Система очистки и рециркуляции выхлопных газов дизельного двигателя
Полезная модель направлена на увеличение ресурса двигателя за счет уменьшения отложения продуктов неполного сгорания топлива и масла на деталях двигателя путем принудительного регулируемого выведения выхлопных газов и увеличения скорости поступления рециркулируемых выхлопных газов в впускной трубопровод. Указанный технический результат достигается тем, что система очистки и рециркуляции выхлопных газов дизельного двигателя включает впускной трубопровод, выпускной трубопровод, трубопровод рециркуляции, снабженный охладителем, регулируемый клапан, устройство фильтрации, датчик давления выхлопных газов, всасывающе-нагнетающее устройство. При этом датчик давления выхлопных газов, устройство фильтрации, всасывающе-нагнетающее устройство расположены последовательно по ходу потока выхлопных газов в выпускном трубопроводе. Трубопровод рециркуляции с одной стороны соединен с выпускным трубопроводом после всасывающе-нагнетающего устройства или через всасывающе-нагнетающее устройство, а с другой стороны сообщен с впускным трубопроводом через регулируемый клапан. Всасывающе-нагнетающее устройство снабжено электроприводом, выполненным с возможностью регулирования частоты вращения.
Всасывающе-нагнетающее устройство может быть выполнено в виде ротора с лопатками, установленного в цилиндрическом корпусе с торцевыми стенками, образующем проточную камеру, снабженную впускным, выпускным и рециркуляционным патрубками. Впускной патрубок устройства сообщен с выпускным трубопроводом. Рециркуляционный патрубок сообщен с рециркуляционным трубопроводом.
Полезная модель относится к двигателестроению, а именно, к устройствам для присадки выхлопных газов во впускной воздух перед впуском его в дизельный двигатель и может быть использована, в частности, при разработке дизелей автотракторных средств для снижения токсичности выхлопных газов.
Известен двигатель внутреннего сгорания [А.с. SU №1028863, МПК F 02 M 25/06, опубл. 15.07.83, Бюл. №26], содержащий цилиндр, впускной и выпускной трубопроводы, сообщенные каналом рециркуляции, в котором установлен теплообменник, и орган переключения трубопроводов, причем в выпускном трубопроводе до канала рециркуляции по ходу потока выхлопных газов размещен каталитический нейтрализатор, канал рециркуляции снабжен байпасным трубопроводом, подключенным до и после теплообменника, а орган переключения трубопроводов установлен в канале рециркуляции в месте подключения байпасного трубопровода до теплообменника.
Устройство позволяет осуществлять очистку выхлопных газов с помощью каталитического нейтрализатора, в том числе на режимах холостого хода и малых нагрузках двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Наличие в устройстве теплообменника дает возможность охлаждать рециркулируемые выхлопные газы и тем самым уменьшать образование в цилиндрах двигателя окислов азота.
Недостатком устройства является то, что каталитический нейтрализатор для очистки выхлопных газов, установленный в выпускном трубопроводе, создает повышенное аэродинамическое сопротивление потоку выхлопных газов и снижает его скорость. В результате происходит
закоксовывание поршневой группы, что сокращает моторесурс двигателя. Прохождение выхлопных газов через каталитический нейтрализатор и теплообменник значительно снижает скорость потока газов, рециркулируемых во впускной трубопровод. Это приводит к неоднородности смесеобразования воздуха с рециркулируемыми выхлопными газами, поступающими в двигатель, что ухудшает процесс сгорания и увеличивает количество несгоревших частиц, отлагающихся на внутренней поверхности камеры сгорания двигателя.
Известна система выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания [А.с. SU №1165809, опуб. 07.07.85, бюл. №25], содержащая выпускную трубу, соединенную при помощи трубопровода рециркуляции выхлопных газов с впускным коллектором, и последовательно размещенные в трубопроводе рециркуляции фильтр и датчик состава отработавших газов, соединенный с блоком управления смесеобразованием системы питания двигателя.
Использование в устройстве фильтра обеспечивает необходимую степень очистки рециркулируемых выхлопных газов от сажи, смолистых и других агрессивных твердых и жидких продуктов, стабилизирует поток газа, гасит пламенные температурные процессы в зоне датчика, исключая абразивный износ и его загрязнение, повышая надежность работы его чувствительных элементов. Регулирование смесеобразования осуществляется блоком управления по составу отработавших газов.
Однако скорость рециркулируемых газов в фильтре снижается, что ухудшает процесс сгорания из-за неоднородности впускного заряда.
В данном устройстве не предусмотрена очистка выхлопных газов, выпускаемых в атмосферу. Отсутствие охлаждения рециркулируемых выхлопных газов увеличивает образование окислов азота в камере сгорания двигателя и приводит к увеличению загрязнения окружающей среды.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является устройство для рециркуляции части выхлопных газов из выхлопной трубы дизельного двигателя на вход двигателя [Патент RU №2230212, МПК F 02 M 25/07, F 16 K 11/052, F 16 K 11/14, опубл. 10.06.2004], включающее выхлопную трубу, трубопровод рециркуляции, контролируемое устройство клапана, размещенное между двигателем и воздухозаборником для подачи воздуха/рециркулируемых выхлопных газов в требуемом соотношении в камеру сгорания двигателя. Устройство клапана содержит заслонки, размещенные во входных каналах для рециркулируемых выхлопных газов и воздуха, причем по меньшей мере одна из заслонок удерживается открытой, для закрытия второй заслонки имеется приводной двигатель. Трубопровод рециркуляции соединен с выхлопной трубой двигателя после катализатора и фильтра частиц. В трубопроводе рециркуляции размещен охладитель.
Система позволяет осуществлять регулируемую рециркуляцию за счет контролируемого клапана и необходимую очистку выхлопных газов с помощью каталитического нейтрализатора и фильтра частиц.
Однако, каталитический нейтрализатор и фильтр частиц создают повышенное гидравлическое сопротивление потоку выхлопных газов. Это приводит к снижению скорости их выхода из камеры сгорания и отложению содержащихся в них продуктов неполного сгорания на деталях двигателя. В результате увеличивается износ двигателя и снижается ресурс его работы.
Снижение скорости потока выхлопных газов, происходящее как в катализаторе и фильтре частиц, так и в охладителе приводит к снижению скорости подачи рециркулируемого газа в клапан для образования смеси с воздухом, что значительно ухудшает процесс смесеобразования. Полученная при этом неоднородная смесь впускного воздуха с выхлопными газами при сгорании увеличивает количество несгоревших частиц, оседающих на внутренних стенках камеры сгорания двигателя.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка эффективной системы очистки и рециркуляции выхлопных газов дизеля, позволяющей увеличить ресурс двигателя за счет уменьшения отложения продуктов неполного сгорания топлива и масла на деталях двигателя путем принудительного регулируемого выведения выхлопных газов и увеличения скорости поступления рециркулируемых выхлопных газов во впускной трубопровод.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что система очистки и рециркуляции выхлопных газов дизельного двигателя включает аналогично прототипу выпускной трубопровод, трубопровод рециркуляции, регулируемый клапан, впускной трубопровод, устройство фильтрации, размещенное в выпускном трубопроводе, охладитель, размещенный в трубопроводе рециркуляции, причем трубопровод рециркуляции соединен с выпускным трубопроводом после устройства фильтрации.
В отличие от прототипа система дополнительно содержит датчик давления выхлопных газов, размещенный в выпускном трубопроводе перед устройством фильтрации, всасывающе-нагнетающее устройство, установленное в выпускном трубопроводе за устройством фильтрации. Трубопровод рециркуляции соединен с выпускным трубопроводом после или через всасывающе-нагнетающее устройство. Трубопровод рециркуляции соединен с впускным трубопроводом через регулируемый клапан. Всасывающе-нагнетающее устройство снабжено электроприводом, выполненным с возможностью регулирования частоты вращения.
Всасывающе-нагнетающее устройство может быть выполнено в виде ротора с лопатками, установленного в цилиндрическом корпусе с торцевыми стенками, образующем проточную камеру, снабженную впускным, выпускным и рециркуляционным патрубками, причем впускной патрубок сообщен с выпускным трубопроводом, а рециркуляционный патрубок сообщен с рециркуляционным трубопроводом.
Благодаря указанной совокупности признаков при работе системы увеличивается скорость прохождения потока газов через устройство фильтрации, тем самым ускоряется процесс выведения выхлопных газов и несгоревших частиц, не позволяя им откладываться на деталях двигателя. Увеличение скорости выхода выхлопных газов из рециркуляционного трубопровода во впускной трубопровод увеличивает турбулентность и улучшает степень гомогенности смеси воздуха с выхлопными газами на впуске. При впуске более однородной смеси в цилиндр двигателя происходит более полное сгорание топлива, уменьшается образование несгоревших частиц, что приводит к увеличению ресурса работы двигателя.
Всасывающе-нагнетающее устройство производит просасывание всех выхлопных газов через устройство фильтрации и нагнетание части выхлопных газов, предназначенных для рециркуляции, в рециркуляционный трубопровод. Для этого трубопровод рециркуляции соединен с выпускным трубопроводом после всасывающе-нагнетающего устройства
Выполнение всасывающе-нагнетающего устройства в виде проточной цилиндрической камеры с впускным, выпускным и рециркуляционным патрубками позволяет разделить поток очищенных выхлопных газов на две части: рециркулируемую и направляемую в атмосферу. При этом соединение рециркуляционного трубопровода с выпускным трубопроводом осуществляется через всасывающе-нагнетающее устройство.
Ротор с лопатками, установленный соосно в корпусе, может приводиться во вращение электродвигателем постоянного тока, изменяющем частоту вращения в зависимости от величины давления выхлопных газов в выпускном трубопроводе. Для этого выход датчика давления электрически соединен с входом блока управления, выход которого соединен с электродвигателем. В случае превышения в выпускном трубопроводе фактического давления над атмосферным датчик передает сигнал в блок
управления, который преобразует текущий сигнал в управляющий сигнал для электродвигателя всасывающе-нагнетающего устройства.
Управляющий сигнал блока управления увеличивает частоту оборотов электродвигателя всасывающе-нагнетающего устройства, увеличивая скорость вращения ротора. При этом уменьшается давление в выпускном трубопроводе за устройством фильтрации перед всасывающее-нагнетающим устройством, увеличивая разницу давлений до и после устройства фильтрации. В результате увеличивается скорость и расход выхлопного газа, проходящего через устройство фильтрации. Электропривод всасывающе-нагнетающего устройства работает до тех пор, пока датчик давления в выпускном трубопроводе вновь не зафиксирует атмосферное давление перед устройством фильтрации.
В результате осуществляется регулирование скорости прохождения выхлопных газов через устройство фильтрации в случае изменения давления выхлопных газов, вызванном изменением числа оборотов дизеля, и, следовательно, полное выведение несгоревших частиц из двигателя, что увеличивает ресурс его работы.
Устройство фильтрации может представлять собой керамический сажевый фильтр или керамический сажевый фильтр с нанесенным на его внутреннюю поверхность каталитическим слоем, или состоять из катализатора и сажевого фильтра, установленных последовательно в выпускном трубопроводе.
В качестве датчика давления могут использоваться толстопленочные или полупроводниковые датчики давления, изменяющие сигнал управления в зависимости от давления [Автомобильный справочник. Пер. с англ. - М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2002. - с.113-114].
Сущность заявляемой полезной модели поясняется графическими изображениями, на которых представлены:
- фиг.1 - схема системы очистки и рециркуляции выхлопных газов дизельного двигателя;
- фиг.2 - схема всасывающе-нагнетающего устройства.
Система очистки и рециркуляции выхлопных газов дизельного двигателя 1 (фиг.1) содержит впускной трубопровод 2, выпускной трубопровод 3, в котором последовательно по ходу потока выхлопного газа расположены датчик 4 давления выхлопных газов, устройство 5 фильтрации, всасывающе-нагнетающее устройство 6. Выпускной трубопровод 3 соединен с рециркуляционным трубопроводом 7 через всасывающе-нагнетающее устройство 6 (фиг.2), состоящее из цилиндрического корпуса 8, имеющего торцевые стенки 9, 10. В торцевой стенке 9 имеется впускной патрубок 11, соединенный с выпускным трубопроводом 3. В цилиндрической стенке 12 корпуса 8 имеются выпускной патрубок 13 и рециркуляционный патрубок 14, соединенный с рециркуляционным трубопроводом 7. В корпусе 8 установлен ротор 15 с лопатками 16. Всасывающе-нагнетающее устройство 6 снабжено электроприводом, состоящим из электродвигателя 17, электрически связанного с блоком управления 18 и датчиком 4. Рециркуляционный трубопровод 7 снабжен охладителем 19 и сообщен с впускным трубопроводом 2 через регулируемый клапан 20.
Система очистки и рециркуляции выхлопных газов дизельного двигателя работает следующим образом.
При запуске двигателя 1 воздушный заряд поступает по впускному трубопроводу 2 в двигатель 1, где смешивается с топливом и сгорает. Выхлопные газы под давлением подаются в выпускной трубопровод 3, поступают в устройство 5, где очищаются от продуктов неполного сгорания топлива. По мере прохождения газов через устройство 5 их скорость
снижается за счет возникновения силы гидравлического трения. В результате происходит рост давления газов в выпускном трубопроводе 3 перед устройством 5. Рост давления в выпускном трубопроводе 3 фиксируется датчиком 4, сигнал которого подается в блок управления 18. При давлении выше атмосферного блок управления 18 преобразует сигнал датчика в управляющий ток электродвигателя 17, запускающий ротор 15 всасывающе-нагнетающего устройства 6. При работе ротора 15 давление на участке выпускного трубопровода 3 после устройства 5 падает, скорость потока выхлопных газов повышается как в выпускном трубопроводе 3 за счет всасывания газов, так и в рециркуляционном трубопроводе 7 за счет нагнетания газов. В результате продукты неполного сгорания топлива не успевают отложиться на деталях двигателя.
Во всасывающе-нагнетающем устройстве 6 поток очищенных выхлопных газов разделяется на две части. Большая часть выбрасывается через выпускной патрубок 13 всасывающе-нагнетающего устройства 6 в атмосферу. Меньшая часть очищенных выхлопных газов, получив увеличение скорости за счет вращения ротора 15, направляется через патрубок 14 в рециркуляционный трубопровод 7, где охлаждается в охладителе 19 и поступает в впускной трубопровод 2 через регулируемый клапан 20 для смешивания с впускным воздухом для образования впускного заряда, обеспечивающего минимальную токсичность выхлопных газов. При этом на режимах холостого хода и нагрузке, соответствующей 75% от номинальной и более для обеспечения эффективного давления газов в цилиндре регулируемый клапан 20 отсекает подачу рециркулируемых газов. Увеличение скорости прохождения рециркулируемых выхлопных газов по трубопроводу 7 вызывает большую турбулизацию рециркулируемых газов, а, следовательно, и степень гомогенности впускного заряда, улучшая процесс сгорания топливо-воздушной смеси и увеличивая ресурс двигателя.
При работе двигателя 1 на переходных режимах (разгон, торможение) давление в выпускном трубопроводе 3 постоянно изменяется и
регистрируется датчиком 4. Блок управления 18 постоянно преобразует сигнал датчика 4 в ток управления электродвигателем 17, регулируя частоту вращения ротора 15 всасывающе-нагнетающего устройства 6.
Таким образом, введение в систему очистки и рециркуляции выхлопных газов всасывающе-нагнетающего устройства с электроприводом и датчика давления позволит увеличить скорость прохождения выхлопных газов как через устройство фильтрации, так и в рециркуляционном трубопроводе, что приведет к улучшению процесса смесеобразования, снижению образования несгоревших частиц и более полному их выведению из камеры сгорания, что увеличит ресурс работы двигателя.
1. Система очистки и рециркуляции выхлопных газов дизельного двигателя, включающая впускной трубопровод, выпускной трубопровод, трубопровод рециркуляции, снабженный охладителем, регулируемый клапан, устройство фильтрации, отличающаяся тем, что дополнительно содержит датчик давления выхлопных газов, всасывающе-нагнетающее устройство, при этом датчик давления выхлопных газов, устройство фильтрации, всасывающе-нагнетающее устройство расположены последовательно по ходу потока выхлопных газов в выпускном трубопроводе, трубопровод рециркуляции с одной стороны соединен с выпускным трубопроводом после всасывающе-нагнетающего устройства или через всасывающе-нагнетающее устройство, а с другой стороны сообщен с впускным трубопроводом через регулируемый клапан, всасывающе-нагнетающее устройство снабжено электроприводом, выполненным с возможностью регулирования частоты вращения.
2. Система очистки по п.1, отличающаяся тем, что всасывающе-нагнетающее устройство выполнено в виде ротора с лопатками, установленного в цилиндрическом корпусе с торцевыми стенками, образующем проточную камеру, снабженную впускным, выпускным и рециркуляционным патрубками, причем впускной патрубок устройства сообщен с выпускным трубопроводом, рециркуляционный патрубок сообщен с рециркуляционным трубопроводом.
