УСТРОЙСТВО В СИСТЕМЕ ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ТУРБОКОНВЕРТЕР)
DEVICE IN EXHAUST SYSTEM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE (TURBOCONVERTER)

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания движущегося транспортного средства и стационарного механического привода.
6
Известно устройство (Патент RU №2133350 МПК F01N 3/08, опубл. 20.07.1999) для выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, которое обеспечивает наряду с повышением эффективности работы двигателя внутреннего сгорания дополнительную очистку выхлопных газов путем интенсификации завихрения, что приводит к смещению твердых и каплеобразных частиц в полости винтообразных канавок. Изобретение помогает улучшить экологическую обстановку при выбросе отработавших газов из глушителя путем их очистки, осуществляемой в результате закрутки отработавших газов в расширяющейся части трубчатого элемента.
Недостатком устройства является неполное сгорание топлива в двигателе внутреннего сгорания, что приводит к загрязнению окружающей среды.
Известен двигатель внутреннего сгорания (Патент RU №2033539 МПК F02B 23/06, опубл. 20.04.1995), в котором двигатель содержит цилиндр с размещенным в нем поршнем и головку цилиндра, образующие камеру сгорания, выполненную в виде акустического резонатора с выемками и выступами на днище поршня и на поверхности головки, расположенными напротив друг друга. Стоячие акустические волны, образующиеся в камере сгорания, позволяют интенсифицировать процесс горения заряда.
Применение изобретения позволяет улучшить экономические показатели двигателя, но, тем не менее, имеются выбросы сажи и других вредных веществ в окружающую среду.
6
Известен глушитель шума выпуска двигателя внутреннего сгорания (Патент RU №2116468 МПК F01N 1/08, опубл. 20.04.1995). Изобретение помогает повысить эффективность шумоглушения и очистки газов глушителя путем закручивания и разделения газов. Предлагаемая конструкция позволяет осуществлять чередующееся разделение и дальнейшее сталкивание и соударение газовых потоков, за счет чего энергия проходящего звука пикового давления гасится, чем обеспечивается сглаживание пульсации газа и достигается интенсивное шумоглушение.
Недостатком этого устройства является то, что содержание СО и СН в выхлопных газах достаточно высоко.
6
Известно устройство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания (Заявка RU №95107772, Α1, МПК 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 техническое решение, взятое за прототип «Устройство в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания» описанное в Заявке на ИЗ, опубл. WO 2008085075 (A1) 2008-07-17, МПК F01N 1/06, F01N 5/04, F02B 27/06. Устройство включает 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 прототипа является низкая эффективность сгорания топлива, из-за недостаточной продувки ДВС, и неэффективное использование теплоресурса устройства.
Задачей изобретения является повышение эффективности сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания, уменьшение количества выброса вредных веществ в атмосферу, снижение шума работы двигателя и использование теплоресурса устройства в зимнее время, для дополнительного подогрева салона и топливных баков.
Технический результат заключается в том, что за счет резкого охлаждения устройства происходит температурный градиент, как следствие перепад давлений выхлопных газов, и все процессы, происходящие в устройстве, приобретают новое качество: эффективно сгорает топливо, облегчается продувка ДВС, снижается нагрузка на турбокомпрессор. Отвод тепла в зимнее время используется для дополнительного обогрева кабины и топливных баков, что немаловажно в климатической зоне России.
Поставленная задача достигается за счет того, что устройство в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, включающее корпус, выполненный в виде гладкой цилиндрической трубы с входным и выходным отверстиями, 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, причем на корпусе расположена рубашка охлаждения с направляющими потока антифриза и двумя патрубками: входным патрубком антифриза, расположенным тангенсообразно на выходе потока выхлопных газов, и выходным патрубком антифриза, расположенным тангенсообразно на входе потока выхлопных газов.
Устройство в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (фиг.1) включает корпус 1, выполненный в виде гладкой цилиндрической трубы с входным 2 и выходным 3 отверстиями, в которой расположен направляющий аппарат 4 закручивания потока отработавших газов, выполненный в виде плоских отклоняющих пластин 5, установленных неподвижно на внутренней поверхности цилиндрической трубы, под углом к центральной оси 6, с переменными, возрастающими по ходу потока отработавших газов поверхностями, с образованием приосевой области, свободной от отклоняющих пластин 5, соосно связывающей направляющий аппарат 4 закручивания потока отработавших газов с генерирующей камерой 7, генерирующая камера 7 связана соосно с диффузором 8, который имеет форму пустотелого усеченного конуса, установленного меньшим основанием во внутренний объем генерирующей камеры 7 и соединенного герметично с генерирующей камерой 7 большим основанием усеченного конуса, на корпусе 1 расположена рубашка охлаждения 9 с направляющими потока 10 антифриза и двумя патрубками: входным 11 патрубком антифриза, расположенным тангенсообразно на выходе потока выхлопных газов, и выходным 12 патрубком антифриза, расположенным тангенсообразно на входе потока выхлопных газов.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
Поток отработанных газов ДВС, проходя входное отверстие устройства 2, отклоняющие пластины 5 направляющего аппарата 4 с переменной возрастающей по ходу потока поверхностью и приосевую свободную область, становится организованным. Для охлаждения корпуса устройства 1, в рубашку охлаждения 9 через входной патрубок 11, тангенсообразно, для улучшения процессов теплообмена, по направляющим потока 10 подается антифриз, который выходит из устройства через выходной патрубок 12.
Следуя по поверхности отклоняющих пластин 5, часть потока отработанных газов 9 закручивается, прижимаясь центробежной силой к внутренней поверхности цилиндрической трубы корпуса 1, охлаждается и уплотняется. Поступая в генерирующую камеру 7, струи отработанных газов с отклоняющих пластин 5, встречаясь с наружной поверхностью диффузора 8, дополнительно уплотняются и приобретают сток в направлении центральной оси 6 устройства (радиальный сток). Через малое основание пустотелого усеченного конуса диффузора 8 газы поступают в расширяющуюся его часть и далее по системе выпуска отработавших газов через выходное отверстие 3 выходят из устройства.
Одновременно, часть центрального потока 13, в приосевой области, не встречая препятствий, проходит через генерирующую камеру 7 и через меньшее основание пустотелого усеченного конуса диффузора 8 проходит далее в систему выпуска отработавших газов.
Возрастающая окружная скорость закрученного периферийного потока 14, по причине вращения, температурного градиента и перепада давления за счет охлаждения вызывает эффект инжектирования (всасывания) в приосевой области генерирующей камеры 7, тем самым, ускоряя поток в приосевой области устройства. При этом возникает волна разрежения. Возрастающая скорость закрученного периферийного потока 14, с всасываемой в себя частью центрального приосевого потока 13 увеличивает свою массу и, вследствие закона сохранения момента импульса, снижает скорость, при этом возникает волна сжатия.
Проходя малое отверстие диффузора 8, освобождаясь от излишней массы, закрученный периферийный поток 14 вновь разгоняется, разрежение в приосевой области возрастает, возникает волна разрежения, и, как следствие, возникает стоячая волна, распространяемая в разные стороны. Мощность (амплитуда колебаний) и частота генерируемых импульсов стоячей волны зависят от скорости потока отработавших газов, его температуры и его массы, а также от конфигурации генерирующей камеры 7 и выходного диффузора 8.
Таким образом, сплошной поток отработанных газов ДВС, проходя устройство, образует в нем два взаимодействующих потока, которые в виде вибраций газового потока вдоль центральной оси 6 устройства образуют в нем стоячие волны в обе стороны ее оси.
Стоячие волны проникают в цилиндры ДВС через открытые выпускные клапаны, и за счет колебаний неразрывной сплошной газовой среды в цилиндре происходят «сдув» топлива, сконденсировавшегося на охлажденных стенках гильзы цилиндра, перемешивание горючей смеси и догорание в цилиндре, а не в системе выпуска отработавших газов и его устройствах, что значительно снижает шумность ДВС.
В фазе перекрытия клапанов (когда выпускной и впускной клапаны открыты одновременно) за счет колебаний сплошной неразрывной газовой среды в режиме вибрационного горения происходит «подготовка» топливной смеси в бензиновых ДВС и соответственно «подготовка» воздуха в дизелях.
В ДВС топливная смесь горит пульсирующим способом (происходит вибрационное горение), следствием которого является увеличение скорости сгорания, и, следовательно, мощности процесса.
Создание стоячей волны в системе выпуска отработавших газов дает возможность образовывать и поддерживать режим вибрационного горения в ДВС, что повышает эффективность сгорания топлива в ДВС и уменьшает количество выбрасываемых вредных веществ в атмосферу. Ввиду того, что мощность и частота образующихся в устройстве стоячих волн зависит от скорости и температуры отработанных газов, охлаждение корпуса 1 устройства увеличивает мощность проходящих в нем процессов и значительно улучшает работу устройства. При таком выполнении устройства происходит полное сгорание топлива в цилиндрах ДВС и сводятся к минимуму вредные выбросы в атмосферу.
Кроме того, отводимое от устройства тепло может быть использовано для дополнительного обогрева салона кабины и подогрева баков с дизельным топливом, что очень злободневно в климатической зоне России, особенно на машинах иностранного производства.
Промышленная применимость
Предлагаемое устройство может быть использовано в системе выпуска отработавших газов ДВС движущегося транспортного средства и стационарного механического привода.
Монтаж устройства
Устройство в системе выпуска отработавших газов ДВС (ТУРБОКОНВЕРТЕР) монтируется посредством сварки на прочно плотный шов, на прямой участок трубы за коллектором выпуска отработанных газов ДВС. Отступив от коллектора на три калибра ТК для выравнивания давления выхлопных газов, т.е. если ТК равен 57 см, то 57×3=17,1 см. Возможна установка ТК на съемные фланцы там, где невозможно применить сварку - например часть поворотного отходящего фланца от турбокомпрессора грузового тягача чугунная, поэтому ТК задней частью концентратора сваривается с приемной выхлопной трубой, а к передней части ТК посредством сварки монтируется переходной фланец, который в дальнейшем соединяется с поворотным отходящим фланцем от турбокомпрессора.