Способ наддува двигателей внутреннего сгорания
METHOD FOR PRESSURIZING INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для повышения КПД, мощности и высотности поршневых двигателей внутреннего сгорания.
В настоящее время применяются три вида схем наддува с использованием энергии выхлопных газов: резонансная, турбонаддув и волновая.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания является самым распространённым тепловым двигателем. Он используется для привода средств наземного, воздушного и водного транспорта, боевой, сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, компрессоров, водяных насосов, помп, моторизованного инструмента (бензорезок, газонокосилок, бензопил) и прочих машин, как мобильных, так и стационарных, и производится в мире ежегодно в количестве нескольких десятков миллионов изделий. Мощность поршневых двигателей внутреннего сгорания колеблется в пределах от нескольких ватт (двигатели авиа-, мото- и судомоделей) до 90 000 кВт - двигатели контейнеровозов. Огромную долю этого парка составляют малоразмерные двигатели, не имеющие технической возможности постановки агрегата наддува существующих схем. Этому есть несколько причин: стоимость агрегата наддува соизмерима со стоимостью маломерного двигателя; отсутствие на двигателе развитой системы смазки и охлаждения; КПД турбины, компрессора, барабана волнового нагнетателя при малых расходах газа будут очень низкие.
Известен способ работы турбокомпрессора (Турбокомпрессоры. 1968г. автор Мисарек Д.М., с. 209-213), приводимого во вращение турбиной, на которой срабатывается давление выхлопных газов, турбина вращает компрессор, который подаёт свежий заряд воздуха под давлением на вход в двигатель - наиболее массовый. Частота вращения ротора несколько десятков тысяч оборотов в минуту, но на некоторых турбокомпрессорах частота вращения достигает 200 000 оборотов в минуту.
Основным недостатком подобных систем является требование очень хорошей смазки подшипников, т.е. необходима масляная система и непосредственно охлаждение масла, а это, в свою очередь, требует высокой культуры технического обслуживания. Вторая проблема – турбопровал при резком увеличении режима работы двигателя необходимо время для раскрутки ротора, чтобы подать нужный расход воздуха.
Известен нагнетатель системы волнового наддува и способ эксплуатации нагнетателя системы волнового наддува (патент РФ 2682463, МПК F02B 33/42, F04F 13/00, опубл. 19.03.2019), согласно которому выхлопной газ в каналах ротора непосредственно давит на столб воздуха и выдавливает его на вход в двигатель. Каналы расположены вдоль образующей барабана, который при вращении своими торцевыми поверхностями соединяет их с соответствующими полостями. За первую половину оборота вращения ротора канал заполняется воздухом, за вторую – воздух выдавливается выхлопными газами на вход в двигатель.
Такой вид конструкции также имеет ряд недостатков. Выхлопные газы частично перемешиваются с воздухом, это обстоятельство усугубляется перетеканием газов через тепловые зазоры между ротором и корпусом. Привод ротора осуществляется через мультипликатор от коленчатого вала, либо энергией выхлопных газов – в этом случае также наблюдается турбопровал. Частота вращения ротора также очень велика, а отсюда следуют те же проблемы, что и у турбокомпрессора.
Известен способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания с рециркуляцией отработавших газов (патент РФ 124321, МПК F02M 25/07, F02B 47/10, опубл. 20.01.2013), согласно которому из цилиндра поршневого двигателя внутреннего сгорания отработавшие газы направляют в вихревую трубку (трубку Ранка), где их поток разделяется на два - холодный, который направляется во впускной коллектор двигателя, и горячий, который выбрасывается в атмосферу. Доля холодных отработавших газов, направляющихся во впускной коллектор, регулируется дросселем вихревой трубки.
Недостатком данного технического решения является отсутствие какого-либо наддува, трубка Ранка применяется для охлаждения перепускных газов.
Также известен способ работы устройства регулирования глубины охлаждения наддувочного воздуха комбинированного двигателя (патент РФ 166043, МПК F02B 29/04, F02B 37/00, опубл. 10.11.2016 г.), согласно которому устройство обеспечивает оптимальную температуру наддувочного воздуха при работе комбинированного двигателя в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов, а также на режиме холостого хода.
Основным недостатком данного устройства является отсутствие возможности эжекции (всасывания) и сжатия свежей порции воздуха без непосредственной механической энергии. Трубка Ранка применяется для охлаждения наддувочного воздуха турбокомпрессором.
Наиболее близким по набору существенных признаков является способ наддува с одновременным снижением шума двигателя внутреннего сгорания (патент РФ 2270350, МПК F02B 37/00, F02B 33/38, опубл. 20.02.2006 г.), согласно которому компрессор связывают с преобразователем энергии при помощи ведущего вала, а вращение роторов преобразователя энергии обеспечивают за счет давления выхлопных газов. Компрессор и преобразователь энергии имеют одинаковое устройство, каждый в виде двух роторов, содержащих радиальные выступы, постоянно соприкасающиеся между собой и с соответствующими корпусами. Между радиальными выступами имеется свободное пространство. Вращение роторов компрессора обеспечивает подачу предварительно сжатого воздуха в цилиндры двигателя. Один из роторов преобразователя закреплен на ведущем валу. Роторы преобразователя энергии совместно с их радиальными выступами образуют сплошную преграду для распространения шума от двигателя при выходе выхлопных газов.
Основным недостатком данного устройства также является отсутствие возможности эжекции (всасывания) и сжатия свежей порции воздуха без непосредственной механической энергии.
Задачей технического решения является упрощение способа наддува поршневых двигателей за счёт оптимизации конструкции агрегата наддува при сохранении эффективности его работы путём применения новой эжекционновихревой схемы.
Техническим результатом заявленного технического решения является повышение надежности и эффективности работы устройства наддува поршневых двигателей внутреннего сгорания без непосредственного использования механической энергии, а также снижение температуры отработавших газов на выхлопе и шумности двигателя.
Технический результат достигается за счет того, что согласно способу, заключающемуся в использовании энергии выхлопных газов для эжекции и сжатия свежей порции воздуха, саму эжекцию свежей порции воздуха производят непосредственно потоком выхлопных газов, который увлекает за собой и сжимает среду свежего воздуха, с помощью эжектора воздуха, образованного патрубком, присоединенным к выхлопному коллектору двигателя, и трубы эжекции, одним концом связанной с атмосферой, а вторым концом связанной с потоком выхлопных газов, поступающих из коллектора и движущихся по патрубку, причем смешанный поток выхлопных газов и свежего воздуха закручивают и разделяют с помощью вихревого эффекта в трубе Ранка таким образом, что холодный вихрь, содержащий в большей массе свежий воздух, направляют на наддув двигателя, а горячий вихрь, состоящий в большей массе из выхлопных газов, направляют в атмосферу через выхлопное отверстие, причем выхлопное отверстие изготавливают с возможностью изменения сечения.
Осуществление эжекции свежей порции воздуха непосредственно потоком выхлопных газов позволяет добиваться необходимого эффекта без использования дополнительных механических средств, что повышает надежность и эффективность работы устройства наддува поршневых двигателей внутреннего сгорания. Поток с более высоким давлением, движущийся с большой скоростью, увлекает за собой и сжимает среду низкого давления, что позволяет присоединить значительные массы воздуха к отработавшим (выхлопным) газам, благодаря чему снижается температура отработавших газов на выхлопе и шумность двигателя.
Применение вихревого эффекта в образованной трубе Ранка позволяет без механической энергии разделять холодный поток с основным содержанием свежего воздуха от горячего потока с основным содержанием выхлопных газов и направлять его на наддув двигателя.
Изготовление выхлопного отверстия с возможностью изменения сечения позволяет регулировать степенью сжатия воздуха в конструкции агрегата наддува, что также повышает надежность и эффективность работы устройства.
Заявленное техническое решение характеризуется чертежом, на котором изображен внешний вид одного из возможных вариантов реализации конструкции газодинамического (эжекционновихревого) агрегата наддува поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Агрегат состоит из фланца крепления (1) к выхлопному коллектору двигателя, патрубка (2) выхлопных газов, трубы (3) эжекции воздуха, улитки (4), патрубка (5) наддува двигателя, служащего для выхода холодного вихря, трубы (6) горячего вихря, служащей для выхлопа отработанных газов в атмосферу, конического подвижного тела – дросселя (7). Диаметр трубы (6) горячего вихря больше диаметра патрубка (5) наддува двигателя. Труба (6) горячего вихря и дроссель (7) образуют выхлопное отверстие (8) переменного сечения. Патрубок (2) выхлопных газов и труба (3) образуют эжектор воздуха, а улитка (4), патрубок (5) и труба (6) с дросселем (7) в совокупности образуют вихревую трубу Ранка, обеспечивающую необходимый эффект Ранка – Хилша (эффект температурного разделения газа при закручивании в цилиндрической или конической камере при условии, что поток газа в трубке проходит не только прямо, но и обратно).
Работает газодинамический (эжекционновихревой) агрегат наддува поршневого двигателя следующим образом.
Фланцем крепления (1) агрегат монтируется к выхлопному коллектору двигателя, по патрубку (2) выхлопных газов протекает со скоростью отработанный газ и по трубе (3) эжекции воздуха засасывает воздух. Эффект эжекции заключается в том, что поток с более высоким давлением, движущийся с большой скоростью, увлекает за собой и сжимает среду низкого давления (широко применяется в струйных аппаратах). Учитывая энергию отработавших (выхлопных) газов, масса эжектируемого воздуха может превосходить массу отработавших (выхлопных) газов в 4 … 8 раз и более. Далее поток закручивается в улитке (4), закрученный поток уходит в большую по диаметру трубу (6) горячего вихря, достигая конического подвижного тела – дросселя (7), поток окончательно разделяется, холодный вихрь вдоль оси агрегата направляется в противоположную сторону к патрубку (5) наддува двигателя, а оставшийся газ выходит в атмосферу, омывая коническое подвижное тело (7) через выхлопное отверстие переменного сечения (8). Система автоматического управления двигателем контролирует давление наддува и выдаёт команду исполнительному механизму на перемещение дросселя (7), который управляет этим давлением.
2
2
В отработавших газах два основных продукта сгорания – углекислый газ СО (13,7 % по объему) и водяной пар НO (13,1 %). Из сильно закрученного потока сепарируются твёрдые частицы кокса, сажа, пары воды и наиболее плотные газы, они прижимаются к стенке трубы и выходят в атмосферу вместе с горячим вихрем. Холодный вихрь, по массе близкий массе выхлопных газов, вдоль оси трубы уходит в противоположную сторону на вход в двигатель. Соотношение между холодным и горячим вихрями (потоками) и давление наддува определяет положение центрального тела – дросселя на выходе из трубы горячего вихря.
Все детали газодинамического агрегата наддува поршневого двигателя выполнены из листового металла. Окончательная сборка – сварка, затем монтируется единственная подвижная часть – дроссель (7), который не требует строгой центровки относительно оси агрегата. Конструкция устройства не содержит быстродвижущихся высокоточных роторов, не нуждается в смазке и высококвалифицированном обслуживании. Таким образом агрегат получается намного легче и дешевле относительно известных аналогов. Момент инерции закрученного газа очень мал, поэтому турбопровал будет неощутим.
В большинстве современных двигателей для снижения токсичности выхлопа предусмотрена рециркуляция отработавших газов, т. е. их подают на вход в двигатель через фильтр и специальный клапан. Рециркуляция отработавших газов (EGR — Exhaust Gas Recirculation) повышает эффективность работы двигателя, уменьшает расход топлива, снижает "жесткую" работу дизельного двигателя и детонацию в бензиновом двигателе. При повторном попадании выхлопных газов в цилиндр из них выгорает несгоревшее топливо, доокисляются углеводороды СН и окись углерода СО, а понижение температуры горения смеси существенно снижает самые токсичные комплексы оксидов азота NOx. Параллельно со снижением токсичности, снижается температура отработавших газов на выхлопе и шумность ввиду присоединения значительной массы воздуха к отработавшим (выхлопным) газам. Это важно для двигателей беспилотников – скрытность в инфракрасном излучении и акустическом давлении. Таким образом агрегат наддува двигателя, работающий и изготовленный согласно способу, может иметь малые габариты и рассматриваться как эффективный глушитель – выхлопное устройство.