СПОСОБ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗА В СИСТЕМЕ ГЛУШИТЕЛЬ-КАТАЛИЗАТОР ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, ПРЕДНАЗНАЧЕННОЕ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В НЕМ Российский патент 2008 года по МПК F01N3/00 

Настоящее изобретение относится к технологии распределения газа в системе глушитель-катализатор двигателя внутреннего сгорания, более конкретно к способу распределения газа в системе глушитель-катализатор двигателя внутреннего сгорания и газораспределительному устройству, предназначенному для использования в способе.

Распределение газа особенно важно при обработке выхлопных газов систем внутреннего сгорания.

В промышленности Европы по производству грузовых автомобилей принято, чтобы выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания входили в имеющуюся систему глушитель-катализатор тангенциально. Это важно, поскольку ограниченность пространства требует, чтобы необходимые системы обладали возможно меньшим размером. Однако это приводит к ограничениям на распределение газа и тем самым влияет на падение давления и распределение потока струи выхлопных газов.

Однородное распределение потока легко устанавливается при условии наличия падения давления. Однако в случае отмеченной выше системы глушитель-катализатор необходим однородный профиль потока и сниженное падение давления.

В патентной литературе описаны различные газораспределительные устройства. В европейской патентной заявке ЕР 1022048 раскрыто устройство, предназначенное для обеспечения равномерного распределения и однородности при смешивании восстановительного реагента с выхлопными газами в выхлопной трубе двигателя внутреннего сгорания. Это обеспечивается с помощью фиксированных лопаток, создающих завихренное движение газа в выхлопной трубе, и это движение противодействует воздействию силы тяжести на профиль потока.

В патенте США US 5723041 описан способ стимулирования однородного кольцевого потока в реакционном пространстве реактора со смешанной фазой. Однородность потока обеспечивается путем перемещения подающейся жидкости в устройство, состоящее из внешнего корпуса со стационарными лопатками и внутреннего циркуляционного насоса с вращающимися лопатками рабочего колеса.

Глушители, включающие различные типы лопаток, предназначенные для уменьшения шума, также описаны, например, в российском патенте RU 2113600 и патенте SU 1719671. Установлено, что применение конических вихревых генераторов для создания вращательного движения газа приводит к уменьшению шума.

В литературе также описаны различные другие способы и устройства, в которых используется оборудование без лопастей, лопаток и т.п.; см., например, международную заявку WO 97/01387. В этом документе описана реакция восстановительного реагента с выхлопными газами в последовательных продольных каналах и с потоком в противоположных направлениях. В европейской заявке на патент ЕР № 0894523 описан статический смеситель со смешивающими элементами, которые завихряют жидкость, проходящую через смеситель. В немецкой заявке на патент DE № 4203807 также описан другой тип перемешивающего устройства.

Обычные способы, такие как указанные выше, не содержат устройств, которые одновременно обеспечивают и однородность профиля потока, и ограниченные изменения давления.

Поэтому задачей настоящего изобретения является предоставление способа распределения газа в системе глушитель-катализатор двигателя внутреннего сгорания, который обеспечивает однородный поток газа и минимальное падение давления на устройстве, и газораспределительного устройства, предназначенного для использования в способе.

Поставленная задача решается предлагаемым способом распределения газа в системе глушитель-катализатор двигателя внутреннего сгорания, включающим подачу газа в вихревую камеру через впускную секцию, расположенную тангенциально по отношению к вихревой камере, прекращение вихревого движения газа в вихревой камере путем его пропускания через ряд находящихся на одинаковых расстояниях друг от друга изогнутых лопаток, причем часть поверхности лопаток, расположенная выше по потоку, находится в плоскости, перпендикулярной оси вихревой камеры, а часть поверхности лопаток, расположенная ниже по потоку, находится параллельно оси вихревой камеры, при этом лопатки в радиальном направлении ориентированы наружу, и пропускание газа через выпускную секцию, расположенную ниже по потоку от вихревой камеры.

Настоящее изобретение также предусматривает газораспределительное устройство, предназначенное для использования в предлагаемом способе, которое включает вихревую камеру с впускной и выпускной секциями, при этом впускная секция расположена тангенциально по отношению к вихревой камере, а выпускная секция расположена ниже по потоку от вихревой камеры и вихревая камера содержит элемент, состоящий из ряда изогнутых лопаток, находящихся на одинаковых расстояниях друг от друга, и часть поверхности лопаток, расположенная выше по потоку, находится в плоскости, перпендикулярной оси вихревой камеры, а часть поверхности лопаток, расположенная ниже по потоку, находится параллельно оси вихревой камеры, при этом лопатки в радиальном направлении ориентированы наружу.

Газораспределительное устройств согласно изобретению можно также использовать для распределения газа в системах других типов, в которых для эффективного функционирования системы необходимы ограниченные изменения давления.

На Фиг.1 приведена схема газораспределительного устройства.

На Фиг.2 приведен поперечный разрез через пластины газораспределительного устройства.

На Фиг.3 приведена схема типичной лопатки вихревой камеры.

При использовании способа и устройства, соответствующего настоящему изобретению, направление газа, движущегося с высокой скоростью, равной, например, 100 м/с, можно повернуть на 90°. Одновременно можно равномерно распределить газ по площади поверхности выпускного отверстия, которая в 10-20 раз больше площади поверхности впускного отверстия. Устройство, соответствующее настоящему изобретению, применимо для регулирования потери давления и наблюдается минимальное падение давления. Уменьшенное падение давления приписывается установлению равномерного потока газа после прохождения через газораспределительное устройство.

В случае, когда газораспределительное устройство необходимо использовать в глушителе, размер устройства в осевом направлении ограничивается значением диаметра впускной трубы, умноженным на 2,5. Это ограничение вызвано только минимумом пространства, имеющимся в глушителе, и газораспределительное устройство, которое слишком велико, не помещается в глушителе. Если это устройство необходимо поместить в глушителе, то устройство можно поместить примерно на 100 мм выше по потоку от слоя катализатора.

Газораспределительное устройство, соответствующее настоящему изобретению, представлено на Фиг.1, и оно включает вихревую камеру (1) с впускной (2) и выпускной (3) секциями. Цилиндрическая впускная секция расположена таким образом, чтобы газ попадал в вихревую камеру тангенциально. Вихревая камера содержит стационарный элемент, похожий на пропеллер, с некоторым количеством изогнутых лопаток (4), находящихся на одинаковых расстояниях друг от друга, см. Фиг.2.

Часть поверхности лопаток, расположенная выше по потоку, находится в плоскости, перпендикулярной оси вихревой камеры, а часть поверхности лопаток, расположенная ниже по потоку, находится параллельно оси вихревой камеры, при этом лопатки в радиальном направлении ориентированы наружу.

Газ, поступающий в вихревую камеру, сначала входит в контакт с частью поверхности лопаток, расположенной выше по потоку. После этого он распределяется по лопаткам и затем поступает на часть поверхности лопаток, расположенную ниже по потоку, которая параллельна оси вихревой камеры. Тем самым направление газа отклоняется на 90°.

Когда изменивший направление газ направляется вниз по потоку от вихревой камеры, он попадает на катализатор, находящийся в глушителе. Катализатор выступает в качестве ограничителя потока и на нем происходит падение давления, равное примерно 1/3 динамического напора во впускной секции.

Относительная асимметрия, как использовано в настоящем изобретении, определяется, как отношение отклонение/(среднее значение), где оба значения рассчитываются для осевого компонента скорости газа, а площадь поверхности, на которой распределяется газ, выступает в качестве массовой функции.

Каждая лопатка, находящаяся в вихревой камере, изготовлена из пластины, изогнутой хотя бы в двух положениях. Пластину можно изогнуть под углами, равными, например, 40 и 50° соответственно, см. Фиг.3. Эти пластины одним концом присоединены к оси, и, как показано на Фиг.2, в радиальном направлении они ориентированы наружу.

Эти пластины также могут быть изогнуты под другими углами и на них может быть больше двух изгибов. Реализацией настоящего изобретения является устройство с лопатками, обладающими несколькими изгибами, так что пластина обладает криволинейной поверхностью между поверхностями, находящимися выше и ниже по потоку.

Приведенный ниже пример иллюстрирует способ и устройство, соответствующее настоящему изобретению.

Давление, указанное в примерах, измеряется в единицах динамического напора, которое представляет собой динамическое давление газа на входе в разные секции.

Пример

Выпускная секция газораспределительного устройства, соответствующего настоящему изобретению, помещается на расстоянии в 100 мм от катализатора, находящегося в блоке катализатор-глушитель двигателя внутреннего сгорания. Измеряют падение давления после прохождения через газораспределительное устройство и до и после прохождения через слой катализатора.

Падение давления после прохождения через газораспределительное устройство, соответствующее настоящему изобретению, и на поверхности слоя катализатора:

0,8 динамического давления.

Падение давления в слое катализатора:

0,35 динамического давления.

Асимметрия на входе в слой катализатора:

меньше 10%.

Значение асимметрии, составляющее меньше 10%, показывает, что газ хорошо распределяется по поверхности слоя катализатора.

Сравнительный пример

Аналогичный эксперимент проведен с использованием обычного газового распределителя с тангенциальным впуском. В этом случае получены следующие результаты:

Падение давления после прохождения через обычный распределитель и на поверхности слоя катализатора:

2,64 динамического давления.

Падение давления в слое катализатора:

0,34 динамического давления.

Асимметрия на входе в слой катализатора:

больше 50%.

Обнаружено, что после каталитической реакции выхлопных газов степень конверсии на катализаторе меньше. Это обусловлено худшим распределением газа, поступающего в слой катализатора.

Изобретение может быть использовано в выхлопных системах ДВС. Устройство содержит вихревую камеру с впускной и выпускной секциями. Впускная секция расположена тангенциально по отношению к вихревой камере, а выпускная секция расположена ниже по потоку газа от вихревой камеры. Вихревая камера содержит элемент, состоящий из ряда изогнутых лопаток, находящихся на одинаковых расстояниях друг от друга, причем часть поверхности лопаток, расположенная выше по потоку, находится в плоскости, перпендикулярной оси вихревой камеры, а часть поверхности лопаток, расположенная ниже по потоку, находится параллельно оси вихревой камеры, при этом лопатки в радиальном направлении ориентированы наружу. Приведен способ распределения газа. Изобретение позволяет обеспечить минимальное падение давления. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ распределения газа в системе глушитель-катализатор двигателя внутреннего сгорания, включающий подачу газа в вихревую камеру через впускную секцию, расположенную тангенциально по отношению к вихревой камере, прекращение вихревого движения газа в вихревой камере путем его пропускания через ряд находящихся на одинаковых расстояниях друг от друга изогнутых лопаток, причем часть поверхности лопаток, расположенная выше по потоку, находится в плоскости, перпендикулярной оси вихревой камеры, а часть поверхности лопаток, расположенная ниже по потоку, находится параллельно оси вихревой камеры, при этом лопатки в радиальном направлении ориентированы наружу, и пропускание газа через выпускную секцию, расположенную ниже по потоку от вихревой камеры.2. Газораспределительное устройство, предназначенное для использования в способе по п.1, включающее вихревую камеру с впускной и выпускной секциями, при этом впускная секция расположена тангенциально по отношению к вихревой камере, а выпускная секция расположена ниже по потоку от вихревой камеры, вихревая камера содержит элемент, состоящий из ряда изогнутых лопаток, находящихся на одинаковых расстояниях друг от друга, и часть поверхности лопаток, расположенная выше по потоку, находится в плоскости, перпендикулярной оси вихревой камеры, а часть поверхности лопаток, расположенная ниже по потоку, находится параллельно оси вихревой камеры, при этом лопатки в радиальном направлении ориентированы наружу.3. Газораспределительное устройство по п.2, включающее размер в осевом направлении устройства, максимально равный диаметру впускной трубы, умноженному на 2,5.4. Газораспределительное устройство по п.2, включающее вихревую камеру с лопатками, изогнутыми под углами, равными 40 и 50° соответственно.5. Газораспределительное устройство по п.2, включающее вихревую камеру с лопатками, причем каждая лопатка изготовлена из пластины, изогнутой хотя бы в двух положениях.