СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПРИЗЕМНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ ОТ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ Российский патент 2002 года по МПК F01N3/20 

Изобретение относится к конструированию машин и, в частности, к устройствам выпуска отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, а также к снижению приземной концентрации вредных веществ от отработавших газов, например тепловозов, путевых машин с двигателями внутреннего сгорания.

Известен способ очистки отработавших газов, при котором отработавшие газы от двигателя внутреннего сгорания разделяют на два потока, один из которых направляют на абсорбирующее устройство, а другой - на катализатор. Очищенные отработавшие газы выпускают в окружающую среду (ЕР, заявка на патент 688940 А1, по кл. F 01 N 3/08, 1995).

Недостатком известного способа является то, что он не предусматривает выпуска части неочищенных отработавших газов в окружающую среду и управления расходом очищенных и неочищенных газов, а также не предусматривает увеличения скорости потока очищенных и неочищенных отработавших газов, что не позволяет уменьшить приземную концентрацию вредных веществ от отработавших газов.

Известен способ очистки отработавших газов, при котором отработавшие газы от двигателя внутреннего сгорания разделяют на потоки и направляют в молекулярные сетчатые элементы, различающиеся температурой десорбции, и в катализатор. Очищенные отработавшие газы выпускают в окружающую среду. Предусмотрено изменение направления (траектории) отработавших газов (US, патент 5603216 А, по кл. F 01 N 3/28, 1997).

Недостатком известного способа является то, что он не предусматривает выпуска части неочищенных отработавших газов в окружающую среду и управления расходом очищенных и неочищенных газов, а также не предусматривает увеличения скорости потока очищенных и неочищенных отработавших газов, что не позволяет уменьшить приземную концентрацию вредных веществ от отработавших газов.

Известен способ очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, при котором отработавшие газы от двигателя внутреннего сгорания направляют в катализатор и теплообменник, производят очистку отработавших газов в катализаторе, направляют очищенные отработавшие газы в окружающую среду и изменяют расход газов между потоками через теплообменник и нейтрализатор (FR, заявка на патент 2764638 А1, по кл. F 01 N 3/20, 1998).

Недостатком известного способа является то, что он не предусматривает выпуска части неочищенных отработавших газов в окружающую среду и увеличения скорости потока очищенных и неочищенных отработавших газов, что увеличивает стоимость нейтрализатора (стоимость очистки отработавших газов) и не позволяет уменьшить приземную концентрацию вредных веществ от отработавших газов.

Известен способ снижения концентрации вредных веществ от отработавших газов, принятый за прототип, при котором неочищенные отработавшие газы от источника отработавших газов разделяют на два потока, причем первый поток неочищенных отработавших газов направляют для очистки в блоки нейтрализатора и затем направляют этот первый поток очищенных отработавших газов в окружающую среду, второй поток неочищенных отработавших газов направляют в байпасный канал и направляют вместе с первым очищенным потоком отработавших газов в окружающую среду и управляют расходом отработавших газов в потоках (GB, патент 1357485, по кл. F 01 N 3/14, 1974).

Недостатком известного способа является отсутствие увеличения скорости потока очищенных и неочищенных отработавших газов, что не позволяет снизить стоимость нейтрализатора (стоимость очистки отработавших газов) и уменьшить приземную концентрацию вредных веществ от отработавших газов.

Известен глушитель отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с входным и выходным каналами и с размещенными внутри корпуса двумя перегородками, разделяющими глушитель на три камеры, сообщенные между собой переходными каналами. Указывается на количество и расположение переходных каналов (ЕР, заявка на патент 682172 А1, по кл. F 01 N 1/08, 1995).

Недостатком известного устройства является отсутствие очистки отработавших газов, например, с помощью нейтрализатора, отсутствие регулятора расхода потоков отработавших газов и не предусмотрено увеличение скорости потока отработавших газов, что не позволяет уменьшить приземную концентрацию вредных веществ от отработавших газов.

Известно устройство очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащее глушитель, катализатор, предкатализатор, байпасный трубопровод и байпасный клапан (DE, заявка на патент 19500996 А1, по кл. F 01 N 7/08, 1996).

Недостатком известного устройства является то, что оно не предусматривает выпуска части неочищенных отработавших газов в окружающую среду, что увеличивает стоимость нейтрализатора (стоимость очистки отработавших газов) и не предусматривает увеличение скорости выхода очищенных и неочищенных отработавших газов, что не позволяет уменьшить приземную концентрацию вредных веществ от отработавших газов.

Известно устройство очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащее корпус с катализатором (с блоками нейтрализатора), входной и выходной каналы, сообщающие корпус соответственно с источником отработавших газов (двигателем внутреннего сгорания) и с окружающей средой, абсорбент, байпасный канал, размещенный внутри корпуса катализатора (JP, заявка на патент 2722988 В2, 6307230 А по кл. F 01 N 3/08, 1998).

Недостатком известного устройства является отсутствие выпуска части неочищенных отработавших газов в окружающую среду, что увеличивает стоимость нейтрализатора (стоимость очистки отработавших газов) и не предусматривает увеличение скорости выхода очищенных и неочищенных отработавших газов, что не позволяет уменьшить приземную концентрацию вредных веществ от отработавших газов.

Известно устройство для снижения концентрации вредных веществ от отработавших газов, принятое за прототип, содержащее корпус с блоками нейтрализатора, входной и выпускной каналы, сообщающие корпус соответственно с источником отработавших газов и с окружающей средой, байпасный канал, размещенный внутри корпуса, причем байпасный канал соединен с одной стороны с входным каналом (GB, патент 1289928, по кл. F 01 N 3/14, 1972).

Недостатком известного устройства является отсутствие связи байпасного канала с окружающей средой и сопла, расположенного в байпасном канале со стороны выхода байпасного канала в окружающую среду, отсутствие регулятора расхода, размещенного в байпасном канале, и второго сопла, размещенного на выходе выпускного канала в окружающую среду, а также выполнение первого и второго сопел в виде усеченных конусов, что не позволяет увеличить скорости выхода очищенных и неочищенных отработавших газов для уменьшения приземной концентрации вредных веществ от отработавших газов и снизить стоимость нейтрализатора (стоимость очистки отработавших газов).

Техническим результатом изобретения является уменьшение приземной концентрации вредных веществ от отработавших газов при удешевлении способа и системы очистки отработавших газов, преимущественно двигателей внутреннего сгорания за счет увеличения скорости выпуска очищенных и неочищенных отработавших газов в окружающую среду.

Уменьшение приземной концентрации вредных веществ улучшает экологическое состояние данной местности.

Указанный технический результат по способу снижения приземной концентрации вредных веществ от отработавших газов достигается тем, что в способе снижения приземной концентрации вредных веществ от отработавших газов, при котором неочищенные отработавшие газы от источника отработавших газов разделяют на два потока, причем первый поток неочищенных отработавших газов направляют для очистки в блоки нейтрализатора и затем направляют этот первый поток очищенных отработавших газов в окружающую среду, второй поток неочищенных отработавших газов направляют в байпасный канал и направляют вместе с первым очищенным потоком отработавших газов в окружающую среду и управляют расходом отработавших газов в потоках, на выходе из байпасного канала увеличивают скорость второго потока за счет сжатия потока газов.

Кроме этого, скорость первого потока очищенных отработавших газов увеличивают за счет сжатия потока газов.

Указанный технический результат по устройству для снижения приземной концентрации вредных веществ от отработавших газов достигается тем, что в устройстве для снижения приземной концентрации вредных веществ от отработавших газов, содержащем корпус с блоками нейтрализатора, входной и выпускной каналы, сообщающие корпус соответственно с источником отработавших газов и с окружающей средой, байпасный канал, размещенный внутри корпуса, причем байпасный канал соединен с одной стороны с входным каналом, байпасный канал с другой стороны связан с окружающей средой и в нем размещено сопло, которое расположено со стороны выхода байпасного канала в окружающую среду.

Кроме этого, устройство снабжено регулятором расхода, размещенным в байпасном канале, выпускной канал снабжен вторым соплом, размещенным на выходе выпускного канала в окружающую среду, а первое и второе сопла выполнены в виде усеченных конусов.

Заявленный способ и устройство поясняются чертежами.

На фиг.1 изображено устройство в разрезе; на фиг.2 - вариант выполнения устройства.

Устройство снижения приземной концентрации вредных веществ от отработавших газов для реализации предлагаемого способа содержит (фиг.1) корпус 1 с блоками нейтрализатора (катализатора) 2, входной 3 и выпускной 4 каналы, сообщающие корпус 1 соответственно с источником отработавших газов, например двигателем внутреннего сгорания (не показан), и с окружающей средой, например с атмосферой, внутри корпуса 1 размещен байпасный канал 5, который с одной стороны соединен с входным каналом 3, а с другой стороны связан с окружающей средой. В байпасном канале 5 размещено сопло 6, которое расположено со стороны выхода байпасного канала 5 в окружающую среду.

Кроме этого, устройство снабжено регулятором расхода 7, который размещен в байпасном канале 5, выпускной канал 4 снабжен вторым соплом 8, размещенным на выходе выпускного канала в окружающую среду, а первое 6 и второе 8 сопла выполнены в виде усеченных конусов.

Регулятор расхода 7 позволяет изменять сопротивление (расход) потока неочищенных отработавших газов, проходящих через байпасный канал 5.

Первое сопло 6 позволяет увеличить скорость второго потока неочищенных отработавших газов, а второе сопло 8 - скорость первого потока очищенных отработавших газов путем сжатия потоков газов.

Расположение первого сопла 6 со стороны выхода байпасного канала 5 в окружающую среду позволяет увеличивать скорость второго потока неочищенных отработавших газов на выходе из устройства.

Расположение второго сопла 8 со стороны выхода выпускного канала 4 в окружающую среду позволяет увеличивать скорость первого потока очищенных отработавших газов на выходе из устройства.

Выполнение первого 6 и второго 8 сопел в виде усеченных конусов обусловлено простотой конструкции.

В качестве источника отработавших газов может быть, например, двигатель внутреннего сгорания.

В качестве блоков нейтрализатора 2 могут быть каталитические блоки сотовой конструкции, сажевый фильтр и т.д.

В качестве входного канала 3 может быть патрубок между двигателем и корпусом 1, а выпускным каналом 4 может быть выводная (выпускная) труба.

В качестве регулятора расхода 7 могут быть диффузоры либо поворотные заслонки с ручным или автоматическим приводом.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Стрелками на фиг.1 и 2 показаны направления движения отработавших газов и содержащихся в них вредных веществ по траекториям 9.

В исходном состоянии регулятор расхода 7 находится в полностью открытом положении.

Неочищенные отработавшие газы от источника отработавших газов (двигателя) направляют во входной канал 3, где их разделяют на два потока, причем первый направляют в блоки нейтрализатора 2, где производят их очистку от вредных веществ (окислов азота, углерода, сажи и т.д.), а второй поток неочищенных отработавших газов направляют в байпасный канал 5, после чего очищенные отработавшие газы первого потока через выпускной канал 4 с соплом 8 и неочищенные отработавшие газы второго потока по каналу 5 с соплом 6 направляют вместе в окружающую среду.

Управляют расходами отработавших газов в первом и втором потоках путем изменения сопротивления во втором потоке неочищенных отработавших газов, проходящих через байпасный канал 5 с помощью воздействия на регулятор расхода 7.

Изменяя расход отработавшего газа второго потока неочищенных отработавших газов, проходящих через байпасный канал 5, непосредственным воздействием на регулятор расхода 7, расход отработавшего газа первого потока, проходящего через блоки нейтрализатора 2, меняется автоматически (по закону сохранения масс).

Очищенные отработавшие газы первого потока, прошедшие через блоки нейтрализатора 2, и второго потока, прошедшие через байпасный канал 5, имеют определенную скорость движения, которая определяет высоту подъема отработавших газов (газовой струи) первого потока над выпускным каналом 4 и второго потока над соплом 6 байпасного канала 5 (над срезом выпускной трубы).

Скорость потока газа, в свою очередь, зависит от расхода газа в источнике отработавших газов (двигателе), конструктивных параметров устройства, состояния окружающей среды (атмосферы) и ряда других факторов.

Высота подъема отработавших газов определяет степень рассеивания вредных веществ в атмосфере (радиус воздействия), т. е. зону, подверженную воздействию выпадающих вредных веществ из отработавших газов, а следовательно, определяет величину приземной концентрации вредных веществ от отработавших газов. Чем больше высота подъема, тем больше степень рассеивания и меньше величина приземной концентрации вредных веществ от отработавших газов.

При выполнении устройства по варианту (фиг.2) второй поток неочищенных отработавших газов, проходящий через байпасный канал 5, направляют в сопло 6, где его скорость увеличивают за счет сжатия потока (струи) газа.

Увеличенная скорость выхода второго потока газа из сопла 6, по сравнению со скоростью выхода первого потока газа из выпускного канала 4, обеспечивает большую высоту подъема отработавших газов второго потока, лучшую степень рассеивания их в атмосфере, в том числе и по радиусу воздействия, а следовательно, меньшую суммарную величину приземной концентрации вредных веществ от отработавших газов первого и второго потоков по сравнению с величиной приземной концентрации, которая имела бы место при отсутствии сопла 6 и при равных скоростях выхода газов обоих потоков.

При выполнении устройства по варианту фиг.1 скорость выхода очищенных отработавших газов первого потока, прошедшего через выпускной канал 4, увеличивают путем сжатия потока газа в сопле 8. При этом происходит увеличение скорости очищенного и неочищенного потоков газа и соответствующее уменьшение приземной концентрации вредных веществ от отработавших газов.

Работа устройства в эксплуатации рассмотрена применительно к двигателю внутреннего сгорания, установленному на тепловозе (фиг.2).

В исходном состоянии, при полностью открытом регуляторе расхода 7, первый поток очищенных отработавших газов, прошедших через блоки нейтрализатора 2, имеющий сравнительно небольшую скорость выхода из-за отсутствия сопла, создает определенную приземную концентрацию вредных веществ на сравнительно узкой полосе вдоль железнодорожного полотна. Второй поток отработавших газов, прошедший через байпасный канал 5 с соплом 6 и имеющий большую по сравнению с первым потоком скорость, хотя и не получивший очистки в блоках нейтрализатора, рассеивается на большей площади и создаст определенную приземную концентрацию вредных веществ на более широкой полосе вдоль железнодорожного полотна.

Введение второго сопла 8 в выпускном канале 4 (фиг.1) увеличивает скорость второго потока очищенных отработавших газов, высоту их подъема над срезом трубы тепловоза, лучшее рассеивание в атмосфере и, следовательно, меньшую приземную концентрацию вредных веществ от отработавших газов.

Соотношение величин приземной концентрации вредных веществ на "узкой" и "широкой" полосах вдоль железнодорожного полотна определяется соотношением расходов отработавших газов в первом и втором потоках, т.е. положением регулятора расхода (заслонки) 7 и наличием сопел 6 и 8.

При полностью закрытом регуляторе расхода 7 (закрытой заслонке) все отработавшие газы проходят очистку в блоках нейтрализатора 2, что может соответствовать прохождению тепловоза по густонаселенным районам (мегополисам) с повышенными требованиями по экологии.

Режим при полностью открытом регуляторе расхода 7 соответствует движению тепловоза по малонаселенным районам с невысоким экологическим фоном. При этом через блоки нейтрализатора 2 проходит незначительное количество отработавших газов, что способствует увеличению его ресурса.

Промежуточные положения регулятора расхода 7 могут быть использованы при различных экологических требованиях конкретной местности или района.

Эффект, аналогичный предлагаемому, может быть получен при увеличении высоты выпускного канала (выпускной трубы), но применительно к железнодорожному транспорту, в частности к тепловозу, это практически невозможно осуществить из-за ограничений по габаритной высоте подвижного состава.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство для снижения приземной концентрации вредных веществ от отработавших газов, в частности двигателей внутреннего сгорания, за счет направления части неочищенных отработавших газов по байпасному каналу в атмосферу, управления расходом отработавших газов в потоках и за счет увеличения скорости выхода отработавших газов из устройства в атмосферу, позволяют снизить приземную концентрацию вредных веществ от отработавших газов и улучшить тем самым экологическое состояние окружающей среды.

Изобретение может быть использовано в выхлопных устройствах для ДВС. Технический результат: уменьшение приземной концентрации вредных веществ от отработавших газов (ОГ) при удешевлении способа и системы очистки ОГ, преимущественно ДВС за счет выпуска части неочищенных ОГ в окружающую среду, увеличения скорости выпуска очищенных и неочищенных ОГ в окружающую среду и управления расходами газов. Указанный технический результат в способе достигается тем, что неочищенные ОГ от источника ОГ разделяют не менее чем на два потока, причем первый поток неочищенных ОГ направляют для очистки в блоки нейтрализатора и затем направляют этот первый поток очищенных ОГ в окружающую среду и управляют расходом ОГ в потоках, направляют второй поток неочищенных ОГ в байпасный канал, увеличивают его скорость на выходе из этого канала за счет сжатия потока и направляют вместе с первым потоком очищенных ОГ в окружающую среду. Скорость первого потока очищенных ОГ увеличивают за счет сжатия потока газа. Технический результат также достигается тем, что устройство содержит корпус с блоками нейтрализатора, входной и выпускной каналы, сообщающие корпус соответственно с источником ОГ и с окружающей средой, байпасный канал, размещенный внутри корпуса, байпасный канал соединен с одной стороны с входным каналом, а с другой стороны связан с окружающей средой, в байпасном канале размещено сопло, которое расположено со стороны выхода байпасного канала в окружающую среду. Устройство снабжено регулятором расхода, размещенным в байпасном канале, выпускной канал снабжен вторым соплом, размещенным на выходе выходного канала в окружающую среду, а первое и второе сопла выполнены в виде усеченных конусов. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ снижения приземной концентрации вредных веществ от отработавших газов, при котором неочищенные отработавшие газы от источника отработавших газов разделяют на два потока, причем первый поток неочищенных отработавших газов направляют для очистки в блоки нейтрализатора и затем направляют этот первый поток очищенных отработавших газов в окружающую среду, второй поток неочищенных отработавших газов направляют в байпасный канал и направляют вместе с первым очищенным потоком отработавших газов в окружающую среду и управляют расходом отработавших газов в потоках, отличающийся тем, что на выходе из байпасного канала увеличивают скорость второго потока за счет сжатия потока газов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость первого потока очищенных отработавших газов увеличивают за счет сжатия потока газов. 3. Устройство для снижения приземной концентрации вредных веществ от отработавших газов, содержащее корпус с блоками нейтрализатора, входной и выпускной каналы, сообщающие корпус, соответственно, с источником отработавших газов и с окружающей средой, байпасный канал, размещенный внутри корпуса, причем байпасный канал соединен с одной стороны с входным каналом, отличающееся тем, что байпасный канал с другой стороны связан с окружающей средой и в нем размещено сопло, которое расположено со стороны выхода байпасного канала в окружающую среду. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что снабжено регулятором расхода, размещенным в байпасном канале. 5. Устройство по пп.3 и 4, отличающееся тем, что выпускной канал снабжен вторым соплом, размещенным на выходе выпускного канала в окружающую среду. 6. Устройство по пп. 3-5, отличающееся тем, что первое и второе сопла выполнены в виде усеченных конусов.