RU2143568C1

RU2143568C1 - Internal combustion engine exhaust gas muffling and converting system

Info

Publication number: RU2143568C1
Application number: RU98124081A
Authority: RU
Inventors: А.И. Преснов
Original assignee: Преснов Алексей Иванович
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1998-12-30
Publication date: 1999-12-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines; mufflers with exhaust gas cleaning and converting devices. SUBSTANCE: system has muffler- converter with cylindrical housing provided with end face walls on one of which inlet branch pipe is secured and on other, outlet branch pipe, catalyst converter, gas-jet suction device installed before muffler- converter. Housing of muffler-converter has connector located in area of installation of catalyst converter, and stop made in form of cross insert. Inlet branch pipe is elbow with angle of bend not exceeding 20^o. Flow directing member is made in form of diffuser with cylindrical inlet part and cone with angle of opening not exceeding 12^o. EFFECT: simplified design, facilitated replacement of catalyst units, reduced toxicity and smoke content in exhaust gases over entire operating range of engine. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к конструкциям глушителей, снабженных средствами очистки и обезвреживания выхлопных газов. The invention relates to the field of engine engineering, in particular to silencer structures equipped with exhaust gas purification and neutralization tools.

Известно, например, технические решение по авт.св. N 1778328, по которому нейтрализатор-глушитель отработанных газов ДВС имеет корпус с впускным и выпускным патрубками, два каталитических блока, воздухозаборник и воздушный насос. Данная конструкция является очень сложной и недостаточно надежной в эксплуатации. It is known, for example, technical solutions for autosw. N 1778328, according to which the internal combustion engine exhaust silencer has a housing with inlet and outlet pipes, two catalytic units, an air intake and an air pump. This design is very complex and not sufficiently reliable.

Известно также техническое решение по патенту РФ N 2007591 F 01 N 3/08, по которому глушитель-нейтрализатор имеет цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками и элементами завихрения в виде двух усеченных конусов и одного - с вершиной, установленных по обе стороны от каталитического реактора. Недостатками этого технического решения является сложность конструкции и неудобство в эксплуатации при замене нейтрализатора и очистки корпуса от сажи из-за неразъемного корпуса глушителя. A technical solution is also known according to the patent of the Russian Federation N 2007591 F 01 N 3/08, according to which the silencer-neutralizer has a cylindrical body with inlet and outlet pipes and swirl elements in the form of two truncated cones and one with an apex installed on both sides of the catalytic reactor . The disadvantages of this technical solution is the design complexity and inconvenience in operation when replacing the converter and cleaning the body from soot due to the integral silencer body.

Технический результат от реализации предлагаемого изобретения заключается в простоте конструкции, удобстве замены каталитических блоков, а также в снижении токсичности и дымности отработавших газов во всем диапазоне работы двигателя. The technical result from the implementation of the invention consists in the simplicity of design, the convenience of replacing the catalytic units, as well as in reducing the toxicity and smoke of exhaust gases in the entire range of engine operation.

Этот технический результат достигается тем, что система глушения и нейтрализации отработавших газов ДВС содержит глушитель-нейтрализатор, имеющий цилиндрический корпус с торцевыми стенками, на одной из которых закреплен входной патрубок, и на другой - выходной патрубок, элемент направления потока и каталитический нейтрализатор, причем система снабжена устройством всасывающим газоструйным, установленным перед глушителем-нейтрализатором, а корпус последнего имеет разъем в районе установки каталитического нейтрализатора, а также упор в выпускной части глушителя-нейтрализатора, соприкасающийся с каталитическим нейтрализатором, выполненный в виде крестообразной вставки, входной патрубок представляет собой колено с углом погиба не более 20^o, а элемент направления потока выполнен в виде диффузора, имеющего входную цилиндрическую часть и конус с углом раскрытия не более 12^o.This technical result is achieved by the fact that the engine exhaust silencing and neutralization system comprises a silencer-neutralizer having a cylindrical body with end walls, on one of which an inlet pipe is fixed, and on the other - an outlet pipe, a flow direction element and a catalytic converter, moreover, the system equipped with a suction gas-jet device installed in front of the muffler-converter, and the housing of the latter has a connector in the area of installation of the catalytic converter, as well as an emphasis in the exhaust part of the muffler-converter in contact with the catalytic converter, made in the form of a cross-shaped insert, the inlet pipe is an elbow with a die angle of not more than 20 ^o , and the flow direction element is made in the form of a diffuser having an inlet cylindrical part and a cone with an opening angle of not more than 12 ^o .

Предлагаемая совокупность отличительных признаков с присущими ей положительными эффектами автору из патентной и научно-технической литературы не известна. The proposed combination of distinctive features with its inherent positive effects to the author of the patent and scientific literature is not known.

Предложенная система глушения и нейтрализации отработавших газов ДВС поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показана схема конструктивных элементов системы глушения и нейтрализации газов ДВС;
на фиг. 2 - глушитель-нейтрализатор, разрез.The proposed exhaust silencing and exhaust gas aftertreatment system is illustrated by drawings, where:
in FIG. 1 shows a diagram of the structural elements of the jamming and gas neutralization system of ICE;
in FIG. 2 - silencer-converter, section.

Система глушения и нейтрализации отработанных газов ДВС (фиг. 1) содержит сочлененные выпускные трубы 1, устройство всасывающее газоструйное 2, глушитель-нейтрализатор 3, входной 4 и выходной 5 патрубки. The engine exhaust silencing and exhaust gas neutralization system (Fig. 1) contains articulated exhaust pipes 1, a gas-jet suction device 2, a muffler-neutralizer 3, inlet 4 and outlet 5 nozzles.

Глушитель-нейтрализатор показан на фиг. 2, где корпус 6 имеет разъем 7 (например, фланцевый), каталитический нейтрализатор 8, элемент направления потока 9, выполненный в виде диффузора, имеющего входную цилиндрическую часть и конус с углом раскрытия не более 12^o, крестообразную вставку 10, установленную в выпускной части глушителя для удержания от перемещения блоков каталитического нейтрализатора, а входной патрубок 4 представляет собой колено с углом погиба не более 20^o. Конструкция глушителя позволяет устанавливать до двух блоков каталитического нейтрализатора с различной конструкцией канала блока, например сотовой конструкции на металлической основе, представляющий собой так называемую "утолщенную решетку". Данный катализатор выпускается серийно.The silencer is shown in FIG. 2, where the housing 6 has a connector 7 (for example, flanged), a catalytic converter 8, a flow direction element 9 made in the form of a diffuser having an inlet cylindrical part and a cone with an opening angle of not more than 12 ^o , a cross-shaped insert 10 installed in the outlet part silencer to keep the catalytic converter blocks from moving, and the inlet pipe 4 is an elbow with a die angle of not more than 20 ^o . The silencer design allows you to install up to two catalytic converter units with different channel designs for the unit, for example a honeycomb structure on a metal base, which is the so-called "thickened grate". This catalyst is commercially available.

По основным габаритным и присоединительным размерам предлагаемый глушитель соответствует серийному автомобильному глушителю. According to the main overall and mounting dimensions, the proposed muffler corresponds to a standard automobile muffler.

Акустические и газодинамические процессы в конструктивных элементах глушителя характеризуются следующими особенностями. Поток отработавших газов из выпускного трубопровода 1 проходит через устройство всасывающее газоструйное 2, представляющее собой совокупность распределительной (расширительной) камеры и прифланцованного к ней струйного насоса. Распределительная камера понижает звуковое давление потока отработанных газов по реактивному принципу. Далее поток через входной патрубок глушителя-нейтрализатора, выполненного в виде колена с углом погиба не более 20^o, обладающего минимальным аэродинамическим сопротивлением, поступает в диффузор, где происходит ослабление энергии потока за счет снижения его скорости и перехода кинетической энергии в потенциальную. Установка в конструкции конического диффузора позволяет плавно снизить скорость потока и тем самым уменьшить газодинамические потери напора и звуковую мощность. Таким образом, в диффузоре происходит рассеяние звуковой энергии. Выбранный небольшой (не более 12^o) угол раскрытия диффузора увеличивает вероятность безотрывного течения газов и отсутствия вихревых зон. Кроме того, благодаря установке конического диффузора данная конструкция глушителя менее склонна к образованию вторичного шума глушителя, возникающего вследствие развития интенсивной турбулентности при течении газов по его элементам. Ослабленный, в кинетическом соображении, поток газов поступает на каталитический блочный нейтрализатор, например, сотовой конструкции, создающий газодинамическое сопротивление потоку газов как "утолщенная решетка". Его можно рассматривать как адсорбционный глушитель, предназначенный, в основном, для поглощения шума на более высоких частотах, длина волны которых соизмерима с длиной канала ячеи. Снижение шума в каталитическом блочном нейтрализаторе происходит за счет разделения потока газов, уменьшая таким образом, амплитуду звуковых колебаний. Кроме того, потери звуковой энергии обусловлены демфированием фольги стенок каналов, где часть звуковой энергии преобразуется в тепловую.Acoustic and gas-dynamic processes in the structural elements of the silencer are characterized by the following features. The flow of exhaust gases from the exhaust pipe 1 passes through a suction gas-jet device 2, which is a combination of a distribution (expansion) chamber and a jet pump flanged to it. The distribution chamber lowers the sound pressure of the exhaust gas stream in a reactive manner. Further, the flow through the inlet pipe of the muffler-converter, made in the form of a knee with a die angle of not more than 20 ^o , having a minimum aerodynamic resistance, enters the diffuser, where the flow energy is weakened by reducing its speed and transferring the kinetic energy to potential. The installation in the design of a conical diffuser allows you to smoothly reduce the flow rate and thereby reduce gas-dynamic pressure losses and sound power. Thus, the diffusion of sound energy occurs in the diffuser. The selected small (not more than 12 ^o ) opening angle of the diffuser increases the likelihood of a continuous flow of gases and the absence of vortex zones. In addition, due to the installation of a conical diffuser, this silencer design is less prone to the formation of secondary silencer noise arising from the development of intense turbulence during gas flow through its elements. Weakened, in kinetic considerations, the gas flow enters the catalytic block converter, for example, of a honeycomb design, which creates gas-dynamic resistance to the gas flow as a “thickened grating”. It can be considered as an adsorption silencer, designed primarily to absorb noise at higher frequencies, the wavelength of which is comparable with the length of the mesh channel. Noise reduction in the catalytic block converter occurs due to the separation of the gas flow, thus reducing the amplitude of sound vibrations. In addition, the loss of sound energy is due to the damping of the foil of the channel walls, where part of the sound energy is converted into heat.

Пройдя каталитические блоки, поток отработавших газов входит в расширительную часть глушителя, где происходит рассеяние звуковой энергии по всему внутреннему объему глушителя и незначительные потери газодинамического давления при внезапном расширении и движении потока внутри его цилиндрического корпуса. After passing through the catalytic blocks, the exhaust gas stream enters the expansion part of the silencer, where sound energy is dissipated throughout the entire internal volume of the silencer and insignificant loss of gas dynamic pressure occurs during the sudden expansion and movement of the flow inside its cylindrical body.

Данный элемент глушителя заканчивается цилиндрическим насадком и представляет собой реактивный глушитель, задняя стенка которого, выполняя роль перегородки, увеличивает противодавление выпуску отработавших газов (внезапное сужение), в результате чего происходит ослабление звукового давления, в основном на низких частотах. This silencer element ends with a cylindrical nozzle and is a jet silencer, the rear wall of which, acting as a partition, increases the backpressure of the exhaust gas (sudden narrowing), resulting in a weakening of sound pressure, mainly at low frequencies.

Экспериментальные исследования предлагаемой системы глушения и нейтрализации отработавших газов ДВС производились на пожарной автоцистерне АЦ-40 (43202) 186, изготовленной на базе грузового автомобильного шасси Урал-4320 с дизелем Кам А3-740. Experimental studies of the proposed engine exhaust silencing and exhaust gas aftertreatment system were carried out on the ATs-40 (43202) 186 fire truck, made on the basis of the Ural-4320 freight truck chassis with Kam A3-740 diesel engine.

Испытания дали следующие результаты:
1. уменьшение выброса оксида углерода на 90-98%, углеводородов (по гексану) на 70-80%, дымности на 40-58% на характерных эксплуатационных режимах пожарной автоцистерны;
2. снижение звукового давления в составе газовыпускного тракта пожарной автоцистерны (в комплекте с устройством всасывающим газоструйным) на уровне серийного автомобильного глушителя;
3. уменьшение газодинамического сопротивления потока отработавших газов в 2-3 раза (в зависимости от конструкции блочного каталитического нейтрализатора сотовой конструкции на металлическом носителе) в сравнении с серийным глушителем.The tests gave the following results:
1. reduction of carbon monoxide emissions by 90-98%, hydrocarbons (for hexane) by 70-80%, smoke by 40-58% in the typical operating modes of a fire truck;
2. reduction of sound pressure in the gas outlet of a fire truck (complete with a suction gas-jet device) at the level of a serial automobile muffler;
3. reduction of the gas-dynamic resistance of the exhaust gas flow by 2–3 times (depending on the design of the block catalytic converter of a honeycomb structure on a metal carrier) in comparison with a serial muffler.

Claims

The exhaust gas silencing and neutralization system of an internal combustion engine, comprising a silencer-neutralizer having a cylindrical body with end walls, on one of which an inlet pipe is fixed, and on the other - an outlet pipe, a flow direction element and a catalytic converter, characterized in that the system is provided a gas-suction device installed in front of the muffler-converter, the latter housing having a connector in the area of the catalytic converter installation, as well as in the exhaust part of the muffler-converter, in contact with the catalytic converter, made in the form of a cross-shaped insert, the inlet pipe is an elbow with a die angle of not more than 20 ^o , and the flow direction element is made in the form of a diffuser having an inlet cylindrical part and a cone with an opening angle no more than 12 ^o .