Устройство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания Российский патент 2025 года по МПК F01N3/00 F02B27/04 

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к автомобилестроению, относится к средствам для выхлопных систем двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС) и позволяет оптимизировать процесс сгорания топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания карбюраторного, дизельного, газового типа.

Известны различные устройства, встраиваемые в выхлопные системы.

Известно устройство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания (Заявка RU №95107772, Α1, МПК⁶ F01N 3/00, опубл. 02.10.1997). При работе двигателя внутреннего сгорания выхлопные газы в завихрителе закручиваются. Закрученный поток вызывает разрежение в его центральной части, обеспечивая дополнительный подсос газов из корпуса. За счет центробежных сил вращающегося потока несгоревшие пары топлива как более, тяжелые задерживаются в центробежных ловушках накопителя, в которых догорают.

Недостатком устройства является то, что сажа периодически загорается.

Известно устройство в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания описанное в заявке на изобретение, заявка на изобретение №2009128424, опубл. 2011 г., включающее корпус с входным и выходным отверстиями, направляющий аппарат потока отработавших газов, корпус выполнен в виде гладкой цилиндрической трубы, в которой расположен направляющий аппарат закручивания потока отработавших газов, выполненный в виде плоских отклоняющих пластин, установленных неподвижно на внутренней поверхности цилиндрической трубы, под углом к центральной оси с переменными, возрастающими по ходу потока отработавших газов поверхностями, с образованием приосевой области, свободной от отклоняющих пластин, соосно связывающей направляющий аппарат закручивания потока отработавших газов с генерирующей камерой, генерирующая камера связана соосно с диффузором, который имеет форму пустотелого усеченного конуса, установленного меньшим основанием во внутренний объем генерирующей камеры и соединенного герметично с генерирующей камерой большим основанием усеченного конуса.

Недостатком известного решения является низкая эффективность сгорания топлива, из-за недостаточной продувки ДВС, и неэффективное использование теплоресурса устройства.

Известен эжектор выхлопных газов ДВС (см. патент РФ на изобретение № 2804988, опубл. 2023 г.), 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, 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.

Недостатком известного технического решения является то, что в основном способствует дожиганию паров топлива, содержащихся в отходящих газах, и недостаточно эффективно оптимизирует работу двигателя внутреннего сгорания;

двигатель внутреннего сгорания при наличии такого устройства в выхлопной системе имеет существенный расход топлива.

Известно средство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания (ближайший аналог, прототип, см. патент РФ 2440498, опубл. 2012 г.), включающее корпус, имеющий внутреннюю полость, снабженную входом для газового потока и выходом для газового потока, и завихритель газового потока, расположенный во внутренней полости корпуса, внутренняя полость корпуса выполнена в форме сопрягающихся между собой конической части и цилиндрической части, причем коническая часть имеет форму усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения газового потока от входа к выходу, а цилиндрическая часть расположена после конической части по ходу движения газового потока и содержит завихритель газового потока, который выполнен в форме цилиндрического стакана, наружный диаметр которого меньше внутреннего диаметра цилиндрической части полости корпуса, в дне которого имеется центральное цилиндрическое отверстие, а в стенке выполнены прорези, расположенные тангенциально к окружности названного центрального отверстия, а внутри названного стакана и соосно с ним расположено коническое сопло, сужающееся в направлении движения газового потока. Вход для газового потока снабжен цилиндрическим патрубком. Выход для газового потока снабжен цилиндрическим патрубком. Вход для газового потока сообщается с выпускной системой двигателя внутреннего сгорания, а выход для газового потока сообщается с атмосферой. Внутренняя поверхность конического сопла завихрителя газового потока отполирована.

Недостатком прототипа является то, что скручивающий аппарат имеет не высокую степень скрутки потока выхлопных газов. Это приводит к снижению степени разряженности внутри устройства. Кроме этого, в прототипе отсутствует сопло Лаваля, что отрицательно влияет на скорость истечения отработавших газов.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание эффективного средства для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, способного оптимизировать его работу, существенно снизить расход топлива, убрать, так называемую, турбояму в ДВС с турбонаддувом, снизить количество вредных веществ отработавших газах, очищать цилиндропоршневую группу от различных отложений.

Технический результат заключается в повышении надежности устройства за счёт отсутствия подвижных деталей, а также вследствие обеспечения высокой прочности за счет характеристик материалов, жёстким крепежом между собой и корпусом.

Технический результат достигается тем, что устройство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания включает корпус, имеющий внутреннюю полость, снабженную входом для газового потока и выходом для газового потока, внутренняя полость корпуса содержит завихритель газового потока, завихрители газового потока выполнены в виде вихревых секций, каждая вихревая секция включает жестко закреплённые между собой два параллельных диска и тангенциально расположенные лопасти, при этом к первой вихревой секции со стороны входа жестко закреплена полусфера с отверстием в центре, выход для газового потока выполнен в виде сопло Лаваля, вихревые секции жестко закреплены между собой и с соплом Лаваля. Каждая вихревая секция включает двенадцать тангенциально расположенных лопастей, при этом диски и лопасти соединены через пазы. Корпус выполнен цилиндрическим. Вход для газового потока снабжен цилиндрическим патрубком. Отверстие полусферы имеет коноидальную форму. Вихревые секции расположены соосно с корпусом. Вход для газового потока сообщается с выпускной системой двигателя внутреннего сгорания, а выход для газового потока сообщается с атмосферой.

Устройство поясняется нижеследующим описанием.

На фиг. 1 показан пример общего вид устройства, где 1 - корпус, 2 - патрубок, 3 - сопло Лаваля, вихревые секции - 4, полусфера - 5 с центральным отверстием - 6.

На фиг.2 – пример выполнения вихревой секции, где 7 - диск с центральным отверстием, 8 - лопасти.

Устройство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания состоит из цилиндрического металлического корпуса 1 со входом в виде короткого патрубка 2 и выхода в виде сопла 3 Лаваля. Внутри корпуса 1 расположен вихревой аппарат, выполненный в виде вихревых секций 4 в количестве от 6 до 16 штук. Длина цилиндрической части внутренней полости корпуса 1 больше длины расположенных в ней вихревых секций 4 и таким образом между вихревыми секциями и корпусом образована цилиндрическая полость.

Вихревые секции 4 расположены соосно с внешним корпусом 1. Количество вихревых секций 4 обусловлено оптимальным соответствием литражу ДВС. Вихревая секция 4 образована двумя параллельными дисками 7 и двенадцатью тангенциально расположенными лопастями 8. Диски 7 и лопасти 8 соединяются через пазы. После предварительной сборки вихревых секций 4, все диски 7 и лопасти 8 свариваются в определённых местах. Завихряющий аппарат приварен к соплу 3 Лаваля, другим концом - к внутренней поверхности корпуса 1, такое соединение обеспечивает отсутствие колебаний. Каждая вихревая секция 4, предпочтительно, имеет 12 лопастей для обеспечения наиболее эффективного скручивания потока. К первой вихревой секции 4 (со стороны входа) приварена полусфера 5 с отверстием 6 в центре. Форма отверстия в полусфере имеет определённое значение для организации центрального (приосного) вихря. Отверстие имеет коноидальную форму с определённым градусом схождения.

Предложенная конструкция завихряющего аппарата обеспечивает жёсткость и отсутствие «паразитных» вибраций.

Предлагаемое средство, установленное в выхлопной системе, например, автомобиля, после выхлопного коллектора или турбокомпрессора, работает следующим образом.

После запуска ДВС за счёт искры зажигания или высокой температуры от сжатия воздушного заряда из трех молекул двухатомного кислорода О₂ получается две молекулы озона О₃, немедленно распадающегося на двухатомный кислород и кислород ион О^-2.

Активный кислород-ион О^-2 в условиях вибрационного горения полностью сжигает углеводородное топливо без остатков CO и CH, превращая работу по выталкиванию несгоревшего топлива в полезное давление на поршень.

После того как ДВС запущен, отработавшие газы поступают в устройство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания через входной патрубок 2 и, обтекая полусферу 5 с центральным отверстием, двигаются вдоль тангенциальных секций 4, попадая в которые скручиваются, превращаясь в вихри.

Тангенциальное закручивание потоков отработавших газов (как по часовой, так и против часовой стрелки) приводят к разделению этих потоков на внешний и внутренний. Внешний поток закручивается лопастями 8, тангенциально расположенными в корпусе 1. В результате закручивания образуется зона пониженного давления вдоль оси предлагаемого устройства.

Внешний поток, двигаясь к соплу Лаваля, имеет осевую скорость ниже скорости звука, достигая критического минимума сечения сопла - звуковую скорость, двигаясь по расширяющейся части сопла, имеет сверхзвуковую скорость.

Сопло Лаваля обеспечивает интенсивную продувку камеры сгорания и лучшее наполнение цилиндра свежей порцией воздуха.

Сопло Лаваля - техническое приспособление, служащее для ускорения газового потока, проходящего по нему, до скоростей, превышающих скорость звука. Сопло представляет собой канал, сужающийся в середине. В простейшем случае такое сопло может состоять из пары усеченных конусов - конфузора и диффузора, сопряженных друг с другом меньшими окружностями. При прохождении скрученного потока отработавшего выхлопного газа через конфузор, т.е. участок, где сопло Лаваля сужается, газ имеет дозвуковую скорость движения (М<1), при прохождении газа через диффузор, т.е. участок, где сопло расширяется, газ имеет сверхзвуковую скорость движения газа (М>1), а при прохождении газа через самое узкое сечение сопла, называемое критическим, газ имеет скоростью звука (М=1).

При работе сопла Лаваля в непустой среде, т.е. в атмосфере, сверхзвуковое течение может возникнуть только при достаточно большом избыточном давлении газа на входе в сопло по сравнению с давлением окружающей среды. При возникновении сверхзвукового течения давление газа на выходном срезе сопла может оказаться даже меньше давления окружающей среды (вследствие перерасширения газа при движении по соплу). Такой газовый поток может оставаться стабильным, поскольку давление окружающей среды (пока оно не на много превышает давление газа на срезе сопла) не может распространяться против сверхзвукового газового потока.

Таким образом, на сужающемся докритическом участке сопла Лаваля движение газового потока происходит с дозвуковыми скоростями. В самом узком критическом сечении сопла локальная скорость газового потока достигает звуковой, или близкой к ней. При описанной конструкции завихрителя газового потока целесообразно, чтобы сопло Лаваля в критическом сечении имело диаметр в 1.5-2 меньше диаметра отверстия воронки завихрителя газового потока. На расширяющемся закритическом участке сопла газовый поток движется со сверхзвуковыми или близкими к ним скоростями.

При определённых условиях (условиях перерасширения потока газов) происходит срыв потока, что приводит к возникновению ударной волны, которая распространяется к ДВС в виде вибрации и через выпускные клапаны в камеру сгорания. Далее, во время перекрытия клапанов (впускной и выпускной открыты) проникает во впускной коллектор. Когда клапаны закрыты вибрация среды в камере сгорания сохраняется достаточное время для превращения обычного процесса горения в так называемое вибрационное горение, которое не только позволяет в два раза ускорить процесс, но и обеспечивает полное сгорание топлива.

Устройство начинает работать уже на холостом ходу, что позволяет исключить, так называемую, «турбо-яму» на двигателях с наддувом.

Процессы, протекающие внутри цилиндра, с помощью предлагаемого устройства, способствуют очищению цилиндропоршневой группы от различных отложений.

Испытания показали, что при наличии предлагаемого средства в выхлопной системе автомобиля с двигателем внутреннего сгорания происходит следующая оптимизация:

- экономия топлива примерно 20%;

- увеличение крутящего момента 20-25% уже на холостом ходе;

- исчезновение, так называемой, турбоямы в ДВС с турбонаддувом;

- снижает количество вредных веществ отработавших газах Co CH и NOx;

- очистка цилиндропоршневой группы от различных отложений.

Таким образом, устройство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания способствует интенсивному удалению выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания и оптимизирует процессы горения при его работе, а, следовательно, в целом оптимизирует работу двигателя внутреннего сгорания, снижает расход топлива и повышает эффективность его работы.

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к автомобилестроению, относится к средствам для выхлопных систем двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС) и позволяет оптимизировать процесс сгорания топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания карбюраторного, дизельного, газового типа. Устройство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания включает корпус, имеющий внутреннюю полость, снабженную входом для газового потока и выходом для газового потока. Внутренняя полость корпуса содержит завихритель газового потока. Завихритель газового потока выполнен в виде вихревых секций, каждая вихревая секция включает жестко закреплённые между собой два параллельных диска и тангенциально расположенные лопасти. К первой вихревой секции со стороны входа жестко закреплена полусфера с отверстием в центре. Отверстие полусферы имеет коноидальную форму. Выход для газового потока выполнен в виде сопла Лаваля. Вихревые секции жестко закреплены между собой и с соплом Лаваля. При реализации изобретения обеспечивается повышение надежности устройства за счет отсутствия подвижных деталей, высокая прочность за счет жесткого крепления элементов между собой и корпусом. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, включающее корпус, имеющий внутреннюю полость, снабженную входом для газового потока и выходом для газового потока, внутренняя полость корпуса содержит завихритель газового потока, отличающееся тем, что завихритель газового потока выполнен в виде вихревых секций, каждая вихревая секция включает жестко закреплённые между собой два параллельных диска и тангенциально расположенные лопасти, при этом к первой вихревой секции со стороны входа жестко закреплена полусфера с отверстием в центре, отверстие полусферы имеет коноидальную форму, выход для газового потока выполнен в виде сопла Лаваля, вихревые секции жестко закреплены между собой и с соплом Лаваля.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая вихревая секция включает двенадцать тангенциально расположенных лопастей, при этом диски и лопасти соединены через пазы.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен цилиндрическим.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вход для газового потока снабжен цилиндрическим патрубком.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вихревые секции расположены соосно с корпусом.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вход для газового потока сообщается с выпускной системой двигателя внутреннего сгорания, а выход для газового потока сообщается с атмосферой.