Способ очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК F01N3/08 

Изобретение относится к технологии очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС) от токсичных примесей, преимущественно оксидов азота, углеводородов, включая сажу, и к конструкции устройств для осуществления этой технологии и может быть установлено перед глушителем или взамен его на выхлопном тракте стационарного ДВС или ДВС транспортных средств.

Проблема очистки выхлопных газов ДВС имеет два основных аспекта. Во-первых, экологический, т.к. в крупных населен- ных пунктах автомобили являются основными загрязнителями атмосферы букетом токсичных веществ, среди которых особо опасны тонкодисперсная канцерогенная сажа и фотохимически активная смесь несгоревших углеводородов с оксидами азота. Во-вторых, экономический аспект, т.к. выброс горючих компонентов (тех же несгоревших углеводородов и сажи) увеличивает удельный расход топлива, а всякая очистка выхлопных газов на борту работающих автомобилей связана с их дооснащени- ем устройствами, которые снижают

грузоподъемность каждого автомобиля и эффективность автоперевозок в целом. Оба эти аспекта тесно взаимосвязаны.

Однако на практике способы и устройства для очистки выхлопных газов ДВС обычно создают в расчете на наиболее полную нейтрализацию особо опасных примесей даже ценой утраты экономичности. Общеизвестны, например способы катали

тической очистки выхлопных газов от оксидов азота и моноокиси углерода на платиносодержащих катализаторах в устройствах, называемых нейтрализаторами и включаемых в состав глушителей.

Однако при катализе восстановление монооксида азота протекает не только до молекулярного азота, но и частично до веселящего газа №0. Монооксид же углерода

окисляется на катализаторе незначительно и повышение степени очистки от него увеличением расхода платины нецелесообразно. Углеводороды при большой начальной концентрации (порядка нескольких процен- тов)обычно окисляются на катализаторе неполностью, в результате чего требуется доочистка выхлопных газов от промежуточных продуктов окисления углеводородов, например формальдегида. Поэтому активно изыскиваются иные подходы к разработке способов очистки выхлопных газов ДВС и устройств для экономичной реализации этих способов. Из таких подходов на наш взгляд наиболее перспективен тот, который основан на циклической сорбции-десорбции токсичных примесей с возвратом десор- бированных примесей в ДВС для их дожигания.

Из способов сорбционно-десорбцион- ной очистки выхлопных газов ДВС к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близок способ, согласно которому выхлопные газы двигателя, содержащие оксиды азота, ох- лаждают в теплообменнике первой ступени и одновременно нагревают впускной воздух до 370-400 К. Затем выхлопные газы дополнительно охлаждают до 370 К в теплообмен- нике второй ступени. Охлажденные выхлопные газы и .нагретый впускной воздух направляют противотоком в адсорбер- десорбер циклического действия, содержащий слой цеолита, например Н- эрионита. который находится во вращаю- щейся части аппарата. Путем циклических адсорбции и десорбций осуществляют очистку выхлопных газов и одновременно выдувают (десорбируют) ранее адсорбированные окислы азота нагретым впускным воздухом. Адсорбер-десорбер вращают и тем самым производят смену циклов адсорбции и десорбции. Очищенные выхлопные газы выбрасывают в атмосферу, а воздух с десорбированными оксидами азота охлаждают в теплообменнике до температуры, превышающей температуру точки росы, и подают в двигатель.

Для очистки выхлопных газов ДВС известно устройство в виде цилиндрического корпуса с воронкообразными патрубками для входа и выхода выхлопных газов и впускаемого в двигатель воздуха. Внутри корпуса на валу, имеющем возможность вращения, жестко закреплен фильтр из пористого материала, причем фильтр выполнен в виде аксиальных каналов, закрытых с одного торца и открытых с другого торца, поэтому выхлопные газы, войдя в какой-либо из каналов, могут выйти из него только

через соседний канал, предварительно пройдя через пористую стенку канала, которая таким образом служит разделительной перегородкой.

Из известных устройств, реализующих способ сорбционно-десорбционной очистки газовых выбросов во вращающемся слое адсорбента, наиболее близким по технической сущности является устройство, которое состоит из цилиндрического корпуса, вращающегося адсорбера-десорбера, разделительных перегородок, установленных по торцам корпуса, стационарного теплообменника и каталитического дожигателя, причем теплообменник и дожигатель объединены в самостоятельном блоке и связаны с адсорбером-десорбером соединительными каналами. Адсорбер-десорбер имеет цилиндрическую форму, заполнен волокнами активного угля, жестко закреплен на валу, имеющем возможность вращения. Образующие единый узел теплообменник и каталитический дожигатель связаны двумя соединительными каналами с адсорбером- десорбером, причем теплообменник соединен каналом с входом в десорбер, а каталитический дожигатель соединен каналом с выходом из десорбера.

Технологический недостаток известных решений состоит в том. что выхлопные газы и подогретый воздух подают во вращающийся адсорбер-десорбер противотоком. При этом наиболее насыщенные примесями слои адсорбента оказываются с противоположной стороны от входа предварительно подогретого воздуха и десорбция примесей из указанных слоев осуществляется потерявшим значительную часть своего тепла воздухом. В результате эффективность десорбции примесей снижается.

Функциональный недостаток известных решений при их возможном применении на ДВС состоит в трудности согласования циклического рабочего процесса во вращающемся адсорбере-десорбе- ре с непрерывным рабочим процессом в стационарных теплообменниках. Выдержать в теплообменниках необходимые для эффективной сорбции-десорбции примесей температурные условия, например, при холостом ходе и при разгоне двигателя затруд- нительно. Поэтому известные решения применимы преимущественно в стационарных ДВС.

Цель изобретения - повышение эффективности сорбции-десорбции углеводородов и оксидов азота на всех режимах работы ДВС, в результате чего повышается степень очистки выхлопных газов от этих примесей.

Указанная цель достигается тем. что в способе очистки выхлопных газов ДВС путем охлаждения выхлопных газов, одновременного нагрева впускного воздуха в противотоке циклических адсорбции во вращающемся слое адсорбента и десорбций впускным воздухом при охлаждении впускного воздуха, направляемого в двигатель, и выпуска выхлопных газов в атмосферу, согласно изобретению охлаждение выхлопных газов и нагрев впускного воздуха осуществляют циклически, в циклах адсорбции и десорбции газы и воздух подают прямотоком и охлаждение впускного воздуха осуществляют циклически газами, выпускаемыми в атмосферу, причем все циклы повторяют с одинаковой частотой.

Цель изобретения достигается также тем, что устройство, содержащее цилиндрический корпус с разделительными перегородками, газовыми патрубками подвода, сообщенными с выпускным коллектором двигателя, и газовыми патрубками отвода, размещенными на его торцовых стенках, воздушными патрубками подвода и воздушными патрубками отвода, связанными с впускным коллектором двигателя, основной теплообменник, сообщенный при помощи газовых и воздушных каналов с адсорбе- ром-десорбером, установленным в корпусе соосно на валу с возможностью вращения, и дополнительный теплообменник, согласно изобретению, снабжено кольцеобразными направляющими, установленными в корпусе, и дополнительными разделительными перегородками, каждая из которых выполнена в виде цилиндрической втулки с аксиальной полкой, связанной с соответствующей кольцеобразной направляющей, и радиальной стенкой, закрепленной на полке с возможностью перекрытия половины проходного сечения внутренней полости корпуса, основной и дополнительный тепло- обменники установлены с возможностью вращения на одном валу с адсорбером-де- сорбером, последний сообщен дополнительными газовыми и воздушными каналами с дополнительным теплообменником, адсорбер-десорбер, основной и дополнительный теплообменники выполнены секционными с равным числом секций, а воздушные патрубки подвода и отвода размещены на боковой поверхности корпуса.

На фиг.1 показана блок-схема способа; на фиг.2 - устройство для реализации способа; на фиг.З и 4 - разделительные перегородки в аксонометрии.

Как видно из поясняющей способ блок- схемы, показанной на фиг.1, отработавшие

газы ДВС, содержащие токсичные примеси, охлаждают до 375 К в основном секционном теплообменнике и одновременно за счет вращения рабочей насадки теплообменника нагревают впускной воздух до 700-750 К. В процессе вращения секции теплообменника периодически переключают с охлажде- ния газов на нагрев воздуха. Таким образом, в каждой секции за одну минуту

цикл нагрев-охлаждение повторяют несколько раз.

Затем охлажденные выхлопные газы и нагретый впускной воздух подают на адсорбционную очистку. Газы пропускают сначала через слой цеолита для адсорбции оксидов азота, затем через слой углеродного волокна для адсорбции углеводородов и одновременно прямотоком пропускают воздух через первый слой насыщенного адсорбента для десорбции оксидов азота, затем через второй слой насыщенного адсорбента для десорбции углеводородов. Секции ад- сорбера-десорбера периодически переключают с сорбции примесей на их десорбцию.

Нагретый впускной воздух, содержащий десорбированные примеси, охлаждают до 350 К, используя в качестве теплоносителя очищенные выхлопные газы, подаваемые в теплообменник противотоком. Дополнительный теплообменник вращают с такой же скоростью как и основной теплообменник. Секции дополнительного теплообменника периодически переключают с охлаждения воздуха на нагрев га.зов.

Частоту повторения перечисленных выше операций изменяют пропорционально частоте вращения двигателя.

Пример (способ прототипа).

Выхлопные газы ДВС, содержащие 1000 оксидов азота и 3000 углеводородов, предварительно охлаждают до температуры 400 К в теплообменнике первой ступени, где одновременно нагревают

впускаемый в двигатель воздух. Затем выхлопные газы дополнительно охлаждают до 370 К в теплообменнике второй ступени. Охлажденные выхлопные газы и нагретый впускной воздух подают противотоком во

вращающийся адсорбер-десорбер. заполненный цеолитом. В процессе вращения секции адсорбера-десорбера периодически переключают с адсорбции оксидов азота на их десорбцию. Очищенные выхлопные газы

выбрасывают в атмосферу. Воздух, содержащий десорбированные оксиды азота, охлаждают в теплообменнике до температуры, превышающей температуру точки росы, и впускают в двигатель. Содержание оксидов азота в выхлопных газах поеле очистки 500 млн От углеводородов очистка не предусмотрена.

П р и м е р 2 (заявляемый способ).

Выхлопные газы работающего с полной нагрузкой ДВС, содержащие 1000 оксидов азота и 3000 углеводородов, подают противотоком в основной секционный теплообменник, который вращают с частотой 5 об/мин при частоте вращения двигателя 2000 об/мин. Секции основного теплообменника периодически переключают с охлаждения газов на нагрев воздуха и таким образом охлаждают выхлопные газы до 370 К, а впускной воздух нагревают до 750 К. Охлажденные выхлопные газы и нагретый впускной воздух подают прямотоком в секционный адсорбер-десорбер, который вращают с частотой 5 об/мин. Секции адсорбера-десорбера. заполненные слоем цеолита и слоем углеродного волокна, периодически переключают с сорбции примесей на их десорбцию и таким образом сорбируют 6600 оксидов азота в первом слое адсорбента и 2400 углеводородов во втором слое адсорбента. Одновременно десорбируют указанное количество примесей подогретым впускным воздухом. Нагретый содержащий десорби- рованные примеси воздух и очищенные выхлопные газы подают противотоком в дополнительный секционный теплообменник, который вращают с частотой 5 об/мин. Секции дополнительного теплообменника периодически переключают с охлаждения воздуха на нагрев газов, используя их в качестве теплоносителя, и таким образом охлаждают впускаемый в двигатель воздух до 370 К. Очищенные выхлопные газы, содержащие 400 оксидов азота и 600 углеводородов, выбрасывают в атмосферу.

ПримерЗ (заявляемый способ).

Выхлопные газы работающего на холостом ходу ДВС, содержащие 500 оксидов азота и 5000 углеводородов, подают противотоком в основной секционный теплообменник, который вращают с частотой 3 об/мин при частоте вращения двигателя 1200 об/мин. Секции основного теплообменника периодически переключают с охлаждения газов на нагрев воздуха и таким образом охлаждают выхлопные газы до 370 К, а впускной воздух нагревают до 700 К. Охлажденные выхлопные газы и нагретый впускной воздух подают прямотоком в секционный адсорбер-десорбер, который вращают с частотой 3 об/мин. Содержащие два слоя адсорбента секции адсорбера-десорбера периодически переключа ют с сорбции примесей на их десор; бцию и таким образом сорбируют 300 млн

-1

оксидов азота в первом слое адсорбента и 4000 углеводородов во втором слое адсорбента. Одновременно десорбируют указанное количество примесей нагретым

5 воздухом. Нагретый содержащий десорби- рованные примеси воздух и очищенные выхлопные газы подают противотоком в дополнительный секционный теплообменник, который вращают с частотой 3 об/мин.

10 Секции дополнительного теплообменника периодически переключают с охлаждения воздуха на нагрев газа, используя их в качестве теплоносителя, и таким образом охлаждают впускаемый в двигатель воздух до 370

15 К. Очищенные выхлопные газы, содержащие 200 , оксидов азота и 1000 углеводородов, выбрасывают в атмосферу. Результаты сравнения основных характеристик заявленного способа и устройства

20 с их прототипами приведены в таблице.

Как видно, основное преимущество предлагаемых изобретений состоит в саморегулируемости процессов массообмена и теплообмена, в результате чего достигается

25 более высокая эффективность очистки выхлопных газов при переменных режимах работы двигателя. Испытания заявленного способа и модели устройства в лабораторных условиях показали, что степень очистки

30 выхлопных газов от оксидов азота и углеводородов повышается более чем на 20%.

На фиг.2 показано устройство для осуществления заявляемого способа. Предла35 гаемоеустройствосодержит

цилиндрический корпус 1 и торцовые стенки 2 с отверстиями для поворотного вала 3. На соосном с корпусом валу 3 установлены последовательно основной секционный тепло40 обменник А, секционный адсорбер-десорбер В и дополнительный секционный теплообменник С - все с одинаковым числом секций в рабочей насадке. Рабочие насадки теплообменников, а также адсорбера-десорбера

45 выполнены в виде цилиндрической обечайки 4, разделенной радиальными ребрами 5 на одинаковое число секций. Цилиндрическая обечайка 4 рабочей насадки выполнена с кольцеобразным зазором относительно

50 цилиндрического корпуса 1 для возможности свободного вращения вала 3 с теплообменниками и адсорбером-десорбером. На торцовых стенках корпуса закреплены газовые патрубки подвода 6, сообщенные с вы55 пускным коллектором двигателя и газовые патрубки отвода 7, размещенные на его тор- цооых стенках, воздушные патрубки подвода 8 и воздушные патрубки отвода 9. связанные с впускным коллектором двигателя.

Основной теплообменник А связан с эд- сорбером-десорбером В дополнительным воздушным каналом 10 через отверстия 11, 12 на боковой поверхности корпуса. Адсорбер-десорбер В связан с дополнительным теплообменником С воздушным каналом 13 через отверстия 14 и 15 на боковой поверхности корпуса.

Между теплообменниками А и С и торцовыми стенками цилиндрического корпуса установлены разделительные перегородки F и G. Между адсорбером-десорбером В и теплообменниками А и С установлены дополнительные разделительные перегородки D и Е. Теплообменники А, С, адсорбер-десорбер В, разделительные перегородки D, Е , F и G снабжены уплотнителями 16 как по окружности корпуса, так и по окружности вала. Дополнительные разделительные перегородки D и Е выполнены в виде цилиндрической втулки 17. с аксиальной полкой 18, связанной с кольцеобразной направляющей 20 и радиальной стенкой 19, закрепленной на полке с возможностью перекрытия половины проходного сечения внутренней полости корпуса.

Разделительные перегородки F и G выполнены в виде цилиндрической втулки 17, связанной с аксиальной полкой 18 и соответствующей кольцеобразной направляющей 20. Аксиальная полка 18 разделительных перегородок D, Е, F и G перекрывает все сечение цилиндрического корпуса. Втулка 17 всех разделительных перегородок выполнена с кольцеобразным за- зором относительно вала 3. Разделительные перегородки О. Е, F и G жестко связаны с цилиндрическим корпусом устройства с помощью кольцеобразных направляющих 20.

Таким образом, в заявляемом устройстве подвижными, в частности имеющими возможность вращения, являются только вал 3 и закрепленные на нем узлы А (основной теплообменник). В (адсорбер-десорбер) и С (дополнительный теплообменник). Все остальные элементы, включая перегородки D, Е, F и G. неподвижны.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Секции теплообменников А и С заполняют стружкой из нержавеющего металла, а секции адсорбера-десорбера В заполняют в два слоя адсорбентами: первый слой - цеолит для улавливания оксидов азота, второй слой -углеродное волокно для улавливания углеводородов. Выхлопные газы из цилиндра двигателя подают по газовому патрубку подвода 6 в нижние секции основного теплообменника А, а в верхние

секции теплообменника А подают по воздушному патрубку подвода 8 воздух из атмосферы, причем с помощью разделительной перегородки D направляют

впускной воздух противотоком по отношению к выхлопным газам. При вращении рабочей насадки основного теплообменника выхлопные газы охлаждают, а впускной воздух нагревают.

Охлажденные выхлопные газы из нижних секций основного теплообменника А подают непосредственно в нижние секции адсорбера-десорбера В. Нагретый впускной

воздух из верхних секций основного теплообменника А выводят из корпуса 1 через отверстие 11 в воздушный канал 10. Из воздушного канала 10 впускной воздух через отверстие 12 возвращают в корпус 1 и с

помощью дополнительной разделительной перегородки D направляют нагретый впускной воздух в верхние секции адсорбера-десорбера В. При этом газы и воздух движутся в рабочей насадке адсорбера-десорбера

прямотоком и последовательно проходят через два слоя адсорбента: слой цеолита и слой углеродного волокна. При вращении рабочей насадки адсорбера-десорбера оксиды азота и углеводороды сорбируют из

охлажденных выхлопных газов и одновременно десорбируют (выдувают) их нагретым впускным воздухом.

Очищенные выхлопные газы из нижних

секций адсорбера-десорбера В подают непосредственно в нижние секции дополнительного теплообменника С. Нагретый и содержащий десорбированные примеси впускной воздух из верхних секций адсорбера десорбера В выводят из корпуса 1 через отверстие 14 в дополнительный воздушный канал 13. Из воздушного канала 13 впускной воздух через отверстие 15 возвращают в корпус 1 и с помощью разделительной перегородки G направляют нагретый и содержащий десорбированные примеси впускной воздух в верхние секции дополнительного теплообменника С. При этом газы и воздух движутся в рабочей

насадке дополнительного теплообменника противотоком. При вращении рабочей насадки дополнительного теплообменника впускной воздух охлаждают, а выхлопные газы нагревают. Затем очищенные

выхлопные газы по газовому патрубку отвода 7 выбрасывают в атмосферу, а охлажденный и содержащий десорбированные примеси воздух по воздушному патрубку отвода 9 впускают в камеру сгорания двигателя.

Формула изобретения

1.Способ очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания путем охлаждения выхлопных газов, одновременного нагрева впускного воздуха в противотоке газу, циклических адсорбции во вращающемся слое адсорбента и десорбции впускным воздухом, охлаждения впускного воздуха, направляемого в двигатель, и выпуска выхлопных газов в атмосферу, о т л и ч а ю щ и и с я тем. что, с целью повышения эффективности, охлаждение выхлопных газов и нагрев впускного воздуха осуществляют циклически, в циклах адсорбции и десорбции газы и воздух подают прямотоком и охлаждение впускного воздуха осуществляют циклически газами, выпускаемыми в атмосферу, причем все циклы повторяют с одинаковой частотой.

2.Устройство для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащее цилиндрический корпус с разделительными перегородками, газовыми патрубками подвода, сообщенными с выпускным коллектором двигателя, и газовыми патрубками отвода, размещенными на его торцовых стенках, воздушными патрубками подвода и воздушными патрубками отвода, связанными с впускным коллектором двигателя, основной теплообменник, сообщенный при помощи газовых и воздушных

каналов с адсорбером-десорбером, установленным в корпусе соосно на валу с возможностью вращения, и дополнительный теплообменник, отличающееся тем,

что, с целью повышения эффективности, оно снабжено кольцеобразными направляющими, установленными в корпусе, и дополнительными разделительными перегородками, каждая из которых выполпена в виде цилиндрической втулки с аксиальной полкой, связанной с соответствующей кольцеобразной направляющей и радиальной стенкой, закрепленной на полке с возможностью перекрытия

половины проходного сечения внутренней полости корпуса, основной и дополнительный теплообменники установлены с возможностью вращения на одном валу с адсорбером-десорбером, последний сообщен дополнительными газовыми и воздушными каналами с дополнительным теплообменником, адсорбер-десорбер, основной и дополнительный теплообменники выполнены секционными, а воздушные патрубки подвода и отвода размещены на боковой поверхности корпуса.

3. Устройство по п.2, отличающее- с я тем, что адсорбер-десорбер и теплооб- менники выполнены с равным числом секций.

и булюемы/ г

fyfAfx с/уинес

Использование: технология очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) от токсичных примесей, преимущественно оксидов азота, углеводородов, включая сажу, конструкции устройств для осуществления этой технологии. Предлагаемое устройство может быть установлено перед глушителем или взамен него на выхлопном тракте стационарного ДВС

t&cse.S.

/7