СПОСОБ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННОГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F01N3/10 

Изобретение относится к способам очистки отработанных газов и может быть использовано в различных отраслях промышленности: автомобильной, сельскохозяйственного машиностроения, энергетической, строительной и других для снижения токсичных выбросов двигателей внутреннего сгорания, котельных установок, тепловых станций.

Известен способ очистки отработанных газов /1/, включающий принудительное смешение окислителя и окисляемых реагентов на высокотемпературном участке выхлопа и окисление непредельных углеводородов и окиси углерода кислородом при прохождении факела независимой системы подачи и сжигания топлива в выхлопном тракте двигателя внутреннего сгорания.

Данный способ очистки отработанных газов двигателя внутреннего сгорания обеспечивает высокий уровень очистки. Однако такой способ технически сложен из-за наличия систем подачи и снижения топлива и дорог вследствие затрат топлива.

Известен способ очистки отработанных газов /2/, включающий индивидуальное смешение окислителя и окисляемых реагентов на высокотемпературном участке выхлопа и окисление непредельных углеводородов и окиси углерода кислородом на каталитических поверхностях.

Данный способ очистки отработанных газов обеспечивает высокий уровень очистки. Однако такой способ технически сложен и дорог из-за наличия катализатора и связанных с ним процессов регенерации, наличия системы подвода вторичного воздуха и смешение его с отработавшими газами.

Известен способ очистки отработанных газов двигателей внутреннего сгорания /3/, включающий принудительное смешение окислителя и окисляемых реагентов на высокотемпературном участке выхлопа и окисление непредельных углеводородов и окиси углерода кислородом, содержащимся в потоке этих газов и вводимом в него вторичном потоке воздуха.

Данный способ очистки отработанных газов обеспечивает достаточный уровень очистки, но является технически сложным и относительно дорогим из-за наличия системы подвода вторичного воздуха и его смешение отработанных газов.

Известен способ очистки отработанных газов /4/, включающий принудительное смешение окислителя и окисляемых реагентов на высокотемпературном участке выхлопа и окисление непредельных углеводородов и окиси углерода кислородом, содержащимся в потоке этих газов, путем механического перемешивания макрообъемов отработанных газов с различными значениями α спиральной мешалкой.

Данный способ очистки отработанных газов практически не может обеспечить высокий уровень очистки при наличии одной камеры смешения ограниченного объема. Объемы отработавших газов от каждого цилиндра непрерывно поступают в камеру смешения и также непрерывно выводятся из него. Время задержки на смешение пропорционально объему камеры смешения. Качественное смешение достигается либо при бесконечном объеме одной камеры, либо при установке нескольких камер и последовательного подключения их к выхлопам из цилиндров с тем, чтобы по заполнению объема камеры переключить выхлоп на другую, а в заполненной осуществить перемешивание и вывести отработавшие газы. Надежность способа очистки также невысока из-за наличия подвижных частей в камере смешивания.

Известен способ очистки отработанных газов /5/, включающий принудительное смешение окислителя и окисляемых реагентов на высокотемпературном участке выхлопа и окисление непредельных углеводородов и окиси углерода кислородом, содержащимся в этих газах путем гидродинамического перемешивания макрообъемов отработавших газов с различным содержанием окислителя и окисляемых реагентов.

Данный способ более надежен, т.к. не предусматривает устройств с движущимися элементами, но качественной очистки обеспечить не может из-за возможности осуществления принудительного смещения макрообъемов с различными значениями a.

Известен способ очистки отработанных газов двигателей внутреннего сгорания /6/, включающий принудительное смешение окислителя и окисляемых реагентов на высокотемпературном участке выхлопа и окисление непредельных углеводородов и окиси углерода кислородом, содержащимся в потоке этих газов путем создания вихревых потоков, обеспечивающих более качественное перемешивание окислителя и несгоревшего топлива. Однако такой способ технически сложен и не обеспечивает требуемой степени очистки отработавших газов из-за отсутствия относительного принудительного смещения макрообъемов отработавших газов с различными значениями a.

Наиболее близким по технической сущности является способ очистки отработанных газов /7/, включающий принудительное смешение окислителя и окисляемых реагентов на высокотемпературном участке выхлопа и окисление непредельных углеводородов и окиси углерода кислородом, содержащимся в потоке этих газов, путем дробления и слияния потока отработавших газов при его движении через камеры различной формы и объема и перегородки с различными проницаемостью, формой и размерами отверстий.

Однако данный способ технически сложен и не обеспечивает высокую степень очистки отработавших газов от токсичных веществ, поскольку нет механизма, осуществляющего смещение макрообъемов с высоким и низким значениямиa относительно друг друга.

В основу изобретения положена задача создания способа очистки отработавших газов, который позволил бы применением несложного устройства обеспечить высокий уровень очистки отработавших газов.

Поставленная задача решается тем, что в способе очистки отработавших газов, включающем принудительное смещение окислителя и окисляемых реагентов на высокотемпературном участке выхлопа и окисление непредельных углеводородов и окиси углерода кислородом, содержащимся в потоке этих газов, принудительное смешение окислителя и окисляемых реагентов проводят в два этапа, на первом этапе осуществляют продольное смещение макрообъемов отработавших (отработанных) газов, содержащих преимущественно окисляемые реагенты, относительно макрообъемов отработавших (отработанных) газов, содержащих избыток окислителя путем одновременного воздействия на поток отработавших газов тормозящими и ускоряющими продольными силами, а на втором этапе перемешивают смещенные макрообъемы этих газов воздействием поперечно-продольных сил, причем тормозящие и ускоряющие силы создают механическим воздействием на поток, а поперечно-продольные силы за счет газодинамического воздействия на поток или акустическими колебаниями. В отдельных случаях двойные этапы повторяют от двух до четырех раз.

Далее приводится физическая сущность изобретения.

При стехиометрическом соотношении топлива и воздуха ( a 1) в цилиндрах ДВС кислорода достаточно для осуществления полного окисления всех компонентов топлива, тем более кислорода достаточно для обеспечения полного окисления топлива при a >1. Однако на выходе из цилиндров самых совершенных двигателей отработанные газы содержат CO и HC. Причина этого явления заключается в следующем. Существующие системы смешивания воздуха (окислителя) и топлива в ДВС несовершенны. Поэтому в объеме цилиндра перед вспышкой топливо-воздушной смеси существуют макрообъемы с a меньше 1, несмотря на то, что суммарное среднее значение a в цилиндре больше 1.

При горении топлива в макрообъемах с a меньше 1 обязательно будет недожог топлива, который проявится в наличии CO, HC в отработанных газах. При горении топлива в макрообъемах с a >1 практически выгорит все топливо, а кислород остается. В результате этого в цилиндре ДВС возникают макрообъемы с принципиально различными значениями a.

В макрообъемах с начальным значением a <1 в конце процесса горения или нижнем положении поршня значения a из-за отсутствия несвязанного кислорода становится практически равным нулю a ≈ 0, а в макрообъемах с начальным значением a >1 из-за отсутствия топлива и наличия свободного кислорода a возрастает до значений более 10 a >10. При выталкивании поршнем отработанных газов из цилиндра через клапанные отверстия происходит деформация макрообъемов с недожогом a ≈0 и макрообъемов с a >10, но не происходит их смешение.

Причиной этому является высокая вязкость горячих отработанных газов. Если поток отработавших газов направить в каталитический нейтрализатор, то эффективность очистки отработавших газов в каталитическом нейтрализаторе окажется практически равной нулю.

В макрообъеме с a ≈ 0 нет кислорода для окисления, а в макрообъеме с a >10 нет окисляемых реагентов. Отсюда был сделан вывод практиками, что для эффективной очистки отработавших газов ДВС необходимо вводить в них извне дополнительный воздух.

На самом деле избыточный воздух (кислород) в потоке есть, но он отделен от окисляемых реагентов. Для обеспечения дожигания окиси углерода и непредельных углеводородов кислородом, находящимся в потоке отработавших газов, необходимо сместить макрообъемы с a ≈ 0 и a >10 так, чтобы получить значение a >1 в любом сечении объема отработавших газов.

Это может быть достигнуто за счет организации двух последовательных процессов. На первом этапе относительно смещения макрообъемов с a ≈ 0 и a >10 до получения усредненного по объему значения a ≥1, и далее вторым этапом перемещать газы. Относительное смещение макрообъемов обеспечивается торможением части потока, например его половины установкой препятствия. Вторая часть потока при этом ускоряется. Происходит сдвиг второй части потока относительно первой.

В результате ускорившаяся часть объема с a ≈ 0 догоняет часть объема с a >10, а заторможенную часть с a ≈ 0 догоняет часть макрообъемов с a >10. Если теперь смещенным макрообъемам сообщить встречное поперечное или продольно-поперечное движение, то содержащиеся в них газы перемещаются и значения a выравниваются. Если выравнивание величин a происходит в объеме отработавших газов с температурой, превышающей минимальную температуру окисления при данной концентрации CO и HC, то одновременно со смешением произойдет окисление CO и HC, т.е. очистка отработавших газов.

Если процесс смешения произойдет при температуре менее критической, то окисление возможно осуществить только на поверхности катализатора. Однако активность катализатора может быть значительно ниже активности платинового катализатора (например: CuO, Co₂O₃, TiO₂). Поскольку размеры макрообъемов с a >10 различны, как различны и размеры макрообъемов с a ≈ 0, то для достижения полной очистки необходимо два указанных этапа повторить 2 4 раза.

На фиг. 1 4 изображено устройство, реализующее предлагаемый способ; на фиг. 5 8 сечения А-А, Б-Б, В-В и Г-Г на фиг. 1 4 соответственно.

Устройство содержит входной патрубок 1, фланцевое соединение 2, выходной патрубок 3, прокладки 4, проницаемую вставку 5, отверстия малого проходного сечения 6, отверстия большого проходного сечения 7. Выходной патрубок 1 соединен с выхлопным окном двигателя, выходной патрубок 3 соединен с выхлопной трубой. На входном патрубке 1 и на выхлопном патрубке 3 установлены фланцы 2. Фланцы 2 через прокладки 4 удерживают проницаемую вставку 5, которая снабжена отверстиями с малым проходным сечением 6 и отверстиями большого проходного сечения 7.

Устройство очистки отработавших газов работает следующим образом.

Отработавшие газы, выталкиваемые поршнем из цилиндра двигателя внутреннего сгорания, поступают во входной патрубок 1 в виде макрообъемов с различным содержанием окислителя и несгоревшего топлива. Профиль скорости отработавших газов по сечению входного патрубка 1 соответствует профилю квазиламинарного течения. Из входного патрубка 1 сквозь отверстия большого проходного сечения 7 и малого проходного сечения 6 в проницаемой вставке 5, закрепленной прокладками 4 во фланцах 2, отработавшие газы поступают в выходной патрубок 3. При прохождении проницаемой перегородки 5 интегральный профиль скорости течения изменяется в соответствии с коэффициентом сопротивления или проницаемостью отверстий малого проходного сечения 6 и отверстий большого проходного сечения 7.

Конструктивная схема, представленная на фиг. 1, 5, обеспечивает реализацию предлагаемого способа за счет организации сдвигового течения с высокой скоростью в приосевой части потока и низкой скоростью в пристенной части потока. Форма и размеры отверстий с малым проходным сечением 6, с большим проходным сечением 7, а также ширина перемычек между отверстиями подобраны так, что за пористой перегородкой 5 возникает множество вихрей, осуществляющих перемешивание сдвинутых деформированных макрообъемов отработавших газов с различными числами a.

Конструктивное решение, представленное на фиг. 2, 6, обеспечивает реализацию предлагаемого способа за счет организации сдвигового течения с высокой скоростью в пристенной части потока за счет выполнения отверстий с большим проходным сечением 7 по периферии проницаемой перегородки 5 и низкой скоростью в приосевой части потока за счет выполнения на боковой цилиндрической стенке проницаемой перегородки 5 щелевых отверстий с малым проходным сечением 6. Плоские газовые струи из отверстий 6, направленные поперек основного потока, двигающегося вдоль стенок патрубка 3, в сочетании с вихрями, порождаемыми на выходе потока из отверстий с большим проходным сечением 7, обеспечивают хорошее перемешивание смещенных макрообъемов отработавшего газа с различными значениями чисел a и соответственно высокую степень очистки отработавших газов.

Конструктивное решение, представленное на фиг. 3, 7, обеспечивает реализацию предлагаемого способа за счет организации сдвигового течения с высокой скоростью в пристенной части потока за счет выполнения отверстий с большим проходным сечением 7 по периферии проницаемой перегородки 5 и малой скоростью в приосевой зоне за счет выполнения отверстий с малым проходным сечением 6 в донной части стакана проницаемой перегородки 5. Смешение потока за перегородкой 5 осуществляется за счет образования вихрей различного масштаба.

Конструктивная схема, представленная на фиг. 4, 8, обеспечивает реализацию предлагаемого способа за счет организации сдвигового течения с высокой скоростью в верхней и нижней частях потока в патрубках 1 и 3 и малой скоростью потока в средней части патрубков 1 и 3. Загромождение проходного сечения патрубков обеспечивается натяжением проволоки, образующей сетку с различными по размеру ячейками для прохождения газового потока. Смешение потока внутри проницаемой вставки 5 и за ней осуществляется за счет вихревых акустических течений и колебательного движения проволочек.

Приведенные устройства устанавливались на четырехцилиндровом двигателе автомобиля "Жигули-2107" и "Жигули-2108".

Контроль осуществляется только по количеству окиси углерода. Степень очистки отработавших газов составляла величину от 30% (фиг. 1, 2) до 90% (фиг. 7, 8).

Таким образом указанный способ очистки отработавших газов позволяет снизить уровень окиси углерода в 2 10 раза при сохранении мощности двигателя.

Использованные источники информации
1. Патент США N 3744250, кл. F 01 N 3/14, 1973.

2. Патент США N 3966419, кл. F 01 N 3/10, 1976.

3. Патент США N 3837814, кл. F 01 N 3/14, 1974.

4. Патент США N 3824791, кл. F 01 N 3/14, 1974.

5. Патент США N 3653205, кл. F 01 N 3/10, 1972.

6. Патент США N 3839862, кл. F 01 N 3/10, 1974.

7. Патент США N 4130397, кл. F 01 N 3/10, 1978 (прототип).

Использование: изобретение относится к способам очистки отработанных газов и может быть использовано в различных отраслях промышленности для снижения токсичных выбросов двигателей внутреннего сгорания, котельных установок, тепловых станций. Сущность изобретения: способ включает принудительное смешение окислителя и окисляемых реакторов на высокотемпературном участке выхлопа и окисление непредельных углеводородов и окиси углерода кислородом, содержащимся в потоке этих газов. Принудительное смешение окислителя и окисляемых реагентов проводят в два этапа, на первом этапе осуществляют продольное смещение макрообъемов отработанных газов, содержащих избыток окислителя путем одновременного воздействия на поток отработанных газов тормозящими и ускоряющими продольными силами, а на втором этапе перемешивают смещенные макрообъемы этих газов воздействием поперечно-продольных сил, причем тормозящие и ускоряющие силы создают механическим воздействием на поток, а поперечно-продольные силы - за счет газодинамического воздействия на поток или воздействием акустических колебаний. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ очистки отработанных газов двигателя внутреннего сгорания, включающий принудительное смешение окислителя и окисляемых реагентов на высокотемпературном участке выхлопа и окисление непредельных углеводородов и окиси углерода кислородом, содержащимся в потоке этих газов, отличающийся тем, что принудительное смешение окислителя и окисляемых реагентов проводят в два этапа, причем на первом этапе осуществляют продольное смещение макрообъемов отработанных газов, содержащих преимущественно окисляемые реагенты, относительно макрообъемов отработанных газов, содержащих избыток окислителя путем одновременного воздействия на поток отработанных газов тормозящими и ускоряющими продольными силами, а на втором этапе перемешивают смешенные макрообъемы этих газов воздействием поперечно-продольных сил. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что двойные этапы повторяют последовательно 2 4 раза. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что тормозящие и ускоряющие силы создают механическим воздействием на поток, а поперечно-продольные силы
газодинамическим воздействием на поток. 4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что поперечно-продольные силы создают воздействием на поток акустическими колебаниями.