Изобретение относится к двигателестроению, конкретнее к способам и устройствам, обеспечивающим снижение токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Изобретение может быть реализовано в любых двигателях внутреннего сгорания (поршневых, с любым числом поршней и камер, роторных и газотурбинных) и поможет в создании экологически чистого и экономичного транспорта с ДВС.
Известны химические способы и устройства по очистке выхлопных газов ДВС путем беспламенного каталитического дожига токсичных компонент выхлопных газов на поверхности химического катализатора (платины, палладия и др.) (патент России N 2023178, заявка Японии 62-167721, пат. России N 2023176).
Недостаток данных способов состоит в сложности и дороговизне реализации, относительно низком сроке эксплуатации из-за загрязнения поверхности катализатора, сажу в выхлопе они вообще не чистят.
Известны способы и устройства механического сепарирования твердых и жидких примесей выхлопных газов, характерных для дизельного транспорта, путем их механического сепарирования путем вращения потока выхлопных газов с последующим накоплением сажи и частиц масла в специальных бункерах с систематическим удалением (см. например, патент России N 2023175).
Их недостаток состоит в сложности реализации, значительных энергозатратах и большой материалоемкости, поскольку объем сепарируемой сажи велик из-за ее низкой плотности. Терморазложение сажи неэкономично и приводит к увеличению объема окиси углерода.
Известны плазменные способы и устройства по дожигу выхлопных газов путем пропускания выхлопных газов через факел низкотемпературной плазмы (а.с. СССР N 1460368).
Их недостаток состоит в значительных энергозатратах, в расходе дополнительного топлива, неблагоприятных температурных режимах выхлопной трубы при ее перегреве плазмой. Кроме того, возрастает объем окислителя, а значит и выхлопных газов ДВС.
Известны способы и устройства электрофильтрования выхлопных газов ДВС (а. с. N 117574; N 1404664) путем воздействия электрическим полем на электрически заряженные частицы (твердые и жидкие) выхлопных газов с их электростатическим осаждением на специальные электроды с последующим систематическим удалением осадка.
Недостаток их состоит в низкой надежности из-за трудностей обеспечения надежной электроизоляции разноименно заряженных пластин электрофильтра в условиях осаждения сажи, копоти на внутренней поверхности пластин и высоких температур.
Известны комбинированные электрохимические способы и устройства очистки выхлопных газов ДВС, например а.с. N 1188343, им присущи все недостатки каталитического дожига выхлопных газов и электрофильтров для их очистки.
Известны способы очистки выхлопных газов от сажи путем ее электротермического разложения (а. с. N 181534). Однако данный способ весьма энергозатратен и неприемлем для автотранспорта с низкой мощностью электрогенератора.
Положительный эффект изобретения состоит в каталитическом дожиге посредством сильного электрического поля токсичных компонент (окиси углерода, азота, сажи и др.) непосредственно в пламени и в отходящих газах, что резко улучшает экологию горения топливовоздушной смеси.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является изобретение по а.с. СССР N 1404664 "Способ очистки выхлопных газов ДВС", в котором раскрыты способ и устройство обработки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания регулируемым сильным электрическим полем. Положительный эффект данного изобретения состоит в электростатической очистке выхлопных газов от частиц сажи, масла. Главный недостаток прототипа - способа состоит в неполной очистке выхлопных газов, а именно в невозможности очистки остывших выхлопных газов от токсичных газообразных компонент (окиси углерода, азота, углеводородов и др.), что приводит к необходимости вводить еще ступень химической очистки выхлопных газов, например, платиновым дорогостоящим катализатором, который работает только в случае заправки двигателя неэтилированным бензином и в узком диапазоне температур выхлопных газов.
Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности экологической очистки выхлопных газов по сравнению со способом- прототипом.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в развитии более раннего упомянутого выше изобретения (прототипа) и состоит в обработке сильными электрическими полями, полученными от бортовых маломощных высоковольтных преобразователей напряжения, топливовоздушной смеси на впускном коллекторе двигателя и горящих выхлопных газов недогоревшей в камерах двигателя топливовоздушной смеси, непосредственно на выходах камер сгорания, а именно в обработке первым сильным электрическим полем с напряженностью не менее 1 кВ/см, пламени недогоревших выхлопных газов непосредственно в выпускных коллекторах каждой из камер сгорания, а также в одновременной обработке поступающей в камеры сгорания двигателя топливовоздушной смеси, вторым электрическим полем с напряженностью не менее 1 кВ/см непосредственно во впускных коллекторах двигателя, причем регулирование параметров электрического поля (напряженности, частоты) осуществляют по критерию наилучшей степени очистки выхлопных газов двигателя, а также из условия поддержания в этих коллекторах режима "тлеющего разряда" с электродов, обеспечивающего наивысшую эффективность каталитического воздействия электрического поля на процесс экологической очистки выхлопных газов двигателя.
Устройство для осуществления предложенного способа состоит из специальных электроизолированных высоковольтных электродов в количестве, равном суммарному числу впускных и выпускных коллекторов двигателя, из двух идентичных управляемых по напряженности и частоте бортовых высоковольтных преобразователей напряжения малой мощности, присоединенных по силовому входу к бортовому источнику электроэнергии, например к бортовой аккумуляторной батарее, а по высоковольтному выходу - к данным электродам, ввернутым в выпускные(ой) и впускные (ой) коллекторы камер сгорания ДВС, в состав устройства очистки выхлопных газов входят также датчик(и) токсичности выхлопных газов, установленный(е) на выпускном коллекторе или в выхлопной трубе датчики первичного тока преобразователей, устройства управления высоковольтными преобразователями напряжения, диапазон регулирования Vвых. по амплитуде 5 - 40 кВ, по частоте 0 - 30 кГц, два идентичных логически-функциональных блока, обрабатывающих информацию о степени очистки выхлопных газов и поддержании режима работы источников электрических полей в режиме "тлеющего разряда" во впускных и выпускных коллекторах, и выдающих управляющие воздействия на регулирование выходных параметров (напряженности и частот) высоковольтных преобразователей напряжения, причем выход(ы) датчика(ов) токсичности и датчики первичных токов присоединен(ы) на входы устройств управления первым и вторым преобразователями напряжения через соответствующие логически-функциональные блоки, обеспечивающие регулирование напряженности и частоты соответствующих источников электрических полей (высоковольтных преобразователей напряжения) по условию наилучшей экологической очистки выхлопных газов ДВС и одновременно условию поддержания режима "тлеющего разряда" во впускном(ых) и выпускном(ых)коллекторах двигателя.
Эффективность экологической очистки отходящих выхлопных газов ДВС достигается в нашем изобретении благодаря интенсификации сильными электрическими полями малой мощности: а) процесса сжигания обработанной электрическим полем топливовоздушной смеси в камерах сгорания посредством достижения эффекта глубокой электризации топливовоздушной смеси перед впрыском в камеры сгорания, а именно благодаря озонированию окислителя и электростатическому распылению смеси в впускном(ых) коллекторе(ах) двигателей, что не только улучшает степень сгорания смеси в камерах, но и экономит топливо и окислитель; б) процесса электроогневого дожига пламени недогоревшей в камерах сгорания топливовоздушной смеси непосредственно в выпускных коллекторах, обеспечивающего полный дожиг углеводорода, окислов углерода, азота др. токсичных газов из выхлопных газов, отходящих с выпускного коллектора в выхлопную трубу ДВС.
В качестве высоковольтных преобразователей напряжения схемно могут быть использованы высоковольтные выпрямители, широко применяемые в комнатных озонаторах, телевизионных приемниках, блоки электронного зажигания ДВС (выходное напряжение 25-35 кВ, выходная мощность порядка 20-30 Вт) с их некоторой доработкой, а именно выведением регуляторов скважности и частоты выходных импульсов напряжения по цепи регулирования внутреннего задающего генератора, введением дополнительно переключателя и выходов переменного высокого напряжения, а также промежуточного стандартного преобразователя электропитания (= 12/220 В) для подключения высоковольтного преобразователя по цепи питания к бортовой аккумуляторной батарее. В качестве специальных электроизолированных электродов можно использовать модернизированные и доработанные автомобильные электросвечи зажигания топливной смеси, а именно с обрезанными боковым "массовым" электродом, усиленным изолятором, и частью ввертной резьбы для высвобождения примерно трети длины центрального электроизолированного электрода (по условию достаточной длины центрального изолятора для недопущения электропробоя центрального электрода на корпус электросвечи при напряжении до 30 - 40 кВ и на корпуса впускного и выпускного коллекторов двигателя внутреннего сгорания). В качестве логически-функционального блока может использоваться серийный процессор применяемого на иностранных и некоторых отечественных автомобилях бортового компьютера с периферией, запрограммированный соответствующим образом и подключенный через периферийные устройства к датчикам токсичности, тока, а по выходу - к входам управления частотой и скважностью стандартных высоковольтных преобразователей напряжения. В качестве датчика токсичности ОВГ может быть использован стандартный датчик - лямбда-зонд, широко применяемый в существующих системах впрыска топлива и химической очистки выхлопных газов ДВС (см. кн. Ф.Р. Спинова "Системы впрыска бензиновых двигателей" М. 1995 г., с.100).
Выше пояснен простейший вариант подключения выходов высоковольтных преобразователей на электроизолированные электроды и корпус двигателя, для упрощения электропроводки и увеличения рабочей поверхности обработки ТВС и ОВГ в коллекторах двигателя, в этом случае электроды попарно на каждом из коллекторов соединены между собой. Другим вариантом подачи электрического поля в коллекторы является присоединение выходов соответствующего высоковольтного преобразователя раздельно к каждому из двух центральных электродов, противоположно размещенных на соответствующем коллекторе двигателя. В этой схеме подключения высоковольтных преобразователей к электродам устраняются электрические связи высоковольтного напряжения с массой автомобиля, что повышает электробезопасность и надежность способа, хотя несколько усложняет реализацию устройства для его осуществления (увеличивается длина высоковольтных проводов, снижается рабочая поверхность взаимодействия электрических полей с ТВС и ОВГ). Для сохранения преимуществ обоих способов подачи электрополей в коллекторы и обеспечения максимальной рабочей поверхности взаимодействия электрополей с ТВС и ОВГ в соответствующих коллекторах можно установить полые коаксиальные электроизолированные цилиндрические электроды по всей длине соответствующих коллекторов, а подводы потенциалов высокого напряжения соответствующего преобразователя осуществить через описанные выше электроды (принцип "матрешки"). Отметим, что для упрощения реализации способа и устройства целесообразно использовать вообще один высоковольтный преобразователь, выходы с которого присоединяют описанными выше способами в соответствующий коллектор. Однако данный упрощенный вариант не позволит осуществить тонкую настройку параметров электрополя на одновременную обработку топливовоздушной смеси и отходящих выхлопных газов одновременно, что несколько (на 10-15%) снизит качество очистки выхлопных газов ДВС.
Предложенный способ и устройство пояснены на примере обычного четырехтактного ДВС (см. чертеж).
Устройство, реализующее предлагаемый способ снижения токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержит следующие элементы: двигатель 1, выпускной коллектор 2, специальные электроизолированные электроды 3, первый высоковольтный преобразователь напряжения 4 с устройством управления 5, второй высоковольтный преобразователь напряжения 6 с устройством управления 7, датчики токсичности выхлопных газов 8, датчики первичного тока 9, два идентичных логически-функциональных блока 10, впускной коллектор 11, бортовой источник электроэнергии 12, причем силовые входы преобразователей напряжения 4, 6 присоединены в данном конкретном варианте к бортовой аккумуляторной батарее 12, с присоединенной к корпусу двигателя отрицательной шиной, один из выходов первого высоковольтного преобразователя 4 присоединен к электроизолированному(ым) электроду(ам) 3, ввернутому(ым) в выпускном коллекторе 2 двигателя 1, а другой его выход присоединен к корпусу двигателя 1, один из выходов второго высоковольтного преобразователя 6 присоединен ко второму(ым) электроизолированному(ым) электроду(ам) 3, выход присоединен также к корпусу двигателя 1, выход(ы) датчика(ов) токсичности выхлопных газов 8 и датчиков первичного тока 9 преобразователей 4, 6 присоединены на входы соответствующих устройств управления 5, 7 через соответствующие логически-функциональные блоки 10, оптимизирующие режим экологической очистки выхлопных газов ДВС.
На чертеже приняты также следующие обозначения: ТВС - необработанная топливовоздушная смесь; ТВС2 = обработанная электрополем топливовоздушная смесь; П- пламя недогоревшей топливовоздушной смеси, выходящее из камер сгорания ДВС в выпускной коллектор 2; ОВГ - отходящие выхлопные газы; АБ - бортовая аккумуляторная батарея; а также представлены канал управления величиной выходного напряжения и канал управления частотой выходного высокого напряжения преобразователей напряжения 4, 6.
Устройство, реализующее преложенный способ очистки ОВГ ДВС работает следующим образом: вначале впрыскивают топливовоздушную смесь ТВС во впускной коллектор 11 двигателя 1, например, с выхода карбюратора или эжектора (на чертеже не показаны), далее обрабатывают данную смесь во впускном коллекторе 11 сильным регулируемым электрическим полем от высоковольтного преобразователя 6, образованным в зазоре между электродами 3 и корпусом впускного коллектора 11, причем поддерживают изменением напряженности и частоты преобразователя 6 режим "тлеющего разряда" с электродов 3 для предотвращения электрического пробоя высоковольтного преобразователя 6 во впускном коллекторе 11 и устранения опасности преждевременного воспламенения обработанной смеси ТВС2. Этот режим достигается путем непрерывного регулирования напряженности и частоты электрического поля внутри впускного коллектора 11 от преобразователя 6, управляемого от блока управления 7 через логически-функциональный блок 10 по информации с датчика первичного тока 9, включенного в цепь питания постоянным током от АБ 12. Благодаря наличию в блоке 10 запрограммированной информации о возможном максимально допустимом выходном напряжении в зависимости от тока нагрузки с датчика тока 9, параметры высоковольтного напряжения с выхода преобразователя 6 автоматически изменяются и поддерживается нужный режим его безопасной работы. Аналогично достигается режим "тлеющего разряда" высоковольтного преобразователя 4 при изменении температуры, интенсивности и состава горючих выхлопных газов в выпускном коллекторе 2 в зависимости от режима работы и состояния двигателя 1. Далее обработанная смесь ТВС2 поступает в камеры сгорания ДВС, интенсивно сгорает, после чего с частотой работы цилиндров остатки горящей смеси подают вместе с отходящими выхлопными газами ОВГ в выпускной коллектор 2, где это пламя П интенсивно дожигают вторым сильным электрополем, образованным от высоковольтного преобразователя 4 между внутренними стенками выпускного коллектора 2 и электроизолированными от корпуса специальными электродами 3, ввернутыми в этот корпус. В связи с тем, что степень токсичности отходящих выхлопных газов значительно меняется в зависимости от режима работы двигателя, его температуры, степени изношенности поршневой группы, вида и качества топлив и многих других факторов, то регулируют параметры соответствующего электрического поля в выпускном коллекторе 2 и впускном коллекторе 11 в пределах режима "тлеющего разряда" в функции токсичности ОВГ посредством датчика(ов) токсичности 9 по условию наилучшей степени экологической очистки ОВГ, а именно повышают напряженность и изменяют частоту соответствующего электрополя, при увеличении токсичности ОВГ по заранее запрограммированному оптимальному закону в соответствующем логически- функциональном блоке 10, причем независимо или взаимосвязано в зависимости от степени токсичности ОВГ.
Эффективная экологическая очистка ОВГ достигается в нашем способе благодаря каталатическому воздействию сильного электрического поля на процесс дожига пламени несгоревшей ТВС в выпускном коллекторе и одновременно благодаря более полному сгоранию в камерах обработанной электрополем ТВС во впускном коллекторе двигателя.
Эксперименты показывают работоспособность способа и его эффективность. Так, например, посредством маломощного высоковольтного преобразователя с выходным напряжением 25 кВ, мощностью не более 20 Вт удалось снизить расход топлива на 15%, снизить токсичность ОВГ по отдельным компонентам на 30 - 90% (дымность - на 90%, окись углерода - на 60%, окись азота - на 40%, углеводороды на - 80%). Стоимость экспериментального устройства не превышает 400 т. р. , что на порядок ниже стоимости существующей системы химической экологической очистки ОВГ на базе платиновых сотовых катализаторов.
Группа изобретений относится к двигателестроению и предназначена для улучшения экологических показателей ДВС. Способ заключается в том, что электрическим полем обрабатывают непосредственно пламя горячих выхлопных газов отходящей из камер сгорания двигателя не полностью сгоревшей топливовоздушной смеси в выпускном коллекторе и одновременно обрабатывают этим полем саму топливовоздушную смесь во впускном коллекторе двигателя. Устройство содержит источник электрического поля, регулируемый по амплитуде и частоте, электроды, выполненные в виде модернизированных свечей зажигания, и функциональный блок для выбора оптимального режима работы источника электрического поля. С помощью источника создают электрическое поле с напряженностью не менее 1 кВ/см, причем осуществляют регулирование параметров поля по критерию наилучшей степени очистки выхлопных газов. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Способ очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания | 1985 |
|
SU1404664A1 |
RU 94004170 A1, 20.11.95 | |||
US 4945721 A, 07.08.90 | |||
Домовый номерной фонарь, служащий одновременно для указания названия улицы и номера дома и для освещения прилежащего участка улицы | 1917 |
|
SU93A1 |
US 4460516 A, 17.07.84. |
Авторы
Даты
1999-06-27—Публикация
1996-11-01—Подача