RU2054565C1

RU2054565C1 - Method of reducing toxicity of exhaust gases and exhaust system of internal combustion engine

Info

Publication number: RU2054565C1
Application number: RU93040572A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Сорокин
Original assignee: Культурно-исследовательский центр-музей "Деньги мира" (Демира)
Priority date: 1993-08-12
Filing date: 1993-08-12
Publication date: 1996-02-20

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: flow rate of total exhaust flow is reduced, the flow is separated into n flows in the zone of discharging of exhaust gases, each flow is swirled about the axis, axes of n separate flows are oriented over different directions, and the flows are mixed and burnt out. The number of flow should be no less than two. The exhaust system has discharging pipe connected with the manifold of the engine, silencer mounted in the pipe and unit for reducing toxicity of exhaust gases interposed between the manifold and flange of the outlet pipe. The unit for reducing toxicity is made up as a member with through openings and is made preferably as a plate, spacer and two chambers defined, in particular, by surfaces of the engine manifold, spacers and flange of the discharging pipe. The surface of the opening wall is shaped. The number of through openings should be no less than two. EFFECT: decreased toxicity. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к технологии очистки отработавших газов и выпускным системам двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС), используемых, в частности, в автомобилестроении, Изобретение дает возможность повысить эффективность снижения токсичности отработавших газов и одновременно упростить конструкцию системы при сохранении степени очистки. The invention relates to mechanical engineering, in particular to a technology for cleaning exhaust gases and exhaust systems of internal combustion engines (hereinafter ICE), used, in particular, in the automotive industry, The invention makes it possible to increase the efficiency of reducing toxicity of exhaust gases and at the same time simplify the design of the system while maintaining the degree of purification.

Известно устройство для дожигания отработавших газов, в котором подают воздух навстречу общему потоку отработавших газов, что способствует появлению пламени без предварительного зажигания, при этом одну часть потока разделяют на несколько отдельных потоков, а другую смешивают с зажженной жидкостью [1]
Недостатком способа, по которому работает данное устройство, является то, что все части общего потока не завихряют, что снижает скорость прохождения реакции и не способствует более полному ее протеканию.A known device for afterburning exhaust gases, in which air is supplied towards the total flow of exhaust gases, which contributes to the appearance of a flame without prior ignition, while one part of the stream is divided into several separate streams, and the other is mixed with a lit liquid [1]
The disadvantage of the method by which this device operates is that all parts of the total flow do not swirl, which reduces the speed of the reaction and does not contribute to its more complete course.

Известно также устройство для снижения токсичности отработавших газов, в камеру смешения которого подают общий поток отработавших газов и воздух из атмосферы, которые затем перемешивают и завихряют посредством свернутой в спираль металлической ленты [2] Недостатком этого способа работы устройства является то, что завихрению подвергают общий поток отработавших газов, что не обеспечивает интенсивного перемешивания, т.е. распределения центров химических реакций по объему этого потока. There is also known a device for reducing the toxicity of exhaust gases, into the mixing chamber of which a common exhaust gas stream and air from the atmosphere are supplied, which are then mixed and swirl by means of a coiled metal strip [2] The disadvantage of this method of operation of the device is that the total flow is subjected to swirling exhaust gases, which does not provide intensive mixing, i.e. distribution of chemical reaction centers over the volume of this stream.

Техническое решение согласно источнику [2] выбрано в качестве прототипа заявленного способа снижения токсичности отработавших газов. The technical solution according to the source [2] is selected as a prototype of the claimed method of reducing exhaust gas toxicity.

Известна выпускная система ДВС, содержащая выпускную трубу, связанную с коллектором ДВС, установленный в ней глушитель и узел снижения токсичности отработавших газов, представляющий собой эжектор, размещенный в выпускной трубе до глушителя и соединенный с озонатором, расположенным вне выпускной трубы [3] Описанная система ДВС имеет иную конструкцию и не может быть использована без применения специального озонатора, что усложняет ее конструкцию. Источник [3] выбран в качестве прототипа заявленной выпускной системы ДВС. Known exhaust system of the internal combustion engine, containing an exhaust pipe connected to the manifold of the internal combustion engine, a silencer installed therein and an exhaust gas emission control unit, which is an ejector located in the exhaust pipe to the silencer and connected to an ozonizer located outside the exhaust pipe [3] The described internal combustion engine system has a different design and cannot be used without the use of a special ozonizer, which complicates its design. Source [3] is selected as a prototype of the claimed exhaust engine system.

Целью изобретения является создание способа снижения токсичности отработавших газов и выпускной системы ДВС для его осуществления, дающих возможность повысить эффективность снижения токсичности отработавших газов и одновременно упростить конструкцию выпускной системы при сохранении степени очистки. The aim of the invention is to provide a method for reducing the toxicity of exhaust gases and the exhaust system of the internal combustion engine for its implementation, making it possible to increase the efficiency of reducing toxicity of exhaust gases and at the same time simplify the design of the exhaust system while maintaining the degree of purification.

С помощью настоящих изобретений цель достигается следующим образом. Using the present inventions, the goal is achieved as follows.

Способ снижения токсичности отработавших газов основывается на том, что общий поток отработавших газов перемешивают и дожигают в процессе перемешивания, и отличается тем, что в зоне выхода отработавших газов из коллектора ДВС уменьшают скорость общего потока отработавших газов, разделяют этот поток на n отдельных потоков перед операцией перемешивания и завихряют каждый из них вокруг его оси, при этом оси n отдельных потоков располагают по направлениям, отличным одно от другого, а количество n отдельных потоков выбирают не менее двух. The method of reducing exhaust gas toxicity is based on the fact that the total exhaust gas stream is mixed and burned out during the mixing process, and is characterized in that in the exhaust gas exit zone from the internal combustion engine manifold, the total exhaust gas flow rate is reduced, this stream is divided into n separate flows before operation mixing and swirling each of them around its axis, while the axis n of the individual flows are arranged in directions different from one another, and the number n of individual flows is selected at least two.

Настоящее изобретение благодаря высокой температуре (600-800^оС) отработавших газов в зоне выхода из коллектора ДВС и снижению скорости движения общего потока этих газов наряду с его разделением на n отдельных потоков и их завихрением способствует увеличению степени перемешивания внутри как отдельного, так и общего потоков отработавших газов. В итоге в турбулизованном потоке происходит интенсивное образование центров химических реакций и их распределение по общему потоку, увеличивающее скорость реакции и способствующее ее более полному протеканию (дожиганию), что повышает эффективность снижения токсичности отработавших газов. Эту же цель преследует и выбор количества отдельных потоков не менее двух.The present invention due to the high temperature (600-800 ° ^C) of exhaust gases in the outlet area of the internal combustion engine manifold and reducing the rate of total flow of these gases along with its division into n separate streams and their twist increases the degree of mixing within both individual and common exhaust gas flows. As a result, the formation of centers of chemical reactions and their distribution over the total flow occurs in a turbulized flow, increasing the reaction rate and contributing to its more complete flow (afterburning), which increases the efficiency of reducing exhaust gas toxicity. The same goal is also pursued by the choice of the number of separate flows of at least two.

Поставленную задачу решает заявленная выпускная система ДВС, которая предназначена для осуществления описанного выше способа. Она содержит выпускную трубу, связанную с коллектором ДВС, установленный в ней глушитель и узел снижения токсичности отработавших газов и отличается тем, что последний жестко установлен между коллектором ДВС и выпускной трубой и представляет собой элемент со сквозными отверстиями на поверхности, обращенной к ДВС, преимущественно пластину, прокладки и две камеры, расположенные на выходе из коллектора ДВС и на входе в выпускную трубу. Камеры могут быть образованы соответствующими поверхностями коллектора ДВС, прокладок, элемента и фланца выпускной трубы, при этом поверхность стенок n сквозных отверстий элемента выполнена фасонной, а количество их не менее двух. Элемент со сквозными отверстиями, в частности, может быть выполнен в виде пластины, сквозные отверстия которой расположены группами. Каждая группа имеет центральное цилиндрическое отверстие и n сквозных отверстий, расположенных концентрично ему. При этом конфигурация этой пластины повторяет конфигурацию торца поверхности коллектора ДВС, обращенной к выпускной трубе. В каждой группе отверстия размещены в два концентрично расположенных ряда, при этом отверстия одного ряда могут быть выполнены большей длины, чем отверстия другого ряда, и составлять не менее четырех отверстий в каждом ряду. Поверхности стенок этих отверстий выполнены фасонными и могут иметь криволинейную форму, что дает возможность создать отличные одно от другого направления проходящим сквозь них отдельным потоком. The problem is solved by the claimed exhaust system of the internal combustion engine, which is designed to implement the above method. It contains an exhaust pipe connected to the ICE manifold, a silencer installed in it and an exhaust gas emission control unit, characterized in that the latter is rigidly installed between the ICE manifold and the exhaust pipe and is an element with through holes on the surface facing the ICE, mainly a plate , gaskets and two chambers located at the outlet of the engine manifold and at the entrance to the exhaust pipe. The chambers can be formed by the corresponding surfaces of the ICE manifold, gaskets, element and exhaust pipe flange, while the surface of the walls n of the through holes of the element is shaped, and their number is at least two. An element with through holes, in particular, can be made in the form of a plate, the through holes of which are arranged in groups. Each group has a central cylindrical hole and n through holes located concentrically to it. In this case, the configuration of this plate repeats the configuration of the end face of the engine manifold surface facing the exhaust pipe. In each group, the holes are placed in two concentrically arranged rows, while the holes of one row can be made longer than the holes of the other row, and be at least four holes in each row. The surface of the walls of these holes are shaped and can have a curved shape, which makes it possible to create distinct from one another direction passing through them in a separate stream.

Настоящее изобретение позволяет увеличить эффективность снижения токсичности газов, а также мощность ДВС за счет уменьшения объема потока отработавших газов на входе в выпускную трубу и снижения противодавления отработавших газов, выпускаемых в атмосферу, и одновременно упростить конструкцию выпускной системы ДВС при сохранении степени очистки. The present invention allows to increase the efficiency of reducing gas toxicity, as well as the power of the internal combustion engine by reducing the volume of the exhaust gas flow at the inlet to the exhaust pipe and reducing the back pressure of the exhaust gas discharged into the atmosphere, and at the same time simplify the design of the internal combustion engine exhaust system while maintaining the degree of purification.

Сущность способа состоит в том, что в зоне выхода отработавших газов из коллектора ДВС уменьшают скорость движения общего потока отработавших газов, разделяют этот поток на n отдельных потоков, завихряют каждый из этих потоков вокруг его оси, оси n отдельных потоков располагают по направлениям, отличным одно от другого, перемешивают и дожигают в процессе перемешивания, при этом количество отдельных потоков выбирают равным не менее двух, что позволяет интенсифицировать перемешивание (турбулизацию) газов внутри как отдельного потока, так и общего потока отработавших газов, характерного наличием свободного кислорода. Интенсифицированный турбулизованный поток позволит получить высокое содержание центров химических реакций в общем потоке и осуществить дожигание несгоревших частиц и компонентов. Реакция дожигания идет по формуле
2СО + О₂ 2СО₂.The essence of the method consists in the fact that in the zone of exhaust gas exit from the ICE manifold, the speed of the total exhaust gas flow is reduced, this flow is divided into n separate flows, each of these flows is swirled around its axis, the axes of n individual flows are arranged in directions different from one from the other, mix and burn out during the mixing process, while the number of individual streams is chosen equal to at least two, which allows to intensify the mixing (turbulization) of gases inside as a separate stream, and total exhaust flow, characteristic of the presence of free oxygen. Intensified turbulized flow will allow to obtain a high content of chemical reaction centers in the total flow and to carry out the afterburning of unburned particles and components. The afterburning reaction is carried out according to the formula
2CO + O ₂ 2CO ₂ .

В качестве примера осуществления предлагаемого способа приводится описываемая ниже заявленная выпускная система ДВС. As an example of the implementation of the proposed method is described below, the declared exhaust system of the internal combustion engine.

На фиг.1 схематически изображена выпускная система ДВС; на фиг.2 элемент со сквозными отверстиями, общий вид; на фиг.3 сечение А-А на фиг.2; на фиг.4 то же, вариант выполнения формы стенок сквозных отверстий элемента. Figure 1 schematically shows the exhaust system of the internal combustion engine; figure 2 element with through holes, General view; figure 3 section aa in figure 2; figure 4 is the same, an embodiment of the shape of the walls of the through holes of the element.

Выпускная система ДВС содержит выпускную трубу 1, связанную с коллектором 2 ДВС 3, глушитель 4, установленный в выпускной трубе 1, и узел 5 снижения токсичности отработавших газов. Последний жестко установлен между коллектором 2 ДВС 3 и выпускной трубой 1 и представляет собой элемент со сквозными отверстиями, например пластину 6, прокладки 7 и две камеры 8, расположенные соответственно на выходе из коллектора 2 ДВС 3 и входе в выпускную трубу 1. Камеры 8 в данном конкретном случае образованы соответствующими поверхностями коллектора 2 ДВС 3, прокладок 7 пластины 6 и фланца 9 выпускной трубы 1. The exhaust system of the internal combustion engine contains an exhaust pipe 1 connected to the manifold 2 of the internal combustion engine 3, a silencer 4 installed in the exhaust pipe 1, and an exhaust gas toxicity reduction unit 5. The latter is rigidly installed between the manifold 2 of the internal combustion engine 3 and the exhaust pipe 1 and is an element with through holes, for example a plate 6, gaskets 7 and two chambers 8 located respectively at the outlet of the manifold 2 of the internal combustion engine 3 and the entrance to the exhaust pipe 1. Chambers 8 in In this particular case, formed by the corresponding surfaces of the manifold 2 ICE 3, gaskets 7 of the plate 6 and flange 9 of the exhaust pipe 1.

Как один из вариантов, камеры 8 могут быть образованы за счет выступов, выполненных на элементе 6 и фланце 9 выпускной трубы 1, и соответствующей поверхности коллектора 2 ДВС 3 (не показано). As one of the options, the camera 8 can be formed due to the protrusions made on the element 6 and the flange 9 of the exhaust pipe 1, and the corresponding surface of the manifold 2 ICE 3 (not shown).

Пластина 6 снабжена сквозными отверстиями 10 на поверхности, обращенной к коллектору 2 ДВС 3, и расположена между прокладками 7. В заявленной выпускной системе ДВС сквозные отверстия 10 размещены в пластине 6 группами, при этом каждая группа имеет центральное цилиндрическое отверстие 11, n сквозных отверстий 10 со стенками 12, расположенных концентрично ему в два ряда 13, 14. Количество отверстий в каждом ряду составляет не менее четырех, и отверстия 10 ряда 13 выполнены по длине большими, чем отверстия 10 ряда 14. Стенки 12 отверстий 10 выполнены фасонными, например криволинейной формы, которая может быть получена, в частности, следующим образом. The plate 6 is provided with through holes 10 on the surface facing the manifold 2 of the internal combustion engine 3 and is located between the gaskets 7. In the inventive exhaust system of the internal combustion engine, the through holes 10 are placed in the plate 6 in groups, each group having a central cylindrical hole 11, n through holes 10 with walls 12 arranged concentrically in two rows 13, 14. The number of holes in each row is at least four, and the holes 10 of row 13 are made longer than the holes 10 of row 14. The walls 12 of the holes 10 are shaped, for example, a curved shape, which can be obtained, in particular, as follows.

Сверлится цилиндрическое отверстие, затем на половине его диаметра фрезой или расточным резцом выбирается выемка. Такое выполнение стенок 12 отверстий 10 обеспечивает отличные одно от другого направления проходящим через них отдельным потокам отработавших газов. Для усиления завихрения количество n сквозных отверстий 10 должно быть выбрано не менее двух. В описываемой выпускной системе ДВС 3 одно принято, в частности, равным 18. A cylindrical hole is drilled, then a recess is selected at half its diameter with a mill or a boring tool. This embodiment of the walls 12 of the holes 10 provides distinct from one another direction passing through them separate streams of exhaust gases. To enhance the swirl, the number n of the through holes 10 must be selected at least two. In the described exhaust system of ICE 3, one is accepted, in particular, equal to 18.

Пластина 6, расположенная между прокладками 7, закрепляется вместе с последними между коллектором 2 ДВС 3 и фланцем 9 выпускной трубы 1 посредством крепежных элементов (не показано). При этом пластина 6 и прокладки 7 имеют конфигурацию, повторяющую конфигурацию торцовой поверхности коллектора 2, обращенную к выпускной трубе 1, и выполнены из металла, преимущественно жаростойкого. Элемент 6, в частности, может быть выполнен в виде концентрично расположенных цилиндрических колец, соединенных между собой посредством пластинок, образующих сквозные отверстия, при этом внутренняя поверхность колец выполнена фасонной (не показано). The plate 6, located between the gaskets 7, is fixed together with the latter between the manifold 2 of the internal combustion engine 3 and the flange 9 of the exhaust pipe 1 by means of fasteners (not shown). In this case, the plate 6 and gaskets 7 have a configuration that repeats the configuration of the end surface of the collector 2, facing the exhaust pipe 1, and are made of metal, mainly heat-resistant. Element 6, in particular, can be made in the form of concentric cylindrical rings interconnected by plates forming through holes, while the inner surface of the rings is shaped (not shown).

Выпускная система ДВС работает следующим образом. The exhaust system of the internal combustion engine works as follows.

При работе ДВС 3 образует поток отработавших газов, который из его коллектора 2 поступает в камеру 8, образованную поверхностями коллектора 2 ДВС 3, одной из прокладок 7 и пластины 6 (фиг.1). Здесь уменьшается скорость движения потока отработавших газов и поток, проходя через n сквозных отверстий 10 (фиг.2), разделяется на n отдельных потоков, образующих вихри вокруг своих осей при срыве за пластиной 6 и попадании в другую камеру 8, образованную поверхностями пластины 6 одной из прокладок 7 и фланца 9 выпускной трубы 1. Здесь происходит их перемешивание и дожигание, а затем выход в атмосферу через выпускную трубу 1 и глушитель 4. Выполнение поверхности стенок 12 отверстий 10 фасонными создает разные направления осям отдельных потоков при срыве, т.е. отклоняет на некоторый угол каждый отдельный поток как от его первоначального направления, так и от направлений соседних отдельных потоков, что интенсифицирует завихрение и перемешивание внутри как отдельного, так и общего потока отработавших газов, усиливая эффективность дожигания несгоревших частиц и компонентов. During operation of the internal combustion engine 3 forms an exhaust gas stream, which from its manifold 2 enters the chamber 8 formed by the surfaces of the manifold 2 of the internal combustion engine 3, one of the gaskets 7 and plate 6 (Fig. 1). Here, the velocity of the exhaust gas flow decreases and the flow passing through n through holes 10 (FIG. 2) is divided into n separate flows forming vortices around their axes when they break behind the plate 6 and fall into another chamber 8 formed by the surfaces of the plate 6 of one from the gaskets 7 and the flange 9 of the exhaust pipe 1. Here they are mixed and afterburned, and then released into the atmosphere through the exhaust pipe 1 and the silencer 4. The execution of the surface of the walls 12 of the holes 10 with the shaped creates different directions to the axes of the individual flows disruption, ie, deviates by a certain angle each separate stream both from its initial direction and from the directions of adjacent separate streams, which intensifies the swirling and mixing inside both a separate and a common stream of exhaust gases, increasing the efficiency of afterburning of unburned particles and components.

Настоящая группа изобретений дает возможность увеличить эффективность снижения токсичности отработавших газов ДВС при эксплуатации, в частности, автомобилей и тем самым улучшить экологическую обстановку, поскольку автомобили являются одними из основных загрязнителей атмосферы, а также получить более экономичные ДВС, так как уменьшается энергия на выброс несгоревших газов и снижается противодавление отработавших газов. Для применения заявленных изобретений не требуется капитальных вложений, так как технология снижения токсичности отработавших газов и выпускная система ДВС для ее осуществления просты. This group of inventions makes it possible to increase the efficiency of reducing the toxicity of internal combustion engine exhaust gases during operation, in particular, of automobiles and thereby improve the environmental situation, since automobiles are one of the main air pollutants, as well as to obtain more economical internal combustion engines, since the energy for the emission of unburned gases is reduced and exhaust backpressure is reduced. For the application of the claimed inventions, no capital investment is required, since the technology for reducing the toxicity of exhaust gases and the exhaust system of the internal combustion engine for its implementation are simple.

Выпускная система неметаллоемка, компактна, имеет малые габариты, легко может быть изготовлена, собрана, заменена. Кроме того, она не требует специального дооснащения на борту автомобиля. Предлагаемые технология снижения токсичности отработавших газов и выпускная система ДВС для ее осуществления могут быть применены также в автомобилях, оснащенных керамическими фильтрами, имеющими платиновое покрытие (финского А/О "KEMIRA"), например в "Жигулях" ВАЗа, что позволяет повысить стойкость и долговечность этих фильтров, так как последние дороги и при достижении величины пробега порядка 50 000 км требуют замены. The exhaust system is non-metal-consuming, compact, has small dimensions, can easily be manufactured, assembled, replaced. In addition, it does not require special retrofitting on board the car. The proposed technology for reducing exhaust gas toxicity and the internal combustion engine exhaust system for its implementation can also be applied in cars equipped with ceramic filters having a platinum coating (Finnish A / O "KEMIRA"), for example, in VAZ’s Zhiguli, which improves durability and durability these filters, since the latter roads and when reaching a mileage of about 50,000 km require replacement.

Claims

1. A method of reducing the toxicity of the exhaust gas stream in the exhaust system of an internal combustion engine by reducing the flow rate in the exit zone of the exhaust manifold, mixing the stream and afterburning it in the mixing process, characterized in that before mixing the stream is divided into several streams, each of the streams is swirled around its axis, while the axis of the flows are located in directions different from one another.

2. The exhaust system of an internal combustion engine, comprising an exhaust pipe with a flange connected to the exhaust manifold of the engine, a muffler installed therein and an exhaust gas emission control unit, characterized in that the toxicity reduction unit is made in the form of an element with through holes, gaskets and two chambers located respectively at the outlet of the collector and the entrance to the exhaust pipe, while the wall surface of the through holes is shaped.

3. The system according to claim 2, characterized in that the element is made in the form of a plate, the configuration of which repeats the configuration of the end surface of the collector from the side facing the exhaust pipe.

4. The system according to claims 2 and 3, characterized in that the chambers at the outlet of the collector and at the entrance to the exhaust pipe are formed by the corresponding surfaces of the exhaust manifold of the engine, gaskets, plates with through holes and the exhaust pipe flange.

5. The system of claims. 2 and 3, characterized in that the through holes in the plate are arranged in groups, each group having a central cylindrical hole and through holes located concentrically.

6. The system according to claim 5, characterized in that the through holes in the group are made in two concentrically arranged rows, while the number of holes in each row is at least four.

7. The system according to claim 6, characterized in that the through holes of one row are made longer than the length of the holes of the other row.

8. The system according to claim 7, characterized in that the surface of the walls of the holes are made curved.