專利名稱：內(nèi)燃機廢氣凈化裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種廢氣凈化裝置，該裝置尤其適合于各種類型的內(nèi)燃機，不管是柴油發(fā)動機，四沖程發(fā)動機，還是渦輪發(fā)動機。更具體地說，涉及一種汽車廢氣凈化裝置，它可消除來自內(nèi)燃機排氣歧管較大百分率的有害氣體。
眾所周知，內(nèi)燃機產(chǎn)生大量有害氣體，如一氧化碳和二氧化碳，氮氧化合物，碳?xì)浠衔?，顆粒物，黑煙等，只要這些物質(zhì)排出，就會污染大氣。因此，有許多城市由于眾多的車輛流量及其所在地區(qū)地勢，給當(dāng)?shù)鼐用駧砀叨任ｋU的污染程度，如同墨西哥域聯(lián)邦區(qū)或智利圣地亞哥情況那樣。
這就是為什么出現(xiàn)要在汽車上安裝催化劑和其他廢氣凈化裝置，而不是實際需要的其它可能的方法，以便把發(fā)動機所排廢氣的污染程度減少到最低水平。
大多數(shù)已知技術(shù)的廢氣凈化裝置包括前凈化裝置和凈化裝置，前者處理一氧化碳，后者則貯存和處理氮氧化合物。大多數(shù)這種裝置能夠最大程度地減少高度污染的氣體，如HC、CO2、CO等。
在現(xiàn)有技術(shù)中，已有數(shù)種廢氣凈化裝置。例如，下面的美國專利僅是作這種用途的裝置的示例，其中有美國專利第6.342.192號；美國專利第6.340.066號；美國專利第6.338.244號；美國專利第6.338.243號。
但這些專利沒有一個達(dá)到本發(fā)明所提出的目標(biāo)；通過廢氣流分層處理裝置來凈化氣體，而不用采取阻塞氣體排出的措施。實際上，本發(fā)明已達(dá)到如下所述效果之一是，發(fā)動機功率增強，耗油量減少。實驗證明，所述功率的提高從根本上是由于上述廢氣分層處理的結(jié)果。廣為人知的是阻塞廢氣排出直接影響到發(fā)動機性能，而且傳統(tǒng)的催化劑放入過濾元件會造成湍流，阻塞氣體排出。
所以，本發(fā)明不像以前技術(shù)那樣放任何元件，如催化劑，貴重礦物蜂窩狀結(jié)構(gòu)，以留住污染顆粒，而大多數(shù)以前技術(shù)所提解決方法中卻是如此。
推薦的解決方法主要特點是分層處理來自發(fā)動機的氣流，推薦的裝置中沒有一個零件直接阻塞廢氣排出通路，而是將其分層，把具有不同物理/化學(xué)特性的污染氣體與非污染氣體分離并排除，這樣就將廢氣凈化，下面將予以詳述。
推薦的廢氣凈化裝置能減少有害氣體排放物，中和煙氣。它利用那些未燃燒的氣體(HC，CO2，CO)，將其與一般氣流分開，作為進(jìn)氣流體送到發(fā)動機，這樣就使耗油量減少，發(fā)動機功率增強。該裝置是這樣設(shè)計的，即通過改進(jìn)氣體流過的管道截面，調(diào)整其溫度下的速度，從而改變氣流的物理特性。
該裝置不含可活動件，即沒有電氣元件和/或電子器件，也沒有任何其他阻塞普通氣流的機件，因此無需任何維護(hù)。
本裝置適合各種類型的汽車，如轎車，廂式汽車，商用汽車，輕型和重型貨車，客車，農(nóng)業(yè)機械，筑路機械等。
按照著名的發(fā)動機檢驗中心完成的實施例，廢氣中的HC含量顯著減少，在某些情況下，從10ppm降到2ppm，而不必在發(fā)動機中作任何調(diào)整或改進(jìn)。
而且，煙氣量降低至0.04％，或CO值低到0％，或CO2值低到1.3％，均為體積百分?jǐn)?shù)。
基本上，本發(fā)明主要包括廢氣凈化裝置，該裝置有一靜室，來自發(fā)動機的氣體通過該室，在這里氣體膨脹形成渦流，而后氣體進(jìn)入定中心器—乳化器—擴(kuò)散器組件，然后是氣體分層管，帶通向發(fā)動機氣體回收出口的湍流室，最后是最終排氣管。
本發(fā)明還包括內(nèi)燃機廢氣處理方法，主要包括以下步驟—引導(dǎo)來自內(nèi)燃機排氣歧管的廢氣，并使廢氣在靜室內(nèi)快速膨脹；—使氣流經(jīng)過第一傳統(tǒng)過濾過程；—離開濾清器的氣流產(chǎn)生沖擊，使氣流中存在的顆粒物與水汽分離且產(chǎn)生被分流供以后處理的CO；—迫使剩余氣流通過水平細(xì)長孔和第二傳統(tǒng)濾清器；—離開濾清器的氣流速度加快，兩股冷空氣流被噴射，分流部分位于氣流外部部分內(nèi)的熱氣體以便以后處理；—未分流的剩余外部氣流與步驟c)和e)內(nèi)的其余已經(jīng)分流的污染氣體一起進(jìn)行分流，回到發(fā)動機進(jìn)氣歧管；—剩余的未分流的氣流離開裝置。
圖2a同樣是本裝置第一部分的部件透視分解圖，表示靜室，碳粒凈化板，濾清器和充滿顆粒的污染氣體收集和排出裝置。
圖2b是本裝置中部另一總透視圖，該部分包括氣流冷卻進(jìn)氣口，污染氣體分流管和圓錐體，以其相應(yīng)分流葉片造成湍流。
圖2c是本裝置最終部分另一透視圖，該部分包括湍流室，霧化器筒和排氣消聲器。
圖3a是

圖1剖面線111a-111a的剖面圖。
圖3b是圖1剖面線111b-111b的剖面圖。
圖3c是圖1剖面線111c-111c的剖面圖。
圖4是圖3c剖面線IV-IV的剖面圖。
圖5是最終排氣管或排氣消聲器的側(cè)視圖，表示端部截面逐漸聯(lián)接湍流室。
圖6是擴(kuò)散器橫斷面圖，該擴(kuò)散器與三根引導(dǎo)污染氣體的分流管合成一體。
圖7是霧化器筒側(cè)視圖，該氣缸安裝在再次明確將污染氣體導(dǎo)向發(fā)動機之前。
最后，圖8是關(guān)閉湍流室的展開板側(cè)視圖。
本裝置第一處理階段是靜室(3)，在該室發(fā)生氣體膨脹、減壓和渦流。
已經(jīng)減壓的氣流離開靜室(3)，首先流向傳統(tǒng)濾清器(4)，然后是分離板(5)。該板(5)(見圖2a)包括頭板(5a)，氣體導(dǎo)管(5b)和鎖止板(5c)。緩沖板(5a)設(shè)有中心孔(6)，氣流通過該孔，還有數(shù)個孔(7)，通過螺釘(8)和螺母(9)將板(5)固定在靜室(3)的螺紋孔(3’)上，在中心孔(6)周圍還有若干小孔(9)，另有兩個導(dǎo)向法蘭(11)，環(huán)繞孔(6)上部，并一起終止在節(jié)點(10)的地方。當(dāng)氣體沖擊板(5’)時，產(chǎn)生幾種效果，有部分顆粒物留在孔(9)里。在緩沖板(5a)與鎖止板(5c)、法蘭(11)和外導(dǎo)管(12)之間，出現(xiàn)一個室，該室中有2種結(jié)果發(fā)生一方面，中心氣流將繼續(xù)通過孔(6’)向外流出，和進(jìn)氣孔(6)一樣，同時，從孔(9)內(nèi)的氣體中含的水汽中以及從污染氣體中分出的部分顆粒物，通過導(dǎo)向件(11)導(dǎo)向?qū)Ч?14)的進(jìn)氣孔(13)。從靜室(3)來的氣體沖擊板(5a)，氣體中所含大部分的顆粒物會被引導(dǎo)通過孔(9)。氣體一旦通過孔，氣流本身就從外區(qū)導(dǎo)向?qū)к?11)，而導(dǎo)軌又將氣體導(dǎo)向排氣口(10)，并從這里，再導(dǎo)向孔(13)、導(dǎo)管(14)。按照完成的實施例，下面將接著予以詳述，在這一階段，氣體損失速度，又降低其溫度，而氣流中所含其他污染氣體，如氮氧化合物也經(jīng)歷與顆粒物一樣的處理。
在板(5)端部，通過孔(6’)離開的氣體流向另一濾清裝置(4)，該裝置實際上位于小室(15)內(nèi)，該室所構(gòu)成的裝置叫做氣體調(diào)諧器。該裝置包括第一部分，該部分的截面與部分(3’)相同，氣體排入構(gòu)成進(jìn)氣漏斗(16)的窄路，而進(jìn)氣漏斗則結(jié)束在環(huán)型中心管(17)。這種固定截面的變化會帶來氣流動態(tài)變化，以便在其中不同氣體中產(chǎn)生層狀分離。雖然這種簡單過程不會使各種氣體完全分成不同層流，但會產(chǎn)生“富”含某種氣體的層流，并在對每一層流單獨處理后，有可能減少(決不會完全消除)一些自發(fā)動機來的污染氣體。
一旦氣體離開位于小室(15)的濾清裝置(4)，便流向擴(kuò)散管(17)，該管有數(shù)個槽口(17’)，通過這些槽口引導(dǎo)部分氣體，然后再引導(dǎo)氣體通過兩根分流管(18-19)。一旦氣流通過錐形部(16)，氣流加速，便排入圓筒形定中心化器(20)；該定中心器有兩個進(jìn)氣口，其中第一個進(jìn)氣口是橫截面導(dǎo)管(21)，以便使新鮮空氣進(jìn)入，并與文丘里狀變窄截面(23)相對應(yīng)，該截面上面有第二個新鮮空氣進(jìn)氣導(dǎo)管(22)。第一導(dǎo)管(21)為金屬管，它穿過同軸裝在定中心器(20)中的管(24)，而新鮮空氣噴入其前方的氣流中間(詳見圖3b)。同時，流體連通進(jìn)氣口(22)，構(gòu)成第二進(jìn)氣口(22)，而環(huán)形件(27)外孔(26)形成參考編號(27)文丘里狀零件，輸入新鮮空氣的所述導(dǎo)管(21-22)外端蓋有防護(hù)網(wǎng)(25)，以防止外來顆粒與空氣一起過濾。
進(jìn)入氣流中心的新鮮空氣使熱氣(污染較重的)停留在外區(qū)周圍，而中心則保持富含氧的氣體。氣流剛離開定中心器(20)，便流向引導(dǎo)較熱氣體(污染的)的分流導(dǎo)管(28-29-30)，以便后期處理。同時，其余的氣流繼續(xù)它的流程，通過圓筒導(dǎo)管(31)，排入湍流室(32)。中心導(dǎo)管(31)包括端部(31’)，發(fā)動機氣口(34)，該氣口與所裝有幾個葉片(36)的固定“渦輪機”(35)相對應(yīng)。因此，導(dǎo)管(31)引導(dǎo)的氣體部分分流通過所述發(fā)動機氣口，流向湍流室(32)，而其余的氣體則繼續(xù)流向排氣口消聲器(40)。
上述湍流室(32)有一第一圓錐體(33)，錐體上另有三根前述的管(28-30)，其中有熱污染氣體排出。也就是說，先前分離的所有污染氣體排至湍流室(32)。而且，來自擴(kuò)散器(38)的導(dǎo)管(37)氣體通過所述湍流室，象上述湍流室(見圖4)的氣體一樣也排入霧化汽缸(39)，所有前述的分流導(dǎo)管(14、18和19)氣體都排入擴(kuò)散器。因此，所有與來自發(fā)動機中心氣流分離的不同氣流都流到所述霧化器，其中有一部分通過導(dǎo)管(37)，其余的則通過湍流室。該霧化器筒(39)設(shè)有外冷卻片(39’)，進(jìn)行散熱，而中心通路(41)(見圖7)則按照圖4所示氣流線路進(jìn)行再循環(huán)，圍繞中心通路有數(shù)個通孔(42)，來自導(dǎo)管(37)的氣體從中通過。一旦氣流離開霧化器筒(39)，便通過導(dǎo)管(43)流出裝置，再次流向發(fā)動機，以便加入其進(jìn)氣氣流，事實上，再循環(huán)廢氣流向發(fā)動機，象進(jìn)氣一樣是為減少污染氣體排放物，這是工業(yè)上廣泛利用的資源。這種資源具有不影響發(fā)動機運轉(zhuǎn)的合理限制，并且與本裝置一起進(jìn)行的現(xiàn)場試驗表明(見試驗部分)，發(fā)動機不但未受影響，相反還達(dá)到功率增大、耗油量減少的效果。
本裝置在細(xì)長空心圓筒形孔組成的消聲器(40)結(jié)束，該孔與同軸內(nèi)管(44)的端部(40’)相對應(yīng)，同軸管則與中心導(dǎo)管(31)延續(xù)部分結(jié)合一起，并通過螺釘(45)聯(lián)接湍流室(32)。非常靠近所示螺釘(45)，消聲器有孔(46)，以便使新鮮空氣進(jìn)入內(nèi)部，然后，最終氣流通過排氣口(47)排出。
從上述說明中，可以看出，從發(fā)動機來的氣流路徑如下從發(fā)動機開始，氣流通過排氣歧管到進(jìn)氣口(2)，由此進(jìn)入靜室(3)，從中產(chǎn)生膨脹。氣流經(jīng)過濾清器(4)，沖擊板(5)，在這里一部分氣流通過排氣口(6’)，另一部分氣流則分流通過導(dǎo)管(14)，流向擴(kuò)散器(38)。
在板(5)后，氣流進(jìn)入小室(15)，一部分氣流在此分流，通過導(dǎo)管(18-19)流向擴(kuò)散器(38)，而其余部分則流到定中心器(20)。
在那里，氣流開始接觸從進(jìn)氣口(21和22)來的外部冷空氣，產(chǎn)生分層氣流，中心富含氧，邊緣則富含CO和其他污染氣體。其中一部分氣流通過管(37)被引導(dǎo)到霧化器(39)，當(dāng)氣流進(jìn)入管(31)時，管壁上其余的污染氣體通過管(28-30)被引導(dǎo)到霧化器(39)，首先排入有葉片(36)產(chǎn)生湍流的湍流室(32)，然后再引導(dǎo)到霧化器(39)。因此，其余通過管(31)循環(huán)，而不通過管(28-30)引導(dǎo)的氣流則被引導(dǎo)到消聲器(40)，并從這里排出。現(xiàn)場試驗為了分析本裝置在實際發(fā)動機上的實效，阿根延共和國國家通用技術(shù)(Universidad Tecnologica Nacional)工程部曾負(fù)責(zé)進(jìn)行了數(shù)次試驗。所得出的結(jié)論如下—氮氧化合物排放少；—碳?xì)浠衔锱欧派?；—顆粒物排放少。
在發(fā)動機試驗臺進(jìn)行試驗時，氮氧化合物的含量顯著減少(25％)，而在車中其濃度則降低46％以下。同樣，顆粒物含量減少63％，碳?xì)浠衔锱欧艥舛冉档?0％。
最后，本方法主要包括以下步驟—引導(dǎo)來自內(nèi)燃機排氣歧管的廢氣，并使其在靜室快速膨脹；—使氣流接受第一次傳統(tǒng)過濾過程；—離開的氣流對帶中心孔的金屬板產(chǎn)生沖擊，這樣就造成氣流中存在的部分顆粒物與水汽和分流的CO分離，且產(chǎn)生CO供以后處理；—迫使剩余氣流通過板的水平細(xì)長孔，再通過第二傳統(tǒng)濾清器；—離開濾清器的氣流速度加快，并噴射兩股冷空氣氣流，分流一部分位于氣流外部的熱氣，準(zhǔn)備后期處理；—剩余的未分流氣流的外部部分和其余在階段c)和e)過程中已分流的污染氣體一起共同分流，以便回到發(fā)動機進(jìn)氣歧管；—剩余未分流的氣流離開裝置。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機廢氣凈化裝置，該裝置包括從發(fā)動機排氣歧管引導(dǎo)氣體的導(dǎo)管，并將氣體噴入所述裝置，其特征在于該裝置包括，首先是一個氣體在其中膨脹的靜室，然后，是第一標(biāo)準(zhǔn)濾清器，一個緩沖板，然后是一個第二濾清器，再后是定中心器—擴(kuò)散器組件，在這里，氣流與兩股外部的冷空氣氣流接觸，部分污染氣體被導(dǎo)入湍流室，從該室氣體作為進(jìn)氣被送入發(fā)動機，剩余氣流被排入終止在霧化器的管內(nèi)，再從這里進(jìn)入排氣管；所述湍流室包括一發(fā)動機氣口部分，該氣口部分把氣流排入固定葉片，氣體在此膨脹，并被導(dǎo)入霧化器，該霧化器包括一個返回進(jìn)入發(fā)動機的氣體回收出口。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機廢氣凈化裝置，其特征在于所述緩沖板包括一細(xì)長孔，該板水平布置以引導(dǎo)中心氣流和數(shù)個包著在中心的細(xì)長孔的外孔。
3.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機廢氣凈化裝置，其特征在于該裝置在第一緩沖板和第二濾清器之后包括一個與上述緩沖板相同的第二緩沖板。
4.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機廢氣凈化裝置，其特征在于所述定中心器包括有一筒體，該筒體又包括一通向外部的橫截面管，該管噴射第一冷空氣氣流，以及一個用于噴射第二冷空氣氣流的外孔的環(huán)。
5.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機廢氣凈化裝置，其特征在于該裝置在定中心器之后包括一個管，該管包括三根向湍流室分流氣流的外部氣體的發(fā)送管。
6.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機廢氣凈化裝置，其特征在于以下步驟—引導(dǎo)來自內(nèi)燃機排氣歧管的廢氣，并使其在靜室迅速膨脹；—使氣流經(jīng)過第一傳統(tǒng)過濾過程；—對離開濾清器的氣流產(chǎn)生沖擊，該濾清器包括一個帶細(xì)長中心孔的金屬表面和數(shù)個外孔，該外孔使氣流中所含部分顆粒物與水汽分離，并產(chǎn)生被分流供以后處理的CO；—迫使剩余氣流通過板的水平細(xì)長孔，和通過第二傳統(tǒng)的濾清器；—離開濾清器的氣流速度加快，且兩股冷空氣氣流被噴射，分流部分位于氣流外部的熱氣體，用于以后處理；—剩下的未分流氣流的外部部分與其余在階段c)和e)過程中已分流的污染氣體一起共同被分流以便回到發(fā)動機進(jìn)氣歧管；—剩余的未分流氣流離開裝置。
7.如權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃機廢氣凈化方法，其特征在于在階段a)氣體減壓，并在靜室產(chǎn)生渦流。
8.如權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃機廢氣凈化方法，其特征在于在階段c)，氣體速度和溫度降低。
9.如權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃機廢氣凈化方法，其特征在于在階段e)，把第一外部冷空氣氣流在出發(fā)的方向上被噴射到氣流中心，然后再將第二冷空氣氣流混到周圍通道內(nèi)的氣體。
10.如權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃機廢氣凈化方法，其特征在于在階段f)污染氣體與上述階段的原始?xì)饬鞣蛛x且被引導(dǎo)到霧化器筒，然后作為進(jìn)氣送到發(fā)動機。
11.如權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃機廢氣凈化方法，其特征在于在階段f)各種氣體在消聲器內(nèi)排放，在此，它們被噴射以冷空氣氣流來降低其溫度，然后最終排出。
全文摘要
一種內(nèi)燃機廢氣凈化裝置,這種裝置有一導(dǎo)管,引導(dǎo)自發(fā)動機排氣歧管來的氣體,并將其噴入裝置,其特征在于:該裝置有一靜室(氣體在此膨脹),其后是第一標(biāo)準(zhǔn)濾清器,緩沖板,接著是第二濾清器,而后是定中心器—擴(kuò)散器組件,在該組件,氣流與兩股外部冷空氣氣流接觸,一部分污染氣體被導(dǎo)入湍流室,從該室氣流作為進(jìn)氣被送入發(fā)動機,被排入管中的殘余氣流在霧化器結(jié)束,從這里進(jìn)入排氣管;所述湍流室有一發(fā)動機氣口部分,它將氣體排入固定葉片,氣體在此膨脹,再導(dǎo)入霧化器,該霧化器有一氣體回收排氣口,使氣體返回發(fā)動機。
文檔編號F02M25/07GK1385598SQ0211977
公開日2002年12月18日 申請日期2002年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月16日
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