УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Устройство для снижения токсичности отработавших газов транснортных средств.
Полезная модель относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), преимущественно к поршневым ДВС, предназначенным для использования в автотранспортных средствах.
Для ДВС механизмы смесеобразования при карбюрации и центральном впрыскивании топлива имеют много общего, так как топливо в обоих случаях вводится в воздушный поток в одном и том же месте впускного тракта - перед впускным трубопроводом. Сразу же после выхода струи топливовоздушной смеси (в дальнейшем - ТВС) из распылителя или карбюратора начинается ее распад в результате неравномерного воздействия на струю ТВС, возникающих при ее движении аэродинамических сил. Это приводит к образованию в локальных областях впускного тракта крупных капель и пленок горючего, оседающих во впускном коллекторе. Это приводит к неравномерности ТВС по составу в объеме коллектора и соответственно к неравномерному заполнению цилиндров ДВС топливом. В среднем неравномерность заполнения цилиндров ДВС при его работе достигает 20%. Вследствие этого эффективность работы двигателя снижается и возрастает токсичность его выхлопов. Более подробно об этом и в, частности, о смесеобразовании см. в книге «Двигатели внутреннего сгорания Луканин В.Н. и др, М, Высшая школа, 1995г.
Исследованиями установлено, что качество смеси ТВС решающим образом влияет на процесс ее сгорания и состав выхлопных газов. Как известно, автотранспорт является наиболее крупным загрязнителем окружающей среды; поэтому снижение токсичности их выхлопных газов является важнейшей современной экологической проблемой.
Из предшествующего уровня техники известен ряд технических решений направленных на снижение токсичности выхлопных газов ДВС. Например, в патенте Франции №2090644, кл. F02d 3/00,1972 эта проблема частично решается за счет того, что устройство для регулирования впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием, содержит на впускном трубопроводе сблокированный с органом дозирования топлива, воздухомер подключенный к байпасному каналу, в котором установлен запорный элемент, подключенный через
М.КЛ. F 02D 9/02 F 02D 3/00
Полезная модель
орган управления к датчику управляемого параметра двигателя, и расположенным за ними дросселем.
Эта система не нашла широкого распространения из-за ненадежности работы на разных режимах работы двигателя и сложности изготовления и обслуживания.
В качестве прототипа настоящей полезной модели авторами выбрано устройство для подачи горючей смеси воздуха и топлива в коллектор ДВС по патенту РФ № 1516016 ,1986г.
По прототипу, над впускной частью коллектора выполнен конический канал с установленным в нем клапаном-форсункой. В процессе работы струя распыляемого топлива, истекающая из клапанафорсунки смешивается с потоком воздуха с образованием вихревой пелены. Генерируемые таким образом топливовоздушные вихри гюступают через дроссельную заслонку в коллектор. Это способствует образованию однородной топливовоздушной смеси и в конечном итоге снижает токсичность выхлопа.
Недостатком прототипа является то, что энергия вихрей рассеивается при прохождении дроссельной заслонки и впускного коллектора. Кроме того, устройство требует существенного переоборудования серийных автомобилей.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание простого и надежного в эксплуатации устройства, позволяющего сушественно снизить токсичность выхлопных газов ДВС.
Поставленная задача решена за счет того, что устройство для снижения токсичности отработавших газов транспортных средств, содержащее коллектор с входными, промежуточными и выходными участками, согласно полезной модели, входные, промежуточные и выходные участки коллектора дополнительно снабжены генераторами акустических колебаний. Предпочтительно, чтобы генераторы акустических колебаний были выполнены в виде размещенных в коллекторе вставокгенераторов с проходными каналами для пропуска ТВС, поверхности каналов которых выполнены с множеством акустических элементов в виде глухих отверстий и щелей различной формы, размеров и наклона к оси проходного канала, в том числе и в виде тангенциально-наклонно-винтовых, при этом в средней части коллектора вставка-генератор может быть выполнена в виде решетки, с множеством проходных каналов, снабженных акустическими элементами. Кроме того, проходные каналы вставок могут быть выполнены цилиндрическими, коническими, или в виде диффузоров. В варианте устройства, генераторы акустических колебаний могут быть встроены, или выполнены заодно с коллектором при его изготовлении.
Предложенное устройство позволяет без существенного изменения конструкции ДВС, существенно снизить токсичность их выхлопов и улучшить за счет этого экологию атмосферы.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:
На фиг. 1 показана проставка генератор (вид сверху);
на фиг. 2. -тоже (сечение фиг.1 -вид сбоку);
на фиг. 3 4 показаны типичные схемы коллекторов бензиновых двигателей, в данном случае четырех и двух цилиндровых;
на фиг. 5 показан вариант выполнения вставки-генератора в виде втулки, размещаемой на выходном участке коллектора;
на фиг. 6 и 7 - показаны варианты выполнения проходных каналов для ТВС во вставках генераторах (в виде проставки, решетки и втулок);
на фиг.8 условно показана вставка в виде решетки, устанавливаемая в средней части коллектора;
на фиг. 9,10,11 - показаны схемы вариантов размещения вставок -генераторов на отдельных участках коллектора;
на фиг. 12 - показан график зависимости мощности двигателя и его эффективности в зависимости от нагрузки.
Устройство для снижения токсичности отработавших газов транспортных средств включает коллектор 1 и вставки-генераторы, которые в зависимости от участков коллектора в которых они установлены, имеют разную форму. На входном участке коллектора 1, вставка-генератор по форме и размеру соответствует посадочному (под вставку) месту 2 и неподвижно закреплена на входе в коллектор 1. На этом участке коллектора 1, вставка-генератор выполнена в виде проставки 3 с двумя проходными каналами 4 и 5. Для других участков коллектора 1, например, для его конечных частей, вставки-генераторы выполнены в виде втулок 6 с проходными каналами 7; для средней части коллектора 1 вставка-генератор имеет вид решетки 8 с множеством проходных каналов 9. На поверхности всех проходных каналов 4,5,7,9 выполнены акустические элементы 10 в виде множества глухих отверстий и щелей различной формы, размеров и наклона к оси проходного канала (соответствующей вставки), в том числе и в виде тангенциально-наклонно-винтовых.
Предпочтительно, чтобы на конечных участках коллектора 1 вставки-генераторы 6 устанавливались как можно ближе к головкам цилиндров двигателя, см. Ффиг.10,11.
Для повышения эффективности работы, в некоторых случаях, проходные каналы 4,5,7,9 могут иметь, кроме цилиндрической, также и другую форму, например, коническую (имеется в виду прямой конус) с углом конусности до 15,см.фиг.6, а также и форму в виде диффузора, см. фиг. 7. 3
Работа устройства осуществляется следующим образом.
При прохождении ТВС через каналы 4,5,7,9 вставок-генераторов 3, 6, 8 , в потоке ТВС, посредством акустических элементов 10 возбуждаются акустические колебания. За счет того, что акустические элементы 10 выполнены разного размера и наклона в потоке ТВС генерируются акустические колебания с щироким частотным спектром. Совокупность этих колебаний образует акустическое поле, воздействующее на ТВС. По существу каждое глухое отверстие (щель) т.е. акустический элемент 10 является псевдогенератором Гельмгольца. Возникающее акустическое поле препятствует образованию топливных пленок и диспергирует капли топлива, в результате происходит гомогенизация ТВС с усреднением ее во внутреннем пространстве коллектора 1 по составу.
Гомогенизированная таким образом ТВС сохраняет свои свойства вплоть до гюступления в цилиндры двигателя.
При необходимости (это касается относительно крупных коллекторов некоторых моделей автомобилей), в средней части коллектора 2 может быть установлена вставка-генератор в виде рещетки 8 с каналами 9, а на его конечных участках (вблизи головок цилиндров двигателя) могут быть установлены вставки-генераторы в виде втулок 6 с проходными каналами 7.
Это позволяет не только сохранять, но и повышать степень гомогенизации ТВС при ее движении в объеме коллектора 1. Следует отметить, что вставка-генератор, выполненная в виде рещетки 8 с каналами 9, по сравнению с другими вариантами вставок-генераторов, наиболее чувствительна к колебаниям, передающимся на нее от работы двигателя, т.е. рещетка 8 частично работает как активный источник колебаний. Это позитивно влияет на гомогенизацию ТВС, поскольку расширяется спектр частот колебаний акустического поля, воздействующего на ТВС в объеме коллектора. Вследствие того, что в средней части коллектор 1 имеет наибольщее по площади сечение, в этой части коллектора скорость потока ТВС падает. Поэтому выполнение вставки-генератора в виде рещетки 8 позволяет в средней части коллектора разделить поток ТВС на струи, протекающие через каналы 9 и за счет кинетической энергии этих струй, по крайней мере, не ухудщить гомогенность ТВС в этой части коллектора I.
На фиг. 10 показан вариант применения предложенного устройства для системы с многоточечным впрыском. Этот вариант характеризуется тем, что локальное взаимодействие турбулизированнь х струй воздуха и струй топлива приводит к гомогенизации ТВС при поступлении ее в цилиндры двигателя, т.е. предложенное устройство применимо по существу к любым современным системам впрыска топлива.
При экспериментальной проверке, были испытаны несколько вариантов выполнения вставкигенератора в виде проставки 3. В результате достигнута устойчивая работа двигателя при оборотах около 650 об/мин., с расходом топлива на 25% ниже обычно потребляемого таким типом двигателя (для режима холостого хода).
Также были проведены испытания на стенде при следующих условиях: двигатель (3.63 квт) одноцилиндровый, четырехтактный; привод на генератор постоянного тока с вариантами нагрузок (спирали сопротивлением около 1 ом) 1, 2, 3, 4 спирали; заправка на 1 эксперимент постоянно была равна 300 г бензина. Проведены сравнение развиваемой мощности W  J х U в штатном состоянии и с устройством. (Результаты экспериментов представлены на графиках, см. рис 12).
Эффективность по мощности ( Wn - полезной) выросла с 17 % до 26.3 % при увеличении нагрузки, причем достигает max значения с двумя спиралями и при увеличении нагрузки сохраняется.
Отобраны и проанализированы на хромотографе пробы выхлопных газов: по 5 проб - холостой режим, стандартный - равномерный, частичной и полной нагрузки (ВАЗ - 21083). Каких-либо корреляционных закономерностей по режимам не установлено.
Среднее значение выбросов составило в % об: Н2 - 0.03; СО - 0.19; СН - 0.18; NOx - 0.79.
В процессе проведения экспериментов на стендовом двигателе проводились экспресс - измерения СО в выхлопных газах. Получены следующие результаты:
Как видно из приведенных данных снижение СО составило 54%. Результаты анализов состава выхлопных газов Применение предложенного устройства позволяет снизить выбросы СО (для этого типа двигателей) до 0,23%, т.е. более чем в браз.
Промышленная применимость предложенного устройства очевидна, т.к. его применение не требует существенного изменения конструкций ДВС. В тоже время предложенное устройство может быть применено как к старым, так и к новым типам ДВС с практически любыми системами впрыска. Не представляет никаких трудностей для отечественных производителей двигателей внести изменения в конструкции коллекторов и встроить акустические генераторы непосредственно в коллекторы. Это позволит выпускать автомобили с ДВС, соответствующим (по токсичности выхлопных газов) мировым стандартам.
Важным аспектом применения предложенного устройства является снижение вредных газовых составляющих от автомобильных выхлопов в атмосфере крупных городов. Широкое применение предложенного устройства позволяет коренным образом решить эту проблему.
Дополнительным эффектом от применения предложенного устройства является то, что улучшение качества ТВС приводит при работе к равномерному заполнению топливом всех цилиндров двигателя, это повышает экономичность и ресурс работы ДВС. значения, выпадающие из нормального распределения - исключаются. Для двигателей типа ВАЗ допустимая норма выброса составляет 1,5% СО.