УСТРОЙСТВО ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
DEVICE FOR VEHICLE ENGINE EXHAUST GAS TREATMENT

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Оно касается очистки отработавших газов двигателя транспортного средства от оксидов азота с использованием метода их селективного восстановления.
Широко применяемым на практике методом снижения содержания оксидов азота в отработавших газах является метод селективного восстановления оксидов азота. Для реализации этого метода в качестве восстановителя оксидов азота применяется аммиак. Однако использование и хранение аммиака в чистом виде на автомобилях или иных транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания крайне небезопасно. Удобнее всего для реализации процесса восстановления оксидов азота использовать в качестве реагента мочевину. Для этого осуществляют подачу мочевины к трубопроводу выпуска отработавших газов и ее дозированный впрыск с помощью форсунки в поток отработавших газов, где происходят реакции термолиза и гидролиза, итогом которых является образование аммиака. Для того чтобы в результате таких реакций произошло полное превращение мочевины в аммиак, а образование побочных продуктов, например биурета, свелось к минимуму, необходима определенная температура для их протекания, так как в случае понижения температуры отработавших газов, например, при работе двигателя на холостом ходу, превращение мочевины в аммиак будет неполным. Из-за этого может образовываться биурет, который закупоривает каналы катализатора и выводит его из строя. Для предотвращения образования биурета желательно принудительно нагревать отработавшие газы или саму мочевину.
Известно устройство очистки отработавших газов двигателя, 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, 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 транспортного средства 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 транспортного средства содержит форсунку впрыска реагента перед катализатором селективного восстановления оксидов азота, расположенную на коленчатой трубке внутри гильзы, размещенной в трубопроводе выпуска отработавших газов, при этом снаружи гильзы установлен электрический нагреватель, а внутри нее размещен сотовый вкладыш, охватывающий коленчатую трубку.
При установке снаружи гильзы электрического нагревателя, а внутри нее сотового вкладыша, охватывающего коленчатую трубку, обеспечивается быстрый управляемый нагрев отработавших газов до целевой температуры. В результате впрыска реагента в подогретые до требуемой температуры отработавшие газы происходит полное превращение мочевины в аммиак и предотвращение образования биурета. Техническим результатом является повышение эффективности очистки отработавших газов двигателя транспортного средства.
Технический результат достигается также тем, что сотовый вкладыш сделан из гофрированной металлической ленты, свернутой в спираль.
Достижение технического результата обеспечивается также тем, что концевой участок гильзы, расположенный после электрического нагревателя, выполнен в виде воронки, расширяющейся в сторону катализатора селективного восстановления оксидов азота.
Устройство очистки отработавших газов двигателя транспортного средства 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 раствор карбамида (мочевина), находящийся в баке 4. Форсунка 3 расположена на коленчатой трубке 5 внутри гильзы 6, размещенной в трубопроводе 2 соосно с ним. Концевой участок 7 гильзы 6 выполнен в виде воронки, расширяющейся в сторону катализатора 1. Фиксация гильзы 6 внутри трубопровода 2 осуществляется посредством надетых на нее перфорированных колец 8, прикрепленных к внутренней поверхности трубопровода 2.
Снаружи гильзы 6 на ее внешней поверхности установлен электрический нагреватель 9, соединенный с блоком 10 питания. Нагреватель 9 представляет собой токопроводящую спиральную намотку с высокотемпературной электроизоляцией.
Внутри гильзы 6 размещен сотовый вкладыш 11, охватывающий коленчатую трубку 5, обеспечивая ее надежную фиксацию в гильзе 6 вдоль ее оси и одновременно передачу тепловой энергии от нагревателя 9 к находящемуся в трубке 5 реагенту. Вкладыш 11 сделан из гофрированной металлической ленты высокой теплопроводности, свернутой в спираль.
Работа устройства очистки отработавших газов двигателя транспортного средства осуществляется следующим образом.
При работе двигателя отработавшие газы из выпускного коллектора (на фигуре не показан) направляются в трубопровод 2 выпуска отработавших газов. Подходя к участку трубопровода 2, снабженному гильзой 6, поток отработавших газов разделяется на два потока. Основной поток 12 отработавших газов проходит в пространство между стенками трубопровода 2 и гильзы 6, проникая туда через отверстия в кольце 8, установленном на входе в гильзу 6, и покидая это пространство через отверстия другого кольца 8, установленного на выходе из гильзы 6. Другой поток 13 отработавших газов входит во внутреннее пространство гильзы 6, где происходит впрыск в этот поток форсункой 3 реагента, а именно мочевины, поступающей по коленчатой трубке 5 из бака 4. После впрыскивания форсункой 3 в поток 13 отработавших газов реагента протекают химические реакции, в результате которых образуется аммиак.
На выходе из гильзы 6 при прохождении ее концевого участка 7 поток 13 отработавших газов расширяется в сторону внешнего потока 12, что способствует лучшему перемешиванию потоков 12, 13 отработавших газов. Объединившись в один поток, отработавшие газы направляются на вход катализатора 1 селективного восстановления оксидов азота, где происходит их обезвреживание.
Нагрев отработавших газов, поступающих внутрь сотового вкладыша 11, установленного в гильзе 6, осуществляется тогда, когда температура отработавших газов, измеряемая датчиком температуры (на фигуре не показан), установленным на входе в гильзу, оказывается ниже целевой температуры, необходимой для эффективного протекания реакций термолиза и гидролиза. В этом случае блок 10 питания включит электрический нагреватель 9, который осуществит нагрев гильзы 6 и размещенного в ней сотового вкладыша 11. Происходит быстрый нагрев до необходимой температуры потока 13 отработавших газов, проходящего внутри гильзы 6 через соты вкладыша 11 к форсунке 3. При этом ненагреваемые слои основного потока 12 отработавших газов служат теплоизоляцией для нагреваемого потока 13.
В случае резкого снижения температуры отработавших газов, например при изменении режима работы двигателя, нагретый до целевой температуры вкладыш 11 продолжает нагревать проходящий через его соты поток 13 отработавших газов. Поэтому нагреватель 9 можно включать только тогда, когда температура отработавших газов на выходе из сотового вкладыша 11, измеренная установленным вблизи него датчиком температуры, опустится существенно ниже заданного значения. При этом нагретый вкладыш 11 подогревает трубку 5 с реагентом, обеспечивая тем самым лучшее испарение реагента в момент его впрыска форсункой 3 в поток 13 отработавших газов.
Таким образом, снабдив устройство очистки отработавших газов двигателя транспортного средства электрическим нагревателем, установленным снаружи гильзы, и сотовым вкладышем, размещенным внутри гильзы и охватывающим коленчатую трубку, обеспечивается целевая температура отработавших газов, необходимая для эффективного протекания реакций термолиза и гидролиза и предотвращения образования нежелательных побочных продуктов. В результате повышается эффективность очистки отработавших газов двигателя транспортного средства.