Устройство для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания Советский патент 1993 года по МПК F01N3/08 

Изобретение относится к устройствам очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания от вредных примесей.

Цель изобретения - повышение эффективности.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 - электрическая принципиальная схема блока управления устройства.

Устройство состоит из кожуха 1, выполненного в виде кольцевого параболического рефлектора инфракрасного излучения, снаружи покрытого теплоизоляцией. Кожух 1 снабжен входным патрубком 2 и соединен с корпусом 3, который имеет выходной патрубок 4 на прижимной крышке 5. Под крышкой 5 в корпусе 3 установлен сменный фильтрующий элемент 6, выполненный из боросиликатной или базальтовой ваты. Корпус 3 выполнен из пластмассы и снабжен в нижней части герметичным поддоном 7 для жидкости, которая поступает из сменного .фильтрующего элемента 6 через перфорации 8 в нижней стенке корпуса 3. Корпус 3, фильтрующий элемент 6 и поддон 7 установлены в кольцевых выемках крышки 5 и стального кожуха 1, которые фиксируются стяжками 9 с упругими элементами 10.

Внутри кожуха 1 на керамических клеммах 11 установлен испаритель 12 с рассекателем 13 отработавших газов, выполненный из жаропрочного материала, на котором нанесены покрытия катализатором, например, из никельхромового сплава в виде спиральных элементов 14. Первые концы . всех электродов 14 соединены между собой

00

ю

ю

ел

и подключены к нижней клемме 11, а вторые концы соединены между собой кольцом 15 и подключены к верхней клемме 11. Внутри полого испарителя 12 установлен датчик 16 температуры жидкости, выполненный в виде терморезистора, а датчиком температуры катализатора являются электроды 14, которые подключены к первому входу блока управления 17яерез верхнюю клемму 11, а датчики 1 б - к второму входу блока управления 17. Первый выход блока 17 подключен к электродам 14 катализатора через нижнюю клемму 11, а второй выход - к обмотке управляемого электромагнитного клапана 18, который установлен между полостью испарителя 12 и вентилем 19 емкости 20 с жидкостью, например водой. Вентиль 19 кинематически связан с педалью 21 управления подачей топлива в двигатель внутрен- него сгорания. Внутренняя полость испарителя 12 соединена переходником 22 с контуром 23 температурной стабилизации пара, который состоит из теплообменника 24, расположенного внутри корпуса контура 23, наружная поверхность которого содержит винтовые поверхности 25. Контур 23 снабжен термостатом 26. вход которого соединен с выходом теплообменника 24, а выход - с входом охлаждающего радиатора 27, выход которого соединен с входом теплообменника 24. Внутренняя полость корпуса 23 соединена с трубой 28, которая снабжена перфорациями и наружными винтовыми поверхностями 29. Труба 28 установлена в кольце 30, которое закреплено в выходном патрубке 4 на дистанционных шпильках 31. Внутренняя полость герметичного поддона 7 соединена трубопроводом 32 с входом жидкостного фильтра 33, выход которого соединен с входом емкости 20. Источник тока высокого напряжения 34 подключен через третий выход блока управления 17 к электродам катализатора 14 и через четвертый выход блока управления 17 к электродам 35 электроосмотического осушителя 36 сменного фильтрующего элемента 6. При этом положительный полюс источника тока подключен к внутреннему сетчатому электроду 35, а отрицательный полюс - к наружному сетчатому электроду 35 на сменном фильтрующем элементе 6.

Блок управления 17 состоит из мостовой схемы 37, в которую включены электроды 14 катализатора, одновременно являющиеся датчиком температуры катали: затора и первым входом блока управления, а также резистор 38 и конденсаторы 39, 40. В одну диагональ мостовой схемы 37 подключен генератор 41 переменного тока, а во вторую диагональ - детектор, выполненный

на диодах 42 и 43. Выход детектора подключен к входу усилителя 44, выход которого подключен через резисторы 45 и 46 к управляющим электродам тиристоров 47 и 48, которые коммутируют цепи питания источника тока низкого напряжения к электродам 14 катализатора и являются первым выходом блока управления 17. Для селекции сигналов постоянного и переменного

0 токов на электродах 14 катализатора подключены конденсаторы 49 и 50. Датчик 51 температуры жидкости выполнен в виде терморезистора, подключен к управляющему электроду транзистора 52 вместе с дели5 телем напряжения на резисторах 53 и 54 и является вторым входом блока управления 17. Выход транзистора 52 подключен к управляющему электроду третьего тиристора 55, который коммутирует обмотку упрэвле0 ния 56 электромагнитного клапана 18 и является вторым выходом блока управления 17. Источник тока 34 высокого напряжения подключен через четвертый тиристор 57, выход которого является третьим выходом

5 блока управления к электродам 14 катализатора и через делитель высокого напряжения на резисторах 58 и 59, выход которого является четвертым выходом блока управления - к электродам 35 электроосмотического

0 осушителя 36 сменного фильтрующего элемента 6. Ток низкого напряжения поступает на обмотку управления 56 электромагнитного клапана 18 и на транзистор 52 через выключатель 60.

5 Устройство работает следующим образом.

На режиме запуска и прогрева холодно- го двигателя электроды 14 катализатора, выполненные из никельхромового сплава,

0 имеют низкую температуру и низкое сопротивление переменному току, который протекает в мостовой схеме 37 от генератора 41. Поэтому баланс мостовой схемы 37 нарушен и через детектирующий диод 42 на не5 инвертирующий вход усилителя 44 поступают положительные импульсы, амплитуда которых больше, чем амплитуда отрицательных импульсов, поступающих с мостовой схемы 37 через диод 43 на инвер0 тирующий вход усилителя 44. На выходе усилителя 44 формируются положительные импульсы, которые поступают на управляющие электроды тиристоров 47, 48 и 57. Ти- ристоры 47 и 48 с анодным управлением

5 полностью открываются и коммутируют низкое напряжение +12В и -12В к электро- дём 14 катализатора, которые нагреваются постоянным током до рабочей температуры. Тиристор 57 с катодным управлением за- крыт и отключает высокое напряжение источникз 34 от электродов 14, исключая короткое замыкание источников тока. Постоянный ток электродов 14 не нарушает работу генератора 41, детекторов 42, 43 и усилителя 44 за счет использования разделительных конденсаторов 49 и 50. На нагретом катализаторе протекает окислительно-восстановительная реакция, когда окись углерода окисляется до углекислого газа, а окислы азота восстанавливаются до атомарного азота, что значительно повышает эффективность устройства изданном режиме.

Поскольку температура выхлопных газов на данном режиме недостаточна для интенсивного парообразования жидкости в испарителе 12, то необходимы дополнительные ограничения подачи жидкости из емкости 20 через вентиль 19 в испаритель 12 для предотвращения затопления корпуса 1 жидкостью и ее перерасхода. Сопротивление терморезистора 51, помещенного в испаритель 12 при низких температурах велико, поэтому с делителя напряжения 53 и 54 на базу транзистора 52 через включен- ный тумблер 60 поступает положительный потенциал, который закрывает транзистор 52. Поэтому на управляющий электрод ти- ристора 55 с анодным управлением поступает через резистор 54 отрицательный уровень, который ограничивает ток тиристо- ра 55 через обмотку управления электромагнитного клапана 18. Количество жидкости, поступающей в испаритель 12, не превышает количества испарившейся жидкости при текущих значениях ее температу- ры. Значительно снижается расход жидкости, а также расход электроэнергии на нагревание катализатора, поскольку инфракрасное излучение выхлопных газов и электродов 14 катализатора концентрирует- ся параболическим рефлектором 1 корпуса на поверхности катализатора. Теплоизоляционное покрытие внешней поверхности корпуса 1 дополнительно снижает тепловые потери, поэтому температура катализатора 14 и жидкости в испарителе 12 быстро достигает рабочих значений.

На последующих режимах работы прогретого двигателя на различных нагрузках водитель воздействует на педаль 21 управ- ления подачей топлива в двигатель, изменяя количество сжигаемого топлива и величину поступающих в устройство вы- хлопных газов. Пропорционально этой величине изменяется подача жидкости через вентиль 19, кинематически связанный с педалью 21. При этом управляющий электромагнитный клапан 18 дополнительных ограничений не вносит, так как полностью открыт током через тиристор 55. В свою

очередь, тиристор 55 открыт положительным уровнем транзистора 52, который открыт отрицательным потенциалом делителя напряжения 53, 54, поскольку сопротивление терморезистора 51 значительно снижается при высоких температурах жидкости. Таким образом, расход жидкости и парообразование поддерживаются автоматически в заданных оптимальных пределах.

Выхлопные газы нагревают электроды 14 катализатора до рабочей температуры, что ведет к увеличению их сопротивления переменному току. Мостовая схема 37 возвращается в состояние балланса, на выходе усилителя 44 формируются отрицательные импульсы, которые поступают на управляющие электроды тиристоров 47, 48, 57. Тири- сторы 47 и 48 полностью закрываются и отключают источник постоянного тока низкого напряжения от электродов 14катализа- тора..Тиристор 57 полностью открывается и коммутирует высокое напряжение источника 34 между катализатором 14 и корпусом 1, Наложение электрического поля на электроды катализатора дополнительно повышает эффективность окислительно-восстановительной реакции на них и степень очистки выхлопных газов.

Пар из испарителя 12 поступает через переходник 22 в контур 23 температурной стабилизации и заполняет его внутреннюю полость, взаимодействуя с поверхностью теплообменника 24. Теплообменник заполнен охлаждающей жидкостью с температурой кипения выше 110°С и через термостат 26 подключен к охлаждающему радиатору 27, который отводит избыток тепла для утилизации на транзисторе или в атмосферу. Термостат 26 автоматически регулирует поток жидкости, циркулирующей в контуре 23 таким образом, что ее температура стабилизируется на границе конденсации паров жидкости в туман. Винтовые поверхности 25 отводят избыток тепла выхлопных газов через контур 23 температурной стабилизации также в атмосферу или для утилизации тепла на транспорте. Поэтому температура выхлопных газов, поступающих в корпус 3, не превышает 100-110 С наряду с температурой пара.

Мягкий пар, находящийся на границе конденсации, заполняет весь внутренний объем сменного фильтрующего элемента 6 и взаимодействует с различными примесями выхлопных газов, находящихся во всех агрегатных состояниях и являющихся центрами конденсации пара. Образование конденсата сопровождается получением достаточно крупных конгломератов, на которые оказывают воздействия центробежные силы при спиральном движении газов с примесями между винтовыми поверхностями 29. Под действием центробежных сил капли конденсата с примесями и механическими включениями движутся к поверхности фильтрующего элемента 6, на котором оседают и далее проникают вглубь пористого элемента 6 под действием сил инерции, осмотических и капиллярных сил. По мере продвижения выхлопных газов к выходному патрубку 4 их температура снижается ниже 100°С, что приводит к полной конденсации пара на поверхности фильтрующего элемента б и частично на винтовых поверхностях 29, с которых капли жидкости улавливаются стенками кольца 30 и возвращаются в корпус 3. Через выходной патрубок 4 в атмосферу удаляются очищенные выхлопные газы, которые не испытывают динамического торможения в данном выпускном тракте и не снижают мощность двигателя. Жидкость из фильтрующего элемента 6 и кольца 30 через перфорации 8 в нижней стенке корпуса 3 поступает в поддон 7, откуда через трубопровод 32 подается на вход жидкостного фильтра 33, а затем в емкость 20 для замкнутой циркуляции в устройстве.

Для более полного и равномерного заполнения фильтрующего элемента 6 примесями конденсата используются электрокинетические воздействия электроосмоса, заключающиеся в движении твердых частиц взвесей и жидкости в электрическом поле. Для этого с помощью сетчатых электродов 35, установленных на внутренней и наружной поверхностях сменного фильтрующего элемента б, подается разность потенциалов, которая задается делителем напряжения на резисторах 58 и 59 с выхода источника тока высокого напряжения 34. Ионы примесей и жидкости перемещаются в капиллярах фильтра от анода к катоду в соответствии с эффектом Рейса, поэтому положительный полюс подключен к внутреннему сетчатому электроду 35, а отрицательный полюс - к наружному сетчатому электроду 35 на фильтрующем элемен- те 6. Тогда ионы примесей движутся от внутренней части фильтра к наружной и равномерно заполняют весь его объем в процессе эксплуатации, что значительно увеличивает полезную емкость фильтра и его ресурс до замены. Кроме того, электроды 35 образуют электроосмотический осу- шитель 36 сменного фильтрующего элемента 6, поскольку способствуют движению не только частичек примесей, но и самой жидкости к наружным стенкам фильтра 6. Таким образом, создается принудительная циркуляция конденсата жидкости через фильтр 6, что значительно повышает эффективность очистки выхлопных газов, увеличивает полезную емкость фильтра и снижает

расход жидкости.

При эксплуатации устройства в зимнее время без добавок антифризов за несколько минут до установки транспортного средства на стоянку водитель выключает тумблер 60,

0 прекращая подачу воды в утсройство. Тогда жидкость полностью удаляется из сменного фильтрующего элемента 6, поддона 7 и собирается в емкости 20, которая находится в утепленном месте, например кабине води5 теля.

После длительной эксплуатации устройства производят замену фильтрующего элемента 6 через съемную крышку 5 с кольцом 30. Использованный фильтрующий элемент

0 6 содержит смолистые отложения, сажу и другие вредные и канцерогенные вещества, поэтому сдается на переплавку или изолируется от окружающей среды.

Формула изобретения

5 1. Устройство для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащее корпус с входным и выходным патрубками и перфорированной трубой с наружными винтовыми поверхностями, ем0 кость с жидкостью, полый испаритель с рассекателем, выполненным из жаропрочного диэлектрического материала, источник высокого напряжения, электроды катализатора, выполненные спиральными и/

5 размещенные на рассекателе, сменный фильтрующий элемент с электродами, герметичный поддон корпуса, соединенный через жидкостный фильтр с емкостью, и контур температурной стабилизации, вклю0 чающий последовательно соединенные теп- лообменник, термостат и радиатор, расположенный между перфорированной трубой и испарителем с рассекателем, отличаю щ е е с я тем, что. с целью повыше5 ния эффективности, оно дополнительно содержит электромагнитный клапан с обмоткой управления, датчик температуры катализатора, датчик температуры жидкости и блок управления с двумя входами и

0 четырьмя выходами, причем датчик температуры катализатора подключен к первому входу блока управления, датчик температуры жидкости - к второму входу блока управления, первый выход которого подключен к

5 электродам катализгтора, а второй выход - к обмотке управления электромагнитного клапана, установленного между емкостью и полым испарителем, а источник высокого напряжения подключен через третий и чет- вертый выходы блока управления соответственно к электродам катализатора и сменного фильтрующего элемента, корпус вокруг испарителя с рассекателем выполнен в виде параболического рефлектора инфракрасного излучения и снаружи покрыт теплоизоля- цией.

2. Устройство по п.1, отличающее- с я тем, что блок управления выполнен на мостовой схеме с генератором переменного тока, усилителем, четырьмя тиристорами, транзистором, делителем напряжения, детектором и цепями питания источника низкого напряжения, в схему включены электроды катализатора, выполненные в ви- де датчика температуры катализатора и первого входа блока управления, одна диагональ схемы подключена к генератору переменного тока, а вторая диагональ через детектор - к входу усилителя, выход которо- го соединен с управляющими электродами

двух тиристоров, коммутирующих цепи питания источника тока низкого напряжения к электродам катализатора и выполненных в виде первого выхода блока управления, датчик температуры жидкости выполнен в виде терморезистора, установленного в полом испарителе и подключенного к управляющему электроду транзистора, выполненного в виде второго входа блока управления, выход транзистора подключен к управляющему электроду третьего тиристора, коммутирующего обмотку управления электромагнитного клапана и выполненного в виде второго выхода блока управления, а источник высокого напряжения подключен через четвертый тиристор, выполненный в виде третьего выхода блока управления, к электродам катализатора и через делитель напряжения, выполненный в виде четвертого выхода блока управления, - к электродам сменного фильтрующего элемента.

фиг.2.

Использование: для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. Сущность изобретения: устройство содержит корпус с патрубками, трубку с перфорацией и наружными винтовыми поверхностями, емкость с жидкостью, испаритель с рассекателем, источник высокого напряжения, электроды катализатора спирального вида, фильтрующий элемент, поддон корпуса, контур температурной стабилизации с теплообменником, термостатом и радиатором, а также датчик температуры катализатора, которым являются электроды и датчик температуры жидкости, подключенные к входам блока управления, выходы которого подключены к электродам катализатора и обмотке электромагнитного клапана, установленного между вентилем емкости и полым испарителем, а источник тока высокого напряжения подключен через выходы блока управления к электродам катализатора и электродам электроосмотического осушителя сменного фильтрующего элемента, а кожух корпуса выполнен в виде кольцевого параболического рефлектора инфракрасного излучения и на внешней поверхности снабжен теплоизоляционным покрытием. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.. ел