УСТРОЙСТВО СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ В ВЫХЛОПНЫХ ГАЗАХ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
DEVICE FOR REDUCTION OF EMISSIONS IN EXHAUST GASES OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

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).