СИСТЕМА НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ТОКСИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Техническое решение относится к автомобилестроению, а в частности, к системе нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя до экологических стандартов Евро-5 и Евро-6, в которой для восстановления оксидов азота используется газообразный водород.
Из уровня техники, известны различные системы нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов дизельных двигателей.
Например, в заявке на изобретение РФ №2009124239 (B01D 53/94, B02D 53/56, опубл. 27.12.2010) предлагается получение восстанавливающего водородного реагента из жидкого углеводородного топлива на борту транспортного средства в реакторе конверсии.
Однако применение реакторов для получения водорода требует размещения на борту автотранспортного средства дополнительных систем и устройств. В качестве исходного продукта в реакторах используется топливо нефтяного происхождения, относящееся к исчерпываемым источникам энергии.
Для уменьшения потребления углеводородного сырья созданы системы нейтрализации, которые используют в качестве восстановителя уже готовый водородсодержащий синтез-газ или чистый водород.
В патентах US 7712308 (F01N 3/10, опубл. 11.05.2010) и US 7731925 (B01D 53/94, B01D 53/56, опубл. 08.06.2010) в качестве восстанавливающего реагента используется водородсодержащий синтез-газ, состоящий из водорода и оксида углерода. Но применение синтез - газа, а не чистого водорода, приводит к увеличению расхода реагента.
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является рассмотренная в заявке US 2010 0018476 (F02B 43/08, F01N 3/10, F01N 3/01, опубл. 28.01.2010) система очистки отходящих газов дизельного двигателя от оксидов азота и дисперсных частиц. В качестве восстановителя оксидов азота применен газообразный водород. Система дозирования восстановителя в нейтрализатор селективного восстановления оксидов азота включает в себя реактор водорода, расположенный на борту автотранспортного средства. Фильтрующий элемент фильтра-нейтрализатора выполнен из керамического или металло-волоконного материала. В качестве каталитического носителя, селективного нейтрализатора восстановления оксидов азот, применен блок из керамического или металлического материала.
Но эта система не включает в себя окислительный нейтрализатор, что снижает эффективность очистки, к тому же, применение реактора водорода приводит к усложнению системы дозирования восстановителя в селективный нейтрализатор восстановления оксидов азота.
Эти недостатки устраняются предлагаемой полезной моделью.
Задача полезной модели состоит в улучшении экологических параметров дизельного двигателя путем создания перспективной системы нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов.
Технический результат - более полная конверсия оксидов азота, а также сокращение выбросов углерода, углеводородов и дисперсных частиц с отработавшими газами.
Технический результат достигается тем, что система нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя, содержащая фильтр-нейтрализатор дисперсных частиц, система дозирования газообразного водорода, нейтрализатор селективного восстановления оксидов азота, дополнительно снабжена окислительным нейтрализатором для очистки отработавших газов от оксида углерода и углеводородов, системой активной регенерации фильтра-нейтрализатора дисперсных частиц, размещенной между окислительным нейтрализатором и фильтром-нейтрализатором, системой дозирования газообразного водорода выполненной с регулирующей арматурой и смесителем водорода, установленным перед нейтрализатором селективного восстановления оксидов азота, причем все системы размещены последовательно в линии выпуска дизельного двигателя, при этом для поддержания температурного режима форсунок систем: активной регенерации фильтра-нейтрализатора и дозирования газообразного водорода снабжена жидкостным охлаждением, а для непрерывного управления системой нейтрализации и контроля ее параметров снабжена комплексом датчиков.
Кроме того, еще отличия состоят в том, что:
- система активной регенерации фильтра-нейтрализатора дисперсных частиц состоит из топливного бака, насоса-дозатора, смесителя топлива и форсунки;
- система дозирования снабжена газовым баллоном для хранения газообразного водорода, а регулирующая арматура системы дозирования газообразного водорода состоит из регулятора давления, обратного, дросселирующего, предохранительного и электромагнитного клапанов и газового расходомера;
- система жидкостного охлаждения состоит из циркуляционного насоса, расширительного бачка и теплообменника;
- комплекс датчиков контролирующих параметры системы нейтрализации состоит из кислородного датчика, датчиков температуры до и после фильтра-нейтрализатора, датчиков: перепада давления и концентрации оксидов азота.
При таком исполнении системы нейтрализации, обеспечивается комплексная нейтрализация всех нормируемых токсичных компонентов отработавших газов дизелей, включая оксид углерода, углеводороды, дисперсные частицы и оксиды азота с эффективностью, достаточной для выполнения требований Евро-5 и Евро-6.
Предложенная полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором представлена принципиальная схема системы нейтрализации.
Система нейтрализации включает: дизельный двигатель 1, окислительный нейтрализатор 2 для очистки отработавших газов от оксида углерода и углеводородов, фильтр-нейтрализатор 3 дисперсных частиц, нейтрализатор 4 селективного восстановления оксидов азота с каталитическим носителем (например, из фольги на основе железо-хром-алюминиевого сплава), систему дозирования газообразного водорода включающую: баллоны 5 и 6 с газообразным водородом и азотом соответственно, оснащенные вентилями и регуляторами давления 7 и 8, обратным клапаном 9, дросселирующим клапаном 10, регулирующим расход восстанавливающего реагента, газовым расходомером 11, предохранительным клапаном 12 в магистрали подачи газообразного водорода, электромагнитным клапаном 13, форсункой 14 подачи газообразного водорода, смесителя газообразного водорода 15, расположенного перед нейтрализатором 4 селективного восстановления оксидов азота, кроме того система включает резервуар с топливом 16, насос-дозатор топлива 17, форсунку 18 подачи топлива, смеситель топлива 19, при этом, элементы 17, 18, 19 входят в систему активной регенерации фильтра-нейтрализатора 3, также в систему охлаждения форсунок входят: циркуляционный насос 20, расширительный бачок 21, теплообменник 22 и система датчиков: кислородный 23, температуры 24 и 26 до и после фильтра-нейтрализатора 3, перепада давления 25, концентрации оксидов азота 27.
Причем окислительный нейтрализатор 2, смеситель топлива 19, фильтр-нейтрализатор 3, смеситель газообразного водорода 15 и нейтрализатор 4 селективного восстановления оксидов азота размещены последовательно в системе выпуска дизельного двигателя 1.
Действие фильтра-нейтрализатора 3 основано на полнопоточной фильтрации на металлических волоконных материалах. Система нейтрализации оснащена системой активной регенерации фильтра-нейтрализатора 3. Необходимость регенерации возникает при увеличении газодинамического сопротивления фильтрующего элемента при заполнении фильтра дисперсными частицами. Необходимость регенерации фильтра-нейтрализатора 3 определяется датчиком перепада давления 25. Суть активной регенерации заключается в принудительном повышении температуры внутреннего блока фильтра-нейтрализатора 3 до 600-650°С за счет впрыскивания топлива в поток отработавших газов. Кратковременного повышения температуры достаточно для окисления сажи до оксида углерода. Форсунка 18 подачи топлива, расположенная в смесителе топлива 19, оснащена внутренним клапаном (на чертеже не указано), который запирает проточную часть при падении давления подачи топлива в конце фазы впрыска, что исключает возникновение крупнокапельного распыла. Объем впрыскиваемого топлива определяется насосом-дозатором топлива 17, забирающим топливо из резервуара 16.
Система нейтрализации работает следующим образом.
Отработавшие газы из дизельного двигателя 1 по выпускному тракту поступают в окислительный нейтрализатор 2, где происходит очистка отработавших газов от оксида углерода и углеводородов. Перед окислительным нейтрализатором 2 размещен кислородный датчик 23, назначение которого заключается в измерении концентрации кислорода в отработавших газах.
После окислительного нейтрализатора 2 отработавшие газы поступают в фильтр-нейтрализатор 3 дисперсных частиц, действие которого основано на полнопоточной фильтрации на металлических волоконных материалах. Фильтр-нейтрализатор 3 дисперсных частиц оснащен системой активной регенерации. Необходимость регенерации возникает при увеличении газодинамического сопротивления фильтрующего элемента при заполнении фильтра-нейтрализатора 3 дисперсными частицами. Начало регенерации фильтра-нейтрализатора 3 определяется датчиком перепада давления 25. Суть активной регенерации заключается в принудительном повышении температуры внутреннего блока фильтра-нейтрализатора 3 до 600-650°С за счет впрыскивания топлива форсункой 18 в смеситель топлива 19, установленный перед фильтром-нейтрализатором 3. Форсунка 18 подачи топлива оснащена внутренним клапаном (на чертеже не показано), который запирает проточную часть при падении давления подачи топлива в конце фазы впрыска, что исключает возникновение крупнокапельного распыла. Кратковременного повышения температуры достаточно для окисления дисперсных частиц до оксида углерода. Датчики температуры 24 и 26 отработавших газов, установленные до и после фильтра-нейтрализатора 3 дисперсных частиц, предназначены для контроля температурного режима фильтра-нейтрализатора 3.
После фильтра-нейтрализатора 3 отработавшие газы проходят через нейтрализатор 4 селективного восстановления оксидов азота. Для увеличения степени конверсии оксидов азота в системе нейтрализации используется восстанавливающий реагент - газообразный водород. Подача газообразного водорода в нейтрализатор 4 селективного восстановления оксидов азота осуществляется системой дозирования. Газообразный водород из баллона 5 под заданным давлением, определяемым регулятором давления 7, подается в форсунку 14 подачи газообразного водорода, установленную в смесителе газообразного водорода 15, который установлен перед нейтрализатором 4 селективного восстановления оксидов азота. В магистрали подачи газообразного водорода размещен обратный клапан 9, который необходим для исключения обратных перетечек водорода. Расход газообразного водорода изменяется с помощью дросселирующего клапана 10, значение расхода водорода определяется газовым расходомером 11. Для предотвращения разрушительных последствий при выходе из строя регулятора давления 7 в магистрали подачи водорода установлен предохранительный клапан 12. При аварийном увеличении давления водорода в газовой магистрали происходит сброс газа в дренажную магистраль. Электромагнитный клапан 13 управляет началом и завершением подачи водорода в смеситель газообразного водорода 15. В зависимости от режима работы двигателя объемная подача водорода находится в пределах 3-5% от объемного расхода топлива. Содержание оксидов азота в отработавших газах на выходе из нейтрализатора 4 селективного восстановления оксидов азота определяется датчиком концентрации оксидов азота 27.
Газообразный азот, размещенный в баллоне 6, используется в системе дозирования как инертный газ в случае аварийных ситуаций при повреждении регулятора давления 7 баллона 5 с газообразным водородом в целях предотвращения взрывоопасной концентрации водорода с воздухом, а также для продувки системы нейтрализации перед длительной стоянкой или консервацией.
Для охлаждения форсунок 14 и 18 систем дозирования газообразного водорода и активной регенерации фильтра-нейтрализатора 3 предусмотрена общая жидкостная система охлаждения. Циркуляционный насос 20 последовательно прокачивает охлаждающую жидкость через контуры охлаждения форсунок 14 и 18 и теплообменник 22, предназначенный для рассеивания тепла. Тепловое расширение охлаждающей жидкости компенсируется расширительным бачком 21. Система охлаждения поддерживает рабочий диапазон температур форсунок 14 и 18 на всех режимах работы системы нейтрализации.
В такой системе нейтрализации, уровень очистки отработавших газов от оксидов азота составляет не ниже 50% при температуре восстановления не выше 400°С. Фильтр-нейтрализатор 3 с системой регенерации обеспечивает очистку от дисперсных частиц не ниже 65% при температуре 350°С. Окислительный нейтрализатор обеспечивает очистку от оксида углерода и углеводородов не ниже 60% при температуре 350°С. Уровень сокращения вредных выбросов приведен относительно выбросов двигателя, соответствующего требованиям экологического стандарта Евро-4.
Конструкция элементов системы нейтрализации обеспечивает общее газодинамическое сопротивление не более 1200 мм вод. ст.