УСТРОЙСТВО ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к двигателям внутреннего сгорания. Она касается очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания от оксидов азота с использованием метода их селективного восстановления.
Одним из наиболее эффективных методов снижения содержания оксидов азота в отработавших газах является метод селективного восстановления оксидов азота. Широко применяемым на практике восстановителем является аммиак. Однако использование и хранение газообразного аммиака на транспортном средстве крайне затруднительно. Более удобно и безопасно для реализации процесса восстановления оксидов азота использовать в качестве реагента раствор карбамида (мочевину). Для этого с помощью форсунки осуществляют дозированную подачу мочевины из бака в поток отработавших газов, где происходит многоступенчатая химическая реакция, в результате которой образуется аммиак. Для того чтобы при такой реакции произошло полное превращение мочевины в аммиак, а образование нежелательных побочных продуктов, таких, например, как биурет, свелось к минимуму, необходима определенная температура для ее протекания, так как в случае понижения температуры отработавших газов, например, при работе двигателя на холостом ходу, превращение мочевины в аммиак будет происходить в недостаточной степени. Из-за этого может образовываться биурет, который закупоривает каналы катализатора и выводит его из строя. Для предотвращения образования нежелательных побочных продуктов целесообразно принудительно нагревать отработавшие газы или саму мочевину.
Известно устройство очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащее форсунку впрыска реагента перед катализатором селективного восстановления оксидов азота, размещенную в трубопроводе выпуска отработавших газов, на внешней стороне которого расположен электрический нагреватель (см. заявку №20150267596, опубликованную 24.09.2015 г. в США). Однако в этом устройстве электрический нагреватель, расположенный на трубопроводе выпуска отработавших газов, не позволит нагреть до требуемой температуры основную массу отработавших газов, проходящих в центральной части указанного трубопровода с большой скоростью, особенно при использовании устройства в дизельных двигателях грузовых автомобилей с большим диаметром выпускного трубопровода и значительным расходом отработавших газов.
Известно также устройство очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащее форсунку впрыска реагента перед катализатором селективного восстановления оксидов азота, расположенную на коленчатой трубке внутри гильзы, размещенной в трубопроводе выпуска отработавших газов (см. патент №7877983, опубликованный 01.02.2011 г. в США). В этом устройстве горячие отработавшие газы разогревают размещенную в трубопроводе гильзу, которая затем подогревает проходящие через нее отработавшие газы, имеющие невысокую температуру. Однако при таком выполнении устройства отсутствует возможность управлять нагревом отработавших газов.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) принято устройство очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, представленное в европейском патенте №1785606, опубликованном 11.06.2014 г. Это устройство очистки содержит форсунку впрыска реагента перед катализатором селективного восстановления оксидов азота, расположенную на коленчатой трубке внутри гильзы, размещенной в трубопроводе выпуска отработавших газов. Вблизи коленчатой трубки установлен электрический нагреватель, который подогревает находящийся в ней реагент. Однако даже подогретый реагент после резкого расширения при впрыске форсункой охлаждается и попадает в среду отработавших газов, которая может иметь недостаточную температуру для полного превращения мочевины в аммиак.
При создании устройства очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания решалась задача обеспечения целевой температуры отработавших газов, необходимой для полного превращения мочевины в аммиак и предотвращения образования биурета.
Решение задачи обеспечения требуемой температуры отработавших газов достигается тем, что устройство очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания содержит форсунку впрыска реагента перед катализатором селективного восстановления оксидов азота, расположенную на коленчатой трубке внутри гильзы, размещенной в трубопроводе выпуска отработавших газов, при этом гильза снабжена электрическим нагревателем.
При установке на гильзе электрического нагревателя обеспечивается управляемый нагрев отработавших газов до целевой температуры. В результате впрыска в подогретые отработавшие газы реагента происходит полное превращение мочевины в аммиак и предотвращение образования нежелательных побочных продуктов. Техническим результатом является повышение эффективности очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.
Технический результат достигается также тем, что расстояние от входа в гильзу до форсунки, расположенной на коленчатой трубке, больше расстояния от входа в нее до конца электрического нагревателя.
Технический результат достигается также тем, что коленчатая трубка снабжена центрирующей опорой, расположенной в гильзе. Центрирующая опора коленчатой трубки сделана в виде надетого на нее кольца, выполненного с лапками, примыкающими к гильзе. Лапки опоры расположены крестообразно и их число равно четырем. Лапки опоры могут быть сделаны из пластин Г-образного профиля, расположенных поперек или вдоль оси гильзы.
Технический результат достигается также тем, что опора коленчатой трубки выполнена в виде сотового вкладыша, сделанного из гофрированной металлической ленты, свернутой в спираль.
Технический результат достигается также тем, что концевой участок гильзы, расположенный после электрического нагревателя, выполнен в виде воронки, расширяющейся в сторону катализатора селективного восстановления оксидов азота.
На фигуре 1 показано устройство очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.
На фигуре 2 показан участок коленчатой трубки, снабженный центрирующей опорой (изометрическая проекция).
На фигуре 3 показан участок коленчатой трубки, снабженный центрирующей опорой с другим расположением пластин (изометрическая проекция).
На фигуре 4 показан вариант выполнения устройства очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.
Устройство очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, представленное на фигуре 1, содержит катализатор 1 селективного восстановления оксидов азота, расположенный в трубопроводе 2 выпуска отработавших газов. Перед катализатором 1 установлена форсунка 3 впрыска реагента, в качестве которого используется мочевина. Форсунка 3 расположена на коленчатой трубке 4 внутри гильзы 5, размещенной в трубопроводе 2.
Фиксация гильзы 5 в трубопроводе 2 осуществляется посредством надетых на нее перфорированных колец 6, которые прикреплены к внутренней поверхности трубопровода 2.
Коленчатая трубка 4 подачи реагента имеет горизонтальный участок, расположенный внутри гильзы 5. Форсунка 3 впрыска реагента установлена на конце горизонтального участка трубки 4. Вертикальный участок коленчатой трубки 4 соединен с источником 7 подачи реагента.
На внешней поверхности гильзы 5 установлен электрический нагреватель 8, соединенный с блоком 9 питания. Электрический нагреватель 8 представляет собой токопроводящую спиральную намотку с высокотемпературной электроизоляцией.
Расстояние от входа в гильзу 5 до форсунки 3, расположенной на коленчатой трубке 4, больше расстояния от входа в нее до конца электрического нагревателя 8.
Коленчатая трубка 4 снабжена центрирующей опорой 10, расположенной в гильзе 5. Эта опора сделана в виде надетого на трубку 4 кольца 11, выполненного с лапками 12, примыкающими к гильзе (см. фигуры 2, 3). Число лапок 12 центрирующей опоры 10 равно четырем. Лапки 12 расположены крестообразно, что обеспечивает наиболее надежную фиксацию коленчатой трубки 4 по оси гильзы. Лапки 12 сделаны из пластин Г-образного профиля, расположенных поперек (см. фигуру 2) или вдоль (см. фигуру 3) оси гильзы. Продольное относительно оси гильзы расположение пластин обеспечивает наименьшее сопротивление потоку отработавших газов при проходе его внутри гильзы.
В трубопроводе 2 выпуска отработавших газов перед катализатором 1 селективного восстановления оксидов азота установлен турбулизатор 13 потока отработавших газов (см. фигуру 1).
Работа устройства очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания осуществляется следующим образом.
При работе двигателя отработавшие газы из выпускного коллектора (на фигурах не показан) направляются в трубопровод 2 выпуска отработавших газов (см. фигуру 1). Подходя к участку трубопровода 2, в котором расположена гильза 5, поток отработавших газов разделяется на две части. Основная часть 14 потока отработавших газов проходит в пространство между стенками трубопровода 2 и гильзы 5, проникая туда через отверстия в кольце 6, установленном на входе в гильзу 5, и покидая это пространство через отверстия другого кольца 6, установленного на выходе из гильзы 5. Другая часть 15 потока отработавших газов входит во внутреннее пространство гильзы 5, где происходит впрыск в этот поток форсункой 3 реагента, а именно мочевины, поступающей по коленчатой трубке 4 от источника 7 подачи реагента. После впрыскивания форсункой 3 в поток отработавших газов реагента проходят реакции термолиза и гидролиза, в результате которых образуется аммиак.
На выходе из гильзы 5 части 14, 15 потока отработавших газов объединяются в один поток, который направляется на вход катализатора 1 селективного восстановления оксидов азота, где происходит обезвреживание отработавших газов. Перемешивание частей 14, 15 потока отработавших газов в трубопроводе 2 после гильзы 5 обеспечивается турбулизатором 13.
Нагрев отработавших газов, поступающих внутрь гильзы 5, осуществляется тогда, когда температура отработавших газов, измеряемая датчиком температуры (на фигурах не показан), установленным на входе в гильзу, оказывается ниже целевой температуры, необходимой для эффективного протекания реакций превращения мочевины в аммиак. В этом случае блок 9 питания включит электрический нагреватель 8, который осуществит нагрев стенок гильзы 5. Горячие стенки гильзы 5 подогревают проходящие внутри нее отработавшие газы до необходимой температуры. При этом не нагреваемые слои основной части 14 потока отработавших газов играют роль теплоизоляции для нагреваемой части 15 потока.
В другом варианте выполнения, представленном на фигуре 4, устройство очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания содержит установленную в трубопроводе 2 выпуска отработавших газов гильзу 5, концевой участок 16 которой выполнен в виде воронки, расширяющейся в сторону катализатора селективного восстановления оксидов азота (на фигуре 4 не показан). На внешней поверхности гильзы 5 установлен электрический нагреватель 8, подключенный к блоку 9 питания. Внутри гильзы 5 размещен сотовый вкладыш 17, сделанный из гофрированной металлической ленты, свернутой в спираль. В центре сотового вкладыша 17 по оси гильзы 5 выполнено отверстие, в которое вставлен горизонтальный участок трубки 4 подачи реагента, на конце которого установлена форсунка 3. Своим другим концом трубка 4 подсоединена к источнику 7 подачи реагента.
Работа устройства очистки отработавших газов в соответствии с другим вариантом выполнения осуществляется следующим образом.
При значении температуры отработавших газов на входе в гильзу 5 ниже заданного блок 9 питания включит электрический нагреватель 8, который обеспечит нагрев стенок гильзы 5 и размещенного в ней сотового вкладыша 17, сделанного из металла высокой теплопроводности. В случае резкого снижения температуры отработавших газов, например, при изменении режима работы двигателя, нагретый до целевой температуры вкладыш 17 продолжает нагревать проходящий через его соты поток отработавших газов. Поэтому нагреватель 8 можно включать только тогда, когда температура отработавших газов на выходе из сотового вкладыша 17 опустится ниже заданного значения. При этом нагретый вкладыш 17 подогревает трубку 4 с реагентом, обеспечивая тем самым лучшее испарение реагента в момент его впрыска форсункой 3 в поток отработавших газов. На выходе из гильзы 5 при прохождении ее концевого участка 16 внутренняя часть 15 потока отработавших газов расширяется в сторону внешней части 14 потока, что способствует лучшему перемешиванию частей 14, 15 потока отработавших газов.
Таким образом, снабдив устройство очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания электрическим нагревателем, установленным на гильзе, обеспечивается целевая температура отработавших газов, необходимая для эффективного превращения мочевины в аммиак и предотвращения образования нежелательных побочных продуктов. В результате повышается эффективность очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.