Устройство и способ очистки выхлопного газа двигателей внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для очистки выхлопного газа ДВС. Согласно изобретению, устройство, устанавливаемое на головке блока цилиндров или непосредственно на выхлопном коллекторе, содержит корпус с двойными стенками из двух цилиндрических коаксиально установленных обечаек и торцевых заглушек и с патрубками ввода и вывода выхлопного газа. Пространство между стенками корпуса заполнено газом, и в нем установлены дистанционные ограничители. В корпусе вдоль его продольной оси установлен по меньшей мере один катализаторный патрон. Патрубки ввода выхлопного газа снабжены наконечниками, форма которых в поперечном сечении идентична форме отверстий вывода выхлопного газа из головки блока цилиндров или выхлопного коллектора. Очистку выхлопного газа осуществляют путем пропускания его через зернистый слой катализатора катализаторного патрона, при этом процесс восстановления NO_x и окисления СO осуществляют последовательно на двух типах катализатора при температуре 250 - 700^oC. Изобретение позволяет осуществить более глубокую очистку выхлопного газа и удлинить срок работы катализатора. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к технике очистки выхлопного газа двигателей внутреннего сгорания как с искровым зажиганием, так и дизелей и позволяет уменьшить содержание вредных компонентов в выхлопном газе. Оно может быть использовано как на стационарных двигателях, так и на двигателях, установленных на транспортных средствах.

Известно устройство для очистки выхлопного газа двигателей внутреннего сгорания (EP, A1, 0199471), устанавливаемое непосредственно на головке блока цилиндров двигателя, которое одновременно является коллектором выхлопного газа. Внутри корпуса устройства вдоль его продольной оси размещены каталитические патроны, представляющие собой носитель в виде ячеистой структуры, на который нанесен активный компонент, например, элементы платиновой группы. Ячейки образованы продольными каналами, входные и выходные отверстия которых поочередно закрыты.

Выхлопной газ входит в открытые каналы каталитических патронов, проходит через пористые стенки каналов, выходит через каналы, открытые с противоположной стороны, и направляется в общий выходной патрубок.

Недостатками известного устройства являются: значительные потери тепла выхлопного газа через стенки корпуса, а также через стенки каналов в головке блока до поступления его на катализатор. Это приводит к проведению каталитического процесса при более низкой температуре, что вызывает необходимость применения дорогостоящих катализаторов с активными компонентами платиновой группы; значительное гидравлическое сопротивление каталитического устройства потоку выхлопного газа за счет множества поворотов потока, а также за счет ограниченного сечения входных и выходных отверстий для прохода газа в каналы катализаторных патронов; использование одного типа катализатора, например нанесенных на пористый сотовый носитель элементов платиновой группы, приводит к процессу одновременного окисления оксида углерода и водорода кислородом и водяным паром, имеющимися в выхлопном газе, и восстановлению NO_x водородом и оксидом углерода.

невозможность использования катализаторов на пористых сотовых носителях для очистки выхлопного газа дизельных двигателей внутреннего сгорания из-за быстрой забивки твердыми частицами, например углеродом, не только полостей каналов, но и входных отверстий в каналы.

Известен способ очистки выхлопного газа двигателей внутреннего сгорания (ЕР, A1, 0199471), при реализации которого одновременно осуществляют процесс фильтрации выхлопного газа путем пропускания его через пористый катализатор, восстановления NO_x водородом и оксидом углерода и окисления CO и водорода кислородом и водяным паром, имеющимися в выхлопном газе, при температуре 250 - 400^oC.

Протекание реакции окисления CO и H₂ до восстановления NO_x нежелательно, так как при этом уменьшается концентрация восстановителя в выхлопном газе, что приводит к недостаточной очистке от NO_x; Выжигание углерода за счет тепла выхлопного газа невозможно из-за относительно низкой температуры проведения процесса очистки и ограничения доступа выхлопного газа в каналы катализаторного патрона в связи с их забивкой, а также из-за недопустимости подъема температуры применяемых катализаторов.

В основу настоящего изобретения положена задача создания устройства и способа для очистки выхлопного газа двигателей внутреннего сгорания как с искровым зажиганием, так и дизелей с возможностью осуществления каталитического процесса при более высоких температурах и использования наиболее дешевого катализатора, способного работать при указанных температурах.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для очистки выхлопного газа двигателей внутреннего сгорания, устанавливаемом на головке блока цилиндров или непосредственно на выхлопном коллекторе, содержащем корпус с патрубками ввода и вывода выхлопного газа и установленный в корпусе по меньшей мере один катализаторный патрон, согласно изобретению, корпус выполнен с двойными стенками из двух цилиндрических коаксиально установленных обечаек и торцевых заглушек, пространство между которыми заполнено газом и в котором размещены дистанционные ограничители, при этом катализаторный патрон установлен вдоль продольной оси корпуса, а патрубки ввода выхлопного газа снабжены наконечниками, форма которых в поперечном сечении идентична форме отверстий вывода выхлопных газов из головки блока цилиндров или выхлопного коллектора.

Использование в предлагаемом устройстве для очистки выхлопного газа корпуса с двойными стенками, образованными двумя цилиндрическими коаксиально установленными одна относительно другой обечайками и торцевыми заглушками с дистанционными ограничителями и газовым пространством между стенками, уменьшает потери тепла выхлопного газа через стенки устройства и сохраняет тепло перед каталитической очисткой, что создает возможность проведения каталитического процесса при более высокой температуре. Установка корпуса устройства на головке блока цилиндров уменьшит потери тепла выхлопного газа через стенки коллектора, при этом корпус устройства одновременно будет выполнять роль выхлопного коллектора. При установке корпуса устройства непосредственно на выхлопном коллекторе, то есть после него, эффективность сохранения тепла за счет теплопотерь через стенки выхлопного коллектора будет несколько снижена.

Наличие у патрубков ввода выхлопного газа наконечников позволяет уменьшить теплообмен между выхлопным газом, проходящим по каналам вывода выхлопного газа из головки, и охлаждающей жидкостью, циркулирующей через головку блока, что дает возможность сохранить тепло выхлопного газа перед подачей его на катализатор.

Целесообразно, чтобы патрубки ввода выхлопного газа были закреплены на цилиндрическом корпусе устройства таким образом, чтобы их оси были расположены перекрестно с осью корпуса. Благодаря этому обеспечивается тангенциальный ввод выхлопного газа в кольцевой зазор между внутренней стенкой корпуса устройства и наружной стенкой катализаторного патрона, равномерный вход газа в слой катализатора, размещенного в катализаторном патроне, и минимальные потери напора.

В заявляемом устройстве каждый катализаторный патрон может быть выполнен по меньшей мере из двух коаксиально установленных перфорированных обечаек или металлических сеток с катализатором между ними и торцевых заглушек, одна из которых имеет центральное отверстие для ввода или вывода выхлопного газа. Такая конструкция катализаторного патрона создает кольцеобразное пространство, в которое загружается мелкозернистый катализатор, что обеспечивает минимальное гидравлическое сопротивление катализаторного слоя при радиальном движении газа.

В соответствии с настоящим изобретением по меньшей мере один катализаторный патрон может быть выполнен из трех обечаек перфорированных и/или из металлических сеток с образованием между ними двух кольцеобразных пространств, в которых размещены поглотитель и/или катализаторы разных типов. Такая конструкция катализаторного патрона позволит вначале по ходу газа осуществить процесс очистки газа от катализаторных ядов, а затем от вредных компонентов или вначале осуществить процесс преимущественного восстановления NO_x, а затем преимущественного окисления CO.

Установка в кольцеобразное пространство катализаторного патрона вдоль его продольной оси на расстоянии друг от друга спиралеобразных перегородок позволит улучшить распределение потока выхлопного газа по слою катализатора и обеспечит увеличение степени использования катализатора.

Поставленная задача решается также тем, что в способе очистки выхлопного газа двигателей внутреннего сгорания, включающем фильтрацию выхлопного газа, процесс восстановления NO_x водородом и оксидом углерода и процесс окисления оксида углерода и водорода кислородом и водяным паром, имеющимися в выхлопном газе, путем пропускания выхлопного газа через зернистый слой катализатора катализаторного патрона согласно изобретению, процессы восстановления NO_x и окисления CO осуществляют последовательно на двух типах катализатора при температуре выхлопного газа 250 - 700^oC.

Последовательное проведение процессов восстановления NO_x и окисления CO позволяет осуществить более глубокую очистку от NO_x за счет более полного использования восстановителя.

Проведение каталитического процесса при более высокой температуре позволяет использовать дешевые и прочные цементсодержащие катализаторы, не содержащие в качестве активных компонентов такие дорогостоящие элементы, как платина, палладий, кобальт, способные работать при повышенных температурах. В качестве таких катализаторов используют, например, никельмедные НКО-2-1, НКО-2-3 для очистки выхлопного газа двигателей внутреннего сгорания от оксидов азота восстановлением, медьцинкникелевые НТК-10-1ФХМ (М) - для очистки от CO окислением, способные работать при температуре до 800^oC.

Повышение температуры выхлопного газа на входе в катализаторный слой позволит увеличить константу скорости реакции каталитического процесса, снизить степень отравляемости катализатора и обеспечить возможность сжигания углерода, осевшего на катализаторе, т.е. возможность применения устройства на дизельных двигателях.

Катализаторный патрон целесообразно изготавливать из мелкозернистого катализатора методом спекания. Это дает возможность исключить необходимость размещения катализатора в специальном каркасе, изготовленном из перфорированных обечаек или металлической сетки, а также исключить механическое разрушение зерен при вибрации.

Катализаторный патрон может быть изготовлен путем спекания зерен катализатора со связующим в виде цилиндра с цилиндрическим отверстием вдоль продольной оси. Это приводит к тому, что патрон коаксиально устанавливается в цилиндрическом корпусе устройства, обеспечивая равномерное распределение выхлопного газа по слою катализатора.

В зависимости от конструкции катализаторного патрона возможны варианты размещения в нем катализаторов: например, последовательно по ходу выхлопного газа размещают поглотитель катализаторных ядов, в качестве которого, например, может быть использован оксид цинка, и/или катализаторы двух разных типов, первый из которых, например медьцинкникелевый, предназначен преимущественно для восстановления NO_x, а второй катализатор, например никельмедный - преимущественно для окисления CO.

Благодаря такому размещению поглотителя и катализаторов увеличивается срок работы катализаторов и осуществляется более глубокая очистка выхлопного газа.

При реализации предлагаемого способа для очистки выхлопного газа дизельных двигателей при некоторых режимах работы возможно осаждение на поверхности катализатора твердых частиц, например, углерода. При этом накопление углерода на поверхности катализатора необходимо осуществлять до толщины слоя, при котором гидравлическое сопротивление катализаторного слоя достигнет значения, обеспечивающее повышение температуры газа до величины, при которой происходит самовозгорание и выжигание углерода. Это приводит к тому, что режим работы дизельного двигателя и каталитического устройства будут восстановлены и стабилизированы.

Предлагаемое изобретение поясняется описанием конкретных примеров его выполнения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых: фиг. 1 изображает схематично общий вид устройства, продольный разрез; фиг. 2 - поперечное сечение А-А на фиг. 1; фиг. 3 - поперечное сечение Б-Б на фиг. 1; фиг. 4 - катализаторный патрон с одним слоем катализатора; фиг. 5 - катализаторный патрон с двумя слоями катализатора;
фиг. 6 - катализаторный патрон с поглотительным слоем и двумя слоями катализатора;
фиг. 7 - катализаторный патрон со спиралеобразными перегородками;
фиг. 8 - устройство с тангенциальным вводом и торцевым выводом газа;
фиг. 9 - устройство с торцевым вводом и торцевым выводом газа.

Устройство для очистки газовых выбросов двигателей внутреннего сгорания, согласно изобретению, содержит корпус 1 (фиг. 1, 2, 3), выполненный с двойными стенками, образованными цилиндрическими коаксиально установленными одна относительно другой обечайками 2 и 3 и торцевыми заглушками 4 и 5 с дистанционными ограничителями 6 и 7. Пространство между стенками обечаек 2 и 3 и стендами заглушек 4 и 5 заполнено газом. Патрубки 8 ввода выхлопного газа имеют двойные стенки и закреплены на корпусе 1 так, что оси патрубков 8 и ось корпуса 1 пересекаются, образуя тангенциальный ввод газа в корпус. Патрубки 8 ввода выхлопного газа имеют наконечники 9 (фиг. 2, 3,), размещенные на их торцах, которые вставляются в каналы вывода выхлопных газов головки блока цилиндров.

Внутри корпуса 1 установлены диски 10, разделяющие его внутреннюю полость на три зоны. Центральная зона сообщена с патрубком 11 вывода выхлопного газа из устройства. Внутри боковых зон вдоль оси корпуса 1 установлены катализаторные патроны 12, внутренняя полость 13 которых через отверстия 14 в дисках 10 соединена с центральной зоной. Между внутренней поверхностью обечайки 2 корпуса 1 и наружной поверхностью катализаторных патронов 12 образовано кольцеобразное пространство 15, сообщенное с патрубками 8 ввода выхлопного газа.

Катализаторный патрон 12 (фиг. 4) содержит перфорированные или сетчатые обечайки 16, закрытые по торцам заглушками 17 и 18, причем заглушка 17 имеет в центре отверстие 19 для сообщения внутренней полости 13 патрона с центральной зоной. При выполнении катализаторного патрона 12 из двух коаксиально установленных перфорированных обечаек 16, закрытых по торцам заглушками 17 и 18, образуется кольцеобразное пространство, в которое загружается один тип мелкозернистого катализатора 20.

При выполнении катализаторного патрона 12 (фиг. 5) из трех коаксиально установленных перфорированных обечаек 16, закрытых по торцам заглушками 17 и 18, образуется два кольцеобразных пространства, в которые загружается два типа мелкозернистого катализатора 21 и 22.

При выполнении катализаторного патрона 12 (фиг. 6) из четырех коаксиально установленных перфорированных обечаек 16, закрытых по торцам заглушками 17 и 18, образуется три кольцеобразных пространства, в которые загружаются поглотитель 23 катализаторных ядов и два типа мелкозернистого катализатора 21 и 22.

Установка в кольцеобразное пространство катализаторного патрона 12 спиралеобразных перегородок 24 (фиг. 7), улучшит распределение потока выхлопного газа по слою катализатора и обеспечит увеличение степени использования катализатора. Такая конструкция катализаторного патрона 12 обеспечит минимальное гидравлическое сопротивление катализаторного слоя при радиальном ходе выхлопного газа через зернистый слой.

Корпус 1 (фиг. 8) устройства может быть выполнен с вводом в него выхлопного газа тангенциально через патрубки 25 и с выводом очищенного газа на его торце через патрубок 26, при этом имеется один катализаторный патрон 27, который устанавливается вдоль продольной оси корпуса 1 коаксиально его внутренней обечайки.

При другом варианте выполнения корпуса 28 (фиг. 9) устройства ввод выхлопного газа осуществляется через патрубок 29 со стороны одного его торца, а вывод очищенного газа - через патрубок 30 со стороны другого торца.

Такая конструкция может быть использована при установке устройства на выхлопном коллекторе непосредственно после него или при установке устройства на головке блока после каждого цилиндра двигателя.

При осуществлении способа очистки выхлопного газа двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием в устройстве, выполненном согласно изобретению, газ с температурой 250 - 500^oC поступает через патрубки 8 (фиг. 1) в кольцеобразное пространство 15 и далее на катализаторный патрон 12. Катализаторный патрон 12 выполнен по одному из вариантов (фиг. 4, 5, 6). В первое по ходу газа кольцеобразное пространство загружается слой поглотителя серосодержащих соединений, например, на основе оксида цинка, во второе кольцеобразное пространство - катализатор для преимущественного восстановления NO_x, например, медь-цинкникелевый, в третье кольцеобразное пространство - катализатор для преимущественного окисления CO, например никельмедный.

В первом слое проводится процесс поглощения серосодержащих соединений имеющихся в выхлопном газе, являющихся ядом для катализатора. Во втором слое проводится процесс преимущественного восстановления оксидов азота, а в третьем слое - преимущественное окисление оксида углерода. Пройдя катализаторный патрон, очищенный выхлопной газ попадает во внутреннюю полость 13 и далее через отверстия 14 в дисках 10 поступает в центральную зону и через патрубок 11 выводится из устройства.

Осуществление способа очистки выхлопного газа при использовании патрона 12 по вариантам фиг. 4 или 5 исключает поглотитель или поглотитель и один тип катализатора.

При осуществлении способа очистки выхлопного газа дизельного двигателя процесс протекает аналогичным образом, однако при определенных режимах работы возможно осаждение твердых частиц, например углерода, на поверхности катализатора, особенно на входе в слой. При этом увеличится гидравлическое сопротивление катализаторного слоя, что приведет к некоторому снижению мощности двигателя, а следовательно, еще более увеличится температура выхлопного газа на входе в слой. При достижении температуры самовозгорания углерода происходит его выжигание за счет кислорода, содержащегося в выхлопном газе. Таким образом, гидравлическое сопротивление катализаторного слоя будет восстановлено и работа двигателя будет стабилизирована. Предложенный способ позволяет применить его для очистки выхлопного газа двигателей внутреннего сгорания любого типа.

Предложенная конструкция устройства проста в изготовлении, обладает низким гидравлическим сопротивлением и позволяет применять дешевый катализатор, не содержащий элементы драгоценных металлов платиновой группы. Возможность применения поглотителя катализаторных ядов и одновременно двух типов катализатора позволит осуществить более глубокую очистку выхлопного газа и удлинить срок работы катализатора.

Формула изобретения

1. Устройство для очистки выхлопного газа двигателей внутреннего сгорания, устанавливаемое на головке блока цилиндров или непосредственно на выхлопном коллекторе, содержащее корпус с патрубками для ввода и вывода выхлопного газа, и установленный в корпусе вдоль продольной оси корпуса по меньшей мере один катализаторный патрон, отличающееся тем, что корпус выполнен с двойными стенками из двух цилиндрических коаксиально установленных обечаек и торцевых заглушек, пространство между которыми заполнено газом и в котором размещены дистанционные ограничители, а патрубки ввода выхлопного газа снабжены наконечниками, форма которых в поперечном сечении идентична форме отверстий вывода выхлопного газа из головки блока цилиндров или выхлопного коллектора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что патрубки ввода выхлопного газа закреплены на цилиндрическом корпусе таким образом, что их оси расположены перекрестно с осью устройства, обеспечивая тангенциальный ввод газа в корпус.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый катализаторный патрон выполнен по меньшей мере из двух коаксиально установленных перфорированных обечаек, пространство между которыми заполнено катализатором, и торцевых заглушек, одна из которых имеет центральное отверстие для ввода и вывода выхлопного газа.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый катализаторный патрон выполнен по меньшей мере из двух коаксиально установленных обечаек из металлических сеток с катализатором между ними и торцевых заглушек, одна из которых имеет центральное отверстие для ввода или вывода выхлопного газа.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере один катализаторный патрон выполнен из трех обечаек перфорированных и/или из металлических сеток с образованием между ними двух кольцеобразных пространств, в которых размещены катализаторы разных типов.

6. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что дополнительно содержит спиралеобразные перегородки, размещенные в кольцеобразном пространстве катализаторного патрона вдоль его продольной оси на расстоянии друг от друга.

7. Способ очистки выхлопного газа двигателей внутреннего сгорания, включающий фильтрацию выхлопного газа, процесс восстановления NO_x водородом и оксидом углерода и процесс окисления CO и водорода кислородом и водяным паром, имеющимися в выхлопном газе, путем пропускания выхлопного газа через зернистый слой катализатора катализаторного патрона, отличающийся тем, что процессы восстановления NO_x и окисления CO и водорода осуществляют последовательно при температуре выхлопного газа 250 - 700^oC.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что используют катализатор, не содержащий активные компоненты элементов драгоценных металлов платиновой группы.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что в катализаторном патроне последовательно по ходу выхлопного газа размещают поглотитель катализаторных ядов и/или катализаторы двух разных типов, первый из которых предназначен преимущественно для восстановления NO_x, а второй катализатор - преимущественно для окисления CO.

10. Способ по любому из пп.7, 8 или 9, отличающийся тем, что катализаторный патрон изготавливают из мелкозернистого катализатора методом спекания.

11. Способ по любому из пп.7 - 9 или 10, отличающийся тем, что накопление углерода на поверхности катализатора осуществляют до толщины слоя, при котором гидравлическое сопротивление катализаторного слоя достигает значения, обеспечивающее повышение температуры газа до величины, при которой происходит самовозгорание и выжигание углерода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9