ЭЖЕКТОР ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВС Российский патент 2023 года по МПК F02B27/04 F01N1/08 

Изобретение относится к автотракторной технике и может быть использовано в системах удаления выхлопных газов ДВС для повышения 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). Для 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.

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. Предложенный к рассмотрению аналог не использует в своем техническом решение свойство закрученных воздушных струй.

Аналогом в предлагаемому техническому решению является близкий по техническому решению «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, содержащим 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.

Наиболее близким по решению задачи улучшения параметров работы ДВС и охраны окружающей среды является исполнение известного по патенту РФ №2548330 «Вихревого эжектора выхлопных газов карбюраторных и дизельных двигателей внутреннего сгорания». 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.

Недостатками данного устройства являются относительно низкий уровень разряжения, создаваемый за срезом выхлопной трубы и связанная с этим экономичность ДВС. В прототипе одинарно закручивается выхлоп ДВС и далее, в него встречным потоком, без закрутки нагнетается атмосферный воздух. Предложенная система закрутки потока выхлопных газов и линейного входа в них атмосферного воздуха, не позволяет использовать свойства атмосферы по созданию в ее локальной области максимально возможного разряжения атмосферы и создания за срезом выхлопной трубы искусственного, самоподдерживающего потока. Техническое исполнение конструкции самого вихревого эжектора не дает возможности реализовать в прототипе мах возможное удаление из выхлопной системы двигателей автомобилей количества выхлопных газов.

Задачей предлагаемого технического решения «Эжектора выхлопных газов ДВС (ЭВГ) является экономия топлива, повышение мощности ДВС и полный дожиг топливной смеси в цилиндрах ДВС в условиях беспрерывного воздействия на выхлопную систему автомобиля само поддерживающееся на срезе выхлопной трубы локальной области глубокого разряжения атмосферы.

Поставленная задача решается разделением на отдельные струи набегающего на передний срез эжектора (ЭВГ) встречного воздуха и последующей их троекратной закрутки вокруг своих осей. Следствием такого решения является повышение эффективности работы двигателя внутреннего сгорания и дизеля, снижение расхода топлива, снижение токсичности выхлопных газов и снижение шума выхлопа.

Технический результат достигается эжектором выхлопных газов ДВС, содержащим конический корпус в виде полого усеченного конуса, установленный на оконечность трубы выхлопной системы автотракторной техники соосно потоку встречного воздуха перпендикулярно большей площадью к нему, а также переходную втулку, соединяющую конический корпус с выхлопной трубой, при этом состоит из конического корпуса в виде усеченного конуса с отверстиями высверленными по окружности в кольцевом выступе плоскости меньшего сечения, отклоняющих пластин, закрепленных под острым углом к воздушному потоку к внутренним стенкам конического корпуса, переходной втулки, закрепленной соосно и герметично к коническому корпусу в плоскости меньшего сечения, закрепленными под острым углом к воздушному потоку полыми коническими циклонами, совмещенными с отверстиями, высверленными по окружности в торцевой плоскости меньшего сечения конического корпуса, установленными в кольцевом пространстве между переходной втулкой и коническим корпусом, внутри конических циклонов установлены внутренние отклоняющие пластины. Отклоняющие пластины конических циклонов установлены в них под острым углом к набегающему потоку, а сами циклоны крепятся к наружной стенке переходной втулки, к внутренней стенке конического корпуса, друг к другу и к отверстиям кольцевого выступа конического корпуса

Возможность достижения требуемого результата показана ниже. 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 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 Р_атм, полного давления потока выхлопных газов, обтекающих донный срез, (локальная область за срезом выхлопной трубы) 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, Фиг. 2, Фиг. 3.

На Фиг. 1 показан основной вид «Эжектора выхлопных газов» (ЭВГ) с боку. На Фиг. 2. кольцевой выступ тыльной оконечности ЭВГ. На Фиг. 3 показан вид фронтальной части ЭВГ.

Эжектор выхлопных газов(ЭВГ) может быть выполнен следующим образом. (Фиг. 1) Конический корпус ЭВГ 1, выполнен из листовой стали с жесткой кольцевой окантовкой на фронтальной оконечности 2. Тыльная оконечность конического корпуса 1 завальцована с образованием кольцевого выступа тыльной оконечности 3, в котором по окружности, с равным диаметром и шагом, выбраны отверстия 4 (Фиг. 2) Диаметр центрального отверстия кольцевого выступа 3, конического корпуса 1, соосен диаметру выхлопной трубы. Переходная втулка 5, жестко, герметично и соосно закреплена в центральном отверстие оконечности кольцевого выступа 3, конического корпуса 1. Сборка; переходная втулка 5 - конический корпус 1, без зазоров, насаживается и крепятся к выхлопной трубе автомобиля 6 (Фиг. 1) К внутренней поверхности конического корпуса, с равным шагом и под острым углом к набегающему потоку воздуха, жестко, крепятся отклоняющие пластины 7 (Фиг. 1, 3) В объеме между коническим корпусом 1 и переходной втулкой 5, к отверстиям 4 и стенкам корпуса 1 и втулки 5 закреплены конические циклоны 8.(Фиг. 1, 2, 3) К внутренней стенке каждого циклона 8, под острым углом к встречному потоку воздуха, крепятся отклоняющие пластины 9 (Фиг. 1, 3) Продольные оси отклоняющих пластин 7, конического корпуса 1, циклонов 8 и установленных внутри их отклоняющих пластин циклонов 9, создают тройное завихрение 10 (Фиг. 1), фронтального потока встречного воздуха 11 (Фиг. 1), заходящего в «Эжектор выхлопных газов»(ЭВГ) со скоростью движущегося транспортного средства.

Работа «Эжектора выхлопных газов» происходит следующим образом. Встречный, фронтальный поток 11, захватывается передней расширенной оконечностью конического корпуса эжектора 1 и за счет подпора встречного воздуха сжимается в конусе корпуса 1, закручивается отклоняющими пластинами 7, внутри конического корпуса 1. Буквой «в», на Фиг. 1 - показана закрутка воздуха отклоняющими пластинами конического корпуса 1. Далее, поток воздуха движется в кольцевом объеме между переходной втулкой 5 и сужающими внутренними стенками конического корпуса 1. На срезе входов в конические циклоны 8, уже закрученный поток воздуха «в», разделяется на самостоятельно закручиваемые конусом циклонов струи 8. Буквой «б», на Фиг. 1 - показана закрутка воздуха коническими циклонами 8. При этом каждый из конусов циклонов 8, установлен под острым углом к оси конического корпуса 1. Вращающиеся вокруг своих осей воздушные струи 10, каждая из которых подкручивается вокруг своей оси внутри циклона 8, при помощи отклоняющих пластин циклонов 9, дополнительно закручиваются внутри каждого циклона 8, образуя на выходе из циклонов 8, трижды закрученный поток воздуха 10. Буквой «а», на Фиг. 1 - показана закрутка воздуха отклоняющими пластинами 9, циклонов 8. Конструктивное исполнение «Эжектора выхлопных газов» позволяет встречный поток воздуха 11, на входе в его, фронтальную часть, Фиг. 3 - преобразовать в трижды, упорядочено закрученный, условно организованный, поток воздуха на выходе из ЭВГ, Фиг. 2 воздуха 10. Беспрерывно поддерживать работу по вращению воздушной среды внутри Эжектора выхлопных газов (ЭВГ) без механических движителей и дополнительных источников энергии позволяет фронтальный встречный поток, воздуха 11 (Фиг. 1), образуемый движением автотранспортного средства. При отсутствии встречного потока воздуха выхлопная система ДВС будет работать в обычном порядке. Чем выше скорость авто, тем большее разряжение будет образовано ЭВГ за срезом выхлопной трубы 6, тем эффективнее работа ДВС по экономии топлива, до жигу газов, меньшее воздействие вредных выбросов на окружающую среду, и оптимизация работы циклов двигателя. При этом, положительный эффект от воздействия ЭВГ на ДВС автомобиля, будет превышать его затраты на преодоление силы сопротивления кольцевого фронтального сечения ЭВГ.

Наряду с декоративными свойствами, выполненного из нержавеющей стали «Эжектора выхлопных газов», его применение в выхлопных системах автомобилей приобретает новые свойства такие, как экономии топлива и охрана окружающей среды. Экономический эффект от применения «Эжектора выхлопных газов» может составить миллионы рублей.

Применение на практике «Эжектора выхлопных газов» разных отраслях промышленности включая транспорт, позволит получить экономический эффект в разных секторах народного хозяйства.

ТЕРМИНЫ.

1. Конический корпус ЭВГ.

2. Фронтальная оконечность ЭВГ.

3. Кольцевой выступ тыльной оконечности ЭВГ.

4. Отверстия в кольцевом выступе конического корпуса.

5. Переходная втулка.

6. Выхлопная труба автомобиля.

7. Отклоняющие пластины корпуса ЭВГ.

8. Конические циклоны.

9. Отклоняющие пластины циклонов эжектора.

10.Упорядоченный, трижды закрученный, организованный поток воздуха.

11.Фронтальный поток встречного воздуха.

«в» - закрутка воздуха отклоняющими пластинами конического корпуса.

«б» - закрутка воздуха коническими циклонами.

«а» - закрутка воздуха отклоняющими пластинами циклонов.

Изобретение относится к автотракторной технике и может быть использовано в системах удаления выхлопных газов ДВС. Эжектор выхлопных газов ДВС содержит конический корпус (1) в виде полого усеченного конуса, установленный на оконечность трубы (6) выхлопной системы автотракторной техники соосно потоку (11) встречного воздуха перпендикулярно большей площадью к нему. Переходная втулка (5) соединяет корпус (1) с выхлопной трубой (6). Конический корпус (1) содержит отверстия (4), высверленные по окружности в кольцевом выступе (3) плоскости меньшего сечения. Отклоняющие пластины (7) закреплены под острым углом к воздушному потоку к внутренним стенкам корпуса (1). Переходная втулка (5) закреплена соосно и герметично к корпусу (1) в плоскости меньшего сечения. Полые конические циклоны (8) закреплены под острым углом к воздушному потоку и совмещены с отверстиями (4), высверленными по окружности в торцевой плоскости меньшего сечения конического корпуса (1), установлены в кольцевом пространстве между переходной втулкой (5) и коническим корпусом (1). Внутри конических циклонов (8) установлены внутренние отклоняющие пластины (9). Технический результат заключается в повышении эффективности работы двигателя внутреннего сгорания, снижении расхода топлива, снижении токсичности выхлопных газов, снижении шума выхлопа. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Эжектор выхлопных газов ДВС, содержащий конический корпус в виде полого усеченного конуса, установленный на оконечность трубы выхлопной системы автотракторной техники соосно потоку встречного воздуха перпендикулярно большей площадью к нему, а также переходную втулку, соединяющую конический корпус с выхлопной трубой, отличающийся тем, что состоит из конического корпуса в виде усеченного конуса с отверстиями, высверленными по окружности в кольцевом выступе плоскости меньшего сечения, отклоняющих пластин, закрепленных под острым углом к воздушному потоку к внутренним стенкам конического корпуса, переходной втулки, закрепленной соосно и герметично к коническому корпусу в плоскости меньшего сечения, закрепленных под острым углом к воздушному потоку полых конических циклонов, совмещенных с отверстиями, высверленными по окружности в торцевой плоскости меньшего сечения конического корпуса, установленных в кольцевом пространстве между переходной втулкой и коническим корпусом, внутри конических циклонов установлены внутренние отклоняющие пластины.

2. Эжектор выхлопных газов ДВС по п. 1, отличающийся тем, что отклоняющие пластины конических циклонов установлены в них под острым углом к набегающему потоку, а сами циклоны крепятся к наружной стенке переходной втулки, к внутренней стенке конического корпуса, друг к другу и к отверстиям кольцевого выступа конического корпуса.