устройство для нейтрализации отработавших газов

Формула изобретения

Устройство для нейтрализации отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, содержащее корпус в виде полого цилиндра с днищами, внутри корпуса с кольцевым зазором размещена цилиндрическая камера, в средней по длине части цилиндрической камеры подсоединен по меньшей мере один впускной тангенциальный патрубок, а по торцам камеры установлены два пережима, вспомогательные камеры, расположенные между днищами корпуса и пережимами и сообщающиеся с цилиндрической камерой отверстиями пережимов, и выпускной патрубок, установленный на корпусе в средней по длине части, отличающееся тем, что на каждом впускном патрубке установлен инжектор, имеющий воздушный патрубок, а на воздушной линии установлены обратный клапан и дросселирующее устройство.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для нейтрализации отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.

Известны многочисленные способы и устройства для нейтрализации отработавших газов дожиганием в присутствии катализаторов. Однако из-за особенностей протекания каталитического процесса эти технические решения имеют узкую область применения и пригодны только для современных бензиновых двигателей, использующих неэтилированные сорта бензинов и имеющих компьютерную систему анализа отработавших газов и управления составом горючей смеси, подаваемой в цилиндры двигателя.

Более широкую область применения как нечувствительные к различным видам и сортам моторных топлив имеют нейтрализаторы, в которых эффективность процесса достигают путем введения в отработавшие газы вторичного воздуха и турбулизации полученной газовой смеси в устройстве.

Известен нейтрализатор отработавших газов (1), содержащий соединенную по меньшей мере с одним выпускным патрубком двигателя струйную камеру, имеющую воздушный патрубок, связанный с атмосферой, и камеру дожигания, сообщенную со струйной камерой. Устройство содержит камеру смешения, газодинамический диод (обратный клапан) и по меньшей мере одно сопло. Камера дожигания сообщена со струйной камерой через камеру смешения, сопло установлено на выпускном патрубке двигателя с возможностью его размещения в струйной камере, газодинамический диод установлен в струйной камере.

В описанном аналоге решается задача подачи вторичного воздуха и смешения его с отработавшими газами. Однако несмотря на то, что подача вторичного воздуха является необходимым условием нейтрализации, ее эффективность определяется, главным образом, условиями протекания процессов в нейтрализаторе. В аналоге представлен нейтрализатор камерного типа, в котором идут вялотекущие процессы дожигания, после которых в обработанных газах, наряду с избыточным кислородом, обычно присутствует химический недожог, то есть имеет место невысокая эффективность нейтрализации.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является техническое решение (2), в котором устройство содержит корпус в виде полого цилиндра с днищами, внутри корпуса с кольцевым зазором размещена цилиндрическая камера, к которой подсоединены пропущенные через стенку корпуса тангенциальные впускные патрубки, а по торцам камеры установлены два кольцевых пережима. Между днищами корпуса и пережимами образованы вспомогательные камеры. Выпускной патрубок установлен на корпусе в средней по длине части. Модификации исполнения устройства включают короткие трубки-зонды, выполненные в виде цилиндрических вставок в пережимы или перфорированную трубу-зонд, соединяющую отверстия кольцевых пережимов. Устройства имеют наружную теплоизоляцию корпуса, а цилиндрическая камера имеет экранирующую защиту от излучения.

Недостатком описанного прототипа является невысокая эффективность нейтрализации, обусловленная отсутствием в устройстве системы для ввода вторичного воздуха в нейтрализуемые газы.

Изобретение решает задачу повышения эффективности нейтрализации.

Задача решается тем, что устройство, содержащее корпус в виде полого цилиндра с днищами, внутри корпуса с кольцевым зазором размещена цилиндрическая камера, в средней по длине части цилиндрической камеры подсоединен по меньшей мере один впускной тангенциальный патрубок, а по торцам камеры установлены два пережима, вспомогательные камеры, расположенные между днищами корпуса и пережимами и сообщающиеся с цилиндрической камерой отверстиями пережимов, и выпускной патрубок, установленный на корпусе в средней по длине части, на каждом впускном патрубке установлен инжектор, имеющий воздушный патрубок, а на воздушной линии установлены обратный клапан и дросселирующее устройство.

Установка инжекторов на впускных патрубках, а также обратных клапанов и дросселирующих устройств на воздушных линиях инжекторов, обеспечивает регулируемую подачу вторичного воздуха в поток отработавших газов двигателей внутреннего сгорания перед их нейтрализацией. Ввод окислителя и организация процесса горения в устройстве вихревого типа в совокупности позволяют углубить эффективность нейтрализации отработавших газов.

На чертеже приведен общий вид предлагаемого нейтрализатора, включающий продольный (фиг. 1) и поперечный (фиг. 2) разрезы. На чертеже изображены: корпус 1, цилиндрическая камера 2, пережимы 3, впускной патрубок 4, инжектор 5, воздушный патрубок 6, обратный клапан 7, дросселирующее устройство 8, вспомогательная камера 9, выпускной патрубок 10.

Устройство работает следующим образом. Отработавшие газы под избыточным давлением в пульсационном режиме подают в инжектор 5, в котором за счет разрежения, создаваемого струей отработавшего газа, происходит подсос атмосферного воздуха по воздушной линии через дросселирующее устройство 8, обратный клапан 7 и воздушный патрубок 6. Полученная газовая смесь через тангенциальный впускной патрубок 4 попадает в цилиндрическую камеру 2. В ней газовая смесь, разделившись на два вихревых потока, устремляется в сторону пережимов 3. В зонах, примыкающих к впускному патрубку, где вихри имеют структуру квазитвердого тела, идут сепарационные процессы. Легкие газы оттесняются в приосевую зону, пары углеводородов и твердые частицы (сажа, кокс) движутся к стенке камеры поперек направления поступательного движения потока. Встречное движение составляющих компонентов потока увеличивает скорость окислительных реакций. В зонах, примыкающих к пережимам, вследствие перестройки вихря от большего диаметра к меньшему, увеличивается частота его вращения, поэтому происходит турбулизации потока с сопутствующим увеличением скорости реакций нейтрализации токсичных компонентов.

Поток газов, вышедший из камеры 2 в камеру 9 через пережимы 3, поступает с поворотом в кольцевой зазор между корпусом 1 и камерой 2 и выходит из устройства через выпускной патрубок 10.

В пусковой период работы двигателя наружный обдув, в дополнение к внутреннему, ускоряет прогрев цилиндрической камеры 2 и выход ее на режим устойчивой нейтрализации.

На рабочих режимах правильно отрегулированного двигателя с частотой вращения коленчатого вала 1700 - 3500 и более оборотов в минуту при открытой дроссельной заслонке состав горючей смеси несколько обеднен и в отработавших газах наряду со свободным кислородом присутствуют продукты недожога: C (сажа), CO, CH_x, а также NO_x. В цилиндрической камере при температуре 900^oC и выше продукты недожога в вихревом потоке окисляются практически полностью и частично восстанавливаются окислы азота. Индикатором эффективности процесса нейтрализации является остаточное содержание в обработанных газах монооксида углерода, которое не превышает 100-120 мг на нормальный кубический метр газов, что соответствует приблизительно 0,01% объемных. Воздух, подсасываемый через дросселирующее устройство 8 и обратный клапан 7, является балластирующим, однако из-за малой относительной величины объемов (вторичный воздух к первичному) не оказывает существенного влияния на эффективность нейтрализации.

На режимах холостого хода двигателя с частотой вращения вала 600-900 оборотов в минуту при закрытой дроссельной заслонке, когда он работает преимущественно на обогащенной смеси с малым расходом топлива и первичного воздуха, в отработавших газах велико содержание недожога и практически отсутствует свободный кислород. Нейтрализация возможна только при подаче вторичного воздуха в количестве, несколько превышающем стехиометрическое. На этих режимах работы двигателя, подсасываемый инжектором воздух играет существенную роль, так как процессы горения топлива частично переносятся в цилиндрическую камеру. В ней температура повышается на 100-170К. Именно на этом режиме дросселирующим устройством регулируют расход вторичного воздуха до достижения остаточного содержания в газах монооксида углерода по минимуму, но в пределах установленной нормы.

Предлагаемое изобретение может быть применено к карбюраторным и впрысковым бензиновым, а также дизельным двигателям. Устройство нечувствительно к содержанию в моторных топливах свинецсодержащих антидетонационных добавок, серы, азота и других нежелательных компонентов. Оно обладает при соответствующем материальном исполнении термической устойчивостью не ниже 1300^oC, в процессе эксплуатации не требует обслуживания и имеет ресурс работы не менее срока службы двигателя.

Источники информации:

1. Патент РФ N 2010985, М.кл. F 01 N 3/10.

2. Патент США N 3756027, М.кл. F 01 N 3/10, опубл. 1973 г. (Прототип).