СПОСОБ ВНУТРЕННЕЙ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02B75/10 F02P3/06 F02M23/12 

Изобретение относится к машиностроению, конкретнее к двигателестроению и автотранспорту, и может найти широкое применение в современном автотранспорте для снижения токсичности его отходящих выхлопных газов (ВГ). Изобретение может быть реализовано в любых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с любым числом поршней и камер, а также роторных и газотурбинных, и поможет в создании экологически чистого и экономичного транспорта с ДВС.

Несмотря на значительное количество разработок и патентов в данной области техники, автотранспорт по-прежнему далек от экологического совершенства и вносит до 70% суммарного токсичного загрязнения атмосферы городов планеты.

Все известные изобретения в виде способов и устройств экологической очистки ВГ ДВС можно подразделить на внешние (очистка ВГ в выпускном тракте ДВС) и внутренние (непосредственно в самом ДВС). Проведем краткий анализ известных изобретений и патентов по этой теме. Наибольшее применение пока находят способы и устройства внешней очистки ВГ непосредственно в выпускном тракте ДВС.

Известны и широко применяемы химические способы и устройства внешней очистки выхлопных газов ДВС путем беспламенного каталитического дожига токсичных компонентов выхлопных газов в выпускном тракте ДВС на активной поверхности химического сотового катализатора, покрытой тонким слоем платины, палладия, родия и др. (патент России N 2023178, N 2023176, заявка Японии 62-167721).

Несмотря на значительное применение таких способов и устройств очистки ВГ на иностранных автомобилях, они имеют серьезные и непреодолимые недостатки. Недостатки данных технических решений состоят в сложности и дороговизне их реализации, поскольку для их работоспособности необходима система точного инжекторного впрыска топлива ДВС, пока практически неприменяемого в России; относительно низком сроке эксплуатации из-за химического загрязнения поверхности катализатора и неремонтоспособности таких устройств; ограниченной сфере применения, только на автомобилях с бензиновыми ДВС, работающими на неэтилированном бензине из-за неработоспособности химического сотового катализатора при наличии в ВГ примесей сажи, серы, свинца и др.

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. Термическое разложение 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 также весьма энергозатратен и неприемлем для автотранспорта с низкой мощностью электрогенератора. Известны способы внутренней экологической очистки ВГ ДВС путем улучшения качества подготовки топливо- воздушной смеси (ТВС), например, механическим дроблением капель топлива (патент РФ N 1772391), посредством улучшения испарения топлива с использованием пористых материалов на пути потока бензина (патент РФ N2006645), путем предварительного подогрева топлива (патент РФ N 1784069) и др.

Известны устройства улучшения качества подготовки ТВС, содержащие специальные вращающиеся крыльчатки, сетки-испарители на пути ТВС, установленные, например, в карбюраторе ДВС (патент РФ N 1772391, патент РФ N 1784069). Их недостаток состоит в создании дополнительного аэродинамического сопротивления во впускном тракте двигателя и снижении его мощности при прежнем расходе топлива.

Известны способы и устройства внутренней экологической очистки ВГ ДВС посредством внутренней интенсификации процесса воспламенения топливо-воздушной смеси(ТВС) в камерах сгорания ДВС, например, путем увеличения мощности электрической искры зажигания ТВС от более мощной электронной системы искрового или плазменного зажигания (патенты РФ NN 1835462, 1838664, 2002975) - любой из этих патентов может быть прототипом. Несмотря на некоторое снижение окиси углерода и углеводородов в составе ВГ от их реализации (до 30-40%), эти аналоги не позволяют многократно снизить СО, С_xН_x, а содержание окиси азота могут даже увеличить из-за повышения температуры пламени в камерах сгорания двигателя.

Данный способ-прототип имеет также недостатки, связанные с увеличением потребляемой мощности ДВС в связи с повышением электрической нагрузки от такой системы зажигания на бортовую электрическую сеть, увеличением уровня электрических помех, снижением срока службы автомобильных электросвечей в связи с быстрым электрокоррозионным износом центрального электрода свечи. Все приведенные аналоги и прототип, конечно, также дают снижение токсичности ВГ ДВС, однако в связи с неоптимальным соотношением топлива и воздуха во впускном тракте двигателя, особенно на холостом ходу ДВС, при закрытой дроссельной заслонке карбюратора, эти способы не позволяют обеспечить глубокую экологическую очистку ВГ ДВС и, кроме того, снижают степень устойчивости двигателя, особенно в переходных режимах. Кроме того, при этом возрастает аэродинамическое сопротивление впускного тракта, что приводит к снижению мощности ДВС.

Задача предлагаемого способа состоит во взаимосвязанном синтезе этих обоих воздействий на ТВС для интенсификации работы ДВС, поскольку для глубокого обеднения ТВС, хотя бы на холостом ходу, и резкого снижения токсичности ВГ ДВС при одновременном повышении экономичности ДВС необходимо одновременно с разбавлением топлива воздухом увеличивать степень однородности ТВС и одновременно повышать мощность и длительность воздействия высоковольтных импульсов зажигания для интенсификации воспламенения и стабилизации горения ТВС в камерах сгорания двигателя.

Задача достигается за счет того, что в известном способе внутренней очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания путем повышения мощности и длительности электрических импульсов зажигания топливной смеси в камерах сгорания одновременно обедняют топливную смесь путем введения регулируемой дополнительной воздушной струи под углом к потоку топливной смеси до достижения минимальной токсичности выхлопных газов при сохранении устойчивой работы двигателя во всех режимах.

Развитие способа состоит в том, что в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания вводят дополнительную воздушную струю из атмосферы под дроссельную заслонку карбюратора перпендикулярно потоку топливо-воздушной смеси.

Развитие способа состоит в том, что регулировку дополнительной воздушной струи осуществляют на холостом ходу по максимуму оборотов двигателя при полностью закрытой дроссельной заслонке.

Развитие способа состоит в том, что одновременно ионизируют и электростатически распыляют топливо и озонируют всасываемый воздух сильным электрическим полем с напряженностью не менее 1 кВ/см.

Развитие способа состоит в том, что в двигателях с инжекторным впрыском топлива дополнительную воздушную струю из атмосферы вводят поперечно потоку топливной смеси или тангенциально по отношению к нему через калиброванные отверстия в каждом из впускных коллекторов напротив среза топливных форсунок.

Развитие способа состоит в том, что распыляют через иглу-шприц в дополнительную воздушную струю водяную дистилированную аэрозоль, причем одновременно обрабатывают их сильным электрическим полем с напряженностью не ниже 1 кВ/см.

Развитие способа состоит в том, что регулируют расход дополнительного воздуха и водяной аэрозоли и параметры электрического поля, которым обрабатывают топливо и дополнительную воздушно-водяную смесь, в зависимости от режима работы двигателя и качества его топлива по условию минимума токсичности выхлопных газов.

Реализация предложенного способа внутренней экологической очистки ВГ бензинового ДВС показана на примере карбюраторного ДВС (фиг. 1,2). Устройство для осуществления способа представляет собой модернизированный бензиновый ДВС и состоит из воздушного фильтра 1, карбюратора 2, топливной поплавковой камеры 3 с топливопроводом 4 и электроизолированной от корпуса двигателя топливной форсункой 5, присоединенной к топливопроводу 4, устройство снабжено дополнительной электроизолированной проставкой 6, размещенной под карбюратором 2, содержащей металлическую распыляющую сетку 7, револьверный механический регулятор 8 подачи дополнительного воздуха с насверленными на его барабане калиброванными отверстиями 9 (диаметрами 0,3 мм - 4 мм) по центру впускного коллектора 10, камеры сгорания ДВС 11, аккумуляторную батарею 12, присоединенную к высоковольтному регулируемому преобразователю напряжения с выходным напряжением от 5 до 30 кВ, проходной электроизолятор 14, через который подают электрический потенциал на топливную форсунку 5, систему электрозажигания 15 (показана схематически), тонкие патрубки 16 для подачи водяной аэрозоли и дополнительного воздуха под дроссельную заслонку карбюратора 2.

Устройство работает следующим образом. При запуске двигателя на холостом ходу во впускном коллекторе 10 создается разряжение воздуха, под действием которого из топливной форсунки 5 вытекает и дробится топливо в основном воздушном потоке, проходящем через воздушный фильтр 1. Однако в связи с практически полностью закрытой дроссельной заслонкой карбюратора 2 (она на фиг. 1,2 не показана) в этом режиме ДВС топливная смесь обычно переобогащенная и плохо перемешана с воздухом, что и приводит к повышенной токсичности ВГ.

В нашем случае дополнительный поток воздуха, поступающий во впускной тракт 10 через калиброванное отверстие 9 регулятора 8 подачи воздуха перпендикулярно основному потоку топливной смеси, обедняет ее и одновременно обеспечивает ее лучшее перемешивание (гомогенизацию), что и приводит к более полному сгоранию такой смеси при условии повышенной мощности (в 1,5-2 раза) электрических импульсов зажигания от системы зажигания 15. Дополнительный эффект очистки ВГ от реализации данного способа возникает вследствие электростатического дробления из-за взаимного отталкивания электрически одноименно заряженных капель топлива и озонирования воздуха под действием электрического поля между топливной форсункой 5 и сеткой 7. Известно, что озон является по сравнению с обычным воздухом намного более сильным окислителем, поэтому озонирование воздуха во впускном коллекторе ДВС также интенсифицирует процесс воспламенения и горения топливной смеси, что также улучшает чистоту ВГ, а впрыскивание водяной аэрозоли через патрубки 16 во впускной коллектор 10 приводит к снижению в камерах 11 двигателя температуры горящей смеси до уровня, обеспечивающего условия минимального образования в процессе ее горения токсичных окислов азота.

Наиболее простой способ настройки устройства на минимум токсичности ВГ на холостом ходу ДВС состоит в регулировании интенсивности дополнительного воздушного потока путем изменения диаметров отверстий 9 поворотом барабана регулятора 8 до фиксирования максимальных оборотов двигателя при неизменном расходе топлива. Действительно, в процессе экспериментов наблюдалось почти 5% увеличение этих оборотов при оптимальном разбавлении и смешивании топливной смеси дополнительным поперечным потоком воздуха через отверстие 9.

В результате, как показали стендовые испытания способа на ДВС от ВАЗ 2106, достигается устойчивая работа ДВС на всех режимах при обеднении топливной смеси в двое и более раз, а токсичность ВГ (СО, С_xH_x, NO_x и др. составляющие) вследствие более интенсивного и полного сгорания топливной смеси в камерах сгорания 11 снижается на 50-90%.

Понятно, что при подаче чрезмерного количества воздуха во впускной коллектор 10 ДВС через регулятор подачи 8 с отверстием 9 максимального диаметра, например 4 мм, получается сверхобедненная топливная смесь, которая не воспламеняется от системы зажигания 15. Именно этот эффект позволяет использовать предложенный способ и как эффективное средство защиты от угона автомобиля, для этого достаточно лишь на стоянке выставить регулятором 8 максимальное проходное отверстие 9 во впускном коллекторе 10 двигателя. Естественно, для нормального штатного запуска двигателя необходимо уменьшить сечение этого отверстия 9 или вообще заглушить его регулятором 8.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к автотранспорту, и может найти широкое применение в современном автотранспорте для снижения токсичности выхлопных газов. Изобретение позволяет обеспечить взаимосвязанный синтез воздействий на топливовоздушную смесь для интенсификации работы ДВС. Способ внутренней очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания путем повышения мощности и длительности электрических импульсов зажигания топливной смеси в камерах сгорания заключается в том, что одновременно обедняют топливную смесь путем введения регулируемой дополнительной воздушной струи во впускной тракт под углом к потоку топливной смеси до достижения минимальной токсичности выхлопных газов при сохранении устойчивой работы двигателя во всех режимах. В карбюраторных двигателях внутреннего сгорания вводят дополнительную воздушную струю из атмосферы под дроссельную заслонку карбюратора перпендикулярно потоку топливовоздушной смеси. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ внутренней очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания путем повышения мощности и длительности электрических импульсов зажигания топливной смеси в камерах сгорания, отличающийся тем, что одновременно обедняют топливную смесь путем введения регулируемой дополнительной воздушной струи во впускной тракт под углом к потоку топливной смеси до достижения минимальной токсичности выхлопных газов при сохранении устойчивой работы двигателя во всех режимах. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания вводят дополнительную воздушную струю из атмосферы под дроссельную заслонку карбюратора перпендикулярно потоку топливо-воздушной смеси. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что регулировку дополнительной воздушной струи осуществляют на холостом ходу по максимуму оборотов двигателя при полностью закрытой дроссельной заслонке. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что одновременно ионизируют и электростатически распыляют топливо и озонируют всасываемый воздух сильным электрическим полем с напряженностью не менее 1 кВ/см. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в двигателях с инжекторным впрыском топлива дополнительную воздушную струю из атмосферы вводят поперечно потоку топливной смеси или тангенциально по отношению к нему через калиброванные отверстия в каждом из впускных коллекторов напротив среза топливных форсунок. 6. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что распыляют через иглу-шприц в дополнительную воздушную струю водяную дистиллированную аэрозоль, причем одновременно обрабатывают их сильным электрическим полем с напряженностью не ниже 1 кВ/см. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что регулируют расход дополнительного воздуха и водяной аэрозоли и параметры электрического поля, которым обрабатывают топливо и дополнительную воздушно-водяную смесь, в зависимости от режима работы двигателя и качества его топлива по условию минимума токсичности выхлопных газов.