Выхлопная система автомобильного двигателя внутреннего сгорания
CAR INTERNAL COMBUSTION ENGINE EXHAUST SYSTEM

Изобретение относится к выхлопной системе автомобильного двигателя внутреннего сгорания, например, V-образного или оппозитного двигателя. Типичные двигатели внутреннего сгорания с высокими эксплуатационными характеристиками имеют левую группу цилиндров и правую группу цилиндров, каждая из которых соединяется с отдельным левым выпускным трактом или правым выпускным трактом. В такой выхлопной системе каждый выпускной тракт - левый выпускной тракт и правый выпускной тракт - имеет структуру, определяющую подвод тракта, в который нагнетаются выхлопные газы из соответствующей левой или правой группы цилиндров и один или несколько выпускных отводов, открывающихся в атмосферу для выпуска выхлопных газов из выхлопной системы.
Каждый выпускной тракт такой выхлопной системы может работать от своей группы цилиндров и передавать обработанные газы на соответствующее выпускное отверстие без соединения с другим трактом. В такой системе выхлопные газы из левой группы цилиндров транспортируются исключительно через левый выпускной тракт и исключительно на левое выпускное отверстие. В то же время выхлопные газы из правой группы цилиндров транспортируются исключительно через правый выпускной тракт в направлении правого выпускного отверстия. В подобной системе выхлопные газы из одного тракта не поступают в другой тракт. Тем не менее, для повышения производительности и для того, чтобы иметь возможность снижать производимый системой шум известные выхлопные системы были снабжены одним или несколькими выхлопными трубами, которые соединяют левый выпускной тракт с правым выпускным трактом. Линии передачи выхлопных газов располагаются в выхлопных системах таким образом, чтобы обеспечивать Н-образное соединение левого выпускного тракта с правым выхлопным трактом и могут быть снабжены элементом запорной арматуры, регулирующим передачу выхлопных газов по линии передачи выхлопных газов путем открывания и/или закрывания.
Типичная конструкция такого выпускного отвода известна по патенту US 7,703,574 В2, где левый выпускной тракт соединяется с правым выпускным трактом двумя патрубками в форме двух Н-образных узлов, один из которых расположен относительно близко к двигателю, а другой - ближе к выхлопным отверстиям.
Известные выхлопные системы позволяют ограниченно контролировать издаваемый системой шум и могут повышать производительность при определенных рабочих состояниях двигателя. Однако в условиях работы двигателя при предельных характеристиках они имеют существенные недостатки как применительно к уровню шума, так и с точки зрения производительности. При предельных рабочих характеристиках вышеупомянутые выхлопные системы издают тревожный потоковый шум. Кроме того, в линии передачи образуются завихрения потоков выхлопных газов как в левом, так и в правом выпускном тракте: тем самым ограничивается производительность двигателя и устройств глушения. Прирост производительности ограничивается, в частности, количеством выхлопных газов, которые могут передаваться с одной линии на другую в объемах ниже необходимых.
Целью изобретения является преодоление недостатков прежних систем, обеспечение улучшенной выхлопной системы автомобильного двигателя внутреннего сгорания, выхлопной системы, в которой реализуется возможность подавления шума, издаваемого системой, при одновременном повышении производительности двигателя.
Эта цель достигается за счет применения функциональных возможностей, которые предлагаются в составе независимых пунктов формулы изобретения.
Согласно первому аспекту изобретения, выхлопная система автомобильного двигателя внутреннего сгорания, например, шестицилиндрового, восьмицилиндрового или другого V-образного двигателя, оппозитного либо аналогичного двигателя, включает в себя левый выпускной тракт, который соединен с левой группой цилиндров автомобильного двигателя внутреннего сгорания и правый выпускной тракт, который соединен с правой группой цилиндров автомобильного двигателя внутреннего сгорания. Каждый выпускной тракт состоит из структуры тракта, определяющей подвод тракта для приема выхлопных газов от группы цилиндров, с которой соединен тракт, по крайней мере один отвод для выпуска выхлопных газов в атмосферу и соединительный патрубок между подводом тракта и выпускным отводом. Соединительный патрубок имеет впускное отверстие для приема выхлопных газов из подвода тракта и выпускное отверстие для переноса выхлопных газов в направлении выпускного отверстия или для межтрактового обмена выхлопными газами.
Левый выпускной тракт состоит стоит из структуры левого тракта, определяющей подвод левого тракта для приема выхлопных газов от левой группы цилиндров, с которой соединен левый тракт, по крайней мере один левый отвод для выпуска выхлопных газов в атмосферу и левый соединительный патрубок между подводом левого тракта и левым выпускным отводом. Также соединительный патрубок имеет левое впускное отверстие для приема выхлопных газов из подвода левого тракта и левое выпускное отверстие для переноса выхлопных газов в направлении левого выпускного отверстия. Правый выпускной тракт состоит из структуры правого тракта, определяющей подвод правого тракта для приема выхлопных газов от правой группы цилиндров, с которой соединен правый тракт, по крайней мере один правый отвод для выпуска выхлопных газов в атмосферу и правый соединительный патрубок между подводом правого тракта и правым выпускным отводом. Правый соединительный патрубок имеет правое впускное отверстие для приема выхлопных газов из подвода правого тракта и правое выпускное отверстие для переноса выхлопных газов в направлении правого выпускного отверстия. Таким образом, каждый выпускной тракт состоит из двух отдельных структур. В предпочтительном варианте реализации изобретения выпускные отводы левого тракта и выпускные отводы правого тракта неодинаковы. В частности, соединительный патрубок левого выпускного тракта и соединительный патрубок правого выпускного тракта отличаются.
В первом аспекте данного изобретения левый соединительный патрубок и правый соединительный патрубок образуют соединительный узел, формируя общее соединительное отверстие для переноса выхлопных газов между трактами. Соединительное отверстие левого патрубка предпочтительно напрямую совместить с соединительным отверстием правого патрубка для формирования общего соединительного отверстия. Каждый соединительный патрубок ограничивает соответствующую окружную поверхность трубы, формирующую соответствующее отверстие с тем, чтобы левый патрубок и правый патрубок можно было соединить так, чтобы их отверстия были выровнены по отношению к друг другу. Такие отверстия соединительных патрубков предпочтительно делать одинакового размера. Желательно обеспечить перенос выхлопных газов между трактами через соединительный узел. Выхлопные газы из левой группы цилиндров можно транспортировать из левого соединительного патрубка через общее соединительное отверстие в правый соединительный патрубок, который входит в структуру правого выпускного тракта. И наоборот: выхлопные газы из правой группы цилиндров можно транспортировать из правого соединительного патрубка через общее соединительное отверстие в левый соединительный патрубок. Прямое соединение между левым и правым трактами через трубный узел позволяет не устанавливать патрубок для переноса выхлопных газов и благодаря такому решению в выхлопной системе не образуется мертвое пространство. Показано, что прямой перенос выхлопных газов между трактами повышает объем выхлопных газов, которые передаются из одного тракта в другой при стандартных рабочих характеристиках двигателя в общей выхлопной системе с Н-образным узлом. Кроме того, удивление вызвал тот факт, что в выхлопной системе, показанной в составе изобретения, в которой выхлопные газы переносятся непосредственно между трактами через общее соединительное отверстие, можно значительным образом снизить шумы при высоких эксплуатационных характеристиках двигателя (в частности, потоковый шум).
В первом аспекте изобретения выхлопная система оснащается по меньшей мере одним элементом запорной арматуры для открывания или закрывания такого общего соединительного отверстия. В предпочтительном варианте реализации изобретения элемент запорной арматуры можно избирательно контролировать для открывания или закрывания общего соединительного отверстия. Общее соединительное отверстие может быть открыто, частично открыто, частично закрыто, и/или полностью закрыто элементом запорной арматуры с тем, чтобы перенос выхлопных газов или обмен между трактами можно было контролировать для повышения производительности и/или с целью регулирования и (желательно) снижения шума, издаваемого системой. Предпочтительно, чтобы выпускная система была оснащена одним элементом запорной арматуры.
Выпускной отвод желательно оснастить отверстием, выводящим выхлопные газы непосредственно в атмосферу, однако между атмосферой и выпускным отводом может быть установлен глушитель или каталитический нейтрализатор.
Предпочтительно, чтобы размер и/или геометрия соответствующей площади поперечного сечения правого и/или левого соединительного патрубка в целом были постоянными. В частности, соответствующая площадь поперечного сечения правого и/или левого соединительного патрубка в зоне общего соединительного отверстия и в плоскости, перпендикулярной общему соединительному отверстию, имеет приблизительно такие же размеры/геометрию, что и входное/выпускное отверстие патрубка.
В предпочтительном варианте реализации изобретения соединительные трубы изогнуты зеркально-симметричным образом - под углом и/или дугой. Соединительные трубы изогнуты, обеспечивая Х-образную форму трубного узла. Мертвый объем Х-образного узла в плане выхлопных газов, переносимых между левым трактом и правым трактом, может быть сведен к минимуму.
Желательно, чтобы соединительный отвод, расположенный выше по потоку, и колено соединительного патрубка, расположенное ниже, левый соединительный патрубок или правый соединительный имели такую форму, которая позволила бы реализовать V-образный или U-образный (левый или правый) соединительный патрубок. Такая деформация может быть применена как к левому, так и к правому соединительному патрубку. Соединительные патрубки, из которых состоит трубный узел, могут быть изогнуты так, чтобы передние колена соединительного патрубка образовывали V-образную форму и/или чтобы расположенные ниже на линии колена соединительного патрубка образовывали V-образную форму. Желательно, чтобы переднее колено левого патрубка было расположено соосно заднему правому колену и/или переднее колено правого соединительного патрубка было расположено соосно заднему колену левого соединительного патрубка. Термины «выше по потоку / передний» и «ниже по потоку / задний» используются применительно к маршруту потока выхлопных газов от двигателя к выхлопному отверстию.
Трубный узел сконструирован таким образом, что пульсирующий поток выхлопных газов, поступающий из одного впускного отверстия соответствующего левого или правого выпускного тракта, взаимодействует с пульсирующим потоком выхлопных газов, поступающим из другого впускного отверстия в трубном узле, предпочтительно в области смешивания, таким образом, что первый упомянутый выше пульсирующий поток выталкивает второй поток из второго упомянутого выше впускного отверстия к выпускному отверстию на той же стороне тракта, а также к выпускному отверстию на стороне тракта второго впускного отверстия. Соответственно, пульсирующий поток выхлопных газов, поступающий в правое впускное отверстие трубного узла, может помочь выхлопным газам, поступающим из впускного отверстия левого тракта покинуть его через левый отвод и наоборот. Трубный узел рассчитан на использование энергии пульсации от одного (левого или правого) выпускного тракта для ускорения потока выхлопных газов, поступающих из противоположного (правого или левого) выпускного тракта. Эту функцию можно назвать двухтактным эффектом. Оказалось, что двухтактный эффект существенно увеличивает производительность двигателя.
В варианте выхлопной системы, реализуемом в соответствии с описанием изобретения, трубный узел представляет собой единственное соединение для переноса выхлопных газов между трактами. Единственный трубный узел с отверстием для переноса выхлопных газов из левого выпускного тракта в правый выпускной тракт и наоборот позволяет контролировать поток выхлопных газов, проходящих через тракт, очень простым, но эффективным способом. Это одновременно позволяет избегать помех, которые могут возникать при использовании множественных соединений между трактами. Понятно, что любые соединения, через которые осуществляется передача газов выше по потоку от цилиндров, не имеют отношения к трактам выхлопных газов, поскольку выхлопные газы образуются только при сгорании внутри цилиндров. Тракты выхлопных газов завершаются выпускными отверстиями, выходящими в атмосферу, причем атмосфера не должна рассматриваться как часть тракта выхлопных газов.
В доработанном предпочтительном примере осуществления выхлопной системы в соответствии с описанием изобретения, который допускает комбинации с любым из вышеупомянутых предпочтительных примеров исполнения, общее соединительное отверстие ограничивает зону смешивания, которая в 0,25 - 4 раза, желательно в 0,5 - 2 раза больше, предпочтительно от 0,75 до 1,5 раза больше или равна условной площади для расчетов, определяемой по площади поперечного сечения левого и/или правого выпускного тракта, желательно - условной площади для расчетов, ограниченной их левой или правой соединительной частью. Условная площадь, в частности, определяется на соответствующем впускном отверстии или выпускном отверстии левого или правого соединительного патрубка или определяется по среднему значению площади поперечного сечения левого или правого соединительного патрубка, либо на участке от впускного отверстия к выпускному отверстию по среднему значению площадей поперечного сечения входных отверстий и/или площадей поперечного сечения выпускных отверстий. Условная площадь также может быть определена по сумме площадей поперечных сечений каждого соединительного патрубка, перпендикулярных центру общего соединительного отверстия. Оптимальные шумовые характеристики достигаются на трубных узлах с зонами смешивания, которые имеют тот же размер или больше, чем площадь суммы поперечных сечений каждого соединительного патрубка, перпендикулярных центру общего соединительного отверстия.
Согласно другому примеру осуществления изобретения по меньшей мере один элемент запорной арматуры включает в себя запирающий элемент - заслонку, задвижку или аналогичный элемент - для закрывания по меньшей мере 50%, желательно - по меньшей мере 75%, в частных случаях - по меньшей мере 90%, наиболее предпочтительно - всей зоны смешивания, ограниченной общим соединительным отверстием. В частности, запирающий элемент имеет перепускное отверстие. Желательно, чтобы запирающий элемент поворачивался, в том числе на 90%, для переключения между полностью открытым и полностью закрытым состоянием.
Еще один предпочтительный пример осуществления выхлопной системы в соответствии с описанием изобретения включает в себя по меньшей мере одно запорное устройство, препятствующее потоку выхлопных газов, в частности, для частичного блокирования потока и/или для полного блокирования потока выхлопных газов в пределах левого выпускного тракта и/или в пределах правого выпускного тракта, на соответствующем отверстии выпускного тракта между впускным отверстием и по меньшей мере одним (в частных случаях единственным) выпускным отверстием. В предпочтительном варианте исполнения левая выхлопная система оснащается левым запорным устройством, а правая выхлопная система - правым запорным устройством, и левое запорное устройство структурно отделено от правого запорного устройства и/или запорные устройства контролируются независимо друг от друга. В соответствии с доработанной версией этого варианта исполнения выхлопная система включает в себя единственное запорное устройство для препятствования потоку выхлопных газов как через левый выпускной тракт, так и через правый выпускной тракт; здесь запорное устройство реализовано как часть трубного узла.
В доработанном варианте исполнения каждый выпускной тракт дополнительно включает в себя по меньшей мере один обвод (желательно единственный), ведущий ко второму выпускному отводу, открывающемуся в атмосферу. Второй выпускной отвод можно назвать перепускным отводом выхлопных газов, а первый - главным. В предпочтительном варианте исполнения главный отвод выхлопных газов по крайней мере в 1,1 раза, 1,2 раза, 1,5 раза, 1,75 раза, 2 раза, 3 раза, 4 раза, 5 раз больше, чем перепускной отвод выхлопных газов по отношению к зонам выпуска.
Линия перепуска в частных случаях разветвляется выше по потоку от запорного устройства и в частных случаях - выше по потоку от трубного узла. Выхлопные газы могут быть принудительно загружены в перепускную линию, которая разветвляется выше по потоку от запорного устройства и/или трубного узла патрубка, которая отходит вверх, за счет закрывания запорного устройства и/или перекрывания трубного узла с целью снижения шума, издаваемого выхлопной системой.
В предпочтительном для использования доработанном варианте исполнения запорное устройство входит в состав трубного узла, который включает в себя первый элемент запорной арматуры и второй элемент запорной арматуры. Первый и второй элементы запорной арматуры в частных случаях работают независимо друг от друга. В предпочтительном варианте исполнения первый и второй элементы запорной арматуры двигаются зависимо друг от друга за счет использования механического соединения и/или реализованной в блоке управления функции управления элементами запорной арматуры в связке друг с другом. Если элементы запорной арматуры двигаются исключительно в связке, управление ими упрощается и риск ошибок управления может быть снижен. Независимое управление элементами запорной арматуры с другой стороны обеспечивает большую свободу в плане регулирования потока выхлопных газов в выхлопной системе.
В предпочтительном для использования доработанном варианте исполнения первым элементом запорной арматуры считается левый элемент запорной арматуры, который избирательно открывает общее соединительное отверстие и/или отверстие левого выпускного тракта. В этом доработанном варианте исполнения вторым элементом запорной арматуры считается правый элемент запорной арматуры, который избирательно открывает общее соединительное отверстие и/или отверстие правого выпускного тракта.
В другом доработанном варианте исполнения первым элементом запорной арматуры является центральный элемент запорной арматуры, который избирательно открывает или закрывает общее соединительное отверстие. В этом доработанном варианте исполнения вторым элементом запорной арматуры является общий элемент запорной арматуры, который открывает и закрывает оба отверстия тракта.
В другом предпочтительном варианте исполнения, в котором в состав трубного узла включен первый элемент запорной арматуры и второй элемент запорной арматуры, первый элемент запорной арматуры и второй элемент запорной арматуры являются вращательно-подвижными, при этом в предпочтительном варианте исполнения оба элемента вращаются вокруг одной оси или первый элемент запорной арматуры вращается вокруг первой оси, а второй элемент запорной арматуры - вокруг второй оси, причем первая ось в целом параллельна второй. В предпочтительном варианте первый элемент запорной арматуры и/или второй элемент запорной арматуры состоит из запирающего элемента (например, стенки), являющего эксцентрическим по отношению к оси вращения соответствующего элемента запорной арматуры. Расстояние между двумя параллельными осями вращения (первой осью вращения и второй осью вращения) может приблизительно равняться двойному расстоянию радиального смещения элемента запорной арматуры.
Согласно второму аспекту изобретения выхлопная система автомобильного двигателя внутреннего сгорания, например, V-образного двигателя или оппозитного, включает в себя левый выпускной тракт, который соединен с левой группой цилиндров автомобильного двигателя внутреннего сгорания и правый выпускной тракт, который соединен с правой группой цилиндров автомобильного двигателя внутреннего сгорания. Во втором аспекте изобретения каждый выпускной тракт состоит из структуры тракта, определяющей подвод тракта для приема выхлопных газов от группы цилиндров, с которой соединен тракт, по крайней мере два отвода для выпуска выхлопных газов в атмосферу: главный отвод выхлопных газов и перепускной отвод выхлопных газов с открытием в атмосферу.
В соответствии со вторым аспектом изобретения каждый выпускной тракт также включает в себя запорное устройство, открывающее или закрывающее отверстие тракта между подводом тракта и одним из как минимум двух выпускных отводов; при открытом запорном устройстве выхлопные газы могут передаваться из подвода тракта на как минимум оба выпускных отвода; при закрытом запорном устройстве выхлопные газы из подвода тракта не поступают ни на один из двух выпускных отводов и, в частности, на главный отвод выхлопных газов. Каждый выпускной тракт дополнительно включает в себя по крайней мере одно соединение, в частности, общее соединительное отверстие для переноса выхлопных газов между трактами. Выхлопная система согласно второму аспекту изобретения включает в себя по крайней мере один элемент запорной арматуры (желательно, единственный) или два элемента запорной арматуры для избирательного открывания и закрывания по меньшей мере одного соединения.
Выхлопная система во втором аспекте изобретение имеет левый выпускной тракт, включающий в себя структуру, которая определяет подвод левого тракта, по меньшей мере два левых отвода выхлопных газов (левый главный и левый перепускной), левое запорное устройство для открывания и/или закрывания отверстия левого тракта, расположенного между подводом левого тракта и одной из как минимум двух левых отводов выхлопных газов, при этом левое запорное устройство может заблокировать или разрешить перенос выхлопных газов из подвода левого тракта на по меньшей мере один из как минимум двух левых отводов выхлопных газов. Этот левый выпускной тракт дополнительно включает в себя по крайней мере одно соединение, которое может быть реализовано в виде общего соединительного отверстия левого и правого выпускных трактов для переноса выхлопных газов из левого тракта в правый тракт. Возможна реализация элемента запорной арматуры для избирательного открывания или закрывания по меньшей мере одного соединения. Правый выпускной тракт состоит из правой структуры, определяющей подвод правого тракта, по меньшей мере два правых отвода выхлопных газов, и правого запорного устройства; эти компоненты обеспечивают ту же функцию в правом тракте, что и соответствующие левые компоненты в левом тракте. Левый выпускной тракт имеет два левых выпускных отверстия, которые в предпочтительном варианте реализации изобретения отличаются от двух правых выхлопных отверстий правого выпускного тракта. Таким образом, выхлопная система в предпочтительном варианте реализации изобретения имеет не менее четырех выпускных отверстий. Правый выпускной тракт дополнительно содержит по крайней мере одно соединение для переноса выхлопных газов из правого тракта в левый тракт, соединение которого предпочтительно осуществляется с помощью общего соединительного отверстия. Выхлопная система оснащается по меньшей мере одним элементом запорной арматуры для открывания и/или закрывания этого общего соединительного отверстия. Выхлопная система может, в частности, включать первый элемент запорной арматуры и второй элемент запорной арматуры, который может действовать в соответствии с первым и вторым элементами запорной арматуры, описанными выше, в отношении первого аспекта изобретения. Во втором аспекте изобретения отдельное преимущество заключается в возможности крайне точного регулирования потока выхлопных газов, проходящих через выхлопную систему, с помощью запорного устройства (запорных устройств) и элемента запорной арматуры клапана с целью максимального повышения производительности и/или снижения производимого системой шума.
По второму аспекту изобретения любой из левых и правых трактов должен быть оснащен запорным устройством. Таким образом, поток выхлопных газов, проходящих через левый главный отвод, регулируется преимущественно левым запорным устройством, в то время как поток выхлопных газов, проходящих через правый главный отвод, регулируется преимущественно правым запорным устройством. Хотя существует возможность реализации левого запорного устройства и правого запорного устройства в составе единого функционального блока, например, путем исполнения общего элемента запорной арматуры согласно описанию одного из упомянутых выше доработанных вариантов; в предпочтительном варианте реализации изобретения должно быть предусмотрено одно индивидуальное левое или правое запорное устройство в соответствующем левом или правом выпускном тракте.
В предпочтительном варианте реализации изобретения каждый из по крайней мере четырех отводов выхлопных газов открывается в атмосферу, и каждый отвод выхлопных газов отделен от всех других отводов выхлопных газов. Отводы выхлопных газов можно расположить рядом друг с другом, коаксиально друг к другу с кольцевой зоной выпуска, сотообразно или подобным образом.
В предпочтительном варианте реализации второго аспекта изобретения площадь поперечного сечения или площадь выпускного отверстия главного отвода выхлопных газов примерно в 1,1 раза, 1,25 раза, 1,3 раза, 1,5 раза, 2,0 раза, 2,5 раза, 3,0 раза, 4,0 раза или более раз превышает площадь поперечного сечения или площадь зоны выпуска перепускных отводов.
Другой предпочтительный вариант реализации выхлопной системы в соответствии со вторым аспектом изобретения включает запорное устройство, расположенное в соответствующем левом или правом выпускном тракте ниже по потоку от соединения. В предпочтительном варианте реализации изобретения соединение осуществляется через общее соединительное отверстие.
В другом предпочтительном варианте реализации изобретения каждый выпускной тракт дополнительно оснащен перепускной линией для переноса выхлопных газов с подвода тракта к одному из по крайней мере двух отверстий, желательно, к отверстию перепускного отвода.
В доработанном варианте реализации изобретения перепускная линия отделяется от главной линии соответствующего выпускного тракта; главная линия включает в себя соответствующий подвод тракта и по меньшей мере одно из как минимум двух выпускных отверстий, предпочтительно - главное выпускное отверстие, ниже или выше по потоку от соединения, желательно, соединительного патрубка соответствующего выпускного тракта - патрубка, в котором реализовано общее соединительное отверстие.
В предпочтительном варианте реализации изобретения выхлопная система согласно первому и/или второму аспекту изобретения включает в себя блок управления элементами запорной арматуры для частичного (желательно), частичного и/или полного (более предпочтительно) открывания или закрывания соединения, в частном случае - общего соединительного отверстия в зависимости от условий эксплуатации двигателя, таких как заданный диапазон частоты вращения, например, менее 2000 оборотов в минуту, менее 3000 оборотов в минуту, свыше 3000 оборотов в минуту, свыше 4000 оборотов в минуту, от 2000 до 4000 оборотов в минуту и/или в зависимости от ручной настройки (режим «спорт» или «комфорт»).
В доработанном варианте реализации изобретения выхлопная система в соответствии с первым и/или вторым аспектом изобретения включает в себя элемент запорной арматуры, а запорное устройство может быть оснащено блоком управления, приспособленным для регулирования элемента запорной арматуры, при этом запорное устройство может функционировать в одном из следующих режимов: Первый режим, в котором соединение, в частном случае - общее соединительное отверстие, находится в закрытом положении, а отверстие правого выпускного тракта и отверстие левого выпускного тракта - в открытом (режим I). Второй режим, в котором соединение, в частном случае - общее соединительное отверстие, находится в открытом положении, а отверстие правого выпускного тракта и отверстие левого выпускного тракта - в открытом (режим И). Третий режим, в котором соединение, в частном случае - общее соединительное отверстие, находится в открытом положении, а отверстие правого выпускного тракта и отверстие левого выпускного тракта - в полностью закрытом (режим III). При режиме I соединение, в частном случае - общее соединительное отверстие, полностью закрыто и загерметизировано. В предпочтительном варианте реализации изобретения блок управления обеспечивает контроль элемента запорной арматуры в одном из режимов I, II и III. В более предпочтительном варианте реализации изобретения блок управления обеспечивает контроль элемента запорной арматуры, а также запорного устройства исключительно в одном из режимов I, II и III.
В доработанном предпочтительном варианте реализации изобретения блок управления адаптирован для управления элементом запорной арматуры в одном из следующих режимов: в четвертом режиме, в котором соединение, в частном случае - общее соединительное отверстие, в предпочтительном варианте реализации изобретения находится в полностью закрытом положении и отверстие правого выпускного тракта, и отверстие левого выпускного тракта - тоже в полностью закрытом положении (режим IV). В пятом режиме, в котором соединение, в частном случае - общее соединительное отверстие, находится в открытом положении, а отверстие правого выпускного тракта и отверстие левого выпускного тракта - в частично закрытом положении (режим V). В режиме V отверстие выхлопного тракта, которое не является частично закрытым, открывается полностью. В шестом режиме, в котором соединение, в частном случае - общее соединительное отверстие, находится в открытом состоянии, а одно из отверстий выпускного тракта (отверстие левого выпускного тракта или отверстие правого выпускного тракта) в предпочтительном варианте реализации изобретения полностью открыты, при этом другое отверстие выпускного тракта, отверстие левого выпускного тракта или отверстие правого выхлопного тракта диафрагмы, полностью закрыты (режим VI). Дополнительные настройки также возможны.
В доработанном предпочтительном варианте, согласно второму аспекту изобретения, соединение, желательно - общее соединительное отверстие, реализуется в виде крестообразного трубного узла левого выпускного тракта и правого выпускного тракта. Крестообразный трубный узел может быть реализован, как описано выше, с учетом первого аспекта изобретения. В предпочтительном варианте реализовано только одно соединение для переноса выхлопных газов между выпускными трактами.
Первый аспект изобретения и второй аспект изобретения могут быть объединены. Предпочтительно, чтобы любая индивидуальная особенность первого аспекта могла быть использована в изобретении в соответствии со вторым аспектом изобретения. В частном случае в первом аспекте изобретения могут быть реализованы индивидуальные особенности, описанные выше в составе второго аспекта.
Выпускные устройства числом от одного и более, например, устройство химической очистки выхлопных газов, устройство очистки выхлопных газов от механических примесей и конденсата и/или устройство шумоподавления (в частности, глушитель и/или каталитический нейтрализатор), могут быть размещены в одном или, в предпочтительном варианте реализации изобретения, в обоих выпускных трактах, например, между двигателем и трубным узлом, между трубным узлом и выпускным отводом, между трубным узлом и участком до или после запорного устройства, на перепускной линии, на основной линии на участке до или после разделения элементом запорной арматуры или иным элементом.
Выхлопная система обеспечивает герметичное удержание выхлопных газов без утечек в атмосферу применительно ко всем элементам, кроме выпускных отверстий, которые открываются в атмосферу. Из-за герметичного удержания выхлопным газам на пути от двигателя в атмосферу приходится проходить по крайней мере через одно устройство: устройство химической очистки выхлопных газов, устройство очистки выхлопных газов от механических примесей и конденсата и/или устройство шумоподавления; таким образом, нежелательные выбросы и/или шум устраняются. С этой целью отдельные компоненты выхлопной системы, в частном случае - устройство химической очистки выхлопных газов, устройство очистки выхлопных газов от механических примесей и конденсата и/или устройство шумоподавления, трубный узел и/или запорное устройство оснащаются соответствующим газонепроницаемым кожухом, сконструированным с как минимум одним внутренним подводом и как минимум одним внутренним отводом, задача которых -обеспечивать свободное течение выхлопных газов через кожух внутри выхлопной системы.
Доработанные варианты реализации изобретения, функциональные особенности и технические аспекты описаны в зависимых пунктах формул изобретения. Более подробная информация о предпочтительных вариантах реализации изобретения приведена на прилагаемых Фиг.:
Фиг. 1 схематическое изображение первого варианта исполнения выхлопной системы в соответствии с общей структурой;
Фиг. 1а схематическое изображение второго варианта исполнения выхлопной системы в соответствии с общей структурой;
Фиг. 2 схематический вид сечения трубного узла, включая элемент запорной арматуры в открытом состоянии в соответствии с первым вариантом реализации изобретения;
Фиг. 3 схематический вид сечения трубного узла в соответствии с Фиг. 2, включая элемент запорной арматуры в закрытом состоянии;
Фиг. 4 конкретный вариант реализации трубного узла, схожий с Фиг. 2, на котором элемент запорной арматуры оснащен перепускными отверстиями;
Фиг. 5а вид сверху на трубный узел в соответствии со вторым вариантом реализации изобретения, включая два элемента запорной арматуры;
Фиг. 5b вид сверху на трубный узел согласно Фиг. 5а в другом режиме;
Фиг. 6а схематический вид сечения трубного узла в соответствии с Фиг. 5 а;
Фиг. 6b вид сбоку элемента запорной арматуры трубного узла в соответствии с Фиг. 5а;
Фиг. 6с вид сверху элемента запорной арматуры в разрезе согласно Фиг. 6а по линии
Фиг. с 7 по 9 прочие режимы элементов запорной арматуры трубного узла в соответствии с Фиг. 5;
Фиг. 10 доработанные варианты реализации трубного узла с центральным элементом запорной арматуры для открывания и закрывания соединительного отверстия между двумя выпускными трактами и общим элементом запорной арматуры для открывания и закрывания отверстий обоих трактов;
Фиг. 11 боковой разрез трубного узла в соответствии с Фиг. 10;
Фиг. 12 вид трубного узла в перспективе в соответствии с Фиг. 10;
Фиг. 13 подробное отображение общего элемента запорной арматуры трубного узла согласно Фиг. 10;
Фиг. 14 звуковая карта, отражающая уровень шума, издаваемого выхлопной системой в одном конкретном режиме и
Фиг. 15 вторая звуковая карта, отражающая уровень шума, издаваемого выхлопной системой в другом конкретном режиме.
За выхлопной системой автомобильного двигателя внутреннего сгорания закреплена общая ссылочная позиция 1. Выхлопная система состоит из двух выпускных трактов: левого выпускного тракта 5 и правого выпускного тракта 7. Следует отметить, что термины «левый» и «правый» могут означать положение установки выхлопной системы и/или двигателя внутреннего сгорания; однако две разные группы цилиндров, ориентированные в вертикальной плоскости или в другом направлении также могут быть левыми или правыми - это необходимо для разграничения двух групп цилиндров и выпускных трактов 5,7. Следует также отметить, что выражения "левый" и "правый" могут использоваться для обозначения выпускных трактов, соединенных с двигателем, имеющим ряд последовательно расположенных цилиндров, но два отдельных выпускных тракта, в предпочтительном варианте реализации изобретения предусмотренных для выхлопных газов от отдельных цилиндров указанного двигателя с линейным расположением цилиндров; таким образом, выхлопные газы от каждого цилиндра направляют газ исключительно в левый выпускной тракт 5 или в правый выпускной тракт 7.
Автомобильный двигатель внутреннего сгорания 3, отображенный на Фиг. 1 - это восьмицилиндровый V-образный двигатель с левой группой из четырех цилиндров 35 и правой группой из четырех цилиндров 37. Ясно, что такой же принцип реализации согласно изобретению может быть также использован в случае с V-образным двигателем с другим количеством цилиндров (двигатель V6, V12 или аналогичные двигатели) или, например, с оппозитным двигателем.
Каждая группа цилиндров 35, 37 двигателя 3 соединена с выпускным трактом 5, 7 для транспортировки выхлопных газов из цилиндров 37, 35 в атмосферу. Правая группа цилиндров 37 соединена с подводом тракта 71 для транспортировки выхлопных газов ниже по потоку, а левый ряд цилиндров 35 соединен с подводом левого тракта для транспортировки выхлопной газ в направлении от левого ряда цилиндров 35.
Левый выпускной тракт 5 состоит из подвода тракта 51, ведущего к соединительному патрубку 55, соединительного патрубка 55 и расположенной ниже по потоку от соединительного патрубка 55 выхлопной трубы 59, ведущей к отводу выхлопных газов 53 (все элементы указаны в порядке расположения на участке между левым рядом цилиндров 35 и атмосферой). Аналогичным образом, правый выпускной тракт 7 состоит из подвода тракта 71 для приема выхлопных газов из правого ряда цилиндров 37 и для транспортировки его в направлении от цилиндров, а правого соединительного патрубка 75, принимающего выхлопные газы из подвода тракта 71 и выхлопной трубы для транспортировки выхлопных газов из соединительного патрубка 75 в направлении правого выпускного отверстия 73 (все элементы указаны в порядке расположения на участке между правым рядом цилиндров 37 и атмосферой).
Каждый выпускной тракт 5, 7 может состоять из дополнительных элементов, таких как левый или правый клапан устройства 52, 72 и соответствующий правый или левый задний глушитель 14, расположенных близко к соответствующему правому или левому отводу выхлопных газов 53, 73. Каждый тракт 5, 7 дополнительно оснащен правой или левой линией 57, 77 с разделением (см. Фиг. 1) от выхлопной трубы 59, 79 на участке выше по потоку до правого и левого запорных устройств 13. Выхлопная система 1 согласно Фиг. 1 имеет два отвода выхлопных газов 73 и два левых отвода выхлопных газов 53, соответствующий главный отвод выхлопных газов 53а, 73а и второй отвод выхлопных газов 53b, 73b или перепускной отвод выхлопных газов. Перепускной отвод выхлопных газов 53b, 73b и/или перепускная линия 57, 77 имеют диаметр, достаточный для переноса выхлопных газов в атмосферу, при этом такой диаметр в предпочтительном варианте реализации изобретения меньше диаметра главного отвода выхлопных газов 53а, 53b или соответствующего тракта 5 или 7.
Запорное устройство 13 или элемент запорной арматуры расположен в соответствующих выхлопных трубах 59, 79 левого тракта 5 и правого тракта 7. Соответствующая линия перепуска 57, 77 отделяется от выхлопной трубы 59, 79 выше по потоку от перепускного клапана 13. До тех пор, пока перепускной клапан 13 находится в открытом или пассивном состоянии, выхлопные газы могут свободно проходить через соответствующее отверстие тракта из соединительной трубы 55, 75 в сторону главного отвода выхлопных газов 53а, 73а. Выпуск выхлопного газа через главный отвод выхлопных газов 53а, 73а большего диаметра позволяет пропускать больший объем подлежащего удалению воздуха или выхлопных газов с меньшим потоковым сопротивлением (и более низким уровнем шумового загрязнения) через соответствующий выпускной тракт 5, 7.
Если запорное устройство 13 находится в активном или закрытом состоянии, отверстие тракта закрывается таким образом, что выхлопные газы вынуждены проходить через соответствующую перепускную линию 57, 77 левого или правого выпускного тракта 5, 7 и выходить через перепускное отверстие 53b, 73b, то есть через относительно небольшое выпускное отверстие. Таким образом, активное состояние запорного устройства 13 ограничивает поток выхлопных газов от двигателя 3 перепускной линией 57, 77 с относительно небольшим диаметром, что снижает шум, издаваемый выхлопной системой. Ясно, что существенным отличием главной выхлопной трубы 59, 79 и главного отвода выхлопных газов 53а, 73а по отношению к перепускной линии 57, 77 и перепускному отводу выхлопных газов 53b, 73b является повышенное сопротивление потоку выхлопных газов на перепускной линии 57 и/или отводе 53b, 73b и больший эффект шумоподавления.
Запорное устройство 13 можно контролировать с целью непрерывного регулирования эффективного размера отверстия тракта от полностью закрытого до полностью открытого, от раскрытия на 0% до 100-процентного раскрытия, что обеспечивает очень точную регулировку.
В предпочтительном варианте реализации изобретения в соответствии с Фиг. 1 (а также Фиг. 1а) такое сопротивление реализовано за счет использования меньшего диаметра линии перепуска 57, 77 и перепускного отвода 53b, 73b по отношению к соответствующим компонентам главной линии 59 и главного отвода 53а. Однако такое сопротивление также может быть реализовано за счет уменьшения размеров только деталей или секций перепускной линии 57, 77 или только перепускного отвода 53b, 73b.
Клапаны перепуска 13 обоих трактов 5, 7 можно установить в открытое (или пассивное) положение для режима «спорт» и более эффективного вождения. Клапаны перепуска 13 обоих трактов 5, 7 могут быть закрыты (или активированы) для снижения шума и/или если не активирован режим «спорт», либо вождение не предполагает высокой эффективности.
Также можно привести в открытое положение одно запорное устройство 13 правого тракта 7 или левого тракта 5 и закрыть (или активировать) запорное устройство 13 другого тракта (5 или 7). Режим запорного устройства, в котором, например, правое запорное устройство 13 находится в закрытом положении, а левое запорное устройство 13 находится в открытом положении или наоборот, может обеспечить работу в промежуточном режиме со средним увеличением производительности и средним увеличением шума, издаваемого системой.
Кроме того, в предпочтительном варианте реализации выхлопной системы 1, показанной на Фиг. 1, выхлопная система 1 состоит из трубного узла 9, в котором левый соединительный патрубок 55 и правый соединительный патрубок 75 соединены таким образом, что соединительные патрубки 55, 75 образуют общее соединительное отверстие 91 для переноса выхлопных газов между трактами 5,7.
Трубный узел 9 - по существу Х-образный. Х-образная форма трубного узла 9 по существу реализуется за счет форм правого и левого соединительных патрубков 55, 75, каждый из которых изгибается для обеспечения U-образной или V-образной формы. Левый соединительный патрубок 55 и правый соединительный патрубок 75 соединены на соответствующих концах U- или V-образной формы. Каждый из соединительных патрубков 55, 75 можно разделить на секции: Соединительные секции 56, 76, где левый соединительный патрубок 55 и правый соединительный патрубок 75 соединены друг с другом таким образом, что образуют общее соединительное отверстие 91, через которое выхлопные газы могут проходить из левого выпускного тракта 5 в правый выпускной тракт 7 и наоборот. Выше по потоку от соединительных секций 56, 76 каждый соединительный патрубок 55, 75 имеет впускную секцию 55а, 75а или переднее колено, через которое выхлопные газы могут проходить от соответствующего подвода тракта 51 или 71 к соединительным секциям 56, 76.
Ниже по потоку от соединительных секций 56, 76 каждый соединительный патрубок 55, 75 имеет выпускную секцию или заднее колено 55b, 75b для передачи выхлопных газов из соединительных секций 56, 76 и в частных случаях - общего соединительного отверстия 91 к соответствующей левой выхлопной трубе 59 или правой выхлопной трубе 79.
Левое переднее колено 55а имеет расположенное выше по потоку впускное отверстие 55i, которое соединяется с подводом левого тракта 51 для приема оттуда выхлопных газов. Аналогичным образом правая впускная секция или колено 75а имеют правое впускное отверстие 75i, которое соединяется с подводом правого тракта 71 для приема выхлопных газов с подвода правого тракта 71. Выхлопные газы из правого ряда цилиндров 37 поступают через подвод правого тракта 71 исключительно в правый соединительный патрубок 75 и его впускное отверстие 75i. Аналогичным образом выхлопные газы из левого ряда цилиндров 35 поступают из группы цилиндров 35 через подвод тракта 51 исключительно в левый соединительный патрубок 55, при этом левый соединительный патрубок 55 имеет впускное отверстие 55i для приема выхлопных газов из подвод левого тракта 51.
Патрубок 9 включает в себя элемент запорной арматуры 93, который может быть закрыт для разделения выхлопных газов левого выпускного тракта 5 и выхлопных газов правого выпускного тракта 7, то есть выхлопные газы, удаляемые из левого ряда цилиндров 35 в подвод левого тракта 51 (показано стрелками 50), транспортируется полностью через левый соединительный патрубок 55 в левую выхлопную трубу 59 и течет через нее (как показано стрелкой 60). Аналогичным в целом образом выхлопные газы (обозначенные стрелкой 70), удаляемые из правого ряда цилиндров 37 в подвод правого тракта 71, транспортируются полностью по правой соединительной трубе 75 в правую выхлопную трубу 79 и транспортируются по направлению к правым выпускным отверстиям 73 (как указано стрелкой 80). Описанное выше закрытое состояние трубного узла 9 можно описать как пассивное состояние или состояние разделения.
Трубный узел 9 можно также использовать в открытом положении, которое можно описать как активное состояние или состояние смешивания. При активном состоянии или состоянии смешивания трубного узла 9 элемент запорной арматуры 93 открывается, обеспечивает переток газов между левым соединительным патрубком 55 и правым соединительным патрубком 75 через общее соединительное отверстие 91. В этом состоянии трубного узла 9 выхлопной газ 70, удаляемый из правого ряда цилиндров 37, переходит во впускную секцию 75а правого соединительного патрубка 75 и может проходить непосредственно через колено или выпускную секцию 75b правого соединительного патрубка 75 в правую выхлопную трубу 79. Также, при открытом состоянии трубного узла 9, выхлопные газы 70 из правого ряда цилиндров 37 могут также проходить из правых впускных секций 75а через общее соединительное отверстие 91 в левый соединительный патрубок 55, в предпочтительном варианте реализации изобретения - для выброса в левую выхлопную трубу 59 для дальнейшего выпуска в атмосферу.
Аналогичным образом, когда элемент запорной арматуры 93 открыт и оставляет общее соединительное отверстие 91 между левым соединительным патрубком 55 и правым соединительным патрубком 75 отрытым, выхлопные газы, удаляемые из левого ряда цилиндров 35, могут проходить через подвод тракта 51 левого выпускного тракта во впускную секцию 55а левого соединительного патрубка 55 и либо к левой выпускной секции 55b в выхлопную трубу 59 либо через общее соединительное отверстие 91 в правый соединительный патрубок 75, в предпочтительном варианте реализации изобретения - для выброса через колено 75b в правую выхлопную трубу 79.
Размер зоны смешивания или эффективной зоны общего соединительного отверстия 91 может меняться непрерывной регулировкой элемента запорной арматуры 93. Элемент запорной арматуры 93 может ограничивать поток, проходящий через общее соединительное отверстие 91, закрывая от 0% до 100% площади смешивания, ограниченной общим соединительным отверстием 91. Обмен выхлопными газами между левым выпускным трактом 5 и правым выпускным трактом 7 может быть отрегулирован таким же образом.
К примеру, перекрестие трубного узла 9 может быть реализовано путем придания двум трубам дугообразной формы (например, U-образной формы) и последующего (желательного) удаления окружной области, расположенной коаксиально к оси симметрии U-образной трубы на конце трубы, таким образом, чтобы обеспечить практически идентичное круглое отверстие на конце каждой трубы. Затем две трубы могут быть соединены своими круглыми отверстиями таким образом, чтобы реализовать общее соединительное отверстие 91 между левым соединительным патрубком 55 и правым соединительным патрубком 75. Ясно, что между левым соединительным патрубком 55 и правым соединительным патрубком 75 в предпочтительном варианте реализации изобретения отсутствует цилиндрическая трубообразная секция (т.е. отсутствует Н-образная труба), проходящая по диагонали между левым и правым соединительными патрубками 55, 75.
Соединительные патрубки 55, 75 могут также иметь сечение, отличное от кругового поперечного, например, квадратное поперечное сечение, эллиптическое поперечное сечение, полигональное поперечное сечение и т.п.Отверстие в секции трубы, формирующее общее соединение не обязательно должно быть круговым, но может также например быть квадратным, прямоугольным, полигональным, эллиптическим и т.п.
Площадь поперечного сечения главных линий левого выпускного тракта 5, то есть трубы, формирующей подвод тракта 51 ниже по потоку от последнего цилиндра левого ряда 35, впускной секции 55а, выпускной секции 55в и в предпочтительном варианте реализации изобретения - соединительной секции 56 и выхлопной трубы 59, в целом постоянна. То же самое относится и к главных правого выпускного тракта 7, а именно к подводу тракта 71 ниже по потоку от правых цилиндров, правой впускной секции 75а, правой выпускной секции 75b и правой выхлопной трубе 79, а также в предпочтительном варианте реализации изобретения - к соединительной секции 76 правого соединительного патрубка 75. В частности, площадь поперечного сечения левого выпускного тракта 5 и правого выпускного тракта 7 может быть в целом равна или тракты могут быть по существу зеркально симметричны друг другу.
Площадь поперечного сечения общего соединительного отверстия 91, которое можно назвать зоной смешивания, поскольку это зона, через которую выхлопные газы могут проходить из одного выпускного тракта в другой, не менее чем в 0,25 и не более чем в 4 раза больше условной площади, определяемой по площади поперечного сечения левого или правого выпускных трактов 5 или 7, или в частном случае определяемой по площадь поперечного сечения левого или правого соединительных патрубков 55 или 75, в частном случае - по соответствующему впускному отверстию 55i, 75i или выпускному отверстию 55о, 75о. В частности, площадь смешивания составляет не менее 0,5 и не более 2,0 условной площади для расчетов. В предпочтительном варианте реализации изобретения площадь смешивания составляет не менее 3/4 и не более 1,5 условной площади для расчетов. В еще более предпочтительном варианте реализации изобретения площадь смешивания составляет не менее 90% и не более 110% условной площади для расчетов. В самом предпочтительном варианте реализации изобретения площадь смешивания и условная площадь для расчетов являются одинаковыми.
Условная площадь может также определяться по площади поперечного сечения левого соединительного патрубка 55 или правого соединительного патрубка 75 или суммой площадей поперечного сечения обоих соединительных патрубков 55, 75 перпендикулярно площади смешивания в центре соединительных секций 56, 76 или в центре области смешивания.
Трубный узел 9 и в частном случае - общее соединительное отверстие обеспечивают единственное соединение для перенося выхлопных газом между левым выпускным трактом и выпускным трактом 7. Выхлопная система не имеет перепускной линии, через которую выхлопные газы могли бы течь от подвода тракта 51, 71 выше по потоку от трубного узла 9 непосредственно к выхлопной трубе 59, 79 ниже по потоку от подвода тракта 9 без прохода минимум через один из соединительных патрубков 55, 75 трубного узла 9.
Каждое индивидуальное выпускное отверстие 53а, 53b, 73а, 73b выходит непосредственно в атмосферу. В частном случае перепускные линии 57, 77 выхлопной системы реализуют отдельно друг от друга и они не имеют соединения для взаимообмена выхлопными газами. Главный выпускные линии, в частности, выхлопные трубы 59, 79 ниже по потоку от запорного устройства (запорных устройств) 13 реализуют отдельно друг от друга таким образом, чтобы ни одно соединение для взаимообмена выхлопными газами не располагалось ниже по потоку от трубного узла 9.
В выхлопной системе 1 в предпочтительном варианте реализации изобретения, показанном на Фиг. 1, практически весь объем выхлопных газов 50, 74, удаляемых из двигателя 3, должен течь через трубный узел 9, т.е. по крайней мере через один из соединительных патрубков 55 и/или 75 трубного узла 9, прежде чем удаленные из двигателя газы будут выпущены в атмосферу из выхлопной системы 1. Выхлопные газы 54, 74, прошедшие через запорное устройство 13 или перепускной клапан, выводятся в атмосферу напрямую. Ясно, что после прохождения через перепускной клапан 13 выхлопные газы 54 в левом выпускном тракте 5, а также выхлопные газы 74 в правом выпускном тракте 7 могут проходить через назначенное правое или левое устройство управления выхлопными газам, например, через устройство очистки и/или глушения, в частности каталитический нейтрализатор или глушитель, например, задний глушитель 14. Однако в первом варианте реализации изобретения, показанном на Фиг. 1, выхлопные газы 54 в левом выпускном тракте 5 после прохождения через левый перепускной клапан 13 не могут попасть в правый выпускной тракт 7 до вывода в атмосферу. И наоборот, выхлопные газы 74 в правом выпускном тракте 7, пройдя через правое запорное устройство 13, не могут попасть в левый выпускной тракт 5 до прямого или непрямого вывода в атмосферу.
Перекрестие трубного узла 9 включает в себя отводящие секции 55b, 75b, в том числе принадлежащие к левому соединительному патрубку 55 или правому соединительному патрубку 75. Левая отводная секция 55b ведет от соединительной секции 56 к отверстию левого отвода 55о или к левой выхлопной трубе 59. Правая отводящая секция 75b ведет от правой соединительной секции 76 к отверстию правого отвода 75о к правой выхлопной трубе 79.
Предпочтительный вариант реализации выхлопной системы 1, показанной на Фиг. 1а, по большей части идентичен выхлопной системе 1, показанной на Фиг. 1. Поэтому для обозначения одних и тех же или аналогичных компонентов используются одни и те же номера позиций. Трубный узел 9 в варианте реализации изобретения, показанном на Фиг. 1а, отличается от трубного узла 9 в варианте реализации изобретения, показанном на Фиг. 1, тем, что в нем реализован трубный узел, описанный ниже с учетом Фиг. с 5 по 9. Однако трубный узел, показанный на Фиг. 2, 3 или 4 или на Фиг. с 10 по 13, может также быть реализован в выхлопной системе 1, показанной на Фиг. 1а.
Основное отличие выхлопной системы 1, показанной на Фиг. 1а, в сравнении с выхлопной системой, показанной на Фиг. 1, реализовано за счет перепускных линий 57, 77, которые отделены от главного выпускного тракта выше по потоку от соединительных секций 56, 76 трубного узла 9. На Фиг. 1а выхлопные газы, которые не проходят через трубный узел 9, должны проходить через одну из перепускных линий 57, 77, выходящих в атмосферу. Подобные варианты реализации изобретения (не показанные) могут быть реализованы путем разделения перепускной линии 57, 77 в любом месте между цилиндрами 35, 37 и общим соединительным отверстием 91.
Выхлопная система 1, показанная на Фиг. 1а, особенно подходит для случаев, когда в выхлопной системе реализуется трубный узел 9 в соответствии с одним из вариантов, показанных на Фиг. с 5 по 13, в котором трубный узел 9 включает в себя общее запорное устройство 90, подробное описание которого представлено далее. В таком расположении другие запорные устройства, расположенные ниже по потоку от трубного узла, можно удалить.
Выхлопная система 1, показанная на Фиг. 1а, особенно подходит для автомобилей с задним расположением двигателя, в которых выхлопная система более компактна. Таким образом, протяженность перепускных линий 57, 77, показанных на Фиг. 1а, считается излишней при заднем расположении двигателя.
Первый предпочтительный вариант реализации трубного узла выхлопной системы 1 согласно изобретению, показан на Фиг. 2 и 3; на Фиг. 2 показан трубный узел 9 в открытом состоянии или в состоянии активного смешивания, а на Фиг. 3 показан трубный узел 9 в закрытом или пассивном состоянии разделения. Поскольку трубный узел 9, показанный на Фиг. 2 и 3, может быть реализован в предпочтительном варианте реализации изобретения в выхлопной системе 1 согласно Фиг. 1, где трубный узел 9 располагается выше по потоку от правого запорного устройства 72 и выше по потоку от левого запорного устройства 52, номера позиций, использованные в Фиг. 2 и 3, идентичны ранее упомянутым номерам позиций и относятся к тем же или аналогичным компонентам, или элементам.
В трубном узле 9 на Фиг. 2 и 3 соединительные патрубки 55, 75 реализуются в форме дугообразных труб, которые соединяются на конце, формируя общее соединительное отверстие 91, через которое в открытом состоянии трубного узла 9, показанного на Фиг. 2, выхлопные газы 78b от правого ряда цилиндров 37 могут свободно течь из правого выпускного тракта 7 к левому выпускному тракту 5, а выхлопные газы 58b могут свободно течь от левого ряда цилиндров 35 в правый выпускной тракт 7. В то же время выхлопные газы 58а из левого ряда цилиндров 35 могут по-прежнему оставаться в пределах левого выпускного тракта 5, проходя от впускного отверстия 55i левого соединительного патрубка 55 к выпускному отверстию 55о левого соединительного патрубка. Таким же образом выхлопные газы из правого ряда цилиндров 37 могут оставаться в пределах правого выпускного тракта, проходя от правого впускного отверстия 75i правого соединительного патрубка 75 к правому выпускному отверстию 75о, отмеченному стрелкой 78а.
Элемент запорной арматуры 93, показанный открытым на Фиг. 2, - это просто заслонка, прикрепленная к вращающемуся валу 101, например, посредством винтов. Вращающийся вал 101 прикреплен к трубному узлу 9 посредством двух диаметрально противоположных подшипников 103, один из которых расположен выше, а другой - ниже по потоку от общего соединительного отверстия 91. Верхний и/или нижний подшипник 103 может быть реализован в форме шарикоподшипника, однако, для облегчения технического обслуживания, предпочтительным вариантом является использование скользящего подшипника. Вал 101 приводится в действие электроприводом с электронным управлением 99, таким как сервопривод, с электронным блоком управления 11 выхлопной системы 1 (не показанным на Фиг. 1а).
Тот же электронный блок управления может контролировать работу элемента запорной арматуры 93, открывающего или закрывающего либо частично открывающего или частично закрывающего общее соединительное отверстие соединения 91, а также запорного устройства 13, закрывающего отверстие правого тракта 7 и/или левого тракта 5. Блок управления 11 может контролировать работу запорного устройства 13 таким образом, что оно либо полностью открывает отверстие либо полностью его закрывает, а в предпочтительном варианте реализации изобретения также и таким образом, что оно обеспечивает частичное открывание или закрывание отверстия тракта с помощью запорного устройства 13.
Заслонка 93, представляющая собой элемент запорной арматуры в предпочтительном варианте реализации трубного узла 9 согласно Фиг. 2 и 3 по существу имеет ту же площадь, что и площадь общего соединительного отверстия 91 или области смешивания: соответственно, заслонка 93 может полностью закрыть общее соединительное отверстие 91, чтобы воспрепятствовать передаче звука и/или выхлопных газов между левым трактом 5 и правым трактом 7. На Фиг. 2, форма заслонки 93 в целом эллиптическая, а форма общего соединительного отверстия 91 (не показанного), соответствующего заслонке 93, также эллиптическая. Как указано выше, геометрия отверстия 91 может быть выполнена в одной из нескольких возможных конфигураций, при этом ясно, что заслонка 93 должна иметь сообразную форму. Эллиптическая форма отверстия 91 и заслонки 93 обеспечивает преимущества с точки зрения аэродинамических качеств трубного узла 9; квадратная или прямоугольная форма может быть выбрана для упрощения процесса изготовления. Ясно, что форма, описываемая как прямоугольная или квадратная, может иметь закругленные углы.
Движение элемента запорной арматуры 93 от открытого к закрытому состоянию и обратно может быть ограничено, в частных случаях - до вращения на угол около 90° с механическим ограничением, действующим на элемент запорной арматуры 93, вал 101, или электродвигатель 99, или с электрическим или электронным ограничением электродвигателя 99, например, посредством блока управления 11 или с помощью электронных компонентов в электронном обеспечении электродвигателя с блоком управления 11, которое не дает двигателю превышать заданный диапазон движения, в частности, 90°.
Фиг. 3 показывает закрытое или разделенное состояние трубного узла 9, в котором элемент запорной арматуры 93 закрывает общее соединительное отверстие 91 трубного узла 9. В закрытом состоянии трубного узла 9 выхлопные газы из левого ряда цилиндров 35 проходят через левый соединительный патрубок 55 от впускного отверстия 55i до выпускного отверстия 55о, исключительно в соответствии со стрелками 58а. Аналогичным образом выхлопные газы 72 из правого ряда цилиндров 37 проходят исключительно через правый соединительный патрубок 75 от впускного отверстия 75i до выпускного отверстия 75о в соответствии со стрелками 78а. Иными словами, замкнутый трубный узел 9, показанный на Фиг. показан 3, представляет собой вариант реализации узла в рабочем состоянии, при котором выхлопные газы из правого ряда цилиндров 37 не проходят через правый выпускной тракт 7 в левый выпускной тракт 5, а выхлопные газы 58а из левого ряда цилиндров 35 не проходят через левый выпускной тракт 5 в правый выпускной тракт 7.
Как видно из Фиг. 2 и 3, трубный узел 9 выхлопной системы 1 согласно изобретению, в существенной мере свободен от любых труб передачи, реализуемых между левым и правым соединительными патрубками 55, 75 (например, трубы переноса по патенту US 7703574 В2). В трубном узле 9 выхлопной системы согласно изобретению, левый соединительный патрубок 55, через который выхлопные газы проходят из левого ряда цилиндров 35 в направлении левых выпускных отверстий 53 непосредственно присоединен к соединительному патрубку 75 правого выпускного тракта 7. Такой трубный узел 9 сводит до минимума шум и/или неисправности при переносе выхлопных газов между левым выпускным трактом 5 и правым выпускным трактом 7.
На Фиг. 4 показан опциональный трубный узел 9, аналогичный тому, что изображен на Фиг. 2, в котором заслонка 93 имеет два перепускных отверстия 94. Перепускное отверстие 94, расположенное в элементе запорной арматуры 93, допускает небольшие утечки между левым и правым выпускными трактами 5, 7, если при перемещении элемента запорной арматуры 93 из полностью закрытого положения в открытое положение не происходит резких изменений объема переносимых выхлопных газов и/или уровня шума. В предпочтительном варианте реализации изобретения такое перепускное отверстие 94 значительно меньше соединительного отверстия 91. В частных случаях площадь перепускного отверстия 94 составляет менее 50%, в предпочтительном варианте - менее 30%, в более предпочтительном варианте - 20%, в наиболее предпочтительном варианте - 10% размера общего соединительного отверстия 91. Перепускное отверстие, аналогичное отверстию 94 в элементе запорной арматуры 93, также может быть реализовано посредством подбора размера элемента запорной арматуры 93, который будет меньше общего соединительного отверстия 91.
Эффекта, аналогичного эффекту от отверстия 94 трубного узла 9, показанного на Фиг. 4, можно также достичь в трубном узле 9 в соответствии с Фиг. 2 и 3, если элемент запорной арматуры 93 приведен в состояние, в котором он не полностью закрывает общее соединительное отверстие 91. Как указано выше, ограничение движения элемента запорной арматуры 93 в вариантах, показанных на Фиг. 2 и 3, можно осуществить механически, электрически или электронно. Движение элемента запорной арматуры, показанного как заслонка 93, можно, например, ограничивать до угла менее 90°: к примеру, приблизительно до 95° или 80°. Элемент запорной арматуры 93 может быть освобожден от любых механических препятствий и обеспечивать вращение на 180°, 360° или более градусов с ограничениями согласно спецификациям электрического двигателя 99 или блока управления 11. Заслонка 93 на Фиг. 4 имеет два перепускных отверстия. В качестве альтернативы, в подобной заслонке 93 может быть одно отверстие, три отверстия, четыре отверстия или даже больше отверстий. Их совмещенная область ограничивает зону элемента запорной арматуры.
Другая конструкция трубного узла 9 выхлопной системы 1 согласно изобретению, показан на Фиг. 5а и 5b. Для тех же или аналогичных компонентов на Фиг. 5а и 5b, а также последующих Фиг., отображающих различные проекции, элементы и/или параметры варианта реализации изобретения, представленного на Фиг. 5а и 5b, используются одни и те же номера позиций, которые использовались на Фиг. с 1 по 4.
Трубный узел 9 на Фиг. 5а показан в открытом состоянии или в состоянии смешивания и на Фиг. 5b - в закрытом состоянии или состоянии разделения. Согласно объяснению с отсылкой к Фиг. 2а, открытое состояние трубного узла 9 на Фиг. 5а позволяет переносить выхлопные газы от каждой группы цилиндров 35, 37 к отводу выхлопных газов 53, 73 либо выпускному тракту. Выхлопные газы 50, удаляемые из левой группы цилиндров 35, проходят через подвод тракта 51 в направлении левого соединительного патрубка 55, в котором он либо выводится через отверстие левого отвода 55о к левым выпускным отверстиям 53 или через общее соединительное отверстие 91 в правый соединительный патрубок 76 и далее в направлении правого выпускного отверстия 73. Выхлопные газы 70, удаляемые из правой группы цилиндров 37, свободно проходят через правый соединительный патрубок 75 или в направлении правых выпускных отверстий 73, либо через общее соединительное отверстие 91 в левый соединительный патрубок 55 и далее в направлении левых выпускных отверстий 53.
Трубный узел 9 в закрытом состоянии показан на Фиг. 5b; функция трубного узла 9 в существенном отношении совпадает с функцией трубного узла, показанного на Фиг. 3. Однако в варианте реализации изобретения, показанном на Фиг. 5b, два элемента запорной арматуры 93, левый элемент запорной арматуры 95 и правый элемент запорной арматуры 97 ограничивают проход выхлопных газов через общее соединительное отверстие 91 вместо единственного элемента запорной арматуры. Трубный узел 9 согласно Фиг. 5b также будет находиться в закрытом состоянии, если один из левых или правых элементов запорной арматуры 95 или 97 закрывает общее соединительное отверстие 91 (не показано). Использование двух элементов запорной арматуры 95 и 97 повышает герметичность участка между левым выпускным трактом 5 и правым выпускным трактом 7.
Аналогично тому, как это описано выше в отношении Фиг. 3, выхлопные газы, отмеченные стрелками на Фиг. 58а на Фиг. 5b и удаляемые из левой группы цилиндров 35, транспортируются исключительно в левое отверстие выпуска выхлопных газов 53, а выхлопные газы 70, удаляемые из правой группы цилиндров 37, транспортируются исключительно в правое отверстие выпуска выхлопных газов 73 в соответствии со стрелками 78а на Фиг. 5b.
95
97
Один соответствующий элемент запорной арматуры 95, 97 трубного узла 9, показанного на Фиг. 5А и 5b, подробно проиллюстрирован на Фиг. 6а, 6b и 6с и может быть описан как эксцентрическая заслонка или как заслонка, радиально смещенная по отношению к оси вращения (А, А).
В предпочтительном варианте реализации изобретения в соответствии с Фиг. 5а, 5b и 6а, левый элемент запорной арматуры 95 и правый элемент запорной арматуры 97 в существенной части одинаковы, так что подробный вид на Фиг. 6b и 6с можно рассматривать как относящийся и к левым, и к правым элементам запорной арматуры 95, 97. Естественно, левый элемент запорной арматуры и правый элемент запорной арматуры могут иметь различную конструкцию или разный размер.
95
97
95
97
95
97
Как показано на Фиг. 5а по 6b включительно, каждый элемент запорной арматуры 93 трубного узла 9 согласно этому варианту реализации изобретения можно вращать вокруг соответственно левой или правой оси вращения А или А (показанных заглавной буквой А на Фиг. 6с и b). Ось вращения А (А, а также А) в целом расположена перпендикулярно потоку газов от двигателя до выпускного отверстия, а также перпендикулярно к потоку, проходящему через центр общего отверстия 91. Иначе говоря, левый соединительный патрубок 55 и правый соединительный патрубок 75 соединены с целью формирования общего соединительного отверстия 91 по своей окружности так, чтобы можно было прочертить воображаемую линию от центра до левого соединительного патрубка 55 к центру правого соединительного патрубка 75 через центр общего отверстия 91 и чтобы ось вращения А или А левого элемента запорной арматуры 95 или правого элемента запорной арматуры 97 была перпендикулярна как к вышеупомянутой воображаемой линии, так и к центральному маршруту потока через соответствующий левый или правый соединительный патрубок 55 или 75. Как показано на Фиг. 6А, оси элементов запорной арматуры 97, 95 в целом параллельны.
95
97
Каждый элемент запорной арматуры согласно варианту реализации изобретения, показанному на Фиг. 6, в предпочтительном случае состоит из круглой верхней лопатки вращения 96 и круглой нижней лопатки вращения 98. Соответствующая часть вала 101 крепится как верхней лопатке вращения 96, так и к нижней лопатке вращения 98; вал ограничивает ось вращения А элемента запорной арматуры 93. Согласно Фиг. 6а элемент запорной арматуры 93 устанавливается на трубном узле 9 посредством подшипников скольжения 103, при этом частям вала 101 обеспечена возможность свободного вращения вокруг левой или правой оси вращения А или А.
Согласно Фиг. 6а каждый элемент запорной арматуры 93 управляется соответственно левым или правым электрическим двигателем, предпочтительно сервоприводом 99. Сервоприводы 99 может быть как прикреплен непосредственно к части вала 101 соответствующего элемента запорной арматуры 93 (не показано) или иметь левую или правую коробку передач 105 или 107 для передачи вращательного движения от электродвигателя 99 через левую коробку передач 105 левому элементу запорной арматуры 95 или от правого электродвигателя 99 через правую коробку передач 107 правому элементу запорной арматуры 97. Упрощенная версия трубного узла 9 в соответствии с вариантом реализации изобретения согласно Фиг. 6а может быть реализована с использованием общего электродвигателя и общей коробки передач для управления как левым элементом запорной арматуры 95, так и элементом запорной арматуры 97, в предпочтительном варианте реализации изобретения - зеркально-симметричном способом. Однако, предпочтительным вариантом являются индивидуальные электрические двигатели 99 для индивидуального срабатывания левого элемента запорной арматуры 95 или правого элемента запорной арматуры 97 независимо друг от друга, как показано на Фиг. 6а. Расположение электродвигателей 99, которые непосредственно не прикреплены к части вала 101 удобно тем, что пространство в автомобиле, в котором трубный узел 9 может быть организован, как правило, ограничено, так что использование коробки передач 105, 107 или аналогичных средств для передачи вращательного движения от электродвигателя 99 на элемент запорной арматуры 93 выгодно с точки зрения экономии пространства и/или предоставления большей свободы в использовании имеющегося пространства.
На Фиг. 6b и 6 с показана вытянутая вдоль оси перегородка 109, соединенная как с верхней лопаткой вращения 96, так и с нижней лопаткой вращения 98. Что касается оси вращения А, перегородка 109 в целом вытянута, как стенка прямоугольной формы α вдоль радиально направленной наружной окружности элемента запорной арматуры 93 относительно оси вращения А. Внутренняя часть указанной перегородки 109 в предпочтительном варианте является плоской и снаружи образует цилиндрическую секцию вокруг оси вращения элемента запорной арматуры 93. Перегородка 109 в предпочтительном варианте является полой, как показано на Фиг. с 6а по 6с, но может также быть и сплошной (не показано). Перегородку 109 элемента запорной арматуры 93 можно использовать для закрывания общего соединительного отверстия 91, как показано на Фиг. 5b. С этой целью окружное расширение α стенки 109 предусмотрено как минимум равным, в предпочтительном варианте - большим, чем окружное расширение β общего соединительного отверстия 91 относительно оси вращения А, как показано на Фиг. 5а. Если окружное расширение α стенки 109 элемента запорной арматуры 93 меньше, чем окружное расширение β общего соединительного отверстия 91, отдельные элементы запорной арматуры 95, 97 не смогут полностью закрыть общее соединительное отверстие 91 и обеспечить постоянно открытое перепускное отверстие (не показано).
95
97
56
76
Трубный узел 9, показанный на Фиг. 5 и 6, имеют цилиндрические соединительные секции 56, 76, в которых соответственно левый или правый элементы запорной арматуры 95, 97 расположены таким образом, что элементы запорной арматуры 95, 97 могут свободно вращаться вокруг оси вращения А или А. Механическое, электрическое или электронное ограничение может быть обеспечено образом, аналогичным описанному выше, с учетом вариантов, показанных на Фиг. со 2 по 4. Радиальный размер в R, R соединительной секции 56, 76, по сути совпадает с радиальным размером R стенки 109, так что элемент запорной арматуры может обеспечить герметичность одной, двух или большего количества секций соединительной секции 56, 76 соответствующего левого соединительного патрубка 55 или правого соединительного патрубка 75. В данном контексте «обеспечить герметичность» в предпочтительном варианте означает, что между окружной наружной стенкой 109 и окружной внутренней стенкой соединительной секции 76 или 56 может сохраняться небольшой задел на тепловое расширение и/или уменьшение износа участка между элементами запорной арматуры 95, 97 и стенкой соединительной секции 56, 76 трубного узла 9.
95
97
Впускные отверстимя 55i, 75i и выпускные отверстия 55о, 75о трубного узла 9 в соответствии с Фиг. 5 и 6 реализуются в радиальном протяжении относительно оси вращения А, А соответствующего левого или правого соединительной секции 56, 76. Соединительная секция 56, 76 включает в себя свободную поверхность собственной окружной внутренней части, которая в предпочтительном варианте вытягивается между впускной секцией 55а, 75а и секцией выпуска 55b, 75b. Стенка 109 элемента запорной арматуры 95, 97 может располагаться на свободной поверхности таким образом, чтобы элемент запорной арматуры не сужал отверстия соединительной секции 56, 76, ведущие к впускной секции 55а, 75а, секции выпуска 55b, 75b, или общему соединительному отверстию 91. В альтернативных вариантах реализации изобретения, которые не проиллюстрированы, можно было бы предусмотреть свободную зону между впускной секцией 55а, 75а и общим соединительным отверстием 91 и/или между секцией выпуска 55b, 75b общего соединительного отверстия 91. Свободная площадь соединительной секции 56, 76 имеет больший размер окружности, чем размер окружности α стенки 109.
Окружное протяжение  впускной секции и/или размер окружности  секции выпуска в предпочтительном варианте меньше α, так что элементы запорной арматуры 95, 97 могут закрывать каждое отверстие соединительных секций 56, 76.
Соединительная секция 9 согласно описанию, представленному выше с учетом Фиг. 5 и 6а по существу идентична соединительной секции 9 в вариантах, показанных на Фиг. 2 и 3. Однако в предпочтительном варианте исполнения выхлопной системы 1, показанном на Фиг. 1а, трубное соединение в соответствии с проектом, описанным с учетом Фиг. 5 и 6, можно использовать для других режимов, которые будут показаны на следующих Фиг. 7, 8 и 9. Для тех же или аналогичных компонентов трубных соединений используются те же номера позиций, что и раньше.
На Фиг. 7 показано трубное соединение в состоянии, в котором элементы запорной арматуры 95, 97 частично ограничивают поток, проходящий через главный выпускной тракт, частично (в предпочтительном варианте реализации изобретения - на 50%) закрывая отверстие тракта из соединительной секции 56, 76 в направлении секции выпуска 55b, 75b.
Возможность использование трубного узла 9 в качестве общего запорного устройства 90, включая перепускной клапан 13, становится особенно очевидной с учетом состояний трубного узла 9, проиллюстрированных на Фиг. 8 и 9. На Фиг. 8, элементы запорной арматуры 95, 97 закрывают оба отверстия тракта между соответствующими левым и правым соединительными секциями 56, 76 и расположенными выше по потоку передними коленами 55а, 75а трубного узла 9 таким образом, что выхлопные газы от любого из цилиндров 35, 37 не могут пройти через трубный узел к выпускному отверстию. Эффект, практически идентичный отсечению соединительной секции 9, в соответствии с на Фиг. 8 может быть достигнут, если расположение элементов запорной арматуры 95, 97 обеспечивает закрывание отверстия тракта между соединительными секциями 56, 76 и секциями выпуска 55b, 75b.
На Фиг. 9 показано состояние, в котором выхлопные газы из обоих рядов цилиндров 35, 37 могут проходить через трубный узел 9, но только в направлении левого выпускного отверстия 53. С этой целью отверстие тракта между правой соединительной секцией 76 и правым передним коленом 75b закрывается правым элементом запорной арматуры 97, в то время как левый элемент запорной арматуры 96 располагается в свободной части левой соединительной секции 56. Перенос выхлопных газов отмечен стрелками 58а и 78b.
Трубный узел 9 в соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения, показанным на Фиг. 5 и 6 можно также использовать образом, аналогичным показанному на Фиг. 9, но не проиллюстрированным, для того чтобы обеспечить удаление выхлопных газов из двигателя 3 исключительно в направлении правого выпускного отверстия 73, при условии что отверстие тракта между левой соединительной секцией 55 и левым задним коленом 55b закрывается левым элементом запорной арматуры 95, а правый элемент запорной арматуры 97 будет установлен со своей перегородкой 109 в правой части свободной площади правой соединительной секции 76.
Доработанный альтернативное вариант реализации трубного узла 9 проиллюстрирован на Фиг. с 10 по 13. Доработанный альтернативный трубный узел 9, показанный на Фиг. 10, может использоваться в выхлопной системе 1 в соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения, приведенным на Фиг. 1, однако его желательно осуществить в выхлопной системе 1 согласно предпочтительному варианту, показанному на Фиг. 1а. Одинаковые или идентичные номера позиций, использованные ранее, используются для обозначения тех же или аналогичных компонентов.
13
Трубный узел 9, показанный на Фиг. с 10 до 13 включительно, имеет 2 элемента запорной арматуры 93b, 13b, работающих независимо друг от друга. Центральный элемент запорной арматуры 93b имеет вал 101, соединенный с первым электродвигателем с электронным управлением 99; второй элемент запорной арматуры 13b или общий элемент запорной арматуры имеет второй вал 111, соединенный со вторым электродвигателем 99. Оба вала 101, 111 расположены соосно относительно оси вращения A, которая в целом находится в плоскости, перпендикулярной левому соединительному патрубку 55, правому соединительному патрубку 75, а также общему соединительному отверстию 91 (которое показано закрытым на обоих Фиг. 10 и 11). Соединительные секции 56, 76 левого соединительного патрубка 55 и правого соединительного патрубка 75 в целом прямоугольны в поперечном сечении и образуют общую боковую стенку, в которой реализовано общее соединительное отверстие 91. Колена 55а, 75а, расположенные выше по потоку от соединительных секций 56, 76, а также колена 55b, 75b, расположенные ниже по потоку от соединительных секций 56, 76, имеют усеченную форму для обеспечения переноса между от секции 56, 76, в целом имеющей прямоугольное поперечное сечение, в направлении в целом круглого поперечного сечения на впускном отверстии 55а, 75а или по существу круглого поперечного сечения на выпускном отверстии 55о, 75о.
13
13
Соединительные секции 56 и 76 трубного узла 9 в соответствии с вариантом реализации изобретения, показанным на Фиг. с 10 по 13 включительно, имеют внутреннюю разделительную перегородку 116, которая представляет собой раздел между объемами переноса 115, 117 левого и правого соединительных патрубков 55, 75 относительно остаточного объема 118. Выхлопные газы от двигателя 3 могут проходить через объемы переноса 115, 117 левого и правого соединительных патрубков 55, 75 до тех пор, пока общий элемент запорной арматуры 13b частично открыт (не показано) или полностью открыт (не показано). Для открывания общего элемент запорной арматуры 13b, его перемещают в остаточный объем 118 трубного узла 9 таким образом, чтобы он не препятствовал потоку, проходящему через отверстие тракта между левой соединительной секцией 56 и левой секцией выпуска 55 и между правой соединительной секцией 76 и правой секцией выпуска 75b. Второй элемент запорной арматуры 13b называется общим элементом запорной арматуры, поскольку его заслонка, которая подробно показана на Фиг. 13, имеет форму, благодаря которой отверстие тракта сужается практически одинаково в левой секции тракта 5 и правой секции тракта 7. Секции заслонки общего элемента запорной арматуры 13b имеют в целом форму лопатки или секции цилиндрической поверхности и соединены друг с другом и с валом 101 в обеспечение свободного вращения вокруг оси A. Вращение вокруг оси A может вывести общие элементы запорной арматуры 13b из полностью закрытого положения, в котором они полностью закрывают вышеупомянутое отверстие тракта, как показано на Фиг. 10 и 11, в полностью открытое положение, в котором общий элемент запорной арматуры 13b будет по существу полностью находиться в пределах остаточного объема 118 и не будет сужать отверстие тракта.
13
Центральный элемент запорной арматуры 93b в целом имеет полукруглую форму, при этом площадь, покрываемая центральным элементом запорной арматуры 93b больше площади идеального полукруга, в предпочтительном варианте - не больше 150% площади полукруга, в еще более предпочтительном варианте - 125% площади идеального полукруга. Как показано на Фиг. 10, центральный элемент запорной арматуры 93b можно расположить в закрытом состоянии, в котором он отделяет левый объем переноса 115 от правого объема переноса 117 и тем самым эффективно отделяет левый соединительный патрубок 55 от правого соединительного патрубка 75 таким образом, что выхлопные газы не могут проходить из левого тракта 5 в правый тракт 7 или наоборот. Для обеспечения соединения между левым выпускным трактом 5 и правым выпускным трактом 7 центральный элемент запорной арматуры 93b может вращаться вокруг своей оси A таким образом, чтобы элемент запорной арматуры 93b перемещался в остаточный объем 118 (не показано).
Трубный узел согласно варианту реализации изобретения, показанному на Фиг. с 10 по 13 включительно, состоит из крышки 119, которая отделяет остаточный объем 118 от атмосферы. Хотя центральный элемент запорной арматуры 93b и общий элемент запорной арматуры 13b обеспечивают герметичность разделительной перегородки 116 с одной стороны и кожуха трубного узла 9 с другой стороны, ясно, что небольшой люфт может присутствовать между подвижной общим элементом запорной арматуры 13b и/или центральным элементом запорной арматуры 93b и/или кожухом трубного узла 9, а также разделительной перегородкой 116 для обеспечения теплового расширения и уменьшения износа между подвижными и неподвижными компонентами. Очевидно, что выхлопные газы могут проходить через зазоры, однако даже небольшие количества (которые не влияют на поток в трубном узле 9, движущийся от двигателя 3 к выпускным отверстиям 53, 73) не должны неконтролируемым образом удаляться в атмосферу из трубного узла 9.
Выхлопная система 1 в соответствии с предпочтительными вариантами реализации изобретения, показанными на Фиг. 1 и 1а может быть использована в следующих режимах: В первом режиме, который может называться жестким спортивным режимом, выхлопные газы из левой группы цилиндров 45 могут перемещаться исключительно через левый выпускной тракт 5 через оба левых выпускных отверстия 53а и 53b, а выхлопные газы из правой группы цилиндров 47 могут перемещаться исключительно через правый выпускной тракт 7 в правое главное выпускное отверстие 73а и правое перепускное отверстие 73b. Первый режим в сочетании с восьмицилиндровым V-образным двигателем обеспечивает спортивный и грубый высокий звук (V8-звук). Первый режим достигается посредством полного закрывания общего соединительного отверстия 91 и полного закрытия правого отверстия выпускного тракта правого запорного устройства 13, 72, а также полного открывания левого отверстия выпускного тракта левого запорного устройства 13, 52. Высокий звук достигается разделением выхлопных газов левого и правого тракта за счет порядка зажигания в цилиндрах. Типичный порядок зажигания восьмицилиндрового V-образного двигателя «Л, Л, П, П, Л, П, Л, П» где «Л» относится к зажиганию в цилиндрах левой группы 35, а «П» - в цилиндрах правой группы 37. Если левый выпускной тракт 5 и правый выпускной тракт 7 отделены друг от друга, то потоки газа в трактах не смешиваются, что также вызывает высокий звук. Первый режим особенно выгоден для эксплуатации двигателя на низких оборотах, в частном случае - менее чем на 3000 оборотов в минуту, в предпочтительном варианте - менее чем на 2000 оборотов в минуту, в связи с тем, что объем тракта является избыточным на низких оборотах и при малом потоке выхлопных газов. При низких оборотах для расширения газа в трубном узле 9 требуется совсем немного места.
Первый режим может быть реализован, например, с трубным узлом 9, как показано на Фиг. 3 или 5b, либо с трубным узлом в варианте реализации изобретения, показанном на Фиг. 10, с закрытым центральным элементом запорной арматуры 93b и полностью открытым общим элементом запорной арматуры 13b (не показано).
Второй режим может быть описан как сбалансированный спортивный режим, в котором выхлопные газы из одной из левых или правых групп цилиндров 35, 37 могут передаваться через левый и правый выпускные тракты 5, 7 на любое из выпускных отверстий 53, 73. Таким образом, можно достичь сбалансированного, но по-спортивному громкого звука. Во втором режиме общее соединительное отверстие 91 открыто, что позволяет осуществлять перенос выхлопных газов между левым выпускным трактом 5 и правым выпускным трактом 7. Кроме того, запорные устройства 13, 52, 72 в запорных трактах 5, 7 открыты. Данный режим особенно выгоден для эксплуатации двигателя на средних и высоких оборотах для повышения производительности двигателя посредством снижения обратного давления в трубах выпускных трактов. Особенно это актуально для диапазона более 3000 оборотов в минуту, в предпочтительном варианте - более 4000 оборотов в минуту. С двумя последовательными импульсами давления «Л, Л» или «П, П», левая или правая группы цилиндров 35 или 37 создает два импульса давления в одном и том же тракте на входе 51 или 71, что приводит к повышению амплитуды пульсового давления и увеличению длительности пульсации, поскольку импульсы давления вступают в конфликт друг с другом. Соединение левого и правого выпускных трактов 5, 7 в подобном случае удваивает имеющийся внутритрубный объем, что позволяет повысить давление расширения и уменьшить обратное давление. Второй режим может быть достигнут с трубным узлом 9, показанным, например, на Фиг. 2, 5а или с полностью открытым общим элементом запорной арматуры 13b и полностью открытым центральным элементом запорной арматуры 93b трубного узла 9 согласно Фиг. с 10 по 13 включительно.
В частных случаях на трубном узле во втором режиме имеют место два феномена, которые повышают поток газа и давление, а также производительность двигателя: Первый эффект называется импульсным эффектом давления и его отражением. Из-за расширения выхлопных газов, которые двигаются от подвода тракта одного отдельного выпускного тракта 5, 7 как в левую, так и в правую выхлопную трубу 59 и 79, импульс избыточного давления, поступающий из отдельного впускного тракта 51, 71 частично инвертируется в импульс отрицательного давления (обратнонаправленный или двигающийся вверх по потоку) к двигателю в соответствующем другом впускном тракте 71 или 51. Этот отраженный импульс отрицательного давления сталкивается с последовательным задержанным на 90° импульсом избыточного давления в последнем из упомянутых впускных трактов 71 или 51, что помогает удалить выхлопные газы из последнего из упомянутых впускных трактов 71 или 51. Таким образом, потери на прокачивание в системе выпуска отработавших газов уменьшаются, что положительно влияет на работу двигателя, особенно на средних оборотах (например, в диапазоне между 2000 и 4000 оборотов в минуту). Этот эффект можно назвать двухпозиционным эффектом. Второй эффект можно назвать «эффектом газового потока». При высоких рабочих характеристиках (максимальной нагрузке, высокой частоте вращения) выхлопные газы, поступающие из первого впускного тракта, разделяются на трубном узле 9, поскольку на выходе из соответствующего другого тракта имеется относительно высокое давление (эффект инжектора). Увеличение производительности в подобном случае составляет примерно от 1% до 2% полного увеличения.
В третьем режиме работы выхлопной системы, который может называться плавным или бесшумным режимом, выхлопные газы перемещаются между выпускными трактами 5, 7, однако они вынуждены проходить через относительно небольшие по диаметру перепускные линии 57, 77, чтобы выйти исключительно через байпасные отверстия 53b, 73b.
В плавном режиме общее отверстие 91 открыто, но запорные устройства 13, 52 и 72 активированы для того, чтобы позволить газу проходить исключительно через перепускные линии 57, 77 к перепускным выпускным отверстиям 53b, 73b. Плавный режим может быть достигнут, например, с помощью реализации трубного узла согласно Фиг. 2, 5а или за счет полностью открытого общего элемента запорной арматуры 13b и полностью открытого центрального элемента запорной арматуры 93b трубного узла 9, как показано на Фиг. с 10 по 13 включительно, в выхлопной системе 1, показанной на Фиг. 1, где перепускные клапаны 13 расположены ниже по потоку от трубного узла 9.
В четвертом режиме и общее отверстие 91 и отверстия тракта запорных устройств 13, 52, 72 полностью закрыты. Хотя это и не повышает производительность, зато понижает уровень шума, издаваемого системой.
В пятом режиме выхлопные газы переносятся между левым выпускным трактом 5 и правым выпускным трактом 7, однако отверстие тракта по крайней мере в одном из запорных устройств 13 частично закрывается и препятствует прохождению потока выхлопных газов через соответствующее главное выпускное отверстие 53а и/или 73а. Примерная схема реализации представлена на Фиг. 7; этого также можно достичь посредством полного открывания центрального элемента запорной арматуры 93b и частичного открывания общего элемента запорной арматуры 13b в варианте реализации трубного узла 9 согласно Фиг. 10 (не показано) с выхлопной системой согласно Фиг. 1а.
В шестом режиме выхлопные газы могут транспортироваться между левым выпускным трактом 5 и правым выпускным трактом 7, при этом они могут покидать выхлопную систему 1 исключительно через левое выпускное отверстие или левые выпускные отверстия 53 либо через правое выпускное отверстие или правые выпускные отверстия 73. Шестой режим может быть достигнут в варианте реализации изобретения согласно Фиг. 9 в выхлопной системе, имеющей трубный узел 9, как показано, например, на Фиг. 2 или на Фиг. 10; шестой режим может быть достигнут только в том случае, если предусмотрен по крайней мере в одной из левых или правых байпасных линий 57, 77 предусмотрен дополнительный клапан (не показано).
Пятый и шестой режим в предпочтительных случаях могут быть использованы в современных высокопроизводительных двигателях, в частности, шести- и восьмицилиндровых V-образных двигателях, которые допускают отключение некоторых цилиндров двигателя, например левого ряда цилиндров 35 или правого ряда цилиндров 37. Выхлопная система обычно имеет размеры, позволяющие минимизировать обратное давление при полной нагрузке, что может вызвать некомфортный для восприятия грохочущий звук и/или нежелательные шумы двигателя при так называемом количественном управлении мощностью двигателя с помощью дроссельной заслонки или отключения цилиндров. Пятый или шестой режим может снизить подобные нежелательные эффекты.
В общем случае, если имеется связь между трактами - левым трактом 5 и правым трактом 7 - звук зажигания с учетом порядка включения в работу цилиндров половины двигателя (одного ряда цилиндров) усиливается. Открытая связь между трактами 5, 7 подчеркивает основную частоту звука, отражающего порядок включения в работу цилиндров всего двигателя (обоих рядов цилиндров). В случае четного числа цилиндров звук последнего примерно в два раза выше звука, издаваемого предыдущим. Порядок включения цилиндров в работу и частота звука являются факторами, определяющими звук, издаваемый выхлопной системой и влияющими также на ее высшие гармонические порядки. При открывании или закрывании общего соединительного отверстия 91 звук, издаваемый выхлопной системой, может претерпевать значительные изменения; тем самым достигаются два характерных звуковых режима.
Звуковые карты согласно Фиг. 14 и 15 показывают уровень шума (дБ), издаваемого выхлопной системой; уровни шума выше 85 дБ обозначены черным цветом, а уровни шума ниже 85 дБ обозначены белым цветом. Как описано выше, выхлопная система, согласно изобретению, позволяет выбирать из двух характерных звуковых режимов, которые далее будут описаны более подробно. Измерения громкости звука выхлопных газов могут производиться на транспортном средстве с помощью измерительного оборудования, которое определяет число оборотов двигателя в минуту, и снятия показаний с микрофона, расположенного рядом с выпускными отверстиями. Так называемый процесс отслеживания может быть использован для извлечения сигнала с целью дальнейшего анализа в частотной области (FFT) во всех возможных диапазонах оборотов двигателя. Зависимые от количества оборотов звуковые спектры могут быть объединены в матрицу, как показано на Фиг. 14 и 15.
Звуковые карты, показанные на Фиг. 14 и 15, представляют частотные характеристики и характеристики громкости звука на одном графике в зависимости от диапазона оборотов двигателя. Поскольку двигатель внутреннего сгорания обеспечивает пропорциональный или линейный выход по отношению к скорости вращения, порядок или гармонии производимого шума представлены в виде прямых линий на цветной звуковой карте для производимого шума частотой 85 дБА и выше. Звуковые измерения, показанные на Фиг. 14 и 15, выполнены на восьмицилиндровом V-образном двигателе с технологией последовательного турбонаддува, подключенном к выхлопной системе согласно изобретению.
На Фиг. 14 представлена звуковая карта для открытого соединения между главным левым и правым выхлопным трактом. На Фиг. 15 представлена звуковая карта для выхлопной системы, соответствующей изобретению, изобретением, в которой соединение между левым трактом и правым трактом (через общее соединительное отверстие) закрыто.
Со ссылкой на Фиг. 14 доминантные гармонические порядки - это порядки 3.0 и 3.5 во всем диапазоне оборотов восьмицилиндрового V-образного двигателя с технологией последовательного турбонаддува. В среднем диапазоне оборотов восьмицилиндрового V-образного двигателя с технологией последовательного турбонаддува доминируют гармонические порядки 4.0, 4.5 и 5.0. Высшие порядки (от 6 до 10) присутствуют, но они менее интенсивные. Низкочастотные звуки порядка 1.5 и 2.0 отсутствуют.
В показанной на Фиг. 15 звуковой карте, которая описывает закрытое соединение между трактами, производимый системой шум заметно отличается. В частности, открытое соединение между левым выпускным трактом и правым выпускным трактом позволяет также слышать более низкие гармонические порядки, например, 1.5 и 2.0. Кроме того, в отличие от описанного выше закрытого расположения, в данном диапазоне также присутствует широкий спектр порядков от 4 до 10, включая все половинные порядки в этом диапазоне, которые определяют устойчивый широкодиапазонный звук. В частности, при оборотах в минуту от 4000 до 6200 этот широкий диапазон намного интенсивнее по сравнению с тем, что представлен в звуковой карте при закрытом соединении (Фиг. 14).
Различия в акустической эмиссии приведены на Фиг. 14 и 15 и хорошо распознаются человеческим ухом. Звук, представленный на Фиг. 14, менее интенсивный, более ровный и тонкий. Звук, представленный на Фиг. 15, более агрессивный, более высокий и подчеркивает основной характер двигателя.
con
Если полное число цилиндров двигателя равно N (например, 8, как показано на Фиг. 1), а тип двигателя четырехтактный, каждый цилиндр двигателя или группы имеет N/2 цилиндров (четыре цилиндра как в левом ряду 35, так и в правом ряду 37 двигателя 3, как показано на Фиг. 1), основную частоту порядка срабатывания в случае соединения левого тракта 5 и правого тракта 7 можно вычислить с помощью следующего уравнения, где f - скорость вращения двигателя в оборотах в секунду: FO=N ⋅ f/2;
discon
Так как обороты двигателя варьируются от идеальных до максимальных, каждый порядок срабатывания цилиндров характеризуется своим диапазоном в границах от минимальной до максимальной частоты. В случае, если соединение между трактами 5, 7 полностью закрыто, основное уравнение для звука зажигания или частоты звука при срабатывании цилиндров выглядит следующим образом: FO=N ⋅ f/4.
Частота звука при срабатывании цилиндров может быть немного смещена из-за расположения двигателя (из-за угла между головкой цилиндра и расположением картера двигателя). Тем не менее, доминирующий звук сохраняется между обоими рабочими состояниями.
Раскрытые в описании признаки, цифры и формулы изобретения могут быть значимыми в контексте реализации изобретения в различных его вариантах как индивидуально, так и в любых комбинациях.
Номера позиций
1 выхлопная система
3 автомобильный двигатель внутреннего сгорания
5 левый выпускной тракт
7 правый выпускной тракт
9 трубное соединение
11 блок управления
13 запорное устройство
14 задний глушитель
35 левая группа цилиндров
37 правая группа цилиндров
51, 71 подвод тракта
52, 72 запорное устройство
53, 73 отвод выхлопных газов
53а, 73а главный отвод выхлопных газов
53b, 73b перепускной отвод выхлопных газов
50, 72, 58а, 58b, 54, выхлопные газы
74, 78а, 78b, 60, 80 выхлопные газы
55, 75 соединительный патрубок
55а, 75а впускная секция
55b, 75b выпускная секция
55i, 75i, впускное отверстие
55о, 75о выпускное отверстие
57, 77 перепуск
59, 79 выхлопная труба
56, 76 секция соединения
90 общее запорное устройство
91 общее соединительное отверстие
93, 95, 97 элемент запорной арматуры
94 перепускное отверстие
96 верхняя лопатка вращения
98 нижняя лопатка вращения
99 мотор с электронным управлением
101, 111 вал
103 подшипник
105, 107 коробка передач
109, 116 перегородка
115, 117 объем переноса
118 остаточный объем
119 крышка
А ось вращения
R радиальная протяженность
α протяженность перегородки по окружности
β протяженность по окружности отверстия общего соединения
размер выпускной секции по окружности
размер впускной секции по окружности.