Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение, в основном, относится к области снижения загрязнения окружающей среды, в частности загрязнения воздуха, вызываемого выделениями устройств, таких как двигатели внутреннего сгорания транспортных средств (цикл Отто, цикл Дизеля), горелки для нагревательных систем, генераторы пара для электростанций, работа которых включает сжигание топлив, например ископаемых топлив, таких как углеводородные топлива, или топлив, содержащих углеводород, таких как нефть, включая природный газ, уголь, древесину и тому подобные. В частности, изобретение относится к способу и устройству для осуществления способа для снижения продуктов сгорания, в частности вредных, ядовитых загрязняющих веществ, в выхлопных газах.
Уровень техники
Проблема загрязнения окружающей среды в настоящее время очень чувствительна для людей и правительств, и постоянно производятся усилия, чтобы найти решения для снижения влияния разнообразной деятельности человека на окружающую среду.
В частности, загрязнение воздуха, вызываемое выделениями устройств, таких как двигатели внутреннего сгорания транспортных средств (на основе цикла Отто или цикла Дизеля), горелки для нагревательных систем, паровые котлы для электростанций, работа которых включает сжигание топлив, в частности ископаемых топлив, таких как углеводородные топлива, или топлив, содержащих углеводород, подобно нефти, включая природный газ и уголь, является, возможно, первым аспектом, который должен быть признан в более общей проблеме загрязнения окружающей среды.
Хотя проблема массивных выделений загрязняющих веществ в атмосферу была начата с изобретением паровой машины в начале промышленной революции, произошел впечатляющий прирост движущихся транспортных средств на пространствах городов в десятилетия после второй мировой войны, который вывел эту проблему на передний план.
Таким образом, с одной стороны, меры, ограничивающие движение транспортных средств, были и все еще принимаются, когда положение достигает критического уровня. С другой стороны и параллельно этому, под давлением правительств и общественного мнения, производители транспортных средств и исследовательские институты начали заниматься решениями проблемы выделения ядовитых загрязняющих веществ двигателями внутреннего сгорания.
Например, в географической области Европейского Союза максимальные уровни допустимых выделений транспортных средств устанавливаются законом, и была введена система классификации для двигателей транспортных средств, основанная на их соответствующем уровне выделений загрязняющих веществ; в частности, с января 2001 г. предшествующие стандарты, известные как EBPO1 (введенный в 1987 г.) и EBPO2, были заменены более ограничительным стандартом EBPО3, который будет заменен даже более строгим стандартом EBPO4 с января 2006 г. Эта классификация налагает такое обязательство, согласно которому транспортным средствам, попадающим в более низкие классы, не разрешается движение в случае издания ограничительных мер правительствами или общественными администрациями вследствие приближения кризисной ситуации.
Основные загрязняющие вещества, присутствующие в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания, в частности, типа Дизеля, представляют собой оксид углерода (СО), диоксид углерода (CO2), несгоревшие углеводороды (HC), различные оксиды азота (NOx) и Вещества в виде частиц (РМ), в особенности углерод в виде частиц.
Подобные вещества находятся в выхлопных газах нагревательных установок и, в более общем смысле, любого устройства, действие которого включает сжигание топлив, в частности ископаемого топлива.
Каждое из вышеупомянутых веществ является ядовитым для здоровья человека по одной или большему числу причин, вызывая рак, болезнь легких и другие. Таким образом, будет чрезвычайно важно снизить, насколько это возможно, или возможно исключить эти вещества из выхлопных газов.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является патент US 3473323, 1969 г., раскрывающий способ снижения продуктов сгорания в выхлопных газах, образующихся при сжигании топлива, устройство для снижения продуктов сгорания, в частности загрязняющих веществ в выхлопных газах, образующихся при сжигании топлива, включающее систему для обработки выхлопных газов перед выпуском их в окружающую среду.
Сущность изобретения
С точки зрения состояния уровня техники, описанного выше, задачей настоящего изобретения является обеспечение эффективного решения проблемы загрязнения в связи с выделениями двигателей внутреннего сгорания и, в более общем смысле, проблемой загрязнения в связи с выделениями любого устройства, действие которого включает сжигание топлив, в частности, но не ограничительно, ископаемого топлива, такого как углеводородные топлива, или топлив, содержащих углеводород, таких как нефть, включая природный газ и уголь, или даже древесина, и в общем смысле любое топливо, которое может быть использовано в процессе сжигания.
Было обнаружено, что ядовитые загрязняющие вещества (газы, пыль, материал в виде частиц, в частности углерод в виде частиц), которые обычно производятся устройствами, работа которых включает сжигание топлива, в частности, но не ограничительно, ископаемого топлива, такими как двигатели внутреннего сгорания и горелки нагревательных систем зданий, могут быть существенно снижены, не сказать, чтобы полностью исключены, если выхлопные газы подвергаются обработке, которая включает дожигание выхлопных газов и, в частности, радиационное дожигание, которое воспламеняется посредством того, что выхлопные газы подвергаются воздействию радиационной энергии, обеспечивая относительно быстрый подъем температуры выхлопных газов до значения в диапазоне температур, выбранном надлежащим образом, приспособленном для существенного уничтожения загрязняющих веществ, присутствующих в выхлопных газах.
Под радиационным сгоранием подразумевается процесс сгорания, который воспламеняется источником тепла, не включающим присутствия пламени, но излучающим электромагнитную энергию, в особенности, в диапазоне длин волн от инфракрасного (ИК) до ультрафиолетового (УФ).
Другими словами, заявитель обнаружил, что подвергая выхлопные газы воздействию радиационной энергии в спроектированном соответствующим образом радиационном реакторе, в котором газы подвергаются относительно быстрому подъему их температуры, вплоть до значения в выбранном диапазоне температур, достигается по существу совершенное дожигание, где под «совершенным» подразумевается дожигание, которое обеспечивает по существу удаление любых ядовитых компонентов или веществ, таких как CO, CO2, HC, оксиды азота, PM, в частности углерод в виде частиц, оксиды серы, из выхлопных газов, которые образуются при сжигании топлив.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, таким образом предусмотрен способ снижения загрязняющих веществ в выхлопных газах, образующихся при сжигании ископаемого топлива, как изложено в независимом пункте 1 на способ.
Способ включает обработку выхлопных газов перед выпуском их в окружающую среду посредством осуществления процесса дожигания, в соответствии с которым выхлопные газы подвергаются воздействию радиационной энергии с тем, чтобы повысить их температуру до значения, достаточного для обеспечения самовозгорания.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения также предусмотрено устройство для снижения загрязняющих веществ в выхлопных газах, образующихся при сжигании ископаемого топлива, как изложено в независимом пункте 16 на устройство.
Кратко, устройство содержит средство для обработки выхлопных газов перед выпуском их в окружающую среду, причем такое средство для обработки содержит радиационную камеру сгорания, через которую обеспечивается прохождение выхлопных газов с тем, чтобы они подвергались воздействию теплоты радиации для повышения их температуры до значения, достаточного для обеспечения самовозгорания, причем дожигание выхлопных газов осуществляется перед выпуском их в окружающую среду.
Таким образом, согласно первому объекту изобретения создан способ снижения продуктов сгорания в выхлопных газах, образующихся при сжигании топлива, включающий обработку выхлопных газов перед их выпуском в окружающую среду,
в котором обработка выхлопных газов включает дожигание, осуществляемое следующим образом:
подают выхлопные газы в радиационный реактор сгорания, включающий радиационную камеру сгорания и средства для подачи электрической энергии в радиационную камеру сгорания, причем радиационный реактор сгорания обеспечивает превращение подаваемой электрической энергии в радиационную энергию, излучаемую в радиационную камеру сгорания, и
подвергают выхлопные газы воздействию радиационной энергии в радиационном реакторе сгорания для повышения температуры выхлопных газов до значения, достаточного для обеспечения самовозгорания.
Предпочтительно внутри радиационного реактора сгорания температуру выхлопных газов повышают до значения в диапазоне от приблизительно 400°С до приблизительно 1400°С, предпочтительно от приблизительно 900°С до приблизительно 1200°С и более предпочтительно от приблизительно 900°С до приблизительно 1100°С.
Предпочтительно способ дополнительно содержит фильтрацию, которой подвергают выхлопные газы с тем, чтобы по существу удалить остаточную несгоревшую пыль и вещества в виде частиц, присутствующие в выхлопных газах, причем фильтрацию осуществляют, по меньшей мере, после дожигания.
Преимущественно дожигание выполняют, по меньшей мере, в две стадии, причем фильтрацию, которой подвергают выхлопные газы, осуществляют между двумя стадиями.
Предпочтительно фильтрация представляет собой активную фильтрацию.
Предпочтительно способ дополнительно включает предварительный нагрев выхлопных газов перед осуществлением дожигания.
Предпочтительно предварительный нагрев выхлопных газов включает доведение температуры выхлопных газов до выше приблизительно 400°С, предпочтительно в диапазоне от приблизительно 400°С до приблизительно 700°С.
Предпочтительно предварительный нагрев выхлопных газов включает ускорение и сжатие выхлопных газов.
Преимущественно способ дополнительно включает снижение температуры выхлопных газов после осуществления дожигания, перед выпуском выхлопных газов дожигания в окружающую среду.
Предпочтительно температуру выхлопных газов дожигания снижают до значений в диапазоне от приблизительно 100°С до приблизительно 150°С.
Предпочтительно снижение температуры выхлопных газов осуществляют после фильтрации.
Предпочтительно снижение температуры выхлопных газов включает
прохождение выхлопных газов, подвергнутых дожиганию, через устройство для теплообмена,
направление выхлопных газов, подлежащих дожиганию, в устройство для теплообмена, при этом тепло, выпускаемое посредством дожигания выхлопных газов, используется для предварительного нагрева выхлопных газов, направляемых на дожигание.
Предпочтительно дожигание выполняют непрерывно, причем выхлопные газы, которые подвергают дожиганию, по существу находятся в соотношении соприкосновения с выхлопными газами дожигания внутри радиационного реактора сгорания.
Предпочтительно дожигание выполняют частично непрерывно, причем выхлопные газы, которые подвергают дожиганию, отделяют от выхлопных газов дожигания внутри радиационного реактора сгорания за время порядка 10-6 секунд.
Преимущественно дожигание выполняют прерывистым, причем выхлопные газы, уже подвергнутые дожиганию, удерживают по существу отделенными от выхлопных газов, которые подвергают дожиганию.
Согласно второму объекту изобретения создано устройство для снижения продуктов сгорания, в частности загрязняющих веществ в выхлопных газах, образующихся при сжигании топлива, включающее систему для обработки выхлопных газов перед выпуском их в окружающую среду,
в которой система для обработки выхлопных газов содержит радиационный реактор сгорания, включающий радиационную камеру сгорания и средства для подачи энергии в радиационную камеру сгорания, обеспечивающий превращение подаваемой энергии в радиационную энергию, излучаемую в радиационную камеру, при этом через радиационный реактор сгорания проходят выхлопные газы для того, чтобы подвергать их воздействию радиационной энергии для повышения температуры выхлопных газов до значения, достаточного для обеспечения самовозгорания, при этом осуществляется дожигание выхлопных газов перед выпуском их в окружающую среду.
Предпочтительно внутри радиационного реактора сгорания температура выхлопных газов повышается до значения в диапазоне от приблизительно 400°С до приблизительно 1400°С, предпочтительно от приблизительно 900°С до приблизительно 1200°С, более предпочтительно от приблизительно 900°С до приблизительно 1100°С.
Предпочтительно устройство дополнительно включает фильтрующие устройства для удаления по существу остаточной несгоревшей пыли и вещества в виде частиц, присутствующих в выхлопных газах, причем фильтрующее устройство размещено, по меньшей мере, ниже по потоку, чем радиационный реактор сгорания.
Предпочтительно радиационный реактор сгорания включает две камеры, одна ниже по потоку, чем другая, причем фильтрующее устройство дополнительно размещено между двумя камерами.
Предпочтительно фильтрующие средства содержат активные фильтры, в частности селективные фильтры, основанные на керамических и цеолитовых материалах.
Предпочтительно устройство дополнительно включает камеру предварительного нагрева выше по потоку, чем радиационный реактор сгорания для предварительного нагревания выхлопных газов перед осуществлением дожигания.
Преимущественно в камере предварительного нагрева выхлопные газы предварительно нагреваются до температуры выше приблизительно 400°С, предпочтительно в диапазоне от приблизительно 400°С до приблизительно 700°С.
Предпочтительно камера предварительного нагрева включает устройство для ускорения и сжатия выхлопных газов, в частности один или более вентиляторов или систему вентиляторов, турбину, турбокомпрессор.
Предпочтительно камера предварительного нагрева дополнительно включает трубку Вентури для дополнительного ускорения выхлопных газов.
Предпочтительно устройство дополнительно включает устройство для теплообмена ниже по потоку, чем радиационный реактор сгорания, для снижения температуры выхлопных газов после осуществления дожигания перед выпуском выхлопных газов дожигания в окружающую среду.
Преимущественно устройство для теплообмена обеспечивает снижение температуры выхлопных газов дожигания до значения в диапазоне от приблизительно 100°С до приблизительно 150°С.
Предпочтительно устройство для теплообмена расположено ниже по потоку, чем фильтрующее устройство.
Предпочтительно устройство для теплообмена соединено с камерой предварительного нагрева, с тем чтобы тепло, выпускаемое посредством дожигания выхлопных газов в устройстве для теплообмена, использовалось для предварительного нагрева выхлопных газов в камере предварительного нагрева.
Предпочтительно устройство дополнительно включает блок управления, в частности, электронный программируемый блок управления для управления дожиганием.
Предпочтительно радиационная камера сгорания включает закрытый проход для выхлопных газов и нагревательное устройство, связанное с закрытым проходом для нагрева стенок.
Предпочтительно нагревательная система включает нагреватели на основе эффекта Джоуля.
Предпочтительно закрытый проход включает систему каналов, включающую, по меньшей мере, один канал для прохода выхлопных газов и имеющую связанные с ней электрические сопротивления для нагрева стенок канала.
Предпочтительно система каналов содержит, по меньшей мере, одно устройство каналов по существу U-образной формы, по существу двойной U-образной формы или по существу W-образной формы, причем вокруг, по меньшей мере, одного из каналов навито, по меньшей мере, одно спиральное сопротивление, снабжаемое электрической энергией с возможностью управления для нагрева стенок каналов.
Преимущественно устройство содержит устройство каналов, связанное, по меньшей мере, с одной тепловой радиационной панелью, имеющей внедренный в нее генератор тепла на основе эффекта Джоуля.
Предпочтительно нагревательная система включает источник оптической радиации, в частности лазер.
Преимущественно источник оптической радиации содержит, по меньшей мере, один лазер.
Предпочтительно, по меньшей мере, один лазер работает в пульсационном режиме.
Предпочтительно устройство дополнительно содержит устройство для отражения/отклонения оптической радиации, чтобы отражать/отклонять оптическую радиацию в закрытый проход.
Предпочтительно предусмотрен внутренний ротор для отделения холодных выхлопных газов от горячих.
Предпочтительно система сепарации газов включает в себя ротор, расположенный с возможностью вращения внутри радиационного реактора сгорания.
Согласно третьему объекту изобретения создана система, включающая устройство для сжигания топлива, в которой сжигается топливо, и устройство для обработки выхлопных газов, образующихся при сжигании, в которой устройство для обработки выхлопных газов включает радиационный реактор сгорания, включающий радиационную камеру сгорания и средства для подачи энергии в радиационную камеру сгорания, обеспечивающий превращение подаваемой энергии в радиационную энергию, излучаемую в радиационную камеру, при этом через радиационный реактор сгорания проходят выхлопные газы, чтобы подвергать их воздействию радиационной энергии для повышения температуры выхлопных газов до значения, достаточного для обеспечения самовозгорания, при этом осуществляется дожигание выхлопных газов перед выпуском их в окружающую среду.
Предпочтительно устройство для сжигания топлива представляет собой двигатель внутреннего сгорания, в частности двигатель транспортного средства.
Предпочтительно устройство для сжигания топлива представляет собой горелку нагревательной системы.
Предпочтительно устройство для сжигания топлива представляет собой паровой котел для производства электрической энергии.
Краткое описание чертежей
Эти и другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из следующего подробного описания некоторых его вариантов осуществления, представленных только посредством неограничительных примеров, описание которых будет приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых
на фиг.1 изображена схематическая диаграмма, показывающая, частично в виде функциональных блоков, устройство для осуществления способа в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.2 изображен в аксонометрическом виде возможный практический вариант осуществления устройства, схематически показанного на фиг.1;
на фиг.3 схематически изображен в аксонометрическом виде радиационный реактор сгорания устройства на фиг.1 в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.4 схематически изображен в аксонометрическом виде радиационный реактор сгорания устройства на фиг.1 в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.5 схематически изображен в аксонометрическом виде радиационный реактор сгорания устройства на фиг.1 в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.6 схематически изображен в аксонометрическом виде радиационный реактор сгорания устройства на фиг.1 в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.7 схематически изображен в аксонометрическом виде радиационный реактор сгорания устройства на фиг.1 в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.8 схематически изображен в продольном разрезе радиационный реактор сгорания устройства на фиг.1 в соответствии с шестым вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.9 схематически изображен в продольном разрезе радиационный реактор сгорания устройства на фиг.1 в соответствии с седьмым вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.10 изображен чисто схематически другой тип радиационного реактора сгорания, приспособленного для использования его в устройстве на фиг.1;
на фиг.11 схематически изображен в аксонометрическом виде первый возможный вариант осуществления радиационного реактора сгорания на фиг.10 в варианте осуществления настоящего изобретения;
на фиг.12 схематически изображен в аксонометрическом виде второй возможный вариант осуществления радиационного реактора сгорания на фиг.10 в другом варианте осуществления настоящего изобретения;
на фиг.13 изображен довольно схематически в аксонометрическом виде третий возможный вариант осуществления радиационного реактора сгорания на фиг.10 в еще одном варианте осуществления настоящего изобретения;
на фиг.14А, 14В и 14С схематически изображен в аксонометрическом виде и в поперечном разрезе первый возможный вариант осуществления третьего типа радиационного реактора сгорания, приспособленного для использования его в устройстве на фиг.1;
на фиг.15 схематически изображен в аксонометрическом виде второй возможный вариант осуществления третьего типа радиационного реактора сгорания и
на фиг.16 схематически изображен в аксонометрическом виде третий возможный вариант осуществления третьего типа радиационного реактора сгорания.
На фиг.17 показана диаграмма испытания на дизельном двигателе.
На фиг.18 показана диаграмма испытания на котле.
Подробное описание предпочтительного варианта(ов) осуществления изобретения
Со ссылкой на фиг.1 предусмотрена схематическая диаграмма, показывающая, частично с точки зрения функциональных блоков, устройство для осуществления способа снижения загрязняющих веществ в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Устройство для снижения загрязняющих веществ, обозначенное в целом как 100, схематически изображено размещенным ниже по потоку, чем блок 105, представляющий в общем устройство любого типа, работа которого включает сжигание топлив, в частности ископаемых топлив, таких как углеводородные топлива или топлива, содержащие углеводород, такие как нефть, включая природный газ, уголь, древесину и тому подобное, в общем, любое топливо, приспособленное для использования в процессе сжигания; например, устройство 105 может быть двигателем внутреннего сгорания транспортного средства, в особенности, но не исключительно, типа Дизеля, или основанного на цикле Отто, или горелкой нагревательной системы для зданий, или паровыми котлами для электростанций. Ниже по потоку, чем устройство 100 для снижения загрязняющих веществ, размещен блок 110, схематически представляющий систему выпуска выхлопных газов любого традиционного типа, например простой глушитель транспортного средства.
Более подробно, устройство 100 для снижения загрязняющих веществ имеет впускной разветвленный трубопровод 115i для прохождения выхлопных газов сгорания из устройства 105; выхлопные газы обрабатываются посредством устройства 100 перед выпуском в окружающую среду; устройство 100 для снижения загрязняющих веществ имеет выпускной разветвленный трубопровод 115o для подачи обработанных выхлопных газов в систему 110 выпуска выхлопных газов (однако следует отметить, что система 110 выпуска выхлопных газов может также не быть предусмотрена, и обработанные выхлопные газы могут выпускаться прямо в окружающую среду).
Посредством впускного разветвленного трубопровода 115i подводятся выхлопные газы, подлежащие обработке, в камеру 120 предварительного нагрева газов, в которой выхлопные газы, полученные из устройства 105 при относительно низкой температуре, подвергаются процессу предварительного нагрева. Рассматривая, например, случай выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания, в частности, типа Дизеля, температура выхлопных газов должна быть теоретически около 400-450°С; однако экспериментальные испытания, проведенные заявителем, показали, что температура выхлопных газов обычно ниже и находится в диапазоне от приблизительно 150°С до приблизительно 300°С. Процесс предварительного нагрева в камере 120 предварительного нагрева обеспечивает доведение температуры выхлопных газов до соответственно большего значения, предпочтительно до значения выше чем 400°С, например значения в диапазоне от приблизительно 400°С до 700°С и предпочтительно от приблизительно 550°С или 600°С до приблизительно 700°С.
В варианте осуществления настоящего изобретения камера 120 предварительного нагрева содержит средство, обеспечивающее сжатие входящих выхлопных газов, посредством этого температура газов повышается. В частности, камера 120 предварительного нагрева может содержать средство, обеспечивающее соответствующее ускорение выхлопных газов, в частности один или более вентиляторов (или устройство, т.е. система надлежащим образом расположенных вентиляторов), турбину (или устройство турбин), турбокомпрессор; эти элементы только схематически показаны на фиг.1 и обозначены на ней как 121. Ускорение, сообщаемое выхлопным газам, предпочтительно является таким, что температура газа повышается до приблизительно 500°С-600°С.
Предпочтительно, ниже по потоку, чем средство 121 для ускорения выхлопных газов, предусмотрена трубка Вентури (схематически представленная на фиг.1 и обозначенная на ней как 123) для дополнительного сжатия выхлопных газов и таким образом для создания дополнительного повышения их температуры, например, вплоть до температуры приблизительно 700°С.
Из камеры 120 предварительного нагрева предварительно нагретые газы транспортируются в радиационный реактор 125 сгорания или радиационную камеру сгорания, расположенную еще ниже по потоку, чем трубка Вентури 123.
Радиационная камера сгорания, несколько практических вариантов которой будет описано более подробно ниже, представляет собой камеру со стенками, изготовленными из соответствующего материала, которые нагреваются посредством источника тепла до заранее заданной температуры, посредством этого стенки камеры излучают электромагнитную энергию внутрь камеры (способом, который аппроксимирует излучение абсолютно черного тела). Внутри радиационной камеры сгорания температура выхлопных газов повышается далее и довольно быстро от температуры предварительного нагрева, например от начальной, приблизительно 700°С, до температуры в диапазоне от приблизительно 900°С до приблизительно 1200°С, предпочтительно от приблизительно 900°С до приблизительно 1100°С, требуемой для определения сгорания (дожигания) выхлопных газов; более широко верхний предел температуры выхлопных газов может быть выбран таким образом, чтобы при такой температуре образование оксидов азота было неуместным; таким образом, максимальная температура газов внутри камеры сгорания может достигать 1300-1400°С или даже более высоких температур, например вплоть до 1800°С. Повышение температуры достигается посредством радиационной электромагнитной энергии, в частности, в диапазоне длин волн от ИК до УФ, излучаемых от стенок радиационной камеры сгорания. В случае, когда не предусмотрено предварительного нагрева, внутри радиационной камеры сгорания температура выхлопных газов должна быть повышена от упомянутых выше начальных 150°С-300°С до требуемой высокой температуры.
Возможное объяснение повышения температуры выхлопных газов внутри радиационной камеры сгорания может быть найдено в радиационном эффекте, в соответствии с которым передача энергии от стенок радиационной камеры сгорания к выхлопным газам пропорциональна четвертой степени температуры в градусах Кельвина.
Подвергая выхлопные газы такому быстрому повышению температуры, процесс дожигания выхлопных газов, которые воспламеняются автоматически, обеспечивает возможность существенного снижения или даже исключения ядовитых несгоревших частиц, присутствующих в выхлопных газах. В частности, в выхлопных газах, обычно представляющих собой смесь кислорода, несгоревших углеводородов, частиц углерода, самовозгорание автоматически воспламеняется, поскольку газообразная текучая среда в камере сгорания проходит в окружающую среду при температуре, которая выше, чем температура самовозгорания (специфическое значение которой зависит от веществ, присутствующих в выхлопных газах), и сгорание выполняется с использованием радиационной энергии, излучаемой от стенок камеры. Это существенно улучшает эффективность сжигания частиц углерода, которое является более трудным, чем сжигание углеводородов, так как время сжигания экспоненциально зависит от размера и формы частиц.
Было отмечено, что посредством обеспечения температуры газа в радиационной камере сгорания достаточно высокой, в частности выше чем приблизительно 450°С, предпочтительно в диапазоне от приблизительно 900°С до приблизительно 1200°С и более предпочтительно от приблизительно 900°С до приблизительно 1100°С, или выше вплоть до 1800°С (в общем, до температуры ниже, чем температура, при которой начинают образовываться оксиды азота), количество оксидов азота, уже присутствующих в выхлопных газах, снижается. С этой целью дожигание выхлопных газов может сочетаться с известными процессами восстановления, такими как процесс Не селективного каталитического восстановления (НСКВ) в присутствии кислорода (путем обеспечения соответствующей подачи кислорода в радиационную камеру сгорания), или процесс Селективного каталитического восстановления (СКВ), в присутствии благородного катализатора (например, платины), удерживаемого при высокой температуре посредством потока выхлопных газов. Отмечено, что процессы НСКВ и СКВ могут использоваться альтернативно один другому или в сочетании в зависимости, в частности, от конструкции, например, от геометрии радиационной камеры сгорания.
Также следует отметить, что в радиационной камере сгорания дожигание выхлопных газов имеет место при постоянном давлении.
На фиг.1 радиационная камера сгорания показана очень схематически, и она изображена как канал по существу С-образной формы; однако, это не подразумевается как ограничение настоящего изобретения; в последующем в настоящем описании радиационная камера сгорания будет описана более подробно, и несколько возможных вариантов ее осуществления будет представлено и обсуждено. В любом случае, конструкция радиационной камеры сгорания, в частности ее геометрия, будет такой, которая будет обеспечивать, чтобы выхлопные газы подвергались воздействию радиационной энергии в течение времени, достаточного для достижения требуемой температуры, например температуры в упомянутом выше диапазоне температур, приспособленном, чтобы вызвать дожигание загрязняющих веществ.
Выборочно, первый фильтрующий элемент 130a расположен вдоль радиационной камеры сгорания (например, радиационная камера сгорания может состоять из двух частей в виде каскада, и фильтрующий элемент 130a может быть расположен между первой и второй частью).
После выхода из радиационной камеры сгорания выхлопные газы дожигания подводятся ко второму фильтрующему элементу 130b.
Каждый элемент или оба фильтрующих элемента 130a и 130b могут содержать активные и/или неактивные фильтры, в частности селективные фильтры, предпочтительно активные нанофильтры из керамического/цеолитового материала, и используются для улавливания остатков пыли и Вещества в виде частиц (здесь и далее кратко РМ), еще присутствующих в выхлопных газах после дожигания в радиационной камере сгорания. Активный фильтр, в основном, действует, как катализатор в реакциях окисления; активные фильтры обычно основаны на металлах. Неактивный фильтр является по существу ловушкой. Наблюдается, что при использовании, например, цеолитовых материалов, могут быть использованы как активные, так и неактивные фильтры (помещение цеолита в ванну из золота или палладия производит активный фильтр). В частности, первый фильтрующий элемент 130а, если он предусмотрен, дает возможность улавливания остаточной, несгоревшей пыли и РМ, присутствующих в выхлопных газах после первой фазы дожигания, в то время как второй фильтрующий элемент 130b, расположенный на выходе из радиационной камеры сгорания, служит для улавливания несгоревшей пыли и РМ, все еще остающихся в выхлопных газах после дожигания. В зависимости от типа принятых нанофильтров, фильтрующие элементы могут действовать либо как горячие катализаторы, либо как чистые фильтры.
Следует отметить, что необходимое устройство, число и размеры нанофильтров, образующих фильтрующие элементы 130a и 130b, будут зависеть от конкретного типа устройства 105, с которым будет соединяться устройство 100 для снижения загрязняющих веществ. Однако, как общее правило, должны быть использованы нанофильтры, стойкие к высоким температурам.
Также может быть предусмотрен более чем один промежуточный фильтрующий элемент 130a вдоль радиационной камеры сгорания.
Предпочтительно, чтобы фильтрующие элементы 130a и 130b были выполнены с возможностью удаления из устройства 100 и более предпочтительно с возможностью ремонта или регенерации.
По выбору предусмотрены средства, обеспечивающие выход газов дожигания из радиационной камеры сгорания, которые показаны прозрачными и обозначены как 127 на фиг.1, например, эти средства могут содержать другую трубку Вентури или любое другое устройство для определения падения давления ниже по потоку, чем камера.
После прохода через второй фильтрующий элемент 130b обработанные выхлопные газы (по существу, свободные от ядовитых загрязняющих веществ) подводятся к устройству 135 для теплообмена. В устройстве 135 для теплообмена температура обработанных выхлопных газов понижается от приблизительно 900°С-1200°С до значений, подходящих для того, чтобы избежать тепловых ударов, таких как значение температуры приблизительно 100°С-150°С или ниже, от приблизительно 50°С-150°С.
Целесообразно, как схематически изображено на чертеже, чтобы устройство 135 для теплообмена была выполнена таким образом, чтобы, по меньшей мере, часть тепла, выпускаемого посредством обработанных выхлопных газов, использовалась для предварительного нагрева входящих газов, подлежащих обработке в камере 120 предварительного нагрева, таким образом облегчая нагрузку на средства ускорения выхлопных газов.
Предпочтительно устройство 135 для теплообмена изготовлено из материалов, имеющих стойкость к высоким температурам (в частности, натрия, лития, титана и т.п.), и он может быть типа металла, отлитого в форму, или типа жидкого металла, типа пластины, типа спирали; в случае, если устройство 100 предназначено для установки на транспортном средстве, устройство для теплообмена будет иметь соответствующую компактную конструкцию.
Из устройства 135 для теплообмена обработанные выхлопные газы, из которых ядовитые загрязняющие вещества были по существу удалены, подаются в выпускной разветвленный трубопровод 115o и затем в систему 110 выпуска выхлопных газов (например, в глушитель транспортного средства).
Блок 140 управления предусмотрен в устройстве 100 для управления работой различных его элементов (как схематически показано посредством штрих-пунктирных линий на чертеже). В частности, блок 140 управления содержит электронное средство управления, предпочтительно программируемое, в частности средство управления на основе микропроцессора, приспособленное, чтобы выполнять соответствующие микропрограммы для осуществления заранее заданного управляемого расхода, и датчики, такие как датчики давления и датчики температуры, для определения рабочей температуры в различных частях устройства 100, таких как камера 120 предварительного нагрева, радиационная камера сгорания, устройство 135 для теплообмена, давления и/или скорости выхлопных газов в различных точках прохода и датчики для установления процентных отношений разнообразных загрязняющих веществ в выхлопных газах. Блок управления может управлять нагревом радиационной камеры сгорания.
Определенные средства управления, работающие посредством блока 140 управления, зависят в большей степени от конструкции радиационной камеры сгорания, но, в основном, блок 140 управления будет, по меньшей мере, гарантировать, что внутри камеры сгорания поддерживается требуемая температура.
На фиг.2 изображен аксонометрический вид возможного практического варианта осуществления устройства 100 для снижения загрязняющих веществ, в частности, приспособленного для установки на транспортном средстве, таком как автомобиль или автобус. Различные части устройства, показанные схематически на фиг.1 и описанные далее, обозначены на фиг.2 теми же ссылочными позициями.
В последующем описании будет представлено несколько различных вариантов осуществления радиационной камеры сгорания, однако подразумевается, что число настоящих альтернатив не подразумевается исчерпывающим, и может быть выполнено несколько других вариантов осуществления. Следует отметить тот факт, что определенная пространственная конфигурация и конструкция радиационной камеры сгорания может зависеть от конкретного применения.
В варианте осуществления, показанном в аксонометрическом виде на фиг.3, радиационная камера сгорания содержит канал 300 по существу U-образной формы, имеющий пару труб (радиационных труб) 300a, 300b, в частности, по существу прямолинейных, соединенных друг с другом и сообщающихся по потоку текучей среды одна с другой с тем, чтобы определить внутри них проход для выхлопных газов, в котором должны проходить выхлопные газы, подлежащие обработке, выходящие из камеры 120 предварительного нагрева. Средства для нагрева соединены с каналом 300 U-образной формы для нагрева радиационных труб, например, нагреватели на основе эффекта Джоуля и, более конкретно, пара электрических сопротивлений 305a, 305b, причем каждое сопротивление связано с соответствующей одной из двух радиационных труб 300a, 300b канала 300 U-образной формы; в частности, два сопротивления 305a, 305b представляют собой спиральные сопротивления, каждое из которых навито вокруг соответствующих прямолинейных радиационных труб 300a, 300b канала 300. Сопротивления 305а, 305b имеют соответствующие размеры (например, имеющиеся в продаже сопротивления типа Kanthal AM или Kanthal AF являются подходящими) и могут быть соединены либо параллельно, либо последовательно; подача электроэнергии (например, обеспечиваемая батареей транспортного средства, схематически показанной на чертеже как 350, или посредством автономной батареи, или посредством генератора переменного тока транспортного средства) управляется посредством блока 140 управления (как схематически показано на чертеже посредством выключателя 355). Когда подводится энергия, тепло, вырабатываемое сопротивлениями посредством эффекта Джоуля, нагревает радиационные трубы, доводя их до соответствующей температуры, посредством этого трубы излучают электромагнитную энергию внутри них.
В варианте осуществления, показанном в аксонометрическом виде на фиг.4, радиационная камера сгорания содержит два канала 401, 402 по существу U-образной формы, подобных одному каналу 300 по существу U-образной формы предыдущего варианта осуществления, имеющих соответствующие пары по существу прямолинейных радиационных труб (только три из которых, обозначенные 401a, 402a, 402b, видны на чертеже), которые соединены друг с другом, и через каскад которых проходят выхлопные газы. Два канала 401, 402 «U»-образной формы соединены с нагревательными средствами в форме четырех электрических сопротивлений (только три из которых, обозначенные 405a, 405c и 405d, видны на чертеже), в частности, спиральных сопротивлений, которые, подобно сопротивлениям 305a, 305b предыдущего варианта осуществления, связаны друг с другом и, в частности, навиты вокруг соответствующей по существу прямолинейной радиационной трубы 401a, 401b, 402a, 402b каналов 401, 402 с тем, чтобы вызвать их нагрев при подводе энергии посредством, например, батареи 350. Сопротивления могут быть соединены параллельно или последовательно, или частично параллельно и частично последовательно.
Радиационная камера сгорания в варианте осуществления, показанном на фиг.5, содержит устройство 500 в общем W-образной формы из по существу прямолинейных радиационных труб 500a, 500b, 500c и 500d, соединенных в виде каскада одна с другой с тем, чтобы через них последовательно проходил поток выхлопных газов, выходящих из камеры 120 предварительного нагрева; подобно двум предыдущим вариантам осуществления с каждой радиационной трубой связано соответствующее электрическое сопротивление 505a, 505b, 505c и 505d, в частности, спиральное сопротивление навито вокруг трубы для нагрева трубы на основе эффекта Джоуля. В целях простоты подача электрической энергии к сопротивлению не показана явно на чертеже, но специалисту в этой области техники ясно, что соединение, например, с батареей транспортного средства, подобное соединению в предыдущих вариантах осуществления, может быть предусмотрено для этого.
Радиационная камера сгорания в варианте осуществления на фиг.6 также содержит канал 600 по существу U-образной формы, через который проходят выхлопные газы, подлежащие обработке. Однако, в отличие от предыдущих трех вариантов осуществления, нагревательные средства, которые связаны с каналом 600, не образованы посредством электрических сопротивлений, навитых по спирали вокруг по существу прямолинейных труб канала 600, причем вместо этого они образованы посредством, по меньшей мере, одной, предпочтительно пары радиационных панелей 605a, 605b (одна из которых показана прозрачной для ясности чертежа), предпочтительно установленные близко расположенными, причем каждая пара имеет внедренное в нее соответствующее, имеющее надлежащие размеры, электрическое сопротивление 607, предпочтительно расположенное в соответствии с траекторией навивки; хотя не явно показанная, подача электрической энергии, подобная тем, которые были показаны в предыдущих вариантах осуществления, предусмотрена для снабжения энергией электрических сопротивлений 607, внедренных в панели 605a, 605b. Канал 600 таким образом имеет вид сэндвича между двумя радиационными панелями 605a, 605b и получает от них тепло.
Еще один вариант осуществления радиационной камеры сгорания представляет собой изображенный на фиг.7, в котором вместо того, чтобы иметь канал для выхлопных газов, образованный трубами, радиационная камера сгорания содержит полый корпус 700 в форме коробки, например, имеющий либо в общем прямоугольное, либо в общем круглое поперечное сечение, со входом 700i для подачи выхлопных газов и выходом 700o для выпуска выхлопных газов. Внутри корпуса 700 предусмотрено множество отражательных перегородок 710, расположенных таким образом, чтобы определить соответствующую траекторию 715 вращения газов от входа 700i до выхода 700o. Корпус 700 расположен в виде сэндвича между парой радиационных панелей (показана только одна из двух панелей, обозначенная 705a с целью ясности) с внедренными сопротивлениями 707, подобных панелям 605a, 605b предыдущего варианта осуществления.
На фиг.8 и 9 показаны в продольном разрезе два дополнительных возможных варианта осуществления радиационной камеры сгорания. В частности, в варианте осуществления на фиг.8, радиационная камера сгорания содержит пару коаксиальных каналов 800a и 800b; внутренний канал 800a является полым и соединен на его конце, противоположном концу для подачи выхлопных газов из камеры предварительного подогрева, с наружным каналом 800b; наружный канал 800b по существу представляет собой наружную футеровку внутреннего канала 800a и имеет внутри него отражательные перегородки 805, образующие по существу спиральную траекторию газов. Имеющее соответствующий размер спиральное электрическое сопротивление 810 навито вокруг наружного канала 800b. Вокруг сопротивления 810 предусмотрена термоизоляционная футеровка 815. Выхлопные газы выходят из камеры 120 предварительного нагрева и проходят во внутренний канал 800a, через который газы проходят по существу прямолинейно; затем газы проходят в наружный канал 805b, который нагревается посредством электрического сопротивления 810 и в котором газы проходят, следуя в общем по спиральной траектории, таким образом нагреваясь до требуемой температуры воспламенения самовозгорания.
Следует отметить, как показано в схематическом устройстве на фиг.1, что если предусмотрен промежуточный фильтр 130a, могут быть использованы два коаксиальных канала 800, один выше по потоку и другой ниже по потоку, чем фильтрующий элемент 130a. Подобный вывод применим также к предыдущим вариантам осуществления, состоящим из радиационных труб, размещенных другим образом.
Незначительно другим образом, в варианте осуществления на фиг.9, удлиненный, в основном тороидальный корпус 900, имеющий либо, в основном, круглое, либо прямоугольное поперечное сечение, имеет внутри него, в основном, спиральный канал 903 для газов. Тороидальный корпус 900 нагревается посредством двух электрических сопротивлений, внутреннего сопротивления 910a и наружного сопротивления 910b, в частности спиральных сопротивлений; внутреннее сопротивление 910a вставляется в центральную полость тороидального корпуса, в то время как наружное сопротивление 910b навивается снаружи вокруг тороидального корпуса 900; два сопротивления по существу имеют совместное расширение с тороидальным корпусом. Выхлопные газы проходят через спиральный канал 903 и нагреваются как внутренним, так и наружным сопротивлениями.
Ясно, что в обоих последних вариантах осуществления должно быть предусмотрено устройство для подачи энергии в сопротивление, например, подобное описанным в связи с первыми представленными вариантами осуществления.
Следует отметить, что определенные размеры и материал каналов (например, радиационных труб), составляющих радиационную камеру сгорания, зависят от конкретного применения; соответствующими материалами, которые могут быть использованы для осуществления радиационных каналов, являются, например, INCONEL (сплав, содержащий вольфрам и марганец) и керамика. Радиационные трубы также имеются в продаже.
Следует отметить, что подача электрической энергии в сопротивление, управляемая посредством блока 140 управления, должна предпочтительно управляться с тем, чтобы проследить изменения в рабочих условиях, в частности, устройства 105. Например, в некоторых применениях, таких как в случае транспортных средств, увеличенный поток выхлопных газов внутри радиационной камеры сгорания вследствие, например, ускорения транспортного средства потребует возможно быстрой адаптации энергии, поданной посредством нагревающих сопротивлений, с тем, чтобы поддержать температуру внутри камеры сгорания в требуемом диапазоне.
Для того чтобы избежать рассеяния энергии, радиационная камера сгорания является предпочтительно теплоизолированной (это схематически показано в вариантах осуществления на фиг.8 и 9; эквивалентная теплоизоляция должна предпочтительно быть предусмотрена также в вариантах осуществления на фиг.3-4, хотя не явно показана на соответствующих чертежах), например, посредством огнеупорных керамических материалов на основе кремния или других соответствующих материалов.
Описанные варианты осуществления радиационной камеры сгорания, хотя отличались один от другого в пространственной конфигурации, все основывались на общих, подобных принципах нагрева, включая использование электрических сопротивлений, как нагреватели на основе эффекта Джоуля.
Здесь и далее будут представлены некоторые дополнительные варианты осуществления радиационной камеры сгорания, которые основаны на других принципах нагрева.
Подробно, вместо использования нагревателей на основе эффекта Джоуля в радиационной камере сгорания, в частности электрических сопротивлений, один или более оптических источников радиации, в частности один или более лазеров, могут быть использованы для пуска радиационного реактора, т.е. для нагрева радиационной камеры сгорания до требуемой температуры.
Лазеры все более и более широко используются в различных применениях либо в промышленных, либо в потребительских товарах, благодаря тому факту, что излучаемая оптическая радиация является очень гомогенной и концентрированной и что они имеют очень быструю реакцию.
На фиг.10 схематически показана радиационная камера сгорания того типа, в котором используется оптическая радиация, вырабатываемая соответствующим источником, таким как лазер, в качестве нагревателя.
Подробно, радиационная камера сгорания содержит корпус реактора 1000 сгорания; пространственная конфигурация корпуса реактора 1000 сгорания не ограничивается настоящим изобретением и зависит от конкретного применения: таким образом, на фиг.10 реактор 1000 сгорания схематически изображен как, в основном, эллиптический. Реактор 1000 сгорания имеет стенки 1005, выполненные из соответствующего материала, например стали INCONEL, композитного материала, имеющего керамическую матрицу, или специальных сплавов, приспособленных для излучения тепла, когда они нагреваются, и в реактор подаются выхлопные газы, подлежащие обработке.
Снаружи и вокруг реактора 1000 сгорания предусмотрена система, выполненная надлежащим образом, т.е. устройство элементов 1010 для отражения/отклонения оптической радиации, таких как зеркала и/или оптические призмы, схематически показанные на чертеже, как внутренние поверхности стенок корпуса 1007 в форме коробки, содержащего реактор 1000 сгорания.
Устройство элементов 1010 для отражения/отклонения оптической радиации отражает/отклоняет оптическую радиацию 1015, которая вырабатывается посредством одного или большего числа источников оптической радиации, в частности лазеров, схематически показанных на чертеже как 1020. Следует отметить, что количество и устройство лазеров 1020 не ограничивается настоящим изобретением и зависит, например, от формы реактора 1000 сгорания; на чертеже, только посредством примера, показаны четыре лазера 1020, каждый из которых размещен у соответствующего угла коробки 1007; лазеры 1020 могут быть закрепленными или подвижными, например, они могут быть частично повернуты и/или ориентированы под углом.
Оптическая радиация, излучаемая лазером(ами) 1020, управляемая посредством блока 140 управления, отражается/отклоняется посредством элементов 1010 для отражения/отклонения оптической радиации и направляется на наружную сторону стенок реактора 1000 сгорания, вызывая по существу равномерный его нагрев. В этом случае стенки реактора сгорания доводятся до радиационной температуры, т.е. до такой температуры, при которой достаточная электромагнитная энергия излучается от стенок реактора сгорания в корпус 1000.
В последующем некоторые возможные варианты осуществления радиационной камеры сгорания, использующие нагревательный механизм на основе оптики, в частности нагрев на основе лазера, будут представлены, подразумевая, что такие варианты осуществления являются простыми примерами.
В частности, в варианте осуществления, схематически показанном на фиг.11, радиационная камера сгорания содержит радиационную трубу 1100 из соответствующего материала, расположенную таким образом, чтобы ее пересекали выхлопные газы, выходящие из камеры 120 предварительного нагрева. Снаружи радиационной трубы 1100 предусмотрено отражающее свет устройство 1105, схематически изображенное как наружная труба, коаксиальная и расширяющаяся, так же как радиационная труба 1100, и имеющая внутренние отражающие свет стенки. Отражающая свет труба 1105 отражает лазерную радиацию 1110, вырабатываемую лазером 1120, на радиационную трубу 1100, посредством этого вызывая ее нагрев до требуемой температуры. Лазер 1120 показан схематически как движущийся вдоль оси радиационной трубы; например, лазер 1120 может быть смонтирован на шасси. Лазер 1120 может также вращаться вокруг трубы 1100.
Следует отметить, что на фиг.11 (и на последующих чертежах) подача кислорода (O2) и аммиака (NH4) в трубу 1100, т.е. в радиационную камеру сгорания, показана схематически; эта подача, которая является выборочной и может также быть предусмотрена в любом из вариантов осуществления радиационной камеры сгорания, описанных ранее, служит для того, чтобы обеспечить возможность процесса НСКВ для снижения оксидов азота в продолжение дожигания выхлопных газов.
Незначительно другое устройство схематически показано на фиг.12, на которой радиационная камера сгорания содержит футерованную радиационную трубу 1200, имеющую внутренний полый корпус 1200a, окруженный наружным полым корпусом 1200b, и в которой выхлопные газы проходят в пространстве 1203 между внутренним и наружным полыми корпусами, пока лазер 1220 расположен внутри внутреннего полого корпуса 1200a, и последний имеет отражающие стенки, приспособленные к отражению радиации лазера. Также в этом случае лазер 1220 схематически показан как движущийся вдоль и поворачивающийся около оси внутреннего полого корпуса 1200a.
На фиг.13 весьма схематически показан другой вариант осуществления радиационной камеры сгорания, имеющей по существу сферическую форму, внутри которой проходят выхлопные газы, подлежащие обработке. Лазер(ы) 1320 расположен снаружи сферической реакционной камеры и является, например, подвижным с тем, чтобы попадать на различные площади ее поверхности; например, лазер(ы) связан с подвижными средствами, обеспечивающими вращение лазера вокруг реакционной камеры с тем, чтобы лазерная радиация попадала на различные точки наружной поверхности камеры и вызывала по существу равномерный ее нагрев.
По существу сферическая форма камеры сгорания в варианте осуществления на фиг.13 обеспечивает возможность достижения высокой эффективности нагрева выхлопных газов, проходящих внутри нее. Фактически входящие выхлопные газы при более низкой температуре заставляют газы, уже подвергнутые процессу дожигания, выходить из реакционной камеры. Также, хотя и не показано на чертеже, устройство для отражения/отклонения оптической радиации может в этом случае быть предусмотрено.
Следует отметить, что посредством надлежащего несовпадения по линии входа и выхода газов в/из реакционной камеры, может создаваться завихрение внутри реакционной камеры, что вблизи к выходу из камеры оптимизирует рециркуляцию газа, обеспечивая выход части при более высокой температуре. Это дополнительно обеспечивается ускорителем 127 Вентури, который может быть размещен у выхода из камеры.
Использование одного или более лазеров для нагрева радиационной камеры сгорания имеет преимущество возможности существенного уменьшения размеров реактора сгорания, поскольку включение лазера(ов) обеспечивает почти немедленное достижение стенками реактора требуемой рабочей температуры (необходимой для того, чтобы вызвать самовозгорание выхлопных газов), и подобно этому лазер(ы) может быть выключен почти мгновенно.
Соответствующее число датчиков может быть связано со стенками радиационной камеры сгорания с тем, чтобы обеспечить возможность блоку 140 управления вызвать попадание лазерной радиации на требуемые поверхности стенок радиационной камеры сгорания, сканируя поверхность в соответствии с заранее заданными шаблонами таким образом, чтобы вызвать гомогенное попадание на поверхность.
В частности, конкретное программное обеспечение управления может быть произведено блоком 140 управления, в соответствии с которым поверхность, на которую должна попасть лазерная радиация, подразделена в соответствии с несколькими различными параметрами, такими как температура поверхностей, на которые уже попала радиация, разность температур между этими поверхностями и теми поверхностями, на которые еще не попала радиация (холодные поверхности), заданная температура. Таким образом будет строиться динамическая карта температуры, и такая карта в дополнение к ее использованию блоком управления для управления лазером может также быть отображена на подходящих устройствах дисплея для оператора, с тем чтобы обеспечить возможность постоянного управления работой устройства.
Программное обеспечение управления может быть основано на вычислениях изменения, или на вычислении возмущения, или на простой «артиллерийской вилке» (термин, заимствованный из жаргона моряков и показывающий процесс последовательного приближения).
Более того, использование лазера(ов) обеспечивает возможность лучшей управляемости всего процесса дожигания. Фактически, посредством надлежащего приведения в действие импульсного лазера(ов) посредством запрограммированного блока управления, процесс дожигания выхлопных газов может управляться более точно в зависимости от плотности выхлопных газов и их скорости, которая в свою очередь зависит от числа об/мин двигателя и от рабочей температуры двигателя.
Дополнительно, использование лазера(ов) снижает потребление энергии, поскольку требуются только относительно высокие пики энергии.
Использование лазеров, таким образом, обеспечивает возможность снижения стоимости работы.
Специалисты в этой области техники легко поймут, что используемые лазеры и их оптическая энергия могут изменяться в зависимости от потребностей контингента в соответствии с конкретными применениями. Лазер(ы) может работать в режиме непрерывной волны (НВ) или предпочтительно в режиме пульсации, также лазер(ы) может быть вращающегося типа или лазером(ами), излучающим множество лучей в противофазе.
Варианты осуществления, показанные схематически на фиг.14A, 14B и 14C, на фиг.15 и на фиг.16, относятся к радиационным камерам сгорания, внутри которых предусмотрены движущиеся средства для ускорения газов в продолжение процесса дожигания и/или для изменения внутренней геометрии радиационной камеры сгорания в продолжение работы. Следует отметить, что эти и другие эквивалентные решения могут применяться либо в реакционной камере, нагреваемой на основе эффекта Джоуля, либо в радиационной камере сгорания, нагреваемой посредством оптической радиации, и, в основном, в любом типе радиационной камеры сгорания независимо от нагревательного средства.
В частности, на фиг.14A, 14B и 14C схематически показана в аксонометрическом виде и в поперечном разрезе по существу цилиндрическая радиационная камера 1400 сгорания (изображенная как прозрачная в целях ясности) с системой сепарации газов (ротором) 1405 с тремя выступами, вставленным в нее с возможностью вращения, имеющим выступы 1405a, 1405b, 1405c, отделенные друг от друга угловыми промежутками приблизительно 120° и с различными возможными площадями поперечных сечений, как видно на видах в поперечном разрезе на фиг.14B и 14C.
Также предусмотрено соответствующее устройство для приведения в действие, не показанное на чертежах, чтобы обеспечить вращение ротора 1405 вокруг его оси внутри камеры.
Если, например, лазерный источник используется для нагрева радиационной камеры сгорания, как в варианте осуществления на фиг.11, лазерная радиация попадает на камеру с ее наружной стороны. Альтернативно радиационная камера 1400 сгорания может быть радиационной трубой, подобной радиационным трубам вариантов осуществления на фиг.3-6, и в этом случае нагревательное средство может содержать спиральное электрическое сопротивление, навитое вокруг камеры 1400, или одну или более тепловых радиационных панелей с электрическими сопротивлениями, внедренными в них.
Выхлопные газы, подлежащие обработке, подаются в камеру через вход 1410i; внутри радиационной камеры сгорания вращение ротора 1405 обеспечивает динамическое разделение внутреннего пространства камеры на три динамически изменяющиеся части и обеспечивает поток газов по направлению к выходу 1410o или 1400o'; в то время как при проходе от входа к выходу газы подвергаются процессу дожигания благодаря радиационной энергии, излучаемой от стенок камеры 1400.
Следует отметить, что вход 1410i и выход 1410o или 1400o' в/из радиационной камеры сгорания могут быть расположены либо в одну линию по оси, либо нет и либо вход, либо выход 1410o или 1400o' или оба они могут даже быть перпендикулярными к оси камеры. Как упомянуто ранее, на фиг.14B и 14C показаны возможные различные формы ротора 1405, отличающиеся друг от друга площадью поперечного сечения. Ясно, что другие формы являются возможными.
В варианте осуществления на фиг.15 ротор 1505, образованный бесконечным винтом, расположен с возможностью вращения внутри цилиндрической радиационной камеры 1400 сгорания (изображенной также как прозрачная, для ясности); соответствующее устройство для приведения в действие, не показанное на чертеже, предусмотрено для вращения ротора 1505. Также в этом случае форма поперечного сечения ротора может изменяться с тем, чтобы изменять внутренний объем камеры дожигания в зависимости от конкретного применения.
Наконец, в варианте осуществления на фиг.16 предусмотрена сферическая реакционная камера 1600 (показанная на чертеже в разрезе по диаметральной плоскости), вместо цилиндрической камеры, и внутренний ротор 1605 расположен с возможностью вращения внутри сферической реакционной камеры 1600. Ротор 1605 имеет, в основном, сферическую форму с тремя по существу полусферическими выемками 1605a, 1605b и 1605c, причем ротор 1605, таким образом, имеет такую форму, чтобы определить три камеры дожигания внутри камеры 1600 соответствующих объемов.
Как уже было отмечено, в вариантах осуществления, показанных на фиг.14A, 14B, 14C, 15 и 16, не обязательно требуется использование лазера(ов) как нагревательное средство, причем имеется возможность использовать их в соединении с более традиционным нагревательным средством, таким как нагреватели на основе эффекта Джоуля (электрические сопротивления). Однако при использовании в соединении с лазером надлежащее управление движением ротора может оптимизировать эффективность лазерной пульсации.
Было обнаружено, что благодаря способу и устройству согласно настоящему изобретению приблизительно 90% моноксида углерода, углерода в виде частиц, несгоревшего углеводорода (CxHy) исключаются из выхлопных газов, и оксиды азота (NOx) снижаются почти на 90%.
Способ и устройство согласно настоящему изобретению могут применяться в любой системе, в которой предусмотрено сжигание топлив, как, например, двигатели внутреннего сгорания, использующие дизельное топливо, бензин, метанол, смесь спиртов, природный газ, СПГ, керосин, жидкое топливо, углеводороды, смешанные с водой, GECAM, BLUDIESEL, топливо для самолетов с добавками, мазут для морских двигателей.
Необходимо отметить, что процесс дожигания, выполняемый в радиационной камере сгорания, может быть либо непрерывным, частично непрерывным, либо дискретным (прерывистым). Под непрерывным подразумевается процесс, в котором нет существенного разделения между входящими, относительно холодными выхлопными газами, подлежащими обработке, и выходящими, горячими и уже обработанными выхлопными газами: холодная фаза соприкасается с горячей фазой. Частично непрерывный процесс дожигания является процессом, в котором имеется определенное разделение во времени (например, порядка от 10-6 до 10-2 секунд) между холодной и горячей фазами, т.е. между холодными и горячими газами; это такой вариант, где используется камера сгорания, такая как камеры в вариантах осуществления на фиг.14A, 14B, 14C, 15 и 16, в которых предусмотрен внутренний ротор, что обеспечивает возможность определенного отделения холодных газов от горячих газов. Дискретный или прерывистый процесс дожигания является процессом, в котором камера дожигания заполняется газами, затем камера закрывается, процесс дожигания выполняется, камера открывается для выпуска обработанных газов, и затем процесс запускается вновь.
Ниже приведены примеры экспериментальных испытаний системы, заявляемой в данной заявке. Испытания были проведены относительно выхлопных газов, образованных котлами мощностью 100 кВт и дизельными двигателями, используемыми для тяжелых транспортных средств (тяжелый дизель) мощностью 150 кВт.
Проведение эксперимента на дизельном двигателе.
Испытания проводились на дизельном двигателе мощностью 150 кВт, 9000 см3, заправленным дизельным топливом и работающем на 900 об/мин. Испытание было направленно на измерение снижения задымленности выхлопных газов; задымленность газов была измерена посредством дымомера, применяемого для тестирования двигателей, отвечающих требованию EBPO4. Состав выхлопных газов также измерялся с использованием газового эмиссионного анализатора для транспортного средства/горелки. В концентрации выхлопного газа до и после обработки не было зафиксировано существенного уменьшения анализируемых CO, CO2, NOx, SOx, O2.
На фиг.17 показана диаграмма, на которой абсцисса соответствует температуре внутренней трубы радиационной камеры сгорания, где протекают газы, а ордината соответствует процентному снижению задымленности в выхлопных газах, которая непосредственно связанна со снижением вещества в виде частиц. Снижение задымленности, равное 0%, означает, что снижение вещества в виде частиц не было достигнуто; когда снижение задымленности равно 100%, это означает, что задымленность выхлопных газов, а следовательно, содержание вещества в виде частиц, было снижено, так что газы становятся по существу прозрачными и оставшееся содержание вещества в виде частиц настолько мало, что не может быть измерено дымомером.
Кривая 1 на фиг.17 показывает измерения, совершенные при первых экспериментальных условиях, кривая 2 показывает измерения, совершенные при вторых экспериментальных условиях. При первых экспериментальных условиях высокая теплопередающая способность теплообменника была использована ниже по потоку радиационной камеры сгорания, выполненной с возможностью снижения температуры выхлопных газов до приблизительно 50°С. При вторых экспериментальных условиях был использован более компактный теплообменник, имеющий меньшую теплопередающую способность и выполненный с возможностью снижать температуру выхлопных газов примерно до 30°С.
В круглой области 3 эффективность устройства максимальна и это одинаково для обоих экспериментальных условий; измерения для обоих экспериментальных установок совпадают и это подтверждает эффективность устройства.
Точка 4 отражает первую характеристическую температуру, равную 200°С, при которой воздействие устройства согласно настоящему изобретению начинает становиться существенным.
Точка 5 показывает вторую характеристическую температуру, равную приблизительно 600°С, за пределами которой, согласно раскрытию настоящего изобретения, максимальное снижение задымленности и, следовательно, содержания вещества в виде частиц в выхлопных газах достигается.
Необходимо отметить, что двигатель без устройства согласно заявляемому изобретению может быть классифицирован как EBPO0, с заявленным устройством задымленность в выхлопных газах соответствует, по меньшей мере, стандарту EBPO5.
Проведение эксперимента на котле.
Другие опыты были проведены на котле мощностью 100 кВт, заполненном дизельным топливом. На фиг.18 показана диаграмма, отображающая измерения снижения массы вещества в виде частиц с использованием гравиметра и разделение по размеру соответственно на 9 видов. Метод гравиметрических измерений заключается в расположении вдоль пути следования газов множества фильтров из поликарбоната, выполненных с возможностью селективно абсорбировать вещество в виде частиц разного размера; затем фильтры высушивают и взвешивают для получения значения количества абсорбированного вещества в виде частиц.
Измерение состава газов также было выполнено с использованием газового эмиссионного анализатора для транспортного средства/котлы. В концентрации выхлопного газа до и после обработки не было зафиксировано существенного уменьшения анализируемых CO, CO2, NOx, SOx, O2.
Согласно диаграмме вещество в виде части в диапазоне от 10 микрон до 3,2 микрон было практически полностью извлечено; количества вещества в виде частиц с меньшим размером было снижено на 75-80%, что соответствует уменьшению массы в 4-5 раз. Таким образом, полное снижение массы вещества в виде частиц составляет 85-90%.
Следует отметить, что способ и устройство согласно настоящему изобретению могут быть использованы совместно с другими известными способами и устройствами для снижения загрязняющих веществ, особенно с теми, которые направлены на исключение оксидов азота (NOx), такие как Замедление времени зажигания (ЗВЗ), продвинутые системы введения реагентов, такие как технология RJM Aris™, введение воды, эмульсий, турбокомпрессорного воздуха, воздуха, смешанного с топливом, системы Рециркуляции выхлопного газа (РВГ), введение охлажденного газа, высокое давление введения и изменение соотношения воздух/топливо, турбокомпозит и тому подобное. В частности, все эти известные технологии предпочтительно осуществляются ниже по потоку, чем устройство согласно настоящему изобретению.
Способ и устройство согласно настоящему изобретению могут также быть использованы с известными устройствами для исключения оксидов серы, в частности диоксида серы (SO2) и оксида серы (SO3).
Устройство согласно настоящему изобретению может иметь форму комплекта, готового к установке на транспортное средство как модернизация.
Способ и устройство согласно настоящему изобретению могут существенно снизить выделения транспортных средств, приводимых в действие двигателями внутреннего сгорания, и также транспортных средств с гибридным двигателем, как с электрическим двигателем, так и с двигателем внутреннего сгорания, с большой выгодой для устройства.
Хотя настоящее изобретение было раскрыто и описано посредством некоторых вариантов осуществления, очевидно для специалистов в этой области, что различные модификации описанных вариантов осуществления, также как других вариантов осуществления согласно настоящему изобретению, возможны без выхода за пределы его объема, как определено в прилагаемой формуле изобретения.
Например, другие типы радиационной камеры сгорания могут быть использованы, в частности, радиационные камеры сгорания, снабженные другими нагревательными средствами, такими как газовые горелки.
Изобретение может быть использовано для снижения ядовитых выбросов продуктов сгорания, образующихся при сжигании ископаемого топлива. Способ снижения продуктов сгорания в выхлопных газах включает дожигание выхлопных газов перед их выпуском в окружающую среду. Выхлопные газы подают в радиационный реактор сгорания, включающий радиационную камеру сгорания и средства для подачи энергии в радиационную камеру сгорания. Радиационный реактор сгорания обеспечивает превращение подаваемой энергии в радиационную энергию, излучаемую в радиационную камеру сгорания. Выхлопные газы подвергают воздействию радиационной энергии в радиационном реакторе сгорания для повышения температуры выхлопных газов до значения, достаточного для обеспечения самовозгорания. Предложены также устройство для снижения продуктов сгорания и система, включающая устройство для сжигания топлива и устройство для обработки выхлопных газов. Изобретение позволяет удалить ядовитые компоненты из выхлопных газов и повысить эффективность сжигания частиц углерода. 3 н. и 41 з.п. ф-лы, 18 ил.
1. Способ снижения продуктов сгорания в выхлопных газах, образующихся при сжигании топлива, включающий обработку выхлопных газов перед их выпуском в окружающую среду, в котором обработка выхлопных газов включает дожигание, осуществляемое следующим образом: подают выхлопные газы в радиационный реактор сгорания, включающий радиационную камеру сгорания и средства для подачи энергии в радиационную камеру сгорания, причем радиационный реактор сгорания обеспечивает превращение подаваемой энергии в радиационную энергию, излучаемую в радиационную камеру сгорания, и подвергают выхлопные газы воздействию радиационной энергии в радиационном реакторе сгорания для повышения температуры выхлопных газов до значения, достаточного для обеспечения самовозгорания.
2. Способ по п.1, в котором внутри радиационного реактора сгорания температуру выхлопных газов повышают до значения в диапазоне от приблизительно 400°С до приблизительно 1400°С, предпочтительно от приблизительно 900°С до приблизительно 1200°С и более предпочтительно от приблизительно 900°С до приблизительно 1100°С.
3. Способ по п.1, дополнительно содержащий фильтрацию, которой подвергают выхлопные газы с тем, чтобы по существу удалить остаточную несгоревшую пыль и вещества в виде частиц, присутствующие в выхлопных газах, причем фильтрацию осуществляют, по меньшей мере, после дожигания.
4. Способ по п.3, в котором дожигание выполняют, по меньшей мере, в две стадии, причем фильтрацию, которой подвергают выхлопные газы, осуществляют между двумя стадиями.
5. Способ по п.3, в котором фильтрация представляет собой активную фильтрацию.
6. Способ по п.1, дополнительно включающий предварительный нагрев выхлопных газов перед осуществлением дожигания.
7. Способ по п.6, в котором предварительный нагрев выхлопных газов включает доведение температуры выхлопных газов до выше приблизительно 400°С, предпочтительно в диапазоне от приблизительно 400°С до приблизительно 700°С.
8. Способ по п.7, в котором предварительный нагрев выхлопных газов включает ускорение и сжатие выхлопных газов.
9. Способ по п.1, дополнительно включающий снижение температуры выхлопных газов после осуществления дожигания, перед выпуском выхлопных газов дожигания в окружающую среду.
10. Способ по п.9, в котором температуру выхлопных газов дожигания снижают до значений в диапазоне от приблизительно 100°С до приблизительно 150°С.
11. Способ по п.9, в котором снижение температуры выхлопных газов осуществляют после фильтрации.
12. Способ по п.9, в котором снижение температуры выхлопных газов включает прохождение выхлопных газов, подвергнутых дожиганию, через устройство для теплообмена, направление выхлопных газов, подлежащих дожиганию, в устройство для теплообмена, при этом тепло, выпускаемое посредством дожигания выхлопных газов, используется для предварительного нагрева выхлопных газов, направляемых на дожигание.
13. Способ по п.1, в котором дожигание выполняют непрерывно, причем выхлопные газы, которые подвергают дожиганию, по существу находятся в соотношении соприкосновения с выхлопными газами дожигания внутри радиационного реактора сгорания.
14. Способ по п.1, в котором дожигание выполняют частично непрерывно, причем выхлопные газы, которые подвергают дожиганию, отделяют от выхлопных газов дожигания внутри радиационного реактора сгорания за время порядка 10-6 с.
15. Способ по п.1, в котором дожигание выполняют прерывистым, причем выхлопные газы, уже подвергнутые дожиганию, удерживают по существу отделенными от выхлопных газов, которые подвергают дожиганию.
16. Устройство для снижения продуктов сгорания, в частности загрязняющих веществ в выхлопных газах, образующихся при сжигании топлива, включающее систему для обработки выхлопных газов перед выпуском их в окружающую среду, в которой система для обработки выхлопных газов содержит радиационный реактор сгорания, включающий радиационную камеру сгорания и средства для подачи энергии в радиационную камеру сгорания, обеспечивающий превращение подаваемой энергии в радиационную энергию, излучаемую в радиационную камеру, при этом через радиационный реактор сгорания проходят выхлопные газы для того, чтобы подвергать их воздействию радиационной энергии для повышения температуры выхлопных газов до значения, достаточного для обеспечения самовозгорания, при этом осуществляется дожигание выхлопных газов перед выпуском их в окружающую среду.
17. Устройство по п.16, в котором внутри радиационного реактора сгорания температура выхлопных газов повышается до значения в диапазоне от приблизительно 400°С до приблизительно 1400°С, предпочтительно от приблизительно 900°С до приблизительно 1200°С, более предпочтительно от приблизительно 900°С до приблизительно 1100°С.
18. Устройство по п.16, дополнительно включающее фильтрующие устройства для удаления по существу остаточной несгоревшей пыли и вещества в виде частиц, присутствующих в выхлопных газах, причем фильтрующее устройство размещено, по меньшей мере, ниже по потоку, чем радиационный реактор сгорания.
19. Устройство по п.18, в котором радиационный реактор сгорания включает две камеры, одна ниже по потоку, чем другая, причем фильтрующее устройство дополнительно размещено между двумя камерами.
20. Устройство по п.18, в котором фильтрующие средства содержат активные фильтры, в частности, селективные фильтры, основанные на керамических и цеолитовых материалах.
21. Устройство по п.16, дополнительно включающее камеру предварительного нагрева выше по потоку, чем радиационный реактор сгорания для предварительного нагревания выхлопных газов перед осуществлением дожигания.
22. Устройство по п.21, в котором в камере предварительного нагрева выхлопные газы предварительно нагреваются до температуры выше приблизительно 400°С, предпочтительно в диапазоне от приблизительно 400°С до приблизительно 700°С.
23. Устройство по п.21, в котором камера предварительного нагрева включает устройство для ускорения и сжатия выхлопных газов, в частности один или более вентиляторов или систему вентиляторов, турбину, турбокомпрессор.
24. Устройство по п.23, в котором камера предварительного нагрева дополнительно включает трубку Вентури для дополнительного ускорения выхлопных газов.
25. Устройство по п.16, дополнительно включающее устройство для теплообмена ниже по потоку, чем радиационный реактор сгорания, для снижения температуры выхлопных газов после осуществления дожигания перед выпуском выхлопных газов дожигания в окружающую среду.
26. Устройство по п.25, в котором устройство для теплообмена обеспечивает снижение температуры выхлопных газов дожигания до значения в диапазоне от приблизительно 100°С до приблизительно 150°С.
27. Устройство по п.25, в котором устройство для теплообмена расположено ниже по потоку, чем фильтрующее устройство.
28. Устройство по п.25, в котором устройство для теплообмена соединено с камерой предварительного нагрева, с тем, чтобы тепло, выпускаемое посредством дожигания выхлопных газов в устройстве для теплообмена, использовалось для предварительного нагрева выхлопных газов в камере предварительного нагрева.
29. Устройство по п.16, дополнительно включающее блок управления, в частности электронный программируемый блок управления для управления дожиганием.
30. Устройство по п.16, в котором радиационная камера сгорания включает закрытый проход для выхлопных газов и нагревательное устройство, связанное с закрытым проходом для нагрева стенок.
31. Устройство по п.30, в котором нагревательная система включает нагреватели на основе эффекта Джоуля.
32. Устройство по п.31, в котором закрытый проход включает систему каналов, включающую, по меньшей мере, один канал для прохода выхлопных газов и имеющую связанные с ней электрические сопротивления для нагрева стенок канала.
33. Устройство по п.32, в котором система каналов содержит, по меньшей мере, одно устройство каналов по существу U-образной формы, по существу двойной U-образной формы или по существу W-образной формы, причем вокруг, по меньшей мере, одного из каналов навито, по меньшей мере, одно спиральное сопротивление, снабжаемое электрической энергией с возможностью управления для нагрева стенок каналов.
34. Устройство по п.31, содержащее устройство каналов, связанное, по меньшей мере, с одной тепловой радиационной панелью, имеющей внедренный в нее генератор тепла на основе эффекта Джоуля.
35. Устройство по п.30, в котором нагревательная система включает источник оптической радиации, в частности лазер.
36. Устройство по п.35, в котором источник оптической радиации содержит, по меньшей мере, один лазер.
37. Устройство по п.36, в котором, по меньшей мере, один лазер работает в пульсационном режиме.
38. Устройство по п.36, дополнительно содержащее устройство для отражения/отклонения оптической радиации, чтобы отражать/отклонять оптическую радиацию в закрытый проход.
39. Устройство по п.16, в котором предусмотрен внутренний ротор для отделения холодных выхлопных газов от горячих.
40. Устройство по п.39, в котором система сепарации газов включает ротор, расположенный с возможностью вращения внутри радиационного реактора сгорания.
41. Система, включающая устройство для сжигания топлива, в которой сжигается топливо, и устройство для обработки выхлопных газов, образующихся при сжигании, в которой устройство для обработки выхлопных газов включает радиационный реактор сгорания, включающий радиационную камеру сгорания и средства для подачи энергии в радиационную камеру сгорания, обеспечивающий превращение подаваемой энергии в радиационную энергию, излучаемую в радиационную камеру, при этом через радиационный реактор сгорания проходят выхлопные газы, чтобы подвергать их воздействию радиационной энергии для повышения температуры выхлопных газов до значения, достаточного для обеспечения самовозгорания, при этом осуществляется дожигание выхлопных газов перед выпуском их в окружающую среду.
42. Система по п.41, в которой устройство для сжигания топлива представляет собой двигатель внутреннего сгорания, в частности двигатель транспортного средства.
43. Система по п.41, в которой устройство для сжигания топлива представляет собой горелку нагревательной системы.
44. Система по п.41, в которой устройство для сжигания топлива представляет собой паровой котел для производства электрической энергии.
| US 3473323 A, 21.10.1969 | |||
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ВРЕДНЫХ КОМПОНЕНТОВ И ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ В ВЫХЛОПНЫХ ГАЗАХ ДВИГАТЕЛЯ | 1996 |
|
RU2168053C2 |
| Устройство для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания | 1990 |
|
SU1814692A3 |
| WO 9534784 A1, 21.12.1995 | |||
| WO 9214042 A1, 20.08.1992. | |||
