CN1534173A - 内燃机废气净化消声器 - Google Patents

Abstract

本发明的内燃机废气净化消声器具有：净化消声器外壳、废气进气管、燃烧室和消声室；所述内燃机废气净化消声器还设置了：空气进口、热空气进气管和引射腔；所述燃烧室具有燃烧室外壳和燃烧室内胆，所述燃烧室外壳和所述燃烧室内胆之间具有空气预热层，所述空气进口通过所述燃烧室夹层与所述热空气进气管连通；在所述净化消声器外壳与所述燃烧室外壳之间具有夹层；在所述燃烧室与所述废气进气管一侧的净化消声器外壳的端面之间，具有用来排出经燃烧的混合气体的排出口。本发明的有益效果是对有害气体的净化彻底，寿命长，结构简单，不用外接动力，自动连续控制混合气体比例，成本低，直接替换现用废气净化消声装置。

Description

内燃机废气净化消声器

技术领域

本发明涉及一种内燃机废气净化消声器，特别是涉及能大大提高内燃机废气净化率、不用外接动力，并且适用于车辆的内燃机废气净化消声器。

背景技术

目前，众知的内燃机废气净化消声装置主要采用贵金属二元、三元催化净化装置。此装置对发动机的燃空比有很高的要求，对发动机的点火时间、燃油有较高的要求，其价格昂贵，且很难进一步提高废气净化率。

现有的二次补气装置是采用空气泵将空气压到发动机排气口位置，使新鲜空气和废气中的CO、CH_X混合并利用废气的余温使废气二次燃烧。这种装置大大提高了废气净化率，但它也有明显的不足：(1)它需要外接动力，增加能耗；(2)增加气泵动力机等外设，提高成本；(3)无法根据需要准确提供补气量，因汽车是变工况的，废气是脉冲排放的，连续且等量的补气不能做到废气和空气的均匀混合；(4)当发动机排气温度较低时不能正常燃烧，影响净化效果。

另外本发明的发明人也曾想到采用收缩管道引射技术，产生负压将空气引入进行二次燃烧。设想这样即可以省掉气泵、动力机等外设又可以节省动力能耗。我们知道净化燃烧室内的压力一定高于环境压力，要实现引入空气的目的，就必须要创造低于环境压力的工作条件。根据空气动力学理论，收缩管技术只能将气体流速增加到临界状态，即工作在亚声速阶段。气流在收缩喷管中降压、膨胀、加速是有限的，因为外界压力P小于临界压力P_*，即，P＜P_*或 $\frac{P}{P_0}<\frac{P_{*}}{P_0}$ (P₀为滞止压力，这里指废气进入收缩喷管前的压力)时的流动气流称为欠膨胀气流，到出口断面时其压力只能降到临界压力P_*，因此， $\frac{P}{P_0}<\frac{P_{*}}{P_0}$ 时，用收缩喷管等于浪费了用能，由P_*→P所代表的能量未得到利用，不可能在喷管中加速到声速以上。因此也不可能在喷管中降低到临界压力P_*以下。喷管中的废气进入燃烧室后迅速减速增压，其压力高于环境压力。其结果是不但不能完成将空气引入，还将造成废气从引气管反向排出。经试验，用此种方法，引气管由于废气反排被熏成黑色。

发明内容

为了克服现有净化器的上述不足，本发明的目的是提供一种内燃机废气净化消声器，该内燃机废气净化消声器可以大大提高废气净化率；它利用废气自身的能量工作，不需要外接动力，并能自动按照废气脉冲式排放的排放量的大小完成补气。

本发明充分运用废气的动能和热能，利用其物理化学作用使废气达到分子层面的充分均匀混合，完全净化燃烧。

本发明为实现空气引入、混合、增压、增温、自动控制空气引入比例、充分稳定燃烧净化等功能，采用超声速设计，引入拉瓦尔管技术。

要想完成气流从亚声速向超声速跨越，并使气流压力低于临界压力P_*和环境压力P，再从超声速向亚声速转变，并使气流压力增高至环境压力以上。空气动力学原理告诉我们，单纯只用收缩管或扩张管是无法实现的。亚声速加速中，速度增加的相对变化是大于密度减小的相对变化量，速度增加是主要的，因而面积必随速度增加而减小。超声速加速中，速度增加的相对变化是小于密度减小的相对变化量。密度减小是主要的因而面积必随密度减小而增大。这就是亚声速和超声速气流存在着本质差别的物理原因。本发明采用能够使气流从亚声速连续加速减压到超声速，或能够使超声速气流连续减速增压到亚声速的装置，即拉瓦尔喷管，它是由收缩段、喉部及扩张段组成的。

用两段拉瓦尔管和一段水平管组成射流腔，采用环形引射方案，利用拉瓦尔管的超声速特性，使临界状态的气流通过环状喉部后在扩张管内连续加速、减压，在腔内制造强负压环境将空气引入，利用脉冲超声速废气的强大动能与空气在负压腔内形成混合气体(空气的引入与脉冲废气的频率和流速成正比)，超声速混合气体流经水平管后进入第二个拉瓦尔管，利用拉瓦尔管的亚声速特性，使超声速气流连续减速、增压，气流流出喷管后在燃烧室内达到温度最大值。这样能充分利用废气的动能和热能，达到两种气体分子层面充分混合，在发动机变工况工作的全过程中保证按比例准确地自控引气并稳定燃烧，并将气流损失减到最小。引入超声技术是解决自控引气、增温、增压、燃烧的核心技术。

本发明提供一种内燃机废气净化消声器，具有：净化消声器外壳、废气进气管、燃烧室，和消声室；其特征在于：所述内燃机废气净化消声器还设置了：空气进口、热空气进气管和引射腔；燃烧室具有燃烧室外壳和燃烧室内胆，燃烧室外壳和燃烧室内胆之间具有空气预热层，空气进口通过所述空气预热层与热空气进气管连通；在所述净化消声器外壳与所述燃烧室外壳之间具有夹层；在燃烧室与废气进气管一侧的净化消声器外壳的端面之间，具有用来排出经燃烧的混合气体的排出口。

附图说明

图1是本发明的内燃机废气净化消声器的截面图。

图2是表示本发明的内燃机废气净化消声器的引射腔部分的局部简图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1中，1表示废气进气管、2表示热空气进气管、3表示热空气出口、4表示净化消声器外壳、5表示燃烧室外壳、6表示燃烧室内胆、7表示水平管、8表示后收缩管、9表示后拉瓦尔管喉部、10表示后扩张管、11表示空气进口、12表示涡轮、13表示二元催化剂层、14表示微孔板、15表示消声管、16表示净化消声器外壳的端面、17表示环状喉部截面微调丝扣、18表示前收缩管、19表示前拉瓦尔管喉部、20表示前扩张管、21表示净化消声器外壳4和燃烧室外壳5之间的夹层、22表示燃烧室、23表示排出口、24表示空气预热层。

图2中，25表示由所述后收缩管8、后拉瓦尔管喉部9和后扩张管10组成后拉瓦尔管；26表示由所述前收缩管18、前拉瓦尔管喉部19和前扩张管20组成前拉瓦尔管；27表示由前拉瓦管26、水平管7和后拉瓦尔管25组成引射腔。

在图1和图2中，热空气进气管2套装在废气进气管1内，热空气进气管2的热空气出口3的一段缩口呈现一个角度，与前拉瓦尔管喉部19形成一环形出口喉道；其喉道截面可根据发动机排量参数、通过调整环状喉部截面微调丝扣17伸缩喉部位置进行无级调整；废气经废气进气管1由热空气进气管2与前拉瓦尔管喉部19形成的环状出口喉道以脉冲方式冲出；在前扩张管20与热空气进气管2之间形成一个环形扩张截面，临界状态下的废气沿逐渐扩大的流线截面迅速膨胀减压进入超声速状态，由此在引射腔27内产生强烈负压区。

外界空气经空气进口11、由燃烧室外壳5和燃烧室内胆6形成的空气预热层24和热空气进气管2被吸入引射腔27，并且与废气产生混合；由于两种气体的初速相差极大，必然形成其分子层面的强烈碰撞，并产生很大的动能，同时也利用了热气体自身的自振(一种物理现象)，使得两种气体得以充分混合。超声速混合气经水平管7进入后收缩管8，沿逐渐缩小的流线截面连续减速、增压、增温进入亚声速状态。经后拉瓦尔管喉部9进入扩张管10沿逐渐扩大的流线截面继续减速、增压、增温后喷向装于燃烧室22的底部的涡轮12，经涡轮12的气流导向叶片(未图示)产生沿燃烧室内胆6旋转的气流，使气体混合更均匀。

由于外界空气经过空气预热层24，自身温度已达几百度，在几种能量的同时作用下就营造了一个很好的起燃环境，使燃烧温度进一步提高。

混合气体在燃烧室内胆6中得到充分的反应时间，然后由设置在燃烧室22与废气进气管1一侧的净化消声器外壳4的端面16之间、用来排出经燃烧的混合气体的排出口23，从燃烧室22排出后转向，沿净化消声器外壳4和燃烧室外壳5之间的夹层21(燃烧室内胆6本身也是消声器的组成部分)，例如，经二元催化剂层13、以及由消声管15和微孔板14组成的消声室、在净化并消声后的状态下排入大气。

外界大气可取自未图示的空气滤清器(也可另加空气过滤装置)，由软管引至空气进口11。为了保证燃烧室22的壳体受热均衡，还可在空气预热层24内安装未图示的气道；空气经过气道均匀流过空气预热层24、进入热空气进气管2，从而被引入引射腔27内与废气反应。

工作时燃烧室22内的温度将高达800℃～1200℃(NO_X气体的冻结温度为1250℃以上，因此不会产生新的NO_X气体)。

空气预热层的另一个作用是冷却燃烧室22的壳体，使其不会在高温环境下变形损坏。

为了减少发动机背压，使发动机汽缸扫气顺畅，提高发动机输出功率，发动机排气口处也可以采用扩张管与主排气管以并联方式连接，从而可以利用扩张管的引射作用，提高扫气效率，控制发动机背压。另外也可以将主排气管截面减小，这样可以减少排气管贮气容量、提高脉冲压力、提高喷流速度、增加气体动能，并且可以巧妙利用汽缸内自循环的废气增加燃气热容量，有效控制NO气体的产生，建立良好净化基础。

以上举例说明了本发明的实施方式，但本发明的内燃机废气净化消声器并不限于这些实施例，在本发明的宗旨上可以进行各种变形。例如，在实施例中说明了将燃烧室部分与消声室部分组合在一起的情况，但是，也可以单独由燃烧室部分构成本发明的废气净化消声器；由于燃烧室本身就是一种反射式消声室，所以其本身也具有消声的功能。

如上所述，本发明利用汽车发动机排出的脉动、高压气体经热空气出气管和扩张管组成的环状喉管通道，经拉瓦尔管扩张管增速，以超声速喷出，在引射腔内产生强烈的负压将空气吸入。此时废气和空气的流速差极大，两种气体分子在分子层面产生强烈碰撞并充分混合，在第二段拉瓦尔管连续减速、增压、增温后，混合气体在高温(570K以上)的作用下产生强烈的自振动能，而且温度越高动能越大(这是一种气体物理现象)，在上述二种物理作用下，废气中的未燃尽气体CO、CH_X在空气中氧气的助燃下开始再燃烧(由于空气引入前已经过预热，此时的温度已有530K～750K，极为有利于建立燃烧环境)，高温气流流经涡轮的气流导向叶片后产生旋转，进一步确保了燃烧的均匀性和稳定性，这里涡轮还有另外一个作用，既它有一定的热容量，当排放气体温度变化时，能确保燃烧的连续，经燃烧室的减速、增压、增温、燃烧，充分保证了反应时间和效果。

内燃机废气中的NO_X不是燃烧未尽的中间物质，它是发动机在富氧、高温及有足够维持时间的状态下由空气中的N₂、O₂反应产生的物质，它的排放形式主要是NO，遇到补进的空气后变成NO₂(现有装置NO只有在排入大气后与空气反应变成NO₂)，NO₂溶于水，由于CH_X物质与空气反应燃烧后变成水和CO₂。这样在燃烧室消声室及排气管中就给NO₂溶于水创造了有利条件，反应后的气体经燃烧室与废气进气管一侧的净化消声器外壳的端面之间的排出口排出，经二元催化剂层、经敷有微孔板的消声室，将XO、HC_X的残余部分彻底净化后排到大气。该装置的另一个特点是，空气的进气量随废气的排气量自动调节，能在几乎所有工况条件下做到最佳气体混合比例。

本发明的直接效果是，它能有效提高对CO、HC_X、NO_X有害气的净化率，寿命长、结构简单、补气自控(调谐)准确，气体能量利用率高，无外设无外加动力、成本低。

Claims (10)

1.一种内燃机废气净化消声器，具有：净化消声器外壳(4)、废气进气管(1)、燃烧室(22)，和消声室；其特征在于：

所述内燃机废气净化消声器还设置了：空气进口(11)、热空气进气管(2)和引射腔(27)；

所述燃烧室(22)具有燃烧室外壳(5)和燃烧室内胆(6)，所述燃烧室外壳(5)和所述燃烧室内胆(6)之间具有空气预热层(24)；所述空气进口(11)通过所述空气预热层(24)与所述热空气进气管(2)连通；在所述净化消声器外壳(4)与所述燃烧室外壳(5)之间具有夹层(21)；在所述燃烧室(22)与所述废气进气管(1)一侧的所述净化消声器外壳(4)的端面(16)之间，具有用来排出经燃烧的混合气体的排出口(23)。

2.如权利要求1所述的内燃机废气净化消声器，其特征在于：所述引射腔(27)由前拉瓦尔管(26)、水平管(7)和后拉瓦尔管(25)依次连接组成；所述前拉瓦尔管(26)由前收缩管(18)、前拉瓦尔管喉部(19)和前扩张管(20)构成；所述后拉瓦尔管(25)由后收缩管(8)、后拉瓦尔管喉部(9)和后扩张管(10)构成。

3.如权利要求1所述的内燃机废气净化消声器，其特征在于：所述热空气进气管(2)的热空气出口(3)的内壁呈拉瓦尔管形状。

4.如权利要求1所述的内燃机废气净化消声器，其特征在于：由所述热空气进气管(2)与所述前拉瓦尔管喉部(19)形成的环状出口喉道的截面积连续可变。

5.如权利要求1所述的内燃机废气净化消声器，其特征在于：可以将经预热的空气或是未经预热的空气，引入组成所述引射腔(27)的所述前拉瓦尔管(26)和所述水平管(7)的任何一个部位。

6.如权利要求1所述的内燃机废气净化消声器，其特征在于：在所述燃烧室夹层(24)中设置气道。

7.如权利要求1-6中的任一项所述的内燃机废气净化消声器，其特征在于：在所述燃烧室内设置具有气流导向叶片的涡轮装置。

8.如权利要求1-6中的任一项所述的内燃机废气净化消声器，其特征在于：所述内燃机废气净化消声器还具有二元催化层。

9.如权利要求1-6中的任一项所述的内燃机废气净化消声器，其特征在于：所述消声室由消声管(15)和微孔板(14)组成，所述微孔板(14)设置在所述消声管(15)内。

10.如权利要求1-6中的任一项所述的内燃机废气净化消声器，其特征在于：在所述净化消声器外壳(4)与所述燃烧室外壳(5)之间设置微孔板(14)。

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