Способ очистки отработавших газов внутреннего сгорания

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ БЕДТАРУСЬ(54) СПОСОБ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ1. Способ очистки отработанных газов дВШателя внутреннею сгорания, включающий принудителъное смешение на высокотемпературном участке выхлопа макрообъемов отработавших газов, содержащих преимущественно кислород,и макрообгьемов отработавших газов, содержащпх преимущественно непредельные углеводороды и окись углерода, путем дробления и слияния потока отработавших газов при его движении, и окисление непредельных углеводородов и окиси углерода кислородом, содержащимся в потоке этих газов, отличающийся тем,что ПрННУДНТЫШНОС смешение окислителя и окисляемых реагентов проводят в два этапа,причем на первом этапе осуществляют продольное смещение макрообьемов отработавших газов, содержащих преимущественно окисляемые реагенты, относительно макрообьемов отрабоггавпптх газов, содержащих избыток окислителя,путем атновремештого воздействия на поток отработавших газов тормозящими и ускоряющими продольными силами, а на втором этапе перемещивают смещенные макрообъемы этих газов воздействием поперечно-продольных сил.(73) Патентообладатель Сорокин Владимир Николаевич (В)2. Способ по п.1 отшнаюцпайся тем, что двойъше этапы повторяют последовательно 2-4 раза.3. Способ по пп.1,2, отличающийся тем, что тормозящие и ускоряющие силы создают меХЗНИЧВСКИМ БОЗДВЙСТВИВМ на ПОТОК, а ПОПЕРЕЧно-продольные силы газодинамическим воздействием на погон.4. Способ по пп.1,2, отличающийся тем, что поперечно-продольные силы создают воздейстВПСМ на ПОТОК ЗКУСТИЧЕСКИМИ колебаниями.Изобретение относится к способам очистки отработавших газов и может быть использовано в различных отраслях промышленности автомобильной, сельскохозяйственного машиностроения, энергетической, строительной н других для снижения токсичных выбросов двигателей внутреннего сгорания,котельных установок, тепловых станций.Известен способ очистки отработавших газов двигателей внутреннею сгорания 1, включающий принудительное смешение окислителя и окисляемых реагентов на высокотемпературном участке выхлопа и окисление непредельных углеводородов и окиси углерода кислородом, содержащимся в потоке этих газов путем создания вихревых потоков, обеспечивающих перемешивание окислителя и несгоревшего топлива. Однако такой способ технически сложен и не обеспечивает требуемой степени очистки отработавших газов из-за отсутствия относительного принудительного смещения макрообъемов отработавших газов с различными значениями коэффициента избытка кислорода а.Наиболее близким по технической сущности является способ очистки отработавших газов 2, вкдпочающий принудительное смешение на высокотемпературном участке выхлопа макрообьемов отработавших газов, содержащих преимущественно кислород, и макрооб емов отработавших газов, содержащих преимущественно непредельные углеводороды и окись углерода, путем дробления и слияния потока отработавших газов при его движении через камеры различной формы и объема и перегородки с различными проницаемостью,формой и размерами отверстий, и окисление непредельных углеводородов и окиси углерода кислородом, содержащимся в потоке этих газов. Однако данный способ технически сложен и не обеспечивает высокую степень очистки отработавших газов от токсичных веществ, поскольку нет механизма, осуществляющего смещение макрообъемов с высоким и низким значением а относительно друг друга.В основу изобретения положена задача создания способа очистки отработавших газов,который позволил бы применением несложного устройства обеспечить высокий уровень очистки отработавших газов.Поставленная задача решается тем, что в способе очистки отработавших газов, включающем принудительное смешение на высокотемпературном участке выхлопа макрообьемов отработавших газов, содержащих преимущественно кислород, и макрообьемов отработавших газов, содержащих преимущественно непредельные углеводороды и окись углерода, путем дробления и слияния потока отработавших газов при его движении, и окисление непредель 10ных углеводородов и окиси углерода кислородом, содержащимся в потоке этих газов. принудительное смешение окислителя и ОКИСЛЯСМЫХ рСаГНТОБ ПРОВОДЯТ В ДВЕ ЭТЗПН,при этом на первом этапе осуществляют продольное смещение макрообъемов отработавших газов, содержащих преимущественно окисляемые реагенты, относительно макрообъемов отработавших газов, содержащих избыток окислителя, путем одновременного воздействия на поток отработавших газов тормозящими и ускоряющими продольными силами. а на втором этапе перемешивают смещенные макрообгьемы этих газов воздействием поперечнопродольных сил. Тормозящие и ускоряющие силы создают механическим воздействием на поток, а поперечно-продольные силы - газодинамическим воздействием на поток итн воздействием на поток акустическими колебаниями. В отдельных случаях двойные этапы повторяют последовательно 2-4 раза.Далее приводится физическая сущность изобретения.При стехиометрическом соотношении топлива и воздуха (а 1) в цилиндрах ДВС кислорода достаточно для осуществления полного окисления всех компонентов топлива, тем более кислорода достаточно для обеспечения полного окисления топлива при а 1, Однако на выходе из цилиндров самых совершенных двигателей отработанные газы содержат СО и НС. Причина этого явления заключается в следующем. Существующие системы смешивания воздуха (окислителя) и топлива в ДВС несовершенны. Поэтому в объеме цилиндра перед вспышкой топливо-воздушной смеси существуют макрообъемы с а 1, несмотря на то,что суммарное среднее значение а в цитиндре больше 1.При горении топлива в макрообъемах с а 1 обязательно будет недожег топлива, который проявится в наличии СО, НС в отработанных газах. При горении топлива в макрообьемах с о 1 практически выгорит все топливо, а кислород остаиется. В результате этого в цилиндре ДВС возникают макрообъемы с принципиально различными значениями а.В макрообъемах с начальным значением а 1 в конце процесса горения или при нижнем положении поршня значение а из-за отсутствия несвязанного кислорода становится практически равным нулю а 0, а в макрообъмах с начальным значением а 1 из-за отсутствия топлива и наличия свободного кислорода с возрастает до значений более 106 1 О. При выталкивании поршнем отработанных газов из цилиндра через клапанные отверстия происходит деформация макрообъемов с недожегом а г-О и макрообъмов с а 10, но не происходит их смешения.Причиной этому является высокая вязкость горячих отработанных газов. Если поток отработавших газов направить в каталитический нейтрализатор, то эффективность очистки отработавших газов в каталитическом нейтрализаторе окажется практически равной нулю.В макрообъеме с сито нет кислорода для окисления, а в макрообьеме с с 1 О нет окисляемых реагентов. Отсюда был сделан вывод практиками, что для эффективной очистки отработавших газов ДВС необходимо вводить в них извне дополнительный воздух.На самом деле избыточный воздух (кислород) в потоке есть, но он отделен от окисляемых реагентов. Для обеспечения дожигания окиси углерода и непредельных углеводородов кислородом, находящимся в потоке отработавших газов, необходимо сместить макрообгьемы с ОСО и О 1 О так, чтобы получить значение с 21 в любом сечении объема отработавших газов.Это может быть достигнуто за счет организации двух последовательных процессов. На первом этапе относительного смещения макрообьемов с а 0 и 0 1 О до получения усредненного по объему значения а 21, и далее вторым этапом перемешать газы. Относительное смещение макрообъемов обеспечивается торможением части потока, например, его половины установкой препятствия. Вторая часть потока при этом ускоряется. Происходит сдвиг второй части потока относительно первой.В результате ускорившаяся часть объема с а 0 догоняет часть объема с ос 1 О, а заторможенную часть с 05-10 догоняет часть макрообьемов с ос 10. Если теперь смещенным макрообъемам сообщить встречное поперечное или продольно-поперечное движение, то содержащиеся в них газы перемещаются и значения а выравняются. Если выравнивание величин О происходит в объеме отработавших газов с температурой, превышающей минимальную температуру окисления при данной концентрации СО и НС, то одновременно со смешением произойдет окисление СО И НС, т.е. очистка отработавших газов.Если процесс смешения произойдет при температуре менее критической, то окисление возможно осуществить только на поверхности катализатора. Однако активность катализатора может быть значительно ниже активности платинового катализатора (например СиО,Со 2 О 3, Т 1 О 2). Поскольку размеры макрообъемов с ск 10 различны, как различны и размеры макрообгьемов с а 0 то для достижения полной очистки необходимо два указанных этапа повторить 2-4 раза.Далее изобретение поясняется описанием конкретных, но не ограничивающих настоящееизобретение вариантов выполнения и прилагаемыми чертежами, на которыхфиг.1,З,5,7 изображают продольный разрез устройствРассмотрим устройства, изображенные на фиг. 1-8 которые реализуют предлагаемый способ.Устройство содержит входной патрубок 1,фланцевое соединение 2, выходной патрубок 3, прокладки 4, проницаемую вставку 5, отверстия малого проходного сечения 6, отверстия большого проходного сечения 7. Входной патрубок 1 соединен с выхлопным окном двигателя, выходной патрубок 3 соединен с выхлопной трубой. На входном патрубке 1 и на выходном патрубке 3 установлены фланцы 2. Фланцы 2 через прокладки 4 удерживают проницаемуго вставку 5. Проницаемая вставка 5 снабжена отверстиями с малым проходным сечением 6 и отверстиями большого проходного сечения 7.Устройство для очистки отработавших газов работает следующим образом. отработавшие газы, выталкиваемые поршнем из цилиндра двигателя внутреннего сгорания, поступают во входной патрубок 1 в виде макрообъемов с различным содержанием окислителя и несгоревшего топлива. Профиль скорости отработавших газов по сечению входною патрубка 1 соответствует профилю квазиламинарного течения. Из входного патрубка 1 сквозь отверстия большою проходного сечения 7 и малого проходного сечения 6 в проницаемой вставке 5, закрепленной прокладками 4 во фланцах 2. отработавшие газы поступают в выходной патрубок 3. При прохождении проницаемой перегородки 5 интегральный профиль скорости течения изменяется в соответствии с коэффициентом сопротивления или проницаемостью отверстий малого проходного сечения 6 и отверстий большого проходного сечения 7.Конструктивная схема, представленная на фиг.1,2, обеспечивает реализацию предлагаемого способа за счет организации сдвигового течения с высокой скоростью в приосевой части потока и низкой скоростью в ирис-генной части потока. Форма и размеры отверстий с малым проходным сечением б, с большим проходным сечением 7, а также ширина перемычек между отверстиями подобраны так, что за пористой перегородкой 5 возникает множество вихрей, осуществляющих перемешивание сдвинутых деформированных макрообьемов отработавших газов с различными значениями СЕ.Конструктивное решение, представленное на фиг.3,4 , обеспечивает реализацию предлагаемого способа за счет организации сдвигового течения с высокой скоростью в пристеннойчасти потока за счет выполнения отверстий с большим проходным сечением 7 по периферии проницаемой перегородки 5 и низкой скоростью в приосевой части потока за счет выполнения на боковой цилиндрической стенке проницаемой перегородки 5 щелевых отверстий с малым проходным сечением 6. Плоские газовые струи из отверстий 6, направленные поперек основного потока, двигающегося вдоль стенок патрубка 3, в сочетании с вихрями,порождаемыми на выходе потока из отверстий с большим проходным сечением 7, обеспечивают хорошее перемешивание смещенных макрообгьемов отработавшего газа с различными значениям С и соответственно высокую стеПЕНЪ ОЧИСТКИ отработавших РЕЗОН. Конструктивное решение, представленное на фиг.5,6, обеспечивает реализацию предлагаемого способа за счет организации сдвигового течения с высокой скоростью в пристеиной ЧЕСТИ ПОТОКЕ. 33 СЧЕТ ВЫПОЛНЕНИЯ ОТВЕРСТИЙ С большим проходным сечением 7 по периферии проницаемой перегородки 5 и малой скоростью в приосевой зоне за счет выполнения отверстий с малым проходным сечением 6 в донной части стакана проницаемой перегородки 5. Смешение потока за перегородкой 5 осущест 10вляется за счет образования вихрей различного масштаба.Конструктивная схема, представленная на фиг. 7,8 , обеспечивает реализацию предлагаемого способа за счет организации сдвигового течения с высокой скоростью в верхней и нижней частях потока в патрубках 1 и 3 и малой скоростью потока в средней части патрубков 1 и 3. Загромождение проходного сечения патрубков обеспечивается натяжением проволоки,образующей сетку с различными по размеру ЯЧСЙКНМИ ДЛЯ ПРОХОЖДЕНИЯ ГЗЗОВОГО ПОТОКВ. Смешение потока внутри проницаемой вставки 5 и за ней осуществляется за счет вихревых акустических течений и колебательного движения проволочек.Приведенные устройства устанавливались на четырехцилиндровом двигателе автомобиля Жигули-ДО и Жигудш-ЗЕОЗ.Контроль осуществлялся только по количеству окиси углерода. Степень очистки отработавших газов составляла величину от 30Таким образом, указанный способ очистки отработавших газов позволяет снизить уровень окиси углерода в 2-10 раз при сохранении