Система выхлопа поршневого двигателя
Относится к области систем выхлопа поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Система выхлопа содержит канал в головке цилиндра, выпускное окно, коллектор выпускной с конфузорным участком и трубу выхлопную. Конфузорный участок является частью системы выхлопа двигателя и выполняется в выпускном коллекторе от выпускного окна в головке цилиндра двигателя. Предлагаемая система выхлопа отличается от традиционных тем, что часть коллектора выпускного предпочтительно не менее 40% общей его протяженности выполнена в виде конфузора со степенью сужения по ходу потока не менее 1,5 с эквивалентным гидравлическим диаметром на входе в конфузор, равным эквивалентному гидравлическому диаметру выпускного окна в головке цилиндра, при этом продольная ось симметрии конфузора совпадает с осью коллектора выпускного.
Технический результат, достигаемый применением предлагаемой системы выхлопа поршневого двигателя, заключается в снижении аэродинамического шума и повышении надежности основных элементов выхлопной системы.
Снижение аэродинамического шума в системе выхлопа поршневого двигателя достигается за счет гашения пульсаций скорости и давления потока газа, вследствие поджатия газового потока в конфузорном участке.
Повышение надежности основных элементов системы выхлопа поршневого двигателя достигается за счет стабилизации течения пульсирующего потока (сглаживания пульсаций скорости и давления потока), вследствие чего уменьшаются термические напряжения на основных элементах выхлопной системы, как за счет уменьшения интенсивности теплообмена, так и снижения количества термических циклов на основных элементах.
1 пункт формулы, 3 фиг.
Полезная модель относится к области систем выхлопа поршневых двигателей внутреннего сгорания.
От совершенства процессов, протекающих в выхлопной системе поршневых двигателей внутреннего сгорания, во многом зависит эффективность и надежность их работы. Такт выпуска в поршневых ДВС является пульсирующим, нестационарным процессом, характеризуемым высоким уровнем шума и существенными циклическими термическими напряжениями в выхлопной системе, что приводит к снижению ее надежности и срока службы. Снизить шум процесса выпуска, повысить надежность и увеличить моторесурс элементов системы выхлопа двигателя можно за счет специальных мер, которые стабилизируют течение газов в выхлопной системе.
В общем случае, система выхлопа поршневого двигателя внутреннего сгорания состоит из головки цилиндра с каналом и выпускным окном, коллектора выпускного круглого поперечного сечения и трубы выхлопной.
Известна выхлопная система автомобильного двигателя КАМАЗ 740.11-240, показанная в кн.: Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту двигателей КАМАЗ. Набережные Челны, ОАО «КАМАЗ», 2002. - 247 с. (см. раздел «система газотурбинного наддува» на стр.25-28, и рис. Схема системы газотурбинного наддува на стр. 26). Выхлопная система состоит из головки цилиндра с каналом и выпускным окном, выпускного коллектора круглого поперечного сечения и выпускных патрубков. На такте выпуска отработавшие газы в систему выхлопа поступают из цилиндра двигателя в канал в головке цилиндра, откуда через выпускное окно проходят в выпускной коллектор круглого поперечного сечения, далее подаются в выхлопные трубы и сбрасываются в атмосферу или попадают в турбину турбокомпрессора. Данная система выхлопа имеет следующий недостаток, обусловленный газодинамикой течений потока газа в трубах круглого поперечного сечения: в таких течениях возникают существенные пульсации скорости и давления потока газа, что вызывает аэродинамический шум (кн. Луканин В.Н. Шум автотракторных двигателей внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1971. - 271 с., см. раздел «Слагаемые шума выпуска» на стр. 171-174), а также приводит к интенсификации локального теплообмена в следствие нестационароности и большого количества термических циклов (кн. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях: учебное пособие для ВУЗов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. - 592 с., см. раздел «Эволюция учения о теплообмене в ДВС» на стр.106-119), вследствие чего возникает повышенная термическая напряженность в основных элементах системы выхлопа: коллектор выпускной, головка цилиндра и клапан выпускной, которая приводит к термической усталости данных деталей, и соответственно, снижает их надежность и срок службы (кн. Дульнев Р.А., Котов П.И. Термическая усталость металлов. - М.: Машиностроение, 1980. - 200 с., см. раздел «Термонапряженное состояние элементов конструкций при нестационарном тепловом и силовом воздействии» на стр. 7-14).
Прототипом предлагаемой системы выхлопа является система автомобильного дизельного двигателя ЯМЗ-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 и выпускным окном, коллектор выпускной с круглым поперечным сечением и трубы выхлопные. Отработавшие газы в систему выхлопа поступают из цилиндра двигателя в канал в головке цилиндра, откуда через выпускное окно проходят в выпускной коллектор круглого поперечного сечения, далее подаются в выхлопные трубы и попадают в турбокомпрессор. Данная система выхлопа имеет тот же недостаток, что и система, описанная выше, а именно поток газа в выхлопной системе поршневого двигателя имеет очень высокую степень нестабильности, в нем возникают существенные пульсации, как скорости, так и давления потока газа. Поэтому необходимо стабилизировать пульсирующий газовый поток в системе выхлопа двигателя, что позволит снизить аэродинамический шум, а также уменьшить термические напряжения на деталях выхлопной системы и тем самым повысить их надежность.
Технический результат, достигаемый применением предлагаемой системы выхлопа поршневого двигателя, заключается в снижении аэродинамического шума и повышении надежности основных элементов выхлопной системы. Это достигается тем, что часть коллектора выпускного предпочтительно не менее 40 % общей его протяженности выполнена в виде конфузора со степенью сужения по ходу потока не менее 1,5 с эквивалентным гидравлическим диаметром на входе в конфузор, равным эквивалентному гидравлическому диаметру выпускного окна в головке цилиндра, при этом продольная ось симметрии конфузора совпадает с осью коллектора выпускного.
Выполнение системы выхлопа с выпускным коллектором, часть которого выполнена в виде конфузора со степенью сужения по ходу потока не менее 1,5 и с длиной конфузорного участка не менее 40 % от общей длины коллектора позволяет изменить режим и структуру пульсирующего газового потока и стабилизировать поток за счет поджатия потока в конфузоре, что препятствует возникновению вихреобразования и срыву потока (кн. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. - Теоретическая физика (Том 6. Гидродинамика). - М.: Наука, 1986. - 736 с, см. раздел «Точные решения уравнений движения вязкой жидкости» (Течения в диффузоре и конфузоре) на стр.111-121), а это способствует снижению аэродинамического шума и повышению надежности основных элементов системы выхлопа за счет уменьшения интенсивности теплообмена и уменьшения термических циклов.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемой системы выхлопа поршневого двигателя, содержащая канал в головке цилиндра 1, выпускное окно 2, конфузорный участок коллектора выпускного 3, участок перехода от конфузора к цилиндру 4, цилиндрический участок коллектора выпускного 5, трубу выхлопную 6. На фиг. 2 изображены графики зависимости скорости - w и давления - p потока воздуха в системе выхлопа поршневого двигателя с коллектором выпускным с круглым поперечным сечением от угла поворота коленчатого вала двигателя - 
. Кривые на графике: 1 - скорость потока воздуха w; 2 - статическое давление потока р. На фиг. 3 изображены графики зависимости скорости - w и давления - р потока воздуха в системе выхлопа поршневого двигателя с коллектором выпускным с конфузорным участком от угла поворота коленчатого вала двигателя - . Кривые на графике: 1 - скорость потока воздуха w; 2 - статическое давление потока р. Из рисунков видно, что пульсации скорости и давления в системе выхлопа с коллектором выпускным с конфузорным участком существенно ниже, чем в системе выхлопа без него, это должно привести к снижению аэродинамического шума и уменьшению термических напряжений на основных элементах выхлопной системы, и как следствие повысить их надежность. При этом следует отметить, что массовый расход газа через системы выхлопа при обоих конфигурациях практически не изменяется, что говорит о том, что очистка цилиндров от отработавших газов останется неизменной.
Предлагаемая система выхлопа содержит канал в головке цилиндра 1, выпускное окно 2, конфузорный участок коллектора выпускного 3, участок перехода от конфузора к цилиндру 4, цилиндрический участок коллектора выпускного 5, трубу выхлопную 6. Конфузорный участок является частью системы выхлопа двигателя и выполняется в выпускном коллекторе от выпускного окна в головке цилиндра двигателя.
Устройство работает следующим образом. Отработавшие газы в систему выхлопа поступают из цилиндра двигателя в канал в головке цилиндра, откуда через выпускное окно проходят в выпускной коллектор. Часть выпускного коллектора имеет конфузорный участок 3 (см. фиг.1) со степенью сужения по ходу потока не менее 1,5 и с длиной участка предпочтительно не менее 40% от общей длины коллектора выпускного. Выполнение части выпускного коллектора в виде конфузора позволяет изменить режим и структуру пульсирующего газового потока и стабилизировать его (значительно уменьшить пульсации скорости и давления потока) за счет поджатия потока в конфузоре, что способствует снижению аэродинамического шума (кн. Луканин В.Н. Шум автотракторных двигателей внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1971. - 271 с., см. раздел «Способы снижения шума выпуска» на стр.176-179) и уменьшению термических напряжений на основных элементах впускной системы за счет снижения интенсивности теплообмена и уменьшения количества термических циклов на рассматриваемых элементах (кн. Дульнев Р.А., Котов П.И. Термическая усталость металлов. - М.: Машиностроение, 1980. - 200 с., см. раздел «Термонапряженное состояние элементов конструкций при нестационарном тепловом и силовом воздействии» на стр.7-14). Степень сужения конфузора в выпускном коллекторе должна быть не менее 1,5, что необходимо для предотвращения вихреобразования и срыва потока, а это будет способствовать эффективному гашению пульсаций скорости и давления потока газа. Длина конфузорного участка должна составлять не менее 40% от общей длины коллектора выпускного, что необходимо для сохранения прежней степени очистки цилиндров от отработавших газов. При этом ось конфузорного участка совпадает с осью коллектора выпускного. В противном случае будет нарушена газодинамика течения потока в конфузоре, что может вызвать образование обратных токов и турбулентных вихревых структур в канале, и соответственно приведет к снижению эффективности гашения пульсаций скорости и давления потока, и как следствие к увеличению аэродинамического шума и термических напряжений на основных элементах системы выхлопа. Наконец стабилизированный поток через выхлопную трубу попадает в турбокомпрессор или сбрасывается в атмосферу.
Возможность осуществления предлагаемой полезной модели и достижения положительных эффектов в виде снижения аэродинамического шума и повышения надежности основных элементов системы выхлопа основывается на следующем.
Снижение аэродинамического шума в системе выхлопа поршневого двигателя достигается за счет гашения пульсаций скорости и давления потока газа, вследствие поджатия газового потока в конфузорном участке.
Повышение надежности основных элементов системы выхлопа поршневого двигателя достигается за счет стабилизации течения пульсирующего потока (сглаживания пульсаций скорости и давления потока), вследствие чего уменьшаются термические напряжения на основных элементах выхлопной системы как за счет снижения интенсивности теплообмена, так и уменьшения количества термических циклов на основных элементах.
Достижение стабилизации пульсирующего потока 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 с точностью ±0,1%. Механизм газораспределения экспериментальной установки заимствован от двигателя автомобиля ВАЗ 11113. Мгновенные значения средней по сечению скорости потока газа измерялись при помощи термоанемометра постоянной температуры. Для измерения мгновенных значений давления в потоке (статического) в коллекторе выпускном использовался датчик давления S-10 фирмы WIKA. Результаты экспериментов представлены на фиг.2 и фиг.3 в виде графиков, демонстрирующих изменение по углу поворота коленчатого вала скорости и давления потока в системе выхлопа поршневого двигателя с конфузорным участком в выпускном коллекторе и без него. Кривые на фиг. 2 и фиг. 3:1 - скорость потока воздуха w; 2 - статическое давление потока p для системы выхлопа поршневого двигателя с коллектором выпускным с круглым поперечным сечением и с коллектором выпускным с конфузорным участком, соответственно. Из графиков видно, что пульсации скорости и давления в системе выхлопа с коллектором выпускным с конфузорным участком существенно ниже, чем в системе выхлопа без него, а это должно привести к снижению аэродинамического шума и повышению надежности основных элементов выхлопной системы за счет снижения термических напряжений на них.
Таким образом, приведенные экспериментальные данные свидетельствуют о стабилизации потока газа (значительном уменьшении интенсивности пульсации скорости и давления потока) в системе выхлопа поршневого двигателя за счет поджатия потока газа в конфузорном участке, что способствует снижению аэродинамического шума и повышению надежности основных элементов выхлопной системы за счет снижения термических напряжений на них вследствие уменьшения интенсивности теплообмена и снижения количества термических циклов на основных элементах системы выхлопа.
Изложенное доказывает возможность достижения указанного технического результата при использовании предлагаемой системы выхлопа поршневого двигателя.
Система выхлопа поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащая головку цилиндра с каналом и выпускным окном, коллектор выпускной и трубу выхлопную, отличающаяся тем, что часть коллектора выпускного предпочтительно не менее 40% общей его протяженности выполнена в виде конфузора со степенью сужения по ходу потока не менее 1,5 с эквивалентным гидравлическим диаметром на входе в конфузор, равным эквивалентному гидравлическому диаметру выпускного окна в головке цилиндра, при этом продольная ось симметрии конфузора совпадает с осью коллектора выпускного.
