СРЕДСТВО ДЛЯ ВЫХЛОПНОЙ СИСТЕМЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ОПТИМИЗИРУЮЩЕЕ ЕГО РАБОТУ

Изобретение относится к средствам для выхлопных систем двигателей внутреннего сгорания, которыми последние могут быть оснащены с различными целями: улавливания и/или дожигания несгоревших остатков топлива, и/или глушения шума выхлопа газов, и/или оптимизации работы названного двигателя и может использоваться преимущественно в автомобилестроении.
Автомобили и другие транспортные средства, работающие от двигателей внутреннего сгорания, оснащаются выхлопными системами, которые предназначены для отвода отработавших газов от цилиндров двигателя внутреннего сгорания, а также для уменьшения шума при выбросе этих газов в атмосферу. Однако, несмотря на достаточно простые функции, отведенные выхлопной системе, она может серьезно влиять на показатели работы двигателя. Так, например, для того чтобы на определенных оборотах улучшить продувку цилиндров двигателя и повысить его вращающий момент, в выпускной системе, на некотором расстоянии от клапана иногда располагают отражатель, называемый резонатором. Такой прием называют «настроенный выхлоп» и используют для корректировки моментной кривой. Если следует повысить мощность, например, для спортивного мотора, резонатор настраивают на падающий после максимума участок. Если же необходимо получить более «тяговитый» мотор на низких оборотах, резонатор настраивают на возрастающий участок до максимума.
Если обратиться к опыту тюнинговых компаний, то можно обнаружить, что специалисты в области выхлопных систем способны получить прибавку в мощности двигателя 10-15 лошадиных сил, а это вполне солидная величина и получают ее благодаря замене всех частей выхлопной системы, таких как катализатор, резонатор, оконечная часть и др. В автоспорте получают гораздо большую прибавку к мощности, но там нет таких жестких ограничений в плане громкости выхлопа, как у рядовых автомобилистов.
Известны различные устройства, встраиваемые в выхлопные системы автомобилей.
Например, известно устройство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, содержащее корпус с входным и выходным патрубками, коллектор для подачи газа, завихритель и накопитель, каждый из которых состоит из секций, образованных перегородками, и расположенных в корпусе соосно один над другим, причем завихрите ль снабжен завихривающими элементами в виде сопел и расположен в камере, которая сообщается с накопителем через сепарационные решетки, а корпус снабжен теплоизоляцией [Патент РФ N 2064052, МПК F01N 3/00]. Это устройство имеет большое сопротивление аэродинамического входа, и не способно оптимизировать существенно работу двигателя внутреннего сгорания.
Известно также устройство для выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащее выхлопную трубу, снаружи которой коаксиально посредством жестко закрепленных ребер, выполненных в виде спиральных лопастей, установлен трубчатый элемент, выполненный с расширяющейся за срезом выхлопной трубы частью, на внутренней поверхности которой продольно расположены винтообразные канавки в виде "ласточкина хвоста", переходящие в круговую канавку, находящуюся у выходного отверстия трубчатого элемента [Патент 2133350, МПК F01N 7/20]. Это устройство снижает мощность двигателя внутреннего сгорания из-за высокого аэродинамического сопротивления трубчатого элемента, обусловленное осаждением в нем пыли.
Известен ускоритель потока выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, содержащий сопло Лаваля, сообщающееся с атмосферой, напорное сопло, выполненное в виде усеченного конуса с малым углом сужения, направленного навстречу потоку воздуха, набегающего на автомобиль при его движении, имеющего профильную заслонку, во избежание выхлопа отработавших газов из напорного сопла при остановке автомобиля, камеру смешения, выполненную в форме цилиндра, имеющую местное расширение, во избежание уменьшения проходного сечения выхлопной системы автомобиля, в месте крепления с напорным соплом, также диффузор, соединенный с одной стороны с камерой смешения, а с другой - с атмосферой, выполненный в виде усеченного конуса с малым углом расширения [Заявка на изобретение РФ №2006124703]. Это устройство помимо сложной конструкции, что является его недостатком, также не способно оптимизировать существенно работу двигателя внутреннего сгорания
Известно устройство для выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащее выхлопную трубу, снаружи которой коаксиально по средствам жестко закрепленных ребер, выполненных в виде спиральных лопастей, установлен трубчатый элемент, выполненный с расширяющейся за срезом выхлопной трубы частью, на внутренней поверхности которой продольно расположены винтообразные канавки в виде "ласточкина хвоста", переходящие в круговую канавку, находящуюся у выходного отверстия трубчатого элемента, у которого кривизна спиральных лопастей имеет положительное направление вращения винтовой линии, а кривизна винтообразных канавок имеет отрицательное направление вращения винтовой линии, при этом входное отверстие трубчатого элемента снабжено металлической сеткой [Патент 2227217, МПК F01N 7/20]. Это устройство не может влиять на работу двигателя внутреннего сгорания.
Известен деселератор, встраиваемый в выхлопную систему двигателя внутреннего сгорания, который устанавливается в выхлопной системе транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания и содержит, по меньшей мере, один клапан, снабженный корпусом, образующим канал, и подвижной заслонкой, которая расположена поперечно указанному каналу и соединена с управляющим валом, и средства управления указанной заслонкой, содержащие уравнительное устройство выравнивания, противодавления, создаваемого при воздействии указанной подвижной заслонки на газы, предназначенное для срабатывания, когда заслонка находится в закрытом положении, начиная с определенной пороговой величины противодавления, открывания выпускного канала при достижении противодавлением указанной пороговой величины и удерживания его открытым за пределами пороговой величины давления независимо от режима работы двигателя с тем, чтобы создавать соответствующий расход выпуска выхлопных газов, причем уравнительное устройство содержит тарированный клапан, расположенный в указанном выпускном канале, и пружину сжатия, расположенную позади указанного тарированного клапана и оттарированную на указанную пороговую величину давления [Патент 2218469, МПК F01N 7/20]. Уравнительное устройство встроено в корпус клапана и содержит направляющую втулку, через которую проходит вал и в которой имеется осевая полость, предназначенная для установки указанного тарированного клапана и его пружины коаксиально указанному валу. Выпускной канал расположен, по существу, перпендикулярно валу и выходит в канал ниже указанной заслонки с тем, чтобы вместе с уравнительным устройством создавать перепускной проход для выпуска части потока выхлопных газов. Это устройство имеет сложную конструкцию.
Известен деселератор, устанавливаемый в выхлопной системе транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания, который содержит по меньшей мере один клапан, снабженный подвижной заслонкой, и управляющий этой заслонкой цилиндр, включающий в себя подвижный поршень, снабженный штоком, соединенным с упомянутой подвижной заслонкой, и по меньшей мере одно уравнительное устройство для выравнивания противодавления, создаваемого при воздействии указанной подвижной заслонки на газы, приводимое в действие, когда подвижная заслонка находится в закрытом положении, начиная с определенной пороговой величины противодавления, причем при достижении противодавлением указанной пороговой величины уравнительное устройство открывает подвижную заслонку на степень I возврата в открытое положение с тем, чтобы создавать соответствующий расход выпуска выхлопных газов для регулирования этого противодавления независимо от режима работы двигателя. Уравнительное устройство встроено в управляющий цилиндр с установкой внутри этого цилиндра между подвижным поршнем и штоком цилиндра. Шток выполнен с возможностью смещения на ход С' по отношению к подвижному поршню. Ход С' соответствует степени I возврата в открытое положение и регулируется, по меньшей мере, одной управляющей тарированной пружиной, расположенной между упомянутым подвижным поршнем и штоком [Патент РФ N 2218470, МПК F01N 3/08]. Это устройство имеет сложную конструкцию.
Известно устройство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, содержащее корпус с входным и выходным патрубками, коллектор для подачи газа, завихритель и накопитель, состоящие из секций, образованных перегородками, и расположенные в корпусе соосно один над другим, которое дополнительно снабжено коническим обтекателем, усеченная вершина которого обращена в сторону входного патрубка, и имеющем центральное отверстие диаметром не более половины диаметра выходного патрубка, секции завихрителя и накопителя расположены послойно и снабжены лопастями, расположенными тангенциально к внешнему диаметру выходного патрубка, а перегородки секций выполнены в виде боковых стенок полых многогранных усеченных пирамид, причем в секциях накопителя указанные стенки многогранных усеченных пирамид направлены вершинами друг к другу, а основания этих пирамид соединены цилиндрической обечайкой [Патент РФ N 2136907, МПК F01N 3/08].
Это устройство является ближайшим аналогом заявляемого средства для выпускной системы двигателя внутреннего сгорания и принято за прототип изобретения. Прототип имеет следующие недостатки:
- устройство 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 все равно имеет существенный расход топлива;
- двигатель при наличии такого устройства недостаточно плавно реагирует на увеличение или уменьшение подачи в него рабочей газовой смеси - недостаточно «эластичен».
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание эффективного средства для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, способного оптимизировать его работу, существенно снизить расход топлива и повысить эластичность его работы.
Поставленная задача решается тем, что предлагается средство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, включающее корпус, имеющий внутреннюю полость, снабженную входом для газового потока и выходом для газового потока, и завихритель газового потока, расположенный во внутренней полости корпуса, у которого внутренняя полость корпуса имеет расположенные последовательно по ходу газового потока и сопрягающиеся между собой цилиндрическую часть, и часть в форме сопла Лаваля, причем завихритель газового потока расположен в цилиндрической части внутренней полости корпуса и выполнен таким образом, что при прохождении через него газового потока его периферийная часть закручивается вокруг собственной оси, а центральная часть движется поступательно.
Длина цилиндрической части внутренней полости корпуса может быть больше длины расположенного в ней завихрителя и таким образом между завихрителем и соплом Лаваля может образоваться цилиндрическая полость.
1
2
1
2
Завихритель газового потока может быть выполнен в форме крыловидных пластин, установленных на поверхности цилиндрической части внутренней полости, имеющей диаметр D, радиально по окружности, и под углом к ее оси, таким образом, что совместно они образуют воронку, имеющую наклонные периферийные газоходы и центральное отверстие диаметром D, причем D=(4-10)D.
Центральное отверстие образуется из-за размера лопастей, самый большой линейный размер которых меньше радиуса цилиндрической части внутренней полости корпуса.
1
3
1
3
Цилиндрическая часть внутренней полости корпуса может быть выполнена с диаметром D, а сопло Лаваля в критическом сечении - с диаметром D, причем при соотношении их размеров D=(1.5-2)D - такое соотношение размеров оптимально для работы средства.
Вход средства сообщается с выпускной системой двигателя внутреннего сгорания, а его выход - с атмосферой.
На рисунке представлен в разрезе общий вид заявляемого устройства, имеющего цилиндрическую полость между завихрителем газового потока и соплом Лаваля и завихритель с 12-ю лопастями, где:
1 - вход для газового потока,
2 - корпус,
4 - лопасть завихрителя газового потока,
6 - цилиндрическая часть внутренней полости,
7 - сопло Лаваля,
8 - докритический участок сопла Лаваля,
9 - критический участок сопла Лаваля,
10 - закритический участок сопла Лаваля,
11 - выход для газового потока,
Средство, установленное в выхлопной системе, например, автомобиля, после выхлопного коллектора или турбокомпрессора работает следующим образом.
На его вход 1 поступает поток отработавшего выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, который сразу попадает в завихритель газового потока 2, где происходит закручивание его периферийной части, при попадании газа на крыловидные лопасти 4, расположенные таким образом, что вместе они образуют воронку с направляющими газоходами между соседними лопастями и центральным отверстием. Газовый поток в результате обретает, кроме исходного поступательного движения центральной его части вдоль оси средства, проходящего через центральное отверстие, тангенциальное вращательное движение периферийной части. В данном случае крыловидная форма лопасти означает, что она имеет форму прямоугольного треугольника или прямоугольной трапеции, прикрепленными одной стороной прямого угла к цилиндрической поверхности и наклонно к ее оси. При этом линейный размер другой стороны прямоугольного угла лопасти увеличивается от меньшего к большему по мере прохождения газового потока. Закрученная периферийная часть газового потока соединяется с поступательно движущейся центральной частью и образует скрученный поток, имеющий разряжение в центральной части. Следует отметить, что завихритель газового потока может иметь иную конструкцию, важно, чтобы он был способен создать такой скрученный газовый поток. Сформированный завихрителем газового потока скрученный газовый поток поступает в цилиндрическую полость 6 при ее наличии, или непосредственно в сопло Лаваля 7. Этот скрученный поток характеризуется тем, что его центральная область движется поступательно вдоль собственной оси и имеет более низкое давление по сравнению с его периферийной областью, т.е газовый поток имеет в сечении центральную зону разряжения..
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 8 движение газового потока происходит с дозвуковыми скоростями. В самом узком критическом сечении сопла 9 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 11 газовый поток движется со сверхзвуковыми или близкими к ним скоростями. В результате снижения давления в диффузоре обеспечивается так называемый «подсос» - принудительный отвод отработанных газов из двигателя с высокой скоростью. Кроме того, в сопле Лаваля в результате увеличения скорости газового потока уменьшается давление газа в центральной зоне разряжения закрученного газового потока настолько, что может сформироваться обратный поток свежего атмосферного воздуха, направленный от выхода средства к его входу. В результате такого движения газа, в короткий отрезок времени, когда у работающего двигателя одновременно открываются впускной и выпускной клапаны, происходит полная продувка его цилиндров. Далее, при открытых впускных клапанах происходит полное наполнение цилиндров рабочей смесью, обогащенной кислородом. При рабочем цикле - сжатии рабочей смеси и возникновении искры происходит возгорание рабочей смеси и ее горение. Присутствующий в рабочей смеси озон распадается на кислород и отрицательно заряженные ионы кислорода, что приводит к интенсификации процесса окисления и топливо в рабочей смеси сгорает практически полностью. В результате сгорание топлива происходит эффективно, расход топлива снижается, а выбросы несгоревшего топлива либо ничтожны, либо их нет вовсе.
Испытания показали, что при наличии предлагаемого средства в выхлопной системе автомобиля с двигателем внутреннего сгорания происходит практически полное сгорание топлива, поэтому расход топлива снижается, а выбросы токсичных веществ в атмосферу ничтожны. Например, после установки такого средства в выхлопную систему японского автомобиля «Лексус» с объемом двигателя 4.7 л, при 2000 об выбросы СО снизились с 0.08% до 0.06%, а СН с 200 ррm до 70 ррm, а при 2500 об выбросы СО снизились с 0.09% до 0.05%, а СН с 250 ррm до 70 ppm. Кроме того, двигатель без задержки и плавно реагирует на изменение положения педали акселератора, увеличивая или уменьшая вращающий момент, в зависимости от увеличения или уменьшения поступления в него рабочей газовой смеси, что свидетельствует о его хорошей эластичности.
Таким образом, предлагаемое средство 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.