УСТРОЙСТВО ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ Российский патент 2007 года по МПК F02B75/10 

Областью применения предлагаемого изобретения являются автомобили с дизельными двигателями.

Современные устройства очистки выхлопных газов бензиновых двигателей автомобилей строятся на основе использования катализаторов.

Эти устройства не обеспечивают очистку выхлопных газов дизельных двигателей из-за загрязнения и дезактивации катализаторов сажей и серой, содержащихся в продуктах сгорания дизельного топлива.

В настоящее время ведутся интенсивные исследования и создаются опытные образцы устройств на основе некаталитического плазмохимического способа очистки выхлопных газов или совместного использования плазмы и катализаторов, в качестве которых в этом случае могут использоваться дешевые материалы, например γ-окись алюминия [US №6038854; Willems F., Creygthon Y. Experimental Study into Plasma-Assisted PM Removal for Diesel Engine, SAE 2003-01-1878].

Несмотря на то что не существует четкого представления о кинетике процессов в разряде и на поверхности катализаторов, окруженных плазмой, получаемые экспериментальные результаты позволяют рассчитывать на решение проблемы очистки выхлопных газов дизельных двигателей.

В этих устройствах для получения нетепловой (неравновесной) холодной плазмы до последнего времени использовался импульсный коронный электрический разряд. Принципиальный недостаток этого типа разряда заключается в неуправляемости начальным этапом возникновения стримеров вокруг одного из электродов, ведущей к замыканию электрического тока через разрядный промежуток и, соответственно, вследствие образования дуговых каналов к нарушению условий поддержания холодной плазмы, необходимой для реализации процесса очистки выхлопных газов.

Указанного недостатка лишены устройства, основанные на использовании плазменного СВЧ-разряда. Физические особенности этого типа разряда, связанные с отсутствием в нем направленного движения заряженных частиц, позволяют получить объемный заряд, перекрывающий все сечение потока газа при относительно высоком значении напряженности электрического поля в нем, и создать наиболее благоприятные для плазмохимической очистки газов условия.

Например, при использовании широко применяемых в бытовых СВЧ-печах и промышленных устройствах СВЧ-источниках на частоте 2,45 ГГц длительность нарастания СВЧ электрического поля от нуля до максимума составляет порядка 10^-10 сек (одну четверть периода СВЧ-волны) и фактически газ в течение СВЧ-импульса подвергается воздействию серии чрезвычайно коротких импульсов, разогревающих электроны плазмы до высоких энергий почти без нагрева остальной массы газа. Экспериментальные исследования показали [US №6422002], что в СВЧ-разряде удалось достичь энергии в 6,5 eV, что привело к снижению энергозатрат на удаление NO в 3 раза по сравнению с обычным разрядом, в котором достигнутый максимум энергии составил 4 eV.

Основным недостатком известных устройств, [M.Baeva etc., Pulsed microwave discharge at atmospheric pressure for NOx decomposition, Plasma sources. Sci. Technol. 11, 2002, 1-9] для СВЧ плазмохимической очистки выхлопных газов дизельных установок является их громоздкость, дороговизна и необходимость использования мощных (и потому дорогих) источников СВЧ-энергии. Описанное в этом источнике устройство предназначено для исследования процесса СВЧ плазмохимической очистки газов и не пригодно для практического использования.

В известном устройстве [US №5468356] для обеспечения высокой напряженности электрического поля используется система связанных резонаторов (диафрагмированный волновод), размещенная вокруг кварцевой трубки для протока газа. В этом устройстве, как показано в [M.Baeva etc. Pulsed microwave discharge at atmospheric pressure for NOx decomposition, Plasma sources, Sci. Technol. 11, 2002, 1-9.], не обеспечивается эффективное использование СВЧ-энергии в импульсном режиме, а в непрерывном режиме ввода СВЧ-энергии газ разогревается до недопустимых для процесса очистки температур. Предложенную СВЧ-систему трудно совместить с фильтром-ловушкой сажи и катализатором.

Наиболее близким техническим решением является устройство, в котором реализована плазмохимическая технология очистки газа в условиях СВЧ-разряда, а ловушки и катализаторы размещены в зоне разряда [US №6422002].

Это устройство содержит разрядную камеру с входным и выходным по отношению к потоку газа концами, систему фильтров-ловушек и катализаторов, узел ввода СВЧ-энергии и импульсный источник СВЧ-энергии.

Недостаток этого устройства заключается в необходимости использовать высокую импульсную мощность (250 кВт на частоте 5-6 ГГц, для получения которой требуется специальный дорогостоящий источник СВЧ энергии), чтобы получить требуемые значения напряженности электрического поля. Кроме того, указанный в этом патенте путь увеличения электрического поля за счет использования резонатора препятствует реализации преимуществ СВЧ-разряда (их описание дано в том же патенте), заключающихся в возможности быстрого подъема напряженности электрического поля от нуля до максимума на первой четверти периода СВЧ-волны. Это связано с тем, что резонатор является устройством, запасающим энергию, и амплитуда СВЧ-поля в нем достигает своего максимума за время, примерно соответствующее Q периодов СВЧ-колебаний (Q - добротность резонатора). Чем большее значение напряженности электрического поля требуется для проведения процесса, тем выше должна быть добротность резонатора и тем большее время требуется для достижения максимума этого поля. А в первый момент прихода СВЧ-волны она практически полностью отражается от резонатора.

Предложенное в качестве варианта устройство разрядной камеры в виде коаксиальной линии на волне ТЕМ (характеристическое сопротивление этой линии Z составляет величину около 80 Ом) также не обеспечивает получение в разряде больших значений электрического поля, так как напряжение в зазоре этой линии, определяемое соотношением (Р - СВЧ-мощность), мало при малом сопротивлении, характерном для коаксиальной линии (например, в прямоугольном волноводе оно выше и составляет в обычных режимах использования около 500 Ом). Это обстоятельство и диктует необходимость применения в известной конструкции СВЧ-источника большой мощности.

Кроме того, использование в известной конструкции стандартных СВЧ-узлов для ввода СВЧ-энергии в разрядную камеру и ее настройки увеличивает габариты. Для их уменьшения потребовалось использовать СВЧ-источник диапазона 5-6 ГГц, существенно более дорогой, чем аналогичные устройства традиционного для промышленного применения диапазона 2,45 ГГц.

Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в устранении недостатков известных устройств и создании малогабаритного устройства очистки выхлопных газов дизельных двигателей, содержащих сажевые частицы, на основе дешевого магнетрона, применяемого в СВЧ-печах.

Технический результат заключается в повышении степени очистки выхлопных газов при одновременном удешевлении процесса.

Указанный технический результат обеспечивается благодаря использованию для увеличения напряженности электрического поля электродинамической системы с высоким характеристическим сопротивлением, выбору типа СВЧ-волны и конструкции ее ввода в разрядную камеру, создающих вращение ее поляризации.

Поставленная задача решается тем, что устройство очистки выхлопных газов дизельных автомобилей, содержащих сажевые частицы, включающее разрядную камеру в виде трубы с входным и выходным по отношению к потоку газа концами, катализатор, узел ввода СВЧ-энергии и импульсный источник СВЧ-энергии, снабжено фильтром сажевых частиц, труба выполнена металлической, заполнена диэлектриком со сквозным отверстием для прохода газа, в этом отверстии на концах трубы размещены фильтр сажевых частиц и катализатор, узел ввода СВЧ-энергии размещен на металлической трубе камеры и содержит кожух, выполненный в виде сегмента цилиндрической поверхности, соединенной с трубой боковыми и торцевыми стенками и коаксиальной с трубой, в стенке последней под кожухом выполнены два окна, смещенных относительно друг друга по азимуту на 90 градусов, в кожухе - окно, к которому подсоединен прямоугольный волновод, при этом боковые стенки совмещены с продольными краями окон трубы камеры, а поперечные сечения, проходящие через торцевые стенки, совмещены с поперечными краями всех окон и широкая стенка прямоугольного волновода ориентирована вдоль оси устройства.

Кроме того, узел ввода СВЧ-энергии размещен над участком трубы, содержащим катализатор, а вдоль центральной оси камеры на этом участке установлен электрод, подключенный к источнику импульсного электрического напряжения. На проводнике могут быть установлены металлические диски и (или) разнесенные по азимуту штыри.

Катализатор и фильтр сажевых частиц выполнены в виде частиц шаровой формы из диэлектрика, частицы катализатора - из γ-окиси алюминия, частицы фильтра - из окиси кремния.

Конструкция устройства иллюстрируется чертежами

На фиг.1 схематически представлено устройство в продольном сечении.

На фиг.2 поперечное сечение устройства в области узла ввода СВЧ-энергии.

Устройство содержит разрядную камеру 1, образованную круглой металлической трубой - волноводом 2, внутри которого размещена диэлектрическая труба 3, узел ввода СВЧ-энергии 4, состоящий из кожуха 5, выполненного в виде сегмента цилиндрической поверхности, коаксиальной волноводу 2 и ограниченной боковыми 6 и торцевыми 7 стенками, и прямоугольного волновода 8, фильтр сажевых частиц 9 и катализатор 10. В трубе волновода 2 и в кожухе 5 выполнены окна ввода 11, 12 и 13. Конец волновода 2, в который поступает исходный газ, является входным 14, противоположный конец - выходным 15. Электрод 16 размещен на центральной оси устройства и подключен к источнику импульсного электрического напряжения (не показан).

К торцам трубы волновода 2 подсоединены трубы 17 и 18, запредельные для волны рабочей частоты.

Диэлектрическая труба 3 выполняет три функции: а) герметизирует окна 11 и 12 ввода СВЧ-энергии 4, выполненные в стенке трубы волновода 2; б) обеспечивает распространение в волноводе 2 электромагнитной волны типа Н₁₁ при уменьшенном диаметре трубы волновода 2; в) обеспечивает повышение напряженности электрического поля в зоне прохода газа за счет уменьшения его сечения по сравнению с волноводом без диэлектрика.

Выполнение окон ввода 11 и 12 со смещением по азимуту на 90 градусов при одновременном обеспечении разности электрических длин путей от окна 13 до этих окон равной четверти длины волны позволяет создать в волноводе 2 суммарную волну с вращающейся поляризацией.

Окна 11 и 12 ориентированы длинной стороной вдоль оси трубы 2 и торцевые стенки 7 замыкают кожух 5 на трубу 2 непосредственно по краям окон 11 и 12 таким образом, что размер пространства, ограниченного торцевыми стенками 7 вдоль оси, равен продольной длине окон 11 и 12.

Устройство работает следующим образом.

От импульсного источника СВЧ-энергии через прямоугольный волновод 8 и окно 13 СВЧ-импульс поступает в зазор между кожухом 5 узла ввода СВЧ-энергии 4 и трубой 2, затем через окна 11 и 12 в металлической трубе 2 разрядной камеры 1 возбуждает в ее полости две ортогонально поляризованные электромагнитные волны типа Н₁₁. При сдвиге фаз между этими волнами равном ^π/₂, который создан за счет разности электрических длин путей от окна 13 в кожухе до окон 11 и 12 возбуждения каждой из волн, поляризация суммарного электрического поля этих волн будет вращаться вокруг оси металлической трубы 2 разрядной камеры 1, что необходимо для получения однородного диффузного разряда.

Высокое значение электрического поля в металлической трубе - волноводе 2 обеспечено выбором его поперечных размеров из условия незначительного превышения рабочей длины волны λ₀ над его критической длиной волны λ_кр с учетом его частичного заполнения диэлектриком. В этом случае, как известно, характеристическое сопротивление волновода с диэлектриком для волны типа Н₁₁ возрастает и по мере приближения λ₀ длине волны отсечки λ_кр стремится к бесконечности. Соответственно, возрастает и величина напряженности электрического поля, достигая внутри диэлектрической трубы 3 на частоте 2,45 ГГц при импульсной мощности 10-15 кВт значения, превышающего пробивную величину, что и требуется для начала и развития процесса.

Подача напряжения на центральный электрод 16 позволяет добавить импульсное электрическое (квазипостоянное) поле к электрическому полю СВЧ-волны и достичь суммарных величин, необходимых для оптимальных условий плазмохимического процесса.

До возникновения пробоя внутри диэлектрической трубы 3 устанавливается электромагнитная стоячая волна, в зоне максимума электрического поля которой возникает электрический пробой, и затем плазма заполняет всю разрядную камеру 1. Фронт ионизации плазмы, подпитываемый энергией СВЧ-волны, распространяющейся вдоль плазмы, проникает с одной стороны в зону фильтра-ловушки 9, а с другой стороны - в зону катализаторов 10. При этом благодаря наличию поляризационных эффектов напряженность электрического поля у поверхности шариков, образующих фильтры 9 и катализаторы 10, резко возрастает, обеспечивая высокую эффективность окисления углерода в углекислый газ в фильтре-ловушке 9 и каталитическое преобразование в присутствии углеводородов двуокиси азота NO, образующейся в плазме, N₂ и CO₂.

Общую длину разрядной камеры 1 и длины зон фильтра-ловушки 9 и катализатора 10 следует выбирать так, чтобы пучность электрического поля в стоячей волне попадала в наиболее подходящую для процесса очистки часть камеры 1. Например, располагая пучность электрического поля внутри зоны катализатора 10, можно усилить процессы химических преобразований на поверхности и вблизи катализаторов 10, а размещая пучность электрического поля в свободной зоне камеры перед катализатором 10, - улучшить предварительную наработку NO₂ и простых углеводородов, участвующих в процессах на поверхности катализаторов.

Прилагаемое между волноводом 2 и электродом 16 импульсное напряжение облегчает получение необходимых для пробоя значений напряженности электрического поля. Длительность его импульса должна быть значительно меньше длительности СВЧ-импульса, так как по мере развития разряда и поляризации плазмы за счет протекания через нее направленного тока заряженных частиц эффект увеличения напряженности суммарного электрического поля за счет напряженности квазипостоянного поля значительно уменьшается. Практически оказывается достаточной длительность импульса напряжения 10^-7 с.

Предложенная конструкция позволяет значительно увеличить напряженность электрического поля Е в режиме бегущей волны и при одновременном дополнительном использовании импульсного электрического поля достичь необходимых для реализации процесса значений напряженности Е. Как показали наши эксперименты, сочетание импульсной СВЧ-мощности порядка 10 кВт и импульсного напряжения порядка 5-10 кВ на электроде 16 позволяет создать устройство очистки на базе обычного магнетрона для СВЧ-печей, массово выпускаемого промышленностью. При этом установлено также, что, например, магнетрон с выходной мощностью в непрерывном режиме до 2 кВт сохраняет свои эксплуатационные характеристики в импульсном режиме при длительности импульса 1-50 мкс и выходной мощности 15-20 кВт.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает удешевление процесса очистки выхлопных газов за счет уменьшения габаритов устройства с одновременным использованием недорогих, сравнительно маломощных магнетронов широко используемого диапазона частот, а создание высокой напряженности электрического поля и вращение его поляризации в разрядной камере позволяет повысить степень очистки выхлопных газов.

Изобретение позволяет повысить степень очистки выхлопных газов при одновременном удешевлении процесса. Устройство содержит разрядную камеру, выполненную в виде металлической трубы, заполненной диэлектриком со сквозным отверстием для прохода газа, в этом отверстии на концах трубы размещены фильтр сажевых частиц и катализатор, узел ввода СВЧ энергии размещен на металлической трубе и содержит кожух, выполненный в виде сегмента цилиндрической поверхности, соединенной с трубой боковыми и торцевыми стенками и коаксиальной с трубой. В стенке последней под кожухом выполнены два окна, смещенные относительно друг друга по азимуту на 90 градусов, в кожухе - окно, к которому подсоединен прямоугольный волновод, при этом боковые стенки совмещены с продольными краями окон трубы камеры, а поперечные сечения, проходящие через торцевые стенки, совмещены с поперечными краями всех окон, и широкая стенка прямоугольного волновода ориентирована вдоль оси устройства. Узел ввода СВЧ-энергии размещен над катализатором, а вдоль центральной оси камеры на этом участке установлен электрод, подключенный к источнику импульсного электрического напряжения. Фильтр сажевых частиц и катализатор могут быть выполнены в виде частиц шаровой формы из диэлектрического материала. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство очистки выхлопных газов дизельных автомобилей, содержащих сажевые частицы, включающее разрядную камеру в виде трубы с входным и выходным по отношению к потоку газа концами, катализатор, узел ввода СВЧ-энергии и импульсный источник СВЧ-энергии, отличающееся тем, что устройство снабжено фильтром сажевых частиц, труба выполнена металлической, заполнена диэлектриком со сквозным отверстием для прохода газа, в этом отверстии на концах трубы размещены фильтр сажевых частиц и катализатор, узел ввода СВЧ-энергии размещен на металлической трубе и содержит кожух, выполненный в виде сегмента цилиндрической поверхности, соединенной с трубой боковыми и торцевыми стенками и коаксиальной с трубой, в стенке последней под кожухом выполнены два окна, смещенные относительно друг друга по азимуту на 90°, в кожухе - окно, к которому подсоединен прямоугольный волновод, при этом боковые стенки кожуха совмещены с продольными краями окон трубы, а поперечные сечения, проходящие через торцевые стенки, совмещены с поперечными краями всех окон и широкая стенка прямоугольного волновода ориентирована вдоль оси устройства.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел ввода СВЧ-энергии размещен над участком трубы, содержащим катализатор, а вдоль центральной оси трубы на этом участке установлен электрод, подключенный к источнику импульсного электрического напряжения.3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что фильтр сажевых частиц и катализатор выполнены в виде частиц шаровой формы из диэлектрического материала.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что частицы фильтра выполнены из окиси кремния.5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что частицы катализатора выполнены из γ-окиси алюминия.