способ снижения токсичности потока отработавших газов и выпускная система двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Способ снижения токсичности потока отработавших газов в выпускной системе двигателя внутреннего сгорания путем снижения скорости потока в зоне выхода из выпускного коллектора, перемешивания потока и его дожигания в процессе перемешивания, отличающийся тем, что перед перемешиванием разделяют поток на несколько потоков, каждый из потоков завихряют вокруг его оси, при этом оси потоков располагают по направлениям, отличным одно от другого.

2. Выпускная система двигателя внутреннего сгорания, содержащая выпускную трубу с фланцем, связанную с выпускным коллектором двигателя, установленный в ней глушитель и узел снижения токсичности отработавших газов, отличающаяся тем, что узел снижения токсичности выполнен в виде элемента со сквозными отверстиями, прокладки и двух камер, расположенных соответственно на выходе из коллектора и входе в выпускную трубу, при этом поверхность стенок сквозных отверстий выполнена фасонной.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что элемент выполнен в виде пластины, конфигурация которой повторяет конфигурацию торцевой поверхности коллектора со стороны, обращенной к выпускной трубе.

4. Система по пп.2 и 3, отличающаяся тем, что камеры на выходе из коллектора и на входе в выпускную трубу образованы соответствующими поверхностями выпускного коллектора двигателя, прокладок, пластины со сквозными отверстиями и фланца выпускной трубы.

5. Система по пп. 2 и 3, отличающаяся тем, что сквозные отверстия в пластине расположены группами, причем каждая группа имеет центральное цилиндрическое отверстие и сквозные отверстия, расположенные концентрично.

6. Система по п.5, отличающаяся тем, что сквозные отверстия в группе выполнены в два концентрично расположенных ряда, при этом количество отверстий в каждом ряду составляет не менее четырех.

7. Система по п.6, отличающаяся тем, что сквозные отверстия одного ряда выполнены длиной, превышающей длину отверстий другого ряда.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что поверхности стенок отверстий выполнены криволинейными.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а именно к технологии очистки отработавших газов и выпускным системам двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС), используемых, в частности, в автомобилестроении, Изобретение дает возможность повысить эффективность снижения токсичности отработавших газов и одновременно упростить конструкцию системы при сохранении степени очистки.

Известно устройство для дожигания отработавших газов, в котором подают воздух навстречу общему потоку отработавших газов, что способствует появлению пламени без предварительного зажигания, при этом одну часть потока разделяют на несколько отдельных потоков, а другую смешивают с зажженной жидкостью [1]

Недостатком способа, по которому работает данное устройство, является то, что все части общего потока не завихряют, что снижает скорость прохождения реакции и не способствует более полному ее протеканию.

Известно также устройство для снижения токсичности отработавших газов, в камеру смешения которого подают общий поток отработавших газов и воздух из атмосферы, которые затем перемешивают и завихряют посредством свернутой в спираль металлической ленты [2] Недостатком этого способа работы устройства является то, что завихрению подвергают общий поток отработавших газов, что не обеспечивает интенсивного перемешивания, т.е. распределения центров химических реакций по объему этого потока.

Техническое решение согласно источнику [2] выбрано в качестве прототипа заявленного способа снижения токсичности отработавших газов.

Известна выпускная система ДВС, содержащая выпускную трубу, связанную с коллектором ДВС, установленный в ней глушитель и узел снижения токсичности отработавших газов, представляющий собой эжектор, размещенный в выпускной трубе до глушителя и соединенный с озонатором, расположенным вне выпускной трубы [3] Описанная система ДВС имеет иную конструкцию и не может быть использована без применения специального озонатора, что усложняет ее конструкцию. Источник [3] выбран в качестве прототипа заявленной выпускной системы ДВС.

Целью изобретения является создание способа снижения токсичности отработавших газов и выпускной системы ДВС для его осуществления, дающих возможность повысить эффективность снижения токсичности отработавших газов и одновременно упростить конструкцию выпускной системы при сохранении степени очистки.

С помощью настоящих изобретений цель достигается следующим образом.

Способ снижения токсичности отработавших газов основывается на том, что общий поток отработавших газов перемешивают и дожигают в процессе перемешивания, и отличается тем, что в зоне выхода отработавших газов из коллектора ДВС уменьшают скорость общего потока отработавших газов, разделяют этот поток на n отдельных потоков перед операцией перемешивания и завихряют каждый из них вокруг его оси, при этом оси n отдельных потоков располагают по направлениям, отличным одно от другого, а количество n отдельных потоков выбирают не менее двух.

Настоящее изобретение благодаря высокой температуре (600-800^оС) отработавших газов в зоне выхода из коллектора ДВС и снижению скорости движения общего потока этих газов наряду с его разделением на n отдельных потоков и их завихрением способствует увеличению степени перемешивания внутри как отдельного, так и общего потоков отработавших газов. В итоге в турбулизованном потоке происходит интенсивное образование центров химических реакций и их распределение по общему потоку, увеличивающее скорость реакции и способствующее ее более полному протеканию (дожиганию), что повышает эффективность снижения токсичности отработавших газов. Эту же цель преследует и выбор количества отдельных потоков не менее двух.

Поставленную задачу решает заявленная выпускная система ДВС, которая предназначена для осуществления описанного выше способа. Она содержит выпускную трубу, связанную с коллектором ДВС, установленный в ней глушитель и узел снижения токсичности отработавших газов и отличается тем, что последний жестко установлен между коллектором ДВС и выпускной трубой и представляет собой элемент со сквозными отверстиями на поверхности, обращенной к ДВС, преимущественно пластину, прокладки и две камеры, расположенные на выходе из коллектора ДВС и на входе в выпускную трубу. Камеры могут быть образованы соответствующими поверхностями коллектора ДВС, прокладок, элемента и фланца выпускной трубы, при этом поверхность стенок n сквозных отверстий элемента выполнена фасонной, а количество их не менее двух. Элемент со сквозными отверстиями, в частности, может быть выполнен в виде пластины, сквозные отверстия которой расположены группами. Каждая группа имеет центральное цилиндрическое отверстие и n сквозных отверстий, расположенных концентрично ему. При этом конфигурация этой пластины повторяет конфигурацию торца поверхности коллектора ДВС, обращенной к выпускной трубе. В каждой группе отверстия размещены в два концентрично расположенных ряда, при этом отверстия одного ряда могут быть выполнены большей длины, чем отверстия другого ряда, и составлять не менее четырех отверстий в каждом ряду. Поверхности стенок этих отверстий выполнены фасонными и могут иметь криволинейную форму, что дает возможность создать отличные одно от другого направления проходящим сквозь них отдельным потоком.

Настоящее изобретение позволяет увеличить эффективность снижения токсичности газов, а также мощность ДВС за счет уменьшения объема потока отработавших газов на входе в выпускную трубу и снижения противодавления отработавших газов, выпускаемых в атмосферу, и одновременно упростить конструкцию выпускной системы ДВС при сохранении степени очистки.

Сущность способа состоит в том, что в зоне выхода отработавших газов из коллектора ДВС уменьшают скорость движения общего потока отработавших газов, разделяют этот поток на n отдельных потоков, завихряют каждый из этих потоков вокруг его оси, оси n отдельных потоков располагают по направлениям, отличным одно от другого, перемешивают и дожигают в процессе перемешивания, при этом количество отдельных потоков выбирают равным не менее двух, что позволяет интенсифицировать перемешивание (турбулизацию) газов внутри как отдельного потока, так и общего потока отработавших газов, характерного наличием свободного кислорода. Интенсифицированный турбулизованный поток позволит получить высокое содержание центров химических реакций в общем потоке и осуществить дожигание несгоревших частиц и компонентов. Реакция дожигания идет по формуле

2СО + О₂ 2СО₂.

В качестве примера осуществления предлагаемого способа приводится описываемая ниже заявленная выпускная система ДВС.

На фиг.1 схематически изображена выпускная система ДВС; на фиг.2 элемент со сквозными отверстиями, общий вид; на фиг.3 сечение А-А на фиг.2; на фиг.4 то же, вариант выполнения формы стенок сквозных отверстий элемента.

Выпускная система ДВС содержит выпускную трубу 1, связанную с коллектором 2 ДВС 3, глушитель 4, установленный в выпускной трубе 1, и узел 5 снижения токсичности отработавших газов. Последний жестко установлен между коллектором 2 ДВС 3 и выпускной трубой 1 и представляет собой элемент со сквозными отверстиями, например пластину 6, прокладки 7 и две камеры 8, расположенные соответственно на выходе из коллектора 2 ДВС 3 и входе в выпускную трубу 1. Камеры 8 в данном конкретном случае образованы соответствующими поверхностями коллектора 2 ДВС 3, прокладок 7 пластины 6 и фланца 9 выпускной трубы 1.

Как один из вариантов, камеры 8 могут быть образованы за счет выступов, выполненных на элементе 6 и фланце 9 выпускной трубы 1, и соответствующей поверхности коллектора 2 ДВС 3 (не показано).

Пластина 6 снабжена сквозными отверстиями 10 на поверхности, обращенной к коллектору 2 ДВС 3, и расположена между прокладками 7. В заявленной выпускной системе ДВС сквозные отверстия 10 размещены в пластине 6 группами, при этом каждая группа имеет центральное цилиндрическое отверстие 11, n сквозных отверстий 10 со стенками 12, расположенных концентрично ему в два ряда 13, 14. Количество отверстий в каждом ряду составляет не менее четырех, и отверстия 10 ряда 13 выполнены по длине большими, чем отверстия 10 ряда 14. Стенки 12 отверстий 10 выполнены фасонными, например криволинейной формы, которая может быть получена, в частности, следующим образом.

Сверлится цилиндрическое отверстие, затем на половине его диаметра фрезой или расточным резцом выбирается выемка. Такое выполнение стенок 12 отверстий 10 обеспечивает отличные одно от другого направления проходящим через них отдельным потокам отработавших газов. Для усиления завихрения количество n сквозных отверстий 10 должно быть выбрано не менее двух. В описываемой выпускной системе ДВС 3 одно принято, в частности, равным 18.

Пластина 6, расположенная между прокладками 7, закрепляется вместе с последними между коллектором 2 ДВС 3 и фланцем 9 выпускной трубы 1 посредством крепежных элементов (не показано). При этом пластина 6 и прокладки 7 имеют конфигурацию, повторяющую конфигурацию торцовой поверхности коллектора 2, обращенную к выпускной трубе 1, и выполнены из металла, преимущественно жаростойкого. Элемент 6, в частности, может быть выполнен в виде концентрично расположенных цилиндрических колец, соединенных между собой посредством пластинок, образующих сквозные отверстия, при этом внутренняя поверхность колец выполнена фасонной (не показано).

Выпускная система ДВС работает следующим образом.

При работе ДВС 3 образует поток отработавших газов, который из его коллектора 2 поступает в камеру 8, образованную поверхностями коллектора 2 ДВС 3, одной из прокладок 7 и пластины 6 (фиг.1). Здесь уменьшается скорость движения потока отработавших газов и поток, проходя через n сквозных отверстий 10 (фиг.2), разделяется на n отдельных потоков, образующих вихри вокруг своих осей при срыве за пластиной 6 и попадании в другую камеру 8, образованную поверхностями пластины 6 одной из прокладок 7 и фланца 9 выпускной трубы 1. Здесь происходит их перемешивание и дожигание, а затем выход в атмосферу через выпускную трубу 1 и глушитель 4. Выполнение поверхности стенок 12 отверстий 10 фасонными создает разные направления осям отдельных потоков при срыве, т.е. отклоняет на некоторый угол каждый отдельный поток как от его первоначального направления, так и от направлений соседних отдельных потоков, что интенсифицирует завихрение и перемешивание внутри как отдельного, так и общего потока отработавших газов, усиливая эффективность дожигания несгоревших частиц и компонентов.

Настоящая группа изобретений дает возможность увеличить эффективность снижения токсичности отработавших газов ДВС при эксплуатации, в частности, автомобилей и тем самым улучшить экологическую обстановку, поскольку автомобили являются одними из основных загрязнителей атмосферы, а также получить более экономичные ДВС, так как уменьшается энергия на выброс несгоревших газов и снижается противодавление отработавших газов. Для применения заявленных изобретений не требуется капитальных вложений, так как технология снижения токсичности отработавших газов и выпускная система ДВС для ее осуществления просты.

Выпускная система неметаллоемка, компактна, имеет малые габариты, легко может быть изготовлена, собрана, заменена. Кроме того, она не требует специального дооснащения на борту автомобиля. Предлагаемые технология снижения токсичности отработавших газов и выпускная система ДВС для ее осуществления могут быть применены также в автомобилях, оснащенных керамическими фильтрами, имеющими платиновое покрытие (финского А/О "KEMIRA"), например в "Жигулях" ВАЗа, что позволяет повысить стойкость и долговечность этих фильтров, так как последние дороги и при достижении величины пробега порядка 50 000 км требуют замены.