Настоящее изобретение относится к устройству для обработки или снижения токсичности потока отработавших газов (ОГ), проводимой в заданном температурном интервале.
Для подобной обработки ОГ известно применение так называемых теплообменников, пропускаемые через которые ОГ проходят вдоль теплообменной поверхности, отделяющей поток ОГ от находящегося по другую ее сторону теплоносителя. При контакте ОГ с такой теплообменной поверхностью происходит изменение их температуры, т.е. их нагрев или охлаждение. Подобные теплообменники с отдельным теплоносителем обычно имеют исключительно сложную и громоздкую конструкцию и поэтому их трудно интегрировать в систему выпуска ОГ, которой оснащаются самоходные машины и транспортные средства. В отношении известных устройств для обработки или снижения токсичности ОГ было, кроме того, установлено, что они отчасти чувствительны к температуре, т.е. способны обеспечивать требуемое превращение содержащихся в ОГ вредных веществ в безвредные вещества только в ограниченном температурном интервале.
Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача разработать устройство, а также способ обработки потока ОГ с целью снижения их токсичности, которые позволяли бы по меньшей мере частично решить рассмотренные выше технические проблемы, соответственно снизить их остроту. Задача изобретения состояла прежде всего в разработке устройства для обработки потока ОГ, которое имело бы сравнительно простую конструкцию и одновременно с этим позволяло бы контролировать или регулировать температуру потока ОГ без применения отдельного теплоносителя. Задача изобретения состояла также в разработке способа, который при малых затратах обеспечивал бы возможность особо эффективного превращения содержащихся в ОГ вредных веществ в безвредные вещества.
Указанные задачи решаются с помощью устройства для обработки потока ОГ, заявленного в п.1 формулы изобретения, а также с помощью способа обработки потока ОГ, заявленного в п.11 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. При этом следует отметить, что представленные по отдельности в формуле изобретения признаки могут использоваться в любом технически целесообразном сочетании друг с другом и могут образовывать тем самым другие варианты осуществления изобретения.
Предлагаемое в изобретении устройство для обработки потока отработавших газов (ОГ) имеет по меньшей мере один прямой канал с передним участком и задним участком и по меньшей мере один обратный канал, при этом на заднем участке по меньшей мере одного прямого канала предусмотрено первое покрытие, которое способствует протеканию экзотермической реакции в потоке ОГ, а на переднем участке по меньшей мере одного прямого канала предусмотрены средства для передачи тепла из обратного канала.
Прямой и обратный каналы предпочтительно выполнять противоточными по отношению друг к другу. При этом они имеют прежде всего одинаковую длину и проходят в основном параллельно друг другу. Прямой канал, кроме того, (условно) разделен на по меньшей мере два отдельных участка, а именно: на передний участок и задний участок. Передний участок расположен вблизи начала канала и проходит главным образом от начала канала вплоть до его заднего участка. Вместе с тем в прямом канале по ходу потока до и/или после его переднего участка можно также предусмотреть еще один отдельный участок. Задний участок прямого канала аналогичным образом располагается вблизи его конца и в предпочтительном варианте проходит от конца прямого канала вплоть до его внутренних частей.
На заднем участке по меньшей мере одного прямого канала предусмотрено далее первое покрытие, способствующее протеканию экзотермической реакции в потоке ОГ. Иными словами, только на этом заднем участке прямого канала можно предусмотреть, например, покрытие с катализирующим окисление компонентов ОГ катализатором на основе благородного металла, такого, например, как платина, родий или палладий. Это первое покрытие инициирует, таким образом, протекание в ОГ химических реакций, сопровождающихся выделением тепла, под действием которого в целом происходит нагрев потока ОГ. Предпочтительно выполнять все прямые каналы с соответствующим задним участком, т.е. с соответствующим первым покрытием.
На переднем же участке прямого канала предусмотрены средства для передачи тепла из обратного канала. Иными словами, нагретые на заднем участке прямого канала ОГ при своем движении в обратном направлении по обратному каналу вновь проходят вдоль переднего участка прямого канала, входящему в который и движущемуся по которому потоку ОГ при этом передается тепло от нагретых до более высокой температуры ОГ в обратном канале. При этом предпочтительно, чтобы в результате экзотермической реакции на заднем участке прямого канала поток ОГ нагревался до температуры, при которой разность между температурой обратного потока ОГ и входящего в прямой канал потока ОГ составляет по меньшей мере 50°С. Наиболее простым средством для обеспечения передачи тепла из обратного канала в прямой канал является разделяющая их общая стенка, выполненная из материала с высокой теплопроводностью и обладающая в предпочтительном варианте исключительно малой удельной теплоемкостью, отнесенной к единице площади поверхности. Подобная стенка может быть образована, например, тонкой фольгой.
Кроме того, в конструкции предлагаемого в изобретении устройства в нем предусмотрены подводящие средства для подачи потока ОГ в по меньшей мере один прямой канал с возможностью изменения положения точки входа в него ОГ. Сказанное означает, в частности, что положение точки входа ОГ в прямой канал можно менять относительно разных его участков. Таким путем можно регулировать повышение температуры, до которой в прямом канале следует нагревать входящий в него поток ОГ, увеличивая или уменьшая количество тепла, передаваемого на переднем участке прямого канала, или же варьируя продолжительность экзотермической реакции в потоке ОГ на заднем участке прямого канала и тем самым изменяя количество выделяющегося при ее протекании тепла.
В этом отношении предпочтительно использовать подводящие средства, содержащие биметаллическую заслонку. Биметалл (называемый также термобиметаллом) обычно представляет собой металлическую полоску, состоящую из двух слоев, образованных разными материалами и скрепленных между собой неразъемным соединением или соединением с геометрическим замыканием. Характерной особенностью биметаллической полоски является ее способность изменять свою форму при изменении температуры. Подобное изменение формы биметаллической полоски проявляется в виде ее изгиба. Такой изгиб биметаллической полоски обусловлен разными коэффициентами линейного расширения образующих ее металлов. В качестве примера таких металлов можно назвать цинк и сталь. В соответствии с этим биметаллическая заслонка обладает свойством деформироваться в разной степени при разных температурах. Тем самым при направлении входящего в прямой канал потока ОГ такой заслонкой происходит повторяющееся изменение ее формы, параметры которого можно рассчитать таким образом, чтобы в зависимости от степени деформации биметаллической заслонки изменялось положение точки входа ОГ в прямой канал.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении устройства в по меньшей мере одном обратном канале предусмотрено второе покрытие. Наиболее предпочтителен при этом вариант с выполнением всех обратных каналов предлагаемого в изобретении устройства со вторым покрытием. Второе покрытие можно размещать вблизи переднего участка прямого канала и, соответственно, или вблизи его заднего участка. Однако наиболее предпочтительно располагать второе покрытие на том участке обратного канала, который несколько удален от стороны входа в него горячих ОГ, прежде всего на расстояние по меньшей мере 50 мм или даже 100 мм.
Под указанным вторым покрытием в предпочтительном варианте подразумевается термочувствительное покрытие. Под термочувствительностью при этом прежде всего имеется в виду свойство второго покрытия выполнять свою функцию, соответственно проявлять свое действие в сравнительно узком температурном интервале, т.е. в интервале рабочих температур. В качестве примера такого второго покрытия, обладающего термочувствительностью, можно назвать покрытия, предназначенные для адсорбции оксидов азота, или покрытия, предназначенные для обеспечения селективной каталитической реакции (так называемые покрытия для селективного каталитического восстановления). В особо предпочтительном варианте участок со вторым покрытием не обязательно должен доходить до стороны выхода ОГ из обратного канала, поскольку именно этот участок по меньшей мере частично должен использоваться для передачи тепла к прямому каналу. При этом очевидно, что в обратном канале можно предусмотреть и другие покрытия, соответственно встроенные элементы.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства протяженность переднего участка по меньшей мере одного прямого канала составляет по меньшей мере 50 мм. Для обеспечения наиболее полного теплообмена передний участок по меньшей мере одного прямого канала можно выполнять и с большей протяженностью, например до 150 мм. Вместе с тем, протяженность переднего участка по меньшей мере одного прямого канала не должна превышать указанное значение, поскольку в противном случае предлагаемое в изобретении устройство при определенных условиях уже невозможно будет выполнить столь компактным, чтобы его можно было встроить в систему выпуска ОГ, которой оснащаются транспортные средства. Тем самым протяженность переднего участка по меньшей мере одного прямого канала наиболее предпочтительно ограничивать пределами от 60 до 120 мм.
В следующем варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства между по меньшей мере одним прямым каналом и по меньшей мере одним обратным каналом предусмотрен поворотный участок, на котором по меньшей мере частично расположен по меньшей мере один из следующих компонентов: фильтр для улавливания твердых частиц, каталитический нейтрализатор, датчик, устройство для подачи одного или нескольких реагентов. В отношении поворотного участка необходимо отметить, что он не только может соединять один отдельный прямой канал с одним отдельным обратным каналом, но и может также служить общим поворотным участком, соединяющим множество прямых каналов со множеством обратных каналов. Непосредственно внутри поворотного участка и/или вблизи него можно располагать другие компоненты для обработки или снижения токсичности ОГ и/или для контроля параметров потока ОГ. В качестве примера таких компонентов в рассматриваемом варианте выше указаны фильтр для улавливания твердых частиц, предназначенный для по меньшей мере временного задерживания переносимых в потоке ОГ твердых частиц, каталитический нейтрализатор, предназначенный для каталитического превращения компонентов ОГ, или же устройство для подачи одного или нескольких реагентов, предназначенное для добавления в поток ОГ твердых, жидких или газообразных реагентов, которые, например, способствуют протеканию соответствующих процессов в обратном канале и в качестве примера которых можно назвать мочевину, аммиак, углеводороды или иные аналогичные вещества. Помимо этого на поворотном участке, соответственно вблизи него, предлагается также располагать датчик. Такой датчик может представлять собой прежде всего датчик температуры. Его можно размещать непосредственно на поворотном участке, но можно также по меньшей мере частично разместить в прямом канале и/или в обратном канале.
В еще одном варианте предлагается далее располагать множество прямых каналов и множество обратных каналов в по меньшей мере одной слоевой структуре, которая расположена в несколько слоев. Такая слоевая структура в особенно предпочтительном варианте образована по меньшей мере одним частично профилированным листом фольги, разделяющим соседние каналы. Наиболее предпочтительно при этом выполнять по одну сторону листа фольги прямые каналы, а по другую его сторону - обратные каналы. Для получения соответствующего устройства несколько подобных слоевых структур можно путем их укладывания одна поверх другой набирать в пакет и помещать его в корпус. В другом варианте можно также, например, использовать одну единственную слоевую структуру, которую свертывают в рулон, или изгибают иным образом в несколько слоев, или в таком виде помещают в корпус.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства оно с его входной стороны имеет свободное сечение, на долю которого приходится по меньшей мере 90% от всей площади поперечного сечения устройства с его входной торцовой стороны. Наиболее предпочтительно, чтобы на долю такого свободного сечения приходилось по меньшей мере 95% от всей площади поперечного сечения предлагаемого в изобретении устройства с его входной торцовой стороны. Под входной при этом подразумевается та торцовая сторона предлагаемого в изобретении устройства, с которой на него набегают, например, подвергаемые обработке ОГ. Иными словами, для создания аэродинамически оптимальных условий набегания потока ОГ на предлагаемое в изобретении устройство его в данном случае предлагается выполнять с входной торцовой стороной, которая практически целиком образована входными отверстиями прямых каналов и с которой свободное сечение в основном равно живому сечению набегающего потока (которое обычно соответствует площади выходной торцовой стороны, соответственно площади поперечного сечения трубопровода, подводящего ОГ к предлагаемому в изобретении устройству) за вычетом суммарной толщины стенок прямых каналов. Тем самым обеспечиваются прежде всего различия в исполнении входной и выходной торцовых сторон предлагаемого в изобретении устройства. Так, в частности, свободное сечение с выходной торцовой стороны предлагаемого в изобретении устройства, с которой ОГ возвращаются в обратные каналы, существенно меньше свободного сечения с его входной торцовой стороны и составляет, например, около 50%.
В подобном варианте выполнения предлагаемого в изобретении предпочтительно далее выполнять по меньшей мере один прямой канал с уменьшающимся в направлении от его входного отверстия к его выходному отверстию живым сечением. Иными словами, живое сечение прямого канала скачкообразно и/или непрерывно, предпочтительно на его небольшом по протяженности участке, уменьшается в направлении потока ОГ. Для обеспечения большой площади свободного сечения с входной торцовой стороны предлагаемого в изобретении устройства предпочтительно, чтобы живое сечение прямого канала уменьшалось, начиная от его входного отверстия, на участке протяженностью по меньшей мере 5 мм, прежде всего по меньшей мере 10 мм. Уменьшение живого сечения прямого канала предпочтительно обеспечивать исключительно за счет соответствующего выполнения его стенок, однако в отдельных случаях для этой же цели можно также использовать (в основном газонепроницаемой) герметик или иной аналогичный материал.
Особенно предпочтительно также предлагаемое в изобретении устройство, в котором множество прямых каналов окружено по меньшей мере одним обратным каналом. Сказанное относится прежде всего к устройствам, которые имеют множество прямых каналов (и обратных каналов) и в которых, например, с их выходной торцовой стороны плотность расположения каналов составляет в целом по меньшей мере 100 каналов на кв.дюйм (1 кв.дюйм равняется примерно 6,4516 квадратных сантиметра), предпочтительно даже по меньшей мере 200 каналов на кв.дюйм. В рассматриваемом варианте расположение прямых каналов таково, что (все) они в своем окружном направлении окружены одним обратным каналом (соответственно несколькими обратными каналами). При этом один, соответственно каждый прямой канал находится в теплообменном контакте с по меньшей мере одним обратным каналом на части своего окружного периметра, составляющей по меньшей мере 70%, прежде всего даже по меньшей мере 80%, от всей длины этого окружного периметра.
Во всех рассмотренных выше предпочтительных вариантах выполнения предлагаемого в изобретении устройства оно предпочтительно образовано сотовым элементом, изготовленным из по меньшей мере частично профилированных листов фольги. При этом по меньшей мере один лист фольги наиболее предпочтительно выполнять с волнистой или гофрированной профильной структурой с изменяющейся в направлении потока высотой и/или шириной гофров.
Еще одним объектом настоящего изобретения является способ обработки потока ОГ, заключающийся в выполнении по меньшей мере следующих стадий:
(а) поток ОГ подают в по меньшей мере один прямой канал устройства для обработки потока ОГ, причем задают изменяемое в зависимости от параметра потока ОГ положение точки их входа в прямой канал для регулирования повышения в прямом канале температуры входящего в него потока ОГ;
(б) обеспечивают повышение температуры потока ОГ за счет экзотермической реакции на заднем участке прямого канала,
(в) поток ОГ направляют в по меньшей мере один обратный канал устройства для обработки потока ОГ и
(г) обеспечивают передачу тепла от потока ОГ в обратном канале к переднему участку по меньшей мере одного прямого канала.
Подобный способ используется прежде всего в предлагаемом в изобретении устройстве.
Осуществляемое на стадии (а) задание, изменяемое в зависимости от параметра потока ОГ положение точки их входа в прямой канал в зависимости от некоторого параметра потока ОГ. Такой параметр может характеризовать поток ОГ перед его входом в устройство для его обработки, при прохождении через него и/или после выхода из него. Указанный параметр потока ОГ, в зависимости от которого изменяют положение точки входа ОГ в прямой канал, наиболее предпочтительно при этом определять перед входом потока ОГ в устройство для его обработки.
В качестве параметра потока ОГ предлагается выбирать по меньшей мере один параметр из группы, включающей температуру, содержание углеводородов, содержание моноксида углерода и содержание кислорода. Измерение температуры ОГ перед входом их потока в устройство для его обработки позволяет заранее определять те условия, которые необходимо создавать в прямом канале для этого потока ОГ с тем, чтобы их температура на поворотном участке, соответственно в обратном канале, лежала в заданных пределах. Измерение же температуры ОГ на поворотном участке позволяет, например, проверять, произошли ли фактически заданные, соответственно требуемые реакции в потоке ОГ, соответственно произошло ли требуемое повышение их температуры, и при необходимости изменять положение точки входа ОГ в прямой канал, соответственно инициировать изменение положения точки входа ОГ в прямой канал. Учитывая тот факт, что повышение температуры ОГ в прямом канале происходит преимущественно под действием тепла, выделяющегося в результате экзотермической химической реакции, целесообразно контролировать, соответственно определять содержание тех или иных реагентов в составе потока ОГ с тем, чтобы при необходимости можно было воздействовать на состав ОГ и/или анализировать химическую активность или реакционную способность потока ОГ и тем самым соответствующим образом изменять положение точки входа ОГ в прямой канал. Для определения этих параметров можно использовать известные датчики.
В еще одном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа параметр потока ОГ предлагается также определять путем вычислений. Сказанное означает, в частности, что путем вычислений определяют состав ОГ, соответственно содержание в них определенного их компонента. Для подобных вычислений можно использовать, например, так называемую характеристику исходных выбросов, т.е. еще необработанных ОГ, по которой в зависимости от фактического режима работы источника ОГ можно получать информацию о содержании в не обработанных ОГ исходных токсичных компонентов. Аналогичным путем можно также вычислять определенные температуры ОГ. Очевидно, что для контроля соответствующего параметра при этом можно, тем не менее, использовать датчик.
В следующем варианте осуществления предлагаемого в изобретении стадию (б) выполняют таким образом, чтобы при варьируемых параметрах поступающего на обработку потока ОГ их температура на выходе из прямого канала не превышала заданную. Для поддержания температуры ОГ на выходе из прямого канала в требуемом интервале наиболее предпочтительно регулировать состав ОГ и/или положение точки их входа в прямой канал. Указанная заданная температура ОГ преимущественно лежит в пределах от 400 до 600°С и прежде всего не зависит от режима работы источника ОГ. При наличии за прямым каналом, например, фильтра для улавливания твердых частиц нагретыми до такой температуры ОГ можно обеспечить непрерывную его регенерацию. Помимо этого при наличии за прямым каналом, например, термочувствительного второго покрытия указанную заданную температуру ОГ можно также согласовать с интервалом рабочих температур этого второго покрытия.
В еще одном варианте осуществления предлагаемого в изобретении на параметры поступающего на обработку потока ОГ предлагается воздействовать с учетом условий, преобладающих в устройстве для обработки потока ОГ. Сказанное означает, в частности, что определяют способность ОГ к протеканию в них химической экзотермической реакции в устройстве для обработки их потока и в зависимости от полученных результатов соответствующим образом корректируют, например, состав входящего, соответственно поступающего на обработку, потока ОГ. Корректировать состав потока ОГ можно, например, увеличивая содержание в нем углеводородов и/или моноксида углерода, для чего прежде всего источник ОГ, например двигатель внутреннего сгорания (ДВС), переводят на соответствующий другой режим работы.
Описанным выше предлагаемым в изобретении устройством для обработки потока отработавших газов наиболее предпочтительно оснащать транспортное средство (автомобиль). Объектом изобретения является также соответствующий способ эксплуатации системы выпуска отработавших газов (ОГ), которой оборудовано транспортное средство и которая оснащена соответствующим устройством для обработки потока ОГ описанным выше способом.
Ниже изобретение и необходимые для его реализации технические средства более подробно рассмотрены со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. Необходимо отметить, что на этих чертежах показаны наиболее предпочтительные варианты осуществления изобретения, которыми, однако, его объем не ограничен. На прилагаемых к описанию чертежах, которые носят схематичный характер, в частности, показано:
на фиг.1 - выполненное по первому варианту предлагаемое в изобретении устройство,
на фиг.2 - фрагмент выполненного по другому варианту предлагаемого в изобретении устройства,
на фиг.3 - график изменения температуры ОГ при их прохождении через прямой канал,
на фиг.4 - транспортное средство с системой выпуска ОГ,
на фиг.5 - фрагмент выполненного еще по одному варианту предлагаемого в изобретении устройства,
на фиг.6 - фрагмент профилированной фольги, используемой для образования устройства, выполненного по показанному на фиг.5 варианту,
на фиг.7 - автомобильная система выпуска ОГ, выполненная по одному из предпочтительных вариантов,
на фиг.8 - система выпуска ОГ, выполненная по другому варианту.
На фиг.1 схематично показано выполненное по первому варианту устройство 1 для обработки потока 2 ОГ. Такое устройство 1 имеет несколько слоев 20 из расположенных в каждом из них в одной плоскости прямых (или прямоточных; 3 и обратных (или противоточных) каналов 6. Поток 2 ОГ через соответствующее подводящее средство 8 подается в прямые каналы 3. Из прямого канала 3 поток 2 ОГ сначала проходит через каталитический нейтрализатор 15 в поворотный участок 13, затем проходит через фильтр 14 для улавливания твердых частиц и в завершение попадает в обратный канал 6. На выходе из обратного канала 6 поток ОГ вновь объединяется с выходящими из других обратных каналов потоками ОГ в единый поток, который подается далее в последующие устройства для обработки или снижения токсичности ОГ в системе их выпуска.
В нижней части на фиг.1 один из слоев 20 показан более подробно. Прямой канал 3 выполнен при этом с передним участком 4 и задним участком 5. Расположенный непосредственно рядом с прямым каналом обратный канал 6 проходит параллельно ему и имеет такую же длину. На заднем участке 5 прямого канала 3 предусмотрено первое покрытие, способствующее протеканию экзотермической реакции в потоке 2 ОГ на этом участке. На переднем участке 4 прямого канала 3 выполнена общая с обратным каналом стенка 23 в качестве средства для передачи тепла из обратного канала 6. Функция прямого канала 3 и обратного канала 6 более подробно рассмотрена ниже на примере показанного на фиг.2 фрагмента предлагаемого в изобретении устройства для обработки потока ОГ.
На фиг.2 подробно показана слоевая структура 19 с изображением вверху прямого канала 3 и с изображением внизу обратного канала 6, которые отделены друг от друга разделяющей их общей стенкой 23. Поток ОГ при своем движении в направлении 25 сначала попадает в прямой канал 3 на его передний участок 4, протяженность 12 которого составляет от 80 до 120 мм. Непосредственно к этому переднему участку прямого канала примыкает его задний участок 5, на котором предусмотрено первое покрытие 7 с катализаторами 24 на основе благородных металлов. На этом участке с первым покрытием 7 инициируется экзотермическая реакция в потоке 2 ОГ, которая сопровождается повышением их температуры. Для контроля за происходящим в результате такой экзотермической реакции повышением температуры в конце прямого канала 3, соответственно в месте перехода к поворотному участку 13, предусмотрен датчик 17 для измерения температуры ОГ. В конце прямого канала 3, соответственно на поворотном участке 13, предусмотрен фильтр 14 для улавливания твердых частиц, для непрерывной регенерация которого соответствующим образом регулируют температуру потока ОГ. После прохождения через фильтр 14 для улавливания твердых частиц поток ОГ в направлении 25 своего движения попадает в обратный канал 6. Перед входом в обратный канал 6 в поток ОГ подающим устройством 18 дополнительно добавляют реагент, например твердую мочевину. В обратном канале 6 (а именно: по длине его части от входного участка до выходного участка) предусмотрено второе покрытие 11, например покрытие для селективного каталитического восстановления (СКВ-покрытие). После прохождения участка со вторым покрытием 11 поток все еще относительно горячих ОГ движется вдоль стенки 23, через которую происходит теплообмен 16 с ОГ, находящимися на переднем участке 4 прямого канала 3.
Ниже со ссылкой на фиг.3 более подробно рассмотрена зависимость температуры потока ОГ в прямом канале 3 от положения точки 9 их входа в него. Вверху на фиг.3 показан график, отражающий изменение температуры потока ОГ перед их входом в прямой канал 3, внутри него и после выхода из него. Через T1 при этом обозначена температура потока 2 ОГ, которую он имеет перед входом в прямой канал 3. Соответственно через Т2 обозначена температура потока ОГ, которую он имеет на выходе из прямого канала 3, соответственно после выхода из него.
Сам прямой канал 3 схематично показан под графиком. Прямой канал 3 имеет показанный слева передний участок 4 и показанный справа задний участок 5, снабженный первым покрытием 7. К переднему участку 4 прямого канала 3 подсоединено подводящее средство 8 для подачи потока 2 ОГ, которое снабжено биметаллической заслонкой 10, изменяющей или регулирующей положение точки 9 входа ОГ в прямой канал. Показанное на чертеже положение биметаллической заслонки подводящего средства 8, соответственно положение точки 9 входа ОГ в прямой канал, соответствует, например, "нормальному режиму" работы ДВС. В этом режиме поток ОГ с относительно низкой температурой T1 поступает в передний участок 4, на котором в результате передачи тепла из (не показанного на чертеже) обратного канала происходит первое повышение температуры потока ОГ. После этого поток ОГ проходит через снабженный первым покрытием 7 задний участок 5, на котором из-за протекания на нем экзотермической реакции происходит дальнейшее повышение температуры потока ОГ, которая в конечном итоге достигает определенного, соответственно заданного уровня Т2.
Однако ОГ, образующиеся при работе ДВС в особых режимах, предпочтительно подвергать иной термической обработке. Так, например, при пуске холодного ДВС или же при повышенной входной температуре T1 потока ОГ можно выбрать другое положение точки 9' их входа в прямой канал. Этому случаю на фиг.3 соответствует показанное прерывистой линией положение точки 9' входа ОГ в прямой канал, а также показанная на графике прерывистой линией кривая изменения температуры ОГ. Очевидно, что температура T1 при этом гораздо выше. Для нагрева же ОГ в основном до такой же конечной температуры Т2, что и при работе ДВС "в нормальном режиме", точку 9' входа ОГ в прямой канал 3 смещают ближе к его заднему участку 5 и таким путем, например, исключают часть прямого канала из процесса теплообмена с обратным каналом или даже не используют часть первого покрытия.
Предпочтительно при этом предусматривать по меньшей мере два возможных положения точки 9 входа ОГ в прямой канал, однако при определенных условиях может также оказаться предпочтительным предусмотреть возможность плавного регулирования положения точки 9 входа ОГ в прямой канал.
На фиг.4 проиллюстрирована предпочтительная область применения предлагаемых в изобретении устройства, соответственно способа. На этом чертеже показано транспортное средство (автомобиль) 21 с системой 22 выпуска ОГ. Транспортное средство 21 оснащено двигателем 27 внутреннего сгорания (например, двигателем с принудительным воспламенением рабочей смеси или дизельным двигателем), при работе которого образуются ОГ, которые необходимо подвергать обработке или нейтрализации с целью снижения их токсичности. Поток ОГ поступает по выпускному трубопроводу 28 в предлагаемое в изобретении устройство 1, в котором реализуется предлагаемый в изобретении способ. Для контроля за процессами, протекающими в устройстве 1, предусмотрен датчик 17 для измерения температуры ОГ. В том случае, когда измеренная датчиком 17 температура не лежит в требуемых пределах, соответствующая система 26 управления двигателем может, например, влиять на состав ОГ, изменяя содержание в них тех или иных реагентов.
После выхода из устройства 1 поток ОГ проходит через другие устройства для их обработки, такие, например, как каталитический нейтрализатор 15 для окисления одного из компонентов ОГ, фильтр 14 для улавливания твердых частиц и еще одно устройство для обработки ОГ, такое как каталитический нейтрализатор 15 для восстановления другого из компонентов ОГ. После такой нейтрализации, соответственно такого превращения содержащихся в ОГ вредных веществ в безвредные, ОГ могут выбрасываться в окружающую среду.
На фиг.5 схематично показана конструкция устройства со свободным сечением с его входной торцовой стороны 29, на долю которого приходится по меньшей мере 90% от всей площади поперечного сечения устройства с его входной стороны. Согласно чертежу площадь поперечного сечения устройства с его входной торцовой стороны 29 уменьшена лишь на величину, которая равна сумме площадей поперечного сечения стенок каналов и зависит от толщины 34 стенок каналов. Для возможности размещения прямых каналов 3 рядом с обратными каналами 6 прямые каналы 3 выполнены сужающимися, начиная от входной торцовой стороны 29 в направлении от их входного отверстия 30 к их выходному отверстию 31, т.е. с уменьшающимся живым сечением 32. В показанном на чертеже варианте прямые каналы выполнены непрерывно сужающимися на участке 33, примыкающем к входной торцовой стороне 29. В принципе для достижения той же цели можно также изменять форму живого сечения 32 прямого канала 3, например, с многоугольной на овальную либо иную аналогичную форму, как это условно также показано на чертеже. Рассмотренные выше меры прежде всего позволяют создать устройство, в котором (все) прямые каналы 3 окружены несколькими обратными каналами 6 и которое тем самым выполнено в виде своего рода многотрубного теплообменника.
На фиг.6 в качестве примера показана принципиальная конструкция выполненного по описанному выше варианту устройства, изготовленного из листов фольги 35. Фольга 35 выполнена профилированной с гофрированной структурой 36, которая, при необходимости совместно с (не показанной на чертеже) прилегающей гладкой фольгой, в основном ограничивает каналы. Наличие свободного сечения большой площади с входной торцовой стороны 29 в данном случае обеспечивается благодаря выполнению гофрированной структуры с первой высотой 37. В конце участка 33, примыкающего к входной торцовой стороне 29, живое сечение прямого канала 3 скачкообразно уменьшается. Подобное скачкообразное уменьшение живого сечения прямого канала обеспечивается за счет уменьшения высоты гофрированной структуры фольги 35 до второй высоты 38 и за счет использования герметика 40, который отклоняет набегающий на него поток ОГ в (нижние) прямые каналы 3, расположенные на теплообменном участке 39. Обратные каналы 6 в данном случае образованы над фольгой 35 на теплообменном участке 39. Необходимо отметить, что соотношения размеров на чертеже обычно не соответствуют реальным, что относится главным образом к теплообменному участку 39, протяженность которого в реальности существенно больше протяженности участка 33, длина которого составляет примерно от 5 до 10 мм. Гидравлический диаметр прямых каналов 3 на теплообменном участке 39 в предпочтительном варианте составляет от 1 до 4 мм, прежде всего от 2 до 3 мм.
На фиг.7 и 8 показаны два наиболее предпочтительных варианта выполнения системы выпуска ОГ для транспортных средств, позволяющей улучшить пусковые качества холодного двигателя. В показанном на фиг.7 варианте образующиеся при работе двигателя 27 внутреннего сгорания 27 ОГ предлагается подавать сначала в малообъемный каталитический нейтрализатор 41 с катализатором окисления, в котором происходит конверсия исходных токсичных компонентов необработанных ОГ, встречающихся в этом месте еще в малых количествах, а также происходит существенное повышение температуры ОГ. Затем поток ОГ проходит через возможно предусмотренный в выпускном трубопроводе 28 турбонагнетатель 42, после чего попадает в предлагаемое в изобретении устройство 1. В показанном на фиг.8 варианте предусмотрен байпас 43, по которому ОГ движутся в обход устройства 1 и также попадают в нейтрализатор 41 с катализатором окисления. Далее "подогретые" ОГ в предпочтительном варианте поступают в по меньшей мере часть обратных каналов для нагрева устройства 1. После прогрева устройства 1 до его минимальной рабочей температуры отработавшие газы можно направлять в его прямые каналы.
Приведенные выше пояснения не ограничивают объем изобретения. Так, в частности, технические особенности, рассмотренные со ссылкой на один из чертежей, в равной степени относятся и к другим вариантам осуществления изобретения, представленным на других чертежах. Описанное выше устройство, а также описанный выше способ позволяют создать особо компактное и конструктивно простое устройство для воздействия на температуру потока ОГ и для одновременной их нейтрализации.
Изобретение относится к устройству для обработки или снижения токсичности потока отработавших газов (ОГ), проводимой в заданном температурном интервале. Сущность изобретения: устройство (1) для обработки потока (2) отработавших газов (ОГ), имеющее по меньшей мере один прямой канал (3) с передним участком (4) и задним участком (5) и по меньшей мере один обратный канал (6), при этом на заднем участке (5) по меньшей мере одного прямого канала (3) предусмотрено первое покрытие (7), которое способствует протеканию экзотермической реакции в потоке (2) ОГ, а на переднем участке (4) по меньшей мере одного прямого канала (3) предусмотрены средства для передачи тепла из обратного канала (6), причем предусмотрены подводящие средства (8) для подачи потока (2) ОГ в по меньшей мере один прямой канал (3) с возможностью изменения положения точки (9) входа в него ОГ для регулирования повышения в прямом канале (3) температуры входящего в него потока (2) ОГ. Также описан соответствующий способ эксплуатации подобного устройства (1) для обработки потока (2) ОГ. Техническим результатом изобретения является простая конструкция устройства, контроль или регулировка температуры потока ОГ без применения отдельного теплоносителя, эффективное превращение содержащихся в ОГ вредных веществ в безвредные вещества. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 8 ил.
1. Устройство (1) для обработки потока (2) отработавших газов (ОГ), имеющее по меньшей мере один прямой канал (3) с передним участком (4) и задним участком (5) и по меньшей мере один обратный канал (6), при этом на заднем участке (5) по меньшей мере одного прямого канала (3) предусмотрено первое покрытие (7), которое способствует протеканию экзотермической реакции в потоке (2) ОГ, а на переднем участке (4) по меньшей мере одного прямого канала (3) предусмотрены средства для передачи тепла из обратного канала (6), причем предусмотрены подводящие средства (8) для подачи потока (2) ОГ в по меньшей мере один прямой канал (3) с возможностью изменения положения точки (9) входа в него ОГ для регулирования повышения в прямом канале (3) температуры входящего в него потока (2) ОГ.
2. Устройство (1) по п.1, в котором подводящие средства (8) содержат биметаллическую заслонку (10).
3. Устройство (1) по п.1, в котором в по меньшей мере одном обратном канале (6) предусмотрено второе покрытие (11).
4. Устройство (1) по п.1, в котором протяженность (12) переднего участка (4) по меньшей мере одного прямого канала составляет по меньшей мере 50 мм.
5. Устройство (1) по п.1, в котором между по меньшей мере одним прямым каналом (3) и по меньшей мере одним обратным каналом (6) предусмотрен поворотный участок (13), на котором по меньшей мере частично расположен по меньшей мере один из следующих компонентов: фильтр (14) для улавливания твердых частиц, каталитический нейтрализатор (15), датчик (17), устройство (18) для подачи одного или нескольких реагентов.
6. Устройство (1) по одному из пп.1-5, в котором множество прямых каналов (3) и множество обратных каналов (6) расположено в по меньшей мере одной слоевой структуре (19), которая расположена в несколько слоев (20).
7. Устройство (1) по одному из пп.1-5, которое с его входной торцовой стороны (29) имеет свободное сечение, на долю которого приходится по меньшей мере 90% от всей площади поперечного сечения устройства (1) с его входной стороны.
8. Устройство (1) по одному из пп.1-5, в котором по меньшей мере один прямой канал (3) выполнен с уменьшающимся в направлении от его входного отверстия (30) к его выходному отверстию (31) живым сечением (32).
9. Устройство (1) по одному из пп.1-5, в котором множество прямых каналов (3) окружено по меньшей мере одним обратным каналом (6).
10. Способ обработки потока (2) отработавших газов (ОГ), заключающийся в выполнении по меньшей мере следующих стадий:
(а) поток (2) ОГ подают в по меньшей мере один прямой канал (3) устройства (1) для обработки потока ОГ, причем задают изменяемое в зависимости от параметра потока (2) ОГ положение точки (9) их входа в прямой канал для регулирования повышения в прямом канале (3) температуры входящего в него потока (2) ОГ;
(б) обеспечивают повышение температуры потока (2) ОГ за счет экзотермической реакции на заднем участке (5) прямого канала (3),
(в) поток (2) ОГ направляют в по меньшей мере один обратный канал (6) устройства (1) для обработки потока ОГ и
(г) обеспечивают передачу тепла от потока (2) ОГ в обратном канале (6) к переднему участку (4) по меньшей мере одного прямого канала (3).
11. Способ по п.10, при осуществлении которого в качестве параметра потока (2) ОГ выбирают по меньшей мере один параметр из группы, включающей температуру, содержание углеводородов, содержание моноксида углерода и содержание кислорода.
12. Способ по п.10, при осуществлении которого параметр потока ОГ определяют путем вычислений.
13. Способ по п.11, при осуществлении которого параметр потока ОГ определяют путем вычислений.
14. Способ по п.10, при осуществлении которого стадию (б) выполняют таким образом, чтобы при варьируемых параметрах поступающего на обработку потока (2) ОГ их температура на выходе из прямого канала (3) не превышала заданную.
15. Способ по одному из пп.10-14, при осуществлении которого на параметры поступающего на обработку потока (2) ОГ воздействуют с учетом условий, преобладающих в устройстве (1) для обработки потока ОГ.
16. Транспортное средство (21) с устройством (11) для обработки потока (2) отработавших газов по одному из пп.1-9.
17. Способ эксплуатации системы (22) выпуска отработавших газов (ОГ), которой оборудовано транспортное средство (21) и которая оснащена устройством (1) по одному из пп.1-9 для обработки потока (2) ОГ способом по одному из пп.10-15.
| Мост для измерения составляющих комплексной проводимости в диапазоне высоких частот | 1987 |
|
SU1479883A1 |
| DE 10323607 A1, 09.12.2004 | |||
| DE 19960976 A1, 05.07.2001 | |||
| Нейтрализатор отработавших газов | 1990 |
|
SU1746000A1 |
