СПОСОБ ЭЛЕКТРООГНЕВОЙ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F01N3/08 

Изобретение относится к двигателестроению, конкретнее к способам и устройствам, обеспечивающим очистку выхлопных газов автотранспорта, 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 энергозатратно и неэкономично и приводит к увеличению объема токсичной 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 дожита 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.

Известен способ интенсификации горения пламени в электрическом поле (патент РФ N 2071219).

Положительный эффект изобретения состоит в каталитическом дожиге посредством сильного электрического поля токсичных компонентов (окиси углерода, азота, сажи и др.) непосредственно в пламени и в отходящих газах, что резко улучшает экологию горения топливовоздушной смеси.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение высокой степени экологической очистки выхлопных газов любых ДВС независимо от степени их износа и режимов их работы.

Поставленная задача решается путем того, что в способе электроогневой очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания путем их дожига в пламени с наложением на данное пламя продольного электрического поля обрабатывают горящую топливную смесь и выхлопные газы электрическим полем с напряженностью не менее 1 кВ/см непосредственно в камерах сгорания ДВС, затем обрабатывают пламя не догоревших выхлопных газов непосредственно в выпускных коллекторах каждой из камер сгорания вторым электрическим полем с напряженностью не менее 1 кВ/см, после чего пропускают выхлопные газы ДВС через вспомогательное пламя в камере дожига с одновременным наложением на факел пламени продольного электрического поля, дополнительно фильтруют недогоревшие твердые и жидкие фракции выхлопных газов на металлическом сепараторе и понижают температуру выхлопных газов до 80-90 градусов с одновременной очисткой от токсичных окислов путем аэрозольной обработки нейтрализующей жидкостью, после чего окончательно очищают выхлопные газы путем пропускания их через сетчатую капсулу с гранулированным активированным углем. При этом металлический сепаратор может быть выполнен в виде капсулы с наполнителем из металлической стружки, шариков.

Поставленная задача решается также путем того, что устройство для электроогневой очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, содержащее камеру дожига, электроды, присоединенные к выходам высоковольтного преобразователя напряжения, топливную горелку и воздуховод в зоне электродов и устройство электроискрового зажигания топливной смеси, дополнено устройством дожигания топливной смеси и выхлопных газов непосредственно в камерах сгорания двигателя и выпускных коллекторах двигателя, содержащим дополнительные электроизолированные от корпуса двигателя электроды, размещенные встречно друг другу выше прокладки в головке блока цилиндров и в выпускных коллекторах, и регулируемый высоковольтный преобразователь бортового напряжения, присоединенный по цепи электропитания к бортовой электросети, а своим выходами - к этим электродам, камера дожига газов размещена в расширительной части выхлопной трубы, в которой размещены воздуховод, топливная форсунка, устройство электроискрового зажигания смеси, выполненное в виде электросвечи зажигания, содержащей электроизолятор, центральный электрод и боковой электрод, термостойкий кольцевой электрод с иглами по внутреннему периметру, размещенный в электроизолирующем кольце внутри корпуса камеры дожига газов на расстоянии, превышающем длину пламени на 1-3 см, причем далее по длине выхлопной трубы размещена цилиндрическая капсула с металлическими стружками и шариками, съемный поддон для сбора отходов, в частности их жидких фракций, в месте установки данной капсулы установлен смеситель жидкостей с патрубками для подачи воды и щелочи в эту капсулу, а непосредственно за ней размещена цилиндрическая капсула с активированным гранулированным углем. На выходе и входе выхлопной трубы размещены датчики токсичности выхлопных газов и их температуры. При этом все высоковольтные преобразователи напряжения могут быть идентичны и выполняться в виде автогенераторов с выходными высоковольтными выпрямителями.

Благодаря многоступенчатой экологической очистке выхлопных газов достигается их высокая степень очистки в любых режимах работы ДВС.

Изобретение иллюстрируется тремя фигурами, где на фиг. 1 показана блок-схема устройства очистки выхлопных газов ДВС, реализующего предложенный способ очистки, а на фиг. 2 приведена пространственная диаграмма температуры и токсичности газов в процессе многооперационной очистки выхлопных газов с привязкой секторов A-E фиг. 2 к определенным последовательным участкам выхлопной трубы (фиг. 1), начиная от ее начала (сектор A) до ее окончания (конец сектора E), причем секторы A-E соответствуют участкам выхлопной трубы по ее длине с привязкой к фиг. 1, а позиции 1-4 (фиг. 2) соответствуют операциям очистки газов и расшифрованы слева от осей координат.

Обозначения к фиг. 1.

1. Камера сгорания ДВС (1-1 -прокладка в блоке; 1-2 -выпускной коллектор).

2. Глушитель выхлопной трубы.

3. Воздуховод.

4. Топливопровод.

5. Электроизоляторная втулка.

6. Топливный фильтр.

7. Электроизолятор свечи зажигания.

8. Центральный электрод свечи зажигания.

9. Боковой электрод свечи зажигания.

10. Кольцевой термостойкий электрод.

11. Электроизоляторная кольцевая втулка.

12. Цилиндрическая капсула с металлическими стружками и шариками.

13. Съемный поддон с жидкими отходами.

14. Смеситель (из агрессивно-стойкой пластмассы).

15. Форсунки.

16. Цилиндрическая капсула с активированным углем.

17. Гранулы активированного угля.

18. Запорные кольца с термостойкими сетками.

19. Датчики токсичности выхлопных газов (19-1-датчик температуры).

20. Система управления высоковольтного преобразователя напряжения.

21. Система управления блоком электрозажигания.

22. Высоковольтный преобразователь напряжения (25-35 кВ).

23. Преобразователь напряжения для электрозажигания.

24. Датчик тока в первичной цепи блока 21.

25. Датчик положения акселератора топлива (педали газа).

26. Датчики расхода воздуха, топлива, нейтрализующей жидкости.

27. Регуляторы подачи воздуха, топлива и жидкости.

28. Дозаторы-насосы воздуха, топлива и вспомогательных жидкостей.

29. Высоковольтный преобразователь напряжения.

30. Одноэлектродные электросвечи (электроизолированные электроды).

31. Бортовой источник электроэнергии (АБ-аккумуляторная батарея).

Устройство для осуществления способа содержит двигатель внутреннего сгорания 1 (ДВС) с выпускным коллектором 1-1, глушитель выхлопной трубы 2, в котором последовательно размещены воздуховод 3, топливопровод 4 с топливной форсункой и электроизолятором 5, топливный фильтр 6 вспомогательная электросвеча зажигания, содержащая электроизолятор 7 с центральным электродом 8 и боковым электродом 9, кольцевой электрод 10,размещенный в электроизолирующем кольце 11 внутри глушителя 2 на расстоянии, превышающем длину пламени внутри выхлопной трубы на несколько см (1-3 см).

Далее по длине выхлопной трубы размещена цилиндрическая капсула 12 с металлическими, например алюминиевыми стружками и шариками, поддон 13 для сбора отходов, в частности их жидких фракций, в месте установки данной капсулы установлен смеситель 14 с вводными патрубками для подачи воды и щелочи через выходные форсунки 15, введенные в капсулу 12 и непосредственно за ней, далее размещена цилиндрическая капсула 16 с активированным гранулированным углем 17 и с запрессованными по ее краям запорными кольцами 18 с термостойкими сетками, на выходе и входе выхлопной трубы размещены датчики токсичности выхлопных газов 19, датчик температуры 19-1 размещен, например, в зоне пламени перед кольцевым электродом 10 и между двумя капсулами 12 и 16, причем выход датчика токсичности 19 наряду с выходами датчиков температуры 19-1 газов через системы управления 20 и 21 присоединен к соответствующим высоковольтным преобразователям напряжения с трансформаторной развязкой 22 и 23, причем датчик первичного тока 24 присоединен на вход системы управления 20, дополнительно на входы систем управления 20,21 присоединен релейный выход датчика положения 25 акселератора топлива, например топливной заслонки карбюратора, или положения педали газа.

Устройство для очистки выхлопных газов ДВС содержит также датчики расхода 26 воздуха, топлива и вспомогательных жидкостей, выходы которых через регуляторы 27 присоединены к дозатору воздуха и жидкостей 28.

Устройство содержит также электроогневой дожигатель топливной смеси и газов непосредственно внутри камеры сгорания, содержащий регулируемый высоковольтный преобразователь напряжения 29 с выходным напряжением порядка 20-30 кВ, и две на каждую камеру сгорания оригинальных одноэлектродных электросвечи зажигания 30, ввернутые напротив друг друга внутрь камеры сгорания в головке блока цилиндров выше прокладки 1-1, причем центральные электроды свечей 30 присоединены к выходам преобразователя 29, выходы преобразователя напряжения 23 присоединены к электродам 8,9 вспомогательной электросвечи зажигания, а выходы преобразователя напряжения 22 - к электроизолированному кольцевому электроду 10 и корпусу выхлопной трубы 2, причем выхлопная труба 2 надежно соединена с корпусом ДВС и корпусом транспортного средства, а по первичной цепи электропитания все бортовые преобразователи напряжения 22, 23, 29 подключены к бортовой электросети 31, например к бортовой аккумуляторной батарее (АБ). Отметим, что все преобразователи напряжения 22, 23, 29 в целом идентичны и могут быть выполнены в виде повышающих индуктивно-полупроводниковых автогенераторов, например в виде регулируемых блокинг-генераторов, причем блок 22 содержит дополнительный высоковольтный выпрямитель для осуществления режима электрофильтрования твердых и жидких компонент выхлопных газов на наполнителе капсулы 12.

Для упрощения чертежа (фиг. 1) на нем не показана система управления амплитудой и частотой выходного напряжения преобразователя 29 с датчиками 19,25, идентичная системе управления 20, а также ступень электроогневой очистки пламени недогоревшего топлива на срезах выпускных коллекторов ДВС, поскольку сущность и устройство их идентично аналогичной ступени в самой выхлопной трубе (кольцевой электрод и одноэлектродная свеча зажигания). Устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом:
Вначале топливную смесь и недогоревшие компоненты выхлопных газов на такте выпуска газов ДВС дожигают сильным электрическим полем непосредственно в камере сгорания 1 двигателя внутреннего сгорания путем подачи в камеру высокого напряжения от преобразователя 29 через одноэлектродные электроизолированные от корпуса свечи 30. Далее пламя недогоревшего топлива в выпускных коллекторах 1-2 обрабатывают и дополнительно дожигают электрическим полем, например, через дополнительные электроды, аналогичные 30, введенные в них, от блока преобразователя 29 (детально на фиг. 1 не показаны), потом отработанные выхлопные газы подают через выпускной коллектор 1-1 в расширительную камеру 2 внешнего устройства экологической очистки, где последовательно осуществляют операции их элекроогневого дожига (сектор Б фиг. 2) во внешнем чисто-горящем пламени, например, от сжигания газа дополнительной топливной смеси, образуемого вследствие подачи топлива через форсунку 4, воздуха через воздуховод 3 и воспламенения электроискрой между электродами 8,9 дополнительной электросвечи зажигания, от блока 23.

Электроогневой дожиг выхлопных газов осуществляется в электрическом поле, образованном от преобразователя 22 между кольцевым электродом 10 и массовым электродом 8.

Далее выхлопные газы дополнительно очищают от сажи и капель масла путем пропускания их через металлический наполнитель (стружки, шарики) внутри капсулы 12, которые периодически очищают щелочной аэрозолью, распыляемой через форсунку 15 и собирают конденсат в поддон 13, после чего выхлопные газы вновь дополнительно охлаждают и очищают щелочной аэрозолью, подаваемой через форсунку 15 на выходе из капсулы 12.

Отметим, что наполнитель капсулы 12 и корпус камеры 2 являются одновременно сборным электрофильтром, поскольку находятся под сильным отрицательным электрическим потенциалом, что повышает эффективность мокрой очистки выхлопных газов от твердых частиц (сажи, дымности).

Окончательную тонкую очистку выхлопных газов от угарного газа (CO) и других токсичных газовых компонентов осуществляют путем пропускания выхлопных газов через активированный гранулированный уголь 17, размещенный в кассете 16, после чего очищенные выхлопные газы выпускают в атмосферу. Размеры камеры электроогневого дожига 2 и степень наполнения кассет 12, 16 выбирают исходя из конкретной интенсивности потока газов ДВС и равенства аэродинамических показателей применяемых в настоящее время выхлопных труб ДВС и предлагаемого устройства.

Отметим, что раздельное применение описанных выше операций очистки газов не позволяет создать универсальные способ и устройство экологической очистки выхлопных газов, а именно благодаря предложенной совокупности последовательных операций многоступенчатой экологической очистки выхлопных газов достигается их высокая степень очистки в любых режимах работы ДВС.

Изобретение проверено экспериментально.

Изобретение относится к очистке выхлопных газов ДВС. В электроогневом способе дожигания токсичных газов во внешнем чистогорящем пламени с наложением на него сильного продольного электрического поля дополнительно введены операции электроогневого дожига пламени и газов непосредственно в камерах сгорания ДВС, аналогичного электроогневому дожигу в выпусных коллекторах двигателя и выхлопной трубе, превращенной в камеру принудительного электроогневого дожига газов, их электрофильтрования, мокрой очистки и химического фильтрования путем адсорбции в гранулированном активированном угле. Благодаря новому многооперационному способу очистки газов достигается высокая степень их очистки при значительно более низкой стоимости по сравнению с известными химическими сотовыми нейтрализаторами на основе платины и родия. Приведена конструкция устройства для осуществления способа. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ электроогневой очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания путем их дожига в пламени с наложением на данное пламя продольного электрического поля, отличающийся тем, что обрабатывают горящую топливную смесь и выхлопные газы электрическим полем с напряженностью не менее 1 кВ/см непосредственно в камерах сгорания ДВС, затем обрабатывают пламя недогоревших выхлопных газов непосредственно в выпускных коллекторах каждой из камер сгорания вторым электрическим полем с напряженностью не менее 1 кВ/см, после чего пропускают выхлопные газы ДВС через вспомогательное пламя в камере дожига с одновременным наложением на факел пламени продольного электрического поля, дополнительно фильтруют недогоревшие твердые и жидкие фракции выхлопных газов на металлическом сепараторе и понижают температуру выхлопных газов до 80-90^oC с одновременной очисткой от токсичных окислов путем аэрозольной обработки нейтрализующей жидкостью, после чего окончательно очищают выхлопные газы путем пропускания их через сетчатую капсулу с гранулированным активированным углем. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлический сепаратор выполняют в виде капсулы с наполнителем из металлической стружки, шариков. 3. Устройство для электроогневой очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащее камеру дожига, электроды, присоединенные к выходам высоковольтного преобразователя напряжения, топливную горелку и воздуховод в зоне электродов и устройство электроискрового зажигания топливной смеси, отличающееся тем, что оно дополнено устройством дожигания топливной смеси и выхлопных газов непосредственно в камерах сгорания двигателя и выпускных коллекторах двигателя, содержащем дополнительные электроизолированные от корпуса двигателя электроды, размещенные встречно друг другу выше прокладки в головке блока цилиндров и в выпускных коллекторах, и регулируемый высоковольтный преобразователь бортового напряжения, присоединенный по цепи электропитания к бортовой электросети, а своими выходами к этим электродам, камера дожига газов размещена в расширительной части выхлопной трубы, в которой размещены воздуховод, топливная форсунка, устройство электроискрового зажигания смеси, выполненное в виде электросвечи зажигания, содержащей электроизолятор, центральный электрод и боковой электрод, термостойкий кольцевой электрод с иглами по внутреннему периметру, размещенный в электрозолирующем кольце внутри корпуса камеры дожига газов на расстоянии, превышающем длину пламени на 1-3 см, причем далее по длине выхлопной трубы размещена цилиндрическая капсула с металлическими стружками и шариками, съемный поддон для сбора отходов, в частности, их жидких фракций, в месте установки данной капсулы установлен смеситель жидкостей с патрубками для подачи воды и щелочи в эту капсулу, а непосредственно за ней размещена цилиндрическая капсула с активированным гранулированным углем, на выходе и входе выхлопной трубы размещены датчики токсичности выхлопных газов и их температуры. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что все высоковольтные преобразователи напряжения идентичны и выполнены в виде автогенераторов с выходными высоковольтными выпрямителями.