Настоящее изобретение относится к устройству для адсорбции по меньшей мере одного компонента отработавших газов (ОГ), имеющему проточный для потока ОГ адсорбер. Подобные адсорберы используются прежде всего в системах выпуска ОГ двигателей внутреннего сгорания (ДВС) автотранспортных средств.
Для соблюдения постоянно ужесточающихся во всем мире норм, определяющих предельные показатели выброса ОГ, в настоящее время разработаны и совершенствуются различные концептуальные подходы по ограничению выброса в атмосферу вредных веществ. При этом одним из основных направлений подобных разработок является совершенствование характеристик систем выпуска ОГ для снижения токсичности выбросов прежде всего в период пуска холодного двигателя и непосредственно следующий за этим периодом промежуток времени. Для оценки и анализа параметров выбросов после пуска холодного двигателя используются различные стандартизованные испытательные циклы движения, например ездовой цикл согласно федеральному стандарту США FTP 75. Подобный испытательный ездовой цикл согласно стандарту FTP 75 предусматривает тестирование автомобиля в трех отдельных фазах при его движении в различных скоростных режимах, измерения при которых проводились в США на улицах Лос-Анджелеса при интенсивности движения, характерной для утреннего времени суток в рабочий день. Такой испытательный ездовой цикл FTP 75 описан, например, в справочнике "Krafttahrtechnisches Taschenbuch" фирмы Robert Bosch GmbH (22-e изд., изд-во VDI, 
, 1995).
Для нейтрализации ОГ используются специальные каталитические нейтрализаторы. Поверхность таких каталитических нейтрализаторов выполнена из каталитически активного материала или покрыта каталитически активным материалом, который после его нагрева до определенной температуры (порядка 250°С) обеспечивает химическое превращение содержащихся в ОГ вредных веществ (моноксида углерода, углеводорода, оксида азота). Промежуток времени, проходящего до достижения каталитическим нейтрализатором этой рабочей температуры, при которой начинается указанное каталитическое превращение вредных веществ, можно сократить, например, за счет использования каталитического нейтрализатора с электрическим подогревом. Однако в связи с ужесточением норм на предельно допустимое содержание в ОГ вредных веществ выбросы углеводородов должны поддерживаться на исключительно низком уровне и непосредственно после пуска холодного двигателя. Для соблюдения этого требования можно использовать адсорбер, функция которого состоит в аккумулировании молекул углеводородов, образующихся в период пуска холодного двигателя и непосредственно в следующий за этим периодом отрезок времени.
Для применения в указанных целях известны адсорберы, в которых в качестве молекулярного сита используется цеолит. Цеолиты представляют собой микропористые алюмосиликаты (кристаллы алюминия и кремния), способные поглощать определенные молекулы. Цеолитная структура представляет собой тетраэдрическую решетку с каналами и/или полостями, геометрией которых и характеризуется цеолит. В период пуска холодного двигателя образующиеся при его работе углеводороды поглощаются пористой структурой адсорбера (фаза адсорбции). Сила связывания углеводородов адсорбером зависит от типа углеводородов и структуры аккумулирующей их среды. По мере увеличения продолжительности работы двигателя после его пуска и повышения температуры ОГ происходит десорбция накопленных адсорбером углеводородов (фаза десорбции). Подобная десорбция происходит при температуре в интервале от 100 до 200°С.
В системах выпуска ОГ некоторых известных на сегодняшний день конструкций предусматривают адсорбер и расположенный по ходу потока за ним каталитический нейтрализатор. Материал, из которого изготовлен подобный адсорбер, обладает определенной теплоемкостью и поэтому отбирает тепло от потока проходящих через него ОГ. По этой причине поток ОГ при его прохождении через последующий каталитический нейтрализатор обладает меньшей тепловой энергией, что замедляет прогрев каталитического нейтрализатора и тем самым достижение им рабочей температуры, при которой начинается каталитическая реакция.
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать адсорбер, который позволял бы существенно снизить выбросы углеводородов в период пуска холодного двигателя и который оказывал бы при этом лишь незначительное влияние на процесс прогрева расположенного за ним каталитического нейтрализатора.
Указанная задача решается согласно изобретению с помощью устройства для адсорбции по меньшей мере одного компонента ОГ с отличительными признаками, указанными в п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы.
Предлагаемое в изобретении устройство для адсорбции по меньшей мере одного компонента ОГ имеет проточный для потока ОГ адсорбер. Такое устройство предназначено прежде всего для его применения в системе выпуска отработавших газов ДВС автотранспортного средства. Подобный адсорбер можно характеризовать его объемом, под которым в последующем описании подразумевается его объем, включая все имеющиеся в нем полости и/или каналы.
Согласно изобретению объем адсорбера предлагается определять в зависимости от средней температуры и от среднего массового расхода проходящего через него потока ОГ, при этом величина такого объема соответствует следующему уравнению:
Содержащиеся в этом уравнении коэффициенты a-k имеют следующие значения:
а=0,1660393, b=0,0033635701,
с=-1,7023186, d=6,5277225×10-6,
е=195,657, f=-0,1373556,
g=-9,0343024×10-9, h=-1273,9098,
i=1,0172767 и k=-1,442512×10-5.
Это уравнение было выведено по результатам обширных исследований адсорбционных характеристик различных адсорберов. В ходе таких исследований моделировали выброс вредных веществ (отработавших газов) различными ДВС, которые (вредные вещества) образовывались бы при работе этих ДВС в первые 100 секунд испытательного ездового цикла согласно FTP 75. При этом было установлено, что адсорбционные и десорбционные характеристики адсорбера в существенной степени зависят от температуры, а также от массового расхода ОГ.
В целом температура ОГ по мере удаления от ДВС уменьшается, поскольку поток ОГ после выхода из ДВС движется преимущественно по системе более холодных трубопроводов, отдавая при этом тепло. Очевидно, что в состав подобной системы трубопроводов могут входить компоненты, предназначенные для каталитического превращения вредных веществ, при этом такая каталитическая реакция носит экзотермический характер, и поэтому температура ОГ по ходу их потока за каталитическим нейтрализатором может быть выше, чем перед ним. В ходе исследований температуру ОГ (обозначаемую через t и измеряемую в градусах Цельсия [°С]), которая до их поступления в адсорбер изменялась и принимала различные значения, усредняли для первых 100 секунд испытания в соответствии с ездовым циклом FTP.
Другим важным параметром при определении приемлемого объема адсорбера является массовый расход проходящего через адсорбер потока ОГ (обозначаемый через m и измеряемый в килограммах в час [кг/ч]). При этом массовый расход характеризует, например, нагревающее, соответственно охлаждающее действие ОГ или количество, соответственно концентрацию вредных веществ в ОГ. На величину самого массового расхода и определяемый им состав ОГ можно влиять, например, за счет управления работой двигателя (например изменением угла опережения зажигания или частоты вращения вала двигателя при холостом ходе) либо за счет нагнетания дополнительного воздуха в выпускной трубопровод для повышения температуры ОГ. Требуемый массовый расход, прежде всего в режиме холостого хода, зависит далее от конструктивных особенностей двигателя, поскольку ими определяются, например, различные возникающие в двигателе потери на трение (например на клапанах, поршнях или в подшипниках). Массовый расход ОГ тем самым является величиной, позволяющей простым путем учитывать эти разнообразные факторы при расчете объема адсорбера. При этом средний массовый расход также представляет собой величину, характеризующую усредненный выброс вредных веществ при работе ДВС в течение первых 100 секунд испытания в соответствии с ездовым циклом FTP.
По результатам описанных выше исследований неожиданно было установлено, что для эффективного накопления углеводородов вопреки распространенному мнению вполне достаточно использовать адсорбер сравнительно малого объема. Связано это, в частности, с тем, что при выведении предлагаемой в изобретении формулы для определения объема адсорбера помимо его аккумулирующей способности учитывалась также его теплоемкость, а тем самым и режим прогрева расположенного по ходу потока за ним каталитического нейтрализатора. Уменьшение объема адсорбера позволяет снизить его теплоемкость, а тем самым и сократить количество отбираемого им от потока ОГ тепла.
Согласно одному из вариантов адсорбер имеет покрытие с цеолитной структурой, при этом такое покрытие предпочтительно выполнено из алюмосиликатов (кристаллов алюминия и кремния). Геометрические параметры цеолитной структуры можно простым путем согласовать с размером и типом углеводородных молекул. Преимущество цеолитной структуры состоит в наличии внутри нее большого числа мелких каналов и/или полостей, что обеспечивает сравнительно сильное связывание поглощаемых адсорбером углеводородных молекул.
Согласно еще одному варианту адсорбер имеет слои металлических листов, которые по меньшей мере частично структурированы или профилированы таким образом, что они образуют проточную для потока ОГ структуру. Преимущество адсорбера, внутренняя структура которого образована слоями металлических листов, состоит в том, что при том же его объеме он имеет большую площадь активной поверхности и характеризуется меньшей потерей давления в проходящем через него потоке ОГ по сравнению, например, с керамическим адсорбером.
В соответствии еще с одним вариантом толщина указанных металлических листов составляет от 0,02 до 0,08 мм. Использование подобных сравнительно тонких металлических листов позволяет уменьшить теплоемкость адсорбера и тем самым уменьшить количество отбираемой им от потока ОГ тепловой энергии.
Согласно следующему варианту адсорбер имеет проточные для ОГ в направлении их потока каналы, при этом количество таких каналов, приходящееся на единицу площади поперечного к направлению потока ОГ сечения этого адсорбера, составляет по меньшей мере 600 каналов на квадратный дюйм. Очевидно, что чем больше каналов имеет адсорбер, тем больше площадь его активной (рабочей) поверхности и тем самым, например при наличии цеолитного покрытия, выше его аккумулирующая способность.
На прилагаемых к описанию схематичных чертежах показано:
на фиг.1 - предлагаемое в изобретении устройство для адсорбции по меньшей мере одного компонента ОГ, имеющее адсорбер, установленный в системе выпуска отработавших газов ДВС автотранспортного средства, и
на фиг.2 - вид в перспективе и в увеличенном масштабе показанного на фиг.1 адсорбера.
На фиг.1 показано предлагаемое в изобретении устройство 1 для адсорбции по меньшей мере одного компонента отработавших газов (ОГ), имеющее адсорбер 2, установленный в системе 3 выпуска ОГ двигателя 4 внутреннего cгорания (ДВС) 4 автотранспортного средства (не показано), при этом по ходу потока ОГ за этим адсорбером 2 расположен каталитический нейтрализатор 9. Направление потока ОГ обозначено соответствующей стрелкой S.
На фиг.2 показанный на фиг.1 адсорбер 2 изображен в перспективе в увеличенном масштабе. Одним из основных параметров адсорбера 2 является его объем V. Этот объем образован покрытием 5 с цеолитной структурой и/или по меньшей мере частично структурированными (профилированными) металлическими листами 6, 7, например плоскими 6 и гофрированными 7 металлическими листами, образующими проточные для потока ОГ каналы 8.
Преимущество такого адсорбера 2 с характеризуемым согласно изобретению объемом V состоит в том, что он с учетом свойств проходящего через него потока ОГ имеет исключительно компактное исполнение и позволяет улучшить рабочие характеристики расположенного по ходу потока за ним каталитического нейтрализатора 9 прежде всего в период пуска холодного двигателя.
Устройство для адсорбции по меньшей мере одного компонента отработавших газов (ОГ) предназначено прежде всего для применения в системе выпуска ОГ ДВС автотранспортного средства. Устройство имеет адсорбер объемом (V), при этом такой адсорбер является проточным для потока ОГ, характеризующихся температурой и массовым расходом, причем величина его объема (V) соответствует следующему уравнению: 
где V обозначает объем адсорбера [л], t обозначает среднюю температуру ОГ [°С], a m обозначает средний массовый расход ОГ [кг/ч]. a-k - коэффициенты, имеющие определенное значение, адсорбер с подобным объемом (V) имеет с учетом свойств проходящего через него потока ОГ исключительно компактное исполнение и позволяет тем самым улучшить, например, рабочие характеристики расположенного по ходу потока за ним каталитического нейтрализатора в период пуска холодного двигателя. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
где V обозначает объем адсорбера [л];
t обозначает среднюю температуру ОГ [°С];
m обозначает средний массовый расход ОГ [кг/ч];
а = 0,1660393;
b = 0,0033635701;
с = -1,7023186;
d = 6,5277225×10-6;
е = 195,657;
f = -0,1373556;
g = -9,0343024×10-9;
h = -1273,9098;
i = 1,0172767 и
k = -1,442512×10-5.
| DE 19814132 A1, 14.10.1999 | |||
| Транспортер-перекладчик | 1976 |
|
SU593898A1 |
| US 3891575 A, 24.06.1975 | |||
| Способ очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания | 1987 |
|
SU1474298A1 |
| 1969 |
|
SU288804A1 | |
