СРЕДСТВО ДЛЯ ВЫХЛОПНОЙ СИСТЕМЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ОПТИМИЗИРУЮЩЕЕ ЕГО РАБОТУ
DEVICE FOR EXHAUST SYSTEM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE, WHICH OPTIMISES ITS OPERATION

Изобретение относится к средствам для выхлопных систем двигателей внутреннего сгорания, которыми последние могут быть оснащены с различными целями: улавливания и/или дожигания несгоревших остатков топлива, и/или глушения шума выхлопа газов, и/или оптимизации работы названного двигателя и может использоваться преимущественно в автомобилестроении.
Автомобили и другие транспортные средства, работающие от двигателей внутреннего сгорания, оснащаются выхлопными системами, которые предназначены для отвода отработавших газов от цилиндров двигателя внутреннего сгорания, а также для уменьшения шума при выбросе этих газов в атмосферу. Однако, несмотря на достаточно простые функции, отведенные выхлопной системе, она может серьезно влиять на показатели работы двигателя внутреннего сгорания. Так, например, для того чтобы на определенных оборотах улучшить продувку цилиндров двигателя и повысить его вращающий момент, в выпускной системе, на некотором расстоянии от клапана иногда располагают отражатель, называемый резонатором. Такой прием называют «настроенный выхлоп» и используют для корректировки моментной кривой. Если следует повысить мощность, например, для спортивного мотора, резонатор настраивают на падающий после максимума участок. Если же необходимо получить более «тяговитый» мотор на низких оборотах, резонатор настраивают на возрастающий участок до максимума.
Если обратиться к опыту тюнинговых компаний, то можно обнаружить, что специалисты в области выхлопных систем способны получить прибавку в мощности двигателя 10-15 лошадиных сил, а это вполне солидная величина и получают ее благодаря замене всех частей выхлопной системы, таких как катализатор, резонатор, оконечная часть и др. В автоспорте получают гораздо большую прибавку к мощности, но там нет таких жестких ограничений в плане громкости выхлопа, как у рядовых автомобилистов.
Известны различные устройства, встраиваемые в выхлопные системы автомобилей.
Например, известно устройство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, содержащее корпус с входным и выходным патрубками, коллектор для подачи газа, завихритель и накопитель, каждый из которых состоит из секций, образованных перегородками, и расположенных в корпусе соосно один над другим, причем завихритель снабжен завихривающими элементами в виде сопел и расположен в камере, которая сообщается с накопителем через сепарационные решетки, а корпус снабжен теплоизоляцией [Патент РФ №2064052, МПК F01N 3/00]. Это устройство имеет большое сопротивление аэродинамического входа, и не способно оптимизировать существенно работу двигателя внутреннего сгорания.
Известно также устройство для выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащее выхлопную трубу, снаружи которой коаксиально посредством жестко закрепленных ребер, выполненных в виде спиральных лопастей, установлен трубчатый элемент, выполненный с расширяющейся за срезом выхлопной трубы частью, на внутренней поверхности которой продольно расположены винтообразные канавки в виде "ласточкина хвоста", переходящие в круговую канавку, находящуюся у выходного отверстия трубчатого элемента [Патент РФ 2133350, МПК F01N 7/20]. Это устройство снижает мощность двигателя внутреннего сгорания из-за высокого аэродинамического сопротивления трубчатого элемента, обусловленного осаждением в нем пыли.
Известен ускоритель потока выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, содержащий сопло Лаваля, сообщающееся с атмосферой, напорное сопло, выполненное в виде усеченного конуса с малым углом сужения, направленного навстречу потоку воздуха, набегающего на автомобиль при его движении, имеющего профильную заслонку, во избежание выхлопа отработавших газов из напорного сопла при остановке автомобиля, камеру смешения, выполненную в форме цилиндра, имеющую местное расширение, во избежание уменьшения проходного сечения выхлопной системы автомобиля, в месте крепления с напорным соплом, также диффузор, соединенный с одной стороны с камерой смешения, а с другой - с атмосферой, выполненный в виде усеченного конуса с малым углом расширения [Заявка на изобретение РФ №2006124703]. Это устройство помимо сложной конструкции, что является его недостатком, также не способно оптимизировать существенно работу двигателя внутреннего сгорания.
Известно устройство для выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащее выхлопную трубу, снаружи которой коаксиально по средствам жестко закрепленных ребер, выполненных в виде спиральных лопастей, установлен трубчатый элемент, выполненный с расширяющейся за срезом выхлопной трубы частью, на внутренней поверхности которой продольно расположены винтообразные канавки в виде "ласточкина хвоста", переходящие в круговую канавку, находящуюся у выходного отверстия трубчатого элемента, у которого кривизна спиральных лопастей имеет положительное направление вращения винтовой линии, а кривизна винтообразных канавок имеет отрицательное направление вращения винтовой линии, при этом входное отверстие трубчатого элемента снабжено металлической сеткой [Патент РФ 2227217, МПК F01N 7/20]. Это устройство не может влиять на работу двигателя внутреннего сгорания.
Известен деселератор, встраиваемый в выхлопную систему двигателя внутреннего сгорания, который устанавливается в выхлопной системе транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания и содержит, по меньшей мере, один клапан, снабженный корпусом, образующим канал, и подвижной заслонкой, которая расположена поперечно указанному каналу и соединена с управляющим валом, и средства управления указанной заслонкой, содержащие уравнительное устройство выравнивания, противодавления, создаваемого при воздействии указанной подвижной заслонки на газы, предназначенное для срабатывания, когда заслонка находится в закрытом положении, начиная с определенной пороговой величины противодавления, открывания выпускного канала при достижении противодавлением указанной пороговой величины и удерживания его открытым за пределами пороговой величины давления независимо от режима работы двигателя с тем, чтобы создавать соответствующий расход выпуска выхлопных газов, причем уравнительное устройство содержит тарированный клапан, расположенный в указанном выпускном канале, и пружину сжатия, расположенную позади указанного тарированного клапана и оттарированную на указанную пороговую величину давления [Патент РФ 2218469, МПК F01N 7/20]. Уравнительное устройство встроено в корпус клапана и содержит направляющую втулку, через которую проходит вал и в которой имеется осевая полость, предназначенная для установки указанного тарированного клапана и его пружины коаксиально указанному валу. Выпускной канал расположен, по существу, перпендикулярно валу и выходит в канал ниже указанной заслонки с тем, чтобы вместе с уравнительным устройством создавать перепускной проход для выпуска части потока выхлопных газов. Это устройство имеет сложную конструкцию.
Известен деселератор, устанавливаемый в выхлопной системе транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания, который содержит по меньшей мере один клапан, снабженный подвижной заслонкой, и управляющий этой заслонкой цилиндр, включающий в себя подвижный поршень, снабженный штоком, соединенным с упомянутой подвижной заслонкой, и по меньшей мере одно уравнительное устройство для выравнивания противодавления, создаваемого при воздействии указанной подвижной заслонки на газы, приводимое в действие, когда подвижная заслонка находится в закрытом положении, начиная с определенной пороговой величины противодавления, причем при достижении противодавлением указанной пороговой величины уравнительное устройство открывает подвижную заслонку на степень I возврата в открытое положение с тем, чтобы создавать соответствующий расход выпуска выхлопных газов для регулирования этого противодавления независимо от режима работы двигателя. Уравнительное устройство встроено в управляющий цилиндр с установкой внутри этого цилиндра между подвижным поршнем и штоком цилиндра. Шток выполнен с возможностью смещения на ход С' по отношению к подвижному поршню. Ход С' соответствует степени I возврата в открытое положение и регулируется, по меньшей мере, одной управляющей тарированной пружиной, расположенной между упомянутым подвижным поршнем и штоком [Патент РФ №2218470, МПК F01N 3/08]. Это устройство имеет сложную конструкцию и не оптимизирует работу двигателя внутреннего сгорания.
Известно устройство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, содержащее корпус с входным и выходным патрубками, коллектор для подачи газа, завихритель и накопитель, состоящие из секций, образованных перегородками, и расположенные в корпусе соосно один над другим, которое дополнительно снабжено коническим обтекателем, усеченная вершина которого обращена в сторону входного патрубка, и имеющим центральное отверстие диаметром не более половины диаметра выходного патрубка, секции завихрителя и накопителя расположены послойно и снабжены лопастями, расположенными тангенциально к внешнему диаметру выходного патрубка, а перегородки секций выполнены в виде боковых стенок полых многогранных усеченных пирамид, причем в секциях накопителя указанные стенки многогранных усеченных пирамид направлены вершинами друг к другу, а основания этих пирамид соединены цилиндрической обечайкой [Патент РФ №2136907, МПК F01N 3/08].
Это устройство является ближайшим аналогом заявляемого средства для выпускной системы двигателя внутреннего сгорания и принято за прототип изобретения. Прототип имеет следующие недостатки:
- устройство в основном способствует дожиганию паров топлива, содержащихся в отходящих газах и недостаточно эффективно оптимизирует работу двигателя внутреннего сгорания;
- двигатель внутреннего сгорания при наличии такого устройства в выхлопной системе все равно имеет существенный расход топлива;
- двигатель при наличии такого устройства недостаточно плавно реагирует на увеличение или уменьшение подачи в него рабочей газовой смеси - недостаточно «эластичен».
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание эффективного средства для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, способного оптимизировать его работу, существенно снизить расход топлива и повысить эластичность его работы.
Поставленная задача решается тем, что предлагается средство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, включающее корпус, имеющий внутреннюю полость, снабженную входом для газового потока и выходом для газового потока, и завихритель газового потока, расположенный во внутренней полости корпуса, у которого внутренняя полость корпуса выполнена в форме сопрягающихся между собой конической части и цилиндрической части, причем коническая часть имеет форму усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения газового потока от входа к выходу, а цилиндрическая часть расположена после конической части по ходу движения газового потока и содержит завихритель газового потока, который выполнен в форме цилиндрического стакана, наружный диаметр которого меньше внутреннего диаметра цилиндрической части полости корпуса, в дне которого имеется центральное отверстие, а в стенке выполнены прорези, расположенные тангенциально к окружности названного центрального отверстия, а внутри названного стакана и соосно с ним расположено коническое сопло, сужающееся в направлении движения газового потока.
Наиболее эффективна работа средства, если коническая часть полости корпуса в продольном сечении имеет угол наклона стенки конуса к его оси 4-10°.
Вход для газового потока может быть снабжен входным цилиндрическим патрубком.
Выход для газового потока может быть снабжен выходным цилиндрическим патрубком.
Вход для газового потока сообщается с выпускной системой двигателя внутреннего сгорания, а выход для газового потока сообщается с атмосферой.
Лучшие результаты достигаются, если внутренняя поверхность конического сопла, или конического входа завихрителя газового потока отполирована.
На фиг.1 представлен общий вид заявляемого средства.
На фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.
Средство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания включает корпус 1, имеющий внутреннюю полость, снабженную входом 2 и выходом для газового потока, и завихритель 5 газового потока, расположенный во внутренней полости корпуса 1. Внутренняя полость корпуса 1 выполнена в форме сопрягающихся между собой конической части 3 и цилиндрической части 4. Коническая часть 4 имеет форму усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения газового потока от входа 2 к выходу. Цилиндрическая часть 4 расположена после конической части 3 по ходу движения газового потока и содержит завихритель 5 газового потока, который выполнен в форме цилиндрического стакана 6, наружный диаметр которого меньше внутреннего диаметра цилиндрической части 4 полости корпуса 1. В дне 7 стакана 6 имеется центральное цилиндрическое отверстие 8. В стенке 9 стакана 6 выполнены прорези 10, расположенные тангенциально к окружности отверстия 8. Внутри стакана 6 и соосно с ним расположено коническое сопло 11, сужающееся в направлении движения газового потока. Коническая часть 3 полости корпуса 1 в продольном сечении имеет угол наклона стенки конуса к его оси 4-10°. Вход 2 для газового потока снабжен цилиндрическим патрубком 16, а выход - цилиндрическим патрубком 17. Вход 2 сообщается с выпускной системой двигателя внутреннего сгорания, а выход - с атмосферой. Внутренняя поверхность конического сопла 11 завихрителя 5 газового потока отполирована.
Предлагаемое средство может быть установлено:
- на входе во внутреннем коллекторе двух- или четырехтактных двигателей внутреннего сгорания;
- на выходе из выпускного коллектора четырехтактных двигателей внутреннего сгорания.
Предлагаемое средство, установленное в выхлопной системе, например, автомобиля, после выхлопного коллектора или турбокомпрессора, и имеющего завихритель газового потока, изображенный на фиг.1, 2, работает следующим образом.
На вход 2 корпуса 1 поступает поток отработавшего выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания. Этот газовый поток поступает в коническую часть 3 внутренней полости корпуса 1, имеющего угол между образующей и осью конуса 4-10°. По мере продвижения по конической части полости газовый поток расширяется и, соответственно, давление в нем падает, что обеспечивает интенсивное подсасывание выхлопных газов, выходящих из двигателя в полость корпуса средства. С большой долей вероятности при этом происходит эффект наддува воздуха в цилиндры.
Далее расширенный газовый поток поступает в цилиндрическую часть внутренней полости корпуса 4, диаметр которой равен большему диаметру усеченного конуса конической части полости корпуса 1, где находится завихритель газового потока 5, в котором названный газовый поток разделяется на две части. Центральная часть газового потока проходит через коническое сопло 11, которое сужается по мере продвижения по нему газа, что приводит к увеличению его скорости и давления в нем. Часть газового потока проходит между внутренней поверхностью цилиндрической полости 4 и стаканом завихрителя газового потока 6, в стенке которого имеются тангенциальные прорези 10, в которые поступает газ тангенциально, формируя завихрения периферийной части газового потока вокруг собственной оси. Далее обе части потока объединяются в общий поток, скрученный относительно собственной оси, и выходящий из завихрителя через центральное отверстие в дне стакана 8, диаметр которого больше меньшего диаметра конического сопла. При такой конструкции завихрителя коническое сопло обеспечивает высокую скорость газового потока при высокой устойчивости, а тангенциальные прорези в стакане скручивают поток. В короткий отрезок времени, когда у работающего двигателя одновременно открываются впускной и выпускной клапаны, происходит полная продувка его цилиндров. Далее, при открытых впускных клапанах происходит полное наполнение цилиндров рабочей смесью, обогащенной кислородом. При рабочем цикле - сжатии рабочей смеси и возникновении искры происходит возгорание рабочей смеси и ее горение. Присутствующий в рабочей смеси озон распадается на кислород и отрицательно заряженные ионы кислорода, что приводит к интенсификации процесса окисления и топливо в рабочей смеси сгорает практически полностью. В результате сгорание топлива происходит эффективно, расход топлива снижается, а выбросы несгоревшего топлива либо ничтожны, либо их нет вовсе.
Испытания показали, что при наличии предлагаемого средства в выхлопной системе автомобиля с двигателем внутреннего сгорания происходит практически полное сгорание топлива, поэтому расход топлива снижается, а выбросы токсичных веществ в атмосферу ничтожны. Например, после установки такого средства в выхлопную систему японского автомобиля «Лексус» с объемом двигателя 4.7 л, при 2000 об выбросы СО снизились с 0.08% до 0.06%, а СН с 200 ppm до 70 ppm, а при 2500 об выбросы СО снизились с 0.09% до 0.05%, а СН с 250 ppm до 70 ppm. Кроме того, двигатель без задержек и плавно реагирует на изменение положения педали акселератора, увеличивая или уменьшая вращающий момент, в зависимости от увеличения или уменьшения поступления в него рабочей газовой смеси, что свидетельствует о его хорошей эластичности.
Таким образом, предлагаемое средство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания способствует интенсивному удалению выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания и оптимизирует процессы горения при его работе, а следовательно, в целом оптимизирует работу двигателя внутреннего сгорания, существенно снижает расход топлива и повышает эластичность его работы.