УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F01N3/33 B01D53/92 

Настоящее изобретение относится к устройству очистки выхлопных газов, которое может быть использовано во всех видах двигателей внутреннего сгорания, таких как дизельные или карбюраторные двигатели с турбонаддувом или без него. Конкретно, изобретение относится к устройствам для очистки выхлопных газов транспортных средств, которые могут удалить значительный процент вредных газов, выходящих из выпускного коллектора двигателя внутреннего сгорания.

Предпосылки создания изобретения

В настоящее время фактически установлен стандарт на норму выброса вредных веществ, которому должны соответствовать автомобили, грузовики, фургоны и другие транспортные средства в отношении допустимых выбросов вредных веществ и устройств для очистки выхлопных газов, что вызвано возрастающим беспокойством по защите окружающей среды как автомобилестроителей, так и всей промышленности. Например, в Европе Ассоциация европейских автомобилестроителей ставит целью для всей европейской автомобильной промышленности, чтобы выбросы двуокиси углерода (СО₂) из двигателей, которые они производят, должны быть в пределах 140 г/км (при среднем расходе топлива 5,6 л/100 км).

Хорошо известно, что двигатели внутреннего сгорания вырабатывают огромное количество вредных газов типа угарного газа, углекислого газа, окислов азота, углеводородов, твердых частиц в виде черного дыма и т.д., которые загрязняют атмосферу. В некоторых городах с большим количеством транспортных средств с учетом их географических особенностей имеются опасные для их жителей уровни загрязнения как, например, в столице Мексики или в Сантьяго в Чили.

Именно поэтому становятся реальной необходимостью катализаторы и другие устройства для очистки выхлопных газов в автомобилях, чтобы уменьшать токсичность выхлопных газов.

Большинство устройств очистки выхлопных газов, известных в данной области техники, включают блок предварительной очистки, который осуществляет обработку угарного газа, и устройство, которое улавливает и обрабатывает окись азота. Большинство этих устройств способно значительно уменьшить количество высокотоксичных газов, таких как НС, СO₂, СО и т.д.

Ранее уже было разработано несколько устройств для очистки выхлопных газов. Например, перечисленные ниже патенты США раскрывают примеры устройств, предназначенных для этой цели: патент США № 6342192; США № 6340066; США № 6342192; США № 6338244; США № 6338243 и другие.

Однако ни один из них не достигает цели, поставленной в настоящем изобретении: очищать газы через ламинарное устройство обработки потока выхлопных газов, без включения средства блокировки выхода газа. Фактически, одним из преимуществ, реализованных в настоящем изобретении, как описано ниже, является то, что при этом увеличивается мощность двигателя и снижается расход топлива. Опытным путем доказано, что указанное увеличение мощности достигается благодаря вышеупомянутой ламинарной обработке выхлопных газов. Известно, что блокирование выхода выхлопных газов оказывает неблагоприятное влияние на работу двигателя. В традиционные катализаторы вставляют фильтрующий элемент, который создает турбулентный поток газов и блокирует выход газа.

Поэтому в настоящем изобретении не используются элементы типа катализатора, сотовой структуры с драгоценными металлами и т.д., чтобы улавливать частицы загрязнения, как это сделано в большинстве известных технических решений.

Существенная особенность предлагаемого решения состоит в ламинарной обработке потока газа, поступающего от двигателя, и ни один из элементов предлагаемого устройства непосредственно не блокирует выход выхлопных газов, но разделяет поток, отделяя загрязненные газы с различными физическими/химическими свойствами от газов, не загрязняющих окружающую среду, с дальнейшей очисткой выхлопных газов, как подробно описано ниже.

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение направлено на разработку устройства для очистки выхлопных газов для снижения и/или удаления загрязняющих газов, выходящих от выпускного коллектора двигателя внутреннего сгорания типа дизельного или карбюраторного двигателя.

Предложенное устройство для очистки выхлопных газов снижает эмиссию вредных газов, нейтрализуя дым. Оно повторно использует несгоревшие газы (НС, CO₂, CO), отделяет их от общего потока и подает их на вход двигателя, снижая таким образом расход топлива и увеличивая мощность двигателя. Устройство сконструировано таким способом, что оно изменяет физические особенности потока путем изменения сечения трубопровода, через который проходит газ, изменяя его скорость при заданной температуре.

Устройство не имеет подвижных элементов, электрических схем и/или электронных или любых других элементов, блокирующих обычный газовый поток, поэтому оно не требует никакого обслуживания.

Настоящее устройство применимо для всех видов транспортных средств типа автомобилей, фургонов, мусоровозов, легких и тяжелых грузовиков, автобусов, сельскохозяйственных машин, дорожных машин и т.д.

При испытании вариантов устройства, проведенного в известных испытательных центрах, количество твердых вредных примесей в выхлопных газах было резко снижено, в некоторых случаях от 10 ppm (частей на миллион) до 2 ppm без какой-либо модификации двигателя.

Аналогичным образом выброс газообразных примесей снижен радикально до величин от 0,04% СО, 0% СО₂ до 1,3% по объему.

В основном, настоящее изобретение включает устройство для очистки выхлопных газов, которое содержит успокоительную камеру, через которую проходят поступающие от двигателя газы, где они расширяются и перемешиваются, затем газы входят в центратор-эмульгатор и поступают в ламинарную трубу и далее через вихревую камеру и выхлопную трубу.

Устройство для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания включает трубопровод, подающий выхлопные газы от выпускного коллектора двигателя в указанное устройство, первый и второй фильтры, глушитель и выхлопную трубу, при этом содержит успокоительную камеру, в которой газы расширяются, буферную плиту, диффузор, центратор, в котором поток газа входит в контакт с двумя внешними холодными воздушными струями, вихревую камеру, в которую вводится часть загрязняющих газов, от которой они подаются в двигатель как впускные газы, трубопровод, в который подается остальной поток газа, который затем подводится к глушителю и оттуда в выхлопную трубу, причем вихревая камера содержит канал двигателя, через который газы подаются к неподвижным лопаткам, где они расширяются и подаются в форсунку, имеющую выход, через который газы поступают обратно на вход двигателя.

Буферная плита имеет удлиненное отверстие и расположена горизонтально для подвода центрального потока и имеет несколько внешних отверстий, соединенных с указанным центральным отверстием.

После первой буферной плиты и второго фильтра устройство включает вторую буферную плиту, идентичную указанной первой плите.

Центратор включает цилиндр, который в свою очередь включает поперечную трубу, сообщающуюся с внешней средой, которая вводит первый холодный воздушный поток, и кольцо с внешними отверстиями, через которые вводится второй холодный воздушный поток.

Центратор соединен с трубой, состоящей из трех патрубков, которые отклоняют поток загрязняющих горячих газов к вихревой камере.

Настоящее изобретение также включает способ очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, характеризующийся следующими рабочими стадиями:

(а) образование канала для потока выхлопных газов, выходящих из выпускного коллектора двигателя внутреннего сгорания, и их быстрое расширение в успокоительной камере;

(b) обработка потока, используя первый процесс фильтрования;

(с) организация столкновения исходящего потока с металлической плитой, имеющей удлиненное центральное отверстие, чтобы отделить часть твердых частиц, присутствующих в потоке, от водяного пара и СО, которые подлежат дальнейшей обработке;

(d) пропускание оставшейся части потока через удлиненное центральное отверстие плиты и через второй фильтр;

(е) увеличение скорости потока, выходящего из фильтра, и впуск в него двух струй холодного воздуха, отводя часть горячих газов потока, который подлежит дальнейшей обработке;

(f) оставшаяся часть горячих газов потока отводится совместно с остальной частью загрязняющих газов, уже отведенных на стадиях (с) и (е) для их возврата к впускному коллектору двигателя;

выпуск оставшейся части потока.

На стадии (а) давление газов в успокоительной камере снижается и в ней создается вихревое движение газов.

На стадии (с) скорость и температура газов понижаются.

На стадии (е) первый внешний холодный воздушный поток вводится в центр потока газов в направлении их движения и второй холодный воздушный поток вводится в газ по периметру.

На стадии (f) загрязняющие газы отделяются от первоначального потока на предыдущих стадиях и подаются в цилиндрическую форсунку прежде чем подать их во впускной коллектор двигателя.

На стадии (f) газы подаются в глушитель, где в них вдувается холодный воздух, чтобы понизить их температуру перед заключительным выбросом в атмосферу.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - общий вид устройства для очистки выхлопных газов в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2а - перспективный вид, частично в разрезе, первой части устройства, на котором показаны успокоительная камера, плиты для очистки от частиц углерода, фильтры и средства для обработки загрязняющих газов с твердыми частицами.

Фиг.2b - другой общий вид средней части устройства, которое включает отверстия для впуска воздуха для охлаждения потока, диверторные трубы для загрязняющих газов и конус с лопатками, который создает турбулентный поток.

Фиг.2с - перспективный вид концевой части устройства, которое включает вихревую камеру, цилиндрическую форсунку и глушитель выхлопных газов.

Фиг.3а - вид в разрезе по линии IIIa - IIIa фиг.1.

Фиг.3b - вид в разрезе по линии IIIb - IIIb фиг.1.

Фиг.3с - вид в разрезе по линии IIIc - IIIc фиг.1.

Фиг.4 - вид в разрезе по линии IV - IV фиг.3с.

Фиг.5 - вид с торца на глушитель выхлопных газов или на выхлопную трубу с концом, который соединен с вихревой камерой.

Фиг.6 - поперечный разрез диффузора, который объединяет ответвления из трех труб, по которым проходят потоки загрязняющих газов.

Фиг.7 - вид с торца на цилиндрическую форсунку, установленную перед узлом, направляющим загрязняющие газы снова к двигателю.

Фиг.8 - вид с торца на раструб, закрывающий вихревую камеру.

Подробное описание изобретения

В соответствии с вышеприведенным описанием и фигурами, настоящее изобретение относится к устройству для очистки выхлопных газов, которое, как описано в ссылке 1, включает входное отверстие (2) для газов, выходящих из двигателя, который расположен с некоторым смещением относительно продольной оси устройства (1) для очистки выхлопных газов, обеспечивая желательное направление различных газов, составляющих поток выхлопных газов от двигателя.

Первая ступень настоящего устройства включает успокоительную камеру (3), в которой происходит расширение, декомпрессия и завихрение.

Газовый поток с пониженным давлением выходит из успокоительной камеры (3) и сначала проходит через традиционный фильтр (4) и затем через разделительную плиту (5). Эта плита (5) (см. фиг.2а) включает первую плиту (5а), разделительный газоход (5b) и упор (5с). Буферная плита (5а) имеет удлиненное центральное отверстие (6), через которое проходит газовый поток, несколько отверстий (7) для фиксации плиты (5) болтами в отверстиях (3’) камеры (3) с помощью винтов (8) с гайками (9), несколько небольших отверстий (9’), окружающих центральное отверстие (6) и два направляющих фланца (11), которые окружают верхнюю часть отверстия (6) и заканчиваются в точке центрального коллектора (10). Когда газовый поток сталкивается с плитой (5), часть твердых частиц удерживается в отверстиях (9’). Между буферной плитой (5а) и фиксатором (5с) при наличии фланцев (11) и внешнего разделительного трубопровода (12) формируется камера, в которой выполняются две операции: центральный газовый поток продолжает выходить через отверстие (6’), аналогичное входному отверстию (6), а часть твердых частиц, отделенных от потока в отверстиях (9’), водяного пара, содержащегося в газе, и загрязняющих газов отводится через направляющие (11) к входному отверстию (13) из разделительного трубопровода (14). Газы, выходящие из камеры (3), сталкиваются с плитой (5а), и значительная часть твердых частиц, содержащаяся в газе, отводится через отверстия (9’). Как только газ проходит через отверстия, сам газовый поток проходит через направляющие (11) внешней области, которые направляют их к выпускному коллектору (10) и оттуда через отверстие (13) в трубопровод (14). Согласно вариантам изобретения, которые подробно описаны ниже, на этой стадии газ теряет скорость, его температура снижается, и другие загрязняющие газы, содержащиеся в газовом потоке, типа окиси азота, подвергаются тому же самому процессу, что и твердые частицы.

На конце плиты (5) газ, выходящий через отверстие (6’), поступает в другой фильтрующий узел (4), который фактически находится в камере (15) и определяет компонент, который называется блоком газовой настройки. Этот блок включает первую часть, аналогичную части (3’) и переходит в узкий канал, который образует воронку (16), которая, в свою очередь, заканчивается в центральной трубе диффузора (17) круглого сечения. Эти постоянные изменения сечения вызывают динамические изменения газового потока и обеспечивают ламинарное разделение различных газов этого потока. Хотя этот простой процесс не позволяет полностью разделить газы на различные слои, создаются слои “богатые” некоторыми газами, и после отдельной обработки каждого из них можно снизить содержание некоторых из загрязняющих газов, выходящих от двигателя (хотя удалить их полностью невозможно).

После выхода газов из фильтра (4), расположенного в камере (15) они поступают в трубу диффузора (17), который имеет несколько прорезей (17’), через которые часть газов разделяется на отдельные потоки, после чего газы проходят через два отдельных трубопровода (18-19). После того как поток прошел через коническую часть воронки (16), он с повышенной скоростью поступает в цилиндрический центратор (20), который имеет два отверстия для входа воздуха, первое из которых соединено с поперечным патрубком (21) для входа свежего воздуха и, подобно трубке Вентури, имеет суживающуюся часть (23), которая представляет собой второй патрубок (22) для впуска воздуха. Первый патрубок (21) представляет собой металлическую трубу, которая проходит через трубу (24), расположенную в центраторе (20) по его оси, и свежий воздух вводится в середину патрубок (22) создается подачей среды через патрубок (22) и внешними отверстиями (26) кольца (27), образующими узел типа трубки Вентури. Внешние концы упомянутых патрубков (21-22), через которые поступает свежий воздух, закрыты, что защищает отверстия (25) от попадания инородных частиц вместе с воздухом от узла фильтра.

Свежий воздух, поступающий в центр потока, удерживает более загрязненные горячие газы вокруг внешней зоны, тогда как газы более богатые кислородом остаются в центре. Поток газов, выходящих из центратора (20), проходит в разделительные патрубки (28-29-30), которые направляют более горячие (загрязненные) газы для последующей обработки. Тем временем остальная часть потока продолжает свой путь через цилиндрическую трубу (31), которая выходит в вихревую камеру (32). Центральная труба (31) имеет конец (31′), каналы двигателя (34), соответствующие установленной фиксированной “турбине” (35), который имеет несколько лопаток (36). Таким образом, газы, предварительно разделенные трубой (31), частично проходят через упомянутые каналы двигателя в вихревую камеру (32), а остальные газы продолжают свой путь к глушителю (40).

Упомянутая выше вихревая камера (32) включает первый конус (33), в который входят три упомянутые выше патрубка (28-30) для выхода горячих загрязняющих газов. Иными словами, все ранее отделенные загрязняющие газы поступают в вихревую камеру (32). Аналогичным образом, трубопровод (37), отходящий от диффузора (38), в который поступает выход всех разделительных трубопроводов (14, 18 и 19), проходит через упомянутую вихревую камеру и далее в цилиндрическую форсунку (39), также как и газы из указанной вихревой камеры (см. фиг.4). Таким образом, различные газовые потоки, отделенные от центрального потока газа, поступающего от двигателя, подводятся к указанной форсунке, часть которой проходит через трубу (37), а остальное проходит через вихревую камеру. Эта цилиндрическая форсунка (39) включает внешние теплоотводящие ребра (39’) и центральный проход (41) (см. фиг.7), вокруг которого имеется несколько проходных отверстий (42), через которые циркулирует газ, поступающий от трубопровода (37), как показано линиями газового потока на фиг.4. Когда поток газа выходит из цилиндрической форсунки (39), он поступает через трубу (43) снова в двигатель, где он соединяется с воздушным потоком на входе в двигатель. Фактически, повторно поступающие в двигатель выхлопные газы, смешиваются с воздухом, чтобы снизить выделение загрязняющих газов - ресурс, широко используемый в промышленности. Этот ресурс имеет логически ограниченное влияние на работу двигателя, и полевые испытания, проведенные с настоящим устройством (см. ниже), показали, что мощность двигателя не только не падает, но даже увеличивается вместе с уменьшением расхода топлива.

Настоящее устройство оканчивается глушителем (40), состоящим из удлиненного полого цилиндрического элемента, который соответствует концу (40’) внутренней коаксиальной трубы (44), которая соединяется с удлинением центрального трубопровода (31) и скреплена с вихревой камерой (32) винтами (45). Рядом с указанными винтами (45) расположены отверстия глушителя (46), через которые в его внутреннюю часть проходит свежий воздух, когда воздушный поток выходит через выход (47).

Из приведенного выше описания следует, что поток поступающего от двигателя газа проходит следующий путь.

От двигателя газ проходит через выпускной коллектор на вход (2), где он входит в успокоительную камеру (3), в которой газ расширяется. Поток газа пропускается через фильтр (4) и сталкивается с плитой (5), где часть потока проходит через выход (6’), а другая часть отводится через трубу (14) к диффузору (38).

После плиты (5) газ входит в камеру (15), в которой часть газа отводится через трубопроводы (18-19) к диффузору (38), а остальное поступает в центратор (20).

Здесь газ вступает в контакт с внешним холодным воздухом, поступающим через входные отверстия (21 и 22), которые создают ламинарный поток, который в центре обогащен кислородом, а по краям содержит СО и другие загрязняющие газы. Часть этих газов отводится в форсунку (39) через трубопровод (37). Когда поток входит в трубу (31), остальная часть загрязняющих газов на стенке трубы отводится к форсунке (39) через патрубки (28-30), которые сначала входят в вихревую камеру (32), где имеются лопатки (36) для создания турбулентности, и затем подводятся к форсунке (39). Оставшаяся часть потока, циркулирующего через трубопровод (31) и неразделенного через патрубки (28-30), подводится к глушителю (40) и оттуда выпускается в окружающую атмосферу.

Полевые испытания

Чтобы проанализировать поведение настоящего устройства на реальном двигателе, технический отдел Министерства “Universidad Tecnolygica Nacional” Аргентинской Республики организовал выполнение нескольких полевых испытаний. Полученные результаты представлены ниже:

- меньшее количество выбросов окислов азота;

- меньшее количество выбросов углеводородов;

- меньшее количество выбросов твердых частиц.

При стендовом испытании двигателя количество окиси азота значительно уменьшилось (25%), а его общая концентрация в транспортном средстве снизилась до 46%. Аналогичным образом, количество твердых частиц уменьшилось на 63% и концентрация углеводородных выбросов на 70%.

В заключение отметим, настоящий способ в основном включает следующие стадии:

- формирование канала выхлопных газов, выходящих потоков газов из выпускного коллектора двигателя внутреннего сгорания и их быстрое расширение в успокоительной камере;

- обработка потока с использованием первого традиционного процесса фильтрования;

- организация удара исходящего потока с металлической плитой, имеющей центральное отверстие, чтобы отделить часть твердых частиц, присутствующих в потоке, от водяного пара и СО, которые подлежат дальнейшей обработке;

- принудительный пропуск оставшегося потока через плиту с горизонтальным пазом и пропуск потока газа через второй традиционный фильтр;

- увеличение скорости потока, выходящего из фильтра, и впуск в поток двух струй холодного воздуха, формируя часть горячих газов на внешней части потока, которые обрабатываются отдельно;

- оставшаяся внешняя часть неразделенного потока отводится совместно с остальной частью загрязняющих газов, уже отведенных в течение стадий (с) и (е) для их возврата во впускной коллектор двигателя;

- вывод не разделенного потока из устройства.

Изобретение относится к области очистки выхлопных газов транспортных средств. Способ очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания реализуется в устройстве, которое включает трубопровод, подающий выхлопные газы от выпускного коллектора двигателя в указанное устройство, первый и второй фильтры, глушитель и выхлопную трубу, при этом содержит успокоительную камеру, в которой газы расширяются, буферную плиту, диффузор, центратор, в котором поток газа входит в контакт с двумя внешними холодными воздушными струями, вихревую камеру, в которую вводится часть загрязняющих газов, от которой они подаются в двигатель как впускные газы, трубопровод, в который подается остальной поток газа, который затем подводится к глушителю и оттуда в выхлопную трубу, причем вихревая камера содержит канал двигателя, через который газы подаются к неподвижным лопаткам, где они расширяются и подаются в форсунку, имеющую выход, через который газы поступают обратно на вход двигателя. Результат - ламинарная очистка газов без задержки их выхода. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 12 ил.

1. Устройство для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, включающее трубопровод, подающий выхлопные газы от выпускного коллектора двигателя в указанное устройство, первый и второй фильтры, глушитель и выхлопную трубу, отличающееся тем, что содержит успокоительную камеру, в которой газы расширяются, буферную плиту, диффузор, центратор, в котором поток газа входит в контакт с двумя внешними холодными воздушными струями, вихревую камеру, в которую вводится часть загрязняющих газов, от которой они подаются в двигатель как впускные газы, трубопровод, в который подается остальной поток газа, который затем подводится к глушителю и оттуда в выхлопную трубу; причем вихревая камера содержит канал двигателя, через который газы подаются к неподвижным лопаткам, где они расширяются и подаются в форсунку, имеющую выход, через который газы поступают обратно на вход двигателя.2. Устройство для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающееся тем, что указанная буферная плита имеет удлиненное отверстие и расположена горизонтально для подвода центрального потока и имеет несколько внешних отверстий, соединенных с указанным центральным отверстием.3. Устройство для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающееся тем, что после первой буферной плиты и второго фильтра устройство включает вторую буферную плиту, идентичную указанной первой плите.4. Устройство для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающееся тем, что центратор включает цилиндр, который, в свою очередь, включает поперечную трубу, сообщающуюся с внешней средой, которая вводит первый холодный воздушный поток и кольцо с внешними отверстиями, через которые вводится второй холодный воздушный поток.5. Устройство для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающееся тем, что центратор соединен с трубой, состоящей из трех патрубков, которые отклоняют поток загрязняющих горячих газов к вихревой камере.6. Способ очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, характеризующийся следующими рабочими стадиями:

- (а) образование канала для потока выхлопных газов, выходящих из выпускного коллектора двигателя внутреннего сгорания, и их быстрое расширение в успокоительной камере;

- (b) обработка потока, используя первый процесс фильтрования;

- (с) организация столкновения исходящего потока с металлической плитой, имеющей удлиненное центральное отверстие, чтобы отделить часть твердых частиц, присутствующих в потоке, от водяного пара и СО, которые подлежат дальнейшей обработке;

- (d) пропускание оставшейся части потока через удлиненное центральное отверстие плиты и через второй фильтр;

- (е) увеличение скорости потока, выходящего из фильтра, и впуск в него двух струй холодного воздуха, отводя часть горячих газов потока, который подлежит дальнейшей обработке;

- (f) оставшаяся часть горячих газов потока отводится совместно с остальной частью загрязняющих газов, уже отведенных на стадиях (с) и (е), для их возврата к впускному коллектору двигателя;

- выпуск оставшейся части потока.