РЕАКТОР ТЕРМИЧЕСКОЙ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ICE EXHAUST GAS THERMAL NEUTRALISATION REACTOR

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в выхлопных системах двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
2
2
2
n
m
x
n
m
n
m
x
ДВС выбрасывает в атмосферу продукты полного (водяной пар HO, азот Nи углекислый газ СO) и неполного сгорания топлива (оксид углерода СО, не окисленные остатки углеводородов CH, оксиды азота NO и др.), которые являются токсичными. Как показывает мировой опыт (ЕС, США, Япония и др.), для полноценной очистки выхлопных газов целесообразно применять комбинированные методы, в которых сочетаются способы грубой, средней и тонкой очистки газов и паров, а для доочистки - каталитические. Например, для дизельных ДВС, отвечающих экологическим нормам Евро-5/Евро-6, компания Ecocat разработала систему Selective Catalytic Reduction (SCR), в которой применены четыре камеры, выстроенные в последовательную цепь. Непосредственно на выпускной коллектор монтируют «предкатализатор», снижающий содержание углеводородов и оксидов азота. Затем идет катализатор, выполняющий дополнительную очистку выхлопных газов и снижающий давление выхлопа. Последним стоит финишный катализатор. Технология SCR предусматривает впрыск в выхлопную систему раствора мочевины. Каталитические нейтрализаторы дорогостоящи, чувствительны к присутствию в выхлопных газах Fe, S, Cu, Pb, CH, частиц сажи. Металлы и сера разрушают каталитический слой, а углеводороды и сажевые частицы закупоривают тонкие каналы каталитического устройства. Поэтому целесообразна предварительная очистка газов, которая может быть решена за счет применения способа термической нейтрализации. Термическая нейтрализация не зависит от вида сжигаемого топлива. Устройства, в которых способ реализуется, долговечны, но не дают полного окисления СО и CH и не восстанавливают NO. Необходимым условием применения способа являются температура в реакторе (более 900°C), избыток кислорода и активное перемешивание (турбулизация потока газов). Для нейтрализации оксидов азота применяют раствор мочевины, а повышение температуры газов в реакторе осуществляют за счет снижения теплопотерь посредством применением экранов, теплоизоляцией корпуса реактора, использованием тепла реакции окисления, преобразованием кинетической энергии выхлопных газов в тепловую энергию. Устройства, в которых реализуется каталитическая нейтрализация, обладают повышенным аэродинамическим сопротивлением, что снижает кпд ДВС.
Известно устройство, осуществляющее термическую нейтрализацию выхлопных газов ДВС, описанное в патенте №2413849 RU. Содержит выпускные патрубки, камеру термического реактора и вспомогательную камеру, соединенные между собой. В патрубках размещены турбулизирующие решетки. В полости камеры термического реактора (далее - реактора) перед местом введения выпускных патрубков установлены клиновидные выступы, увеличивающие эжекторное разрежение в патрубках, и перфорированные пластинки, изготовленные из материала большой теплоемкости. Реактор функционирует следующим образом. Поток выхлопных газов по патрубку входит тангенциально в тороидальную полость реактора. На турбулизирующей решетке происходит его турбулизация, и часть кинетической энергии переходит в тепло. В полости реактора формируется вращающийся поток выхлопных газов, в котором под действием центробежной силы увеличивается плотность и протекает сепарация частиц сажи. На клиновидных выступах, размещенных перед патрубками и на перфорированных пластинках, поток газов дополнительно уплотняется и турбулизируется. При этом в патрубках формируется эжекторное понижение давления, что способствует очистке цилиндров. Во вращающемся потоке, в условиях активного тепловыделения и теплообмена, в паро-воздушной среде с высокой турбулентностью потока и избыточным содержанием кислорода (зоне термической нейтрализации), происходит термическая нейтрализация (окисление) выхлопных газов. Реактор обладает комплексом положительных свойств. В том числе:
- реализует первичную нейтрализацию выхлопных газов;
- формирует разрежение в выпускных патрубках и повышает давление в реакторе (удаляет продукты сгорания из цилиндра ДВС);
- выравнивает поток газов по скорости, плотности, температуре (снижает давление выхлопа, осуществляя при этом гашение энергии импульсного потока).
По совокупности отличительных признаков описанное устройство является наиболее близким к предлагаемому изобретению.
Недостатком описанного устройства является недостаточно высокая эффективность термической нейтрализации выхлопных газов.
Задачей, решаемой изобретением, является повышение эффективности термической нейтрализации выхлопных газов и улучшение положительных свойств реактора.
Задача решается тем, что реактор термической нейтрализации выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания содержит камеру тороидальной формы, к которой подключены выпускные патрубки с установленными турбулизирующими решетками. Перед местом введения выпускных патрубков в полости камеры установлены клиновидные выступы. Кроме того, в полости камеры параллельно плоскости ее большего сечения установлены перфорированные пластинки, изготовленные из материала с большей теплоемкостью. Согласно изобретению перед отверстиями на перфорированных пластинках со стороны движущегося потока установлены симметрично с двух сторон клиновидные выступы, а на противоположной стороне отверстий в теле пластинок изготовлены скосы, формирующие клин. Кроме этого на боковых поверхностях и торцах перфорированных пластинок одним из торцов закреплены кольца (обручи, обечайки), центры которых совпадают с формообразующей осью тороидальной камеры, при этом противоположным торцевым частям колец придана зубчатая форма и зубцы на кольцах оснащены фасками, а между торцами колец равного диаметра сформирована щель. Как вариант исполнения - перфорированные пластинки выполнены гофрированными с ребрами, при этом ребра ориентированы по радиусам тороидальной полости камеры реактора.
Благодаря этому достигается заявленный технический результат:
- повышена степень нейтрализации выхлопных газов от содержащихся в них частиц и оксида углерода;
- повышена эффективность выравнивания потока газов по температуре, скорости и плотности (гашение энергии импульсного потока);
- сохранено эффективное формирование разрежения в выпускных патрубках и повышение давления в термическом реакторе (улучшено удаления продуктов сгорания из цилиндра ДВС).
Устройство реактора имеет простую конструкцию и позволяет достигать комплексный положительный технический эффект. Может применяться во всех типах ДВС, в том числе авиационных.
Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков предлагаемого изобретением реактора с достижением указанного технического результата.
Сущность изобретения показана на чертежах, где:
Фиг.1 - схематическое сечение камеры реактора по формообразующей оси;
Фиг.2 - схематический разрез реактора в плоскости большего сечения;
Фиг.3 - фрагмент схематического разреза реактора;
Фиг.4 - схематические разрезы перфорированных пластинок с примером (схема) формирования пульсирующего потока на клиновидных выступах;
Фиг.5 - аксонометрическое изображение фрагмента термической зоны реактора;
Фиг.6 - пример выполнения зубчатого кольца с фасками.
Сущность изобретения поясняется примером выполнения реактора.
Реактор (фиг.1-2) содержит корпус - тороидальную камеру 1. Выпускные патрубки 2, в которых установлены турбулизирующие решетки 3 (фиг.2), подсоединены к тороидальной камере 1. В полости тороидальной камеры 1, перед местом ввода выпускных патрубков 2 установлены клинообразные выступы 4 (фиг.2). Кроме этого в тороидальной камере 1 установлены перфорированные пластинки 5 (теплообменники) с отверстиями 6, выполненные из материала с большой теплоемкостью. Перед отверстиями 6 по ходу движения потока газов на перфорированных пластинках 5 установлены клиновидные выступы 7 симметрично с двух сторон пластинок 5, а противоположной стороне отверстий 6 придана клиновидная форма 8 (отверстия 6 могут быть круглой, квадратной и т.п. формы). Кроме этого на боковых поверхностях и торцах перфорированных пластинок 5 закреплены одним из торцов кольца 9 (обручи, обечайки), центры которых совпадают с формообразующей осью тороидальной камеры и разделяют полость реактора на секции 10, 11, 12 и каналы 13, 14, 15 (количество секций и каналов зависит от конструкции реактора). При этом противоположным торцевым частям колец 9 придана зубчатая форма и зубцы на кольцах оснащены фасками 16 (фиг.3, 4, 5). Между торцами колец равного диаметра сформирована щель 17. Щель 17 может быть различной ширины и конфигурации: зигзагообразной (фиг.6) - предпочтительно линейной и иметь постоянную ширину 17 (фиг.1, 3, 4), волнообразной и т.д., что определяется формой свободных торцевых частей пластинок 5. Как вариант исполнения - перфорированные пластинки 5 секции 11 (и последующих секциях, если они предусмотрены конструкцией реактора) выполнены гофрированными 18 (фиг.5) с ребрами 19 и формируют каналы переменного сечения. Ребра 19 ориентированы по радиусам тороидальной полости камеры 1 реактора.
2
2
Реактор функционирует следующим образом. При движении импульсного потока выхлопных газов 20 по патрубку 2 (фиг.2, 4) на турбулизирующей решетке 3 происходит его турбулизация. При этом часть кинетической энергии потока переходит в тепло, что сопровождается увеличением температуры выхлопных газов. Поступающие по патрубкам 2 в секцию 10 (фиг.2) последовательно один за другим порции выхлопных газов 20 формируют вращающийся поток 21 (фиг.2, 4), который создает в патрубках 2 эжекторное понижение давления, способствующее удалению продуктов сгорания из цилиндров ДВС. В пристеночной части камеры реактора (секция 10), в результате действия центробежных сил протекает сепарирование частиц и увеличивается давление, значительно превышающее противодавление выпускной системы ДВС. При этом формируется зона термической нейтрализации с турбулентным пограничным слоем, в которой протекает активное тепловыделение и теплообмен. Тепловыделение в секции 10 увеличено посредством установки перед отверстиями 6 на перфорированных пластинках 5 клиновидных выступов 7 и придание клиновидной формы 8 противоположной стороне отверстий 6. Это формирует за выступами 7 (фиг.5) пульсирующий поток - отрывное течение, которое попеременно чередуется по интенсивности с разных сторон перфорированной пластинки 5 и сопровождается преобразованием кинетической энергии потока в тепловую энергию. Постепенно поток газов 21 из секции 10 перетекает через щель 17 в секцию 11, где формируется поток 22, в котором сохраняется заданное в секции 10 направление вращения. При перетекании через щель 17, сформированную зубчатыми торцами колец 9, происходит хаотическая турбулизация потока 22, т.к. поток постоянно меняет направление и степень турбулизации. В условиях движения потока 22 по каналам 13-15 (секция 11), каждый из которых имеет переменное сечение, поток подвергается переориентации турбулентности (мгновенные оси вращения объемов потока ориентируются по радиусам камеры 1). Дополнительной дестабилизации потока 22 способствуют отверстия 6 (перфорация), выполненные на пластинках. Проходящий в параллельных каналах 14, 15, 16 переменного сечения (секция 11) поток 22, благодаря формированию на отдельных участках разрежения (или избыточного давления), перетекает в параллельный канал, пересекает движущийся по нему поток 22 в поперечном направлении и дестабилизирует его. Это ведет к его торможению, дополнительной турбулизации и повышает эффективность преобразования кинетической энергии в тепло. Из секции 11 поток газов 22 перетекает через щель 17 в смесительную секцию 12 (фиг.2), в которой происходит формирование потока 23. Далее из камеры 1 поток газов 23 по соединительному каналу перетекает через вспомогательную камеру (фиг.1) в выхлопную трубу (не показано). Наиболее активное тепловыделение (преобразование кинетической энергии потока в тепловую энергию) происходит на турбулизирующей решетке 3, острых кромках колец (фасках 16), клиновидных выступах 4 и 7, ребрах гофрированных пластинок 19. В секциях 10 и 11 сконцентрирована наиболее энергоемкая часть потока выхлопных газов, представленная кинетической (масса, скорость) и тепловой составляющими (температура газового потока) энергии. В них увеличена интенсивность переноса количества движения, скорость протекания процессов тепло- и массопереноса, что приводит к ускорению экзотермической реакции окисления частиц (C и CO до CO и HO). В результате активного перемешивания и теплообмена происходит выравнивание скорости движения объемов потока, их плотности и температуры. Существенную роль в выравнивании импульсного потока по температуре выполняют теплообменники. Теплообменники, нагретые за счет конвективного теплообмена в начале такта выпуска, повышают температуру потока в период продувки цилиндра. При введении в поток выхлопных газов водного раствора мочевины и применении катализаторов устройство обеспечивает первичную нейтрализацию оксидов азота.
Устройство реактора имеет простую конструкцию и позволяет достигать положительный эффект в широком диапазоне мощностей ДВС (не имеет ограничений). Варьируя размерами, формой и количеством конструктивных элементов, позволяет усиливать те или иные свойства реактора.