Способ снижения токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления

 

Группа изобретений относится к двигателестроению и предназначена для улучшения экологических показателей ДВС. Способ заключается в том, что электрическим полем обрабатывают непосредственно пламя горячих выхлопных газов отходящей из камер сгорания двигателя не полностью сгоревшей топливовоздушной смеси в выпускном коллекторе и одновременно обрабатывают этим полем саму топливовоздушную смесь во впускном коллекторе двигателя. Устройство содержит источник электрического поля, регулируемый по амплитуде и частоте, электроды, выполненные в виде модернизированных свечей зажигания, и функциональный блок для выбора оптимального режима работы источника электрического поля. С помощью источника создают электрическое поле с напряженностью не менее 1 кВ/см, причем осуществляют регулирование параметров поля по критерию наилучшей степени очистки выхлопных газов. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, конкретнее к способам и устройствам, обеспечивающим снижение токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Изобретение может быть реализовано в любых двигателях внутреннего сгорания (поршневых, с любым числом поршней и камер, роторных и газотурбинных) и поможет в создании экологически чистого и экономичного транспорта с ДВС.

Известны химические способы и устройства по очистке выхлопных газов ДВС путем беспламенного каталитического дожига токсичных компонент выхлопных газов на поверхности химического катализатора (платины, палладия и др.) (патент России N 2023178, заявка Японии 62-167721, пат. России N 2023176).

Недостаток данных способов состоит в сложности и дороговизне реализации, относительно низком сроке эксплуатации из-за загрязнения поверхности катализатора, сажу в выхлопе они вообще не чистят.

Известны способы и устройства механического сепарирования твердых и жидких примесей выхлопных газов, характерных для дизельного транспорта, путем их механического сепарирования путем вращения потока выхлопных газов с последующим накоплением сажи и частиц масла в специальных бункерах с систематическим удалением (см. например, патент России N 2023175).

Их недостаток состоит в сложности реализации, значительных энергозатратах и большой материалоемкости, поскольку объем сепарируемой сажи велик из-за ее низкой плотности. Терморазложение сажи неэкономично и приводит к увеличению объема окиси углерода.

Известны плазменные способы и устройства по дожигу выхлопных газов путем пропускания выхлопных газов через факел низкотемпературной плазмы (а.с. СССР N 1460368).

Их недостаток состоит в значительных энергозатратах, в расходе дополнительного топлива, неблагоприятных температурных режимах выхлопной трубы при ее перегреве плазмой. Кроме того, возрастает объем окислителя, а значит и выхлопных газов ДВС.

Известны способы и устройства электрофильтрования выхлопных газов ДВС (а. с. N 117574; N 1404664) путем воздействия электрическим полем на электрически заряженные частицы (твердые и жидкие) выхлопных газов с их электростатическим осаждением на специальные электроды с последующим систематическим удалением осадка.

Недостаток их состоит в низкой надежности из-за трудностей обеспечения надежной электроизоляции разноименно заряженных пластин электрофильтра в условиях осаждения сажи, копоти на внутренней поверхности пластин и высоких температур.

Известны комбинированные электрохимические способы и устройства очистки выхлопных газов ДВС, например а.с. N 1188343, им присущи все недостатки каталитического дожига выхлопных газов и электрофильтров для их очистки.

Известны способы очистки выхлопных газов от сажи путем ее электротермического разложения (а. с. N 181534). Однако данный способ весьма энергозатратен и неприемлем для автотранспорта с низкой мощностью электрогенератора.

Положительный эффект изобретения состоит в каталитическом дожиге посредством сильного электрического поля токсичных компонент (окиси углерода, азота, сажи и др.) непосредственно в пламени и в отходящих газах, что резко улучшает экологию горения топливовоздушной смеси.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является изобретение по а.с. СССР N 1404664 "Способ очистки выхлопных газов ДВС", в котором раскрыты способ и устройство обработки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания регулируемым сильным электрическим полем. Положительный эффект данного изобретения состоит в электростатической очистке выхлопных газов от частиц сажи, масла. Главный недостаток прототипа - способа состоит в неполной очистке выхлопных газов, а именно в невозможности очистки остывших выхлопных газов от токсичных газообразных компонент (окиси углерода, азота, углеводородов и др.), что приводит к необходимости вводить еще ступень химической очистки выхлопных газов, например, платиновым дорогостоящим катализатором, который работает только в случае заправки двигателя неэтилированным бензином и в узком диапазоне температур выхлопных газов.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности экологической очистки выхлопных газов по сравнению со способом- прототипом.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в развитии более раннего упомянутого выше изобретения (прототипа) и состоит в обработке сильными электрическими полями, полученными от бортовых маломощных высоковольтных преобразователей напряжения, топливовоздушной смеси на впускном коллекторе двигателя и горящих выхлопных газов недогоревшей в камерах двигателя топливовоздушной смеси, непосредственно на выходах камер сгорания, а именно в обработке первым сильным электрическим полем с напряженностью не менее 1 кВ/см, пламени недогоревших выхлопных газов непосредственно в выпускных коллекторах каждой из камер сгорания, а также в одновременной обработке поступающей в камеры сгорания двигателя топливовоздушной смеси, вторым электрическим полем с напряженностью не менее 1 кВ/см непосредственно во впускных коллекторах двигателя, причем регулирование параметров электрического поля (напряженности, частоты) осуществляют по критерию наилучшей степени очистки выхлопных газов двигателя, а также из условия поддержания в этих коллекторах режима "тлеющего разряда" с электродов, обеспечивающего наивысшую эффективность каталитического воздействия электрического поля на процесс экологической очистки выхлопных газов двигателя.

Устройство для осуществления предложенного способа состоит из специальных электроизолированных высоковольтных электродов в количестве, равном суммарному числу впускных и выпускных коллекторов двигателя, из двух идентичных управляемых по напряженности и частоте бортовых высоковольтных преобразователей напряжения малой мощности, присоединенных по силовому входу к бортовому источнику электроэнергии, например к бортовой аккумуляторной батарее, а по высоковольтному выходу - к данным электродам, ввернутым в выпускные(ой) и впускные (ой) коллекторы камер сгорания ДВС, в состав устройства очистки выхлопных газов входят также датчик(и) токсичности выхлопных газов, установленный(е) на выпускном коллекторе или в выхлопной трубе датчики первичного тока преобразователей, устройства управления высоковольтными преобразователями напряжения, диапазон регулирования V_вых. по амплитуде 5 - 40 кВ, по частоте 0 - 30 кГц, два идентичных логически-функциональных блока, обрабатывающих информацию о степени очистки выхлопных газов и поддержании режима работы источников электрических полей в режиме "тлеющего разряда" во впускных и выпускных коллекторах, и выдающих управляющие воздействия на регулирование выходных параметров (напряженности и частот) высоковольтных преобразователей напряжения, причем выход(ы) датчика(ов) токсичности и датчики первичных токов присоединен(ы) на входы устройств управления первым и вторым преобразователями напряжения через соответствующие логически-функциональные блоки, обеспечивающие регулирование напряженности и частоты соответствующих источников электрических полей (высоковольтных преобразователей напряжения) по условию наилучшей экологической очистки выхлопных газов ДВС и одновременно условию поддержания режима "тлеющего разряда" во впускном(ых) и выпускном(ых)коллекторах двигателя.

Эффективность экологической очистки отходящих выхлопных газов ДВС достигается в нашем изобретении благодаря интенсификации сильными электрическими полями малой мощности: а) процесса сжигания обработанной электрическим полем топливовоздушной смеси в камерах сгорания посредством достижения эффекта глубокой электризации топливовоздушной смеси перед впрыском в камеры сгорания, а именно благодаря озонированию окислителя и электростатическому распылению смеси в впускном(ых) коллекторе(ах) двигателей, что не только улучшает степень сгорания смеси в камерах, но и экономит топливо и окислитель; б) процесса электроогневого дожига пламени недогоревшей в камерах сгорания топливовоздушной смеси непосредственно в выпускных коллекторах, обеспечивающего полный дожиг углеводорода, окислов углерода, азота др. токсичных газов из выхлопных газов, отходящих с выпускного коллектора в выхлопную трубу ДВС.

В качестве высоковольтных преобразователей напряжения схемно могут быть использованы высоковольтные выпрямители, широко применяемые в комнатных озонаторах, телевизионных приемниках, блоки электронного зажигания ДВС (выходное напряжение 25-35 кВ, выходная мощность порядка 20-30 Вт) с их некоторой доработкой, а именно выведением регуляторов скважности и частоты выходных импульсов напряжения по цепи регулирования внутреннего задающего генератора, введением дополнительно переключателя и выходов переменного высокого напряжения, а также промежуточного стандартного преобразователя электропитания (= 12/220 В) для подключения высоковольтного преобразователя по цепи питания к бортовой аккумуляторной батарее. В качестве специальных электроизолированных электродов можно использовать модернизированные и доработанные автомобильные электросвечи зажигания топливной смеси, а именно с обрезанными боковым "массовым" электродом, усиленным изолятором, и частью ввертной резьбы для высвобождения примерно трети длины центрального электроизолированного электрода (по условию достаточной длины центрального изолятора для недопущения электропробоя центрального электрода на корпус электросвечи при напряжении до 30 - 40 кВ и на корпуса впускного и выпускного коллекторов двигателя внутреннего сгорания). В качестве логически-функционального блока может использоваться серийный процессор применяемого на иностранных и некоторых отечественных автомобилях бортового компьютера с периферией, запрограммированный соответствующим образом и подключенный через периферийные устройства к датчикам токсичности, тока, а по выходу - к входам управления частотой и скважностью стандартных высоковольтных преобразователей напряжения. В качестве датчика токсичности ОВГ может быть использован стандартный датчик - лямбда-зонд, широко применяемый в существующих системах впрыска топлива и химической очистки выхлопных газов ДВС (см. кн. Ф.Р. Спинова "Системы впрыска бензиновых двигателей" М. 1995 г., с.100).

Выше пояснен простейший вариант подключения выходов высоковольтных преобразователей на электроизолированные электроды и корпус двигателя, для упрощения электропроводки и увеличения рабочей поверхности обработки ТВС и ОВГ в коллекторах двигателя, в этом случае электроды попарно на каждом из коллекторов соединены между собой. Другим вариантом подачи электрического поля в коллекторы является присоединение выходов соответствующего высоковольтного преобразователя раздельно к каждому из двух центральных электродов, противоположно размещенных на соответствующем коллекторе двигателя. В этой схеме подключения высоковольтных преобразователей к электродам устраняются электрические связи высоковольтного напряжения с массой автомобиля, что повышает электробезопасность и надежность способа, хотя несколько усложняет реализацию устройства для его осуществления (увеличивается длина высоковольтных проводов, снижается рабочая поверхность взаимодействия электрических полей с ТВС и ОВГ). Для сохранения преимуществ обоих способов подачи электрополей в коллекторы и обеспечения максимальной рабочей поверхности взаимодействия электрополей с ТВС и ОВГ в соответствующих коллекторах можно установить полые коаксиальные электроизолированные цилиндрические электроды по всей длине соответствующих коллекторов, а подводы потенциалов высокого напряжения соответствующего преобразователя осуществить через описанные выше электроды (принцип "матрешки"). Отметим, что для упрощения реализации способа и устройства целесообразно использовать вообще один высоковольтный преобразователь, выходы с которого присоединяют описанными выше способами в соответствующий коллектор. Однако данный упрощенный вариант не позволит осуществить тонкую настройку параметров электрополя на одновременную обработку топливовоздушной смеси и отходящих выхлопных газов одновременно, что несколько (на 10-15%) снизит качество очистки выхлопных газов ДВС.

Предложенный способ и устройство пояснены на примере обычного четырехтактного ДВС (см. чертеж).

Устройство, реализующее предлагаемый способ снижения токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержит следующие элементы: двигатель 1, выпускной коллектор 2, специальные электроизолированные электроды 3, первый высоковольтный преобразователь напряжения 4 с устройством управления 5, второй высоковольтный преобразователь напряжения 6 с устройством управления 7, датчики токсичности выхлопных газов 8, датчики первичного тока 9, два идентичных логически-функциональных блока 10, впускной коллектор 11, бортовой источник электроэнергии 12, причем силовые входы преобразователей напряжения 4, 6 присоединены в данном конкретном варианте к бортовой аккумуляторной батарее 12, с присоединенной к корпусу двигателя отрицательной шиной, один из выходов первого высоковольтного преобразователя 4 присоединен к электроизолированному(ым) электроду(ам) 3, ввернутому(ым) в выпускном коллекторе 2 двигателя 1, а другой его выход присоединен к корпусу двигателя 1, один из выходов второго высоковольтного преобразователя 6 присоединен ко второму(ым) электроизолированному(ым) электроду(ам) 3, выход присоединен также к корпусу двигателя 1, выход(ы) датчика(ов) токсичности выхлопных газов 8 и датчиков первичного тока 9 преобразователей 4, 6 присоединены на входы соответствующих устройств управления 5, 7 через соответствующие логически-функциональные блоки 10, оптимизирующие режим экологической очистки выхлопных газов ДВС.

На чертеже приняты также следующие обозначения: ТВС - необработанная топливовоздушная смесь; ТВС2 = обработанная электрополем топливовоздушная смесь; П- пламя недогоревшей топливовоздушной смеси, выходящее из камер сгорания ДВС в выпускной коллектор 2; ОВГ - отходящие выхлопные газы; АБ - бортовая аккумуляторная батарея; а также представлены канал управления величиной выходного напряжения и канал управления частотой выходного высокого напряжения преобразователей напряжения 4, 6.

Устройство, реализующее преложенный способ очистки ОВГ ДВС работает следующим образом: вначале впрыскивают топливовоздушную смесь ТВС во впускной коллектор 11 двигателя 1, например, с выхода карбюратора или эжектора (на чертеже не показаны), далее обрабатывают данную смесь во впускном коллекторе 11 сильным регулируемым электрическим полем от высоковольтного преобразователя 6, образованным в зазоре между электродами 3 и корпусом впускного коллектора 11, причем поддерживают изменением напряженности и частоты преобразователя 6 режим "тлеющего разряда" с электродов 3 для предотвращения электрического пробоя высоковольтного преобразователя 6 во впускном коллекторе 11 и устранения опасности преждевременного воспламенения обработанной смеси ТВС2. Этот режим достигается путем непрерывного регулирования напряженности и частоты электрического поля внутри впускного коллектора 11 от преобразователя 6, управляемого от блока управления 7 через логически-функциональный блок 10 по информации с датчика первичного тока 9, включенного в цепь питания постоянным током от АБ 12. Благодаря наличию в блоке 10 запрограммированной информации о возможном максимально допустимом выходном напряжении в зависимости от тока нагрузки с датчика тока 9, параметры высоковольтного напряжения с выхода преобразователя 6 автоматически изменяются и поддерживается нужный режим его безопасной работы. Аналогично достигается режим "тлеющего разряда" высоковольтного преобразователя 4 при изменении температуры, интенсивности и состава горючих выхлопных газов в выпускном коллекторе 2 в зависимости от режима работы и состояния двигателя 1. Далее обработанная смесь ТВС2 поступает в камеры сгорания ДВС, интенсивно сгорает, после чего с частотой работы цилиндров остатки горящей смеси подают вместе с отходящими выхлопными газами ОВГ в выпускной коллектор 2, где это пламя П интенсивно дожигают вторым сильным электрополем, образованным от высоковольтного преобразователя 4 между внутренними стенками выпускного коллектора 2 и электроизолированными от корпуса специальными электродами 3, ввернутыми в этот корпус. В связи с тем, что степень токсичности отходящих выхлопных газов значительно меняется в зависимости от режима работы двигателя, его температуры, степени изношенности поршневой группы, вида и качества топлив и многих других факторов, то регулируют параметры соответствующего электрического поля в выпускном коллекторе 2 и впускном коллекторе 11 в пределах режима "тлеющего разряда" в функции токсичности ОВГ посредством датчика(ов) токсичности 9 по условию наилучшей степени экологической очистки ОВГ, а именно повышают напряженность и изменяют частоту соответствующего электрополя, при увеличении токсичности ОВГ по заранее запрограммированному оптимальному закону в соответствующем логически- функциональном блоке 10, причем независимо или взаимосвязано в зависимости от степени токсичности ОВГ.

Эффективная экологическая очистка ОВГ достигается в нашем способе благодаря каталатическому воздействию сильного электрического поля на процесс дожига пламени несгоревшей ТВС в выпускном коллекторе и одновременно благодаря более полному сгоранию в камерах обработанной электрополем ТВС во впускном коллекторе двигателя.

Эксперименты показывают работоспособность способа и его эффективность. Так, например, посредством маломощного высоковольтного преобразователя с выходным напряжением 25 кВ, мощностью не более 20 Вт удалось снизить расход топлива на 15%, снизить токсичность ОВГ по отдельным компонентам на 30 - 90% (дымность - на 90%, окись углерода - на 60%, окись азота - на 40%, углеводороды на - 80%). Стоимость экспериментального устройства не превышает 400 т. р. , что на порядок ниже стоимости существующей системы химической экологической очистки ОВГ на базе платиновых сотовых катализаторов.

Формула изобретения

1. Способ снижения токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания путем их обработки электрическим полем, отличающийся тем, что электрическим полем обрабатывают непосредственно пламя горящих выхлопных газов отходящей из камер сгорания двигателя не полностью сгоревшей топливовоздушной смеси в выпускном коллекторе и одновременно обрабатывают этим полем саму топливовоздушную смесь во впускном коллекторе двигателя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулируют параметры электрического поля (напряженность, частоту) по условию наивысшей степени очистки выхлопных газов и поддержания режима "тлеющего разряда" электрического поля в коллекторах двигателя.

3. Устройство для снижения токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащее источник электрического поля, регулируемый по амплитуде и частоте, присоединенный по низкой стороне к бортовому источнику электроэнергии, например к аккумуляторной батарее, высоковольтные электроды, присоединенные к выходам источника электрического поля, отличающееся тем, что дополнено датчиком токсичности выхлопных газов, датчиком первичного тока, включенным в цепь электропитания источника электрического поля, высоковольтные электроды выполнены в виде модернизированных электросвечей зажигания с обрезанным боковым "массовым" электродом и с удлиненным центральным электродом с усиленным электроизолятором, достаточным для удержания от электропробоя на корпусе электрода напряжения до 30-40 кВ, логически-функциональным блоком для анализа степени очистки выхлопных газов и выбора оптимального режима работы источника электрического поля, присоединенным по выходу к устройству управления амплитудой и частотой источника электрического поля, а по выходу - к датчику токсичности выхлопных газов и датчику тока, причем высоковольтные электроды размещены непосредственно на впускных и выпускных коллекторах двигателя.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено двумя высоковольтными преобразователями напряжения, причем выходы одного из них присоединены к соответствующим электродам на впускном коллекторе, выходы второго преобразователя присоединены к соответствующим электродам на выпускном коллекторе двигателя, а выходы логически-функционального блока присоединены к соответствующим устройствам управления параметрами преобразователей напряжения.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что высоковольтные преобразователи имеют диапазон регулирования выходного напряжения по амплитуде 5 - 40 кВ и по частоте напряжения 0 - 30 кГц.

6. Устройство по пп.4 и 5, отличающееся тем, что один из выходов высоковольтного преобразователя(ей) электрически соединен с корпусом двигателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1