ES2924515T3

ES2924515T3 - Resonador de escape de motor de dos tiempos con convertidor catalítico de gases de escape

Info

Publication number: ES2924515T3
Application number: ES19716059T
Authority: ES
Inventors: Martin Sula
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2022-10-07
Anticipated expiration: 2039-02-19
Also published as: US11441457B2; EP3755889A1; EP3755889B1; CZ308040B6; CZ201880A3; WO2019158138A1; US20210115823A1; CA3091427A1; SI3755889T1

Abstract

Un resonador de escape de motor de dos tiempos con un convertidor catalítico de gases de escape que comprende una abertura de entrada, en el que la abertura de entrada es seguida por el primer extremo de un tubo estabilizador con un convertidor catalítico montado en el mismo, caracterizado porque el otro extremo del tubo estabilizador es dirigida hacia la superficie reflectante principal, la superficie reflectante principal es seguida por el primer extremo de una carcasa de resonador, que rodea el tubo estabilizador, en el que la carcasa del resonador excede al menos una parte del convertidor catalítico en el tubo estabilizador, en el que un la abertura de salida del resonador está dispuesta en la carcasa del resonador entre su primer y segundo extremo o en la superficie reflectante primaria, y al menos una parte de la carcasa del resonador que rodea el tubo estabilizador está rodeada por un enfriador. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Resonador de escape de motor de dos tiempos con convertidor catalítico de gases de escape

Campo de la invención

La invención se refiere al control térmico de la reacción catalítica en el resonador de escape de motor de dos tiempos con convertidor catalítico de gases de escape.

Antecedentes de la invención

Los motores de dos tiempos tienen que cumplir con las estrictas regulaciones de emisiones a la vez que están en funcionamiento. Una forma de reducir los componentes no deseados en los gases de escape es el uso de algún tipo de convertidor catalítico de gases de escape. Los convertidores catalíticos de gases de escape funcionan sobre la base de reacciones de oxidación y reducción, las cuales provocan una reducción de los componentes gaseosos tóxicos, en particular los hidrocarburos no quemados (HC), el monóxido de carbono (CO) y el óxido de nitrógeno (NOX). Dependiendo de la temperatura de los gases de entrada, véase la Figura 1, se logra una reacción de oxidación de CO y Hc en CO2 y H2O en la que se utiliza un revestimiento de platino como parte catalítica, y se logra una reacción de reducción de NOX en N2 y O2 en la que se utiliza un revestimiento de rodio como parte catalítica. El problema principal para lograr una reacción catalítica de calidad es mantener las temperaturas de funcionamiento en el rango efectivo en todos los modos de funcionamiento del motor. En el funcionamiento transitorio del motor, se produce un calentamiento insuficiente del convertidor catalítico por los gases de escape durante cargas bajas debido a la temperatura más baja del mismo y al caudal volumétrico. Por el contrario, con la carga alta, se puede producir un sobrecalentamiento del convertidor catalítico debido a la temperatura alta de los gases de escape.

La realización tecnológica del convertidor catalítico usualmente se realiza conectando el convertidor catalítico a un sistema de tubería de escape lo suficientemente cerca de un puerto de escape del motor con el fin de provocar un calentamiento rápido del mismo, véase la Figura 2. Con este uso convencional del convertidor catalítico de gases de escape, se producen pérdidas de calor a partir del convertidor catalítico y, por lo tanto, se reduce su temperatura de funcionamiento. Durante el funcionamiento de carga baja, se produce una disminución de la eficiencia debido a la baja temperatura del revestimiento activo.

Otra opción es utilizar más convertidores catalíticos conectados en serie, véase la Figura 3. Un mayor número de unidades catalíticas compensa la baja calidad de la conversión catalítica debido a la baja temperatura de funcionamiento del convertidor catalítico. Sin embargo, este sistema es demasiado complicado, costoso para la producción, y alcanza una baja potencia del motor debido al alto número de convertidores catalíticos.

El objeto principal de la invención es asegurar una regulación térmica eficiente de la unidad del convertidor catalítico de gases de escape.

Resumen de la invención

Este objetivo se logra mediante un resonador de escape de motor de dos tiempos con convertidor catalítico de gases de escape que comprende una abertura de entrada, en el que la abertura de entrada es seguida por el primer extremo de un tubo de estabilización con un convertidor catalítico montado en el mismo, caracterizado porque el otro extremo del tubo de estabilización se dirige hacia la superficie reflectante primaria, la superficie reflectante primaria es seguida por el primer extremo de una carcasa de resonador la cual rodea el tubo de estabilización, en el que la carcasa de resonador excede al menos una parte del convertidor catalítico sobre el tubo de estabilización, en el que una abertura de salida del resonador está dispuesta en la carcasa de resonador entre su primer y segundo extremo o en la superficie reflectante primaria, y al menos una parte de la carcasa de resonador que rodea el tubo de estabilización está rodeada por un enfriador.

La solución de acuerdo con esta invención con la carcasa de resonador garantiza el aislamiento de calor del convertidor catalítico de motor de dos tiempos mediante gases de escape calentados encerrados en una cámara resonante y, por lo tanto, aumenta notablemente la temperatura de funcionamiento del convertidor catalítico contrariamente a una realización convencional. Por lo tanto, es posible utilizar un solo convertidor catalítico en los modos de carga baja del motor de dos tiempos. Con alta carga, cuando a menudo se produce un sobrecalentamiento de la capa activa del convertidor catalítico, se inyecta un refrigerante, en el mayor de los casos agua, en el enfriador el cual enfría una parte de la carcasa de resonador y, por lo tanto, expulsa el calor redundante de los gases de combustión en la cámara resonante. El convertidor catalítico se puede colocar en cualquier lugar a lo largo del tubo de estabilización dependiendo de los requisitos de construcción.

En la cámara resonante, se produce la expansión y, posteriormente, la compresión de los gases de combustión. En el caso típico, la sección transversal del tubo de estabilización aumenta en la dirección a partir de la abertura de entrada. La sección transversal de la carcasa se ajustará entonces de modo que el espacio en la cámara resonante que rodea el tubo de estabilización y definido por la carcasa pueda asegurar la continuación de la expansión o la siguiente compresión. De manera particular, la longitud resonante computacional en relación con la longitud del escape podría tener un efecto sobre la forma de la carcasa.

Con el fin de que la solución permita realmente una regulación efectiva del calentamiento de la unidad del convertidor catalítico de gases de escape, la carcasa debe exceder al menos una parte del convertidor catalítico en el tubo de estabilización. En el caso de motores y aplicaciones con la mayor necesidad de calentar el convertidor catalítico, la carcasa de resonador puede exceder de manera preferente la totalidad del convertidor catalítico.

En la realización básica, la carcasa de resonador puede ser simple. En una realización preferente, consta de una carcasa de resonador primaria y una carcasa de resonador secundaria, en la que la carcasa de resonador primaria sigue con su primer extremo la superficie reflectante primaria, rodea el tubo de estabilización del resonador, excede al menos una parte del convertidor catalítico en el tubo de estabilización y se dirige hacia la superficie reflectante secundaria la cual es seguida por el primer extremo de la carcasa de resonador secundaria que rodea al menos una parte de la carcasa de resonador primaria que excede al menos parte del convertidor catalítico en el tubo de estabilización y concluye por el segundo extremo de la carcasa de resonador secundaria. En tal realización, el convertidor catalítico se puede calentar más intensamente debido a que el gas de combustión pasa al menos una parte de este dos veces, la primera vez en la carcasa de resonador primaria y la segunda vez en la carcasa de resonador secundaria. La elección entre carcasa simple y doble puede depender de la temperatura necesaria del convertidor catalítico, las emisiones de escape sin procesar del motor y la carga del motor.

El enfriador proporcionado con entrada y salida de refrigerante puede rodear no solo una parte de la carcasa de resonador que rodea el tubo de estabilización, sino también, de manera preferente, al menos una parte de la superficie reflectante primaria la cual es calentada por el gas de combustión que sale del tubo de estabilización del resonador. El enfriamiento puede ser sin pérdidas si el circuito de enfriamiento está cerrado. El enfriador puede ser independiente o la entrada y salida de refrigerante del enfriador pueden conectarse a un circuito de enfriamiento superior del dispositivo alimentado, por ejemplo, un circuito de enfriamiento de una motocicleta, etc.

Para asegurar una mayor eficiencia del enfriamiento, el refrigerante se puede inyectar directamente en el flujo de gas de combustión del enfriador a través de una salida de refrigerante realizada en la carcasa de resonador en forma de aberturas de inyección dirigidas hacia la cámara resonante donde se produce la evaporación del refrigerante, el cual consume una gran cantidad de calor. La colocación de las aberturas de inyección a lo largo de la carcasa de resonador difiere de acuerdo con los requisitos para el control de la reacción térmica. Por lo tanto, la funcionalidad de la conversión catalítica se conserva con cargas y velocidades de motor variables. Además, la vida útil del convertidor catalítico aumenta debido a sus condiciones de funcionamiento más estabilizadas. Es preferente esta pérdida de enfriamiento, por ejemplo, con medios de transporte de agua cuando el refrigerante es agua la cual se puede inyectar en el flujo de gas de combustión cuando sale del resonador, o el enfriador también tiene la salida de refrigerante hacia el entorno circundante.

El enfriador puede ser multicámara, en el que se pueden abrir cámaras seleccionadas para el refrigerante dependiendo de la regulación de calor requerida del sistema, según sea necesario.

Una salida de resonador se puede realizar básicamente en cualquier parte en la carcasa de resonador, es decir, entre su primer extremo y su segundo extremo o en la superficie reflectante primaria. Puede estar dispuesta en un lado del resonador fuera de su eje en la carcasa secundaria o, si la carcasa de enfriamiento es más corta, en la carcasa primaria. De manera preferente, la abertura de salida del resonador se puede extender a partir de la superficie reflectante primaria en el eje del resonador, ya que de esta manera se ahorra espacio de instalación y se produce una menor obstrucción del resonador debido a las temperaturas más altas de los gases de combustión - no existe depósito de carbono. En esta realización, también existe una conexión simple del silenciador la cual es, por supuesto, opcional y los gases de combustión pueden salir del resonador también sin esta.

Breve descripción de los dibujos

El objeto de la invención se ilustra adicionalmente por medio de ejemplos de su implementación los cuales se describen con referencia a los dibujos adjuntos. El estado de la técnica se demuestra de la siguiente manera:

La Figura 1 muestra un gráfico de la dependencia de la conversión catalítica en la temperatura de los gases de entrada.

La Figura 2 muestra una realización convencional de la colocación del convertidor catalítico de gases de escape en el sistema de tubería de escape.

La Figura 3 muestra una vista esquemática del resonador de escape de motor de dos tiempos con tres convertidores catalíticos, conocido en el estado de la técnica.

Otros dibujos muestran realizaciones ejemplares de esta invención:

La Figura 4 - Realización elemental del resonador de escape con el convertidor catalítico, carcasa simple de resonador, circuito de enfriamiento cerrado y salida de los gases de combustión hacia el silenciador en el eje del resonador.

La Figura 5 - Realización básica del resonador de escape con el convertidor catalítico, carcasa simple de resonador, circuito de enfriamiento cerrado, y salida de gases de combustión hacia el silenciador en el eje del resonador.

La Figura 6 - Realización básica del resonador de escape con el convertidor catalítico, carcasa simple de resonador, enfriamiento con pérdida con la salida de refrigerante hacia el resonador, y salida de gases de combustión fuera del eje del resonador.

La Figura 7 - Realización del resonador de escape con el convertidor catalítico, carcasa de resonador hecha de la carcasa primaria y la carcasa secundaria, circuito de enfriamiento cerrado, y salida de los gases de combustión hacia el silenciador en el eje del resonador.

La Figura 8 - Realización del resonador de escape con el convertidor catalítico, carcasa de resonador hecha de la carcasa primaria y la carcasa secundaria, enfriamiento con pérdida con la salida de refrigerante hacia el resonador, y salida de gases de combustión fuera del eje del resonador.

La Figura 9 - Realización del resonador de escape con el convertidor catalítico, carcasa del resonador hecha de la carcasa primaria y la carcasa secundaria, circuito de enfriamiento cerrado, y salida de los gases de combustión fuera del eje del resonador.

Realizaciones ejemplares de la invención

Las presentes realizaciones ilustran variedades ejemplares de las realizaciones de la invención, las cuales no son limitativas en términos del alcance de la invención.

La primera realización ejemplar de la invención se ilustra en la Figura 4. En esta realización, el resonador de escape de motor de dos tiempos con convertidor 8 catalítico de gases de escape tiene la cámara resonante cerrada solo en la carcasa simple del resonador. El resonador de escape comienza con la abertura 1 de entrada, en el que la abertura 1 de entrada está seguida por el primer extremo del tubo 2 de estabilización dirigido hacia la abertura 7 de salida del resonador la cual se realiza en el eje del resonador. En la parte inicial, el tubo 2 de estabilización está proporcionado con un convertidor 8 catalítico, cuya carcasa tiene forma cilíndrica, y además consta de una carcasa de cono truncado que se abre hacia la abertura 7 de salida del resonador. En el tubo 2 de estabilización, después del paso de los gases de combustión a través del convertidor 8 catalítico, se produce una expansión del mismo, la cual luego continúa hacia una parte siguiente de la cámara resonante definida por la superficie exterior del tubo 2 de estabilización y la carcasa 4, 6 de resonador, la cual consta de tres partes, en las que dos partes de forma de cono truncado tienen secciones transversales circulares más grandes interconectadas del cono truncado por la tercera parte cilíndrica corta. La carcasa 4 de resonador excede la totalidad de la longitud del convertidor 8 catalítico, y la compresión de los gases de combustión se produce en la segunda parte de estrechamiento de la cámara resonante definida por el cuerpo del convertidor 8 catalítico y la carcasa 4 de resonador.

Frente al segundo extremo del tubo 2 de estabilización de abertura, se realiza una estrecha abertura 7 de salida del resonador rodeada por la superficie 3 reflectante primaria, la cual está seguida por el primer extremo de la carcasa 4 de resonador. A la abertura 7 de salida del resonador se conecta el silenciador 11 con una válvula inversa. Una parte de la carcasa de resonador que comienza en la superficie reflectante primaria y se extiende hacia el convertidor 8 catalítico está rodeada por un enfriador 10. Este enfriador 10 tiene pérdidas, está proporcionado en su lado con una entrada 9 de refrigerante y su salida 13 de refrigerante guía el refrigerante hacia el resonador de escape en la abertura 7 de salida del resonador. El enfriador en esta realización se realiza como un enfriador de dos cámaras y para la regulación del flujo de refrigerante se proporciona con una válvula 14 de tres vías. En los dibujos, la válvula 14 de tres vías tiene una entrada a partir de una cámara, una salida hacia la segunda cámara y una salida hacia el exterior o hacia el sistema de enfriamiento cerrado, ilustrado por flechas. Funciona de modo que desplaza el refrigerante a partir de una cámara a otra o lo regresa hacia el sistema de enfriamiento cerrado o, en el caso de un sistema de enfriamiento abierto, esta salida se guía hacia el punto de entrada del refrigerante al flujo de gas de combustión. Si el enfriador 10 estuviera dividido en más cámaras, podría estar proporcionado con un número adecuado de válvulas 14 de tres vías.

La segunda realización ejemplar de la invención se ilustra en la Figura 5. Esta realización difiere de la anterior por el enfriador 10, el cual, en este caso, no tiene pérdidas. El enfriador 10 sin pérdidas es parte del circuito de enfriamiento cerrado. Su entrada 9 y salida del refrigerante están conectadas al circuito 16 de enfriamiento superior del dispositivo alimentado, por ejemplo, el circuito de enfriamiento de una motocicleta, etc., y controladas por una válvula 15 eléctrica.

La tercera realización ejemplar de la invención se ilustra en la Figura 6. Esta realización difiere de la primera por que la abertura 7 de entrada del resonador no se extiende a partir de la superficie reflectante primaria en el eje del resonador, sino que se realiza en la carcasa de resonador, en este caso particularmente en su lado, y en el nivel del convertidor 8 catalítico el cual se monta justo al comienzo del tubo 2 de estabilización. La abertura opuesta a la boca del tubo de estabilización en el eje del resonador está cerrada por un tapón de la salida axial de los gases de combustión.

Las realizaciones elementales ilustradas anteriormente del resonador de escape tienen una carcasa 4 de resonador simple.

En las siguientes realizaciones, la carcasa de resonador es doble y está formada por la carcasa 4 primaria de resonador y la carcasa 6 de resonador secundaria.

La cuarta realización de la invención se ilustra en la Figura 7. Esta realización difiere de la segunda realización ejemplar de la Figura 5 únicamente en la realización de la carcasa de resonador. En este caso, la carcasa 4 primaria de resonador sigue con su primer extremo la superficie 3 reflectante primaria, rodea el tubo 2 de estabilización del resonador, excede casi todo el catalizador 8 en el tubo 2 de estabilización, y se dirige hacia la superficie 5 reflectante secundaria. La superficie 5 reflectante secundaria se coloca, por razones de producción, lo más cerca posible de la abertura 1 de entrada, en esta realización al nivel del primer extremo del convertidor 8 catalítico, de modo que los gases de combustión calientes, así como en las realizaciones ejemplares anteriores, pasen alrededor de la totalidad de la superficie del convertidor 8 catalítico, y esta superficie 5 reflectante secundaria es seguida por el primer extremo de la carcasa 6 de resonador secundaria que rodea, en este caso, una parte de la carcasa 4 primaria de resonador que cubre el convertidor 8 catalítico en el tubo 2 de estabilización, y concluye con el segundo extremo de la carcasa 6 de resonador secundaria conectado a la carcasa de resonador primaria. La carcasa de resonador primaria corresponde con su forma a la carcasa simple de la segunda implementación, sólo que su segunda carcasa es un poco más corta, la carcasa secundaria tiene forma cilíndrica, donde en otras realizaciones puede tener forma de cono, por lo tanto, la sección transversal de un parte de la cámara resonante entre la carcasa primaria y la carcasa de resonador secundaria es cada vez más pequeña. Esta realización está caracterizada porque los gases de combustión reflejados a partir de la primera superficie reflectante pasan a través de la cámara resonante en la dirección a la superficie 5 reflectante secundaria y parte de ellos se mete en el espacio entre la parte exterior de la carcasa 4 primaria y la carcasa 6 secundaria. Entre el segundo extremo de la carcasa 4 primaria y la superficie 5 reflectante secundaria, los cuales no están interconectados, permanece un espacio para el paso de gas de combustión en el espacio intermedio entre la carcasa 4 y 6 primaria y secundaria.

La quinta realización ejemplar ilustrada en la Figura 8 difiere de la tercera en la Figura 6 también sólo por la realización de la carcasa de resonador. Por lo tanto, se refiere a un resonador de escape que comprende la carcasa 4 y 6 primaria y secundaria del resonador, el enfriamiento con pérdida con la salida 13 de refrigerante en el resonador, y la salida de gases de combustión fuera del eje del resonador. La carcasa se realiza de la misma manera que en la cuarta realización, la abertura 7 de salida del resonador se realiza en la carcasa del resonador y, también en este caso, es decir, en su lado y al nivel del convertidor 8 catalítico el cual se monta justo al comienzo del tubo 2 de estabilización. La abertura opuesta a la boca del tubo de estabilización en el eje del resonador es nuevamente cerrada por el tapón de salida axial de los gases de combustión.

La sexta realización ejemplar ilustrada en la Figura 9 difiere de la quinta en la Figura 8 únicamente por el circuito de enfriamiento cerrado.

Aplicabilidad Industrial

El resonador de escape de motor de dos tiempos con el convertidor catalítico de gases de escape de acuerdo con esta invención la cual permite el control térmico de la reacción catalítica se puede utilizar en una variedad de aplicaciones con requisitos de baja emisión de gases de combustión de escape y al mismo tiempo dimensiones de baja instalación. El uso ejemplar puede ser, por ejemplo, en tablas de surf motorizadas, pequeños vehículos de una vía, etc.

Lista de signos de referencia

1- Abertura de entrada

2- Tubo de estabilización

3- Superficie reflectante primaria

4- Carcasa de resonador primaria

5- Superficie reflectante secundaria

6- Carcasa de resonador secundaria

7- Abertura de salida

8- Conversor catalítico

9- Entrada de refrigerante

10- Enfriador

11- Silenciador

12- Tapón de la salida axial de gases de combustión

13- Salida de refrigerante

14- Válvula de tres vías

15- Válvula electrónica

16- Circuito de enfriamiento superior

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un resonador de escape de motor de dos tiempos con un convertidor (8) catalítico de gases de escape que comprende una abertura (1) de entrada, la abertura (1) de entrada está conectada al primer extremo de un tubo (2) de estabilización con un convertidor (8) catalítico montado sobre el mismo, el otro extremo del tubo (2) de estabilización se dirige hacia una superficie (3) reflectante primaria, la superficie (3) reflectante primaria está conectada al primer extremo de una carcasa (4, 6) de resonador la cual rodea el tubo (2) de estabilización y, por lo tanto, define el espacio en la cámara resonante entre la carcasa (4, 6) de resonador y el tubo (2) de estabilización, y dicho espacio que comprende una parte de estrechamiento definida por el cuerpo del convertidor (8) catalítico y la carcasa (4, 6) de resonador que permite una compresión de los gases de combustión entre el tubo (2) de estabilización y la carcasa (4, 6) de resonador tras una expansión previa de los gases de combustión que salen del convertidor (8) catalítico en el interior del tubo (2) de estabilización y una reflexión posterior en la superficie reflectante primaria fuera del tubo (2) de estabilización, en el que el resonador (4, 6) excede al menos una parte del convertidor (8) catalítico sobre el tubo (2) de estabilización, en el que una abertura (7) de salida del resonador está dispuesta en la carcasa (4, 6) de resonador entre su primer y segundo extremo o en la superficie (3) reflectante primaria, y al menos una parte de la carcasa (4, 6) de resonador que rodea el tubo (2) de estabilización está rodeada por un enfriador (10).

2. El resonador de escape de motor de dos tiempos de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la carcasa de resonador excede la totalidad del convertidor (8) catalítico sobre el tubo (2) de estabilización.

3. El resonador de escape de motor de dos tiempos de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que la carcasa (4, 6) de resonador está formada por una carcasa (4) de resonador primaria y una carcasa (6) de resonador secundaria, la carcasa (4) de resonador primaria se conecta a la superficie (3) reflectante primaria con su primer extremo, rodea el tubo (2) de estabilización del resonador, excede al menos una parte del convertidor (8) catalítico sobre el tubo (2) de estabilización y se dirige hacia una superficie (5) reflectante secundaria la cual está conectada al primer extremo de la carcasa (6) de resonador secundaria que rodea al menos una parte de la carcasa (4) de resonador primaria que excede al menos una parte del convertidor (8) catalítico sobre el tubo (2) de estabilización y termina con el otro extremo de la carcasa (6) de resonador secundaria.

4. El resonador de escape de motor de dos tiempos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el enfriador (10) rodea al menos una parte de la superficie (3) reflectante primaria.

5. El resonador de escape de motor de dos tiempos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el enfriador (10) está proporcionado con una salida (13) de refrigerante en forma de aberturas de inyección dirigidas a partir del enfriador a través de la carcasa (4, 6) de resonador hacia la cámara resonante para inyectar el refrigerante en el flujo de gas de combustión en la cámara resonante.

6. El resonador de escape de motor de dos tiempos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la abertura (7) de salida del resonador sale de la superficie (3) reflectante primaria en el eje del resonador.

7. El resonador de escape de motor de dos tiempos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el convertidor (8) catalítico está montado sobre el tubo (2) de estabilización en su parte inicial.