RU2150010C1

RU2150010C1 - Exhaust gas neutralizing device

Info

Publication number: RU2150010C1
Application number: RU98118607A
Authority: RU
Inventors: В.Г. Леонтьевский; А.Г. Корольков
Original assignee: Леонтьевский Валерий Георгиевич; Корольков Анатолий Георгиевич
Priority date: 1998-10-12
Filing date: 1998-10-12
Publication date: 2000-05-27

Abstract

FIELD: internal- combustion engines. SUBSTANCE: device has case in the form of hollow cylinder with bottoms accommodating cylindrical chamber arranged in annular spaced relation; at least one tangential admission pipe joined in central part of chamber over its length; two contractions installed at ends of chamber; auxiliary chambers placed between case bottoms and contractions which communicate with cylindrical chamber through contraction holes; exhaust pipe mounted on case in central part over its length. Each admission pipe mounts injector provided with air pipe; air line is provided with check valve and throttling device. EFFECT: improved neutralizing efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для нейтрализации отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. The invention relates to mechanical engineering, namely to engine building, and can be used to neutralize exhaust gases of internal combustion engines.

Известны многочисленные способы и устройства для нейтрализации отработавших газов дожиганием в присутствии катализаторов. Однако из-за особенностей протекания каталитического процесса эти технические решения имеют узкую область применения и пригодны только для современных бензиновых двигателей, использующих неэтилированные сорта бензинов и имеющих компьютерную систему анализа отработавших газов и управления составом горючей смеси, подаваемой в цилиндры двигателя. Numerous methods and devices are known for neutralizing exhaust gases by afterburning in the presence of catalysts. However, due to the peculiarities of the catalytic process, these technical solutions have a narrow scope and are suitable only for modern gasoline engines using unleaded grades of gasoline and having a computer system for analyzing exhaust gases and controlling the composition of the combustible mixture supplied to the engine cylinders.

Более широкую область применения как нечувствительные к различным видам и сортам моторных топлив имеют нейтрализаторы, в которых эффективность процесса достигают путем введения в отработавшие газы вторичного воздуха и турбулизации полученной газовой смеси в устройстве. A wider field of application as insensitive to various types and grades of motor fuels are neutralizers in which the efficiency of the process is achieved by introducing secondary air into the exhaust gases and turbulizing the resulting gas mixture in the device.

Известен нейтрализатор отработавших газов (1), содержащий соединенную по меньшей мере с одним выпускным патрубком двигателя струйную камеру, имеющую воздушный патрубок, связанный с атмосферой, и камеру дожигания, сообщенную со струйной камерой. Устройство содержит камеру смешения, газодинамический диод (обратный клапан) и по меньшей мере одно сопло. Камера дожигания сообщена со струйной камерой через камеру смешения, сопло установлено на выпускном патрубке двигателя с возможностью его размещения в струйной камере, газодинамический диод установлен в струйной камере. Known exhaust gas neutralizer (1), comprising a jet chamber connected to at least one exhaust port of the engine, having an air port associated with the atmosphere, and an afterburner in communication with the jet chamber. The device comprises a mixing chamber, a gas-dynamic diode (non-return valve) and at least one nozzle. The afterburner is in communication with the jet chamber through the mixing chamber, the nozzle is mounted on the exhaust pipe of the engine with the possibility of its placement in the jet chamber, the gas-dynamic diode is installed in the jet chamber.

В описанном аналоге решается задача подачи вторичного воздуха и смешения его с отработавшими газами. Однако несмотря на то, что подача вторичного воздуха является необходимым условием нейтрализации, ее эффективность определяется, главным образом, условиями протекания процессов в нейтрализаторе. В аналоге представлен нейтрализатор камерного типа, в котором идут вялотекущие процессы дожигания, после которых в обработанных газах, наряду с избыточным кислородом, обычно присутствует химический недожог, то есть имеет место невысокая эффективность нейтрализации. The described analogue solves the problem of supplying secondary air and mixing it with exhaust gases. However, despite the fact that the supply of secondary air is a necessary condition for neutralization, its effectiveness is determined mainly by the conditions of the processes in the converter. In an analogue, a chamber-type neutralizer is presented, in which sluggish afterburning processes take place, after which, in the treated gases, along with excess oxygen, a chemical underburning is usually present, i.e. there is a low neutralization efficiency.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является техническое решение (2), в котором устройство содержит корпус в виде полого цилиндра с днищами, внутри корпуса с кольцевым зазором размещена цилиндрическая камера, к которой подсоединены пропущенные через стенку корпуса тангенциальные впускные патрубки, а по торцам камеры установлены два кольцевых пережима. Между днищами корпуса и пережимами образованы вспомогательные камеры. Выпускной патрубок установлен на корпусе в средней по длине части. Модификации исполнения устройства включают короткие трубки-зонды, выполненные в виде цилиндрических вставок в пережимы или перфорированную трубу-зонд, соединяющую отверстия кольцевых пережимов. Устройства имеют наружную теплоизоляцию корпуса, а цилиндрическая камера имеет экранирующую защиту от излучения. Closest to the proposed invention is a technical solution (2), in which the device comprises a housing in the form of a hollow cylinder with bottoms, a cylindrical chamber is placed inside the housing with an annular gap, to which tangential inlet pipes passed through the housing wall are connected, and two ends are installed at the ends of the chamber ring pinch. Between the bottoms of the housing and pinches formed auxiliary chambers. The outlet pipe is installed on the body in the middle part. Modifications of the device include short probe tubes made in the form of cylindrical inserts in the clamps or a perforated probe tube connecting the holes of the ring clamps. The devices have external thermal insulation of the housing, and the cylindrical chamber has a shielding protection from radiation.

Недостатком описанного прототипа является невысокая эффективность нейтрализации, обусловленная отсутствием в устройстве системы для ввода вторичного воздуха в нейтрализуемые газы. The disadvantage of the described prototype is the low efficiency of neutralization, due to the lack of a device for introducing secondary air into the neutralized gases.

Изобретение решает задачу повышения эффективности нейтрализации. The invention solves the problem of increasing the efficiency of neutralization.

Задача решается тем, что устройство, содержащее корпус в виде полого цилиндра с днищами, внутри корпуса с кольцевым зазором размещена цилиндрическая камера, в средней по длине части цилиндрической камеры подсоединен по меньшей мере один впускной тангенциальный патрубок, а по торцам камеры установлены два пережима, вспомогательные камеры, расположенные между днищами корпуса и пережимами и сообщающиеся с цилиндрической камерой отверстиями пережимов, и выпускной патрубок, установленный на корпусе в средней по длине части, на каждом впускном патрубке установлен инжектор, имеющий воздушный патрубок, а на воздушной линии установлены обратный клапан и дросселирующее устройство. The problem is solved in that the device containing the housing in the form of a hollow cylinder with bottoms, a cylindrical chamber is placed inside the housing with an annular gap, at least one tangential inlet pipe is connected in the middle part of the cylindrical chamber, and two clamps are installed at the ends of the chamber, auxiliary chambers located between the bottoms of the housing and the clamps and communicating with the cylindrical chamber with the holes of the clamps, and an exhaust pipe mounted on the housing in the middle part along the length of each inlet th nozzle mounted injector having an air pipe, and a check valve and throttling device mounted on an overhead line.

Установка инжекторов на впускных патрубках, а также обратных клапанов и дросселирующих устройств на воздушных линиях инжекторов, обеспечивает регулируемую подачу вторичного воздуха в поток отработавших газов двигателей внутреннего сгорания перед их нейтрализацией. Ввод окислителя и организация процесса горения в устройстве вихревого типа в совокупности позволяют углубить эффективность нейтрализации отработавших газов. The installation of injectors on the inlet nozzles, as well as check valves and throttling devices on the air lines of the injectors, provides an adjustable supply of secondary air to the exhaust stream of internal combustion engines before neutralizing them. The input of the oxidizing agent and the organization of the combustion process in the vortex type device together allow to deepen the efficiency of exhaust gas neutralization.

На чертеже приведен общий вид предлагаемого нейтрализатора, включающий продольный (фиг. 1) и поперечный (фиг. 2) разрезы. На чертеже изображены: корпус 1, цилиндрическая камера 2, пережимы 3, впускной патрубок 4, инжектор 5, воздушный патрубок 6, обратный клапан 7, дросселирующее устройство 8, вспомогательная камера 9, выпускной патрубок 10. The drawing shows a General view of the proposed Converter, including longitudinal (Fig. 1) and transverse (Fig. 2) sections. The drawing shows: the housing 1, the cylindrical chamber 2, pinch 3, the inlet pipe 4, the injector 5, the air pipe 6, the check valve 7, the throttling device 8, the auxiliary chamber 9, the exhaust pipe 10.

Устройство работает следующим образом. Отработавшие газы под избыточным давлением в пульсационном режиме подают в инжектор 5, в котором за счет разрежения, создаваемого струей отработавшего газа, происходит подсос атмосферного воздуха по воздушной линии через дросселирующее устройство 8, обратный клапан 7 и воздушный патрубок 6. Полученная газовая смесь через тангенциальный впускной патрубок 4 попадает в цилиндрическую камеру 2. В ней газовая смесь, разделившись на два вихревых потока, устремляется в сторону пережимов 3. В зонах, примыкающих к впускному патрубку, где вихри имеют структуру квазитвердого тела, идут сепарационные процессы. Легкие газы оттесняются в приосевую зону, пары углеводородов и твердые частицы (сажа, кокс) движутся к стенке камеры поперек направления поступательного движения потока. Встречное движение составляющих компонентов потока увеличивает скорость окислительных реакций. В зонах, примыкающих к пережимам, вследствие перестройки вихря от большего диаметра к меньшему, увеличивается частота его вращения, поэтому происходит турбулизации потока с сопутствующим увеличением скорости реакций нейтрализации токсичных компонентов. The device operates as follows. The exhaust gases under surplus pressure in a pulsed mode are fed to the injector 5, in which due to the vacuum created by the exhaust gas jet, air is sucked in via the air line through the throttling device 8, the check valve 7 and the air pipe 6. The resulting gas mixture through the tangential inlet the nozzle 4 enters the cylindrical chamber 2. In it, the gas mixture, divided into two vortex flows, rushes towards the clamps 3. In the areas adjacent to the inlet nozzle, where the vortices have structure of a quasi-solid, separation processes are underway. Light gases are pushed into the axial zone, hydrocarbon vapors and solid particles (soot, coke) move towards the chamber wall transverse to the direction of translational flow. The oncoming movement of the constituent components of the flow increases the rate of oxidative reactions. In zones adjacent to the pinches, due to the reconstruction of the vortex from a larger diameter to a smaller one, its rotation frequency increases, therefore, the flow is turbulized with a concomitant increase in the rate of neutralization of toxic components.

Поток газов, вышедший из камеры 2 в камеру 9 через пережимы 3, поступает с поворотом в кольцевой зазор между корпусом 1 и камерой 2 и выходит из устройства через выпускной патрубок 10. The gas stream exiting from the chamber 2 into the chamber 9 through the clamps 3 enters with rotation into the annular gap between the housing 1 and the chamber 2 and leaves the device through the exhaust pipe 10.

В пусковой период работы двигателя наружный обдув, в дополнение к внутреннему, ускоряет прогрев цилиндрической камеры 2 и выход ее на режим устойчивой нейтрализации. In the starting period of the engine, the external airflow, in addition to the internal one, accelerates the heating of the cylindrical chamber 2 and its exit to the mode of stable neutralization.

На рабочих режимах правильно отрегулированного двигателя с частотой вращения коленчатого вала 1700 - 3500 и более оборотов в минуту при открытой дроссельной заслонке состав горючей смеси несколько обеднен и в отработавших газах наряду со свободным кислородом присутствуют продукты недожога: C (сажа), CO, CH_x, а также NO_x. В цилиндрической камере при температуре 900^oC и выше продукты недожога в вихревом потоке окисляются практически полностью и частично восстанавливаются окислы азота. Индикатором эффективности процесса нейтрализации является остаточное содержание в обработанных газах монооксида углерода, которое не превышает 100-120 мг на нормальный кубический метр газов, что соответствует приблизительно 0,01% объемных. Воздух, подсасываемый через дросселирующее устройство 8 и обратный клапан 7, является балластирующим, однако из-за малой относительной величины объемов (вторичный воздух к первичному) не оказывает существенного влияния на эффективность нейтрализации.In the operating modes of a correctly adjusted engine with a crankshaft speed of 1700 - 3500 rpm and more with an open throttle, the composition of the combustible mixture is somewhat depleted and in the exhaust gases, along with free oxygen, there are products of underburning: C (soot), CO, CH _x , as well as NO _x . In a cylindrical chamber at a temperature of 900 ^o C and above, products of underburning in a vortex flow are oxidized almost completely and nitrogen oxides are partially reduced. An indicator of the effectiveness of the neutralization process is the residual content of carbon monoxide in the treated gases, which does not exceed 100-120 mg per normal cubic meter of gases, which corresponds to approximately 0.01% volume. The air drawn in through the throttling device 8 and the check valve 7 is ballasting, however, due to the small relative volume (secondary to primary), it does not significantly affect the efficiency of neutralization.

На режимах холостого хода двигателя с частотой вращения вала 600-900 оборотов в минуту при закрытой дроссельной заслонке, когда он работает преимущественно на обогащенной смеси с малым расходом топлива и первичного воздуха, в отработавших газах велико содержание недожога и практически отсутствует свободный кислород. Нейтрализация возможна только при подаче вторичного воздуха в количестве, несколько превышающем стехиометрическое. На этих режимах работы двигателя, подсасываемый инжектором воздух играет существенную роль, так как процессы горения топлива частично переносятся в цилиндрическую камеру. В ней температура повышается на 100-170К. Именно на этом режиме дросселирующим устройством регулируют расход вторичного воздуха до достижения остаточного содержания в газах монооксида углерода по минимуму, но в пределах установленной нормы. At idle engine speeds with a shaft speed of 600-900 rpm with the throttle closed, when it operates primarily on an enriched mixture with low fuel consumption and primary air, the exhaust gas has a high non-burn content and practically no free oxygen. Neutralization is possible only with the supply of secondary air in an amount slightly exceeding the stoichiometric. At these engine operating modes, the air sucked in by the injector plays a significant role, since the combustion processes of the fuel are partially transferred to the cylindrical chamber. In it, the temperature rises by 100-170K. It is in this mode that the flow rate of secondary air is regulated by the throttling device until the residual content of carbon monoxide in the gases is reached to a minimum, but within the established norm.

Предлагаемое изобретение может быть применено к карбюраторным и впрысковым бензиновым, а также дизельным двигателям. Устройство нечувствительно к содержанию в моторных топливах свинецсодержащих антидетонационных добавок, серы, азота и других нежелательных компонентов. Оно обладает при соответствующем материальном исполнении термической устойчивостью не ниже 1300^oC, в процессе эксплуатации не требует обслуживания и имеет ресурс работы не менее срока службы двигателя.The present invention can be applied to carburetor and injection gasoline, as well as diesel engines. The device is insensitive to the content of lead-containing antiknock additives, sulfur, nitrogen and other undesirable components in motor fuels. It, with the corresponding material design, has thermal stability not lower than 1300 ^o C, during operation it does not require maintenance and has a service life of at least the service life of the engine.

Источники информации:
1. Патент РФ N 2010985, М.кл. F 01 N 3/10.Sources of information:
1. RF patent N 2010985, M.cl. F 01 N 3/10.

2. Патент США N 3756027, М.кл. F 01 N 3/10, опубл. 1973 г. (Прототип). 2. US Patent N 3756027, M.C. F 01 N 3/10, publ. 1973 (Prototype).

Claims

A device for neutralizing exhaust gases of internal combustion engines, comprising a housing in the form of a hollow cylinder with bottoms, a cylindrical chamber placed inside the housing with an annular gap, at least one tangential inlet pipe is connected in the middle part of the cylindrical chamber, and two clamps are installed at the ends of the chamber , auxiliary chambers located between the bottoms of the housing and the clamps and communicating with the cylindrical chamber by the openings of the clamps, and an exhaust pipe mounted on casing in the middle part along the length, characterized in that on each inlet pipe there is an injector having an air pipe, and a non-return valve and a throttling device are installed on the air line.