СИСТЕМА ВЫХЛОПА ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области систем выхлопа поршневых двигателей внутреннего сгорания.
От качества процессов, протекающих в выхлопной системе поршневых двигателей внутреннего сгорания, прежде всего от очистки цилиндра от отработавших газов, во многом зависит эффективность и экономичность их работы. Улучшить процесс очистки цилиндра от отработавших газов и соответственно увеличить мощность двигателя можно за счет совершенствования конструкции системы выхлопа.
В общем случае, система выхлопа поршневого двигателя внутреннего сгорания состоит из головки цилиндра с выпускным каналом, коллектора выпускного, трубы выхлопной и электронного блока управления двигателем.
Известна выпускная система автомобильного бензинового двигателя ВАЗ 2110, показанная в кн. Косарев С.Н. ВАЗ 2110, ВАЗ 2111, ВАЗ 2112 и их модификации: каталог узлов, деталей и запасных частей. Москва, Астрель ACT, 2004. - 375 с.(см. рис.А100 на стр.24, рис.А405 на стр.64, рис.А440 на стр.68, рис.К104 на стр.158). Выхлопная система состоит из головки цилиндра с каналом, выпускного коллектора, выпускных труб и электронного блока управления двигателем. На такте выпуска отработавшие газы в систему выхлопа поступают из цилиндра двигателя через канал в головке цилиндра в выпускной коллектор, далее подаются в выхлопные трубы и сбрасываются в атмосферу. При этом электронный блок управления двигателем выполняет функции, связанные с организацией процессов впуска и выпуска. Данная система выхлопа имеет следующий недостаток, обусловленный особенностями течений в подобных гидродинамических системах: в пульсирующих режимах в них возникают срывы потока и застойные зоны (кн. Драганов Б.Х., Круглов М.Г., Обухова B.C. Конструирование впускных и выпускных каналов двигателей внутреннего сгорания. - К.: Вища шк., 1987. - 175 с, см. рис.3.22-3.25 на стр.69 и рис.3.31 на стр.78), что приводит к снижению расхода отработавших газов, покидающих цилиндр двигателя, и соответственно снижению мощности.
Прототипом предлагаемой системы выхлопа является система автомобильного дизельного двигателя ЯМ3-238ПМ, описанная в кн. Савельев Г.М., Лямцев Б.Ф., Слабов Е.П. Повышение эксплуатационной надежности автомобильных дизелей ЯМЗ с наддувом. - Москва, 1988. - 96 с.(см. рис.3.16 на стр.70). Система выхлопа содержит головку цилиндра с каналом, коллектор выпускной, трубы выхлопные. Отработавшие газы в систему выхлопа поступают из цилиндра двигателя через канал в головке цилиндра, откуда проходят в выпускной коллектор, далее подаются в выхлопные трубы и проходят в турбокомпрессор, после чего сбрасываются в атмосферу. В данном случае электронный блок управления двигателем выполняет те же функции: управление процессами впуска и выпуска. Данная выпускная система имеет тот же недостаток, что и система, описанная выше, а именно в пульсирующих режимах течения газа возникают срывы потока и застойные зоны, снижающие количество газа, покидающего цилиндр двигателя. Поэтому на такте выпуска необходимо стабилизировать (выровнять) пульсирующий поток в выпускном коллекторе, что позволит увеличить объемный расход газа через систему выхлопа, и соответственно повысит мощность двигателя.
Технический результат, достигаемый применением предлагаемой системы выхлопа, заключается в увеличении расхода отработавших газов через выхлопную систему, т.е. улучшении процесса продувки цилиндра поршневого двигателя внутреннего сгорания и, тем самым в увеличении его мощности во всем диапазоне частоты вращения коленчатого вала. Это достигается тем, что в коллекторе выпускном установлена эжекционная трубка для подачи воздуха через электропневмоклапан, при этом диаметр эжекционной составляет не более 1/10 диаметра коллектора выпускного. На выходном конце эжекционной трубки может быть установлено дозвуковое сопло, которое увеличивает скорость истечения струи, усиливая ее эжекционную способность. Эти меры позволяют создать область разряжения после канала в головке цилиндра и выровнять течение в системе выхлопа.
Установка эжекционной трубки (с соплом или без) и электропневмоклапана позволяют создать область разряжения в системе выхлопа и стабилизировать (выровнять) поток за счет эффекта эжекции (кн. Дейч M.Е. Техническая газодинамика. - М. - Л. Госэнергоиздат, 1961. - 671 с, см. раздел 7-5 «Ступень эжектора» на стр.421-430), что способствует увеличению расхода газа через систему выхлопа (улучшает процесс продувки) и повышению мощности двигателя.
На фиг.1 изображена схема предлагаемой системы выхлопа поршневого двигателя, содержащая головку цилиндра с каналом 1, коллектор выпускной 2, трубу выхлопную 3, эжекционную трубку 4, электропневмоклапан 5, электронный блок управления двигателем 6, дозвуковое сопло 7. На фиг.2 изображены, полученные экспериментально, графики зависимости объемного расхода газа через систему выхлопа - Q от частоты вращения коленчатого вала двигателя - п.Кривые на графике соответствуют расходам газа при различных условиях работы системы выхлопа двигателя: 1 - стандартная система выхлопа (без эффекта эжекции); 2 - система выхлопа с использованием эффекта эжекции (за вычетом расхода газа через эжектор); 3 - система выхлопа с использованием эффекта эжекции (без вычета расхода газа через эжектор). В данном случае разряжение (статическое давление) после эжекционной трубки в системе выхлопа составляло 0,05 бар. В качестве критерия оценки эффективности использован объемный расход газа через систему выхлопа двигателя. Из рисунка видно, что во всем исследованном диапазоне частоты вращения коленчатого вала наблюдается возросший объемный расход газа через систему выхлопа при использовании эжекционной трубки и электропневмоклапана, что указывает на улучшение процесса продувки и приведет к повышению мощности двигателя.
Предлагаемая система выхлопа содержит головку цилиндра с каналом 1, коллектор выпускной 2, трубу выхлопную 3, эжекционную трубку 4, электропневмоклапан 5, электронный блок управления двигателем 6, дозвуковое сопло 7. Эжекционная трубка является частью системы выхлопа двигателя и устанавливается в коллекторе выпускном. При этом диаметр эжекционной трубки составляет не более 1/10 диаметра коллектора выпускного. Для усиления эффекта эжекции на выходном конце эжекционной трубки может быть установлено дозвуковое сопло.
Устройство работает следующим образом. Отработавшие газы в систему выхлопа поступают из цилиндра двигателя в канал в головке цилиндра 1, откуда проходят в выпускной коллектор 2. В выпускном коллекторе 2 установлена эжекционная трубка 4, в которую воздух подается из электропневмоклапан 5 (см. фиг.1). Установка эжекционной трубки 4 и электропневмоклапана 5 позволяют создать область разряжения сразу за каналом в цилиндре и стабилизировать (выровнять) поток в системе выхлопа за счет эффекта эжекции (кн. Дейч M. Е. Техническая газодинамика. - М. - Л. Госэнергоиздат, 1961.-671 с, см. раздел 7-5 «Ступень эжектора» на стр.421-430), что способствует увеличению расхода газа через систему выхлопа (улучшает процесс продувки) и повышению мощности двигателя. Для того чтобы эжекционная трубка не создавала значительного гидравлического сопротивления в коллекторе выпускном, ее диаметр не должен превышать 1/10 диаметра коллектора выпускного. Это также необходимо для того, чтобы в коллекторе выпускном не создавался критический режим работы эжектора, и не возникало явление запирания эжектора (кн. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. Ч. 1. - М. - Наука, 1991. - 600 с, см. глава 9 «Газовые эжекторы», параграф 4 «Критические режимы работы эжектора. Запирание эжектора» на стр.518-525). Положение оси эжекционной трубки относительно оси коллектора выпускного (эксцентриситет) выбирается в зависимости от конкретной конфигурации системы выхлопа и режима работы двигателя; при этом критерием эффективности служит степень очистки цилиндра от отработавших газов. Разряжение (статическое давление), создаваемое в выпускном коллекторе 2 с помощью эжекционной трубки 4, должно составлять не менее 0,05 бар. В противном случае будет происходить недостаточное выравнивание пульсирующего потока, а это может вызвать образование обратных токов в системе, что приведет к снижению эффективности продувки цилиндра, и соответственно снижению мощности двигателя. Электронный блок управления двигателем 6 должен организовать работу электропневмоклапана 5 (создание эжекционного эффекта должно происходить только в процессе выпуска) в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Для усиления эффекта эжекции, и соответственно, более быстрой стабилизации потока (выравнивания поля скоростей) в коллекторе выпускном на выходной конец эжекционной трубки 4 может быть установлено дозвуковое сопло 7. Далее стабилизированный (выровненный) поток через выхлопную трубу 3 попадает в турбокомпрессор или сбрасывается в атмосферу.
Возможность осуществления предлагаемой полезной модели и достижения полезных эффектов в виде увеличения объемного расхода газа через систему выхлопа двигателя и в повышения его мощности основывается на следующем.
Увеличение объемного расхода газа через систему выхлопа достигается за счет создания области разряжения и выравнивания скоростей потока в коллекторе выпускном, что стабилизирует пульсирующий поток.
Повышение мощности двигателя осуществляется за счет того, что при использовании предлагаемой системы выхлопа улучшается процесс продувки цилиндров, то есть осуществляется лучшая, по сравнению с исходной системой выхлопа, очистка цилиндров от отработавших газов, а соответственно, на следующем такте впуска имеется возможность подать большее количество свежего заряда и тем самым увеличить мощность двигателя.
Увеличение объемного расхода газа в предлагаемой системе выхлопа проверено экспериментально на установке, представляющей собой натурную модель одноцилиндрового поршневого двигателя внутреннего сгорания размерности 8,2/7,1, приводимую во вращение асинхронным электрическим двигателем, частота вращения которого регулируется преобразователем частоты. Механизм газораспределения экспериментальной установки заимствован от двигателя автомобиля ВАЗ 11113. Сжатый воздух для создания разряжения поступал из заводкой магистрали. Расход газа измерялся при помощи термоанемометра постоянной температуры. Результаты экспериментов представлены на фиг.2 в виде графиков, демонстрирующих эффективность системы выхлопа. В качестве критерия оценки эффективности использован объемный расход газа Q через систему выхлопа двигателя. Кривые на графике соответствуют расходам газа при различных условиях работы системы выхлопа двигателя: 1 - стандартная система выхлопа (без эффекта эжекции); 2 - система выхлопа с использованием эффекта эжекции (за вычетом расхода газа через эжектор); 3 - система выхлопа с использованием эффекта эжекции (без вычета расхода газа через эжектор). В данном случае разряжение (статическое давление) после эжекционной трубки в системе выхлопа составляло 0,05 бар. Из графиков видно, что во всем исследованном диапазоне частоты вращения коленчатого вала наблюдается возросший объемный расход газа через систему выхлопа с эжекционной трубкой, что приведет к лучшей очистке цилиндров от отработавших газов и повышению мощности двигателя.
Таким образом, приведенные экспериментальные данные свидетельствуют об увеличении объемного расхода выхлопных газов (улучшении процесса продувки) за счет эффекта эжекции (установки эжекционной трубки) и соответственно увеличение его мощности в рабочем диапазоне частоты вращения коленчатого вала.
Изложенное доказывает возможность достижения технического результата при использовании предлагаемой системы выхлопа поршневого двигателя.