Ускоритель потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания с эжектором

 

Использование: в автомобилестроении, в частности в устройствах выхлопа для повышения экономичности и мощности двигателя внутреннего сгорания, а также снижения токсичности выхлопных газов. Сущность изобретения: ускоритель потока выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания с эжектором содержит раструб, конус с расположенными на нем проточными и вторичными каналами, эжектор, камеру смещения потоков выхлопных газов и эжектируемого воздуха и сопло Ловаля на выходе ускорителя. В камере смещения создается область пониженного давления за счет обтекания газами конуса, вершина которого ориентирована навстречу выхлопным газам. Повышенное давление способствует ускорению потока выхлопных газов, что приводит к повышению экономичности и мощности двигателя. Кроме того, за счет более полного сгорания топлива снижается процентное содержание CO₂. 4 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к автомобилестроению и может быть использовано, в частности, в устройствах выхлопа для повышения экономичности и мощности двигателя внутреннего сгорания, а также снижения токсичности выхлопных газов.

Известно выхлопное устройство двигателя внутреннего сгорания, в котором для ускорения перемещения потока выхлопных газов используются колебания давления, обусловленные процессами, проявляющимися при выхлопе. Устройство содержит расположенные последовательно по направлению движения газов выхлопной патрубок, диффузор, цилиндрическую часть и обратный канал на входе в глушитель. Эти элементы, расположенные друг за другом, совмещены один с другим так, что прямая волна давления выхлопных газов изменяет свое направление 2n+1 раз по оси течения с числом 2n пар обратных отражений и числом П отражений по направлению течения газов [1] Рассмотренную процедуру использования колебаний давления в технике называют резонансным или акустически наддувом. Теоретически доказано, что колебания давления во всасывающей и выхлопной системах оказывают существенное влияние на работу двигателя и на отдаваемую им мощность. Теоретический предел увеличения коэффициента наполнения цилиндров акустическим методом приближается к 41% что может дать повышение мощности в среднем на 20% Однако, коллектор автомобильного двигателя является очень тонкой динамической, акустической системой и достичь полного соответствия амплитудных и фазовых соотношений колебаний давления в выхлопной магистрали для достижения резонанса практически невозможно без следящей системы.

Недостатком рассмотренного устройства вследствие указанных причин является относительно низкий КПД повышения мощности двигателя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является "Ускоритель потока выхлопных газов для двигателя внутреннего сгорания и устройство для охлаждения двигателя потоком всасываемого воздуха, содержащего такой ускоритель".

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 сообщающийся другим концом с атмосферой, предусмотрен ускорительный блок, содержащий цилиндрический корпус с размещенными внутри его 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 [2] Недостатком устройства является относительно низкий КПД повышения мощности и экономичности двигателя, обусловленный созданием дополнительного сопротивления прохождению потока газов, так как площадь поперечного сечения входа ускорительного блока примерно 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.

Требуемый технический результат заключается в повышении экономичности и мощности двигателя внутреннего сгорания.

Указанный технический результат достигается тем, что в 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 к 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.

Возможность достижения требуемого результата доказывается следующим. Из теории двигателей внутреннего сгорания (см. например, "Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей" под редакцией А.С. Орлина, М.Г.Круглова, М. Машиностроение, 1983) известно, что на мощностные и экономические характеристики большое влияние оказывает полнота наполнения цилиндра, η_v зависящая от давления Р_r на выходе из системы выхлопа. Чем ниже давление Р_r, тем больше полнота наполнения η_v и ниже удельный расход топлива q_e: η_v= -ϕ ; q_e ≈ 1/ η_v, где ε- степень сжатия в цилиндрах; Т_ВП Δ Т температура смеси на впуске и прирост температуры при сгорании; ϕ степень уменьшения объема; Р_а атмосферное давление; Р_ВП давление на впуске.

Снижение давления Р_r можно достичь, если выхлопные газы пропустить через устройство, в котором происходит обтекание донного среза и подсос дополнительного атмосферного воздуха эжектором.

Изобретение отвечает критерию новизны. Кроме того, требуемый технический результат достигается всей вновь введенной совокупностью признаков, которая в известной литературе не обнаружена. Следовательно, предложение отвечает критерию изобретательского уровня. При этом элементы конструкции устройства и непосредственно сам ускоритель потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания с эжектором не требуют разработки специальной оснастки и технологии.

На фиг. 1 представлена конструкция ускорителя потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания для частного случая с шестьюканальным эжектором; на фиг. 2 сечение А-А с прямоточными каналами при угле закрутки ϕ= 0; на фиг. 3 сечение Б-Б в месте соединения его с переходником; на фиг. 4 сечение А-А с закрученными проточными каналами при угле их закрутки ϕ > >0; на фиг. 2 и 4 треугольниками условно показано крепление проточных каналов к раструбу.

Ускоритель потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания с эжектором (фиг. 1) содержит раструб 1, конус 2, проточные каналы 3, вторичные каналы эжектируемого воздуха 4, профильную вставку 5, переходник 6, эжектор 7, подгоночный профильный вырез 8, выхлопную трубу автомобиля 9, камеру смешения потоков выхлопных газов и эжектируемого воздуха 10, кольцевую профильную щель 11.

Раструб 1 выполнен в виде усеченного конуса с малым углом сужения в сторону выхода потока выхлопных газов. Входная кромка раструба 1 изогнута наружу с радиусом скругления достаточным для образования коллекторности входа. На выходе раструба 1 размещена профильная вставка 5, например, имеющая треугольное поперечное сечение с большой стороной в области сужения проходного сечения (сопло Лаваля) фиг. 1
Конус 2 выполнен с малым углом γ при вершине, например, 15^о. Вершина конуса направлена навстречу движению выхлопных газов. По всей внешней поверхности конуса расположены проточные каналы 3, поперечное сечение которых в направлении от вершины к основанию конуса трансформируется из треугольного (фиг. 3) в трапецеидальное (фиг. 2 и 4). Вторичные каналы эжектируемого воздуха 4 (прямоточные и спиралевидные фиг. 4) образованы боковыми поверхностями соседних проточных каналов 3 и имеют клиновидную форму с нулевой площадью поперечного сечения у вершины конуса и трапецеидальной у его основания.

Переходник 6 выполнен в виде цилиндрического патрубка, сопрягаемого с диаметром выхлопной трубы. Имеет один или несколько боковых профильных вырезов 8 для подгонки. Элементы крепления переходника к выхлопной трубе традиционны и на фиг, 1, 2 и 3 не показаны.

Эжектор образован кольцевой профильной щелью 11 между внутренней поверхностью раструба в месте сопряжения его с торцом конуса 2 и внешними поверхностями проточных каналов 3 и вторичными каналами эжектрируемого воздуха 4.

Работает ускоритель потока следующим образом.

Выхлопные газы двигателя подают в проточные каналы 3 и при выходе из них, т.е. при входе в камеру смешения 10 (в сечении А-А фиг. 1) увлекают за собой воздух из дополнительных вторичных каналов эжектируемого воздуха 4 и окружающей кольцевой профильной щели 11, образуя таким образом эжектор 7.

По законам аэродинамики при обтекании газами и эжектрируемым воздухом основания конуса на нем возникает понижение давления. Пониженное давление поддерживается потоком выхлопных газов и дополнительно эжектируемым воздухом при движении автомобиля. Все это способствует ускорению потока выхлопных газов. Для этой же цели раструб 1 выполнен в виде усеченного конуса с малым углом сужения по ходу движения потока газов и профильная вставка 5, создающая области "сужения-расширения", формируя сопло Лаваля.

Величина сужения раструба 1 и размеры профильной вставки 5 подбираются экспериментально. При этом угол сужения раструба не должен превышать 7^о (на фиг. 1 это угол α).

Еще больший эффект достигается при выполнении проточных каналов 3 с закруткой их по винтовой линии. В этом случае от закрутки потока выхлопных газов образуется вихрь, существенно увеличивающий отрицательное давление и соответственно выходную скорость газов, что в свою очередь усиливает эжекцию атмосферного воздуха.

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 СO₂.

При использовании ускорителя с вихревой закруткой выхлопных газов и эжектируемого воздуха, кроме увеличения скорости потока улучшается шумопоглощение за счет подавления резонансных всплесков звуковых частот от 2000 Гц и выше. Уровень заглушающего действия при этом может составлять до 5 дБ.

Формула изобретения

1. УСКОРИТЕЛЬ ПОТОКА ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЭЖЕКТОРОМ, содержащий 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, отличающийся тем, что 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 каналы вторичного 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 n секторов (n > 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 газов.

2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что проточные каналы выполнены по винтовой линии.

3. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что площади поперечных сечений дополнительных каналов в направлении от торца конуса к его вершине выполнены уменьшающимися до нуля.

4. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что проточные каналы сообщены с поверхностями конуса, раструба и переходника.

5. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что выходное сечение раструба выполнено в виде сопла Лаваля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4