УСТРОЙСТВО ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ
DEVICE FOR ENGINE EXHAUST GASES CLEANING

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Оно касается очистки отработавших газов двигателя от оксидов азота с использованием метода их селективного восстановления.
Одним из наиболее эффективных методов снижения содержания оксидов азота в отработавших газах является метод селективного восстановления оксидов азота. Широко применяемым на практике восстановителем является аммиак. Однако использование и хранение газообразного аммиака на транспортном средстве крайне затруднительно. Более удобно и безопасно для реализации процесса восстановления оксидов азота использовать в качестве реагента мочевину. Для этого с помощью форсунки осуществляют впрыск мочевины в поток горячих отработавших газов. В результате протекания многоступенчатой химической реакции образуется аммиак, который с отработавшими газами поступает на вход катализатора селективного восстановления оксидов азота, где происходит обезвреживание отработавших газов.
Наиболее близким заявленному изобретению является устройство очистки отработавших газов двигателя, представленное в европейском патенте №1785606, опубликованном 11.06.2014 г. Это устройство очистки содержит форсунку впрыска реагента перед катализатором селективного восстановления оксидов азота, расположенную на коленчатой трубке внутри гильзы, установленной на перфорированных опорных кольцах в трубопроводе выпуска отработавших газов. При работе двигателя поток отработавших газов, подходя к гильзе, разделяется на два потока. Одна часть потока поступает в пространство между гильзой и трубопроводом выпуска отработавших газов, а другая часть потока отработавших газов входит во внутреннее пространство гильзы. Отработавшие газы, соприкасаясь с внешними и внутренними стенками гильзы, быстро разогревают ее. При работе двигателя на режимах малых нагрузок разогретая гильза подогревает проходящий через нее поток отработавших газов, имеющих невысокую температуру. В разогретый поток отработавших газов, проходящий через гильзу, форсункой впрыскивается реагент, а именно мочевина. Высокая температура гильзы способствует быстрому испарению реагента даже в случае попадания его в момент впрыска на внутреннюю стенку гильзы. Это обеспечит эффективное протекание реакций превращения мочевины в аммиак, который затем поступит на вход катализатора, где произойдет обезвреживание отработавших газов. Однако при эксплуатации транспортного средства в реальных условиях время работы двигателя на режиме малых нагрузок, характеризующемся низкой температурой отработавших газов, может быть значительно продолжительнее времени снижения температуры гильзы. Вследствие этого в момент впрыска форсункой реагента в поток отработавших газов, имеющих низкую температуру, на внутренней стенке гильзы будут задерживаться капельки реагента, которые окажутся незахваченными потоком отработавших газов, проходящим через гильзу. Это понизит эффективность протекания реакций превращения мочевины в аммиак, что приведет к недостаточной степени очистки отработавших газов двигателя.
При создании устройства очистки отработавших газов двигателя решалась задача повышения эффективности очистки отработавших газов двигателя.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в обеспечении захвата потоком отработавших газов, проходящим через гильзу, всего распыляемого в гильзе реагента при работе двигателя на различных режимах.
Решение задачи повышения эффективности очистки отработавших газов двигателя достигается тем, что устройство очистки отработавших газов двигателя содержит форсунку впрыска реагента перед катализатором селективного восстановления оксидов азота, расположенную на коленчатой трубке внутри гильзы, установленной на перфорированных опорных кольцах в трубопроводе выпуска отработавших газов, при этом напротив отверстий опорного кольца, расположенного на входе в гильзу, установлены лепестковые клапаны.
На различных режимах работы двигателя в выпускной трубопровод поступает разное количество отработавших газов. С увеличением нагрузки на двигатель увеличивается количество отработавших газов в выпускном трубопроводе, вследствие чего возрастает скорость движения потока отработавших газов по трубопроводу и противодавление в нем. В зависимости от величины скорости потока отработавших газов лепестковые клапаны, установленные напротив отверстий опорного кольца, расположенного на входе в гильзу, автоматически поддерживают нужную скорость потока отработавших газов внутри гильзы. Это предотвращает соприкосновение реагента с внутренней стенкой гильзы в момент его впрыска и обеспечивает стабильные условия для захвата мочевины потоком отработавших газов и ее испарения при работе двигателя на различных режимах.
Клапаны выполнены в виде упругих пластинок, установленных на опорном кольце со стороны другого опорного кольца.
Опорное кольцо, расположенное на входе в гильзу, выполнено пирамидальным, имеющим плоские грани, на которых расположены упомянутые упругие пластинки. Выполнение опорного кольца пирамидальным, имеющим плоские грани, упрощает изготовление и монтаж на нем клапанов.
Упругие пластинки имеют форму трапеции, сужающейся в сторону гильзы, и прикреплены заклепками широким своим концом к опорному кольцу со стороны другого опорного кольца.
На фигуре 1 показано устройство очистки отработавших газов двигателя.
На фигуре 2 показано устройство очистки отработавших газов при малой нагрузке двигателя.
На фигуре 3 показано устройство очистки отработавших газов при средней нагрузке двигателя.
На фигуре 4 показано устройство очистки отработавших газов при большой нагрузке двигателя.
На фигуре 5 показано опорное кольцо, расположенное на входе в гильзу (изометрическая проекция).
Устройство очистки отработавших газов двигателя, представленное на фигуре 1, содержит катализатор 1 селективного восстановления оксидов азота, расположенный в трубопроводе 2 выпуска отработавших газов. Перед катализатором 1 установлена форсунка 3 впрыска реагента, в качестве которого используется мочевина. Форсунка 3 расположена на коленчатой трубке 4 внутри гильзы 5, установленной на перфорированных опорных кольцах 6, 7 в трубопроводе 2. Кольца 6, 7 прикреплены к внутренней поверхности трубопровода 2. Напротив отверстий 8 опорного кольца 6, расположенного на входе в гильзу 5, установлены лепестковые клапаны 9. Клапаны 9 выполнены в виде упругих пластинок, установленных на опорном кольце 6 со стороны другого опорного кольца 7.
Опорное кольцо 6, расположенное на входе в гильзу 5, выполнено пирамидальным. По периметру кольца 6 сделаны плоские грани 10 (см. фигуру 5). На этих гранях 10 напротив отверстий кольца 6 установлены упомянутые клапаны 9, представляющие собой упругие пластинки, имеющие форму трапеции, сужающейся в сторону гильзы 5. Эти пластинки прикреплены заклепками широким своим концом к опорному кольцу 6 со стороны другого опорного кольца 7.
В трубопроводе 2 перед катализатором 1 установлен турбулизатор 11 потока отработавших газов (см. фигуру 1).
Работа устройства очистки отработавших газов двигателя осуществляется следующим образом.
При работе двигателя по коленчатой трубке 4 подается реагент, используемый для очистки отработавших газов от оксидов азота. Форсункой 3 этот реагент впрыскивается внутрь гильзы 5 в поток горячих отработавших газов, распыляясь в виде факела 12 (см. фигуру 1). В гильзе 5 реагент испаряется и захватывается потоком отработавших газов, смешиваясь с ним. В результате протекания реакций термолиза и гидролиза образуется аммиак. Затем поток отработавших газов, содержащих аммиак, поступает на вход катализатора 1, где происходит обезвреживание отработавших газов.
При малой нагрузке двигателя давление отработавших газов в выпускном трубопроводе 2 сравнительно невелико, вследствие чего лепестковые клапаны 9 находятся в закрытом положении, полностью перекрывая отверстия 8 в опорном кольце 6 (см. фигуру 2). В этом случае весь поток отработавших газов (условно показан стрелками), проходя через выпускной трубопровод 2, направляется во внутреннее пространство гильзы 5, где он ускоряется и захватывает реагент, впрыскиваемый форсункой 3. В результате формируется надлежащий факел 12 распыла реагента на расстоянии от стенки гильзы 5, что предотвращает конденсацию реагента на гильзе 5.
При средней нагрузке двигателя скорость и, соответственно, давление потока отработавших газов становится уже значительным, таким, что под напором этого потока лепестковые клапаны 9 приоткрываются, пропуская через отверстия 8 кольца 6 часть потока отработавших газов в пространство между гильзой 5 и трубопроводом 2, уменьшая тем самым сопротивление течению отработавших газов (см. фигуру 3). Благодаря выполнению клапанов 9 в виде упругих пластинок, сужающихся в сторону гильзы 5 и прикрепленных широким своим концом к опорному кольцу 6 со стороны кольца 7, поток отработавших газов, проникающий в пространство между гильзой 5 и трубопроводом 2, проходит в непосредственной близости к гильзе 5, ускоряя нагрев самой гильзы 5 и проходящих внутри нее отработавших газов, повышая тем самым эффективность реакции превращения мочевины в аммиак. При частичном открытии клапанов 9 скорость проходящего через гильзу 5 потока отработавших газов остается достаточно высокой для сохранения надлежащей формы факела 12 распыла реагента. При выходе из гильзы 5 часть потока отработавших газов, содержащая пары аммиака, объединяется с частью потока отработавших газов, проходящей в обход гильзы 5. Эти части потока отработавших газов перемешиваются в турбулизаторе 11, после чего поток отработавших газов поступает на вход катализатора 1.
При работе двигателя на режимах больших нагрузок скорость и давление потока отработавших газов предельно повышаются, вследствие чего лепестковые клапаны 9 полностью открываются. В этом случае значительная часть потока отработавших газов поступает через отверстия 8 в пространство между гильзой 5 и трубопроводом 2, уменьшая таким образом противодавление в трубопроводе 2 (см. фигуру 4). При этом скорость потока отработавших газов, проходящего через гильзу 5, обеспечит оптимальную форму факела 12 распыла реагента, исключив его осаждение на гильзе 5.
Таким образом, снабжением устройства очистки отработавших газов двигателя лепестковыми клапанами, установленными напротив отверстий опорного кольца, расположенного на входе в гильзу, обеспечивается захват потоком отработавших газов, проходящим через гильзу, всего распыляемого в гильзе реагента при работе двигателя на различных режимах. В результате повышается эффективность очистки отработавших газов двигателя и при малых, и при средних, и при больших нагрузках двигателя.