close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY1866

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 1866
(13)
C1
6
(51) F 01N 3/10
(12)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
УСТРОЙСТВО ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЕЙ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
(21) Номер заявки: 950025
(22) 11.01.1995
(46) 30.12.1997
(71) Заявители: Сорокин В.В., Попов В.М. (RU),
Сорокин В.Н. (BY)
(72) Авторы: Сорокин В.В., Попов В.М. (RU),
Сорокин В. Н. (BY)
(73) Патентообладатели: Сорокин Владимир Владимирович, Попов Владимир Михайлович (RU),
Сорокин Владимир Николаевич (BY)
(57)
1. Устройство очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, включающее газопроницаемые камеры и перфорированные пластины, размещенные на высокотемпературном участке выхлопного
тракта, патрубки подвода отработавших газов и патрубки отвода очищенных газов, причем между газопроницаемыми камерами размещена, по крайней мере, одна перфорированная пластина, отверстия перфорации
которой смещены относительно отверстий патрубков подвода отработавших газов, отличающееся тем, что
отверстия перфорации каждой последующей перфорированной пластины смещены относительно отверстий
предыдущей, причем перфорированные пластины размещены параллельно друг другу.
Фиг.1
BY 1866 C1
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что длины газопроницаемых камер по ходу отработавших газов выполнены не меньшими толщины перфорированной пластины.
3. Устройство по пп.1,2, отличающееся тем, что площадь отверстий перфорированной пластины составляет величину не менее 0,25 живого сечения выхлопного тракта.
4. Устройство по пп.1,2,3, отличающееся тем, что отношение площади сечения отверстия перфорации в
перфорированной пластине к его периметру составляет величину не более четверти длины газопроницаемой
камеры.
5. Устройство по пп.1,2,3,4, отличающееся тем, что отношение площади отверстий в пластине к площади пластины составляет величину не большую 0,5.
(56)
1. Патент США 3824791, МКИ F 01N 3/14, 1974.
2. Патент США 3653205, МКИ F 01N 3/10, 1972.
3. Патент США 3839863, МКИ F 01N 3/10, 1974.
4. Патент США 4130397, МКИ F 01N 3/10, 1978.
Изобретение относится к устройствам, а именно устройствам очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано в различных отраслях промышленности:
автомобильной, сельскохозяйственного машиностроения, энергетической, строительной и других для
снижения токсичности выбросов ДВС.
Известно устройство очистки отработавших газов ДВС [1], включающее механическую мешалку,
размещенную на высокотемпературном участке выхлопного тракта для перемешивания отработавших
газов. В данном устройстве осуществляется механическое перемешивание макрообъемов отработавших
газов, содержащих преимущественно окислитель или окисляемые реагенты, и окисление СО и НС кислородом, содержащимся в этих газах.
Данное устройство очистки отработавших газов практически не может обеспечить высокий уровень
очистки при наличии одной камеры смешения ограниченного объема. Отработавшие газы из каждого
цилиндра непрерывно поступают в камеру смешения и выводятся из нее. Время задержки на смешение
пропорционально объему камеры смешения. Качественное перемешивание достигается либо при бесконечном объеме одной камеры, либо при установке нескольких камер и последовательного их подключения к выхлопам из цилиндров с тем, чтобы при заполнении объема камеры переключить выхлоп
на другую, а в заполненной осуществить перемешивание и вывести отработавшие газы. Надежность
устройства невысока из-за наличия подвижных частей в камере смешения.
Известно устройство очистки отработавших газов ДВС [2], включающее емкость с двумя патрубками, размещенную на высокотемпературном участке выхлопного тракта для перемешивания отработавших газов. В данном устройстве осуществляется гидродинамическое перемешивание макрообъемов отработавших газов, содержащих преимущественно окислитель или окисляемые реагенты, и окисление
СО и НС кислородом, содержащимся в этих газах. Перемешивание происходит в процессе входа газов
через один патрубок в емкость и выхода из нее через второй патрубок.
Данное устройство надежнее, так как не содержит движущихся элементов, однако не может обеспечить качественной очистки из-за низкой скорости гидродинамического перемешивания макрообъемов
без их предварительного относительного смещения.
Известно устройство очистки отработавших газов ДВС [3], включающее систему вихревых камер,
размещенных на высокотемпературном участке выхлопного тракта для перемешивания отработавших
газов. В данном устройстве осуществляется более качественное гидродинамическое перемешивание в
закрученном потоке макрообъемов отработавших газов, содержащих преимущественно окислитель или
окисляемые реагенты, и окисление СО и НC кислородом, содержащимся в этих газах.
Недостатками данного устройства является его техническая сложность и невозможность обеспечения требуемой степени очистки отработавших газов из-за отсутствия принудительного смещения макрообъемов отработавших газов с различным содержанием окислителя и окисляемых реагентов.
Известно устройство очистки отработавших газов ДВС [4], включающее лабиринт кольцевых газопроницаемых камер, связанных торцевыми перфорированными пластинами, размещенный на высокотемпературном участке выхлопного тракта для перемешивания отработавших газов. В данном устройстве осуществляется гидродинамическое перемешивание макрообъемов отработавших газов,
содержащих преимущественно окислитель или окисляемые реагенты, и окисление СО и НС кислородом, содержащимся в этих газах. Более эффективное перемешивание за перфорированной пластиной
2
BY 1866 C1
достигается за счет предварительной деформации и некоторого относительного смещения макрообъемов с разным содержанием окислителя и окисляемых реагентов.
Однако такое устройство является технически сложным, обладает большим гидравлическим сопротивлением и не обеспечивает достаточного уровня очистки, так как препятствует поперечным смещениям и расширению отработавших газов.
В основу изобретения положена задача создания технически простого устройства очистки отработавших газов, который позволил бы обеспечить высокий уровень очистки отработавших газов ДВС,
путем доокисления СО и НС кислородом, содержащимся в отработавших газах.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве очистки отработавших газов ДВС, включающем газопроницаемые камеры и перфорированные пластины, размещенные на высокотемпературном
участке выхлопного тракта, патрубки подвода отработавших газов и патрубки отвода очищенных газов,
между газопроницаемыми камерами размещена, по крайней мере, одна перфорированная пластина, отверстия перфорации которой смещены относительно отверстий патрубков подвода отработавших газов,
при этом отверстия перфорации каждой последующей перфорированной пластины смещены относительно предыдущей, причем перфорированные пластины размещены параллельно друг другу, длины
газопроницаемых камер по ходу отработавших газов выполнены не меньшими толщины перфорированной пластины, площадь отверстий перфорированной пластины составляет величину не менее 0,25
живого сечения выхлопного тракта, отношение площади сечения отверстия перфорации в перфорированной пластине к его периметру составляет величину не более четверти длины газопроницаемой камеры, а отношение площади отверстий перфорации в перфорированной пластине к площади перфорированной пластины составляет величину не большую 0,5.
При стехиометрическом соотношении топлива и воздуха (α=1) в цилиндрах ДВС кислорода достаточно для осуществления полного окисления всех компонентов топлива. Тем более кислорода достаточно для полного окисления топлива при α>1. Однако на выходе из цилиндров даже самых совершенных двигателей отработанные газы содержат СО и НС. Причина этого явления заключается в том, что
системы смешивания воздуха (окислителя) и топлива в ДВС несовершенны. Поэтому в объеме цилиндра перед вспышкой топливовоздушной смеси существуют макрообъемы с α<1, несмотря на то, что
суммарное среднее значение α в цилиндре больше единицы.
При горении топлива в макрообъемах с α>1 практически выгорит все топливо, а кислород останется. В результате этого в цилиндре ДВС возникают макрообъемы с принципиально различными значениями α.
В макрообъемах с начальным значением α<1 в конце процесса горения из-за отсутствия несвязанного кислорода α становится практически равным нулю, а макрообъемах с начальным значением α>1 изза отсутствия топлива и наличия свободного кислорода α возрастает до значений более десяти. При
выталкивании поршнем отработавших газов из цилиндра через клапанные отверстия происходит деформация макрообъемов с недожегом α~0 и макрообъемов с α>10, но не происходит их смешения.
Причиной этому является высокая вязкость отработавших газов и ламинарный в целом ( или переходный ) характер течения. Избыточный кислород в потоке отработавших газов есть, но он отделен от
окисляемых реагентов. Для обеспечения дожигания окиси углерода и непредельных углеводородов кислородом, находящимся в потоке отработавших газов необходимо перемешать эти реагенты. Температура при этом должна быть не меньше минимальной критической температуры окисления для данной
концентрации СО и НС. При этих условиях одновременно со смешением произойдет окисление СО и
НС, то есть очистка отработавших газов.
Основную трудность для эффективного перемешивания представляет переменность среднего по сечению выхлопного тракта значения α. Проходящие чередой макрообъемы с избытком окислителя и избытком окисляемых реагентов вызывают квазипериодические колебания среднего по сечению α. Поэтому способы и устройства, направленные на простое перемешивание отработавших газов
оказываются неэффективными - сколько не перемешивай макрообъем с недостатком окислителя - полного окисления не достигнешь. Для обеспечения дожигания окиси углерода и непредельных углеводородов в потоке отработавших газов необходимо предварительно сместить макрообъемы с α~0 и α>10
так, чтобы получить значение α~1 в любом сечении объема отработавших газов. После относительного
принудительного смещения макрообъемов с избытком и недостатком окислителя и перемешивания на
высокотемпературном участке выхлопного тракта реализуется полное дожигание СО и НС в отработавших газах ДВС.
Наиболее простым и эффективным способом принудительного относительного смещения макрообъемов может быть торможение части потока, половины, например, путем установки препятствия. Вторая
часть потока при этом ускоряется. Происходит сдвиг второй части потока относительно первой. В качестве такого препятствия может быть использована перфорированная пластина или несколько перфо3
BY 1866 C1
рированных пластин. Пакет пластин необходим для более полной очистки отработавших газов, поскольку размеры макрообъемов с избытком окислителя различны, как различны объемы с избытком
окисляемых реагентов, что требует поведения нескольких циклов смещений для достижения гомогенности. Одновременно за перфорированными пластинами происходит необходимое для доокисления СО
и НС перемешивание.
Однако простой установки одной или пакета перфорированных пластин на высокотемпературном
участке выхлопного тракта еще недостаточно для хорошей работы устройства очистки. Во-первых,
перфорированные пластины создают дополнительное гидравлическое сопротивление в выхлопном
тракте, что отрицательно сказывается на мощности двигателя. Во-вторых, перфорированные пластины
сужают проходное сечение выхлопного тракта, приводят к ускорению потока отработавших газов. В
ускоряющихся потоках происходит резкое ухудшение условий для последующего перемешивания макрообъемов, вплоть до практического подавления перемешивания. В-третьих, на перфорированных пластинах происходит дробление потока отработавших газов на струи. Большая скорость струи и меньший
уровень начальных возмущений потока требует значительного увеличения длины участка перемешивания. Увеличение длины устройства очистки приводит к увеличению размеров устройства, его массы,
гидравлических потерь, потерь тепла через его стенки и соответственно снижению температуры отработавших газов. При падении температуры ниже минимальной критической температуры окисления
устройство становится неработоспособным.
Указанные принципиальные трудности преодолеваются тем, что перфорированные пластины в устройстве очистки отработавших газов ДВС устанавливают между газопроницаемыми камерами, обеспечивающими поперечное смещение и расширение макрообъемов отработавших газов.
Расширение макрообъемов отработавших газов приводит к уменьшению гидравлического сопротивления устройства, повышает уровень возмущения потока, важный для перемешивания. Однако решающим фактором, обеспечивающим хорошую очистку - работу устройства в целом, является способность
газопроницаемых камер обеспечить поперечное смещение макрообъемов отработавших газов. При отсутствии камер, макрообъемы отработавших газов с различным содержанием окислителя принудительно смещаются в продольном направлении перед и на перфорированной пластине и движутся после пластины в виде струй. Струи, обладающие собственной неустойчивостью, постепенно приобретают
волнообразную форму и распадаются на отдельные вихри. На стадии вихрей процесс перемешивания
идет эффективно. На стадии же развития собственной неустойчивости (по размерам эта зона начинается за пластиной и простирается на 3-7 калибров отверстия перфорации) перемешивание имеет низкий
уровень. Установка газопроницаемой камеры, обеспечивающей поперечное смещение, резко меняет
поведение струи после перфорированной пластины. Участок развития собственной неустойчивости
струи теперь отсутствует, неустойчивость развивается принудительно за счет поперечных смещений,
обеспечиваемых газопроницаемой камерой. Зона отдельных вихрей с эффективным перемешиванием
придвигается вплотную к перфорированной пластине. Дожигание СО и НС идет лучше.
Несмотря на то, что перемешивание при поперечных смещениях идет более интенсивно, необходимо определенное время на полное смешение, что обеспечивается выбором длины газопроницаемых камер по ходу отработавших газов не меньшими толщины перфорированной пластины, причем площадь
отверстий пластины должна быть не меньше 0,25 живого сечения выхлопного тракта, чтобы уровень
ускорения потока не препятствовал перемешиванию, а отношение площади сечения отверстия перфорации в пластине к его периметру должно быть не более четверти длины газопроницаемой камеры,
чтобы вихри, которые имеют размеры порядка размера отверстий, легко могли перемещаться и перемешиваться в объеме газопроницаемой камеры, отношение площади отверстий в перфорированной
пластине к площади пластины должно быть не больше 0,5, что обеспечит обращение максимума профиля скорости относительно оси устройства очистки при прохождении каждой перфорированной пластины и интенсифицирует уровень поперечных смещений.
Далее изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего настоящего изобретения, вариантом выполнения и прилагаемым чертежом, на котором:
фиг.1 изображает продольный разрез устройства;
фиг.2 изображает поперечный разрез устройства.
Рассмотрим устройство, изображенное на фиг.1,2.
Устройство содержит перфорированные пластины 1, патрубки подвода отработавших газов 2, патрубки отвода очищенных газов 3, газопроницаемые камеры 4. Патрубки подвода отработавших газов 2
соединены с одной стороны с выхлопными окнами двигателя, а с другой сообщаются с газопроницаемыми камерами 4. Объемы газопроницаемых камер 4 соединены между собой посредством отверстий в
перфорированных пластинах 1 и сообщаются с патрубками отвода очищенных газов 3, при этом отверстия перфорации в первой по ходу газов перфорированной пластине 1 смещены относительно патрубков подвода отработавших газов 2, отверстия- перфорации каждой последующей пластины 1 смещены
4
BY 1866 C1
относительно отверстий предыдущей. Перфорированные пластины 1 установлены параллельно друг
другу. Длины газопроницаемых камер 4 по ходу отработавших газов выполнены не меньшими толщины перфорированной пластины 1. Отношение площади сечения отверстия перфорации в перфорированной пластине 1 к его периметру составляет величину не более четверти длины газопроницаемой камеры 4, отношение площади отверстий перфорации в перфорированной пластине 1 к площади
перфорированной пластины 1 составляет величину не большую 0,5. Патрубки отвода очищенных газов
3 соединены с выхлопной трубой. Патрубки подвода отработавших газов 2 обозначены буквами "а" и
"б". Живое сечение выхлопного тракта представляет собой сумму площадей "а" и "б" патрубков подвода отработавших газов 2. Площадь отверстий перфорированной пластины 1 составляет величину не
менее 0,25 живого сечения выхлопного тракта.
Далее рассмотрим работу данного устройства.
Устройство очистки отработавших газов ДВС работает следующим образом. Отработавшие газы
поступают в патрубки подвода отработавших газов 2 от выхлопных окон двигателя в виде макрообъемов с различным содержанием окислителя и несгоревшего топлива. Профиль скорости отработавших
газов по сечению патрубка подвода 2 соответствует профилю квазиламинарного пульсирующего течения с переменной средней по сечению концентрацией окислителя и окисляемых реагентов. Пусть для
определенности газ поступает по патрубку "а" патрубков подвода 2 в первую по ходу газа газопроницаемую камеру 4. При взаимодействии газа со стенками газопроницаемой камеры 4 и перфорированной пластиной 1 происходит принудительное относительное продольное смещение и перемешивание
макрообъемов отработавших газов. Одновременно газ подвергается расширению и сильному поперечному смещению, в результате которого, после прохождения газов через отверстия перфорации в перфорированной пластине 1, профиль скорости имеет максимум в противоположной относительно оси
стороне от патрубка "а" патрубков подвода 2. Непосредственно за перфорированной пластиной 1 происходит эффективное перемешивание и доокисление несгоревшего топлива кислородом, содержащимся в отработавших газах. Далее поток вновь взаимодействует со следующей перфорированной пластиной 1 и стенками газопроницаемой камеры 4 так, что при прохождении через отверстия перфорации
максимум профиля скорости оказывается напротив патрубка "а" патрубков подвода 2. Из последней газопроницаемой камеры 4 очищенный газ поступает через патрубки отвода очищенного газа 3 в выхлопную трубу.
Приведенные устройства устанавливались на четырехцилиндровом двигателе автомобиля "Жигули2107" и "Жигули-2108".
Контроль осуществлялся только по количеству окиси углерода. Степень очистки отработавших газов составляла для устройства с одной пластиной 30%, для устройства с тремя пластинами 65%, и для
устройства с четырьмя пластинами 80%, для устройства с пятью пластинами 83%. Поэтому установка
более четырех пластин нецелесообразна.
5
BY 1866 C1
Фиг.2
Cоставитель А.К. Карачун
Редактор В.Н. Позняк
Корректор Т.Н. Никитина
Заказ 2424
Тираж 20 экз.
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
139 Кб
Теги
by1866, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа