УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B01D53/32 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройствам очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания.

Известны устройства нейтрализации выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащие каталитический нейтрализатор с датчиком температуры, струйный насос, сообщенный с атмосферой через патрубок с запорным органом, связанным с датчиком давления, имеющим управляющую полость, и магистраль для подключения полости датчика давления к впускному коллектору двигателя или к атмосфере через электромагнитный элемент управляемый от датчика температуры [1]
Недостатки известных устройств.

При работе двигателя на холостом ходу и малых нагрузках струйный насос не обеспечивает нагнетание достаточного количества дополнительного воздуха в нейтрализатор, в результате чего эффективность очистки газа неудовлетворительна. Из-за пульсирующего характера движения дополнительного воздуха часть выхлопных газом может нагнетаться в воздухоподводящие магистрали с последующим резким ухудшением процесса окисления из-за недостатка кислорода. Повышение давления в выпускной трубе может привести к выбросу пламени в атмосферу через магистраль подвода воздуха. При высоких оборотах эжектор будет нагнетать избыточное количество воздуха при относительном уменьшении содержания горючих в выхлопных газах. Известно [2] что эжекторный нагнетатель дополнительного воздуха может понижать мощность и экономичность двигателя до 10%
Применение нагнетателей ротационного типа с системой синхронизации характеристик нагнетателя и потребностью каталитического или термического нейтрализатора в дополнительном воздухе ограничивается их сложностью, неудовлетворительной надежностью при высокой стоимости. Подача воздуха механическими нагнетателями в независимости от их характеристик и конструктивных особенностей всегда сопряжена непроизводительными затратами на нагнетание в реакторе инертных компонентов воздуха (в воздухе на 1 м³ кислорода приходится 3,8 м³ инертных газов).

При пуске холодного двигателя, когда его выбросы наиболее токсичны, эффективность каталитического нейтрализатора равен нулю.

В процессе эксплуатации каталитические нейтрализаторы независимо от природы и состава катализатора теряют эффективность от взаимодействия с такими компонентами выхлопных газов, как соединения свинца, серы, фосфора, магния, бария, кальция, и цинка, которые вводятся в топливо или масла с целью повышения их эксплуатационных характеристик.

Этот недостаток отсутствует у термореакторов, но их применение ограничивается необходимостью поддержания в зоне реакции высокой температуры (не ниже 700^oC) при высоком значении коэффициента избытка воздуха в выхлопных газах (не ниже 1,1). В остальном их недостатки те же, что и в каталитических нейтрализаторах [2]
Для устранения указанных недостатков предлагается устройство, включающее реактор, датчик кислорода, источник тока и блок управления.

На фиг.1 показан продольный разрез устройства; на фиг.2 сечение реактора; на фиг.3 датчик кислорода.

Устройство для очистки состоит из источника тока 1, которым может быть аккумулятор или штатный генератор двигателя, блока управления 2 и реактора, который состоит из прямоугольного корпуса 3 с входным патрубком 4 и выходным патрубком 5, каналов для движения выхлопных газов 6 и воздуха 7, которые разделены стенками из твердого электролита 8, на которые нанесены электроды 9, контактирующие с воздухом, и электроды 10, контактирующие с газом. Электроды присоединены к источнику тока 1 через блок управления 2 так, что электроды 9 являются 10 анодами (соответственно тоководы 11 и 12). Кроме этого, к блоку управления присоединены накальные тоководы 13, 14, 15, датчик температуры (термопара) 16, датчик содержания кислорода, образованный электродами 17 и 18, нанесенных на пластинку твердого электролита 8 с кислородионной проводимостью (фиг.3).

При подаче накального напряжения на электроды соответственно 12 и 13, 14 и 11 (15) в считанные секунды происходит их разогрев, при этом нагревается с двух сторон и тонкая стенка твердого электролита. При достижении рабочей температуры по сигналу датчика 16 нагрев выключается. В дальнейшем необходимая температура в реакторе поддерживается горячими выхлопными газами, а если их температура ниже минимальной рабочей температуры реактора, то по сигналу датчика 16 включается дополнительно ток накала.

При подаче напряжения между электродами 9 и 10 кислород воздуха нагнетается на внутреннюю поверхность газовых каналов 6, где и происходит дожигание горючих компонентов выхлопных газов.

Нагнетание кислорода продолжается с соответствующей интенсивностью до тех пор, пока датчик кислорода 17 18 на выходе из реактора не зарегистрирует такую его концентрацию, которая соответствует заданной степени очистки (подбирается экспериментально соответственно требованиям по глубине очистки и в зависимости от рабочей температуры конкретного твердого электролита). Например, для твердого электролита состава 90% ZrO₂, Cao, 1% Y₂O₃ при рабочей температуре 680^oC степень очистки по сумме горючих 98% достигается при концентрации кислорода на выходе реактора около 1,01 объемных.

Если в выхлопных газах содержится достаточное количество собственного свободного кислорода, то контакты электродов 9 и 10 закорачиваются и в реактор нагнетается такое дополнительное количество кислорода, которое переносится собственным током, текущим между электродами 9 и 10 под действием собственной ЭДС, развивающейся из-за разности концентраций кислорода в воздухе и газе при данной температуре. Этот ток обеспечивает активацию кислорода на поверхности газового канала 6 и полноту дожигания при рабочей температуре.

Движение воздуха в каналах 7 происходит самопроизвольно за счет разности температур реактора и окружающей среды, а также из-за уменьшения плотности воздуха при откачке из него кислорода.

При необходимости может быть произведен упреждающий пуск данного устройства для очистки выхлопных газов, перед пуском двигателя, с питанием от его штатного аккумулятора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе.

1. Патент Англии N 1357855, кл. F 1 B, 1974 г.

2. Панчишный В.И. Каталитическое обезвреживание отработанных газов двигателей внутреннего сгорания в сб. Глубокое каталитическое окисление углеводородов. Наука, М. 1981, стр. 146, 150, 162-167.

Использование: в двигателестроении, в частности в устройствах для очистки выхлопных газов. Сущность изобретения: устройство состоит из реактора, датчиков температуры и датчика кислорода, установленного на выходе из реактора, блока управления и источника тока, которым может быть аккумулятор или штатный генератор двигателя. В реактор нагнетается практически чистый кислород, количество которого определяется током, текущим между электродами через стенку твердого электролита, разделяющей каналы воздуха и выхлопных газов. Независимо от режима работы двигателя блок управления по сигналам датчика температуры и датчика кислорода на выходе из реактора поддерживает заданную температуру и количество нагнетаемого в реактор кислорода, что обеспечивает высокую степень очистки выхлопных газов на всех режимах работы двигателя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для очистки выхлопных газов двигателя внутренвего сгорания, включающее реактор, состоящий из корпуса с входным и выходными патрубками, каналами для движения выхлопных газов и воздуха, датчика температуры и датчика содержания свободного кислорода в выхлопных газах, отличающееся тем, что стенки каналов для движения выхлопных газов и воздуха выполнены из твердого электролита с кислородионной проводимостью с нанесенными с двух сторон электродами, соединенными с источником тока через блок управления, с которым соединены вход и выход датчика температуры и датчика содержания кислорода в выхлопных газах на выходе из реактора. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источником тока является аккумулятор или генератор двигателя.