Устройство для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к очистке выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, а также дизельных и бензиновых двигателей автотранспортной техники. Сущность изобретения: устройство содержит цилиндрический тракт выхлопных газов с входным и выходным патрубками, форсунку для впрыскивания восстановителя, цилиндрический пылевой фильтр, ось которого совпадает с продольной осью тракта и в котором установлена поперечная перегородка, имеющая профиль в виде чередующихся друг за другом камер. Устройство содержит также размещенные в тракте катализатор окисления монооксида азота, катализатор селективного каталитического восстановления, расположенный на задней стороне пылевого фильтра в направлении течения выхлопных газов, катализатор окисления избыточного аммиака, катализатор гидролиза отщепления аммиака из восстановителя. Стенка каждой камеры поперечной перегородки пылевого фильтра спрофилирована в виде части окружности, причем камеры с дугой окружности большего радиуса расположены по центру тракта, а камеры с дугой окружности меньшего радиуса расположены по краю тракта выхлопных газов. Техническим результатом изобретения является повышение степени очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания от окислов азота и частиц сажи, также повышение степени регенерации пылевого фильтра. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Устройство относится к очистке выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, а также дизельных двигателей автотранспортной техники, в частности к конструкции устройств, решающих проблему по снижению в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания содержания окислов азота и твердых частиц сажи.

Известно устройство, содержащее корпус, бункер, контейнер, отбойную шайбу, верхний и нижний патрубок, цилиндрический вал, пустотелый обтекатель (RU 88576 U1, B01D 45/12). Недостатком такого устройства является недостаточная степень очистки выхлопных газов от окислов азота и частиц сажи, образовавшихся при работе двигателя.

Известен комплекс оборудования для очистки выхлопных газов, содержащий входной патрубок, завихритель, корпус, катализатор разгонной камеры, лопаточный аппарат, модуль мокрой очистки (RU 89625 U1 F01N 3/02). Недостатком такого устройства является низкая степень очистки выхлопных газов от окислов азота и частиц сажи, образовавшихся при работе двигателя.

Наиболее близкой к заявляемому устройству является система дополнительной обработки выхлопных газов, включающая тракт выхлопных газов с входным и выходным патрубками, форсунку для впрыскивания восстановителя, катализатор окисления монооксида азота, катализатор селективного каталитического восстановления, расположенный на задней стороне пылевого фильтра в направлении течения выхлопных газов, катализатор окисления избыточного аммиака, катализатор гидролиза отщепления аммиака из восстановителя, цилиндрический пылевой фильтр, ось которого совпадает с продольной осью тракта, с круглой перегородкой, имеющей профиль в виде чередующихся друг за другом камер (RU 2405946 С2, F01N 3/00). Наличие в системе пылевого фильтра с поперечной перегородкой, имеющей, как на передней, так и на задней стороне, камеры в виде глухих отверстий или карманов, часть из которых, расположенные на передней стороне, открыты к передней стороне, а камеры, расположенные на задней стороне, открыты к задней стороне, что приводит к тому, что частицы сажи забивают камеры, образуют плотный осадок из частиц сажи, не удаляемый при регенерации фильтра. Это затрудняет регенерацию камер, повышает гидростатическое сопротивление потоку газов и снижает мощность двигателя.

Недостатком такого устройства является недостаточная степень очистки выхлопных газов двигателя от окислов азота и частиц сажи, образовавшихся при его работе, и снижение регенерации пылевого фильтра.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении степени очистки выхлопных газов двигателя от окислов азота и частиц сажи, а также повышении степени регенерации пылевого фильтра.

Указанная задача решается тем, что в устройстве для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащем цилиндрический тракт выхлопных газов с входным и выходным патрубками, форсунку для впрыскивания восстановителя, цилиндрический пылевой фильтр, ось которого совпадает с продольной осью тракта и в котором установлена поперечная перегородка, имеющая профиль в виде чередующихся друг за другом камер, и содержащем размещенные в тракте катализатор окисления монооксида азота, катализатор селективного каталитического восстановления, расположенный на задней стороне пылевого фильтра в направлении течения выхлопных газов, катализатор окисления избыточного аммиака, катализатор гидролиза отщепления аммиака из восстановителя, согласно изобретению стенка каждой камеры поперечной перегородки пылевого фильтра спрофилирована в виде части окружности, причем камеры с дугой окружности большего радиуса расположены по центру тракта, а камеры с дугой окружности меньшего радиуса расположены по краю тракта выхлопных газов.

Для полной очистки выхлопных газов двигателя от твердого осадка сажи и повышения степени регенерации пылевого фильтра поперечная перегородка пылевого фильтра двигателя выполнена съемной.

Для регулирования количества подаваемого в форсунку восстановителя устройство дополнительно снабжено измерителем перепада давления, два входа которого соединены трубопроводами с входным и выходным патрубками, а выход посредством электронной связи через анализатор импульсов соединен с электронным блоком и блоком регистрации сигнала нормальной работы входным и выходным патрубками фильтра.

Выполнение стенок каждой камеры перегородки в сечении в виде части окружностей и расположение камер с дугой окружности большего радиуса по центру тракта, а камер с дугой окружности меньшего радиуса по краю тракта выхлопных газов позволяет исключить быстрое забивание камер поперечной перегородки частицами сажи, так как ввиду неоднородности потока выхлопных газов по сечению тракта их количество больше содержится по центру тракта.

В результате сгорания топлива в двигателе образуются выхлопные газы, содержащие монооксид и диоксид азота, а также твердые частицы сажи, которые улавливаются пылевым фильтром.

В заявляемом устройстве снижение уровня окислов азота в выхлопных газах двигателя достигается путем реакции селективного каталитического восстановления, происходящей в пылевом фильтре, задняя часть поперечной перегородки которого снабжена катализатором селективного каталитического восстановления из окислов ванадия или титана

где NO₂ - диоксид азота, NH₃ - аммиак, N₂ - азот, H₂O - вода.

В заявляемом устройстве при использовании катализатора селективного каталитического восстановления сетка пылевого фильтра изготовляется из карбида кремния, металлокерамики, силикатных волокон. Для усиления действия катализатора селективного каталитического восстановления перегородки пылевого фильтра располагают слоями в направлении потока выхлопных газов.

Для окисления монооксида азота в диоксид азота в устройстве используется реакция

где NO - монооксид азота, O₂ - кислород.

В устройстве для получения аммиака используется реакция разложения мочевины (NH₂)₂CO с помощью реакций термолиза и гидролиза. В присутствии катализатора из мочевины (NH₂)₂CO) происходит образование аммиака по схеме

где CO₂ - углекислый газ, (NH₂)₂CO - мочевина, HNCO - циановая кислота.

В заявляемом устройстве для снижения количества излишнего аммиака используется реакция окисления избыточного аммиака в присутствии катализатора

В качестве активных компонентов катализатор содержит элементы группы платины или их оксиды: иридий, оксид иридия.

Для снижения уровня частиц сажи в устройстве используется пылевой фильтр с размерами сетки меньше, чем размер твердых частиц сажи. При накоплении твердых частиц сажи на передней стороне поперечной перегородки пылевого фильтра образуется твердый осадок и фильтр забивается, что повышает сопротивление течению выхлопных газов и приводит к снижению мощности двигателя.

В заявляемом изобретении для регенерации (очистки) пылевого фильтра используются реакции взаимодействия углерода, т.е. твердых частиц сажи с диоксидом азота

где С - углерод (частицы сажи), СО - окись углерода.

Исследования показали, что при работе устройства степень очистки выхлопных газов от окислов азота и частиц сажи составляет 99,3%.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 дана общая схема устройства для очистки выхлопных газов; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Устройство включает: цилиндрический тракт 1 выхлопных газов с входным 2 и выходным 3 патрубками, форсунку 4 для впрыска восстановителя, катализатор 5 окисления. В корпусе 6 размещены пылевой фильтр 7, катализатор 8 селективного каталитического восстановления, катализатор 9 окисления избыточного аммиака, катализатор 10 гидролиза отщепленного аммиака из восстановителя, поперечная перегородка 11 пылевого фильтра. Поперечная перегородка имеет профиль в виде чередующихся друг за другом камер - первая камера 12, вторая камера 13 и т.д. Устройство снабжено измерителем перепада давления 14, входы которого соединены с входным 2 и выходным 3 патрубками, а выход посредством электронной связи через анализатор импульсов 15 соединен с электронным блоком и блоком регистрации 16 сигнала нормальной работы двигателя. Поперечная перегородка 11 закреплена в корпусе 6 к фильтру механизмом крепления 17.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Поток выхлопных газов, содержащий большее количество окислов азота и частиц сажи по центру выхлопа, чем по краям, от двигателя внутреннего сгорания (не показан) поступает через входной патрубок 2 в тракт 1. Вслед за этим через форсунку 4 в поток выхлопных газов, находящихся в тракте 1, впрыскивается раствор восстановителя. В результате реакции окисления (2) в корпусе 6 в присутствии катализатора 5 происходит окисление находящегося в выхлопных газах монооксида азота до диоксида азота. Селективное каталитическое восстановление диоксида азота происходит в результате реакции восстановления (1) в присутствии катализатора 8 селективного каталитического восстановления.

Для предотвращения выброса в атмосферу избыточного аммиака после катализатора 8 расположен катализатор 9 окисления избыточного аммиака, в присутствии которого протекает реакция (5). Для улучшения отщепления аммиака из восстановителя применяется катализатор 10 гидролиза отщепленного аммиака из восстановителя, в присутствии которого протекают реакции (3) и (4).

Регенерация пылевого фильтра происходит следующим образом. Выхлопные газы, содержащие твердые частицы сажи, наталкиваются на поперечную перегородку 11 пылевого фильтра 7. При этом частицы сажи неравномерно откладываются на передней стороне камер 12 и 13 поперечной перегородки пылевого фильтра и забивают ее. Большее количество твердых частиц сажи откладывается в центральной части поперечной перегородки, меньшее - по ее краям.

В камере 12, расположенной по центру тракта выхлопных газов и имеющей больший радиус окружности, частицы сажи располагаются равномерно по ее внутренней образующей. При этом степень очистки выхлопных газов от частиц сажи и регенерация пылевого фильтра, происходящая с помощью реакций (6), (7) и (8), происходит более интенсивно, что препятствует образованию твердого осадка сажи и увеличивает регенерацию пылевого фильтра, а также увеличивает мощность двигателя. В камерах 13, расположенных ближе к краю тракта выхлопных газов и имеющих меньший радиус окружности, твердые частицы сажи накапливаются меньше. При этом степень очистки выхлопных газов от частиц сажи и регенерация пылевого фильтра, происходящая с помощью реакций (6), (7) и (8), происходит менее интенсивно, регенерация пылевого фильтра происходит также менее интенсивно, твердый осадок сажи не образуется.

Устройство может быть дополнительно снабжено измерителем перепада давления 14, два входа которого соединены трубопроводами с входным 2 и выходным 3 патрубками, а выход посредством электронной связи через анализатор импульсов 15 соединен с электронным блоком и блоком регистрации 16 сигнала нормальной работы двигателя.

В этом случае устройство работает следующим образом.

Перепад давления выхлопных газов между входным 2 и выходным 3 патрубками устройства регистрируется измерителем перепада давления 14 и подается с помощью электронной связи на вход анализатора импульсов 15. С анализатора импульсов 15 сигнал поступает на вход электронного блока 16, в котором сравнивается с задатчиком (не показан). Если результирующий сигнал меньше допустимого, то электронный блок в работу не включатся. Если результирующий сигнал больше допустимого, то электронный блок подает сигнал на сигнальный элемент (не показан), сообщая оператору, что регенерация пылевого фильтра происходит недостаточно. В этом случае оператор по своему усмотрению либо производит замену съемного пылевого фильтра, либо увеличивает количество подаваемого через форсунку 4 восстановителя.

Для полной очистки выхлопных газов от частиц сажи и регенерации пылевого фильтра поперечная перегородка фильтра снимается с помощью механизма крепления 17, очищается и возвращается обратно.

Предлагаемое устройство может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, а также в дизельных двигателях автотранспортной техники автомобилей, тракторов, речных и морских судов. Устройство, в котором стенка каждой камеры поперечной перегородки пылевого фильтра спрофилирована в виде части окружности, причем камеры с дугой окружности большего радиуса расположены по центру тракта, а камеры с дугой окружности меньшего радиуса расположены по краю тракта выхлопных газов, обеспечивает увеличение степени очистки выхлопных газов от окислов азота и частиц сажи.

1. Устройство для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащее цилиндрический тракт выхлопных газов с входным и выходным патрубками, форсунку для впрыскивания восстановителя, цилиндрический пылевой фильтр, ось которого совпадает с продольной осью тракта и в котором установлена поперечная перегородка, имеющая профиль в виде чередующихся друг за другом камер, и содержащее размещенные в тракте катализатор окисления монооксида азота, катализатор селективного каталитического восстановления, расположенный на задней стороне пылевого фильтра в направлении течения выхлопных газов, катализатор окисления избыточного аммиака, катализатор гидролиза отщепления аммиака из восстановителя, отличающееся тем, что стенка каждой камеры поперечной перегородки пылевого фильтра спрофилирована в виде части окружности, причем камеры с дугой окружности большего радиуса расположены по центру тракта, а камеры с дугой окружности меньшего радиуса расположены по краю тракта выхлопных газов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поперечная перегородка пылевого фильтра выполнена съемной.

3. Устройство по п.1, отличающееся, тем, что оно дополнительно снабжено измерителем перепада давления, два входа которого соединены трубопроводами с входным и выходным патрубками, а выход посредством электронной связи через анализатор импульсов соединен с электронным блоком и блоком регистрации сигнала нормальной работы двигателя.