ВЫХЛОПНОЕ УСТРОЙСТВО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2011 года по МПК F01N3/26 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в выхлопных системах двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известно выхлопное устройство ДВС, осуществляющее очистку выхлопных газов от содержащихся в них остатков топлива: углеводородов (С_nН_m) и сажевых частиц (С) - далее частиц, оксида углерода (СО) посредством их термической нейтрализации (окисления) до углекислого газа (СО₂) и воды (Н₂О) - патент US 3791144, 1974. Устройство содержит термический реактор, имеющий корпус, и состоит из соединенных между собой тороидальной и вспомогательной камер. При этом вспомогательная камера связана с выхлопной трубой. Тороидальная камера соединена выпускными патрубками с соответствующими цилиндрами ДВС. В патрубках установлены перфорированные пластинки (теплообменники) из материала с большой теплоемкостью. Повышение температуры выхлопных газов в реакторе до температуры, при которой протекает реакция окисления частиц и оксида углерода, обеспечена посредством инициирования реакции горения. Для этого в реактор вместе с выхлопными газами подают топливо и свежий воздух. Недостатком выхлопного устройства является то, что работа ДВС на обогащенной смеси приводит к увеличению расхода топлива, а высокое сопротивление потоку выхлопных газов формирует противодавление в выпускных патрубках, что снижает мощность ДВС. По совокупности отличительных признаков описанное выхлопное устройство является наиболее близким к предлагаемому изобретению.

Задачей, решаемой изобретением, является создание выхлопного устройства простой конструкции, позволяющее получить следующий технический результат:

- очистку выхлопных газов от содержащихся в них частиц и оксида углерода без использования дополнительного топлива;

- снижение влияния противодавления выпускной системы на работу ДВС.

Задача решается тем, что выхлопное устройство ДВС содержит выпускные патрубки с установленными в них перфорированными пластинками из материала с большой теплоемкостью, соединенные с соответствующими цилиндрами двигателя, термический реактор, имеющий корпус, тороидальную и вспомогательную камеры, соединенные между собой, при этом вспомогательная камера связана с выхлопной трубой. Согласно изобретению камеры расположены в корпусе параллельно и соединены между собой выполненными в корпусе каналами. Вспомогательная камера выполнена улиткообразной, выпускные патрубки выполнены тангенциальными и равномерно расположены по окружности тороидальной камеры. Их оси лежат в плоскости большего сечения тороидальной камеры. В патрубках размещены турбулизирующие решетки. В улиткообразной камере установлен пароподводящий канал, а на выходе из камеры предусмотрен сборник несгоревших частиц, образованный поверхностью камеры и раструбом выхлопной трубы, введенным в камеру, причем сборник связан рециркуляционными каналами с тороидальной камерой.

Целесообразно перед местом ввода патрубков в полости тороидальной камеры установить клинообразные выступы. Кроме этого, в полости тороидальной камеры целесообразно установить пластинки в виде ребер с перфорацией (теплообменники), расположенные параллельно плоскости большего сечения, выполненные из материала с большой теплоемкостью.

Такая конструкция выхлопного устройства ДВС позволяет производить очистку выхлопных газов от частиц и оксида углерода посредством повышения скорости протекания реакции окисления без использования дополнительного топлива. Этому способствует формирование в тороидальной камере зоны термической нейтрализации, повышение плотности потока газов в зоне, его турбулизация на клинообразных выступах, турбулизирующей решетке, перфорированных теплообменниках. В зоне термической нейтрализации в результате преобразования части кинетической энергии потока выхлопных газов в тепловую энергию, экзотермического характера реакции окисления повышена температура газового потока. В ней, в условиях турбулентного пограничного слоя, присутствии избыточного содержания свободного кислорода, паров воды, протекающей сепарации частиц, повышена скорость реакции окисления. Кроме этого, повышена степень проветриваемости цилиндров ДВС за счет эжекторного разряжения в патрубках, увеличенного посредством формирования «отрывного течения» на клинообразных выступах. За счет повышения давления в камерах (тороидальной и улиткообразной) снижено влияние противодавления на показатели работы ДВC. За счет активного перемешивания выровнен импульсный характер потока выхлопных газов по скорости, плотности и температуре. Существенную роль в выравнивании импульсного потока по температуре выполняют теплообменники, выполненные из материала с большой теплоемкостью. В начале такта выпуска теплообменники в результате конвективного теплообмена нагреваются потоком выхлопных газов до температуры более 1000°С. В период проветривания цилиндра, когда температура потока снижается до значений ~ 100°С, теплообменники повышают температуру потока. Устройство оснащено теплозащитным экраном.

Благодаря этому достигается заявленный технический результат:

- очистка выхлопных газов от содержащихся в них частиц и оксида углерода без использования дополнительного топлива;

- снижено влияния противодавления выпускной системы на работу ДВС.

Наряду с этим получен дополнительный технический результат: выровнен импульсный характер потока выхлопных газов по скорости, плотности и температуре, а за счет снижения влияния противодавления и улучшения проветриваемости цилиндров повышен кпд. ДВС. Устройство имеет простую конструкцию и позволяет комплексно достигать положительный технический эффект. Выхлопное устройство может применяться во всех типах ДВС, в том числе авиационных.

Заявленные изобретения, осуществляемые в одном устройстве, взаимосвязаны между собой настолько, что образуют единый изобретательский замысел.

Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков устройства, обеспечивающего получение указанного технического результата.

Сущность изобретения показана на чертежах, где:

Фиг.1 - разрез выхлопного устройства;

Фиг.2 - вид тороидальной камеры в большем сечении;

Фиг.3 - условное сечение улиткообразной камеры.

Сущность изобретения поясняется примером конструктивного выполнения выхлопного устройства.

Выхлопное устройство ДВС (фиг.1-3) содержит корпус, состоящий из тороидальной 1 и улиткообразной 2 камер, полости которых соединены посредством каналов (3 и кольцевого 4). Выпускные патрубки 5, в которых установлены турбулизирующие решетки 6 (фиг.2) и рециркуляционные газовые каналы 7, тангенциально подсоединены к тороидальной камере 1 в плоскости большего ее сечения и равномерно расположены по окружности камеры. В полости тороидальной камеры 1, перед местом ввода выпускных патрубков 5, установлены клинообразные выступы 8. Кроме этого в тороидальной камере 1 установлены теплообменники 9, выполненные в виде перфорированных пластинок из материала с большой теплоемкостью, установленные параллельно большему сечению камеры и параллельно друг другу. В камере 1 имеется кольцевой формы окно 10, соединяющее ее полость с каналом 3, который соединен с центральной частью кольцевого канала 4 и тангенциально введенного в улиткообразную камеру 2. В полости камеры 2 имеется пароподводящий канал 11, а на выходе из полости имеется сборник сепарированных частиц 12, сформированный полостью камеры 2 и введенной в нее выхлопной трубой 13 с раструбом 14. К сборнику 12 подсоединен газовый отвод 15, соединенный (не показано) с газовыми каналами 7 улиткообразной камеры 1. Корпус выхлопного устройства, патрубки 5, газовые каналы 7, газовый отвод 15, оснащены теплозащитным экраном 16.

Выхлопное устройство ДВС функционирует следующим образом. При движении импульсного потока выхлопных газов 17 по патрубку 5 (фиг.2) на турбулизирующей решетке 6 происходит турбулизация потока 17. При этом часть его кинетической энергии переходит в тепло, что сопровождается увеличением температуры выхлопных газов. Поток газов 17 входит тангенциально в полость тороидальной камеры 1. Поступающие в камеру 1 последовательно один за другим порции выхлопных газов 17 формируют в ней вращающийся поток 18. В пристеночной части полости, камеры 1 в результате действия центробежных сил находятся сепарированные частицы и увеличивается давление, значительно превышающее противодавление выпускной системы ДВС. При этом формируется зона термической нейтрализации с турбулентным пограничным слоем 19, в которой протекает активное тепловыделение и теплообмен. В зоне сконцентрирована наиболее энергоемкая часть потока выхлопных газов, представленная кинетической (масса, скорость) и тепловой составляющими (температура газового потока) энергии. В ней резко увеличивается интенсивность переноса количества движения, скорость протекания процессов тепло- и массопереноса, что приводит к ускорению экзотермической реакции окисления частиц (С) и СО до СО₂ и Н₂O). В результате активного перемешивания и теплообмена происходит выравнивание скорости движения объемов потока, их плотности и температуры. Существенную роль в выравнивании импульсного потока по температуре выполняют теплообменники. Теплообменники, нагретые за счет конвективного теплообмена в начале такта выпуска до температуры более 1000°С, повышают температуру потока в период продувки цилиндра, не превышающую 100°С. При применении выхлопного устройства с дизельным ДВС отсутствует необходимость подачи в зону термической нейтрализации дополнительного количества свежего воздуха, так как коэффициент избытка воздуха значительно превышает стехиометрический. В бензиновом ДВС свежий воздух подают посредством компрессора (не показано) в зону термической нейтрализации тороидальной камеры 1 по подключенным к газовым каналам 7 специальным воздушным каналам (подключение не показано). При своем движении по полости камеры 1 поток газов 17 осуществляет эжекторное понижение давления во всех подключенных к ней патрубках 5. Установка клинообразного выступа 8 усиливает эффект эжекторного разряжения в выпускных патрубках 5 за счет формирования «отрывного течения». Оттесненные поступающими порциями выхлопных газов 17 к оси вращения объемы газов 17 перетекают через кольцевое окно 10 в канал 3, по которому в виде пульсирующего потока 20 с вращательно-поступательным характером движения стекают в кольцеобразный канал 4. Здесь, под действием центробежной силы, его объемы движутся по радиусам канала в виде потока 21. Поступив тангенциально в полость улиткообразной камеры 2 (фиг.3), поток газов 21 приобретает вращательное движение 22 (фиг.1) в плоскостях, перпендикулярных ее оси 23. В камере 2 повышается давление и продолжается процесс выравнивания потока по скорости, плотности и температуре. Этому способствует то, что поступающие в камеру 2 в ее начале и на выходе объемы газового потока 21 имеют практически одинаковые линейные скорости. При этом они преодолевают разные расстояния до выхода из камеры 2, т.к. вращательный характер движения потока увеличивает это расстояние многократно. Во время своего продвижения к выхлопной трубе вращающийся поток постоянно пополняется новыми порциями выхлопных газов, что увеличивает эффект выравнивания потока по скорости, плотности и температуре. Температура потока газов в улиткообразной камере снижется до значений, при которых процесс окисления частиц прекращается. По каналу 11 в улиткообразную камеру 2 вводят водяной пар 24. Пар (например) получают за счет тепла выхлопных газов в теплообменнике (парогенераторе), подключенном к выхлопной трубе (не показано). Во вращающемся потоке 22 в результате действия центробежных сил протекает сепарация частиц и формируется турбулентный пограничный слой 25, в котором протекает коагуляция частиц в присутствии паров воды. Эффективность отделения частиц из газа в силовом поле прямо пропорциональна квадрату их размера. Поступающий в камеру поток 21 оттесняет объемы потока к оси 23 полости, где они преобразуются в линейно движущийся вдоль оси поток 26. Сепарированная часть потока 27 выносится по поверхности полости в сборник коагулированных частиц 12, откуда их в составе газовой смеси с парами воды направляют по газовому отводу 15 и газовому каналу 7 в тороидальную камеру 1 - реализуют рециркуляцию. При этом используют эжекторное разряжение в выпускных патрубках 5 и повышенное давление в полости 2. Основной поток выхлопных газов 26 перетекает в выхлопную трубу 13.

Изобретение может быть осуществлено в других вариантах исполнения: камера (тороидальная) может быть выполнена другой формы, например образованная двумя вложенными друг в друга цилиндрами с установленными на их торцах фланцами. Возможно использование тороидальной и улиткообразной камер в виде отдельных устройств. Конструкция выхлопного устройства позволяет производить установку в полости тороидальной камеры дополнительных устройств. Например, установку электронагревательных элементов для подогрева камеры перед пуском двигателя и т.п.. Для ускорения реакции окисления возможно нанесение на поверхность полости и теплообменников материалов с каталитическими свойствами. Предложенное изобретением выхлопное устройство позволяет более эффективно использовать турбонадув, дополнительные нейтрализаторы газов, фильтры и глушители.

Выхлопное устройство ДВС содержит выпускные патрубки, каждый из которых соединен с соответствующим цилиндром двигателя, термический реактор, имеющий корпус, тороидальную и вспомогательную камеры, соединенные между собой. Вспомогательная камера связана с выхлопной трубой. Камеры расположены в корпусе параллельно и соединены между собой каналом, выполненным в корпусе. Вспомогательная камера выполнена улиткообразной, а выпускные патрубки - тангенциальными и равномерно расположены по окружности тороидальной камеры. В патрубках размещены турбулизирующие решетки, а в улиткообразной камере установлен пароподводящий канал. На выходе из улиткообразной камеры предусмотрен сборник несгоревших частиц, образованный поверхностью камеры и раструбом выхлопной трубы, введенным в камеру. Сборник связан рециркуляционными каналами с тороидальной камерой. Такое выполнение позволяет упростить конструкцию устройства, повысить эффективность очистки выхлопных газов и снизить влияние противодавления выпускной системы на работу двигателя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Выхлопное устройство двигателя внутреннего сгорания, содержащее выпускные патрубки, каждый из которых соединен с соответствующим цилиндром двигателя, термический реактор, имеющий корпус, тороидальную и вспомогательную камеры, соединенные между собой, при этом вспомогательная камера связана с выхлопной трубой, отличающееся тем, что камеры расположены в корпусе параллельно и соединены между собой выполненным в корпусе каналом, вспомогательная камера выполнена улиткообразной, выпускные патрубки выполнены тангенциальными и равномерно расположены по окружности тороидальной камеры, а их оси лежат в плоскости наибольшего сечения тороидальной камеры, в патрубках размещены турбулизирующие решетки, в улиткообразной камере установлен пароподводящий канал, а на выходе из улиткообразной камеры предусмотрен сборник несгоревших частиц, образованный поверхностью камеры и раструбом выхлопной трубы, введенным в камеру, причем сборник связан рециркуляционными каналами с тороидальной камерой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перед местом введения выпускных патрубков в полости тороидальной камеры установлены клиновидные выступы, кроме того, в полости тороидальной камеры параллельно плоскости ее большего сечения установлены перфорированные пластинки, изготовленные из материала с большей теплоемкостью.