ВЫХЛОПНОЙ КОЛЛЕКТОР ДЛЯ ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к автомобильной промышленности, в частности к автоспорту и тюнингу автомобилей и может быть использована для улучшения технических характеристик четырехтактных двигателей за счет использования энергии выхлопных газов.
Не смотря на широкое распространение на планете, классический четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) имеет существенный недостаток - низкий (не превышает 40%) коэффициент полезного действия (КПД). Именно потому, что недостаток существенный, на протяжении всей эволюции развития идет борьба за увеличения КПД данного ДВС. А в наше время поднимающихся цен на энергоносители, эта борьба приобретает в мире автомобилестроения все более четкие очертания. Низкий КПД классического четырехтактного ДВС обусловлен высокими тепловыми потерями. Как известно, в ДВС для производства в механическую используется тепловая энергия сгорающего внутри мотора топлива. Потери определяются двумя основными пунктами:
а) нагрев деталей внутри двигателя при, непосредственно, горении;
б) выброс в атмосферу при такте выхлопа отработанных газов (ОГ), которые после совершения основной работы обладают еще большей тепловой энергией (свыше 1000°С), которая могла бы быть перевода в полезную работу.
Выходящие из ДВС ОГ попадают в выхлопной коллектор. Конструкция этой детали и обуславливает эффективность использования ОГ в работе ДВГ.
Большинство выпускаемых мировой автомобильной промышленностью двигателей имеет в своей конструкции чугунный выхлопной коллектор, который при установке на автомобиль укомплектовывается приемными трубами. Совокупность отлитого из чугуна
коллектора и приемных труб представляет собой настроенный непосредственно на этот мотор выхлопной коллектор.
Такой настроенный коллектор создается при проектировании мотора с целью максимально возможного использования энергии ОГ в работе двигателя. При работе с тепловой энергией рассматриваемый коллектор имеет два существенных недостатка:
а) Массивный, отлитый из чугуна коллектор, который сам по себе является мощным теплообменником (чугунный радиатор - классическая конструкция подавляющего большинства промышленных и бытовых теплообменников). Такая деталь устанавливается в непосредственной близости от камеры сгорания (где ОГ имеют наибольшую температуру), что идет вразрез с теорией сохранения тепла для последующего преобразования в механическую работу.
б) Высокое аэродинамическое сопротивление системы: чугунный коллектор - приемная труба. Скорость истечения ОГ из камеры сгорания в несколько раз превышает скорость звука, поэтому степень шероховатости внутренней поверхности патрубков и качество их стыковки (смещение проходных сечений друг относительно друга во фланцевых соединениях коллектора и трубы) в значительной мере обуславливают работу по торможению потока. На эту работу идет часть энергии ОГ. Чугунную отливку практически невозможно по технологическим соображениям изготовить с достаточно (для данной работы) гладкими внутренними стенками патрубков и четко выдержать их геометрию.
Описанный коллектор применяется производителями двигателей вследствие его дешевизны, но общая тенденция мирового моторостроения - повышение технологий производства с целью увеличения КПД выпускаемой продукции.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является выхлопной коллектор для четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, собранный методом сварки из тонкостенных штампованных деталей (журнал
"Тюнинг автомобилей" №11 за 2004 год стр.80-82). Данный коллектор содержит соединенные друг с другом первичные газоотводящие патрубки, выполненные с возможностью присоединения к выхлопным окнам цилиндра двигателя. Такие коллектора выпускают как некоторые мировые лидеры автопроизводства (ВОЛЬВО, БМВ), так и, как обязательную деталь для всех своих моторов, все производители спортивных, как сейчас говорят, суперкаров (ФЕРРАРИ, МАЗЕРАТТИ, АСТОН-МАРТИН и т.д.). Одновременно с этим производством данных коллекторов занимаются многие специализированные тюнинговые фирмы в виде дополнительной комплектации, с целью увеличения мощностных характеристик серийных (с чугунным коллектором) автомобилей (РЕМУС, ТЕХ-АРТ, БРАБУС, и т.д.)
Сварной коллектор не имеет чугунной детали и представляет собой единую деталь от фланцев крепления к двигателю до смесительной камеры, дальше которой ОГ уже не используются для совершения ими полезной работы. Данный коллектор хорошо зарекомендовал себя в мире, он эффективно выполняет возложенные на него задачи, но если учесть, как говорилось выше, желание сохранить большее количество тепловой энергии ОГ на всем протяжении полезной работы и произвести сравнительную характеристику двух аналогов, то можно отметить следующий факт - если исчезает чугунный теплообменник и сохраняется тепло, то скорость потока увеличивается.
Первостепенное условие работы настроенного коллектора - фронт высокого давления, возникший при открытии выхлопного клапана, должен пройти по коллектору до смесительной камеры и вернутся к следующему по порядку работы двигателя выхлопному клапану в виде фронта разряжения. Интервал времени, за который должно совершится данное действие, зависит только от частоты вращения вала двигателя, но никак не от того, какой коллектор на двигатели. Значит, если скорость потока, (по сравнению с чугунным коллектором) увеличивается, а интервал времени остается прежним, то длина патрубков до смесительной камеры тоже должна
увеличится. А это влечет за собой увеличение площади теплообмена с окружающей средой.
Задачей предлагаемой полезной модели является улучшение технических характеристик четырехтактных двигателей за счет создания новой конструкции выхлопного коллектора, эффективно использующего энергию выхлопных газов.
Технический результат, полученный от реализации полезной модели, заключается в повышении КПД, крутящего момента и мощности двигателя за счет уменьшения площади теплообмена коллектора и за счет улучшенной продувки и наполнения цилиндров.
Поставленная задача решается тем, что в выхлопном коллекторе для четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, содержащем соединенные между собой первичные патрубки с фланцами, предназначенные для присоединения к выхлопным окнам головки блока цилиндров двигателя, часть каждого первичного патрубка, непосредственно примыкающая к фланцу, выполнена в виде диффузора, сопряженного с остальной частью патрубка, изготовленной из трубы круглого сечения.
2
Предлагаемый коллектор на самом входе в него, имеет новый, не применяющийся в аналогичных системах, конструктивный элемент в виде плавно расширяющегося диффузора, за счет которого при малом увеличении длины окружности значительно увеличивается площадь поперечного сечения. Последнее основано на анализе известных формул для вычисления длины окружности (L=2πR) и площади круга (S=πR). Пропорционально увеличению площади проходного сечения первичного патрубка уменьшается скорость распространения по нему фронта высокого давления с одновременным сохранением энергетических ресурсов последнего. Во сколько раз увеличивается площадь проходного сечения первичного потока, по отношению к выхлопному окну двигателя, во столько раз уменьшается длина изделия от входа в него до смесительной камеры. Площадь теплообмена уменьшается хотя и не пропорционально, однако в
значительной степени (длина окружности зависит от радиуса линейно, а площадь в квадрате).
Кроме того, диффузор превращает каждый первичный патрубок коллектора в резонансную трубку. В результате ударная волна при входе в коллектор увеличивается по фронту и глубине, одновременно сбрасывая скорость. В результате чего в совокупности с изменением параметров истечения ОГ исключается явление кратности.
Предлагаемый коллектор с измененным, посредством диффузора, параметрами движения фронта высокого давления имеет небольшую длину, в связи с чем его рабочую часть можно расположить в силовом отсеке автомобиля и тем самым уберечь от излишнего охлаждения.
Предлагаемый коллектор более компактен. Важность этого фактора обусловлена ограниченностью свободного объема в силовом отсеке современного автомобиля.
Сущность предлагаемого устройства поясняется графическими материалами. На фиг.1 показан разрез головки блока цилиндров с первичным газоотводящим патрубком коллектора. На фиг.2, 3, 4 приведены фото коллектора в соответствии с изобретением для ВАЗ 2110-12 с 16-клапанным мотором. На фиг.5-7 для сравнения приведены фото известных коллекторов. На фиг.5 - коллектор 4 в 2: 2 в 1 для ВАЗ 2110-12 с 16-клапанным мотором, на фиг.6 коллектор 4 в 1 для ВАЗ 2108-09 с 8-клапанным мотором, на фиг.7 коллектор 4 в 2: 2 в 1 для ВАЗ 2108-09 с 8-клапанным мотором.
Выхлопной коллектор для четырехтактного двигателя внутреннего сгорания содержит газоотводящие первичные патрубки 1, каждый из которых присоединен с помощью фланца 2 к соответствующему выхлопному окну 3 головки блока цилиндров двигателя 4, имеющего выхлопной клапан 5. Каждый патрубок 1 имеет непосредственно примыкающую к фланцу 2 расширяющуюся в направлении движения выхлопных газов часть, выполненную в виде диффузора 6, который может
быть выполнен в виде отдельной детали и соединен с остальной частью патрубка, изготовленной из трубы круглого сечения, с помощью сварного соединения 7. Позицией 8 показан расширяющийся в диффузоре поток газов.
Работа устройства происходит следующим образом.
Отработанные газы из камеры сгорания цилиндра двигателя 4 при открытии выхлопного клапана 5 с большой скоростью проходят по выхлопному каналу головки цилиндра и попадают через выхлопное окно 3 в диффузор 6. В диффузоре газы плавно расширяются с одновременным сбрасыванием скорости истечения. После расширения газы далее проходят по части патрубка коллектора, соединенного с диффузором посредством сварочного шва 7.
Поясним механизм увеличения КПД двигателя за счет измененной конструкции настроенного выхлопного коллектора. КПД двигателя, как известно, зависит от коэффициента наполнения цилиндра топливо - воздушной смесью. Коэффициент наполнения зависит от перепада давления между впускным и выпускным коллекторами в фазе продувки. Выпускной коллектор строится таким образом, что распространяющиеся в трубах ударные волны, отражаясь в смесительной камере системы, будут возвращаться к выпускному клапану в виде скачка давления или разряжения. Разряжение возникает из-за инерции газов - за скачком давления всегда следует фронт разряжения. Необходимо чтобы фронт разряжения был в нужном месте в нужное время. Место известно - выхлопной клапан. А время нужно уточнить. Дело в том, что время действия фронта весьма незначительное. А время открытия выпускного клапана, когда фронт разряжения может создать полезную работу, сильно зависит от скорости вращения двигателя. Да и весь период фазы выпуска нужно разбить на две составляющие. Первая - когда клапан только что открылся. Эта часть характеризуется большим перепадом давления и активным истечением газов в выпускной коллектор. Отработанные газы и без посторонней помощи после рабочего хода покидают цилиндр. Если в этот момент волна разрежения
достигнет выпускного клапана, маловероятно, что она сможет повлиять на процесс очистки. А вот конец выпуска более интересен. Давление в цилиндре уже упало почти до атмосферного. Поршень находится около верней мертвой точки, значит, объем над поршнем минимален. Да еще выпускной клапан уже приоткрыт. Такое состояние (фаза перекрытия) характеризуется тем, что выпускной коллектор через камеру сгорания сообщается с выпускным. Вот теперь, если фронт разрежения достигнет выпускного клапана, существенно повысится коэффициент наполнения, так как даже за короткое время действия фронта удастся продуть маленький объем камеры сгорания и создать разрежение, которое поможет разгону топливовоздушной смеси в канале выпускного коллектора. А если представить себе, что как только все отработанные газы покинут цилиндр, а разрежение достигнет своего максимального значения, выпускной клапан закроется, мы сможем в фазе впуска получить заряд больший, чем если бы очистили цилиндр только до атмосферного давления. Этот процесс дозарядки цилиндров с помощью ударных волн в выпускных трубах может позволить увеличить высокий коэффициент наполнения и, как следствие, дополнительную мощность. Результат этого действия примерно такой, как если бы мы нагнетали давление во впускном коллекторе с помощью компрессора. Для того чтобы ударной волне вернуться к выхлопному клапану в нужное время, коллектор должен иметь строго определенную длину. Практическая длина ближайшего аналога до смесительной камеры - 800÷950 мм (почти 1 метр), а если на высокофорсированных моторах и того больше. Фронт высокого давления - совершает тем большую полезную работу, чем меньше тепловой энергии теряет при движении по патрубкам коллектора. В предлагаемом коллекторе также сокращены тепловые потери, за счет чего повышается КПД системы. В прототипе используются первичные патрубки равного по площади с выхлопным окном проходного сечения, поэтому они и имеют большую длину.
Далее приведен пример осуществления полезной модели.
Коллектор изготовлен из металла, с соблюдением всех необходимых технологий, для автомобиля ВАЗ 2110 с 16-ти клапанным мотором (фиг.2 и 3). Длина первичных патрубков, изготовленных из трубы ·⌀ 51 мм со стенкой 1,5 мм (диаметр патрубков прототипа для того же мотора 38 мм со стенкой 1,5 мм) была выбрана оптимальной, согласно замерам при работе вышеупомянутого мотора на силовом стенде. На стенде также проверялась эффективность изделия по сравнению с прототипом. Работа на стенде показала прирост крутящего момента двигателя по отношению к прототипу на 18%. Было отмечено увеличение мощности в диапазоне малых скоростей (1500-4000 об/мин.), чего не было у прототипа.