Устройство снижения выбросов в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к области очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Устройство содержит источник электрического поля, присоединенный к бортовому источнику электроэнергии, высоковольтные электроды, присоединенные к выходам источника электрического поля. Устройство размещено за выхлопным коллектором и выполнено в виде вихревого эжектора, содержащего вихревую камеру с тангенциальным сопловым закручивающим аппаратом и электрическую разрядную камеру с высоковольтными электродами. Электроды установлены на внешней торцевой стенке щелевого конфузора. Вихревая камера соединена с тангенциальным сопловым закручивающим аппаратом и выходным патрубком, сообщающимся с атмосферой. Тангенциальный сопловой закручивающий аппарат содержит два входных патрубка, один из которых соединен с выхлопным коллектором, а другой патрубок расположен на торцевой стенке, в приосевой зоне, соосно центральной оси вихревой камеры, с выполненным выходным отверстием, диаметр которого меньше диаметра вихревой камеры, и соединен с электрической разрядной камерой вихревого типа с тангенциальным сопловым закручивающим аппаратом, выполненной в виде осесимметричного щелевого конфузора, соединенного в периферийной части с атмосферой. В приосевой части щелевой конфузор сопрягается с патрубком, выходящим в вихревую камеру. Предложенное устройство позволяет осуществить эффективную очистку отработавших газов путем использования их потенциальной энергии. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), а именно способам и устройствам, обеспечивающим улучшение экологических показателей ДВС путем снижения выбросов в выхлопных газах.

Известно устройство «Каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания» (патент РФ №2023178; МПК 5 F01N 3/28, опубликовано 15.11.1994), содержащее теплоизолированный корпус, торцевые части которого выполнены в виде входного и выходного конусов, и размещенный внутри корпуса реактор, выполненный в виде рулона гладкой и гофрированной или перфорированной лент с каталитическим покрытием, содержит дополнительно успокоитель колебаний газов с применяющимся объемом, а каталитическое покрытие лент рулона выполнено в виде чередующихся окисных, восстановительно-окисных и восстановительных полос.

Известно устройство «Каталитический нейтрализатор для дизеля» (патент РФ №2023176; МПК 5 F01N 3/02, опубликовано 15.11.1994), содержащее корпус с двойными стенками и теплоизоляцией, патрубок входа, на наружной поверхности которого размещены кольцевые коллекторы, выполнен в виде диффузора с двойными стенками с образованием полости, в которой расположены подводы воздуха и газа. Кроме того, нейтрализатор имеет патрубок выхода, вставку с каталитической субстанцией на впускной трубе, сажевый фильтр, выполненный в виде полых пористых керамических стаканов с буртами, обращенных внутренними полостями к вставкам с каталитической субстанцией.

Недостатками известных устройств являются сложность и стоимость реализации, относительно низкий срок эксплуатации, вызванный загрязнением поверхности катализатора, в частности углеродом в виде сажи.

Известно устройство для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2023175; МПК 5 F01N 3/02, B01D 45/14; опубликовано 15.11.1994) путем их механического сепарирования в сильно закрученных потоках выхлопных газов с последующим осаждением сажи, масла и воды в специальных емкостях системы их удаления.

Недостатком известного устройства является сложность и стоимость реализации, увеличенная материалоемкость из-за низкой плотности сажи, кроме того, окисление сажи может привести к увеличению выбросов окиси углерода.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству является устройство снижения токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2132471; МПК 6 F01N 3/08 F02M 27/04, опубликовано 27.06.1999, содержащее источник электрического поля, присоединенный к бортовому источнику электроэнергии, высоковольтные электроды, присоединенные к выходам источника электрического поля.

Недостатком известного устройства является низкая эффективность «тлеющего разряда» в выпускном коллекторе двигателя и неспособность известного устройства обеспечить необходимый избыток воздуха за выпускным коллектором и условия, обеспечивающие интенсификацию процессов окисления с подавлением процессов синтеза выбросов, что значительно снижает уровень очистки выхлопных газов и повышает энергетические затраты.

Техническим результатом, достигаемым в заявленном изобретении, является разработка устройства, позволяющего повысить эффективность очистки выхлопных газов с наименьшими энергетическими затратами путем использования потенциальной энергии выхлопных газов.

Технический результат в заявленном устройстве достигается тем, что устройство для снижения выбросов в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания содержит источник электрического поля, присоединенный к бортовому источнику электроэнергии, высоковольтные электроды, присоединенные к выходам источника электрического поля.

Новым в устройстве является то, устройство размещено за выхлопным коллектором и выполнено в виде вихревого эжектора, содержащего вихревую камеру с тангенциальным сопловым закручивающим аппаратом и электрическую разрядную камеру с высоковольтными электродами, установленными на внешней торцевой стенке щелевого конфузора, при этом вихревая камера соединена с тангенциальным сопловым закручивающим аппаратом и выходным патрубком, сообщающимся с атмосферой, при этом тангенциальный сопловой закручивающий аппарат содержит два входных патрубка, один из которых соединен с выхлопным коллектором, а другой патрубок расположен на торцевой стенке, в приосевой зоне, соосно центральной оси вихревой камеры, с выполненным выходным отверстием, диаметр которого меньше диаметра вихревой камеры, и соединен с электрической разрядной камерой вихревого типа с тангенциальным сопловым закручивающим аппаратом, выполненной в виде осесимметричного щелевого конфузора, соединенного в периферийной части с атмосферой, а в приосевой части щелевой конфузор сопрягается с патрубком, выходящим в вихревую камеру.

Для уменьшения потерь давления в проточной части конфузора и повышения энергетической эффективности эжектора внешняя поверхность проточной части щелевого конфузора спрофилирована по лемнискате Бернулли.

Для уменьшения шума при работе устройства внутренняя поверхность вихревой камеры выполнена с углом раскрытия равным от 0 до 14 градусов в направлении от тангенциального соплового закручивающего аппарата.

Выполнение поверхности вихревой камеры с углом раскрытия равным от 0 до 14 градусов в направлении от тангенциального соплового закручивающего аппарата приводит к уменьшению осевой скорости на выходе из отверстия вихревой камеры в атмосферу и, как следствие, к снижению шума на выходе из устройства в атмосферу.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где

на фиг. 1 - продольный разрез устройства;

на фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1;

на фиг. 3 - разрез Б-Б фиг. 1.

Устройство для снижения выбросов в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания содержит источник электрического поля (не показан), присоединенный к бортовому источнику электроэнергии (не показан), высоковольтные электроды 1 (фиг. 1, 2, 3), присоединенные к выходам источника электрического поля.

Устройство размещено за выхлопным коллектором (не показано) и выполнено в виде вихревого эжектора, содержащего вихревую камеру 2 (фиг. 1) с тангенциальным сопловым закручивающим аппаратом 3 (фиг. 1, 2) и электрическую разрядную камеру 4 (фиг. 1, 3) с высоковольтными электродами 1 (фиг. 1, 2, 3).

Вихревая камера 2 (фиг. 1) соединена с тангенциальным сопловым закручивающим аппаратом 3 (фиг. 1, 2) и выходным патрубком 5 (фиг. 1), сообщающимся с атмосферой.

Тангенциальный сопловой закручивающий аппарат 3 (фиг. 1, 2) содержит два входных патрубка 6, 7 (фиг. 1, 2). Патрубок 6 (фиг. 1, 2) соединен с выхлопным коллектором двигателя (не показано), а патрубок 7 (фиг. 1, 2) расположен на торцевой стенке 8 (фиг. 1), в приосевой зоне, соосно центральной оси вихревой камеры 2 (фиг. 1).

Патрубок 7 (фиг. 1, 2) соединен с электрической разрядной камерой 4 (фиг. 1, 3) и выполнен с выходным отверстием 9 (фиг. 1), диаметр которого меньше диаметра вихревой камеры 2 (фиг. 1).

Электрическая разрядная камера 4 (фиг. 1, 3) выполнена вихревой, с тангенциальным сопловым закручивающим аппаратом 10 (фиг. 1, 3), с одним или несколькими высоковольтными электродами 1 (фиг. 1, 2, 3).

Электрическая разрядная камера 4 (фиг. 1, 3) выполнена в виде осесимметричного щелевого конфузора 11 (фиг. 1), соединенного в периферийной части кольцевым каналом 12 (фиг. 1) с атмосферой, а в приосевой части щелевой конфузор сопрягается с патрубком 7 (фиг. 1, 2), выходящим в вихревую камеру 2 (фиг. 2).

Высоковольтные электроды 1 (фиг. 1, 2, 3) размещены на внешней торцевой стенке 13 (фиг. 1) щелевого конфузора 11 (фиг. 1).

Внешняя поверхность торцевой стенки 8 (фиг. 1) проточной части щелевого конфузора 11 (фиг. 1) спрофилирована по лемнискате Бернулли.

Внутренняя поверхность вихревой камеры 2 (фиг. 2) выполнена с углом раскрытия равным от 0 до 14 градусов в направлении от тангенциального соплового закручивающего аппарата 3 (фиг. 1, 2).

Способ снижения выбросов в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания осуществляется следующим образом.

Горящие выхлопные газы формируют в виде сильно закрученного внешнего активного потока, в который вводят воздух из атмосферы, сформированный в виде сильно закрученного внутреннего пассивного потока воздуха, обработанного электрическими разрядами, генерирующими в потоке воздуха вращающиеся электрические разряды, озонирующие воздух, а затем смешивают обработанный воздух с горящими выхлопными газами периферийного потока.

В результате полезного использования потенциальной энергии давления выхлопных газов, выходящих из камеры (камер) сгорания ДВС, осуществляются следующие процессы:

- осуществляется дополнительный подвод воздуха из атмосферы в виде приосевого потока за счет формирования горящими выхлопными газами активного внешнего сильно закрученного потока, что способствует окислению несгоревших углеводородов;

- происходит интенсификация химических реакций окисления за счет формирования на границе внешнего и внутреннего потоков высокоразвитой анизотропной турбулентности, превалирующей в радиальном направлении, приводящей к интенсификации тепло- и массообменных процессов в радиальном направлении, в поле с высоким радиальным градиентом статического давления, и генерирование интенсивных высокочастотных и низкочастотных акустических колебаний давления, что способствует окислению несгоревших углеводородов.

В результате формирования потока воздуха, обработанного электрическими разрядами, генерирующими в потоке воздуха вращающиеся электрические разряды, озонирующие воздух, а затем смешения обработанного воздуха с горящими выхлопными газами внешнего потока происходит интенсификация химических реакций окисления за счет использования образовавшегося озона, что способствует окислению несгоревших углеводородов.

Устройство, реализующее предлагаемый способ снижения выбросов в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания, работает следующим образом.

Выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания поступают из выхлопного коллектора (не показано), через патрубок 6 (фиг. 1, 2), в тангенциальный сопловой закручивающий аппарат 3 (фиг. 1, 2).

Разогнанный в сопловом аппарате 3 (фиг. 1, 2) поток выхлопных газов поступает в вихревую камеру 2 (фиг. 1), формируя в ней сильно закрученный внешний активный поток выхлопных газов. В вихревой камере 2 (фиг. 1) в плоскости отверстия 9 (фиг. 1) патрубка 7 (фиг. 1, 2) формируется высокий радиальный градиент статического давления. В результате этого между атмосферой и вихревой камерой возникает перепад давления, который приводит к формированию потока воздуха из атмосферы через электрическую разрядную камеру 4 (фиг. 1, 3) в вихревую камеру 2 (фиг. 1). Воздух входит через кольцевой канал 12 (фиг. 1) в тангенциальный сопловой закручивающий аппарат 10 (фиг. 1, 3), формируя в проточной части осесимметричного щелевого конфузора 11 (фиг. 1) сильно закрученный поток воздуха.

В результате подачи на высоковольтные электроды 1 (фиг. 1, 2, 3) высокочастотного короткого импульсного тока высокого напряжения от бортового источника (не показано) в щелевом конфузоре 11 (фиг. 1) формируется сильно закрученный поток ионизированного пассивного воздуха, который поступает через патрубок 7 (фиг. 1, 2) и отверстие 9 (фиг. 1) в вихревую камеру 2 (фиг. 1) в виде внутреннего сильно закрученного потока.

В результате интенсивного энергомассообмена в поле с высокоразвитой анизотропной турбулентностью, превалирующей в радиальном направлении, осуществляются интенсивные химические процессы окисления углеводородов в выхлопных газах. Подача относительно холодного воздуха из атмосферы способствует снижению температуры в вихревой камере, что в сочетании с коротким временем пребывания в горячей зоне вихревой камеры приводит к «заморозке» реакций синтеза окислов азота и к снижению выбросов в выхлопных газах на выходе их из отверстия 5 (фиг. 1) камеры 2 (фиг. 1).

1. Устройство для снижения выбросов в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания, содержащее источник электрического поля, присоединенный к бортовому источнику электроэнергии, высоковольтные электроды, присоединенные к выходам источника электрического поля, отличающееся тем, что устройство размещено за выхлопным коллектором и выполнено в виде вихревого эжектора, содержащего вихревую камеру с тангенциальным сопловым закручивающим аппаратом и электрическую разрядную камеру с высоковольтными электродами, установленными на внешней торцевой стенке щелевого конфузора, при этом вихревая камера соединена с тангенциальным сопловым закручивающим аппаратом и выходным патрубком, сообщающимся с атмосферой, при этом тангенциальный сопловой закручивающий аппарат содержит два входных патрубка, один из которых соединен с выхлопным коллектором, а другой патрубок расположен на торцевой стенке, в приосевой зоне, соосно центральной оси вихревой камеры, с выполненным выходным отверстием, диаметр которого меньше диаметра вихревой камеры, и соединен с электрической разрядной камерой вихревого типа с тангенциальным сопловым закручивающим аппаратом, выполненной в виде осесимметричного щелевого конфузора, соединенного в периферийной части с атмосферой, а в приосевой части щелевой конфузор сопрягается с патрубком, выходящим в вихревую камеру.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внешняя поверхность проточной части щелевого конфузора спрофилирована по лемнискате Бернулли.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что внутренняя поверхность вихревой камеры выполнена с углом раскрытия равным от 0 до 14 градусов в направлении от тангенциального соплового закручивающего аппарата.