УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ И РЕЦИРКУЛЯЦИИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована, например, в автомобилях для очистки выхлопных газов от токсичных соединений с целью снижения загрязнения атмосферы.
Из уровня техники известно устройство очистки выхлопных газов дизельных автомобилей (Заявка на изобретение RU №2005109523, опубликована 10.09.2006 г., МПК: F01N 3/00). Устройство содержит разрядную камеру с входным и выходным по отношению к потоку газа концами, систему фильтров-ловушек сажевых частиц и катализаторов, узел ввода СВЧ энергии и импульсный источник СВЧ энергии. При этом разрядная камера выполнена в виде металлической трубы, заполненной диэлектриком со сквозным отверстием для прохода газа. В этом отверстии на концах камеры размещены: фильтр сажевых частиц и катализатор. Узел ввода СВЧ энергии размещен на металлической трубе камеры и содержит кожух, выполненный в виде сегмента цилиндрической поверхности, соединенной с трубой камеры боковыми и торцевыми стенками и коаксиальной с трубой камеры. В стенке последней под кожухом выполнены два окна, смещенных относительно друг друга по азимуту на 90°. В кожухе выполнено окно, к которому подсоединен прямоугольный волновод. Причем боковые стенки кожуха совмещены с продольными краями окон трубы камеры, а поперечные сечения, проходящие через торцевые стенки, совмещены с поперечными краями всех окон, широкая стенка прямоугольного волновода ориентирована вдоль оси устройства.
К недостаткам данного устройства можно отнести сложность конструкции и недостаточную степень очистки газов от вредных примесей.
Известно устройство для очистки выхлопных автомобильных газов от частиц (Заявка на изобретение RU №2007144923, опубликована 10.06.2009 г., МПК: F01N 3/02). Устройство для очистки выхлопных автомобильных газов от частиц, встраиваемое на автомобильную выхлопную трубу, содержащее корпус и акустический четвертьволновой резонатор, выполненный в виде кольцевого четвертьволнового резонатора. При этом устройство с одной стороны закрыто отражательной крышкой, а внутри корпуса устройство имеет одностороннее упорное кольцо. Причем между односторонним упорным кольцом и отражательной крышкой размещена цилиндрическая втулка, имеющая отверстия для сообщения внутренней кольцевой полости четвертьволнового резонатора с внутренней полостью цилиндрической втулки, а между торцом корпуса и односторонним упорным кольцом по окружности корпуса расположен ряд отверстий для выхода выхлопного газа, очищенного от частиц.
К недостаткам данного устройства можно отнести недостаточную степень очистки газов от вредных примесей.
Известно устройство для очистки выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания (Заявка на изобретение RU №98108597, опубл. 27.02.2000 г., МПК: F01N 3/08). Устройство содержит генератор напряжения и выхлопной трубопровод для сбора и выброса наружу газа. Выхлопной трубопровод соединен с корпусом, в котором помещают ионизационную ячейку для производства разряда электронов и формирования ионизирующей части вдоль пути газа, электронную схему, которая питается от источника. Разряд производят таким образом, что электроны приобретают скорость, достаточную для разрывания периферийных электронных связей молекул газа и освобождения ионных молекул незагрязняющего вещества. Причем в ячейке помещают круговые симметричные электродные устройства. При этом электродные устройства включают, по крайней мере, одну пару коаксиальных катодов с круговой симметрией, каждый из которых имеет ряд металлических проволок, которые расположены на наружной кромке каждого из катодов, для образования круговой щетки. При этом проволоки направляют электроны по существу радиально к аноду, который размещен коаксиально вокруг катода. Причем катоды попарно соединены друг с другом стержнем определенной длины, а стержень, в свою очередь, соединен с помощью изолирующего устройства с электрическим выводом, который установлен на корпусе.
К недостаткам данного устройства можно отнести сложность конструкции и невысокую эффективность очистки выхлопных газов.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для очистки выхлопных газов (Патент на полезную модель RU №123463, опубликовано 27.12.2012 г., МПК: F01N 3/02), которое выбрано в качестве прототипа. Устройство для очистки выхлопных газов содержит электронную схему, выхлопной трубопровод для сбора и выброса газа, а также установленный и закрепленный на выхлопном трубопроводе корпус. При этом электронная схема выполнена в виде единого блока преобразователя энергии, включающего электродвигатель, реле-распределитель, индукционную катушку и коммутатор. Блок преобразователя энергии посредством проводов соединен с реактором, включающим установленные и закрепленные в корпусе разрядники, искровые промежутки которых находятся внутри корпуса и расположены по спирали относительно центральной оси корпуса реактора и по винтовой линии относительно поверхности корпуса реактора с шагом D/2, где D - диаметр корпуса. При этом угол наклона разрядников к центральной оси реактора α равен 22°-90°. Напротив искровых промежутков находится одно из отверстий направляющего аппарата, выполненного в виде круглой пластины с отверстиями, и установленного внутри корпуса реактора перед разрядниками. При этом после разрядников внутри корпуса реактора по винтовой линии размещены ребра-ловушки, а с внешней стороны корпуса установлен бункер для сбора угольной пыли.
К недостаткам данного устройства можно отнести недостаточную эффективность очистки выхлопных газов, отсутствие возможности их рециркуляции.
Технический результат предлагаемого технического решения заключается в повышенной эффективности очистки выхлопных газов от токсичных соединений и возможности экономии топлива за счет рециркуляции очищенных газов.
Технический результат достигается тем, что устройство для очистки и рециркуляции выхлопных газов содержит выхлопной трубопровод для сбора и выброса газа, электронную схему, соединенную с реактором, включающим установленные и закрепленные в корпусе разрядники, искровые промежутки которых находятся внутри корпуса и расположены по спирали относительно центральной оси корпуса реактора и по винтовой линии относительно поверхности корпуса реактора с шагом D/2, где D - диаметр корпуса. При этом угол α наклона разрядников к центральной оси реактора равен 22°-90°. Напротив искровых промежутков находится одно из отверстий направляющего аппарата, выполненного в виде круглой пластины с отверстиями, и установленного внутри корпуса реактора перед разрядниками. При этом оно отличается от прототипа тем, что дополнительно включает коробку, заслонку, трубопровод, центробежный фильтр, воздухозаборник, заслонку регулирующую, фильтр воздухозаборника, коллектор двигателя автомобиля. Причем пластины направляющего аппарата расположены под углом 15°-30°, что обеспечивает вихревое вращение струи выхлопных газов, подающихся на искровой промежуток разрядников, обеспечивая более эффективный обдув искровых промежутков, повышая коэффициент эффективности работы устройства по очистке выхлопных газов, при этом электронная схема включает генератор импульсов низкого напряжения, соединенный с индукционными катушками, установленными на каждом разряднике реактора.
Сущность полезной модели поясняется рисунками Фиг. 1 - Фиг. 2, где
Фиг. 1 - общий вид устройства для очистки и рециркуляции выхлопных газов;
Фиг. 2 - сечение А-А на Фиг. 1.
Устройство для очистки и рециркуляции выхлопных газов включает следующие узлы:
1 - аккумулятор 12 В,
2 - генератор импульсов низкого напряжения,
3 - индукционные катушки,
4 - разрядники,
5 - реактор,
6 - выхлопная труба автомобиля,
7 - искровой промежуток у разрядников,
8 - направляющий аппарат,
9 - пластины,
10 - отверстия направляющего аппарата,
11 - коробка,
12 - заслонка,
13 - трубопровод,
14 - фильтр центробежный,
15 - воздухозаборник,
16 - заслонка регулирующая,
17 - фильтр воздухозаборника,
18 - коллектор двигателя.
Устройство для очистки и рециркуляции выхлопных газов содержит питаемую от аккумулятора 12 В электронную схему 1, включающую генератор импульсов низкого напряжения 2, соединенный с индукционными катушками 3. При этом количество индукционных катушек 3 соответствует количеству разрядников 4, так как на каждом разряднике 4 реактора 5 установлена индукционная катушка 3.
Реактор 5 (Фиг. 2), установленный и закрепленный на выхлопной трубопровод 6 автомобиля, включает разрядники 4 с искровыми промежутками 7, направляющий аппарат 8. При этом разрядники 4 с искровыми промежутками 7 расположены внутри корпуса реактора 5 по спирали относительно центральной оси корпуса реактора (например, по спирали Архимеда) и по винтовой линии относительно поверхности корпуса реактора с шагом D/2, где D - диаметр корпуса. Причем угол наклона (α) разрядников 4 к центральной оси реактора 5 может находиться в диапазоне 22°-90°, в зависимости от типа автомобиля. Причем каждый искровой промежуток 7 находится на определенном расстоянии от центральной оси корпуса реактора 5. Эти расстояния отличны друг от друга из-за расположения разрядников 4 на корпусе реактора 5 по спирали. Количество разрядников 4 в реакторе 5 различно для разного типа машин. Например, для легковых машин требуется меньшее число разрядников, чем для грузовых, в связи с тем, что у них разные мощности и диаметры выхлопных трубопроводов.
Направляющий аппарат 8 (Фиг. 3), установленный внутри корпуса реактора 5 перед разрядниками 4, выполнен в виде круглой пластины 9 с отверстиями 10, количество которых соответствует количеству искровых промежутков 7 первого со стороны направляющего аппарата 8 ряда разрядников 4. При этом каждое отверстие 10 направляющего аппарата 8 расположено напротив определенного искрового промежутка 7. Причем пластины 9 направляющего аппарата 8 установлены наклонно, под углом β=15°-30°, что обеспечивает вихревое вращение струи выхлопных газов, подающихся на искровой промежуток 7 разрядников 4.
А также устройство содержит узел рециркуляции очищенных выхлопных газов, включающий коробку 11, заслонку 12, трубопровод 13, центробежный фильтр 14, воздухозаборник 15, заслонку регулирующую 16, фильтр воздухозаборника 17, коллектор двигателя автомобиля 18.
Коробка 11 является ловушкой для угольной пыли и служит для изменения направления потока выхлопных газов с поворотом на 180°. Это происходит за счет того, что направление потока газов в коробке 11 меняется в обратную сторону, таким образом происходит оседание частиц сажи, отделение их от потока газа и выброс наружу по мере накопления.
Заслонка 12 регулирует поток подаваемого газа.
Трубопровод 13 осуществляет подачу выхлопных газов в воздухозаборник 15 и камеру сгорания ДВС.
Центробежный фильтр 14 позволяет отсеивать крупные частицы угольной пыли.
Воздухозаборник 15 является воздушным фильтром атмосферного воздуха.
Заслонка регулирующая 16 размещена на сетке воздухозаборника.
Фильтр пластинчатый 17 воздухозаборника 15 предназначен для отсеивания мелких частиц угольной пыли.
Коллектор двигателя 18 осуществляет подачу смеси газа с воздухом в камеру сгорания ДВС.
Работа устройства для очистки и рециркуляции выхлопных газов осуществляется следующим образом. Ток от аккумулятора 1 автомобиля подается на генератор импульсов низкого напряжения 2, который генерирует импульсный ток низкого напряжения (12 В). После чего ток поступает на индукционные катушки 3, которые трансформируют низкое напряжение в высокое, которое подается на разрядники 4 реактора 5.
2
2
2
2
2
2
В искровых промежутках 7 разрядников 4, куда подаются струи выхлопного газа из выхлопного трубопровода 6 автомобиля через отверстия 10 направляющего аппарата 8, происходит процесс расщепления вредных примесей CO и NO на элементы C и O, N и O, благодаря ударному воздействию электрического разряда на молекулы CO и NO, атомы оксидов распадаются, поскольку потенциальная энергия, удерживающая атомы в молекуле, оказывается меньше, чем энергия, сообщаемая дробным электрическим разрядом. Причем процесс разрушения молекул CO и NO производится по всей площади сечения выхлопного трубопровода 6, так как во многих точках происходят разряды, что обусловлено конструкцией реактора 5, а именно: расположением разрядников 4 по винтовой линии и на разных расстояниях от оси реактора 5 по спирали, чтобы перекрыть максимально площадь сечения корпуса реактора 5, а также благодаря определенному углу наклона разрядников 4, что позволяет обеспечить максимальную обдуваемость искрового промежутка 7.
2
После очистки смесь выхлопных газов, расщепленная на углерод (угольную пыль), кислород и азот, направляется в коробку 11, которая является ловушкой угольной пыли, при закрытой заслонке 12 весь объем газа, частично восстановленный от вредных примесей (восстановленное топливо) поступает в трубопровод 13, а оттуда - в центробежный фильтр очистки 14, где еще раз очищается от крупных частиц углерода, а более мелкие частицы следуют в воздухозаборник 15, на который регулирующая заслонка 16 подает оптимальное количество очищенного газа, по составу близкого к атмосферному (воздух плюс угольная пыль, являющаяся топливом), и еще очищается от мелкой фракции углерода фильтром пластинчатым 17, после чего поступает с воздухом атмосферы в коллектор двигателя автомобиля 18. При регулировке заслонками 12 и 16 потока газа, поступающего в двигатель, после восстановления его частиц из выхлопных газов и добавления топлива в необходимом количестве (при частично открытой заслонке 12 устанавливается режим работы двигателя такой, что экономия топлива достигает 50 и более процентов, за счет рециркуляции очишенных от оксидов CO и NO выхлопных газов, отработанных двигателем. Таким образом достигается баланс
E=A+B-C, где
E - топливо, поступающее из бака;
A - топливо, восстанавливаемое после работы двигателя;
B - топливо, сгорающее при окислении воздухом;
C - топливо, восстановленное за счет рециркуляции выхлопных газов в присутствии кислорода, полученного после очистки.
При этом величина С может колебаться в широких пределах от 40% до 75%. При полном восстановлении топлива после очистки C≈E, это 100% работа рециркуляции, но этого никогда не будет, т.к. восстановленные выхлопные газы не заменят состав топлива, а лишь создают условие для повышения качества топлива, подаваемого из бака, за счет дополнительно выделяемого окислителя - кислорода, дожигания несгоревшего топлива в присутствии озона, как сильного окислителя при высоковольтном разряде, при потере значительного количества углерода за счет отслоения сажи, пыли углерода. Опыты показали (акт производственных испытаний прилагается), что при отрегулированном режиме работы дизеля МАЗ-3555 экономия топлива достигает 40-45%.
В результате работы устройства для очистки выхлопных газов, как показали лабораторные исследования (протокол №9 прилагается), степень очистки выхлопа составила около 90% по CO, потребляемая энергия - 20-30 Вт, выход кислорода - 5,8%, что соответствует восстановлению сжигаемого топлива с кислородом в количестве 32%, так как в воздухе в настоящее время содержится 18% кислорода (по нормам ПДК). Засорению устройство не подлежит, так как разрядники очищаются от углерода кислородом и озоном, образующимися при распаде оксидов. Таким образом, ресурс работы устройства не ограничен. За счет рециркуляции очищенных выхлопных газов появляется возможность экономии топлива до 50%.