УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, и может быть использована в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания движущегося транспортного средства.
Известен двигатель внутреннего сгорания (см. а.с. №1498933 кл. F02G 5/02, опубл. 07.08.1989, Бюл. №29) содержащий турбокомпрессор подачи наддувочного воздуха, впускной трубопровод, подключенный к воздухонапорному патрубку турбокомпрессора, охладитель наддувочного воздуха, установленный во впускном трубопроводе, выхлопной трубопровод, подключенный к турбине турбокомпрессора, и термоэлектрогенератор, горячие спаи термоэлементов которого в выхлопном трубопроводе, а холодные спаи - в охлаждающей среде, при этом впускной трубопровод выполнен с участком, охватывающем выхлопной трубопровод, и холодные спаи термоэлементов размещены в этом участке впускного трубопровода и выполнены в виде выступающих ребер, причем охватывающий участок впускного трубопровода размещен между турбокомпрессором и охладителем наддувочного воздуха, отношение высоты каждого ребра к общей высоте термоэлемента выполнено равным 0,7-0,8 и плотность размещения ребер на поверхности выхлопного трубопровода составляет 2-8 ребер на 1 см.
Недостатком является низкая эффективность термоэлектрического генератора в связи с тем, что корпус термоэлектрического генератора при сборке образует единую конструкцию выхлопной трубы, а это не позволяет получать достаточную разность температур между «горячими» и «холодными» концами термопар, т.е. разность потенциалов, обеспечивающую термо-ЭДС, обеспечивающую величину напряжения на выходе термоэлектрического генератора, достаточную для питания систем сигнализации. Кроме того, наличие загрязнений в виде сажи и окалины в выходном трубопроводе для отработавших газов при длительной эксплуатации двигателя, что увеличивает аэродинамическое сопротивление выхлопного трубопровода с размещенными в нем горячими спаями, т.е. термоэлектрический генератор, являясь дополнительным аэродинамическим сопротивлением, снижает мощность двигателя внутреннего сгорания, причем сажа и окалина, являясь теплопроводными материалами, уменьшает термо-ЭДС.
Известно устройство для выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (см. патент РФ №2227217, МПК F01N 7/20, 2004), 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, причем 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.
Недостатком данного устройства является неполное использование мощности двигателя внутреннего сгорания движущегося транспортного средства из-за необходимости отбора части энергии на выработку электричества, необходимого для питания сигнального оборудования, например, с задней стороны автомобиля.
Технической задачей предлагаемого изобретения является более полное использование мощности двигателя внутреннего сгорания движущегося транспортного средства путем использования теплового потенциала отработавших газов посредством снабжения термоэлектрическим генератором, соединенным посредством электроизоляционной муфты с выходным отверстием выхлопной трубы.
Технический результат по эффективному использованию мощности движущегося транспортного средства достигается тем, что устройство для выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания содержит 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 «ласточкиного хвоста», переходящие в круговую канавку, находящуюся у выходного отверстия трубчатого элемента, причем кривизна спиральных лопастей имеет положительное направление вращения винтовой линии, а входное отверстие трубчатого элемента снабжено металлической сеткой, причем выходное отверстие трубчатого элемента соединено посредством электроизоляционной муфты с проходным каналом для отработавших газов корпуса термоэлектрического генератора, при этом в проходном канале для отработавших газов расположены «горячие» концы комплекта дифференциальных термопар, а «холодные» концы их укреплены на внешней поверхности корпуса термоэлектрического генератора вдали от проходного канала для отработавших газов на расстоянии, когда тепло отработавших газов не воздействует на «холодные концы» дифференциальных термопар, кроме того, выход проходного канала для отработавших газов связан с атмосферой.
На фиг.1 дан общий вид устройства в продольном разрезе; на фиг.2 - развертка расширяющейся части трубчатого элемента; на фиг.3 - расположение ребер-лопастей на внутренней насадке.
Устройство для выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержит выхлопную трубу 1, трубчатый элемент 2, насаженный на выхлопную трубу 1 с помощью внутренней насадки 3, которая закреплена внутри трубчатого элемента с помощью ребер-лопастей 4, установленных по спирали на внутренней суживающейся части 5 трубчатого элемента, при этом кривизна спирали имеет положительное направление вращения винтовой линии. На внутренней поверхности расширяющейся части 6 трубчатого элемента 2 выполнены продольно расположенные винтообразные канавки 7, кривизна которых имеет отрицательное направление вращения винтовой линии. При этом винтообразные канавки 7 имеют профиль в виде «ласточкиного хвоста» и переходят в круговую канавку 8, кроме того, входное отверстие трубчатого элемента снабжено металлической сеткой 9.
Выходное отверстие 10 трубчатого элемента 2 имеет резьбовое наружное выполнение и соединено с проходным каналом для отработавших газов 11, на котором также имеется резьбовое наружное выполнение, корпуса 12 термоэлектрического генератора 13. В проходном канале для отработавших газов 11 расположены «горячие» концы 14 комплекта дифференциальных термопар 15, а «холодные» концы 16 дифференциальных термопар 15 укреплены на внешней поверхности 17 корпуса 12 термоэлектрического генератора 13 вдали от проходного канала для отработавших газов 11. Вход 18 проходного канала для отработавших газов 11 связан с выходным отверстием 10 трубчатого элемента 2 посредством электроизоляционной муфты 19, а выход 20 проходного канала для отработавших газов 11 связан с атмосферой (АТ).
Устройство работает следующим образом.
Автомобиль с двигателем внутреннего сгорания имеет систему автоматизированного контроля и сигнализации, питаемой от аккумулятора и/или генератора, для работы которого и отбирается часть мощности, вырабатываемой двигателем внутреннего сгорания, т.е. осуществляется уменьшение его мощности как транспортного средства. Отработавшие газы поступают в выпускной коллектор при температуре свыше 1800°C и на выходе из выхлопной трубы 1, имеют температуру свыше 100°C (см. например, Луканин В.Н., Шатров М.Г. Двигатели внутреннего сгорания. Книга 2. 3-е изд., перераб. М.: Высш. шк., 2007. 400 с), что позволяет использовать данный температурный потенциал для выработки электрической энергии посредством термоэлектрического генератора 13. В этом случае часть отработавших газов через выходное отверстие 10 трубчатого элемента 2 и через электроизоляционную муфту 19 поступает на вход 18 проходного канала 11 корпуса 12 термоэлектрического генератора 13, где контактирует с «горячими» концами 14 комплекта дифференциальных термопар 15 и через выход 20 выбрасывается в окружающую среду, т.е. атмосферу (АТ). «Холодные» концы 16 комплекта дифференциальных термопар 15, расположенные на поверхности 17 корпуса 2 термоэлектрического генератора 13, контактируют с атмосферным воздухом, имеющим температуру окружающей среды в зависимости от климатической зоны эксплуатации автомобиля, например, от минус 40°C до плюс 40°C.
Использование в качестве элементов комплекта дифференциальных термопар 15 хромель-копель, позволяет в процессе эксплуатации автомобиля получить температурный перепад между «горячими» 16 и «холодными» 14 концами до 100°C, при этом на каждом элементе комплекта дифференциальных термопар возникает термо-ЭДС до 6,96 мВ (см., например, Иванова, Г.М. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергоатомиздат, 1984. 230 с), а получаемое напряжение на термоэлектрическом генераторе изменяется в пределах 12-36 В (см., например, Технические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник / под. общ. ред. В.М. Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1980. 560 с). Этого вполне достаточно при работе двигателя внутреннего сгорания для питания, как системы сигнализации, так и приборов контроля автомобиля, т.е. устраняется необходимость отбора мощности на работу генератора для этих целей. Следовательно, наблюдается более полное и использование мощности двигателя внутреннего сгорания для перемещения автомобиля. Для устранения электрозамыкания дифференциальных термопар на металлический корпус трубчатого элемента 2 соединительная муфта 19 выполнена электроизоляционной с двухсторонней резьбой.
При движении автомобиля воздушный поток захватывается трубчатым элементом 2, проходя через металлическую сетку 9, очищается от пыли и закручивается, перемещаясь по ребрам-лопастям, расположенным по спирали, кривизна которой имеет положительное направление вращения винтовой линии. В результате вращающийся против часовой стрелки воздушный поток, очищенный от пыли, увлекает с собой выхлопные газы, выходящие из выхлопной трубы 1, и вместе они поступают во вращающемся состоянии в расширяющуюся часть трубчатого элемента 2.
В расширяющейся части 6 трубчатого элемента 2 смесь из воздушного потока и выхлопных газов с загрязнениями перемещается по продольно расположенным винтообразным канавкам 7, кривизна которых имеет отрицательное направление вращения винтовой линии. В результате наблюдается вращение смеси (выхлопных газов с загрязнениями и воздушного потока) по часовой стрелке. В процессе вращения загрязнения в виде твердых (сажа, окалина) и каплеобразных частиц отбрасываются под действием центробежных сил к внутренней поверхности расширяющейся части 6, где проникают в полости в виде «ласточкина хвоста», продольно расположенных винтообразных канавок 7, кривизна которых имеет отрицательное направление вращения винтовой линии.
Выполнение профиля винтообразных канавок 7 в виде «ласточкина хвоста» предотвращает самопроизвольное выпадение загрязнений из полости, здесь загрязнения по мере накопления коагулируют, слипаются и перемешиваются по направлению движения выхлопных газов к круговой канавке 8, где и продолжают накапливаться. По мере накопления загрязнений в круговой канавке 8, они из нее удаляются вручную на профилактических осмотрах и ремонтах или автоматически (на фиг. не указано).
При контакте вращающегося против часовой стрелки воздушного потока, выходящего из суживающейся части 5, с вращающейся по часовой стрелке смесью (воздушный поток и выхлопные газы), выбрасываемой из расширяющейся части 6, наблюдаются микрозавихрения, которые образуют за срезом выхлопной трубы 1 зону разряжения. В результате наличия зоны разряжения осуществляется более интенсивный отсос выхлопных газов, а это, как известно, повышает в конечном итоге мощность двигателя внутреннего сгорания.
Оригинальность технического решения заключается в том, что достигается более полное использование вырабатываемой мощности двигателя внутреннего сгорания на перемещение автомобиля, без необходимости частичного ее отбора на выработку электроэнергии, питающей систему сигнализации и/или автоматизации и контроля, путем использования теплового потенциала отработавших газов посредством соединения электроизоляционной муфтой выхлопной трубы с термоэлектрическим генератором, выполненным с проходным каналом для отработавших газов и расположенными в нем «горячими» концами комплекта дифференциальных термопар. При этом их «холодные» концы расположены на поверхности корпуса термоэлектрического генератора вдали от проходного канала отработавших газов, что и позволяет получить при соответствующем материале каждого элемента комплекта дифференциальных термопар электрическое напряжение достаточное для питания сигнализации и/или автоматизации и контроля.