МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ И РАЗДЕЛЕНИЯ ПОТОКОВ ОТРАБОТАННЫХ И ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ Российский патент 2001 года по МПК F01N3/37 

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для выхлопных систем выпуска и рециркуляции отработанных и выхлопных газов, снижения их токсичности, улучшения шумопоглощения, а также повышения экономичности и мощности двигателей с процессами горения, преимущественно двигателей внутреннего сгорания, бензиновых, дизельных, газовых и комбинированных, а также газовых турбин.

Кроме того, многофункциональное устройство может быть использовано в системах селективной очистки, подготовки и распределения воздуха для подачи его из загрязненной, в том числе выхлопными газами, окружающей среды, в двигатель внутреннего сгорания или кабину транспортного средства.

Ближайшим аналогом является устройство для выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, содержащее соосно расположенные в корпусе сепарационную перегородку с завихрителем, образующие сепарационную камеру в форме цилиндра, соединенную с дренажной магистралью (авт. свид. СССР N 428102, F 01 N 3/00).

Недостатками этого устройства является то, что оно имеет или большую сложность и габариты для увеличения пути прохождения потока выхлопных газов, а соответственно малые скорости движения, или же малоэффективно за счет повторения однотипных операций в отношении сепарации физически разных видов твердой, жидкой и газообразной фаз, что не позволяет выделять некоторые из них, либо не имеет элементов адаптации к основным параметрам газового потока и регулировочных узлов для индивидуальной настройки характеристик устройства к параметрам двигателя и его разновидностям, либо имеет ограниченную область применения.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение селективной очистки и разделения потока отработанных и выхлопных газов путем адаптации к основным параметрам газового потока и индивидуальной настройки к параметрам двигателя, повышения уровня очистки и шумопоглощения выхлопных газов.

Поставленная задача решена за счет того, что в устройстве, содержащем соосно расположенные в корпусе сепарационную перегородку с завихрителем, образующие сепарационную камеру в форме цилиндра, соединенную с дренажной магистралью, с другого конца корпуса концентрично установлены выходной патрубок и разделитель газового потока, образующие совместно с гладкой цилиндрической частью сепарационной перегородки газовые кольцевые камеры переменного размера, причем между гладкой цилиндрической частью сепарационной перегородки и разделителем газового потока образован щелевой кольцеобразный зазор, величина которого регулируется подвижной отражательной диафрагмой, выполненной в виде усеченного конуса и расположенной на наружной поверхности разделителя газового потока при помощи регулировочных винтов, расположенных на корпусе, причем после завихрителя расположен инерционный стабилизатор скорости потока газа, выполненный с ребрами различной длины и сечения и перфорированными отверстиями, на выходе которого образована камера стабилизации скорости потока газа, на выходе которой расположены выходной патрубок и разделитель газового потока, при этом в каналах, соединяющих газовую кольцевую камеру, образованную выходным патрубком и разделителем газового потока, с центральной камерой, расположенной в выходном патрубке, и полостью теплообменника, образованного гладкой цилиндрической частью сепарационной перегородки и корпусом, установлены электромагнитные клапаны, управляемые формирователем команд, соединенным с педалью газа, а сепарационная камера отделена от полости теплообменника перегородкой, расположенной по оси симметрии дренажной магистрали, в верхней части теплообменника установлен патрубок для отвода очищенных газов;
завихритель выполнен с переменным по длине и высоте шагом;
сепарационная перегородка завихрителя выполнена с согласованной по его шагу перфорацией, форма, размер и порядок размещения которой изготовлены с возможностью искрогашения, дробления и истирания фазовых составляющих.

Для улучшения эффективности в предлагаемом многофункциональном устройстве адаптивный завихритель, инерционный стабилизатор скорости, разделитель потока газа, подвижная конусообразная отражательная диафрагма и корпуса образуют сложной формы соосные полости, разделенные сепарационной перегородкой завихрителя с переменной перфорацией и сообщенные через дренажные каналы и сборник жидких фракций, твердых частиц и конденсата с емкостью для отходов.

Кроме того, в предлагаемом устройстве завихритель выполнен с переменным по длине и высоте шагом для придания ему адаптивных свойств по созданию различных ускорений фазовым составляющим потока газа в его сечении, сепарационная перегородка завихрителя выполнена с согласованной по его шагу перфорацией специальной формы, размера и порядка размещения, обеспечивающих искрогашение, дробление и истирание фазовых составляющих. Корпус одновременно выполняет функции экрана, соосно которого размещены завихритель с сепарационной перегородкой, стабилизатор потока, секции разделителя потока с управляемыми каналами и отражательная диафрагма газов в виде усеченного конуса, образующие полости из кольцеобразных цилиндров переменного размера.

На фиг. 1 представлено многофункциональное устройство для селективной очистки и разделения потоков отработанных и выхлопных газов (продольный разрез), на фиг. 2 показан профиль завихрителя с переменным по длине и высоте шагом, на фиг. 3 - сечение А-А инерционного стабилизатора.

Устройство содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками.

В корпусе 1 размещен совмещенный по оси патрубок 2, внутри которого установлен адаптивный завихритель 4, инерционный стабилизатор 5 скорости потока газа с ребрами различной длины и сечения со своими перфорационными отверстиями 6, размещение которых согласовано с направлением закручивания газов, образующие постоянного размера сепарационную камеру 7, разделенную сепарационной перегородкой 8 с переменной перфорацией 9 и гладкой цилиндрической частью и сообщенную через первый щелевой дренажный канал 10, предварительный сборник 11 и дренажную магистраль 12 с емкостью 13 для отходов.

В выходном патрубке 3 также размещены разделитель 14 газового потока на цилиндрические кольцевые слои с неуправляемыми наружной 15 и центральной 16 секциями и управляемой срединой 17 секцией, которых может быть заданное число, и подвижная отражательная диафрагма 18, выполненная в виде усеченного конуса, с регулировочными винтами 19 для настройки ее на параметры выхлопной системы, образующие вместе с ребрами инерционного стабилизатора 5 камеру 20 стабилизации скорости потока газа, которая совместно с корпусом 1 образует цилиндрическую кольцевую полость теплообменника 21 с винтообразными ребрами 22 воздушного охладителя, соединенную с камерой 20 щелевым кольцеобразным зазором 23, величина которого регулируется смещением отражательной диафрагмы 18 регулировочными винтами 19, при этом сепарационная камера 7 отделена перегородкой 24, расположенной по оси симметрии дренажной магистрали от полости теплообменника 21, имеющего второй щелевой дренажный канал 25, совмещенный предварительным сборником 11, дренажной магистралью 12 с емкостью 13 для отходов, и патрубок 26 для отвода очищенных газов.

Кроме того, управляемая цилиндрическая кольцевая секция 17 разделителя 14 на выходе из патрубка 2 образует два регулируемых канала для подачи части газа в полость теплообменника 21 по каналу 27 в выходной патрубок 3 по каналу 28, открытие и закрытие каналов 27 и 28 осуществляется электромагнитными клапанами 29 и 30 от формирователя 31 команд, связанного с педалью 32 газа, положение которой определяет главные параметры для управления двигателем - массовый расход воздуха, положение дроссельной заслонки, давление во впускном трубопроводе, частота вращения вала, крутящий момент. Устройство работает следующим образом.

При работе выхлопные газы из патрубка 2 в корпусе 1 поступают параллельно оси патрубка или перпендикулярно ей по касательной на адаптивный завихритель 4, где приобретают вращательное движение с плавно изменяющимся ускорением, что способствует селективному выделению из потока как крупных твердых частиц и жидких фракций при малом ускорении на начальном этапе завихрения, так и мельчайших частиц при большом ускорении по длине завихрителя.

Твердые частицы попадают на экран 1 через сепарационную перегородку 8 с перфорацией 9, на которой дробятся и гасятся жидкой фракцией в сепарационной камере 7, а полученная жидкая смесь отходов стекает по стенкам экрана 1 и сепарационной перегородке 8 и поступает через первый щелевой дренажный канал 10 в сборник 11 и по дренажной магистрали 12 в емкость 13 для отходов.

Частично очищенные после завихрителя 4 газы поступают на ребра инерционного стабилизатора 5, гасят на них вращательное движение, а дисперсные твердые частицы при ударе о ребра дробятся и истираются, аэрозольные жидкие фракции слипаются и скатываются по поверхностям ребер стабилизатора 5 и по стенкам сепарационной перегородки 8 и через перфорационные отверстия 6 в них, перфорацию 9 и первый щелевой дренажный канал 10 попадают вместе с конденсатом из сепарационной камеры 7 в предварительный сборник 11, а через дренажную магистраль 12 - в емкость 13 для отходов.

Газы из патрубка 2 после стабилизатора 5 направляются в камеру 20 стабилизации скорости потока на дополнительную тонкую очистку, где приобретают устойчивую поступательную скорость, меньшую для загрязненного слоя газов у стенок камеры 20 за счет шероховатостей поверхности, трения и соударения дисперсных частиц сажи, дыма, водяного пара, аэрозолей топлива, масла, тяжелых окислов, сернистых и т.п. соединений в них, что создает дополнительное сопротивление движению газа и объем которых зависит от режима работы двигателя, большую вокруг центральной оси камеры 20, где сосредоточен более легкий и чистый слой из азота, остаточного кислорода и углекислого газа, и поступают в секции 15, 16, 17 разделителя 14 газового потока на цилиндрические кольцевые слои, конструктивные параметры и форма которого согласованы с эпюрами распределения по сечению трубопровода 2 скоростей (давлений) потока, при этом загрязненный наружный слой газового потока поступает на конусообразную отражательную диафрагму 18 и направляется через щелевой кольцевой зазор 23 в трубопроводе 2 в кольцевую цилиндрическую полость теплообменника 21, охлаждаемого потоками воздуха через винтообразные ребра 22 на поверхности корпуса 1 для понижения температуры и увеличения массового заряда за счет повышения концентрации остаточного кислорода выхлопных газов, в том числе и в камере 20 стабилизации потока, и образования конденсата воды, которая переводит в раствор такие загрязнители, как двуокись серы, высшие окислы азота, некоторые углеводороды, формальдегиды, соединения свинца, скатывается по внутренним стенкам камеры 20 и через щелевой кольцевой зазор 23 поступает в теплообменник 21, в котором весь конденсат направляется на второй щелевой дренажный канал 25, предварительный сборник 11 и дренажную магистраль 12 в емкость 13 для отходов, а оставшаяся в полости теплообменника 21 часть очищенных газов через патрубок 26 направляется на дожигание или на нейтрализацию, или жидкостную очистку с последующим выбросом газов в зависимости от типа двигателя.

На холостом ходу двигателя педаль 32 газа свободна, управляемая секция 17 и оба ее канала 27, 28 перекрыты электромагнитными клапанами 29, 30, которые отсекают проход срединного газового слоя в секцию 17 разделителя 14 в полости теплообменника 21 и выходного патрубка 3, а общее сечение выпускных отверстий щелевого зазора 23 и выходного патрубка 3 достаточно для прохода общего минимального объема отработанных газов, состоящей из грязной части через неуправляемые наружную 15 и чистой части газа через центральную 16 секции разделителя 14.

Изменение режима работы двигателя однозначно связано с изменением положения педали 32 газа (или дроссельной заслонки), что определяет возникновение в двигателе переходных и нестационарных процессов, когда непрерывно и быстро изменяются как входные, так и выходные его параметры в части изменения объема отработанных газов и степени их загрязнения, в соответствии с этими изменениями с формирователя 31 команда передается на электромагнитный клапан 30, который открывает проход загрязненного срединного слоя газа через управляемую секцию 17 разделителя 14 и канал 27 в полость теплообменника 21, при этом за счет разности скоростей, а соответственно давлений потоков в секции 15 за счет обтекания газами конусообразной отражательной диафрагмы 18, вершина которой ориентирована навстречу газовому потоки и секции 17 за счет изменения сечения управляемого канала 27 относительно сечения секции 17, в полости 21 образуется повышенное давление газа и возникает эффект "подсоса" (ускорения) грязного слоя через щелевой канал 23 из наружного слоя газа, что понижает давление на выходе патрубка 3 и приводит к повышению экономичности и мощности двигателя, и далее процесс селективной очистки повторяется.

Наличие регулировочных винтов 19 наряду с другими факторами позволяет изменять размеры и форму щелевого кольцеобразного зазора 23 путем смещения отражательной диафрагмы 18, что определяет допустимые границы изменения параметров устройства и обеспечивает индивидуальную настройку его на параметры двигателя для повышения экономичности и мощности двигателя, а также снижения токсичности и уровня шумов отработанных и выхлопных газов.

При выходе на нормальный стационарный режим работы, для которого характерна меньшая степень загрязненности газа, на электромагнитный клапан 29 поступает с формирователя 31 команда открытия доступа чистого газа через управляемую секцию 17 и канал 28 в патрубок 3 с возникновением эффекта "подсоса" и далее в атмосферу, а на клапан 30 одновременно поступает с формирователя 31 команда закрытия доступа чистого газа через управляемую секцию 17 и канал 27 в полость теплообменника 21, что обеспечивает регулирование состава и степени очистки, снижая токсичность отработанных газов.

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для выхлопных систем выпуска и рециркуляции отработанных и выхлопных газов, снижения их токсичности, уровня шумов и повышения мощности двигателей с процессами горения. Устройство содержит соосно расположенные в корпусе сепарационную перегородку с завихрителем, образующие сепарационную камеру в форме цилиндра, соединенную с дренажной магистралью. С другого конца корпуса концентрично установлены выходной патрубок и разделитель газового потока, образующие совместно с гладкой цилиндрической частью сепарационной перегородки газовые кольцевые камеры переменного размера. Между гладкой цилиндрической частью сепарационной перегородки и разделителем газового потока образован щелевой кольцеобразный зазор, величина которого регулируется подвижной отражательной диафрагмой, выполненной в виде усеченного конуса и расположенной на наружной поверхности разделителя газового потока при помощи регулировочных винтов, расположенных на корпусе. После завихрителя расположен инерционный стабилизатор скорости потока газа, на выходе которого образована камера стабилизации скорости потока газа. В каналах, соединяющих газовую кольцевую камеру, образованную выходным патрубком и разделителем газового потока, с центральной камерой и полостью теплообменника, установлены электромагнитные клапаны, управляемые формирователем команд, соединенным с педалью газа. Результат заключается в повышении степени очистки, снижении токсичности и шума отработанных и выхлопных газов за счет индивидуальной настройки характеристик устройства к параметрам двигателя. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многофункциональное устройство для селективной очистки и разделения потоков отработанных и выхлопных газов, содержащее соосно расположенные в корпусе сепарационную перегородку с завихрителем, образующие сепарационную камеру в форме цилиндра, соединенную с дренажной магистралью, отличающееся тем, что с другого конца корпуса концентрично установлены выходной патрубок и разделитель газового потока, образующие совместно с гладкой цилиндрической частью сепарационной перегородки газовые кольцевые камеры переменного размера, причем между гладкой цилиндрической частью сепарационной перегородки и разделителем газового потока образован щелевой кольцеобразный зазор, величина которого регулируется подвижной отражательной диафрагмой, выполненной в виде усеченного конуса и расположенной на наружной поверхности разделителя газового потока при помощи регулировочных винтов, расположенных на корпусе, причем после завихрителя расположен инерционный стабилизатор скорости потока газа, выполненный с ребрами различной длины и сечения и перфорированными отверстиями, на выходе которого образована камера стабилизации скорости потока газа, на выходе которой расположены выходной патрубок и разделитель газового потока, при этом в каналах, соединяющих газовую кольцевую камеру, образованную выходным патрубком и разделителем газового потока с центральной камерой, расположенной в выходном патрубке, и полостью теплообменника, образованного гладкой цилиндрической частью сепарационной перегородки и корпусом, установлены электромагнитные клапаны, управляемые формирователем команд, соединенным с педалью газа, а сепарационная камера отделена от полости теплообменника перегородкой, расположенной по оси симметрии дренажной магистрали, в верхней части теплообменника установлен патрубок для отвода очищенных газов. 2. Многофункциональное устройство по п.1, отличающееся тем, что завихритель выполнен с переменным по длине и высоте шагом. 3. Многофункциональное устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что сепарационная перегородка завихрителя выполнена с согласованной по его шагу перфорацией, форма, размер и порядок размещения которой изготовлены с возможностью искрогашения, дробления и истирания фазовых составляющих.