內燃機廢氣淨化消聲器的製作方法

2023-10-24 17:58:27 3

專利名稱：內燃機廢氣淨化消聲器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種內燃機廢氣淨化消聲器，特別是涉及能大大提高內燃機廢氣淨化率、不用外接動力，並且適用於車輛的內燃機廢氣淨化消聲器。
背景技術：
目前，眾知的內燃機廢氣淨化消聲裝置主要採用貴金屬二元、三元催化淨化裝置。此裝置對發動機的燃空比有很高的要求，對發動機的點火時間、燃油有較高的要求，其價格昂貴，且很難進一步提高廢氣淨化率。
現有的二次補氣裝置是採用空氣泵將空氣壓到發動機排氣口位置，使新鮮空氣和廢氣中的CO、CHX混合併利用廢氣的餘溫使廢氣二次燃燒。這種裝置大大提高了廢氣淨化率，但它也有明顯的不足(1)它需要外接動力，增加能耗；(2)增加氣泵動力機等外設，提高成本；(3)無法根據需要準確提供補氣量，因汽車是變工況的，廢氣是脈衝排放的，連續且等量的補氣不能做到廢氣和空氣的均勻混合；(4)當發動機排氣溫度較低時不能正常燃燒，影響淨化效果。
另外本發明的發明人也曾想到採用收縮管道引射技術，產生負壓將空氣引入進行二次燃燒。設想這樣即可以省掉氣泵、動力機等外設又可以節省動力能耗。我們知道淨化燃燒室內的壓力一定高於環境壓力，要實現引入空氣的目的，就必須要創造低於環境壓力的工作條件。根據空氣動力學理論，收縮管技術只能將氣體流速增加到臨界狀態，即工作在亞聲速階段。氣流在收縮噴管中降壓、膨脹、加速是有限的，因為外界壓力P小於臨界壓力P*，即，P＜P*或PP0P*P0]]>(P0為滯止壓力，這裡指廢氣進入收縮噴管前的壓力)時的流動氣流稱為欠膨脹氣流，到出口斷面時其壓力只能降到臨界壓力P*，因此，PP0P*P0]]>時，用收縮噴管等於浪費了用能，由P*→P所代表的能量未得到利用，不可能在噴管中加速到聲速以上。因此也不可能在噴管中降低到臨界壓力P*以下。噴管中的廢氣進入燃燒室後迅速減速增壓，其壓力高於環境壓力。其結果是不但不能完成將空氣引入，還將造成廢氣從引氣管反向排出。經試驗，用此種方法，引氣管由於廢氣反排被燻成黑色。

發明內容
為了克服現有淨化器的上述不足，本發明的目的是提供一種內燃機廢氣淨化消聲器，該內燃機廢氣淨化消聲器可以大大提高廢氣淨化率；它利用廢氣自身的能量工作，不需要外接動力，並能自動按照廢氣脈衝式排放的排放量的大小完成補氣。
本發明充分運用廢氣的動能和熱能，利用其物理化學作用使廢氣達到分子層面的充分均勻混合，完全淨化燃燒。
本發明為實現空氣引入、混合、增壓、增溫、自動控制空氣引入比例、充分穩定燃燒淨化等功能，採用超聲速設計，引入拉瓦爾管技術。
要想完成氣流從亞聲速向超聲速跨越，並使氣流壓力低於臨界壓力P*和環境壓力P，再從超聲速向亞聲速轉變，並使氣流壓力增高至環境壓力以上。空氣動力學原理告訴我們，單純只用收縮管或擴張管是無法實現的。亞聲速加速中，速度增加的相對變化是大於密度減小的相對變化量，速度增加是主要的，因而面積必隨速度增加而減小。超聲速加速中，速度增加的相對變化是小於密度減小的相對變化量。密度減小是主要的因而面積必隨密度減小而增大。這就是亞聲速和超聲速氣流存在著本質差別的物理原因。本發明採用能夠使氣流從亞聲速連續加速減壓到超聲速，或能夠使超聲速氣流連續減速增壓到亞聲速的裝置，即拉瓦爾噴管，它是由收縮段、喉部及擴張段組成的。
用兩段拉瓦爾管和一段水平管組成射流腔，採用環形引射方案，利用拉瓦爾管的超聲速特性，使臨界狀態的氣流通過環狀喉部後在擴張管內連續加速、減壓，在腔內製造強負壓環境將空氣引入，利用脈衝超聲速廢氣的強大動能與空氣在負壓腔內形成混合氣體(空氣的引入與脈衝廢氣的頻率和流速成正比)，超聲速混合氣體流經水平管後進入第二個拉瓦爾管，利用拉瓦爾管的亞聲速特性，使超聲速氣流連續減速、增壓，氣流流出噴管後在燃燒室內達到溫度最大值。這樣能充分利用廢氣的動能和熱能，達到兩種氣體分子層面充分混合，在發動機變工況工作的全過程中保證按比例準確地自控引氣並穩定燃燒，並將氣流損失減到最小。引入超聲技術是解決自控引氣、增溫、增壓、燃燒的核心技術。
本發明提供一種內燃機廢氣淨化消聲器，具有淨化消聲器外殼、廢氣進氣管、燃燒室，和消聲室；其特徵在於所述內燃機廢氣淨化消聲器還設置了空氣進口、熱空氣進氣管和引射腔；燃燒室具有燃燒室外殼和燃燒室內膽，燃燒室外殼和燃燒室內膽之間具有空氣預熱層，空氣進口通過所述空氣預熱層與熱空氣進氣管連通；在所述淨化消聲器外殼與所述燃燒室外殼之間具有夾層；在燃燒室與廢氣進氣管一側的淨化消聲器外殼的端面之間，具有用來排出經燃燒的混合氣體的排出口。


圖1是本發明的內燃機廢氣淨化消聲器的截面圖。
圖2是表示本發明的內燃機廢氣淨化消聲器的引射腔部分的局部簡圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1中，1表示廢氣進氣管、2表示熱空氣進氣管、3表示熱空氣出口、4表示淨化消聲器外殼、5表示燃燒室外殼、6表示燃燒室內膽、7表示水平管、8表示後收縮管、9表示後拉瓦爾管喉部、10表示後擴張管、11表示空氣進口、12表示渦輪、13表示二元催化劑層、14表示微孔板、15表示消聲管、16表示淨化消聲器外殼的端面、17表示環狀喉部截面微調絲扣、18表示前收縮管、19表示前拉瓦爾管喉部、20表示前擴張管、21表示淨化消聲器外殼4和燃燒室外殼5之間的夾層、22表示燃燒室、23表示排出口、24表示空氣預熱層。
圖2中，25表示由所述後收縮管8、後拉瓦爾管喉部9和後擴張管10組成後拉瓦爾管；26表示由所述前收縮管18、前拉瓦爾管喉部19和前擴張管20組成前拉瓦爾管；27表示由前拉瓦管26、水平管7和後拉瓦爾管25組成引射腔。
在圖1和圖2中，熱空氣進氣管2套裝在廢氣進氣管1內，熱空氣進氣管2的熱空氣出口3的一段縮口呈現一個角度，與前拉瓦爾管喉部19形成一環形出口喉道；其喉道截面可根據發動機排量參數、通過調整環狀喉部截面微調絲扣17伸縮喉部位置進行無級調整；廢氣經廢氣進氣管1由熱空氣進氣管2與前拉瓦爾管喉部19形成的環狀出口喉道以脈衝方式衝出；在前擴張管20與熱空氣進氣管2之間形成一個環形擴張截面，臨界狀態下的廢氣沿逐漸擴大的流線截面迅速膨脹減壓進入超聲速狀態，由此在引射腔27內產生強烈負壓區。
外界空氣經空氣進口11、由燃燒室外殼5和燃燒室內膽6形成的空氣預熱層24和熱空氣進氣管2被吸入引射腔27，並且與廢氣產生混合；由於兩種氣體的初速相差極大，必然形成其分子層面的強烈碰撞，並產生很大的動能，同時也利用了熱氣體自身的自振(一種物理現象)，使得兩種氣體得以充分混合。超聲速混合氣經水平管7進入後收縮管8，沿逐漸縮小的流線截面連續減速、增壓、增溫進入亞聲速狀態。經後拉瓦爾管喉部9進入擴張管10沿逐漸擴大的流線截面繼續減速、增壓、增溫後噴向裝於燃燒室22的底部的渦輪12，經渦輪12的氣流導向葉片(未圖示)產生沿燃燒室內膽6旋轉的氣流，使氣體混合更均勻。
由於外界空氣經過空氣預熱層24，自身溫度已達幾百度，在幾種能量的同時作用下就營造了一個很好的起燃環境，使燃燒溫度進一步提高。
混合氣體在燃燒室內膽6中得到充分的反應時間，然後由設置在燃燒室22與廢氣進氣管1一側的淨化消聲器外殼4的端面16之間、用來排出經燃燒的混合氣體的排出口23，從燃燒室22排出後轉向，沿淨化消聲器外殼4和燃燒室外殼5之間的夾層21(燃燒室內膽6本身也是消聲器的組成部分)，例如，經二元催化劑層13、以及由消聲管15和微孔板14組成的消聲室、在淨化並消聲後的狀態下排入大氣。
外界大氣可取自未圖示的空氣濾清器(也可另加空氣過濾裝置)，由軟管引至空氣進口11。為了保證燃燒室22的殼體受熱均衡，還可在空氣預熱層24內安裝未圖示的氣道；空氣經過氣道均勻流過空氣預熱層24、進入熱空氣進氣管2，從而被引入引射腔27內與廢氣反應。
工作時燃燒室22內的溫度將高達800℃～1200℃(NOX氣體的凍結溫度為1250℃以上，因此不會產生新的NOX氣體)。
空氣預熱層的另一個作用是冷卻燃燒室22的殼體，使其不會在高溫環境下變形損壞。
為了減少發動機背壓，使發動機汽缸掃氣順暢，提高發動機輸出功率，發動機排氣口處也可以採用擴張管與主排氣管以並聯方式連接，從而可以利用擴張管的引射作用，提高掃氣效率，控制發動機背壓。另外也可以將主排氣管截面減小，這樣可以減少排氣管貯氣容量、提高脈衝壓力、提高噴流速度、增加氣體動能，並且可以巧妙利用汽缸內自循環的廢氣增加燃氣熱容量，有效控制NO氣體的產生，建立良好淨化基礎。
以上舉例說明了本發明的實施方式，但本發明的內燃機廢氣淨化消聲器並不限於這些實施例，在本發明的宗旨上可以進行各種變形。例如，在實施例中說明了將燃燒室部分與消聲室部分組合在一起的情況，但是，也可以單獨由燃燒室部分構成本發明的廢氣淨化消聲器；由於燃燒室本身就是一種反射式消聲室，所以其本身也具有消聲的功能。
如上所述，本發明利用汽車發動機排出的脈動、高壓氣體經熱空氣出氣管和擴張管組成的環狀喉管通道，經拉瓦爾管擴張管增速，以超聲速噴出，在引射腔內產生強烈的負壓將空氣吸入。此時廢氣和空氣的流速差極大，兩種氣體分子在分子層面產生強烈碰撞並充分混合，在第二段拉瓦爾管連續減速、增壓、增溫後，混合氣體在高溫(570K以上)的作用下產生強烈的自振動能，而且溫度越高動能越大(這是一種氣體物理現象)，在上述二種物理作用下，廢氣中的未燃盡氣體CO、CHX在空氣中氧氣的助燃下開始再燃燒(由於空氣引入前已經過預熱，此時的溫度已有530K～750K，極為有利於建立燃燒環境)，高溫氣流流經渦輪的氣流導向葉片後產生旋轉，進一步確保了燃燒的均勻性和穩定性，這裡渦輪還有另外一個作用，既它有一定的熱容量，當排放氣體溫度變化時，能確保燃燒的連續，經燃燒室的減速、增壓、增溫、燃燒，充分保證了反應時間和效果。
內燃機廢氣中的NOX不是燃燒未盡的中間物質，它是發動機在富氧、高溫及有足夠維持時間的狀態下由空氣中的N2、O2反應產生的物質，它的排放形式主要是NO，遇到補進的空氣後變成NO2(現有裝置NO只有在排入大氣後與空氣反應變成NO2)，NO2溶於水，由於CHX物質與空氣反應燃燒後變成水和CO2。這樣在燃燒室消聲室及排氣管中就給NO2溶於水創造了有利條件，反應後的氣體經燃燒室與廢氣進氣管一側的淨化消聲器外殼的端面之間的排出口排出，經二元催化劑層、經敷有微孔板的消聲室，將XO、HCX的殘餘部分徹底淨化後排到大氣。該裝置的另一個特點是，空氣的進氣量隨廢氣的排氣量自動調節，能在幾乎所有工況條件下做到最佳氣體混合比例。
本發明的直接效果是，它能有效提高對CO、HCX、NOX有害氣的淨化率，壽命長、結構簡單、補氣自控(調諧)準確，氣體能量利用率高，無外設無外加動力、成本低。
權利要求
1.一種內燃機廢氣淨化消聲器，具有淨化消聲器外殼(4)、廢氣進氣管(1)、燃燒室(22)，和消聲室；其特徵在於所述內燃機廢氣淨化消聲器還設置了空氣進口(11)、熱空氣進氣管(2)和引射腔(27)；所述燃燒室(22)具有燃燒室外殼(5)和燃燒室內膽(6)，所述燃燒室外殼(5)和所述燃燒室內膽(6)之間具有空氣預熱層(24)；所述空氣進口(11)通過所述空氣預熱層(24)與所述熱空氣進氣管(2)連通；在所述淨化消聲器外殼(4)與所述燃燒室外殼(5)之間具有夾層(21)；在所述燃燒室(22)與所述廢氣進氣管(1)一側的所述淨化消聲器外殼(4)的端面(16)之間，具有用來排出經燃燒的混合氣體的排出口(23)。
2.如權利要求1所述的內燃機廢氣淨化消聲器，其特徵在於所述引射腔(27)由前拉瓦爾管(26)、水平管(7)和後拉瓦爾管(25)依次連接組成；所述前拉瓦爾管(26)由前收縮管(18)、前拉瓦爾管喉部(19)和前擴張管(20)構成；所述後拉瓦爾管(25)由後收縮管(8)、後拉瓦爾管喉部(9)和後擴張管(10)構成。
3.如權利要求1所述的內燃機廢氣淨化消聲器，其特徵在於所述熱空氣進氣管(2)的熱空氣出口(3)的內壁呈拉瓦爾管形狀。
4.如權利要求1所述的內燃機廢氣淨化消聲器，其特徵在於由所述熱空氣進氣管(2)與所述前拉瓦爾管喉部(19)形成的環狀出口喉道的截面積連續可變。
5.如權利要求1所述的內燃機廢氣淨化消聲器，其特徵在於可以將經預熱的空氣或是未經預熱的空氣，引入組成所述引射腔(27)的所述前拉瓦爾管(26)和所述水平管(7)的任何一個部位。
6.如權利要求1所述的內燃機廢氣淨化消聲器，其特徵在於在所述燃燒室夾層(24)中設置氣道。
7.如權利要求1-6中的任一項所述的內燃機廢氣淨化消聲器，其特徵在於在所述燃燒室內設置具有氣流導向葉片的渦輪裝置。
8.如權利要求1-6中的任一項所述的內燃機廢氣淨化消聲器，其特徵在於所述內燃機廢氣淨化消聲器還具有二元催化層。
9.如權利要求1-6中的任一項所述的內燃機廢氣淨化消聲器，其特徵在於所述消聲室由消聲管(15)和微孔板(14)組成，所述微孔板(14)設置在所述消聲管(15)內。
10.如權利要求1-6中的任一項所述的內燃機廢氣淨化消聲器，其特徵在於在所述淨化消聲器外殼(4)與所述燃燒室外殼(5)之間設置微孔板(14)。
全文摘要
本發明的內燃機廢氣淨化消聲器具有淨化消聲器外殼、廢氣進氣管、燃燒室和消聲室；所述內燃機廢氣淨化消聲器還設置了空氣進口、熱空氣進氣管和引射腔；所述燃燒室具有燃燒室外殼和燃燒室內膽，所述燃燒室外殼和所述燃燒室內膽之間具有空氣預熱層，所述空氣進口通過所述燃燒室夾層與所述熱空氣進氣管連通；在所述淨化消聲器外殼與所述燃燒室外殼之間具有夾層；在所述燃燒室與所述廢氣進氣管一側的淨化消聲器外殼的端面之間，具有用來排出經燃燒的混合氣體的排出口。本發明的有益效果是對有害氣體的淨化徹底，壽命長，結構簡單，不用外接動力，自動連續控制混合氣體比例，成本低，直接替換現用廢氣淨化消聲裝置。
文檔編號F01N3/023GK1534173SQ0311606
公開日2004年10月6日 申請日期2003年3月28日 優先權日2003年3月28日
發明者魏鐵軍 申請人:上海江迪數碼科技有限公司