СПОСОБ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ, В ЧАСТНОСТИ, ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ И ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F01N3/27 

Настоящее изобретение относится к электротермической (высокочастотной) очистке отработавших углеродосодержащих газов, в частности дизельного двигателя и двигателя внутреннего сгорания, от сажевых частиц, и может быть использовано в двигателестроении, тепловозостроении, судостроении, автотракторной технике, горнорудной технике, в автомобилестроении, в сельскохозяйственном машиностроении, а также на уже эксплуатируемых транспортных средствах (тепловозах, автомобилях, автосамосвалах и др.).

Известен способ очистки отработавших углеродосодержащих газов от сажевых частиц путем их сепарации и последующего окисления в блоке катализатора, который реализован в устройстве [1]. Устройство содержит сепаратор циклонного типа, который позволяет задерживать крупные частицы сажи с размером более 0,5 мкм. Недостатком указанного способа очистки является то, что более мелкие витающие частицы сажи или свободно проходят через блок катализатора и выбрасываются в атмосферу, или осаждаются в порах катализатора, снижая его каталитическую активность по отношению к газообразным продуктам неполного сгорания топлива. Недостатком устройства является его недостаточная эффективность для очистки отработавших газов от сажевых частиц.

Известен способ очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания от сажевых частиц путем их окисления и коагуляции, который реализован в устройстве [2]. Устройство содержит блок катализатора из жаропрочного открытоячеистого высокопористого материала (ВПЯМ), который обладает развитой удельной поверхностью и позволяет окислить до 40% сажевых частиц. Наличие крупноразмерных ячеек в блоке позволяет обеспечить интенсивный процесс кинематической коагуляции в турбулентном потоке, превращая витающие частицы сажи в инерционные агрегаты. Недостатком указанного способа очистки является то, что процессы окисления и коагуляции сажевых частиц протекают уже в начальных ячейках блока катализатора. При этом ячейки забиваются сажевыми частицами, которые могут перемещаться далее через блок катализатора только путем их продавливания потоком газов, в результате чего происходит выброс в атмосферу агрегатированных сажевых частиц. Недостатком указанного устройства является недостаточная эффективность очистки отработавших газов от сажевых частиц и необходимость периодической замены заполненного сажей блока катализатора.

Известен способ очистки отработавших газов дизельного двигателя от сажевых частиц путем их выжигания с помощью устройства, подающего в блок очистки дополнительное топливо [3]. Недостатком указанного способа является невозможность осуществления эффективной и быстрой очистки блока, так как горящее топливо начинает очищать блок постепенно, начиная с поверхностных слоев сажи. При этом выделяются дополнительные продукты горения топлива, а материал блока очистки подвергается воздействию высокой температуры. Недостатком указанного устройства является увеличение расхода топлива, конструктивная сложность изготовления, сложность управления процессом его работы и его пожароопасность.

Прототипом настоящего изобретения следует считать способ очистки отработавших газов дизельного двигателя путем окисления, сепарации и выжигания сажевых частиц, который реализован в устройстве [4], в котором выжигание происходит непосредственно в фильтре, и в устройстве [5], в котором выжигание сажевых частиц происходит в сепараторе. Устройство [4] содержит узел очистки отработавших газов от сажевых частиц и блок окислительного катализатора на сотовом носителе для дожигания газообразных продуктов неполного сгорания. Узел очистки выполнен как электронагреваемая ловушка (фильтр) из мелкопористого материала для удержания частиц всех размеров. На период выжигания накопленных частиц фильтр автоматически отключается от потока отработавших газов с помощью регулируемого байпаса по сигналу датчика порогового значения противодавления выпуску. Недостатком указанного способа является недостаточная эффективность передачи тепла от электронагревателя в нагреваемый объект (скопление сажи) до температуры выгорания сажи, а также ограниченный срок службы блока нагревательного элемента, работающего в указанном режиме. Недостатком устройства по прототипу является нестабильность очистки отработавших газов дизельного двигателя от сажи, вызванная периодическим отключением ловушки для регенерации.

Указанный недостаток легко устраняется дублированием ловушек и их поочередной работой в режимах фильтрации и регенерации, например, в устройстве [6] , но дублирование усложняет процесс очистки и делает его более дорогим. Устройство [5] содержит по меньшей мере один блок окислительного катализатора на сотовом носителе и узел очистки отработавших газов от сажевых частиц, который имеет, по меньшей мере, один блок катализатора на носителе из ВПЯМ и сепаратор, находящийся перед или позади окислительного катализатора на сотовом носителе. Для очистки поток отработавших газов из дизеля подается на блок катализатора на носителе из ВПЯМ, в ячейках которого происходит частичное окисление и коагуляция сажевых частиц в крупные агрегаты, которые затем поступают в сепаратор. Удаление сажи из сепаратора производится либо сбросом ее в объемный накопитель, либо эпизодическим испарением сажи с помощью электронагревательного элемента. Возможно доокисление газообразных продуктов неполного сгорания путем пропускания потока отработавших газов через второй блок катализатора на сотовом носителе. Недостатком способа очистки по прототипу является наличие сажи в объемном накопителе, который подлежит дополнительной очистке, а также недостаточная эффективность передачи тепла от электронагревательного элемента, необходимого для испарения сажевых частиц, которые осаждаются на нем плотным слоем. Недостатком устройства по прототипу [5] является недостаточная эффективность процесса очистки отработавших газов, так как блок катализатора на носителе из ВПЯМ, на который первоначально попадает поток отработавших газов, достаточно быстро забивается сажевыми частицами и при этом, во-первых, прекращается процесс очистки, а во-вторых, возникает необходимость частой замены указанного блока. Следует отметить, что блок не подлежит восстановлению.

В связи с указанными техническими и технологическими недостатками использования способа по прототипу, реализуемого в устройствах по прототипу, существует задача создания более эффективного и быстрого способа очистки отработавших углеродосодержащих газов от сажевых частиц и устройства для его осуществления.

Поставленная задача решается авторами следующим образом.

В известном способе очистки отработавших газов, в частности, дизельного двигателя и двигателя внутреннего сгорания, включающего удаление сажевых частиц путем выжигания, выжигание сажевых частиц производят в местах скопления сажи в любой необходимый момент времени с помощью индукционного нагрева токами высокой частоты, в частности, без прерывания процесса очистки.

Известное устройство для очистки отработавших газов, в частности, дизельного двигателя и двигателя внутреннего сгорания, содержащее узел очистки отработавших газов от сажевых частиц и при необходимости содержащее один или нескольких блоков окислительного катализатора, дополняют индуктором для индукционного нагрева и питающим его генератором высокой частоты, а конструкцию индуктора и режим работы генератора выбирают исходя из конструктивных особенностей узла очистки, причем включение генератора для удаления сажевых частиц путем их выжигания производят в любой необходимый момент времени, в частности, непосредственно в процессе очистки.

Технический результат от применения предлагаемого способа, реализуемого в предлагаемом устройстве, состоит в повышении эффективности очистки отработавших газов от сажевых частиц. Это происходит потому, что при использовании способа индукционного нагрева токами высокой частоты для выжигания сажевых частиц существует возможность ввода источников тепла непосредственно в заданную зону нагрева - в любое место скопления сажи, не перегревая материал, на котором находятся сажевые частицы, в то время как при электронагреве происходит выжигание сажевых частиц путем передачи тепла излучением и теплопроводностью от материала нагревателя. Предлагаемое устройство позволяет путем использования индуктора необходимой конструкции и выбора режима работы высокочастотного генератора осуществить быстрый нагрев скопившихся сажевых частиц до заданной температуры деструкции. Таким образом, применение индукционного нагрева обеспечивает более высокую эффективность процесса очистки за счет более полного и быстрого выжигания частиц сажи.

Основным техническим преимуществом настоящего изобретения по сравнению с прототипом является возможность удаления сажевых частиц путем выжигания в любое время по мере необходимости, не прекращая работу фильтра. Это происходит потому, что индуктор с малогабаритным генератором высокой частоты может устанавливаться в непосредственной близости от источника отработавших газов, например работающего двигателя, так как индукционный нагрев не влияет на физико-химические процессы, протекающие в блоке очистки, и не зависит от них. Это свойство позволяет производить выжигание сажевых частиц непосредственно на транспортном средстве, а также увеличивает срок работы устройства очистки.

Техническим преимуществом настоящего изобретения по сравнению с прототипом является возможность полного восстановления до рабочего состояния фильтров, ячейки которых заполнены сажевыми частицами, например фильтров из ВПЯМ.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем.

Поток отработавших газов, например, дизельного двигателя или двигателя внутреннего сгорания перед выбросом их в атмосферу поступает в какой-либо узел очистки от сажевых частиц любой конструкции. Узел очистки дополняется высокочастотной установкой для индукционного нагрева, состоящей из индуктора и генератора высокой частоты. Через некоторое время после начала процесса очистки отработавших газов в определенных частях узла очистки начинается накопление сажевых частиц. Это может быть любая удобная ловушка для сажевых частиц, например ячейки фильтра или объемный накопитель в сепараторе узла очистки. В заданный момент времени включается генератор высокой частоты, от которого питается индуктор. Ток индуктора наводит в местах скопления сажи электродвижущую силу, под действием которой возникают вихревые токи, вызывающие нагрев узла очистки. Поскольку сажа является электропроводящим материалом, то от прохождения тока через нее, а также за счет теплопроводности и излучения от электропроводящего материала узла очистки происходит нагрев и выгорание сажевых частиц. При этом выбираются необходимые для осуществления этого процесса частота тока и рабочая мощность генератора. Конструкция индуктора выбирается в зависимости от конструкции узла очистки. Так, например, для цилиндрического фильтра возможно использование охватывающего индуктора. Выбранные параметры высокочастотной установки обеспечивают испарение сажевых частиц при отсутствии перегрева материалов и покрытий узла очистки. Таким образом, скопления сажи полностью удаляются из узла очистки, а газообразные продукты неполного сгорания могут при необходимости свободно поступать через узел очистки от сажевых частиц в блоки катализаторов для окисления до двуокиси углерода. Индукционная установка устанавливается либо непосредственно в зоне выхода отработавших газов, например на выхлопной трубе транспортного средства, либо в стационарных условиях для восстановления засорившихся узлов очистки.

Пример реализации изобретения.

Авторами было проведено индукционное удаление сажи из пор фильтра для очистки ОГ дизельного двигателя от сажевых частиц.

Источники информации
1. Патент РФ 2073098, МКИ 6 F 01 N 3/10.

2. Патент РФ 2029107, МКИ 6 F 01 N 3/00.

3. Патент Японии 3-64685, МКИ F 01 N 3/02.

4. Заявка Японии 3-1.5617, МКИ 5 F 01 N 3/02.

5. Патент РФ 2137926, МКИ 6 F 01 N 3/02.

6. Заявка ФРГ 3743559, МКИ 4 F 01 N 3/02.

7. Свидетельство РФ на полезную модель 12756.

Сущность изобретения заключается в полном удалении сажевых частиц из узла очистки любой конструкции путем их выжигания с помощью индукционного нагрева токами высокой частоты, не повреждая материал фильтра и каталитическое покрытие пор фильтра, без прерывания процесса очистки. Способ реализуется в устройстве, содержащем хотя бы один узел очистки, который дополнен индуктором для индукционного нагрева и питающим его генератором высокой частоты, а включение генератора для удаления сажевых частиц из узла очистки производят в любой необходимый момент времени, в частности непосредственно в процессе очистки. Изобретение позволяет повысить эффективность очистки.

1. Способ очистки отработавших газов, в частности, дизельного двигателя и двигателя внутреннего сгорания, включающий процесс очистки отработавших газов от сажевых частиц путем их выжигания, отличающийся тем, что выжигание сажевых частиц производят в местах скопления сажи в любой необходимый момент времени с помощью индукционного нагрева токами высокой частоты, в частности, без прерывания процесса очистки. 2. Устройство для очистки отработавших газов, в частности, дизельного двигателя и двигателя внутреннего сгорания, содержащее по меньшей мере один узел очистки от сажевых частиц и при необходимости один или нескольких блоков катализатора, отличающееся тем, что устройство очистки дополняют индуктором для индукционного нагрева и питающим его генератором высокой частоты, а конструкцию индуктора и режимы работы генератора выбирают исходя из конструктивных особенностей узла очистки, причем включение генератора производят в любой необходимый момент времени, в частности непосредственно в процессе очистки.