлементы включаются между собою последовательно в ветвь термоэлементов 12. Для получения необходимого тока и мощности отдельные ветви включаются между собою параллельно, образуя термоэлектрогенератор 19, который включается параллельно аккумуляторной батарее 20. Обратный диод 21 необходим для того, чтобы исключить разряд аккумуляторной батареи 20 на термоэлектрогенератор 19, когда двигатель внутреннего сгорания не работает или ЭДС термоэлектрогенератора меньше ЭДС аккумуляторной батареи. При работающем двигателе внутреннего сгорания термоэлектрогенератор отдает свою электрическую энергию аккумуляторной батарее, подзаряжая ее.

Обоснованием электрической мощности термоэлектрогенератора являются следующие соображения [4 8]
Двигатель внутреннего сгорания, например, автомобиля ВАЗ-21013 имеет полезную мощность 62 л.с. или 45,6 кВт. Только 20.35% топлива, сгоревшего в цилиндрах двигателя превращается в механическую работу, остальная энергия выбрасывается в выхлопную трубу и затрачивается на работу трения. Считая КПД 30% получим мощность, которая выделяется при сгорании топлива 45,6/0,3=152 кВт. Предположим, что используем половину мощности, выделенной при сгорании топлива, получим 152/2=76 кВт. Принимая КПД термоэлектрогенератора 1% получим возможную электрическую мощность термоэлектрогенератора 76•0,01=0,76 кВт или 760 Вт, это почти лошадиная сила.

Генератор автомобиля ВАЗ-21013 типа Г-221 рассчитан на максимальный ток 42 А при пределе зарядного напряжения аккумуляторной батареи 14,3 В, определяемом настройкой реле регулятора напряжения. Максимальная мощность, развиваемая генератором типа Г-221, будет 42•14,3=601 Вт.

Таким образом мощность, развиваемая термоэлектрогенератором 760 Вт, больше максимальной мощности генератора Г-221, который потребляет полезную механическую мощность с вала двигателя внутреннего сгорания.

В термоэлектрогенераторе могут быть использованы термоэлементы ZnSb-константан, имеющих 240. 260 мкВ/^oC;ZnSb-CoSb₃-360 мкВ/^oC; ZnSb-PbTe-390 мкВ/^oC; Bi₂ Te₃ (p-типа) Bi Te (n-типа) 470 мкВ/^oC и др.

Максимальный КПД термоэлектрогенератора 3,5.4% Максимальная температура горячих спаев термоэлементов 500^oC, холодных спаев 100^oC. Разница температур между концами термоэлементов Δt=500-100=400^oC.

Число термоэлементов, включенных последовательно в одну ветвь (термоэлектрогенератор работает в режиме максимальной мощности. БЕЗ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ НЕ ВКЛЮЧАТЬ!) порядка 300 шт (для термоэлементов ZnSb - константан).

Использование: изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к глушителям шума двигателей внутреннего сгорания, и м. б. использовано в движущихся по земле, воде и стационарных двс (карбюраторных и дизельных). Сущность изобретения: система содержит корпус, входной патрубок, сопло Лаваля, термоэлектрогенератор с радиаторами и термоэлементами, соединенный с аккумуляторной батареей, вихревую регулируемую трубу, кольцевые сопла Лаваля, в которых на расширяющихся конических поверхностях установлены направляющие, которые придают газовым потокам противоположные движения газов по траектории расширяющейся винтовой спирали, а термоэлектрогенератор соединен с аккумуляторной батареей при помощи диода. Холодные спаи термоэлементов термоэлектрогенератора охлаждаются потоком набегающего воздуха с помощью сопла Лаваля или жидкостью. Изобретение позволяет повысить эффективность системы, улучшить утилизацию бросовой тепловой энергии путем превращения ее части в электрическую для подзаряда аккумуляторной батареи, предотвратить разряд аккумуляторной батареи на термоэлектрогенератор. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система выпуска двигателя внутреннего сгорания, содержащая корпус, входной патрубок, сопло Лаваля, термоэлектрогенератор с радиаторами и термоэлементами, соединенный с аккумуляторной батареей, отличающаяся тем, что она снабжена расположенной на входе регулируемой вихревой трубой и двумя дополнительными кольцевыми соплами Лаваля, в которых на расширяющейся конической поверхности установлены направляющие. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что направляющие выполнены винтовыми для придания газовым потокам противоположного движения по траектории расширяющейся винтовой спирали. 3. Система по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что термоэлектрогенератор соединен с аккумуляторной батареей при помощи диода.