УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2005 года по МПК F01N3/05 F01N3/00 

Изобретение относится к экологическим вопросам промышленности и автотранспорта и предназначено для снижения токсичности выхлопных газов наземного и подземного, используемого в горных выработках, автотранспорта.

Техническим результатом является снижение в выхлопных газах содержания токсичных веществ путем разбавления данных газов воздухом и окисления оксида углерода до углекислого газа. При этом необходимо отметить, что с химической стороны реакция присоединения кислорода воздуха к оксиду углерода проявляется достаточно резко лишь при повышенной температуре и ее течение значительно ускоряется при наличии катализаторов. Кроме того, для того чтобы произошло их химическое взаимодействие, необходимо столкновение реагирующих молекул, т.е. одновременное их нахождение в заданной точке пространства. Вероятность такого нахождения для молекулы каждого из веществ прямо пропорциональна его концентрации [1].

В настоящее время более половины CO, поступающего в атмосферу, приходится на долю автотранспорта. Анализ экологической ситуации в крупных городах России показывает, что в последние 10 лет автомобильный транспорт стал главным источником загрязнения атмосферного воздуха. Особенно это касается городов Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Самара и др., где автомобильный парк стремительно увеличивается.

Загрязнение окружающей среды, выражающееся во вредных выбросах в атмосферу, составляет, например, в Москве, около 1 миллиона тонн в год. Из них 80-85% приходится на выхлопные газы автотранспорта столицы. Замеры, проведенные фондом «Чистый воздух», показывают превышение предельно допустимой концентрации (ПДК) СО на улицах города (внутри Садового кольца) в 13 раз.

Автопарк Москвы на сегодняшний день составляет около 3 миллионов штук, который на 50% состоит из легковых автомобилей класса С и D (типа ВАЗ и Москвич). При этом следует иметь в виду, что 94% всего парка не оснащены нейтрализаторами выхлопных газов, а 35% - старше 10 лет, двигатели которых уже не поддаются регулировке.

Агентство по охране окружающей среды США при поддержке Президента создало программу ужесточения экологических требований к автомобилям. Программа гласит, что к 2004 году содержание вредных для здоровья человека веществ в выхлопных газах должно быть снижено на 95%. Одновременно правительство США активно помогает автомобильным компаниям в разработке экологически чистых двигателей, инвестируя финансовые средства и освобождая их от налогов.

Особое значение имеют устройства для снижения токсичности выхлопных газов на угольных и калийных шахтах, в которых поставщиками газов в атмосферу кроме автотранспорта являются и разрабатываемые газоносные горные породы.

В ОАО «Уралкалий» успешно испытаны и внедрены на автотранспорте, действующем в подземных горных выработках, устройства для разбавления выхлопных газов [2].

Для решения проблемы экологической чистоты выхлопных газов автомобиля фирма «НОТЕКА-С» разработала и предлагает к применению автомобильный вихревой эжекторный насадок, работающий на основе достижений нетрадиционной аэродинамики газовых сред. Устройство устанавливается на выхлопную трубу автомобиля и обеспечивает более полное сгорание углеводородного топлива в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания и дизеля [3].

Система доокисления различных окислов в выхлопном коллекторе есть во всех карбюраторных двигателях иностранного производства и представляет собой следующее: от воздушного фильтра через клапан по трубе диаметром примерно 20 мм, которая подсоединена к выхлопному коллектору, чистый холодный воздух подается прямо к раскаленным выхлопным газам, и там происходит доокисление окислов, например углерода. В результате выхлопные газы становятся более безвредными для окружающей среды. Воздух всасывается в выпускной коллектор за счет того, что подводится в него в зоне разрешения, т.е. он засасывается за счет эффекта эжекции. Но на холостом ходу скорость выхлопных газов маленькая и эффекта эжекции не возникает, и, чтобы выхлопные газы не прорывались с их сажей и копотью в воздушный фильтр и далее в карбюратор, имеется специальный клапан. Этот клапан часто со своей задачей не справляется и копоть из выхлопной трубы (только на холостом ходу) попадает в карбюратор. В результате система холостого хода забивается сажей и выходит из строя. Теперь двигатель при сбрасывании газа глохнет: нет холостого хода. В двигателях в результате его неправильной регулировки может сплавиться керамическая сетка в переходной вставке между выхлопным коллектором и приемной трубой. В этом случае сечение выхлопной трубы просто уменьшится вплоть до полного перекрытия [4].

Современный каталитический нейтрализатор представляет собой корпус, внутри которого расположен огнеупорный керамический блок носителя. Керамика пронизана продольными порами, на поверхности которых нанесен активный каталитический слой из платины, палладия и родия. Каталитический нейтрализатор расположен в выхлопной системе сразу за выпускным коллектором, так как для того, чтобы начался процесс нейтрализации, необходима высокая температура - около 250 градусов.

Наиболее эффективным признан каталитический нейтрализатор с обратной связью. Ее обеспечивает так называемый лямбда - зонд, или кислородный датчик, который отслеживает объем свободного кислорода в выхлопе и дает сигнал на электронный блок управления системой питания для обогащения или обеднения смеси кислородом воздуха.

Жизнеспособность каталитического нейтрализатора оценивается примерно в 150 тыс. км, однако во многом зависит от исправной работы системы зажигания и питания, а также качества бензина. Пропуски в зажигании и переобогащенная смесь приводят к перегреву керамического носителя. Из-за этого оплавляются поры, и нейтрализатор спекается. Кроме того, катализатор способен нормально работать только с двигателями, оборудованными электронным зажиганием и системой впрыска с микропроцессорным управлением. Другой враг этого устройства - этилированный бензин. Он практически моментально уничтожает каталитический слой в нейтрализаторе и циркониевое напыление лямбда-зонда, см. например [5, 6].

Известно устройство для снижения токсичности выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, содержащее эжектор для добавления воздуха к выхлопным газам [2].

Недостатком этого устройства является низкая эффективность снижения токсичности выхлопных газов вследствие того, что в реакции окисления участвуют укрупненные потоки воздуха, не успевающие полностью перемешаться с выхлопными газами.

Известно устройство для снижения токсичности выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, содержащее эжектор для добавления воздуха к выхлопным газам и пористый материал, которое принято за прототип [5].

Недостатком этого устройства является низкая эффективность снижения токсичности выхлопных газов, обусловленная тем, что пористый материал помещается внутрь выхлопной трубы, что приводит в случае переобогащения газовой смеси кислородом воздуха к его спеканию и, как следствие этого, к закупорке трубы.

Кроме того, катализатор способен нормально работать только с двигателями, оборудованными электронным зажиганием и системой впрыска с микропроцессорным управлением.

Цель изобретения состоит в повышении эффективности снижения токсичности выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания на всех автомобилях.

Цель достигается за счет помещения пористого материала снаружи перфорированной выхлопной трубы и ускорения окисления СО до CO₂ кислородом воздуха путем эжекции в выхлопную магистраль автомобиля диспергированного потока воздуха.

На чертеже представлено устройство для снижения токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, где позициями обозначены: 1 - корпус эжектора; 2-пористый материал; 3 - выхлопная труба; 4 - перфорированная выхлопная труба; 5 - воздухопринимающий патрубок; 6 - воздушный фильтр.

Устройство помещается в начале выхлопной трубы и состоит из эжектора 1, представляющего собой полый цилиндр и размещенного коаксиально снаружи перфорированной части выхлопной трубы 4, покрытой пористым материалом 2, при этом толщина слоя пористого материала 2 превышает диаметр выхлопной трубы в 1-3 раза, а размеры эжектора больше диаметра данной трубы в 2-4 раза. В отверстие, выполненное в основании цилиндра, размещенном ближе к передней части автомобиля, входит воздухопринимающий патрубок 5 с воздушным фильтром 6.

Устройство работает следующим образом. От работающего двигателя внутреннего сгорания поток выхлопных газов проходит по выхлопной трубе 3. Одновременно в поток выхлопных газов в перфорированной части выхлопной трубы 4 через пористый материал 2 с помощью эжектора 1 через воздухопринимающий патрубок 5 и воздушный фильтр 6 поступает диспергированный воздух. В результате осуществляется не только разбавление вредных выбросов, но и окисление угарного газа до углекислого.

Источники информации

1. Некрасов Б.В. Курс общей химии. ГХИ, М., 1960, с.128, 425-436.

2. Способ разбавления вредных выбросов. Патент РФ №2106496, 6 Е 21 F 1/00.

3. Калиниченко А.Б. Насадок для снижения токсичности выхлопных газов автомобилей. Журнал "Экономика и производство", №1, январь, 2001.

4. Корниенко С. Наиболее распространенные двигатели японских автомобилей. Автомаркет, №48, 49.

5. Автомобили "Нива" ВАЗ-21213. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту. Изд-во "За рулем", 1997, с.14.

6. Токарев В.О. Устройство очистки выхлопных газов транспортных средств. Журнал "Экономика и производство". Приложение "Технологии. Оборудование. Материалы", №2, февраль, 1999.

Устройство содержит эжектор для добавления воздуха к выхлопным газам и пористый материал. Также оно содержит перфорированную выхлопную трубу с нанесенным на нее снаружи пористым материалом, помещенным внутри эжектора, при этом толщина слоя пористого материала превышает диаметр выхлопной трубы в 1-3 раза, а размеры эжектора больше диаметра данной трубы в 2-4 раза. В результате в выхлопных газах снижается содержание токсичных веществ. 1 ил.

Устройство для снижения токсичности выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, содержащее эжектор для добавления воздуха к выхлопным газам и пористый материал, отличающееся тем, что оно содержит перфорированную выхлопную трубу с нанесенным на нее снаружи пористым материалом, помещенными внутри эжектора, при этом толщина слоя пористого материала превышает диаметр выхлопной трубы в 1-3 раза, а размеры эжектора больше диаметра данной трубы в 2-4 раза.