СИСТЕМА ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B75/10 F01N3/08 

Изобретение относится к устройствам снижения токсичности поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано для повышения эффективности очистки отработанных газов (ОГ) в выпускной системе.

В настоящее время известно большое количество устройств очистки ОГ от токсичных примесей путем модернизации подготовки и подачи топлива и непосредственную очистку в выпускном тракте. К этим путям относятся устройства обеспечивающие рециркуляцию ОГ, различного вида катализатора и нейтрализаторов, фильтров и циклонов.

Известна выпускная система авт. свид. N 1.263.892, F 01 N 3/08 снижения токсичности ОГ двигателя, в выхлопной трубе которого установлен электрод в виде сопла, подсоединенный к дополнительному высоковольтному источнику. При подаче напряжения между соплом и торцом выхлопной трубы ДВС образуется тлеющий разряд, вызывающий синтез озона из подсасываемого воздуха, который и доокисляет окислы и диоксиды серы, углерода и азота в нерастворимые аэрозоли сульфатов, сульфидов и нитратов.

Однако данная система требует изменения конструкции выхлопной трубы (за глушителем) для изготовления тончайших (до 0,3 мм) продольных прорезей для подсоса атмосферного воздуха и использование сложного по изготовлению сопла, изолированного от массы машины. Поскольку данное устройство находится под машиной, то его как ресурс, так и надежность работы оказываются низкими. Кроме того для покрытия утечек по опорной изоляции сопла используемый источник питания должен быть достаточно мощным, а его КПД оказывается низким.

Наиболее близким техническим решением является ДВС по авт. св. N 1.802.183 F 01 N 3/08, в котором содержится трубопровод подвода вторичного воздуха в систему выхлопа и систему зажигания с распределителем, в котором происходит озонирование вторичного воздуха. Однако эта система не в полном объеме решает поставленную задачу: не воздействует на диоксид азота и сажу и поэтому не может использоваться в дизелях.

Целью изобретения является создание надежного и сравнительно простого устройства для выпускной системы двигателя внутреннего сгорания значительно снижающего токсичность отработавших газов путем зарядки, транспортировки и осаждения твердой фракции ОГ и их доочистку до твердых аэрозолей.

Поставленная цель достигается тем, что система выхлопа поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащая выхлопную трубу с глушителем, циклоном на ее выходе, высоковольтный источник зажигания и источник ионизации с коронирующей системой, отличающаяся тем, что зарядка отработавших газов происходит в ионизаторе-фильтре согласованно включенном за глушителем на выхлопную трубу и снабженном электродами в виде удлиненных лезвий, расположенных по радиусу цилиндрического корпуса в виде многолучевой звезды с расстоянием между вершинами лезвий составляющим два межэлектродных расстояния определяемого выражением

где
h межэлектродное расстояние между вершиной коронирующего лезвия и внутренней поверхностью корпуса, в см;
r₀ радиус вершины лезвия, в см;
I_р постоянная составляющая суммарного разрядного тока, в mA;
m число лезвий в коронирующей системе;
U_N выходное напряжение высоковольтного источника зажигания, в кВ;
U_кр напряжения зажигания короны выбранной коронирующей системы.

Для выхлопного тракта числовое значение напряжения зажигания короны определяется как
U_кр= 20,5 r_oδ[1+0,634(r_oδ)^-0,38],
где
относительная плотность отработавшего газа;
P, T давление и температура в выпускной системе в зоне установки фильтра;
μ молекулярный вес отработанного газа на выходе фильтра.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображено сечение ионизатора-фильтра, включаемого в тракте выхлопной системы сразу же за глушителем, поскольку в этой зоне температура обработанных газов уже достаточно снижена и не превышает 120^oC.

Здесь для бензинового двигателя внутреннего сгорания цилиндрический корпус 1 с помощью небольшого торцевого уширителя плотно насаживается на выходной патрубок глушителя так, чтобы торец последнего "уперся" в опорно-проходной изолятор 2, выполненный из керамики. В изолятор ввинчен коронодержатель 3, выполненный, например, в виде шестигранника строго заданной длины l_a= L, к боковым поверхностям которого крепятся изогнутые в виде расширяющегося корыта из металлической сетки с ячейкой 0,3-0,5 мм с коронирующими лезвиями 4. Брать сетку из нержавеющей стали с ячейкой менее 0,3 мм нельзя из-за того, что она перестает быть "прозрачной" для ОГ при малых расходах (Q <0,5 м³/ч), а более 0,5 мм из-за ограничений по величине имеющегося в ДВС высоковольтного источника.

Выбор предложенной многолучевой формы коронирующих лезвий продиктован направленностью аэродинамики потока отработавших газов для достижения минимально-достижимых значений гидравлического сопротивления тракта истечения выхлопных газов. Наличие в ОГ твердых частиц несгоревших продуктов топлива в виде сажи и других углеводородов при такой конструкции коронирующей системы, как показали эксперименты, практически сводят к нулю их (твердых частиц) осаждение на высоковольтном электроде, способствуя устойчивости униполярной короны с вершины лезвий по всей их длине.

Коронирующие электроды 4 крепятся к телу коронодержателя с помощью установленных пластин 5 болтами 6.

Активная длина коронирующих лезвий ограничивается контактирующим элементом 7, имеющий гальванический контакт с высоковольтным вводом 9, которым служит стандартная автомобильная свеча, закрепленная в "приливе" 8.

Центровка коронирующей системы осуществляется вторым опорным изолятором.

Для поддержания устойчивой однородной короны со всех лучей лезвий, как следует из [1] расстояние между вершинами лезвий должно быть в два раза больше, чем межэлектродный зазор h. При этом каждое лезвие ведет себя с точки зрения ионизационных процессов как независимое острие, а в межэлектродном зазоре (во внешней зоне короны) существуют однородные процессы зарядки и транспортировки.

Заканчивается корпус 1 ионизатора-фильтра стандартным циклоном с аэродинамическим завихрителем 10 и выхлопной решеткой 11.

При подаче высокого напряжения U_N большого напряжения зажигания короны U_кр через активный межэлектродный зазор будет протекать разрядный ток.

где
h межэлектродный зазор;
m число коронирующих лезвий.

Поскольку для данного карбюраторного типа ДВС регулируемыми величинами могут быть только h и r₀, то определяющим параметром для предложенной системы будет

Напомним, что допустимое значение разрядного тока определяется мощностью источника и зависит, главным образом, от количества сажи, находящейся в ОГ.

Принцип работы предложенного ионизатора-фильтра, выполняющего роль типового электрофильтра, заключается в следующем:
а) после глушителя выпускной системы двигателя отработанные газы имеют более низкую температуру и скорость истечения, чем на ее входе;
б) попадая в рабочий объем ионизатора-фильтра за счет естественной скорости истечения ОГ в выхлопной трубе происходят следующие процессы:
ОГ, попадая в сильное электрическое поле с заданным законом изменения напряженности электрического поля, начинают заряжаться. Поскольку ОГ представляет собой целую гамму компонентов, отличающихся как по физико-химическим свойствам, так и по фазовому состоянию (газы, твердые частицы, сажа и т.д.), то и процессы заряжения будут различными;
несмотря на различие в приобретаемом избыточном заряде, все компоненты, взаимодействуя с электрическим полем, начнут отклоняться от своего направленного движения, имея тенденцию осаждения на внутреннюю поверхность корпуса, выполняющий (с электрической точки зрения) роль осадительного электрода;
чем дальше от входа в ионизатор-фильтр, тем большее количество осажденных частиц будет на осадительном электроде.

При работе современного двигателя внутреннего сгорания возникает вибрация всей машины, которая передается на выпускную систему. Под действием вибрации осажденные твердые частицы, удерживаемые на поверхности электрическими силами, "сползают" к торцу фильтра и попадают в циклон, где под действием аэродинамического завихрителя 10 отбрасываются на выхлопную решетку 11.

Под действием сил истечения очищенного от аэрозолей ОГ последние "выбрасываются" в атмосферу.

Однако данный ионизатор-фильтр из-за наличия значительного количества твердых продуктов сгорания работает в основном только как электрофильтр и практически не осуществляет доокисление окислов и диоксидов, которых в ОГ тем больше, чем "тяжелее" используемое топливо.

Поэтому для дизелей, где используются низкосортные нефтепродукты типа газойль, в котором на каждый кВт мощности ДВС выделяется только 5 Г сажи, предложенному ионизатору-фильтру описанной конструкции необходимо выделить и осадить из отработанных газов только сажу, а все процессы доокисления и автоматический перевод окислов и диоксидов в твердые аэрозоли необходимо возложить на второе точно такое же по конструкции устройство, но работающее в режиме генератора озона.

Такое комбинированное устройство из двух идентичных элементов, снижающее токсичность ОГ до санитарных норм, приведено на фиг. 2. Здесь два однотипных электроискровых ионизаторов, один из которых выполняет роль электрофильтра и размещается сразу же за глушителем, а другой вырабатывает озоновоздушную смесь заданной концентрации двухмолекулярного иона озона из атмосферного воздуха и через стандартный эжектор направляет ее в выходящий из фильтра ОГ и осуществляет доокисление CO, SO₂ и NO_x в соответствующие аэрозоли, которые вместе с сажей, "выбрасываются" в типовой циклон, размещенный для такой системы уже на выходе фильтра, а на выходном сопле эжектора.

Отсюда следует, что предложенное устройство представляет собой комбинацию двух одинаковых электроразрядных аппаратов, соединенных аэродинамически единым эжектором, на вход одного из которых направляется ОГ выпускной системы, а во вторую атмосферный воздух, в результате чего он вырабатывает ионы озона и осуществляет уже за эжектором доокисление продуктов сгорания в ОГ до нерастворимых аэрозолей.

Разделение функций продуктов ОГ на две фракции по фазовым состояниям в таком устройстве осуществляет один из ионизаторов-фильтров, включенный по аэродинамическому тракту непосредственно за глушителем, а доочистка выхлопа от токсичных элементов и доведение их до твердой фазы в виде сульфатов, сульфидов и нитратов осуществляется вторым ионизатором, который работает в режиме чистого маломощного озонатора.

Получаемые на выходе эжектора аэрозоли перемешиваются с потоком сажи и уже в виде порошка "выбрасываются" в стандартный циклон. Под действием аэродинамического завихрителя и градиента падения скорости истечения образуемая химически нейтральная пыль выбрасывается в атмосферу и осаждается на асфальтном покрытии дороги.

Использование: в устройствах для снижения токсичности отработавших газов (ОГ) ДВС и м.б. использовано для повышения эффективности очистки ОГ. Сущность изобретения: система содержит ионизатор-фильтр, установленный за глушителем и снабженном электродами, выполненными в виде многолучевых лезвий, расположенных по радиусам цилиндрического корпуса ионизатора-фильтра. Дана зависимость для определения оптимального межэлектродного расстояния. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система выхлопа двигателя внутреннего сгорания, содержащая выхлопную трубу с глушителем, высоковольтный источник, источник озонирования с коронирующей системой, отличающаяся тем, что зарядка воздуха и отработавших газов происходит в ионизаторе-фильтре, установленном за глушителем и снабженном электродами, выполненными в виде многолучевых лезвий, расположенных по радиусам цилиндрического корпуса ионизатора-фильтра, при этом расстояние между вершинами лезвий разно удвоенному расстоянию h между вершиной лезвия и внутренней поверхностью корпуса и определено в соответствии с выражением

где r₀ радиус закругления вершин лезвия, см;
m число лезвий;
U_N выходное напряжение высоковольтного источника, кВ;
I_р постоянная составляющая суммарного разрядного тока, м/А;
U_кр напряжение зажигания короны коронирующей системы. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что источник озонирования через эжектор подключен к ионизатору-фильтру и имеет аналогичную конструкцию.