Система выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к устройствам и приспособлениям силовых установок, связанным с выпуском отработавших газов, и может быть использовано в автомобилестроении. Система выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания содержит приемные трубы с фланцами и прокладками, компенсаторы, глушитель в корпусе с приемными и выходными патрубками, выпускную трубу и элементы крепления. Новым является то, что на внутренней поверхности приемных и выпускных труб выполнены углубления в виде лунок, а на внешней их поверхности - возвышения в виде четырехгранных пирамид, при этом лунки выполнены преимущественно в форме сферического сегмента, противоположные грани пирамид равны, а вершины пирамид расположены равномерно по окружности, причем вершины двух соседних лунок и пирамид размещены на одной прямой, проходящей через точку пересечения поперечных осей симметрии труб и лежащей в плоскости, перпендикулярной продольной оси их симметрии. К верхней части приемных и выпускной труб прикреплен рефлектор-отражатель в форме параболического цилиндра, выполненный в виде отдельных секций из теплоотражающего материала, причем продольные оси симметрии труб и секций равноудалены по всей длине на величину фокусного расстояния параболы и расположены в одной плоскости. Техническим результатом является повышение эффективности системы выпуска отработавших газов и ее долговечности, уменьшение металлоемкости, увеличение жесткости. Важным является снижение заметности техники в инфракрасном диапазоне длин волн. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройствам и приспособлениям силовых установок, связанным с выпуском отработавших газов, и может быть использовано в автомобилестроении.

Известны системы выпуска отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС), предназначенные для выброса в атмосферу отработавших газов, снижения уровня акустического шума выпуска, а также частичного отвода тепла от двигателя. Такие системы выпуска отработавших газов, как правило, имеют в своем составе приемные трубы с фланцами и прокладками (для крепления к выпускным коллекторам двигателя), компенсирующие элементы (компенсаторы, гибкие металлические рукава и др.), элементы крепления (хомуты и кронштейны), глушитель с входным и выходным патрубками и выпускную трубу [1, 2].

Указанные системы обладают рядом недостатков.

Температура газовоздушной смеси в конце такта выпуска двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, как известно, составляет 900...1000 К, дизелей - 600...900 К, давление - 0,11...0,12 МПа [3]. Анализ теплового баланса двигателя показывает, что потери теплоты с отработавшими газами от общего количества теплоты, введененной в двигатель с топливом, составляют от 25. . . 45% для дизелей, до 30...50% для карбюраторных ДВС [4]. Это обуславливает высокую температуру выбрасываемых в атмосферу под давлением отработавших газов, проходящих через систему выпуска и значительный температурный нагрев элементов системы, в частности, приемных и выпускной труб, глушителя.

Предварительные расчеты, выполненные авторами для дизеля марки КамАЗ-740.10 номинальной мощностью N_e = 210 л.с. (154,5 кВт) с удельным расходом топлива g_т = 175 г/(л.с.·ч), а также анализ источников информации, свидетельствуют, что на входе в систему выпуска газов температура отработавших газов находится в пределах 450...600^oC, а на выходе из выпускной трубы - в пределах до 100...125^oC [5].

Высокие тепловые нагрузки, приходящиеся на элементы системы выпуска газов, выполняемые как правило из обычных низкоуглеродистых марок сталей, неравномерность их распределения, а также наличие в отработавших газах паров воды, способствующих коррозии, выброс с отработавшими газами твердых дисперсных частиц, углеводородов и углерода (сажи), образование в процессе эксплуатации нагара, различного рода вмятин на внешней поверхности и ржавчины в основном определяют ограниченный ресурс службы указанных элементов и необходимость последующей из замены на новые.

Для обеспечения необходимых ресурса службы и одновременно жесткости в поперечном сечении труб системы выпуска приходится увеличивать их толщину.

Однако, при этом, в ходе эксплуатации техники ухудшается интенсивность теплопередачи в слое металла, из которого выполнены элементы системы выпуска.

Это приводит к повышению тепловой инерционности элементов системы, выступающих в качестве вторичного источника теплового излучения, и повышает вероятность обнаружения техники в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн за определенный временной интервал после прекращения работы двигателя. Последнее положение является весьма важным с точки зрения обеспечения требуемого уровня заметности в различных диапазонах длин волн при функционировании в боевых условиях военной техники, например военной автомобильной техники.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является система выпуска газов и эжекции автомобиля-тягача многоцелевого применения Урал-4320 [6] , которая содержит приемные трубы, компенсаторы, глушитель, выпускную трубу.

Однако указанная система выпуска обладает теми же недостатками, что и описанные выше аналоги.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение эффективности применения системы выпуска отработавших газов за счет увеличения срока службы (ресурса) элементов системы, повышения эффективности теплопередачи с нагретых поверхностей элементов выпускного тракта, уменьшения толщины используемого при этом металла при условии обеспечения необходимой жесткости и снижения инерционности системы выпуска как источника вторичного теплового излучения, и тем самым, как следствие, на снижение заметности техники в ИК-диапазоне длин волн.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предлагаемом устройстве на внутренней поверхности приемных и выпускной труб выполнены углубления в виде лунок, а на внешней их поверхности - возвышения в виде четырехгранных пирамид.

Углубления и возвышения выполнены практически по всей длине труб за исключением мест сопряжения их с глушителем, компенсатором и элементами крепления.

При этом лунки выполнены, предпочтительно, в форме сферического сегмента, противоположные грани пирамид равны, а вершины пирамид расположены равномерно по окружности. Причем вершины двух соседних друг с другом лунок и пирамид размещены на одной прямой, проходящей через точку пересечения поперечных осей симметрии труб и лежащей в плоскости, перпендикулярной продольной оси их симметрии.

При необходимости, лунки и возвышения также могут быть выполнены на внутренней и внешней поверхности глушителя.

На фиг. 1 представлен общий вид системы выпуска отработавших газов (секции рефлектора-отражателя показаны схематично). На фиг. 2 показан фрагмент приемной (выпускной) трубы с выполненными углублениями и возвышениями на внутренней и внешней ее поверхности. На фиг. 3 показан фрагмент трубы с смонтированной на ней секцией рефлектора-отражателя.

Устройство (фиг. 1) содержит приемные трубы 1 с фланцами 2, прокладками 3, хомутами 4 и кронштейнами 5, компенсаторы 6, глушитель 7 в цилиндрическом корпусе с приемными и выходным патрубками, выпускную трубу 8 с хомутами 9 и элементами крепления к раме.

Передние концы приемных труб 1 крепятся посредством фланцев 2 с прокладками 3 к выпускным коллекторам двигателя, а задние концы, с помощью кронштейнов 5, - к раме или агрегатам трансмиссии автомобиля. Приемные трубы 1 соединены друг с другом хомутами 4, предотвращающими вибрацию труб. Монтажные и эксплуатационные смещения приемных труб 1 относительно глушителя 7 воспринимаются компенсаторами 6. Глушитель 7 жестко крепится к раме автомобиля хомутами (не показаны). Выпускная труба 8 соединена с глушителем 7 хомутом 9.

На внутренней поверхности труб 1 и 8 (фиг. 2) выполнены локальные углубления 10 (выемки) в виде лунок. Углубления 10 расположены по всей длине труб равномерно (за исключением мест сопряжения с глушителем 7 или компенсаторами 6). Лунки могут быть выполнены конической, шатровой, эллипсоидальной формы или другой формы, но предпочтительнее - в форме сферического сегмента. Выбор последней обоснован большей площадью поверхности, через которую может быть осуществлена передача теплового потока от нагретых выхлопных газов к металлу при возникновении зон завихрения (вторичных областей течения газов в виде своеобразных зон завихрения (вторичных областей течения газов в виде своеобразных кольцевых завихрений) в процессе их движения вдоль труб, а также другими, в том числе, технологическими требованиями.

Для получения большего эффекта теплопередачи углубления 10 целесообразно размещать равномерно, по возможности по всей длине и диаметру труб, например в шахматном порядке. Диаметр и глубина лунок определяются экспериментально с учетом требований к жесткости и долговечности элементов 1 и 8 системы выпуска, а также толщины использованного материала (металла).

Для повышения эффективности переноса тепла между внутренней и внешней поверхностями труб (в металле), обеспечения большей теплоотдачи от внешней наружной поверхности элементов 1 и 8, а также требуемой их жесткости с учетом возможности снижения толщины использованного металла, а значит и уменьшения тепловой инерционности системы выпуска отработавших газов на внешней поверхности труб 1 и 8 выполнены возвышения 11 в виде четырехгранных пирамид. При этом, противоположные грани пирамид равны, а вершины каждой из пирамид расположены равномерно по окружности. Причем, для снижения тепловой напряженности в местах выполнения лунок вершины двух соседних друг с другом лунок и пирамид расположены на одной прямой, проходящей через точку пересечения поперечных осей симметрии труб 1 и 8 и лежащей в плоскости, перпендикулярной продольной оси их симметрии.

Для снижения нагрева других элементов трансмиссии автомобиля при прохождении потока нагретых отработавших газов через систему выпуска и повышения температуры окружающего фона (грунта) к верхней части приемных и выпускной труб (фиг. 3) посредством V-образных кронштейнов 12 и хомутов прикреплен протяженный симметричный рефлектор-отражатель 13 в форме параболического цилиндра, выполненный в виде отдельных секций 14 из теплоотражающего материала, причем продольные оси симметрии труб и секций равноудалены по всей их длине на величину фокусного расстояния параболы и расположены в одной плоскости.

Указанная форма конструкции рефлектора-отражателя 13 позволяет снизить тепловой контраст между нагретыми частями автомобиля и фоном (грунтовой поверхностью), что позволяет, в свою очередь, дополнительно снизить заметность техники в ИК-диапазоне длин волн.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

В процессе работы двигателя горячая газовоздушная смесь под давлением поступает через воздушные коллекторы силовой установки во внутренние полости приемных труб 1 системы выпуска и далее, в виде потока газов, смесь через компенсаторы 6 и входные патрубки поступает в глушитель 7, где происходит акустическая фильтрация звука и снижение его уровня, поглощение части кинетической энергии газов с преобразованием ее в тепловую. Затем газы через выходной патрубок глушитель 7 и выпускную трубу 8 выбрасываются в атмосферу.

При прохождении потока нагретых отработавших газов через элементы системы выпуска, в частности приемные и выпускную трубу, в результате конвективной теплоотдачи от газов к стенкам труб происходит постепенный нагрев последних. Далее происходит перенос теплоты за счет теплопроводности металла, из которого изготовлены стенки труб, с внутренней их поверхности на внешнюю (наружную). А затем вновь осуществляется конвективная теплоотдача с внешней поверхности металла в атмосферу (окружающую среду).

Поток отработавших газов, проходящий через трубы 1 и 8, характеризуется различной скоростью истечения отдельных его слоев, на которые условно можно разбить поток. В соответствии с законами термо- и гидродинамики наибольшую скорость истечения будут иметь газы, находящиеся в слое, расположенном вдоль оси симметрии труб, а наименьшую - в слое, граничащем с внутренней поверхностью (стенками) труб. Вследствие градиента температур быстродвижущегося слоя и стенки возникает термическое сопротивление, препятствующее быстрой конвективной передаче тепла от газа к стенкам.

В результате того, что на внутренней поверхности труб выполнены лунки в виде сегмента сферической формы, при прохождении потока газа в каждом из них возникают вторичные течения в виде вихорьков газа, которые при вращении крутятся и отсасывают пограничный слой течения. Это - своеобразные точечные области гидродинамического смерча, "снимающего" тепло с пограничного слоя. Вследствие этого, как показывает опыт исследований, повышается не только теплоотдача от газов к стенке, но и ресурс службы (работы) деталей, работающих в высокотемпературном режиме [7].

Количество теплоты, передаваемой от газа к стенкам за счет конвекции, может быть определено как [6] где α_г - коэффициент теплоотдачи от газов к стенке, ккал/м² · град · ч: F - площадь тепловоспринимающей поверхности, м²; T_р - текущая температура газа, К; T'_ст - температура поверхности стенки, соприкасающейся с горячим газом. К; dτ - время, ч.

Из формулы видно, что в установившемся режиме работы двигателя и, следовательно, при постоянном объеме отводимых газов и теплоты, при возрастании коэффициента теплоотдачи α_г (за счет использования лунок) и незначительном возрастании при этом площади F при неизменной температуре газов T_г величина T'_ст будет несколько снижаться, т.е. в этом случае снижается теплонапряженность детали и возрастает ресурс ее работы (службы).

Количество теплоты, переносимое за счет теплопроводности слоев, составляющих стенку приемной (выпускной) трубы, может быть определено в соответствии с законом Фурье [6] как где n - число слоев; λ_i - - коэффициент теплопроводности i-го слоя стенки, ккал/м·град·ч;
δ_i - - толщина i-го слоя стенки, м:
F - площадь стенки, м²;
T'_ст, T''_ст - температура внутренней и наружной поверхности стенки, К;
Из данной формулы следует, что при снижении толщины металла и возрастания площади стенки F величина температуры наружной поверхности также снизится.

Достичь этого технически можно за счет придания требуемой жесткости стенки при уменьшении ее толщины. Для этого на наружных поверхностях труб выполняют соответствующие возвышения в виде четырехгранных пирамид, формирующих своеобразные "ребра" жесткости, путем того, что вершины пирамид располагаются равномерно по окружности, а вершины двух соседних друг с другом лунок и пирамид размещаются соосно в плоскости, проходящей через продольную ось симметрии трубы перпендикулярно ей. При этом площадь граней пирамид несколько превышает площадь аналогичной цилиндрической поверхности.

Теплоотдача от стенок в окружающую среду будет обусловлена возникновением температурного перепада между наружной поверхностью стенки и воздухом.

Расчет данной теплоотдачи производится по формуле, аналогичной формуле (1)

где α_ж - коэффициент теплоотдачи от стенки в охлаждающую среду, ккал/м²·град·ч;
T_охл - температура охлаждающей среды, К.

Таким образом, видно, что передача теплоты от отработавших газов в атмосферу является случаем сложного теплообмена, включающего в себя конвективную теплоотдачу газов к стенке, перенос этой теплоты за счет теплопроводности самой стенки и, наконец, конвективную теплоотдачу от стенки в охлаждающую среду.

Предложенная конструкция устройства позволяет за счет повышения теплоотдачи от газов к стенке увеличить ресурс службы деталей, снизить температуру внешних поверхностей стенки, а следовательно, снизить заметность, тепловой контраст относительно фона и вероятность обнаружения P_обн автомобильной техники в ИК-диапазоне длин волн за определенное время t.

При использовании в конструкции устройства протяженного симметричного рефлектора-отражателя 13 в форме параболического цилиндра тепловая энергия от нагретой внешней поверхности верхней части труб 1 и 8 будет рассеиваться в направлении, перпендикулярном поверхности грунта и препятствовать тепловому нагреву других деталей и узлов машины, например, трансмиссии. При этом снижается тепловой контраст между элементами системы выпуска газов и фоном (поверхностью грунта), что дополнительно ведет к снижению вероятности обнаружения техники в ИК-диапазоне длин волн.

Предлагаемое устройство может быть реализовано в автомобилестроении и других отраслях промышленности,

Формула изобретения

1. Система выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащая приемные трубы с фланцами и прокладками, компенсаторы, глушитель в корпусе с приемными и выходными патрубками, выпускную трубу и элементы крепления, отличающаяся тем, что на внутренней поверхности приемных и выпускной труб выполнены углубления в виде лунок, а на внешней их поверхности - возвышения в виде четырехгранных пирамид, при этом лунки выполнены преимущественно в форме сферического сегмента, противоположные грани пирамид равны, а вершины пирамид расположены равномерно по окружности, причем вершины двух соседних лунок и пирамид размещены на одной прямой, проходящей через точку пересечения поперечных осей симметрии труб и лежащей в плоскости, перпендикулярной продольной оси их симметрии.

2. Система выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающаяся тем, что к верхней части приемных и выпускной труб посредством V-образных кронштейнов и хомутов прикреплен протяженный симметричный рефлектор-отражатель в форме параболического цилиндра, выполненный в виде отдельных секций из теплоотражающего материала, причем продольные оси симметрии труб и секций равноудалены по всей длине на величину фокусного расстояния параболы и расположены в одной плоскости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3