СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С КАТАЛИТИЧЕСКИМ НЕЙТРАЛИЗАТОРОМ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использована для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания с использованием каталитического нейтрализатора.
Известна схема управления регенерацией очистки, содержащая исполнительный механизм, каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания с датчиками давления на входе, состоящий из корпуса с внешними стальными и внутренними стенками, торцовыми крышками, входными и выходным патрубками, перегородкой, сажевым фильтром, соосным с последовательно установленными пористыми металлокерамическими окислительным и восстановительным каталитическими блоками, коллектор обратного перепуска отработавших газов с форсункой, газораспределительные узлы, оснащенные поворотными секциями, имеющими окна, и рычагами, связанными с поворотными секциями с возможностью взаимодействия с форсункой (см. патент на изобретение №2255228 С1, МПК F01N 3/023 (2000.01), опубликовано 27/06/2005).
Известна система отработавших газов с каталитическим нейтрализатором, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, на одном из которых расположен с датчик давления, реактор с реакционной камерой, в которой размещены по меньшей мере два каталитических носителя с входными и выходными расположенными решетками, устройство для изменения направления потоков газов с гидравлическим приводом, при этом каталитические элементы размещаются в потоке газов параллельно, причем корпус одного каталитического элемента конструктивно выполнен внутри другого, а между ними располагается подвижный тонкостенный цилиндр для изменения направления потока газов (см. патент на полезную модель №40395 U1, МПК F01N 3/28 (2000.01), опубликовано 10.09.2004).
Известна система очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащая источник питания, двигатель, блок управления, ресивер, электромагнитные клапаны, установленные на перепускном патрубке, каталитический нейтрализатор, состоящий из корпуса с двойными стенками, входной и выходной патрубки, на концах которых расположены датчики температуры, связанные с блоком управления, перегородки, температурные пористые фильтры, при этом выпускной патрубок каталитического нейтрализатора соединен с впускным коллектором двигателя посредством перепускных патрубков и перепускного клапана с ресивером, образуя круг циркуляции (см. патент на полезную модель №71700 U1, МПК F01N 3/28 (2006.01), F02M 25/07 (2006.01), опубликовано 20.03.2008).
Прототипом к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является система управления регенерации очистки отработавших газов дизеля, содержащая микропроцессор, имеющий выход на электромагнитный клапан, установленный между насосом, форсунками и баком, двигатель, каталитический нейтрализатор, имеющий корпус с внешними и внутренними металлокерамическими стенками, установленными с зазором, крышками, входным и выходным патрубками, на концах которых расположены датчики давления, соединенные с микропроцессором, сажевый фильтр, соосный с последовательно установленными пористыми металлокерамическими окислительным и восстановительным каталитическими блоками, поперечную перегородку, трубчатое устройство для перепуска отработавших газов, выполненное поперек корпуса и встроенным в поперечную перегородку, имеющую сквозные отверстия, в виде внешней неподвижной и внутренней поворотной труб, причем внутренняя труба оснащена глухой перегородкой, разделяющей устройство для перепуска отработавших газов на части впуска и выпуска (см. патент на изобретение №2256803 С1, МПК F01N 3/023 (2000.01), опубликовано 20.07.2005).
Известные решения в большинстве случаев громоздки и сложны в конструкции с повышенным количеством элементов системы нейтрализации, не вся наружная поверхность нейтрализатора имеет теплоизоляцию, например торцевые крышки, кроме того, решения предназначены для работы преимущественно с дизельным двигателем.
Задачей данной полезной модели является повышение эффективности системы нейтрализации отработавших газов в двигателе внутреннего сгорания.
Поставленная задача достигается тем, что система обработки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания с каталитическим нейтрализатором, содержащая трубопровод системы выпуска, перепускное устройство, электромагнитный клапан управления подвода давления сжатого воздуха к перепускному устройству, связанный с электронным блоком управления двигателем, двухступенчатый каталитический нейтрализатор, имеющий корпус с внешней и внутренней стенками, установленными с зазором, служащим теплоизоляцией, торцевые крышки, входной и выходной патрубки, датчики, один из которых расположен на выходном патрубке, смеситель, расположенный между установленными пористыми металлокерамическими окислительным и восстановительным каталитическими блоками, дополнительно содержит электромагнитный клапан подачи воздуха в каталитический нейтрализатор, связанный с цилиндропоршневой частью двигателя и блоком управления, датчик температуры отработавших газов, расположенный на трубопроводе выхода отработавших газов из двигателя и связанный с блоком управления, и систему фильтрации подводимого атмосферного воздуха, расположенную над каталитическим нейтрализатором и связанную трубопроводами с двигателем, при этом каталитический нейтрализатор имеет встроенный дополнительный датчик определения свободного кислорода в отработавших газах, а зазор между внешней и внутренней стенками выполнен по всему периметру корпуса, в том числе в торцевой части крышек, кроме того входной и выходной патрубки выполнены вдоль корпуса каталитического нейтрализатора.
Совокупность отличительных признаков, заключающаяся в том, что система обработки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания с каталитическим нейтрализатором дополнительно содержит электромагнитный клапан подачи воздуха в каталитический нейтрализатор, связанный с цилиндропоршневой частью двигателя и блоком управления, датчик температуры отработавших газов, расположенный на трубопроводе выхода отработавших газов из двигателя и связанный с блоком управления, и систему фильтрации подводимого атмосферного воздуха, расположенную над каталитическим нейтрализатором и связанную трубопроводами с двигателем, при этом каталитический нейтрализатор имеет встроенный дополнительный датчик определения свободного кислорода в отработавших газах, а зазор между внешней и внутренней стенками выполнен по всему периметру корпуса, в том числе в торцевой части крышек, кроме того входной и выходной патрубки выполнены вдоль корпуса каталитического нейтрализатора, позволяет повысить эффективность системы нейтрализации отработавших газов в двигателе внутреннего сгорания.
Суть полезной модели поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема системы с каталитическим нейтрализатором отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.
Система обработки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания с каталитическим нейтрализатором содержит трубопровод системы выпуска, связанный с двигателем 1 внутреннего сгорания, перепускное устройство 2, электромагнитный клапан 3 для управления подвода давления сжатого воздуха к перепускному устройству 2, двухступенчатый каталитический нейтрализатор 4. Система обработки отработавших газов также содержит электромагнитный клапан 5 подачи воздуха в каталитический нейтрализатор 4, датчик 6 температуры отработавших газов на выходе из двигателя 1 внутреннего сгорания, систему 7 фильтрации подводимого атмосферного воздуха. Датчик 6 температуры отработавших газов расположен на трубопроводе выхода отработавших газов из двигателя 1 внутреннего сгорания и связан с электронным блоком 8 управления. По датчику 6 температуры отработавших газов определяется нормальная работа двигателя, например при отказе свечи зажигания или дозатора газа может произойти неконтролируемый выброс газа в турбину и трубопроводы, что является пожароопасным, что приведет и к выходу из строя самого каталитического нейтрализатора 4. Чтобы избежать этого, по данному датчику оценивается изменение температуры на выпуске, и определяется характер возможного отказа. Система 7 фильтрации подводимого атмосферного воздуха расположена над каталитическим нейтрализатором 4 и связана трубопроводами с двигателем 1 внутреннего сгорания. Электромагнитный клапан 5 связан с цилиндропоршневой частью 9 двигателя 1 внутреннего сгорания и электронным блоком 8 управления. Каталитический нейтрализатор 4 состоит из двух пористых каталитических блоков: металлокерамического окислительного блока 10 и восстановительного блока 11, а между металлокерамическим окислительным блоком 10 и восстановительным каталитическим блоком 11 расположен смеситель 12. Каталитический нейтрализатор 4 имеет корпус с внешней стенкой 13 и внутренней стенкой 14, которые установлены с зазором 15, торцевые крышки 16, входной патрубок 17 и выходной патрубок 18. Входной патрубок 17 и выходной патрубок 18 выполнены вдоль корпуса каталитического нейтрализатора 4. Зазор 15 служит теплоизоляцией и выполнен по всему периметру корпуса каталитического нейтрализатора 4, в том числе и в торцевой части крышек 16. На выходном патрубке 18 каталитического нейтрализатора 4 расположен датчик 19 температуры отработавших газов. Также в каталитическом нейтрализаторе 4 расположен встроенный датчик 20 определения свободного кислорода в отработавших газах, по значению которого определяется необходимое количество дополнительного воздуха, подводимого ко второй ступени каталитического нейтрализатора 4. Датчик 20 определения свободного кислорода в отработавших газах связан с электронным блоком 8 управления.
Датчик 19 температуры отработавших газов на выходе из каталитического нейтрализатора 4, датчик 6 температуры отработавших газов на выходе из двигателя внутреннего сгорания и датчик 20 определения свободного кислорода в отработавших газах позволяют оценить состояние всего двигателя внутреннего сгорания и провести диагностику его неисправностей.
Каталитический нейтрализатор 4 связан с трубопроводами системы выпуска двигателя 1 внутреннего сгорания, имеющего цилиндропоршневую часть 9 и турбокомпрессор 21, который состоит из ротора 22 с лопастными частями турбины и компрессора и перепускного устройства 2. Перепускное устройство 2 связано с трубопроводом высокого давления воздуха через электромагнитный клапан 3, который связан с электронным блоком 8 управления.
Система обработки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания с каталитическим нейтрализатором работает следующим образом.
Воздух для работы двигателя 1 внутреннего сгорания подается из системы 7 фильтрации воздуха, на вход в компрессорную ступень турбокомпрессора 21, сжимаясь, воздух направляется в цилиндропоршневую часть 9 двигателя 1 внутреннего сгорания. Отработавшие газы из цилиндропоршневой части 9 направляются в турбинную часть турбокомпрессора 21, а затем в каталитический нейтрализатор 4. После прохождения первого каталитического блока каталитического нейтрализатора 4 в отработавших газах определяется количество свободного кислорода, при помощи соответствующего датчика 20 определения свободного кислорода в отработавших газах. Отработавшие газы в первом каталитическом блоке подвергаются окислительно-восстановительной реакции, направленной на снижение оксидов азота для предварительного снижения токсичности отработавших газов. Далее отработавшие газы попадают в смеситель 12 каталитического нейтрализатора 4, для изменения параметров потока и смешивания с подогретым во внутренних полостях каталитического нейтрализатора 4 воздухом, поступающего через подводящий штуцер 23. Источником воздуха в данном случае служит система наддува двигателя, позволяющая получать воздух под давлением. Необходимым условием работы второго каталитического блока каталитического нейтрализатора 4 является наличие окислителя, при этом самым доступным является кислород атмосферного воздуха. После смесителя 12 каталитического нейтрализатора 4 смешанный поток попадает во второй каталитический блок, где происходит реакция окисления углеводородов для последующего снижения токсичности отработавших газов. Для оптимального протекания реакции необходимо, чтобы подводимый в устройство воздух имел температуру близкую к температуре отработавших газов. Предварительно нагретый воздух в компрессорной ступени перед подводом направляется в каталитический нейтрализатор 4 через подводящий штуцер 23, проходит через организованные внутренние полости между каталитическими блоками и внешним корпусом каталитического нейтрализатора 4 для направления в смеситель 12. После взаимодействия смеси отработавших газов с воздухом во втором каталитическом блоке, нейтрализованные отработавшие газы удаляются через соответствующий выходной патрубок 18 в систему выпуска автомобиля. Датчик 19 температуры отработавших газов на выходе из каталитического нейтрализатора 4 позволяет поддерживать оптимальность процесса нейтрализации во втором каталитическом блоке каталитического нейтрализатора 4.
Для обеспечения работы двигателя, а также для выполнения функций каталитического нейтрализатора 4, подбирается турбокомпрессор 21 с определенными расходными характеристиками компрессорной ступени, в конструкции которого предусмотрено регулируемое перепускное устройство 2. Работа данного устройства направлена на одновременную оптимизацию обеспечения воздухом как цилиндропоршневой части 9 самого двигателя 1 внутреннего сгорания, так и эффективную работу системы нейтрализации отработавших газов с каталитическим нейтрализатором 4. Для обеспечения безопасной эксплуатации двигателя и автомобиля, датчиком 6 температуры отработавших газов на выходе из двигателя 1 внутреннего сгорания, а также датчиком 19 температуры отработавших газов на выходе из каталитического нейтрализатора 4, установленным на выходном патрубке 18 каталитического нейтрализатора 4, определяется температура отработавших газов всего двигателя. При превышении допустимых значений температуры отработавших газов из турбокомпрессора 21, а также каталитического нейтрализатора 4 в электронном блоке 8 управления двигателем активируется алгоритм защиты работы двигателя и автомобиля. Алгоритм представляет собой ступенчатое ограничение подачи топлива в двигатель и прекращение подачи воздуха в нейтрализатор.
x
2
2
2
Таким образом, отработавшие газы из газового двигателя внутреннего сгорания поступают в каталитический нейтрализатор с рабочей структурой без подвода дополнительного воздуха к самому нейтрализатору, для проведения окислительной в нем реакции. Для поддержания на низком уровне содержание окислов азота (NO), а также для обеспечения протекания окислительных реакций, происходит преобразование углеводородов (СН) и окиси углерода (СО) в углекислый газ СО и в пары воды (HO) в каталитическом нейтрализаторе 4 последовательным алгоритмом работы системы для поддержания работы двигателя внутреннего сгорания на топливных смесях с повышенным содержанием кислорода (О). При этом коэффициент избытка воздуха (а) может находиться при применении центральной подачи газа в двигатель внутреннего сгорания до 1,6 единиц. Для исключения отрицательных последствий работы двигателя внутреннего сгорания, снижается подача топлива, при этом поддерживаются показатели на заданном уровне, обеспечивается и поддержание коэффициента избытка воздуха на требуемом уровне. Но при применении газа с отрицательными энергетическими показателями, может повыситься коэффициент избытка воздуха, что сопровождается понижением эффективных показателей работы самого двигателя. Заявляемая система с применением каталитического нейтрализатора на это реагирует и повышает подачу топлива и, как следствие, это приводит к повышению эффективности очистки отработавших газов. После реакций окисления углеводородов (СН) и окиси углерода (СО) в каталитическом нейтрализаторе обработанные отработавшие газы направляются в атмосферу. Кроме того, система с каталитическим нейтрализатором отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, включает в себя взаимосвязь двигателя и каталитического нейтрализатора, который позволяет проводить обработку большего количества загрязняющих компонентов как вначале окислов азота, так и окисления углеводородов и окиси углерода отработавших газов. Наличие каталитического нейтрализатора с двумя каталитическими блоками и воздушной прослойки между ними, способствует в совокупности признаков и повышению пожарной безопасности узла нейтрализации отработавших газов и системы выпуска в целом.
Заявляемое техническое решение позволяет повысить эффективность системы нейтрализации отработавших газов, кроме того, позволяет применять данное решение к использованию газовых двигателей.
Заявляемая полезная модель соответствует требованию промышленной применимости, его реализация возможна на стандартном технологическом оборудовании с применением ранее освоенных технологий.