Глушитель выхлопа двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к глушителям шума выхлопа двигателей внутреннего сгорания (ДВС) со средствами для очистки газов. Глушитель содержит вихревую камеру с входным патрубком, входную улитку и два выходных радиально-щелевых диффузора, профилированные таким образом, что отношение диаметра диффузоров и диаметра камеры составляет не более 3, которые соединены с выпускным патрубком через дополнительную камеру. Глушитель также содержит средство очистки выхлопных газов, выполненное в виде изолированного проволочного электрода, протянутого по оси глушителя и соединенного с источником импульсного высоковольтного напряжения. Изобретение позволяет снизить уровень шума выхлопных газов и повысить эффективность их очистки. 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно, к глушителям выхлопа двигателей внутреннего сгорания (ДВС) со средствами для очистки газов.

Известны многочисленные устройства глушителей выхлопа ДВС, в том числе с завихрением газового потока. В авторском свидетельстве СССР N 1550191, кл. F 01 N 1/08, 1988 г. для этих целей используется труба Ранка с высокой степенью закрутки потока, что позволяет разделить вихревой поток на два потока - холодный и горячий и, в конечном счете, уменьшить обмерзание глушителя.

Однако данное устройство не обеспечивает достаточный эффект шумоподавления и не имеет средств для очистки выхлопных газов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является глушитель выхлопа ДВС (авторское свидетельство СССР N 1802181, кл. F 01 N 1/08, 1991 г.), в котором для повышения степени удаления продуктов сгорания в вихревой камере (трубе Ранка), обеспечивающей закручивание потока газов, используется выходной радиально-щелевой диффузор, сопряженный с вихревой камерой, который повышает эффективность использования кинетической и волновой энергии выхлопных газов при их удалении из двигателя.

Однако данное устройство не имеет входной улитки, обеспечивающей более высокую эффективность закрутки потока, и в нем используется плоский выходной радиально-щелевой диффузор, что увеличивает (несмотря на использование только одного диффузора) габариты изделия и повышает гидродинамическое сопротивление глушителя, а также известный глушитель не имеет средств для очистки газа.

Задачей предлагаемого изобретения является создание такого глушителя выхлопа ДВС, который обеспечивал бы эффективное удаление выхлопных газов с одновременной их очисткой от вредных компонентов, а также обеспечивал бы максимальное снижение шума.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым глушителем выхлопа двигателя внутреннего сгорания с завихрением газового потока, включающим вихревую камеру с входным патрубком и один выходной радиально-щелевой диффузор, глушитель снабжен входной улиткой, вторым выходным радиально-щелевым диффузором и средством очистки выхлопных газов, при этом диффузоры профилированы таким образом, что отношение диаметра диффузоров и диаметра камеры составляет не более 3, и соединены с выпускным патрубком через дополнительную камеру, а средство очистки выхлопных газов выполнено в виде изолированного проволочного электрода, протянутого по оси глушителя и соединенного с источником импульсного высоковольтного напряжения.

Глушитель был разработан на основе детальных экспериментальных исследований параметров конструкции и процесса удаления и очистки выхлопных газов из ДВС, так как до настоящего времени использование электрического разряда в глушителях не сочеталось с завихрением газового потока и нельзя было заранее предвидеть влияние такого сочетания, как на скорость удаления газов и снижения шума, так и на эффективность очистки газов.

Проведенные исследования показали, что наибольшая эффективность работы глушителя достигается при включении в его конструкцию помимо вихревой камеры входной улитки, а также при использовании не одного, а двух, но укороченных и профилированных (не плоских) выходных диффузоров. Принципиальным результатом проведенных испытаний является установление величины верхнего граничного значения соотношения диаметров диффузоров и вихревой камеры, которое не превышает значения 3. С учетом данного ограничения рассчитывается геометрический профиль диффузоров, что является стандартной задачей газовой динамики.

Другим важным результатом является экспериментальная проверка степени уменьшения плотности и температуры газового потока в осевой области предлагаемого глушителя вследствие вихревого эффекта Ранка. При испытании было установлено, что при давлении выхлопных газов на входе в глушитель P = 2/3 атм на оси вихревой камеры давление понижалось в 10-20 раз, а температура газового потока уменьшалась на 40-60%.

При помещении проволочного электрода по оси предлагаемого глушителя и подключении его к источнику импульсного высоковольтного напряжения энергия электронов в возникающем коронном разряде увеличивается в 2-3 раза по сравнению с таким же коронным разрядом в однородном газовом потоке, что приводит к интенсификации процесса генерации активных частиц (ионов, атомов, радикалов, колебательно-возбужденных молекул). Из-за сильной турбулизации вихревого потока происходит интенсивный радиальный массообмен частиц газа (измеренный коэффициент диффузии увеличивается в 100 - 1000 раза по сравнению с однородным потоком), что резко усиливает воздействие активных частиц на весь газовый поток, в результате чего эффективность плазмохимической очистки газов существенно возрастает. Уменьшение температуры газа в зоне разряда приводит также к уменьшению содержания паров воды в результате ее конденсации, что дополнительно способствует увеличению концентрации активных частиц и повышает эффективность очистки.

Полученные экспериментальные данные позволили предложить глушитель, принципиально отличающийся от известного по конструкции и по достигаемому результату.

На чертеже представлена схема глушителя.

Глушитель выхлопа содержит впускной 4 и выпускной 5 патрубки, входную улитку 2 для формирования закрученного потока в вихревой камере 1, первый и второй профилированные выходные радиально-щелевые диффузоры 3, дополнительную камеру 7 и средство очистки выхлопных газов, выполненное в виде изолированного проволочного электрода 6, протянутого по оси глушителя и соединенного с источником импульсного высоковольтного напряжения.

Глушитель работает следующим образом.

Пульсирующий поток газа подается по впускному патрубку 4, отходящему от цилиндров двигателя и обеспечивающему тангенциальный вход выхлопных газов в улитку 2, где интенсивно разгоняется до звуковой скорости. После прохождения улитки поток приобретает вращательное движение в камере 1. Волны давления, распространяясь по направлению движения газовой среды в вихревой камере и отражаясь от торцов диффузоров в результате многократного прохождения и взаимодействия друг с другом гасят пульсации давления. В результате радиального разделения энергии вращающегося газа на оси вихревых камер создается разряжение и понижение температуры. При подаче импульсов высоковольтного напряжения на осевой электрод в приосевой зоне вихревой камеры зажигается коронный разряд, являющийся мощным генератором электронов. Уменьшение плотности газа на оси вихревой камеры приводит к пропорциональному росту энергии электронов и, следовательно, к интенсификации процесса рождения активных частиц. Уменьшение температуры газа в зоне разряда приводит к уменьшению концентрации паров воды в результате ее конденсации, и это также способствует увеличению концентрации активных частиц, участвующих в очистке выхлопных газов. Из-за сильной турбулизации потока в вихревой камере осуществляется интенсивный радиальный массообмен частицами газа (коэффициент диффузии увеличивается в 100 - 1000 раз) и усиливается воздействие активных частиц на весь протекающий через камеру газ, в результате чего ускоряется плазмохимическая очистка всего газа от несгоревших углеводородов, уменьшается концентрация NO_x и CO, превращающихся в N₂ и CO₂. В результате вихревого движения газа в рассматриваемом глушителе крупные сажистые частицы оседают на стенке вихревой камеры и периодически могут удаляться механическим способом (стряхиванием), либо глушитель можно снабдить специальным сменным сборником сажи. Очищенные продукты сгорания направляются в выходные радиально-щелевые диффузоры 3, где вследствие адиабатического торможения восстанавливается статическое давление газа. Профилированные укороченные диффузоры обеспечивают эффективное восстановление давления на выходе из глушителя при минимальном гидродинамическом сопротивлении, и тем самым достигается наиболее эффективное использование энергии выхлопной струи.

Использование изобретения позволит добиться более полного удаления продуктов сгорания из цилиндров двигателя и эффективной очистки их от вредных компонентов в результате плазмохимических реакций, что позволит за счет улучшения процессов сгорания топлива и снижения потерь мощности на преодоление гидродинамического сопротивления повысить КПД двигателя, одновременно уменьшив уровень шума и токсичность выхлопа.

Формула изобретения

Глушитель выхлопа двигателя внутреннего сгорания с завихрением газового потока, включающий вихревую камеру с впускным патрубком и выходной радиально-щелевой диффузор, отличающийся тем, что он снабжен входной улиткой, вторым выходным радиально-щелевым диффузором и средством очистки выхлопных газов, диффузоры спрофилированы таким образом, что отношение диаметра диффузоров и диаметра камеры составляет не более 3, и соединены с выпускным патрубком через дополнительную камеру, а средство очистки выполнено в виде изолированного проволочного электрода, протянутого по оси глушителя и соединенного с источником импульсного высоковольтного напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1