В предлагаемом способе создают стоячие волны для поддержания режима вибрационного горения в двигателе внутреннего сгорания путем организации движения отработавших газов в устройстве в виде двух взаимодействующих потоков, закрученного и центрального. Устройство включает в себя корпус 1, выполненный в виде гладкой цилиндрической трубы с входным 2 и выходным 3 отверстиями; направляющий аппарат 4 закручивания потока отработавших газов, который выполнен в виде плоских отклоняющих пластин 5, установленных неподвижно на внутренней поверхности трубы под углом к центральной оси 6. В направляющем аппарате 4 имеется свободная приосевая область вокруг центральной оси 6, соосно связывающей аппарат 4 с генерирующей камерой 7 и диффузором 8. Направляющий аппарат 4 делит поток отработавших газов на два потока, центральный приосевой поток 9 и закрученный (периферийный) 10. Закрученный поток 10 инжектирует (всасывает в себя) центральный поток 9 из свободной приосевой области. В генерирующей камере 7 создаются стоячие волны. При использовании устройства происходит полное сгорание топлива в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания.

[0001] Способ повышения эффективности сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания с использованием устройства в системе выпуска отработавших газов, характеризующийся тем, что в устройстве создают стоячие волны для поддержания режима вибрационного горения в двигателе внутреннего сгорания путем организации движения отработавших газов в устройстве в виде двух взаимодействующих потоков, закрученного и центрального, приводящих к созданию стоячих волн, согласующихся с вибрационным режимом горения топливной смеси в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания в период рабочего хода поршня двигателя внутреннего сгорания.

[0002] Устройство в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, включающее корпус с входным и выходным отверстиями, направляющий аппарат потока отработавших газов, характеризующееся тем, что корпус выполнен в виде гладкой цилиндрической трубы, в которой расположен направляющий аппарат закручивания потока отработавших газов, выполненный в виде плоских отклоняющих пластин, установленных неподвижно на внутренней поверхности цилиндрической трубы, под углом к центральной оси с переменными, возрастающими по ходу потока отработавших газов поверхностями, с образованием приосевой области, свободной от отклоняющих пластин, соосно связывающей направляющий аппарат закручивания потока отработавших газов с генерирующей камерой, генерирующая камера связана соосно с диффузором, который имеет форму пустотелого усеченного конуса, установленного меньшим основанием во внутренний объем генерирующей камеры и соединенного герметично с генерирующей камерой большим основанием усеченного конуса.

[0003] Устройство по п.2, характеризующееся тем, что отклоняющие пластины в направляющем аппарате закручивания потока отработавших газов представляют собой полусегменты в проекции на диаметральную плоскость.

[0004] Устройство по п.2, характеризующееся тем, что эффективный диаметр свободной приосевой области направляющего аппарата закручивания потока отработавших газов в два раза меньше диаметра меньшего основания усеченного конуса, установленного во внутренний объем генерирующей камеры.

[0005] Устройство по любому из пп.2-4, характеризующееся тем, что направляющий аппарат закручивания потока отработавших газов, генерирующая камера и диффузор установлены симметрично относительно центральной оси.

Область техники

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания движущегося транспортного средства и стационарного механического привода.

Предшествующий уровень

В настоящее время используются различные способы и устройства для повышения эффективности сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания, которые предназначены для уменьшения вредных выбросов.

Известно устройство патент RU № 2133350 (МПК ⁶ F01N 7/20, опубл. 20.07.1999 г.) для выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, которое обеспечивает наряду с повышением эффективности работы двигателя внутреннего сгорания дополнительную очистку выхлопных газов путем интенсификации завихрения, что приводит к смещению твердых и каплеобразных частиц в полости винтообразных канавок. Изобретение помогает улучшить экологическую обстановку при выбросе отработавших газов из глушителя путем их очистки, осуществляемой в результате закрутки отработавших газов в расширяющейся части трубчатого элемента.

Недостатком устройства является неполное сгорание топлива в двигателе внутреннего сгорания, что приводит к загрязнению окружающей среды.

Известен двигатель внутреннего сгорания (патент RU № 2033539, МПК ⁶ F02В 23/06, опубл. 20.04.1995 г.), в котором двигатель содержит цилиндр с размещенным в нем поршнем и головку цилиндра, образующие камеру сгорания, выполненную в виде акустического резонатора с выемками и выступами на днище поршня и на поверхности головки, расположенными напротив друг друга. Стоячие акустические волны, образующиеся в камере сгорания, позволяют интенсифицировать процесс горения заряда.

Применение изобретения позволяет улучшить экономические показатели двигателя, но тем не менее имеются выбросы сажи и других вредных веществ в окружающую среду.

Известен глушитель шума выпуска двигателя внутреннего сгорания (патент RU № 2116468, МПК ⁶ F01N 1/08, опубл. 27.07.1998 г.). Изобретение помогает повысить эффективность шумоглушения и очистки газов глушителя путем закручивания и разделения газов. Предлагаемая конструкция позволяет осуществлять чередующееся разделение и дальнейшее сталкивание и соударение газовых потоков, за счет чего энергия проходящего звука пикового давления гасится, чем обеспечивается сглаживание пульсации газа и достигается интенсивное шумоглушение.

Недостатком этого устройства является то, что содержание CO и CH в выхлопных газах достаточно высоко.

Известно устройство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания (заявка RU 95107772 А1, МПК ⁶ F01N 3/00, опубл. 10.02.1997 г.). При работе двигателя внутреннего сгорания выхлопные газы в завихрителе закручиваются. Закрученный поток вызывает разрежение в его центральной части, обеспечивая дополнительный подсос газов из корпуса. За счет центробежных сил вращающегося потока несгоревшие пары топлива, как более тяжелые, задерживаются в центробежных ловушках накопителя, в которых догорают.

Недостатком устройства является то, что сажа периодически загорается.

Известно устройство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания (патент RU № 2064052, МПК ⁶ F01N 3/00, опубл. 20.07.1996 г.), которое содержит теплоизолированный корпус с входным и выходным патрубками, коллектор для подачи газа, завихритель, расположенный в камере, сообщающейся с накопителем через сепарационные решетки. Вихревая камера разделена на секции диафрагмами. Завихритель, вихревая камера и накопитель выполнены многосекционно. Устройство позволяет улавливать и дожигать несгоревшие остатки жидкого и газообразного топлива.

К недостаткам устройства можно отнести сложность его выполнения.

Известно устройство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания (патент RU № 2136907, МПК ⁶ F01N 3/08, опубл. 10.09.1999 г.), которое может быть использовано в ДВС для улавливания, очистки и дожигания несгоревших остатков жидкого и газообразного топлива ДВС и глушения шума выхлопа. Устройство для выхлопной системы ДВС содержит корпус, входной и выходной патрубки, коллектор, многосекционный завихритель, многосекционный накопитель, перегородки, конический обтекатель, обечайку, которая является крышкой накопителя, и лопасти. Усеченная вершина конического обтекателя обращена в сторону входного патрубка. Лопасти распложены тангенциально к внешнему диаметру выходного патрубка. В обтекателе имеется центральное отверстие, диаметр которого не превышает половины диаметра выходного патрубка. Завихритель и накопитель состоят из секций, образованных перегородками. Секции завихрителя и накопителя расположены в корпусе соосно и послойно одна над другой. Перегородки секций выполнены в виде боковых стенок полых многогранных усеченных пирамид. В секциях накопителя эти стенки многогранных усеченных пирамид направлены вершинами друг к другу, а основания этих пирамид соединены цилиндрической обечайкой. Изобретение позволяет повысить эффективность очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и дает возможность комплексно рассматривать процесс превращения химической энергии моторного топлива в механическую работу.

Недостатками устройства являются, также как и вышеописанного, большая сложность в изготовлении и высокая металлоемкость.

Известен способ повышения эффективности сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания и устройство для его осуществления (патент RU № 2156363, МПК ⁷ F01N 7/00, F02В 17/00, опубл. 20.09.2000 г.). В рабочий цилиндр двигателя внутреннего сгорания вводят необходимую по составу топливно-воздушную смесь, осуществляют ее сгорание, открывают выпускной клапан и удаляют отработавший газ через систему выпуска. В системе выпуска глушителя создают противодавление входящим в него отработавшим газом, тем самым замедляют выход отработавших газов из рабочего цилиндра двигателя и этим обеспечивают более полное сгорание топлива в рабочем цилиндре, а затем ускоряют выход отработавшего газа из глушителя и рабочего цилиндра двигателя.

Предлагаемое изобретение позволяет осуществить более полное сгорание топлива в двигателе внутреннего сгорания, однако не позволяет снизить содержание вредных веществ в выхлопных газах до минимального значения.

Таким образом, существует потребность в разработке способов повышения эффективности сгорания и устройств для систем выпуска отработавших газов.

Задачами, решаемыми предлагаемым изобретением, являются разработка способа повышения эффективности сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания и разработка устройства для его осуществления.

Раскрытие изобретения

Поставленные задачи решаются способом повышения эффективности сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания с использованием устройства в системе выпуска отработавших газов, с помощью организации в нем взаимодействующих потоков отработавших газов и за их счет стоячих волн, согласованных с вибрацией процесса горения в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания.

В предлагаемом способе в устройстве системы выпуска отработавших газов создают стоячие волны для поддержания режима вибрационного горения в двигателе внутреннего сгорания путем организации движения отработавших газов в устройстве в виде двух взаимодействующих потоков.

Взаимодействующие потоки представляют собой закрученный (периферийный) и центральный, приводящие к созданию стоячих волн, согласующихся с вибрационным режимом горения топливной смеси в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания в период рабочего хода поршня двигателя внутреннего сгорания.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, включающее корпус с входным и выходным отверстиями, направляющий аппарат закручивания потока отработавших газов, генерирующую камеру и диффузор.

Корпус выполнен в виде гладкой цилиндрической трубы, в которой расположен направляющий аппарат закручивания потока отработавших газов.

Направляющий аппарат выполнен в виде плоских отклоняющих пластин, установленных неподвижно на внутренней поверхности цилиндрической трубы, под углом к центральной оси с переменными, возрастающими по ходу потока отработавших газов поверхностями, с образованием приосевой области, свободной от отклоняющих пластин, соосно связывающей направляющий аппарат с генерирующей камерой.

Генерирующая камера связана соосно с диффузором, который имеет форму пустотелого усеченного конуса, установленного меньшим основанием усеченного конуса во внутренний объем генерирующей камеры и соединенного герметично с генерирующей камерой большим основанием усеченного конуса, замыкая ее.

Предпочтительно отклоняющие пластины в направляющем аппарате закручивания потока отработавших газов представляют собой полусегменты в проекции на диаметральную плоскость, оставляя свободной приосевую область.

Предпочтительно эффективный диаметр свободной приосевой области направляющего аппарата закручивания потока отработавших газов в два раза меньше диаметра меньшего основания усеченного конуса, установленного во внутренний объем генерирующей камеры.

Предпочтительно направляющий аппарат закручивания потока отработавших газов, генерирующая камера и диффузор установлены симметрично относительно центральной оси.

Техническими результатами заявляемого решения являются повышение эффективности сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания и уменьшение количества выброса вредных веществ в атмосферу.

Ниже приведен один из возможных вариантов устройства для реализации заявляемого способа и показано образование стоячих волн при работе устройства.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1. представлен общий вид заявленного устройства. На фиг. 2 показано устройство в разрезе по А-А.

Устройство включает (фиг. 1, 2) корпус 1, выполненный в виде гладкой цилиндрической трубы с входным 2 и выходным 3 отверстиями. Устройство содержит направляющий аппарат 4 закручивания потока отработавших газов. Направляющий аппарат 4 выполнен в виде плоских отклоняющих пластин 5, установленных неподвижно на внутренней поверхности трубы под углом к центральной оси 6. В направляющем аппарате 4 имеется свободная приосевая область вокруг центральной оси 6, соосно связывающей аппарат 4 с генерирующей камерой 7. Генерирующая камера 7 связана с диффузором 8. Диффузор 8 имеет форму пустотелого усеченного конуса, установленного меньшим основанием усеченного конуса во внутренний объем генерирующей камеры 7 и соединенного герметично с генерирующей камерой 7 большим основанием усеченного конуса.

Направляющий аппарат 4 делит поток отработавших газов на два потока, центральный приосевой поток 9 и закрученный (периферийный) 10. Закрученный поток 10 инжектирует (всасывает в себя) центральный поток 9 из свободной приосевой области.

Устройство работает следующим образом.

Выталкиваемый поршнями двигателя внутреннего сгорания турбулентный сплошной неразрывный поток отработавших газов становится организованным, проходя отклоняющие пластины 5 с переменной, возрастающей по ходу потока, поверхностью и приосевую свободную область. Следуя по поверхности отклоняющих пластин 5, часть потока закручивается, прижимаясь к внутренней поверхности цилиндрической трубы корпуса 1. Поступая в генерирующую камеру 7, струи газа с отклоняющих пластин 5 уплотняются, встречаясь с наружной поверхностью диффузора 8, и приобретают сток в направлении центральной оси устройства 6 (радиальный сток), через меньшее основание пустотелого усеченного конуса диффузора 8 поступают в расширяющуюся часть его и далее, по системе выпуска отработавших газов через выходное отверстие 3 выбрасываются в атмосферу.

Одновременно часть центрального потока 9 в приосевой области, не встречая препятствий, проходит через генерирующую камеру 7 и через меньшее основание пустотелого усеченного конуса диффузора 8 проходит далее в систему выпуска отработавших газов.

Однако возрастающая окружная скорость закрученного периферийного потока 10 в генерирующей камере 7 вызывает разрежение в приосевой области и тем самым ускорение потока в приосевой области устройства, при этом возникает волна разрежения. Известен эффект инжектирования (всасывания) закрученным потоком. Возрастающая скорость закрученного периферийного потока 10 с всасываемой в себя частью центрального приосевого потока 9 увеличивает свою массу и вследствие закона сохранения момента импульса снижает скорость - тормозится.

Набегающий по свободной приосевой области прямой центральный поток 9 тормозится, при этом возникает волна сжатия. Освободившись от излишней массы, закрученный периферийный поток 10 разгоняется, разрежение в приосевой области возрастает, возникает волна разрежения. Таким образом, появляется стоячая волна, способствующая вибрационному режиму горения в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, а не в устройствах системы выпуска отработавших газов.

Частота генерируемых импульсов зависит от плотности и температуры проходящего отработавшего газа, конфигурации генерирующей камеры 7 и выходного диффузора 8.

Мощность (амплитуда колебаний) стоячей волны зависит от скорости потока отработавших газов и его массы.

Выталкиваемая поршнями двигателя внутреннего сгорания сплошная неразрывная масса отработавших газов, проходя через отклоняющие пластины 5 в генерирующей камере 7, образует два взаимодействующих потока, которые в виде стоячих волн - вибраций газового потока вдоль оси системы выпуска отработавших газов распространяются во все стороны.

Стоячие волны проникают в цилиндры двигателя внутреннего сгорания через открытые выпускные клапаны (на фиг. 1 не показаны). За счет колебаний неразрывной сплошной среды в цилиндре происходит "сдув" топлива, сконденсировавшегося на охлажденных стенках гильзы цилиндра, перемешивание горючей смеси и догорание в цилиндре, а не в системе выпуска отработавших газов и его устройствах.

В момент перекрытия клапанов (когда выпускной и впускной клапаны открыты одновременно) происходит "подготовка" топливной смеси в бензиновых двигателях внутреннего сгорания и воздуха в дизелях за счет колебаний сплошной неразрывной газовой среды в режиме вибрационного горения.

В двигателе внутреннего сгорания топливная смесь горит пульсирующим способом (происходит вибрационное горение), следствием которого является увеличение скорости сгорания и, следовательно, мощности процесса.

Создание стоячей волны в системе выпуска отработавших газов дает возможность поддерживать режим вибрационного горения в двигателях внутреннего сгорания, что повышает эффективность сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания и уменьшает количество выбрасываемых вредных веществ в атмосферу.

Лучший вариант осуществления изобретения

Лучший вариант осуществления изобретения показан на фиг. 1 и 2.

Отклоняющие пластины 5 в направляющем аппарате 4 закручивания потока отработавших газов представляют собой полусегменты в проекции на диаметральную плоскость, оставляя свободной приосевую область, что способствует лучшему закручиванию потока отработавших газов.

Эффективный диаметр свободной приосевой области направляющего аппарата 4 закручивания потока отработавших газов в два раза меньше диаметра меньшего основания усеченного конуса, установленного во внутренний объем генерирующей камеры 7.

Направляющий аппарат 4 закручивания потока отработавших газов, генерирующая камера 7 и диффузор 8 установлены симметрично относительно центральной оси 6.

Такое выполнение устройства позволяет уменьшить металлоемкость, упростить его конструкцию, не ухудшая технических характеристик устройства. При таком выполнении устройства происходит полное сгорание топлива в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания и сводятся к минимуму вредные выбросы в атмосферу.

Промышленная применимость

Предлагаемое устройство может быть использовано в системе выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания движущегося транспортного средства и стационарного механического привода.

Предлагаемое устройство может быть использовано в технологических системах с жидкостными и многофазными потоками.