Способ снижения токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания

Способ снижения токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания

Реферат

 

Использование: изобретение относится к двигателестроению. Сущность изобретения: способ уменьшения токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания заключается в подготовке смешанной углеводородной топливной смеси с коэффициентом избытка воздуха больше единицы, подачи этой смеси в камеру сгорания, очищенную от остаточных газов эжекцией выходящих газов другого цилиндра, работающего в такте выпуска, воспламенении этой смеси электрической искрой, организованной с опережением, и подачи в камеру сгорания катализатора в виде железа или меди для нейтрализации процесса образования окислов азота. Указанные действия приводят к очищению выхлопных газов, снижению температуры двигателя и выхлопной системы и повышению механического к.п.д. двигателя внутреннего сгорания. 4 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам организации сгорания топливовоздушной углеводородной смеси, обеспечивающей уменьшение содержания токсичных веществ в отработавших выхлопных газах.

Известен способ снижения токсичности выхлопных газов двигателz внутреннего сгорания, заключающийся в организации во впускном трубопроводе перемешанной углеводородной топливовоздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха больше единицы, заполнении ею камеры сгорания после выпуска отработавших газов предыдущего цикла, подачи с опережением электрической искры и сгорания смеси с последующим выпуском отработавших газов (см. М.С. Ховах, Г.С. Маслов. Автомобильные двигатели. М. Машиностроение, 1971, стр. 120 - 123).

Наилучшая экономичность в современных автомобильных карбюраторных двигателях достигается при коэффициенте избытка воздуха = 1,05-1,17. В этом случае, хотя процесс сгорания протекает медленно (см. рис. 56 на стр. 123 указанной книги) и работа цикла уменьшается, все топливо сгорает полностью, если изменение скорости сгорания, вызванное изменением состава рабочей смеси, согласуется с изменением наивыгоднейшего угла опережения зажигания.

При полном сгорании топлива продукты сгорания состоят из углекислого газа, водяного пара, избыточного кислорода, не участвующего в сгорании, и азота. В двигателях для сгорания используется кислород воздуха, который вводится в цилиндр в процессе впуска. Известно, что кислорода в воздухе по массе содержится 23% Азот воздуха в сгорании не участвует и удаляется из цилиндра двигателя в процессе выпуска отработавших газов.

Если обратиться к кн. И.Л. Лейтес, М.Х. Сосна и др. Теория и практика химической энерготехнологии. М. Химия, 1988, стр 54, то видно, что процесс полного сгорания всего топлива с распадом продуктов сгорания до наименее токсичных элементов (CO₂, H₂O и O₂, N₂) происходит при 20% избытка воздуха.

Реакция в этом случае имеет следующий вид: CH₄+2,04O₂+9,03N₂__ CO₂+2H₂O+0,4O₂+9,03N₂. Однако теоретические выводы не всегда согласуются с реальными условиями прохождения процесса сгорания. Начиная с того, что в камере сгорания двигателя при использовании обычного искрового зажигания не удается обеспечить устойчивый процесс сгорания топливной смеси при > 1,17> и, следовательно, нельзя обеспечить полное сгорание топливной смеси без применения специальных мер.

В этом случае процесс сгорания может быть представлен в следующем виде: где доля непрореагировавшего метана.

В результате этого в атмосферу выбрасываются в составе отработавших газов окись углерода, окислы азота, несгоревшие или неполностью сгоревшие углеводороды и т. д. Если обратиться к кн. А.Н. Воинов. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. М. Машиностроение, 1977, то на стр. 233 показан график концентрации токсичных веществ в отработавших газах бензинового двигателя в зависимости от коэффициента избытка воздуха.

На графике видно, что при увеличении коэффициента a в диапазоне от 11 до 1,15 содержание CO снижается до десятых долей процента. Что же касается CH, то практика показывает, что его концентрация при a= 0,9-1,1 обычно не превышает 0,04% по объему. А с увеличением концентрация CH уменьшается.

Недостатком известного способа является невозможность контролирования выхода окислов азота, концентрация которых в десять раз выше по токсичности CO. Кроме того, помимо прямого воздействия на человеческий организм выброс окислов азота в атмосферу вызывает так называемые вторичные эффекты приводят к образованию ядовитого фотохимического тумана (смога). Как показали исследования, причиной образования смога является сложное взаимодействие выбрасываемых автомобильными двигателями в атмосферу окислов азота и непредельных углеводородов. Под влиянием солнечных лучей происходит диссоциация молекул NO₂ с образованием NO и озона, в результате взаимодействия которых с олефином образуются токсичные нитроперекисные соединения.

Данный способ, позволяющий минимизировать выброс в атмосферу CO, CH и др. не позволяет снизить выброс окислов азота по следующим причинам. В отличие от всех других токсичных компонентов, являющихся продуктами неполного сгорания, частичного окисления и термического разложения топлива, образование окислов азота непосредственно с реакциями горения не связано, а имеет термическую природу. В результате диссоциации молекул O₂ и N₂ на атомы при высоких температурах, достигаемых в пламени, образование окиси азота в основном может происходить в следующих цепных реакциях: O+N₂ NO+N; N+O₂ NO+O. Определяющей является первая реакция, скорость которой зависит от концентрации атомарного кислорода. Последняя увеличивается с обеднением смеси и зависит от температуры. Несколько слабее, но также очень сильно зависит от температуры скорость разложения NO как в обратных реакциях, так и в реакции NO + NO N₂ + O₂. В результате этого при быстром охлаждении продуктов сгорания в такте расширения и выпуска происходит "замораживание" содержания в них NO на уровне, близком к уровню при максимальном значении температуры сгорания.

Однако действительная картина на сегодняшний день еще не изучена.

Кроме того, недостаточная эффективность очистки камеры сгорания от остаточных газов приводит к уменьшению порции свежего воздуха и соответственно к появлению непрореагировавших продуктов CH. Чем меньше процент остаточных газов, тем реальней создаются условия полного сгорания смеси в камере цилиндра, так как процесс подачи подготовленной смеси на уровне до впуска в камеру сгорания можно контролировать и регулировать в соответствии с условиями движения автомобиля.

Изобретение направлено на решение задачи нейтрализации окислов азота при сгорании смеси при условии, что двигатель работает в режиме коэффициента избытка воздуха больше единицы, т.е. в условиях, обеспечивающих минимальное содержание токсичных компонентов в выхлопе. Достигаемый при этом эффект заключается в снижении токсичности выхлопа и повышении экологичности двигателя внутреннего сгорания при сохранении параметров его работы близкими к двигателям внутреннего сгорания, работающим со смесями, изменяемыми от бедных до обогащенных.

Достигаемый при этом технический эффект обеспечивается тем, что в способе снижения токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, заключающемся в организации во впускном трубопроводе перемещенной углеводородной топливовоздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха больше единицы, заполнении ею камеры сгорания после выпуска отработавших газов предыдущего цикла, подачи с опережением электрической искры и сгорании смеси с последующим выпуском отработавших газов в выпускной коллектор, при заполнении смесью камеры сгорания последнюю очищают от остаточных газов в период до закрытия выпускного клапана разряжением в выпускном коллекторе за счет эжекторного действия выходящих газов другого цилиндра, работающего в такте выпуска, сгорание смеси производят с добавкой в качестве катализатора железа или меди, а коэффициент избытка воздуха, равный больше единицы, поддерживают на всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания.

Указанные признаки составляют устойчивую совокупность существенных признаков, находящихся во взаимосвязи и достаточных для достижения требуемого технического эффекта.

Так, создание разряжения в выпускном коллекторе обеспечивает в начальный момент впуска свежего заряда в камеру сгорания откачивание остаточных газов, которые не были захвачены инерционным образом отходящими газами. Это позволяет полностью очистить камеру сгорания от остаточных газов и исключить их влияние на впускаемую смесь. Ввиду того, что остаточные газы представляют собой набор токсичных компонентов, использование специальных дополнительных откачивающих средств типа насос и т.д. не приведет к желаемому результату по нейтрализации токсичных компонентов. С этой целью целесообразно разряжение в одном цилиндре создавать за счет эжекции выходящих газов другого цилиндра. Это позволит остаточные газы первого цилиндра смешать с еще достаточно нагретыми газами второго цилиндра и дожечь их либо нейтрализовать общепринятыми средствами.

Полная очистка камеры сгорания от остаточных газов позволяет точно контролировать дозу и качество впускаемой смеси с тем, чтобы введением катализатора преобразовать азота, образующийся в результате реакции распада, в стабильную единицу, удаляемую в атмосферу.

Поддержание коэффициента избытка воздуха на постоянном уровне больше единицы позволяет выдержать стабильность реакции сгорания независимо от нагрузки и режимов работы двигателя с целью обеспечения экологически чистого выхлопа. Естественно, при таких жестких рамках условий двигатель теряет некоторые свои качества, такие, как приемистость, но именно эти качества проявляются двигателем на короткий срок (разгон).

Ввиду иной природы образования окислов азота в двигатель внутреннего сгорания вводится катализатор (железо или медь), в присутствии которого происходит синтез аммиака путем взаимодействия молекул азота и водорода, скорость образования которого прямо зависит от давления и температуры (см. кн. Химия. Пер. с нем. к.х.н. В.А.Молочко и С.В.Крынкиной. М. Химия, 1989, стр. 341). Введение катализатора приводит к нейтрализации процесса связывания азота и кислорода, что снижает вероятность образования окислов азота.

На фиг. 1 показан общий вид выпускной системы двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 зона соединения коллектора с магистралью и цилиндром; на фиг. 3 пример исполнения газодинамического замка; на фиг. 4 часть индикаторной диаграммы, относящаяся к процессу газообмена.

При сгорании обедненной углеводородной топливовоздушной смеси с >1 процесс сгорания проходит медленно и соответственно работа цикла уменьшается, но при этом создаются благоприятные условия для полного сгорания топлива. В результате этого при указанных значениях >1использование теплоты в действительном цикле будет наилучшим, а его индикаторный к.п.д. наивысшим.

Ввиду пониженных температур более ярко выглядит картина неоднородного горения смеси в камере сгорания. При переизбытке воздуха до 20% происходит практически полное сгорание смеси, которое можно выразить в виде следующей реакции: В другой зоне камеры сгорания процесс сгорания проходит по следующей реакции: доля непрореагировавшего топлива.

Ввиду неоднородного заполнения смесью камеры, наличия разницы температур у стенок цилиндра и в зоне подачи искры часть топлива может не прореагировать, что повлечет за собой выброс его в выхлопную систему.

Наличие атомарного кислорода в результате протекания указанных реакций приводит к диссоциации в результате высокой температуры молекул O₂ и N₂ на атомы с образованием окислов азота, организующихся в цепных реакциях следующего типа: O+N₂ NO+N, N+O₂ NO+O. "Затвердение" и необратимость окислов азота, сформировавшихся при высоких температурах, происходит в результате выброса их в выхлопную систему, где температура гораздо ниже. Именно снижение температуры обусловливает "замораживание" в продуктах сгорания при их выхлопе содержащихся в них NO на очень высоком уровне.

Следовательно, блокировка атомного кислорода, а именно части его излишков, не успевающих прореагировать с топливом, нейтрализует цепные реакции по образованию окислов азота. Известно, что в присутствии железа или меди в качестве катализатора происходит связывание атомарного кислорода, приводящее к реализации создания аммиака, который в свою очередь также реагирует с кислородом с образованием воды и N₂.

В этом случае сгорание будет происходить по следующей реакции цепочки: CH₄+0,5O₂_ CO+2H₂+Q CO + O₂ 2CO₂ + Q N₂ + 3H₂ 2NH₃ + Q 4NH₃ + 3O₂ 2N₂ + 6H₂O + Q Таким образом, свободными веществами после реакции являются CO₂, H₂O и N₂.

Таким образом, обеспечивается экологически чистый выхлоп. Однако для решения этой задачи необходимо создание определенных условий, одно из которых касается полной очистки камеры сгорания от остаточных газов или во всяком случае близкой к полной очистке с целью исключения влияния непрореагировавшего топлива на реакции, происходящие в реакторе.

Предлагаемая продувка рабочих цилиндров двигателя внутреннего сгорания рассматривается применительно к четырехтактному двигателю с порядком работы цилиндров 1-3-4-2 (фиг. 1). В основе действия продувки лежит особенность действительного процесса работы двигателя внутреннего сгорания, отраженного на индикаторной диаграмме, относящейся к процессу газообмена (фиг. 4). В действительном цикле выпуск происходит не мгновенно: выпускной клапан открывается в точке 3, т.е. до прихода поршня в н.м.т. и закрывается в точке 4, т. е. после прохода поршнем н.м.т. В точке 3 диаграммы давление газов в цилиндре значительно выше атмосферного (0,3-0,5 МПа) и предварением выпуска (участок 3b) обеспечивают удаление отработавших газов. Вследствие этого к приходу поршня в н.м.т. (точка b) давление в цилиндре оказывается значительно ниже давления конца расширения и на последующее удаление газов при перемещении поршня в н.м.т. затрачивается меньшая работа. В конце выпуска скорость истечения отработавших газов все еще велика (60-100 м/с). Поэтому запаздывание выпуска (участок r4) улучшает очистку цилиндра за счет инерции газов.

Для того чтобы улучшить наполнение цилиндра свежим зарядом, стремятся уменьшить давление в конце выпуска.

Таким образом, видно, что в четырехтактном двигателе имеет место совпадение процессов по времени: открытие выпускного клапана одного цилиндра (участок 3b) процесс выпуска отработавших газов с высокой скоростью и большим давлением и открытие впускного клапана другого цилиндра (участок 1-4) при незакрытом выпускном клапане этого же цилиндра. Если сообщить коллекторы указанных цилиндров между собой, то возможно организовать эжекторное разряжение в коллекторе того цилиндра, который начал впуск свежего заряда, за счет истечения газов в коллекторе цилиндра, начавшего выпуск газов. В этом случае к инерционному процессу выхода продуктов сгорания прибавится эффект отсасывания этих продуктов, приводящих к более глубокой очистке камеры сгорания от остаточных газов.

Для исключения возврата отработавших газов и обеспечения глубокой разрядки выхлопной системы целесообразно использовать газодинамические замки.

Каждый цилиндр двигателя внутреннего сгорания (фиг. 1) связан в зоне выпускного окна с отдельным коллектором 2, через гидродинамический замок 3, сообщенный с отводными каналами 4. Отводные каналы 4 связаны через муфту 5 с выхлопной трубой 6. При этом каждый коллектор 2 сообщен с соответствующим ему коллектором другого цилиндра через магистраль 7. Соответствие связей коллекторов между собой определяется порядком цилиндров. В представленном примере определен следующий порядок: 1-3-4-2. Следовательно, коллектор первого цилиндра сообщен с коллектором второго цилиндра, коллектор третьего цилиндра сообщен с коллектором первого цилиндра, коллектор четвертого цилиндра сообщен с коллектором третьего цилиндра, а коллектор второго цилиндра сообщен с коллектором четвертого цилиндра.

Магистрали 7 направлены на сообщение коллекторов тех цилиндров, в которых по установленному порядку имеет место перекрытие процессов выпуска отработавших газов и впуска свежего заряда.

Каждая магистраль подключена определенным образом. Так, магистраль 7 между первым и вторым цилиндрами связана одним концом с коллектором первого цилиндра в зоне газодинамического замка, а другим в зоне выпускного окна второго цилиндра (фиг. 2).

В месте соединения магистрали 7 с коллектором 2 в зоне выпускного окна выполняется наклонный отражательный щиток 8, образующий участок усеченно-конической формы для увеличения скорости потока отработавших газов с целью создания эжекторного разряжения в магистрали 7.

Коллекторы 2 связаны с отводными каналами через газодинамический замок (фиг. 3), основной задачей которого является открытие канала отвода газов в выхлопную трубу в процессе выпуска отработавших газов и закрытие этого канала при работе цилиндра в режиме других тактов.

Этот клапан (представлен один из возможных вариантов) содержит установленную в канале заслонку 9, смонтированную с возможностью поворота на оси, кинематически связанной (поз. 10) с поршнем 11, установленным в камере 12. Камера 12 сообщена каналом 13 с внутренней полостью коллектора 2. При истечении из цилиндра отработавших газов под большим давлением и с высокой скоростью газ оказывает давление через канал 13 на поршень 11, который перемещается по камере 12 и поворачивает заслонку 9, открывающую проход отработавшим газам.

После падения давления в коллекторе 2 поршень возвращается в исходное положение, в котором заслонка 9 перекрывает канал сообщения с выхлопной трубой. Возврат поршня может быть организован любыми средствами, например пружиной, подачей противодавления или введением разницы в массе между нижней частью заслонки и ее верхней частью с поршнем.

При открытии выпускного клапана первого цилиндра поток отходящих газов с большим давлением и большой скоростью устремляется по своему коллектору в направлении газодинамического замка. Повышение давления в этом коллекторе приводит к открытию канала. В то же время газодинамические замки в других коллекторах перекрывают каналы связи с выходной трубой.

Одновременно во втором цилиндре происходит начало впуска свежего заряда при открытом выпускном клапане. За счет связи коллектора первого и второго цилиндров магистралью 7 происходит разряжение в коллекторе 2 второго цилиндра, которое увеличивает интенсивность отсоса продуктов сгорания из камеры этого цилиндра, одновременно уменьшается давление и в других коллекторах, т. е. третьего и четвертого цилиндров, так как все цилиндры объединены между собой в замкнутую систему.

Указанная система очистки камер сгорания от остаточных газов обеспечивает практически полное очищение камеры от остаточных газов. Более того, глубокое разряжение приводит к завихрению поступающей в камеру бедной смеси, что приводит к улучшению перемешивания смеси, являющемуся важным условием для надежного воспламенения смеси.

Указанная система очистки камеры сгорания от остаточных газов оформлена отдельной заявкой. В то же время возможно использование известных систем очистки камер сгорания, описанных, например, в заявке Великобритании N 2093524, F 02B 27/04, FIB, 1982 г. в заявке Великобритании N 2140503, F 02B 27/04, 1984 или в заявке Великобритании N 1421137, F 02B 27/04, 1976 г.

Для связывания кислорода при реакции синтеза аммиака используется в качестве катализатора железо или медь.

При этом для протекания процесса необходимо наличие температуры выше 450^oC и давления, которые вполне согласуются с условиями протекания процесса сгорания и сжатия в двигателе внутреннего сгорания. В связи с этим возможны варианты введения катализатора в камеру сгорания. Первый установка вставок в зоне подачи искры, выполненных из железа или меди, с тем, чтобы при возгорании смеси с появлением кислорода обеспечить протекание реакции блокировки кислорода. Например, такая кольцеобразная вставка 14 из указанных металлов или сплавов, высокосодержащих указанных компонент, может быть установлена в расточке 15. Конечно, это не самый эффективный способ, так как с течением времени приходится производить замену катализатора. Другой вариант - порционная подача катализатора в камеру сгорания одновременно с подачей смеси. Оба варианта в части своего исполнения не представляют технологических сложностей, так как подача порошкового дозированного катализатора из отдельного сосуда происходит на основе эжекции карбюратора или под принудительным впрыском.

Результаты изменения процесса сгорания и системы очистки камеры от остаточных газов позволяют при использовании обедненных смесей получить при снижении температурной нагрузки минимальное содержание в выхлопе токсичных веществ. Для наглядности следует обратиться к кн. А.Н.Воинова, стр. 233, рис. 123, где показан график концентрации токсичных веществ в отработавших газах бензинового двигателя в зависимости от коэффициента избытка воздуха.

При использовании смеси с >1 и стандартном процессе сгорания выход CO снижается до 0,2-0,3% в предлагаемом практически до нуля, так как имеет место полное сгорание топлива в результате улучшенного смешивания топлива и воздуха при впуске (действие эжекции выхлопной системы).

Концентрация CO₂ в выхлопных газах при >1 увеличивается.

Концентрация CH в режиме обедненных смесей в бензиновых двигателях с хорошо организованными процессами смесеобразования и сгорания обычно составляет на режиме >1 0,04% по объему. Но в случае выполнения условий соотношения по количественному составу топлива и воздуха возможно полное сгорание CH.

При наличии достаточно большого и интенсивной турбулизации или организованного перемешивания рабочего заряда большая часть образовавшихся сажевых частиц успевает сгорать в самом цилиндре в такте расширения. Догорание сажи может продолжаться также и в выпускном тракте.

На фиг. 123 кн. А.Н.Воинова видно, что при увеличении a>1>1 концентрация NO_x увеличивается, так как увеличением атомарного кислорода увеличивается количество образовавшихся NO_x. Но согласно изобретению, введение катализаторов в процесс сгорания приводит к уменьшению выхода этого компонента, переводом его в N₂.

Проведенные исследования на автомобиле АЗЛК-2114 с двигателем УЗАМ показали снижение расхода топлива, но без приращения мощности, снижение температурного режима двигателя в целом и выхлопной системы. Из выхлопной трубы шел густой водяной пар, который конденсировался в виде капель. При этом шли и газы, но даже в закрытом гараже в течение 3 ч можно было дышать, выхлопная труба была холодной, до нее можно было дотрагиваться рукой.

Анализ газов выхлопа показал большое содержание азота.

Изобретение позволяет существенно уменьшить концентрацию токсичных компонентов в отработавших газах, снизить при этом расход топлива и увеличить механический к. п.д. двигателя, так как в результате реакций азота его ионы проникают в моторное масло, посредством которого происходит естественное азотирование поверхностей трения двигателя.

Формула изобретения

Способ снижения токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в организации во впускном трубопроводе перемешанной углеводородной топливовоздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха больше единицы, заполнении ею камеры сгорания после выпуска отработавших газов предыдущего цикла, подаче с опережением электрической искры и сгорании смеси с последующим выпуском отработавших газов в выпускной коллектор, отличающийся тем, что при заполнении смесью камеры сгорания последнюю очищают от остаточных газов в период до закрытия выпускного клапана разрежением в выпускном коллекторе за счет эжекторного действия выходящих газов другого цилиндра, работающего в такте выпуска, сгорание смеси производят с добавкой в качестве катализатора железа или меди, а коэффициент избытка воздуха больше единицы, поддерживают на всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4