ВИХРЕВОЙ ЭЖЕКТОР ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ КАРБЮРАТОРНЫХ И ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F01N1/08 F02B27/04 

Изобретение относится к автотракторной технике и может быть использовано в установках выхлопа двигателей внутреннего сгорания и дизелей для повышения экономичности и мощности двигателя, снижения расхода топлива, а также токсичности выхлопных газов и шума выхлопа.

Известен «Ускоритель потока выхлопных газов для двигателя внутреннего сгорания и устройство для охлаждения двигателя потоком всасываемого воздуха» (патент ЕПВ 0323039, кл. F01N 1/08, 1991). Ускоритель потока выхлопных газов предназначен для карбюраторных или дизельных двигателей внутреннего сгорания. В выхлопной магистрали, соединенной одним концом с выхлопной системой двигателя внутреннего сгорания и сообщающейся другим концом с атмосферой, предусмотрен ускорительный блок, содержащий цилиндрический корпус с размещенными внутри него крыловидными профильными вставками. Ускорительный блок, использующий энергию потока выхлопных газов, увеличивает скорость потока. Одновременно ускорение потока создает большое отрицательное давление, вызывающее всасывание воздуха, который охлаждает двигатель внутреннего сгорания.

Недостатком известного ускорителя является относительно низкий КПД повышения мощности и экономичности двигателя, обусловленный созданием дополнительного сопротивления прохождению потока газов, так как площадь поперечного сечения входа ускорительного блока равна площади поперечного сечения его выхода. Кроме того, эжекция атмосферного воздуха используется для охлаждения двигателя внутреннего сгорания и не направлена на увеличение скорости потока выхлопных газов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является «Ускоритель потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания с эжектором» (патент RU 2059839, кл. F01N 1/08, F02B 27/04, 1996).

В известном ускорителе потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания с эжектором, содержащем выпускной трубопровод, соединенный с одной стороны при помощи переходника с выпускной системой, а с другой - через раструб с атмосферой, и ускорительный блок, расположенный между переходником и внутренней поверхностью раструба, ускорительный блок выполнен в виде конуса, установленного за переходником вдоль оси трубопровода с вершиной, обращенной в сторону движения потока выхлопных газов, на внешней стороне конуса выполнены проточные каналы выхлопных газов и дополнительные вторичные каналы эжектируемого воздуха, причем поперечное сечение проточных каналов в направлении от вершины конуса к торцу преобразуется из треугольного в трапецеидальное соответственно, а треугольные поперечные сечения получены делением площади поперечного сечения на П секторов (П>2), эжектор образован кольцевой профильной щелью, между внутренней поверхностью раструба в месте сопряжения его с торцом конуса и внешними поверхностями проточных каналов и дополнительными каналами вторичного эжектируемого воздуха, а раструб выполнен в виде усеченного конуса со скругленной передней кромкой, обращенной в сторону движения потока газов, а также тем, что проточные каналы выполнены по спирали, кроме того, площадь поперечных сечений дополнительных каналов в направлении от торца конуса у его вершине выполнены уменьшающимися до нуля, а проточные каналы жестко соединены с поверхностями конуса, раструба и переходника, при этом выходное сечение раструба выполнено в виде сопла Лаваля.

Недостатками данного устройства являются относительно низкий уровень повышения мощности и экономичности двигателя или дизеля, обусловленный предложенной системой закрутки потока выхлопных газов и входящего потока атмосферного воздуха, вызывающей дополнительное сопротивление прохождению потока выхлопных газов, усложнение конструкции самого ускорителя, а также возможность реализации в данном устройстве ограниченного количества проточных каналов выхлопных газов.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы двигателя внутреннего сгорания и дизеля, снижение расхода топлива, снижение токсичности выхлопных газов и снижение шума выхлопа.

Технический результат заключается в повышении экономичности и мощности двигателя внутреннего сгорания и дизеля, упрощении конструкции и технологии изготовления установки за счет предложенной системы закрутки выхлопных газов, позволяющей разделить поток выхлопных газов на N продольных прямоточных струй, что повышает чувствительность и управляемость устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что струйная камера выполнена в виде тонкостенного полого конуса с углом при вершине не долее 15°, расположенного за переходной втулкой и обращенного в сторону движения потока выхлопных газов, и полого конусного цилиндра, между поверхностями конуса и полого конусного цилиндра установлено N продольных прямоточных пластин, организующих проточные каналы выхлопных газов, причем поперечное сечение проточных каналов от вершины конуса к его торцу преобразуется из треугольного в трапецеидальное, где верхняя и нижняя стенки трапеции - дугообразные, эжектор образован торцом конуса, N проточными каналами выхлопных газов и проходным кольцевым каналом эжектируемого атмосферного воздуха, образованным внешней поверхностью полого конусного цилиндра и воздухозаборника, обращенного в сторону движения автомобиля (транспортного средства), выхлопные газы после проточных каналов закручиваются с помощью пружинящих лопастей, установленных к потоку под углом 30°-60° и конструктивно являющихся продолжением продольных пластин, размещенных в начале вихревой камеры, причем пружинящие лопасти перекрывают как выходные проточные каналы выхлопных газов, так и проходной кольцевой канал эжектируемого атмосферного воздуха, соотношение площадей сечения входного потока выхлопных газов к выходной площади сечения струйной камеры, к площади входного сечения вихревой камеры и к площади сужения выходного диффузора выполнены как ~ 1:1, 38:1, 626:1,38, соотношение длины струйной камеры к длине вихревой камеры и длине выходного диффузора выполнены как ~ 1:1,2:0,4, отношение входной площади проходного кольцевого канала эжектируемого атмосферного воздуха к площади поступающего потока выхлопных газов, а также диаметра сужения выходного диффузора к диаметру входного сечения вихревой камеры выполнены как ~ 0,65:1.

Возможность достижения требуемого результата доказывается следующим.

Из теории двигателей внутреннего сгорания (Орлин А.С., Круглов М.Г. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1983) известно, что снижение давления P₁ на выхлопе из двигателя внутреннего сгорания приводит к увеличению полноты наполнения цилиндра η_v и снижению удельного расхода топлива q_e, т.к.

,

где ε - степень сжатия в цилиндре, Т_вп и ΔT - температура смеси на впуске и прирост температуры при сгорании топлива, φ - степень уменьшения объема, P_a - атмосферное давление, P_вп - давление на впуске, а удельный расход топлива определяют из соотношения

,

т.е. чем ниже давление на выходе из системы выхлопа, тем больше полнота наполнения цилиндра η_v и ниже удельных расход топлива q_e.

Снижение давления на выхлопе P₁, в данном случае, достигается за счет организации обтекания, т.е. «донного среза» и использования особого эффекта вихревой трубы, обладающей способностью к самовакуумированию.

По законам аэродинамики при обтекании потоком жидкости или газа донного среза (притупленной задней стенки обтекаемого тела) за ним возникает область с пониженным давлением (в данном случае функцию донного среза выполняет торцевая сторона полого тонкостенного конуса). Степень понижения давления существенно зависит от скорости обтекающего потока жидкости или газа и геометрических параметров самого тела. Все это способствует увеличению скорости движения потока выхлопных газов (Петров К.П. Аэродинамика элементов летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1985). Еще больший эффект вызывает организация закрутки потока выхлопных газов и эжектируемого потока атмосферного воздуха. В закрученных потоках жидкости и газа скорости их движения направлены по концентрическим круговым линиям тока и обратно пропорциональны радиусу вихря. Эти потоки можно рассматривать в качестве эффективных концентраторов кинетической энергии: примером такого вихревого потока являются природные закрученные течения, например атмосферные смерчи и океанические «ринги», обладающие удивительно малой диссипацией энергии и высокой устойчивостью по отношению к внешним воздействиям, и, конечно, «вихревые трубы». Способность «вихревой трубы» к самовакуумированию позволяет использовать ее в качестве вакуумирующего (эжектирующего) устройства. Создаваемый «вихревой трубой» вакуум обеспечивает интенсивный отсос газа (жидкости) из вакуумируемого объема. При этом величина создаваемого вакуума зависит от трех факторов: абсолютного давления P_атм, полного давления потока выхлопных газов, обтекающих донный срез, и относительного размера донного среза. Все это существенно увеличивает отрицательное давление в области донного среза и, соответственно, увеличивает выходную скорость выхлопных газов, что, в свою очередь, усиливает эжекцию потока атмосферного воздуха (Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. - Самара: ООО «Полиграфист», 1997).

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1, 2, 3 и 4.

На фиг.1 представлена конструкция вихревого эжектора выхлопных газов карбюраторных и дизельных двигателей внутреннего сгорания для случая с N каналами в струйной камере.

На фиг.2 - сечение А-А в месте соединения его с переходной втулкой.

На фиг.3 - сечение Б-Б струйной камеры с прямоточными проходными каналами и торцевой стороной полого тонкостенного конуса (донного среза).

На фиг.4 - сечение С-С вихревой камеры с пружинящими лопастями, закручивающими струи потока выхлопных газов и эжектируемого атмосферного воздуха.

Вихревой эжектор выхлопных газов (фиг.1) содержит переходную втулку 1, струйную камеру с прямоточными каналами 2, полый тонкостенный конус 3, полый конусный цилиндр 4, воздухозаборник 5, пружинящие лопасти 6, вихревую камеру 7, выходной диффузор 8.

Струйная камера 2 образована полым конусным цилиндром 4, продольными прямоточными каналами 9 и полым тонкостенным конусом 3, а вихревая камера 7 образована раструбом 12, выполненным в виде усеченного конуса с малым углом сужения в сторону выхода газовой смеси из потока выхлопных газов и потока атмосферного воздуха с расположенными в нем пружинящими лопастями 6.

Эжектор образован проходным кольцевым каналом эжектируемого атмосферного воздуха 10, струйной камерой 2 и торцом полого тонкостенного конуса 3.

Работает вихревой эжектор следующим образом.

Выхлопные газы от системы выхлопа двигателя 11 через переходную втулку 1 поступают в продольные прямоточные каналы и, обтекая тонкостенный полый конус 4, создают на его торце зону пониженного давления, одновременно эти выхлопные газы увлекают за собой, через проходной кольцевой канал 10, атмосферный воздух. Смесь выхлопных газов и атмосферного воздуха, пройдя через пружинящие лопасти 6, формируется в закрученный поток, который существенно увеличивает отрицательное давление в зоне донного среза.

Как известно, пониженное давление на выходе выпускного трубопровода приводит к повышению экономичности и мощности двигателя. Кроме того, за счет более полного сгорания топлива в цилиндрах снижается процентное содержание CO₂. Использование вихревого эжектора выхлопных газов кроме увеличения скорости потока выхлопных газов улучшает шумопоглощение выхлопа за счет подавления резонансных всплесков звуковых частот от 2000 Гц и выше. Уровень заглушающего действия при этом может составлять не менее 5 дБ.

Изобретение относится к автотракторной технике и может быть использовано в устройствах выхлопа двигателей внутреннего сгорания и дизелей. Вихревой эжектор выхлопных газов содержит усилитель выброса потока выхлопных газов и атмосферного воздуха, переходную втулку, струйную камеру. Струйная камера выполнена в виде тонкостенного полого конуса с углом при вершине не более 15°, расположенного за переходной втулкой и обращенного в сторону движения потока выхлопных газов, и полого конусного цилиндра. Между поверхностью конуса и полого конусного цилиндра установлено N продольных прямоточных пластин. Поперечное сечение проточных каналов от вершины конуса к торцу преобразуется из треугольного в трапецеидальное. Эжектор образован торцом тонкостенного полого конуса, N проточными каналами выхлопных газов и проходным кольцевым каналом, образованным внешней поверхностью полого конусного цилиндра и воздухозаборника, обращенного в сторону движения автомобиля. Пружинящие лопасти установлены к потоку под углом 30°-60° и являются продолжением продольных пластин, размещенных в начале вихревой камеры. Соотношение площади сечения входного потока выхлопных газов к площадям сечений других функциональных элементов выполнены как ~ 1:1,38:1,626:1,38, соотношение длины струйной камеры к длине вихревой камеры и длине выходного диффузора выполнены как ~ 1:1,2:0,4, отношение входной площади проходного кольцевого канала эжектируемого атмосферного воздуха к площади поступающего потока выхлопных газов и отношение диаметра сужения выходного диффузора соотносится к диаметру входного сечения вихревой камеры как ~ 0,65:1. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы двигателя внутреннего сгорания и дизеля, снижение токсичности выхлопных газов, снижение расхода топлива и шума выхлопа. 4 ил.

Вихревой эжектор выхлопных газов карбюраторных и дизельных двигателей внутреннего сгорания, содержащий усилитель выброса потока выхлопных газов и атмосферного воздуха, соединенный с одной стороны при помощи переходной втулки с системой выхлопа двигателя или дизеля, а с другой - через вихревую камеру и сопло Лаваля - с атмосферой и струйной камерой, расположенной между переходной втулкой и вихревой камерой, отличающийся тем, что струйная камера выполнена в виде тонкостенного полого конуса с углом при вершине не более 15°, расположенного за переходной втулкой и обращенного в сторону движения потока выхлопных газов, и полого конусного цилиндра, между поверхностью конуса и полого конусного цилиндра установлено N продольных прямоточных пластин, организующих проточные каналы выхлопных газов, причем поперечное сечение проточных каналов от вершины конуса к торцу преобразуется из треугольного в трапецеидальное, где верхняя и нижняя стенки трапеции - дугообразные, эжектор образован торцом тонкостенного полого конуса, N проточными каналами выхлопных газов и проходным кольцевым каналом эжектируемого атмосферного воздуха, образованным внешней поверхностью полого конусного цилиндра и воздухозаборника, обращенного в сторону движения автомобиля (транспортного средства), выхлопные газы после продольных прямоточных каналов закручиваются с помощью пружинящих лопастей, установленных к потоку под углом 30°-60° и являющихся продолжением продольных пластин, размещенных в начале вихревой камеры, причем пружинящие лопасти перекрывают как выходные проточные каналы выхлопных газов, так и проходной кольцевой канал эжектируемого атмосферного воздуха, соотношение площади сечения входного потока выхлопных газов к площадям сечений других функциональных элементов (выходное сечение струйной камеры, входное сечение вихревой камеры, сечения сужения выходного диффузора) выполнены как ~ 1:1,38:1,626:1,38, соотношение длины струйной камеры к длине вихревой камеры и длине выходного диффузора выполнены как ~ 1:1,2:0,4, отношение входной площади проходного кольцевого канала эжектируемого атмосферного воздуха к площади поступающего потока выхлопных газов и отношение диаметра сужения выходного диффузора соотносится к диаметру входного сечения вихревой камеры как ~ 0,65:1.