ВЫХЛОПНОЕ УСТРОЙСТВО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 1997 года по МПК F01N7/20 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению, в частности к системам выпуска отработанных газов двигателей транспортных средств.

Известны различные устройства, которые способствуют улучшению эффективности показателей работы двигателя.

Известна выхлопная труба двигателя внутреннего сгорания, которая позволяет снизить сопротивление выхлопу. Эллиптическая защитная заслонка установлена на срезе трубы, выполненным косым с возможностью поворота и с зазором относительно среза. За счет выполнения среза трубы косым уменьшается сопротивление выхлопа, а вследствие того, что при увеличении расхода газа заслонка поворачивается, увеличивая сечение, это сопротивление сохраняется практически постоянным во всех режимах [1] Это устройство имеет тот недостаток, что опора заслонки выполнена в виде подшипника, жестко закрепленного в конце трубы. В условиях эксплуатации этот узел необходимо обслуживать удаление грязи, набивка смазки и т.д.

Известно устройство для отвода отработанных газов двигателя внутреннего сгорания, которое позволяет повысить эффективность работы двигателя за счет усиления эжекции при движении транспортного средства. Устройство содержит выхлопную трубу и воздухозаборник, который, по меньшей мере, частично охватывает ее с зазором. Выхлопная труба и воздухозаборник выполняют роль, соответственно, пассивного и активного сопла эжектора, камера смешения и выходное отверстие которого установлены соосно с выхлопной трубой. Воздухозаборник выполнен в виде тупиковых ловушек, ориентированных впускными каналами по ходу транспортного средства, а выпускными каналами соединенных с камерой смешения эжектора по касательной через щелевые отверстия. Создаваемое вихревым потоком воздуха разряжение по оси камеры смешения способствует интенсивному отсасыванию выхлопных газов из цилиндров, что улучшает эффективные показатели двигателя [2] Недостатком этого устройства является сложность изготовления воздухозаборников и всего устройства. Кроме того, относительно сложное движение захватываемого воздуха приводит к дополнительному сопротивлению устройства.

В качестве прототипа принята выхлопная система для двигателя внутреннего сгорания, которая состоит из двух усеченных конусов, разных по размеру, которые подобраны таким образом, что в месте соединения они имеют равные диаметры. Основание выходного конуса больше основания входного конуса. Устройство прикрепляется к конусу выхлопной трубы парой зажимов, окружающих трубу, и устанавливается коаксиально. Входной конус, обращенный своим широким концом в сторону движения автомобиля, служит ускорителем потока воздуха, обтекающего выхлопную трубу, и все устройство работает по принципу трубы Вентури. Воздух попадает в широкую часть конуса и по мере движения к узкой части конуса ускоряется. Соответственно этому ускорению в потоке падает давление и минимум давления приходится на самую узкую часть, где соединены входной и выходной конуса. Выходное сечение выхлопной трубы располагается именно в этом месте. Пониженное давление способствует отсосу дымовых газов из выхлопной трубы, тем самым удалению дымовых газов из камеры сгорания. Это способствует сбережению мощности двигателя при том же самом расходе топлива [3]
К недостаткам этого устройства можно отнести то, что часть устройства выполнена в виде конуса. При входе воздуха в конус там образуются вихри, то есть, течение будет отрывным, что приведет к повышенному сопротивлению устройства и снижению его эжекционной способности, следовательно, улучшение показателей работы двигателя незначительно. При высоких скоростях набегающего потока может произойти запирание устройства. Непонятна роль выходного конуса. Так как в самой узкой части устройства, то есть, на стыке конусов, скорость воздушного потока никогда не достигнет звуковой, то воздушный поток в выходном конусе будет тормозиться, давление в нем увеличиваться и сопротивление всей системы возрастать.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности работы двигателя. Указанная цель достигается тем, что для предотвращения турбулизации потока и отрыва течения в воздухозаборнике, улучшения его аэродинамических свойств и увеличения степени эжекции выхлопных газов воздухозаборник выполнен в виде сужающегося сопла Витошинского, с цилиндрической частью на выходе, длина которого соответствует соотношению:

в области значений аргумента от 1 до 10, где l длина сопла Витошинского, d₀, d₃ диаметры выходного поперечного сечения сопла и выхлопной трубы, d₁ максимальный линейный размер входного поперечного сечения сопла, причем выходное сечение трубы размещено на входе в цилиндрическую часть воздухозаборника с образованием кольцевого зазора.

Приведенное соотношение необходимо ввиду того, что воздух представляет собой реальный газ, не отвечающий законам идеального газа. Из многочисленных опытов было найдено, что безотрывный характер течения в сопле Витошинского обеспечивается только при соблюдении этого соотношения. При более коротком сопле течение приобретает отрывной характер, турбулизируется, повышается давление в потоке и эффективность устройства падает. Равенство правой и левой части соотношения представляет собой уравнение кривой, разделяющей области отрывного и безотрывного течения в сопле Витошинского. Входное сечение сопла может иметь произвольную форму: круг, эллипс, фигуру изображенную внизу на рисунке 2, или просто щель, в зависимости от удобства приспособления этого устройства к конструкции автомобиля.

Указанная цель достигается также тем, что устройство снабжено дополнительной цилиндрической трубой, установленной в воздухозаборнике коаксиально с выхлопной трубой и соединенной с соплом распорками. Эта дополнительная труба предназначена для крепления сопла на выхлопной трубе автомобиля. Для удобства крепления дополнительная труба может иметь продольные прорези.

Указанная цель достигается также и тем, что входной участок дополнительной цилиндрической трубы может быть выполнен также в виде сопла Витошинского, входное сечение которого равно концевому сечению глушителя, причем воздухозаборник выполнен с удлиненным в сторону глушителя участком, образующим с дополнительной трубой плавно изогнутый канал. Это необходимо для того, чтобы в случае глушителя, близко расположенного к концу выхлопной трубы, избежать завихрения потока в сопле за задним торцом выхлопной трубы.

На фиг. 1 приведена схема выхлопного устройства в его простейшем виде с круглым поперечным сечением продольный разрез и три поперечных разреза; на фиг. 2 два примера входного поперечного сечения устройства; на фиг. 3 - схема устройства с обтекателем заднего торца глушителя с образованием плавно изогнутого канала два вида продольного разреза и поперечное сечение.

Выхлопное устройство состоит из сужающегося сопла Витошинского 1, дополнительной коаксиальной трубы 2, охватывающей выхлопную трубу 3, распорок 4 и хомута 5. На фиг. 3 цифрой 5 обозначен глушитель.

Выхлопное устройство работает следующим образом.

При движении транспортного средства набегающий поток воздуха поступает в воздухозаборник 1. Входное сечение воздухозаборника может иметь форму, удобную для монтажа на конкретное транспортное средство. Благодаря тому, что сопло выполнено по специальному профилю, улучшается аэродинамические характеристики потока предотвращается образование пристенных вихрей, то есть, турбулизация потока, происходит безотрывное течение воздуха. Выхлопные газы по трубе 3 поступают в коаксиальную трубу 2 устройства. Воздушный поток с высокой скоростью выходит через кольцевой зазор, который образован цилиндрической частью сопла с диаметром d₀ и коаксиальной трубой с диаметром d₃, захватывает отработанные дымовые газы и вместе с ними выбрасывается через отверстие d₀. Создаваемое высокоскоростным потоком воздуха разряжение способствует интенсивному отсасыванию выхлопных газов из цилиндров двигателя, что эквивалентно снижению гидравлического сопротивления выпускного тракта и, следовательно, улучшению эффективных показателей двигателя. Крепление устройства может осуществиться с помощью хомута 5 любой конструкции, который стягивает две трубы, внешняя из которых может быть снабжена на конце продольными разрезами.

Технико-экономическая эффективность предложенного устройства заключается в том, что благодаря эффективной эжекции отработанных газов снижается сопротивление выходного тракта, что приводит к экономии мощности двигателя. Это устройство имеет простую конструкцию и может быть применено на разных типах транспортных средств. При массовом изготовлении сопло может штамповаться, оно не требует каких-либо специальных сталей и даже может быть изготовлено из термостойкой пластмассы. Легко крепится и хороший доступ при осмотре.

Использование: в области автомобилестроения, в частности, в системах выпуска отработанных газов. Целью изобретения является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения: выхлопная труба автомобиля охватывается сужающимся соплом Витошинского, длина которого отвечает соотношению l/d₀ - d₃>0,91 In (d₁ - d₃/d₀ - d₃)² в области значений аргумента где l - длина сопла Витошинского, d₀, d₃ - диаметры выходного поперечного сечения сопла и выхлопной трубы, d₁ - максимальный размер входного поперечного сечения сопла. Сопло снабжено дополнительной цилиндрической трубой, установленной коаксиально с выхлопной трубой, причем эта дополнительная труба может иметь входной участок, выполненный в виде сопла Витошинского, входное поперечное сечение которого совпадает с задней торцевой стенкой глушителя, а воздухозаборник выполнен в сторону глушителя участком, образующим с дополнительной трубой плавной изогнутый канал. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Выхлопное устройство двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, содержащее глушитель, сообщенный с выхлопной трубой, выхлопное отверстие которой ориентировано в сторону, противоположную движению транспортного средства, воздухозаборник, охватывающий трубу и расположенный коаксиально последней, и распорки, установленные между воздухозаборником и выхлопной трубой, отличающееся тем, что воздухозаборник выполнен в виде сужающего сопла Витошинского с цилиндрической частью на выходе, длина которой соответствует соотношению

в области значений аргумента от 1 до 10,
где l длина сопла Витошинского;
d₀, d₃ диаметры выходного поперечного сечения и выхлопной трубы;
d₁ максимальный размер входного поперечного сечения сопла,
причем выходное сечение трубы расположено на входе в цилиндрическую часть воздухозаборника с образованием кольцевого зазора. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительной цилиндрической трубой, установленной в воздухозаборнике коаксиально с выхлопной трубой и прикрепленной к распоркам. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что входной участок дополнительной цилиндрической трубы выполнен в виде сопла Витошинского, входное сечение которого равно выходному сечению глушителя, причем воздухозаборник выполнен с удлиненным в сторону глушителя участком, образующим с дополнительной трубой плавно изогнутый канал.