СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ Российский патент 1999 года по МПК F01N3/08 

Изобретение относится к области двигателестроения, машиностроения, теплоэнергетике, металлургии, химической промышленности, сварочном производстве, криотехнике, медицине, пищевой промышленности, технологии глубоководных погружений, текстильной промышленности, горно-рудном деле, электротехнике, автомобилестроении, установках по очистке газов.

Известны способы понижения токсичности отработанных газов, предусматривающие каталитическую очистку с применением подачи воздуха в выпускную систему двигателей под выпускные клапана, используют термические реакторы, применяют форкамерные двигатели, расслоение заряда, нейтрализующие органические и металлоорганические присадки к топливу, используют газоразделительные устройства.

Наиболее близким техническим решением является способ уменьшения токсичности отработанных газов, при котором впускная воздушная система двигателя оборудуется газоразделительным устройством, производящим газоразделение по газам кислород/азот и повышающим концентрацию кислорода в впускном тракте двигателя за счет отделения молекулярного азота воздуха [2]
Однако имеют место следующие недостатки:
- обогащенный кислородом воздух не является достаточно сильным окислителем;
- ограничена возможность эффективного использования в качестве топлива более тяжелых углеводородных фракций топлива, образующихся при обработке сырой нефти, метанола, этанола, аммиака и других видов альтернативных топлив;
- рециркуляция отработанных газов более 10% приводит к снижению мощности двигателя, увеличивает расход топлива, способствует ухудшению динамических характеристик автомобиля, направлена на снижение из всего спектра токсичных веществ оксидов только одного газа-азота;
- без обогащения воздуха кислородом двигатели с расслоенным зарядом и форкамерные не обеспечивают снижение токсичности на заданном техническом уровне.

Задача изобретения состоит в уменьшении токсичности отработанных газов двигателей.

Технический результат достигается тем, что в способе уменьшения токсичности отработанных газов обогащение воздуха кислородом производят с последующим озонированием кислорода и инициированием распада озона, осуществляя тем самым замену менее сильного окислителя-кислорода на более сильные - атомарный кислород и озон, при этом используют дополнительные газоразделительные устройства действие, которых основано на различных физических принципах и которые устанавливают в один или во все, или комбинацию следующих узлов: впускной воздушный тракт, выпускной тракт, каталитический нейтрализатор, термический реактор, эжектор, в двигатель с расслоенным зарядом, форкамерные двигатели.

Кроме того, в двигателях, оборудованных системой рециркуляции, в указанной системе устанавливают газоразделительное устройство, производящее отделение молекулярного азота.

Кроме двигателя этот способ может быть эффективно применен в каталитических системах очистки, термических реакторах, эжекторах и позволяет за счет окислительных экзотермических реакций уменьшить токсичность отработанных газов по фракциям: оксид углерода, углеводородам, альдегидам, летучим жирным кислотам, саже, бенз(а)пирену, нитросоединениям.

Заявляемый способ отличается тем, что:
- обезвреживание токсичных фракций отработанных газов, реализуемое одновременной установкой газоразделительных устройств в системах впуска, выпуска, рециркуляции, каталитические системы очистки, термические реакторы, двигателях с расслоенным зарядом и форкамерных позволит в более полном объеме усилить эффект обезвреживания;
- после процесса газоразделения и повышения концентрации окислителя-кислорода, производят (при помощи озонаторов или источников ультрафиолетового облучения) замену менее сильного окислителя кислорода на более сильный - озон и атомарный кислород;
- для повышения реакционной способности озона инициируют его распад фотовозбуждением [3];
- отделение азота при помощи газоразделительных устройств в системе рециркуляции отработанных газов позволит нейтрализовать всю токсичную часть отработанных газов, которая составляет только 22 - 26 объемных процентов от всего объема отработанных газов. Остальную часть отработанных газов составляет азот 74 - 78 объемных процента [1];
- использованная при рециркуляции фракция, являясь в основном топливной и состоящая из продуктов распада углеводородов, альдегидов, кетонов, оксида углерода, сероводорода, попадая в двигатель, будет способствовать экономии топлива;
- рециркуляция с газоразделением позволит усилить обезвреживающий эффект рециркуляции отработанных газов за счет увеличения спектра токсичных веществ, поступающих обратно в двигатель (ранее рециркуляция применялась для снижения столько оксидов азота в отработанных газах) и увеличить объем отработанных газов более 10% без характерных при рециркуляции понижения мощности двигателя, ухудшения динамических характеристик автомобиля, повышения расхода топлива.

На чертеже изображена схема подачи воздуха, обогащенного кислородом, за счет отделения молекулярного азота с последующим озонированием и инициированием распада озона.

Предлагаемая схема состоит из следующих элементов:
двигатель - 1, воздухоочиститель - 2, газоразделительное устройство - 3, озонатор с инициатором распада озона - 4, коробка с катализатором или термический реактор - 5, эжектор - 6, обратный клапан - 7, выпускной коллектор двигателя - 8, газоразделительное устройство с озонатором, инициатором распада озона и системой подачи к выпускным клапанам - 9, воздушный клапан - 10, воздушный фильтр двигателя - 11, газоразделительное устройство - 12, озонатор с инициатором распада озона - 13, выход в атмосферу - 14, разгрузочный клапан - 15, воздушный насос - 16, озонатор или источник ультрафиолетового излучения с инициатором распада озона - 17, газоразделительное устройство - 18, воздухоочиститель - 19.

Пример реализации способа.

В систему впуска воздуха в двигатель между воздушным фильтром и впускным воздушным коллектором (в двигателях с расслоенным зарядом и форкамерных использовали два газоразделительных устройства с различной степенью обогащения), в систему выпуска, а именно, под выпускные клапана, в каталитический нейтрализатор, термический реактор, эжектор устанавливают газоразделительные устройства, производящие газоразделение по газам азот/кислород. Идентичные устройства устанавливают в системе рециркуляции отработанных газов двигателей. Далее проводят замену менее сильного окислителя-кислорода на более сильный - озон, для чего за газоразделительным устройством устанавливают озонатор (можно использовать источник ультрафиолетового излучения) и затем инициируют распад озона на атомарный кислород и молекулярный кислород фотовозбуждением (длина волны 200 нм).

Испытания проводили в комбинации подключений газоразделительных устройств, в сочетании с озонаторами и инициаторами распада озона и одновременно.

В качестве газоразделительных мембран использовали анизотропные мембраны из ПВТМС (поливинилтриметилсилана), ее модернизированные варианты, а также другие типы газоразделительных устройств, действие которых основано на различных физических принципах и производящих газоразделение по газам азот/кислород. Мембраны газоразделительные марок С-3,5М-А ТУ 6-05-111-353-88, С-3,5М ТУ 6-05-111-88 приведены в качестве примера. Указанные мембраны обладают высокой устойчивостью к температурным перепадам при эксплуатации, нерастворимы в воде, мембраны нетоксичны, невзрывоопасны. Селективность по газам кислород/азот при 20^oC и перепаде давления 0,1 МПа не менее 130 - 160 л/м²•ч.

Мембраны могут быть использованы при давлении воздуха до 3,0 МПа.

Состав исходного воздуха, поступающего в двигатель: 78% азота, 21% кислорода. Состав обогащенного воздуха в зависимости от типа газоразделительного устройства 4,2 - 20% азота и 30 - 45% кислорода.

Эффект обезвреживания токсичных примесей в зависимости от вариантов подключения газоразделительных устройств и комбинации подключений с озонаторами и инициаторами распада озона следующий: по саже снижение на 18 - 38%, по оксиду углерода снижение на 28 - 42%, по углеводородам снижение на 32 - 43%, по альдегидам снижение на 32 - 51%, по летучим жирным кислотам снижение на 38 - 40%, по бенз(а)пирену снижение на 23 - 34%, по оксидам азота снижение на 36 - 48% по сравнению с прототипом.

Источники информации, принятые во внимание:
1. Ю. Якубовский. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды, М.: Транспорт, 1979.

2 RU 2033249 C1, кл. B 01 D 61/00, 1995.

3. Г.Е. Зайков. Кислотные дожди и окружающая среда, М.: Химия, 1991.

Изобретение относится к двигателестроению, машиностроению, теплоэнергетике, металлургии, химической промышленности, сварочному производству, криотехнике, медицине, пищевой промышленности, текстильной промышленности, электротехнике, автомобилестроению, установкам для очистки газов в горно-рудном деле, технологии глубоководных погружений. В двигателестроении предлагаемый способ может быть использован для повышения мощности двигателя, экономии топлива, применения более тяжелых фракций топлива, метанола, альтернативных топлив, понизить токсичность отработанных газов двигателей. В металлургии цветных и черных металлов может быть использован для интенсификации металлургических процессов, повышения степени чистоты получаемых металлов, выделения благородных металлов. В сварочном производстве - для получения кислорода или создания химически инертной среды. В медицине - для обезвреживания помещений, питьевой воды, получения кислорода. В способе обогащение воздуха кислородом производят с последующим озонированием кислорода и инициированием распада озона. Осуществляют замену менее сильного окислителя - кислорода на более сильный -- атомарный кислород и озон. Используют дополнительные газораспределительные устройства, основанные на различных физических принципах. Устройства устанавливают в один, или во все, или в комбинацию узлoв: впускной воздушный тракт, выпускной тракт, каталитический нейтрализатор, термический реактор, эжектор. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ уменьшения токсичности отработанных газов, включающий установку в систему впуска двигателя газораспределительного устройства, которое осуществляет обогащение поступающего в двигатель воздуха молекулярным кислородом за счет отделения молекулярного азота, отличающийся тем, что обогащение воздуха кислородом производят с последующим озонированием кислорода и инициированием распада озона, осуществляя замену менее сильного окислителя - кислорода на более сильный - атомарный кислород и озон, при этом используют дополнительные газораспределительные устройства, основанные на различных физических принципах и которые устанавливают в один, или во все, или в комбинацию следующих узлов: впускной воздушный тракт, выпускной тракт, каталитический нейтрализатор, термический реактор, эжектор. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в двигателях, оборудованных системой рециркуляции, в указанной системе устанавливают газораспределительное устройство, производящее отделение молекулярного азота.