ИСКРОГАСИТЕЛЬ ДЛЯ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
SPARK ARRESTER FOR EXHAUST GASES OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, предназначено для искрогасителей выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, используемых, в частности, на маневровых и магистральных тепловозах.
Известен искрогаситель для выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий улитку с тангенциальным впускным и осевым выпускным патрубками. В полости улитки размещен центростремительный направляющий аппарат с изогнутыми криволинейными направляющими лопатками в направлении движения выхлопных газов. У последней направляющей лопатки по ходу движения выхлопных газов установлена перегородка, образующая зазор А с внутренней поверхностью улитки. Отношение величины зазора к диаметру улитки составляет 0,018-0,035 (патент №2016213, F01N 3/06 от 04.09.1992 г.- прототип).
Одним из недостатков указанного искрогасителя является наличие местных гидросопротивлений во впускном патрубке, при повороте, выхлопных газов на входе в межлопаточные каналы между лопатками направляющего аппарата, на выходе из этих каналов при повороте газов на 90° перед осевым выпускным отверстием и в месте движения выхлопных газов через зазор между улиткой и последней лопаткой направляющего аппарата и у других лопаток.
i
i
Другим недостатком указанного искрогасителя является то, что по ходу движения выхлопных газов в улитке уменьшается скорость их движения вследствие того, что величины зазоров Δ и площадей S между лопатками направляющего аппарата и улиткой уменьшаются в меньшей степени, чем расход выхлопных газов. Расход уменьшается в связи с тем, что по направлению движения газов в улитке происходит отвод этих газов в атмосферу через межлопаточные каналы направляющего аппарата. Уменьшение скоростей выхлопных газов приводит к уменьшению центробежной силы  (где  - масса искры, с - скорость ее движения, R - радиус улитки), действующей на отдельные искры и, следовательно, к увеличению вероятности поступления искр с потоком газов в атмосферу и уменьшению эффективности искрогашения.
Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности искрогашения, а также значительное уменьшение гидросопротивления искрогасителя.
Увеличение эффективности искрогашения достигается за счет обеспечения постоянства скорости выхлопных газов по направлению движения выхлопных газов внутри улитки или некоторого увеличения этой скорости, а также путем увеличения угла поворота выхлопных газов на входе в межлопаточные каналы направляющего аппарата.
Уменьшение гидросопротивления искрогасителя достигается за счет уменьшения местных гидросопротивлений.
Снижение гидросопротивления искрогасителя повышает экономичность двигателя внутреннего сгорания и уменьшает его термонапряженность.
i
i
В улитке искрогасителя выхлопные газы совершают движение по криволинейному пути между улиткой и лопатками направляющего аппарата. При этом через каждый межлопаточный канал направляющего аппарата происходит отвод части выхлопных газов в атмосферу, поэтому расход газов по направлению движения уменьшается. Постоянство скорости выхлопных газов в предлагаемом искрогасителе достигается тем, что значения зазоров Δ (расстояние между улиткой и лопаткой) и площадей S (произведение значения зазора на высоту i-той лопатки) уменьшаются в такой же мере, как и уменьшение расхода выхлопных газов в улитке искрогасителя. Таким образом, значения зазоров и площадей находятся в прямой, приведенной ниже, зависимости от расхода выхлопных газов по направлению их движения.
1
1
2
n-1
n
n
i
i
1
1
1
При количестве лопаток n в направляющем аппарате и расходе выхлопных газов Q на входе в искрогаситель и перед первым межлопаточным каналом направляющего аппарата при равномерных расходах газов в межлопаточных каналах расход газов через каждый канал q составит . Расход выхлопных газов после первого межлопаточного канала между последней и первой лопатками и после первой лопатки N (фиг. 1) перед вторым межлопаточным каналом Q составит , перед третьим каналом , перед последним каналом между предпоследней N и последней N лопатками Q составит . С учетом этого по направлению движения выхлопных газов зазоры Δ и площади S у i-той лопатки для движения газов между лопатками и улиткой искрогасителя должны уменьшаться в связи с уменьшением расхода выхлопных газов по следующим зависимостям: ;  (где Δ и S - зазор и площадь лопатки у N).
1
2
3
Таким образом, зазоры и площади у лопаток N, N, N и у последующих лопаток кроме последней лопатки должны составлять:
1
значения зазоров: Δ; ; ;
n-1
у предпоследней лопатки: N;
1
значения площадей: S; ; ;
n-1
у предпоследней лопатки: N.
n
n
n
n
n
n
n-1
n-1
n-1
n-1
Наличие зазора Δ и площади S у последней лопатки, которые зависят от ширины перегородки, дает возможность для части выхлопных газов, находящихся между предпоследней и последней лопатками, поступать во впускной патрубок и совершать вращательное движение, что увеличивает длину пути искр в искрогасителе и способствует их догоранию внутри искрогасителя. По этой причине значения Δ и S у последней лопатки существенно влияют на эффективность искрогашения и гидросопротивление, а именно, уменьшение их значений одновременно уменьшает гидросопротивление и эффективность искрогашения. Уменьшение значений Δ и S у последней лопатки ниже (0,3÷0,6)A, (0,3÷0,6)S приводит к уменьшению эффективности искрогашения. Диапазон 0,3÷0,6, т.е. 30%-60% от значений величин Δ и S получен экспериментально.
n
n
n
n
n
n-1
n
n-1
n
n-1
n
n-1
Минимальное значение гидросопротивления имеет место при нулевой величине Δ и S у последней лопатки. С учетом этого значения Δ и S у последней лопатки должны находиться в интервале 0<Δ≤(0,3÷0,6)Δ, 0<S≤(0,3÷0,6)S. При этом допустимо Δ≥(0,3÷0,6)Δ, S≥(0,3÷0,6)S. Конкретное значение этих параметров определяется с учетом требований нормативной документации по гидросопротивлению и искрогашению для соответствующего вида продукции.
1
2
Приведенная выше закономерность уменьшения зазоров и площадей реализуется за счет перегородок 7, фиг. 1-5, различной ширины, установленных на концах лопаток по направлению движения выхлопных газов или против или радиально, а также за счет смещения оси осевого выпускного отверстия относительно оси крышки направляющего аппарата на расстояния L и L, фиг. 1-7, 9, 11, в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Перегородки 7 могут устанавливаться под разными углами относительно лопаток.
Центростремительный направляющий аппарат, фиг. 1-6, 8, 9, 10, 11 может быть выполнен симметричным с одинаковым расстоянием лопаток 5 от оси выпускного отверстия 3 или несимметричным, фиг. 7, с различным расстоянием лопаток от оси. Установка перегородок 7 необходима в направляющем аппарате с симметричным расположением лопаток. Лопатки 5 могут быть криволинейными или прямолинейными и устанавливаться по направлению движения выхлопных газов или против или радиально.
i
i
i
В направляющем аппарате с несимметричным расположением лопаток, фиг. 7, необходимая закономерность изменения зазоров Δ и площадей Sобеспечивается за счет установки лопаток на соответствующих расстояниях Δ от улитки искрогасителя без установки перегородок.
Кроме этого, эффективность искрогашения увеличивается путем увеличения угла поворота выхлопных газов на входе в межлопаточные каналы при установке криволинейных или прямолинейных лопаток по направлению движения выхлопных газов.
Перегородки, как и направляющие лопатки, также влияют на угол поворота выхлопных газов при входе в межлопаточные каналы и, соответственно, на эффективность искрогашения и гидросопротивление искрогасителя.
Уменьшение местных гидросопротивлений достигается: а) установкой короба во впускном патрубке искрогасителя, б) уменьшением угла поворота выхлопных газов на входе в межлопаточные каналы направляющего аппарата, в) установкой конуса (усеченного/не усеченного) или цилиндра в направляющем аппарате, г) уменьшением зазора у последней лопатки и у других лопаток.
Возникновение местного гидросопротивления во впускном патрубке обусловлено тем, что подводящий газопровод выхлопного тракта, соединяющего двигатель внутреннего сгорания с искрогасителем, установлен во впускном патрубке с зазором. Площадь поперечного сечения газопровода меньше площади впускного патрубка, что приводит к внезапному увеличению площади проходного сечения газового потока на выходе из подводящего газопровода и, как следствие, к появлению местного гидросопротивления.
опх
Во впускном патрубке 2 предлагаемого искрогасителя, фиг. 1-7, дополнительно установлен короб 6 для фиксирования подводящего газопровода. Короб 6 имеет начальный участок с постоянной площадью поперечного сечения со стороны входа выхлопных газов и расширяющийся участок с углом расширения β от оптимальных значений β=6°-8° до близких к 40° (И.Е. Идельчик «Гидравлические сопротивления», Москва, Ленинград, 1954 г., Государственное энергетическое издательство) с увеличивающейся площадью поперечного сечения со стороны выхода выхлопных газов. Увеличение площади поперечного сечения короба 6 со стороны выхода газов уменьшает местное гидросопротивление во впускном патрубке 2.
Угол поворота выхлопных газов на входе в межлопаточные каналы в зависимости от варианта установки лопаток (по направлению движения выхлопных газов или против или радиально) может находиться в пределах от 0° до 180°. С увеличением угла поворота выхлопных газов значение местных гидросопротивлений возрастает. Величина этого угла зависит от угла установки лопаток. Под углом установки лопаток α понимается угол между двумя касательными, одна из которых проведена касательно к концу лопатки, а вторая - касательно к окружности, проходящей через конец лопатки. Для возможности изменения этих углов в пределах 0°<α<180° лопатки могут иметь криволинейную или прямолинейную форму и устанавливаться по направлению движения выхлопных газов, или против, или радиально, при этом углы установки лопаток α и поворота выхлопных газов на входе в межлопаточные каналы находятся в пределах: 90°<α<180°, 0°<α<90°; α=90° соответственно. Выбор варианта установки лопаток производится с учетом обеспечения необходимых значений эффективности искрогашения, гидросопротивления искрогасителя и трудоемкости изготовления.
Установка конуса 11 (усеченного/не усеченного), фиг. 8-9, или цилиндра 12, фиг. 10-11, в направляющем аппарате искрогасителя обеспечивает уменьшение местных гидросопротивлений после выхода выхлопных газов из межлопаточных каналов за счет более плавного поворота на 90° по траектории их движения к осевому выпускному отверстию 3 крышки 8.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематично приведен общий вид искрогасителя, а на фиг. 2-7 - поперечные сечения вариантов исполнения искрогасителя с установленным коробом 6 во впускном патрубке 2, на фиг. 8, 9, 10 и 11 приведены два варианта направляющего аппарата: один с конусом 11 (усеченным/не усеченным), фиг. 8-9, а второй с цилиндром 12, фиг. 10-11. На фиг. 2-7 приведены также варианты конструкции искрогасителя с различным исполнением лопаток 5 направляющего аппарата 4: с криволинейными лопатками 5, установленными по направлению движения выхлопных газов, фиг. 1, 2, и против, фиг. 3, с прямолинейными лопатками 5, установленными по направлению движения, фиг. 4, и против, фиг. 5, и радиально, фиг. 6, 7. В вариантах на фиг. 1, 2, 3 показаны прямолинейные перегородки 7 различной ширины, установленные на концах лопаток 5 радиально. Кроме радиального расположения перегородки 7 могут быть установлены по направлению, фиг. 4 или против направления движения выхлопных газов, фиг. 5, под различными углами относительно концов лопаток 5. На фиг. 6 приведен вариант радиальной установки прямолинейных лопаток 5 без перегородок. На фиг. 1-6, 8, 9, 10, 11 приведены варианты с симметричным расположением направляющих лопаток 5, а на фиг. 7 - вариант с несимметричным расположением прямолинейных лопаток 5 с радиальной установкой без перегородок.
опт
Искрогаситель, фиг. 1-7, содержит улитку 1 с тангенциальным впускным патрубком 2 и осевым выпускным отверстием 3. В полости улитки 1 размещен центростремительный направляющий аппарат 4, фиг. 8, 9, 10, 11, с лопатками 5. Искрогаситель снабжен коробом 6, установленным в начале впускного патрубка 2, который со стороны входа выхлопных газов имеет участок с постоянной площадью поперечного сечения. Со стороны выхода газов короб 6 имеет участок с увеличивающейся площадью поперечного сечения с углом расширения β от оптимальных значений β=6°-8° до близких к 40°.
1
2
По первому варианту конструкции направляющий аппарат, фиг. 8, 9, имеет конус 11 (усеченный/не усеченный), на котором закреплены лопатки 5, имеющие вырез в нижней части в соответствии с углом наклона конуса. По второму варианту, фиг. 10, 11, направляющий аппарат имеет цилиндр 12, на котором закреплены лопатки 5. В обоих вариантах лопатки 5 верхним концом прикреплены к крышке 8 направляющего аппарата, выполненной в виде круга, которая крепится к корпусу улитки 1 искрогасителя, фиг. 1. Крышка 8, фиг. 1, 8, 9, 10, 11, имеет осевое отверстие 3 для выпуска выхлопных газов вдоль оси искрогасителя. На отверстии 3 установлена ограждающая сетка 9, закрепленная на крышке 8 с помощью кольца 10. На последней по направлению движения выхлопных газов лопатке 5 установлена перегородка 7. Перегородки 7 различной ширины могут устанавливаться и у других лопаток 5. Диаметр крышки 8 равен диаметру улитки 1 искрогасителя. Оси конуса 11 или цилиндра 12, фиг. 8, 9, 10, 11 и выпускного отверстия 3 совпадают и смещены относительно оси крышки 8 и оси улитки 1, фиг. 1-7, искрогасителя в двух взаимно перпендикулярных направлениях на расстояния L и L.
Установка конуса 11 (усеченного/не усеченного, фиг. 8, 9) или цилиндра 12, фиг. 10, 11, уменьшает местное гидросопротивление при повороте выхлопных газов после межлопаточных каналов перед осевым выпускным отверстием 3.
Искрогаситель работает следующим образом. При работе двигателя внутреннего сгорания выхлопные газы, содержащие раскаленные частицы, из подводящего газопровода поступают в короб 6, фиг. 1-7, установленный во впускном патрубке 2, а из него - в улитку 1. В улитке 1 поток выхлопных газов приобретает вращательное движение, а раскаленные частицы под действием центробежной силы смещаются к поверхности улитки. Из улитки 1 через каналы между лопатками 5 направляющего аппарата 4 и осевое выпускное отверстие 3 выхлопные газы поступают в атмосферу.
Искрогасители заявляемой конструкции при их использовании в выхлопном тракте дизелей на тепловозах ТЭМ18ДМ обеспечивают эффективное искрогашение и значительное уменьшение гидросопротивления.