Устройство каталитической очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания
DEVICE FOR CATALYTIC CLEANING OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE EXHAUST GASES

Устройство каталитической очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) предназначено для каталитической очистки выхлопных газов ДВС и может использоваться в народном хозяйстве совместно с любым ДВС, преимущественно в энергетическом машиностроении.
Известно устройство каталитической очистки выхлопных газов ДВС методом селективного каталитического восстановления/окисления составляющих выхлопных газов и подачи химически активных добавок, содержащее систему регулирования и управления с датчиками параметров и органами управления процессом, блоки селективного восстановления и/или окисления вредных составляющих выхлопных газов, по меньшей мере, одно устройство хранения химически активных добавок, по меньшей мере, одно пневматическое устройство дозирования и подачи химически активных добавок (в твердой фазе) в термический реактор, включающий зоны термолиза химически активных добавок в твердой фазе с агрегатом подогрева катализаторов термолиза и гидролиза вредных продуктов термолиза в газовой фазе до простых веществ, выходной эжектор пневматической подачи в выхлопной коллектор на соответствующий блок катализатора селективного каталитического восстановления химически активных добавок в газовой фазе, (см. патент РФ RU 2673030 С2, патентообладатель ДЖОНСОН МЭТТИ КАТАЛИСТС (ДЖЕРМАНИ) ГМБХ, опубл. 13.03.2018).
Основным недостатком устройства для каталитической очистки выхлопных газов ДВС является сложность организации процесса дозирования, подачи и испарения аммиака или его предшественника из водяного раствора.
Известно устройство каталитической очистки выхлопных газов ДВС методом селективного каталитического восстановления/окисления составляющих выхлопных газов и подачи химически активных добавок, содержащее систему регулирования и управления с датчиками параметров и органами управления процессом, блоки селективного восстановления и/или окисления вредных составляющих выхлопных газов, по меньшей мере, одно устройство хранения химически активных добавок, по меньшей мере, одно устройство дозирования и подачи химически активных добавок в термический реактор, включающий зоны термолиза химически активных добавок с агрегатом подогрева катализаторов термолиза и гидролиза вредных продуктов термолиза в газовой фазе до простых веществ, выходной эжектор пневматической подачи в выхлопной коллектор на соответствующий блок катализатора селективного каталитического восстановления химически активных добавок в газовой фазе, (см. патент РФ RU 2538368 С2, патентообладатель ОГАЙО ЮНИВЕРСИТИ опубл. 10.01.2015).
Основным недостатком устройства для каталитической очистки выхлопных газов ДВС является сложность на всех режимах работы и перехода между ними для ДВС организации процесса термического гидролиза мочевины, последующего испарения в необходимом количестве и подачи аммиака или его предшественника из водяного раствора.
Известно устройство каталитической очистки выхлопных газов ДВС методом селективного каталитического восстановления/окисления составляющих выхлопных газов и подачи химически активных добавок, содержащее систему регулирования и управления с датчиками параметров и органами управления процессом, блоки селективного восстановления и/или окисления вредных составляющих выхлопных газов, по меньшей мере, одно устройство хранения химически активных добавок, по меньшей мере, одно устройство дозирования и подачи химически активных добавок в термический реактор, включающий зоны термолиза химически активных добавок с агрегатом подогрева катализаторов термолиза и гидролиза вредных продуктов термолиза в газовой фазе до простых веществ, выходной эжектор пневматической подачи в выхлопной коллектор на соответствующий блок катализатора селективного каталитического восстановления химически активных добавок в газовой фазе, (см. патент РФ RU 2667852 С2, патентообладатель СКАНИА СВ АБ опубл. 24.09.2018).
Основным недостатком устройства для каталитической очистки выхлопных газов ДВС является сложность управления и организации двухстадийного процесса подачи и испарения порций добавок в виде аммиака или его предшественника из жидкого раствора на всех режимах работы ДВС.
Известно устройство каталитической очистки газов, например выхлопных газов ДВС, методом селективного каталитического восстановления/окисления составляющих выхлопных газов и подачи химически активных добавок, содержащее систему регулирования и управления с датчиками параметров и органами управления процессом, блоки селективного восстановления и/или окисления вредных составляющих выхлопных газов, по меньшей мере, одно устройство хранения химически активных добавок, по меньшей мере, одно электромеханическое устройство дозирования и подачи химически активных добавок в твердой фазе в термический реактор, включающий зоны термолиза химически активных добавок в твердой фазе с агрегатом подогрева катализаторов термолиза и гидролиза вредных продуктов термолиза в газовой фазе до простых веществ, выходной эжектор подачи в выхлопной коллектор на соответствующий блок катализатора селективного каталитического восстановления химически активных добавок в газовой фазе, (см. патент РФ RU 2391288 С2, патентообладатель МАН НУТЦФАРЦОЙГЕ АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ опубл. 10. 06. 2010).
Основным недостатком устройства для каталитической очистки выхлопных газов ДВС является сложность организации процесса в зоне термолиза химически активных добавок в твердой фазе с электрическим агрегатом подогрева катализаторов термолиза и гидролиза в газовой фазе вредных продуктов термолиза до простых веществ вследствие больших и постоянных затрат электроэнергии из системы электроснабжения ДВС, что при высоких частотах вращения выходного вала и больших нагрузках дополнительно перегружает систему электроснабжения ДВС.
Известно устройство каталитической очистки выхлопных газов ДВС методом селективного каталитического восстановления/окисления составляющих выхлопных газов и подачи химически активных добавок, содержащее систему регулирования и управления с датчиками параметров и органами управления процессом, блоки селективного восстановления и/или окисления вредных составляющих выхлопных газов, по меньшей мере, одно устройство хранения и подачи химически активных добавок с, по меньшей мере, одной емкостью и с одним пневматическим устройством дозирования и подачи химически активных добавок в твердой фазе в термический реактор, включающий зоны термолиза химически активных добавок в твердой фазе с агрегатом подогрева катализаторов термолиза и гидролиза вредных продуктов термолиза в газовой фазе до простых веществ, выходной эжектор пневматической подачи в выхлопной коллектор на соответствующий блок катализатора селективного каталитического восстановления химически активных добавок в газовой фазе, (см. патент США US 6928807 В2, патентообладатель MAN NUTZFAHRZEUGE AKTIENGESELLSCHAFT опубл. 27.08.2003).
Основным недостатком устройства для каталитической очистки выхлопных газов ДВС является сложность организации процесса подачи в реакционную камеру и поддержания режима преобразования в ней твердого карбамида в аммиак или в его предшественник в газовой фазе на всех режимах работы ДВС, и необходимые для этого постоянные энергетические затраты на разогрев поверхности термического реактора и постоянное поддержание температуры этой поверхности, необходимой для термолиза карбамида в аммиак и проведения эндотермической реакции термолиза карбамида и гидролиза изоциановой кислоты. Это создает постоянную повышенную нагрузку на электроэнегетическую систему ДВС. Подогрев катализатора прямой теплопередачей тепла через материалы стенок выпускного коллектора и термического реактора от выхлопных газов требует достаточно длительного времени, что не может обеспечить оперативности подогрева катализатора при изменении режима работы ДВС и повышения количества аммиака при увеличении скорости вращения или нагрузки.
Технической задачей предложения является повышение эффективности работы ДВС путем снижения нагрузки на электроэнергетическую систему ДВС, связанные с ней снижение расхода топлива и повышение эффективности теплоиспользования в ДВС, в том числе и - тепла отходящих выхлопных газов, повышения стабильности работы термического реактора термолиза карбамида и гидролиза изоциановой кислоты и соответствующих блоков катализатора селективного каталитического восстановления химически активных добавок в газовой фазе и повышение оперативности отклика термического реактора на изменения режима работы ДВС.
Техническая задача решается тем что устройство каталитической очистки выхлопных газов ДВС методом селективного каталитического восстановления/окисления составляющих выхлопных газов и подачи химически активных добавок, содержащее систему регулирования и управления с датчиками параметров и органами управления процессом, блоки селективного восстановления и/или окисления вредных составляющих выхлопных газов, по меньшей мере, одно устройство и подачи химически активных добавок с, по меньшей мере, одной емкостью и с одним пневматическим устройством дозирования и подачи химически активных добавок в твердой фазе в термический реактор, включающий зоны термолиза химически активных добавок в твердой фазе с агрегатом подогрева катализаторов термолиза и гидролиза вредных продуктов термолиза в газовой фазе до простых веществ, выходной эжектор пневматической подачи в выхлопной коллектор на соответствующий блок катализатора селективного каталитического восстановления химически активных добавок в газовой фазе, причем агрегат подогрева катализаторов термолиза и гидролиза вредных продуктов термолиза дополнительно снабжен, по меньшей мере, одной управляемой тепловой трубой, соединенной с выхлопным коллектором, с датчиками параметров, с органами управления процессом теплопередачи и с системой регулирования и управления, а каждый из блоков селективного восстановления и/или окисления вредных составляющих выхлопных газов снабжены, по меньшей мере, одной управляемой тепловой трубой с термоаккумулятором, соединенной с выпускным коллектором, с термоаккумулятором, с датчиками параметров, с органами управления процессом теплопередачи и с системой регулирования и управления.
При этом следует разъяснить, что выбросы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) делятся на выбросы от карбюраторных и дизельных двигателей. Такое разделение связано с тем, что карбюраторные двигатели (КД) работают с однородными топливно-воздушными смесями, в то время как дизельные двигатели (ДД) - с гетерогенными смесями (см. книгу Ветошкин А.Г. «Процессы и аппараты газоочистки». Учебное пособие. Пенза: Изд-во ПТУ, 2006 г., стр. 164-180).
Выбросы загрязнений от двигателей внутреннего сгорания карбюраторного типа включают углеводороды, оксиды углерода, оксиды азота и нерегулярные выбросы. Загрязнения возникают вследствие реакций и в процессе горения в объеме и на поверхностях. Прорыв газов через поршневые кольца и выхлоп из цилиндров являются менее интенсивным источником выбросов загрязнений. В 1980 г. 4% выпускаемых в мире легковых и грузовых автомобилей было оснащено дизелями, а к концу 80-х годов этот показатель возрос до 25%. Основные выбросы загрязнений дизельных двигателей те же самые, что и карбюраторных двигателей (углеводороды, оксид углерода, оксиды азота, нерегулярные выбросы), но к ним добавляются частицы углерода (сажевый аэрозоль). Содержание вредных веществ в выбросах автомобилей колеблется в широких пределах и зависит от многих факторов, например, при скорости 70 км/ч в выхлопе автомобиля содержится 0,2…0,3% СО, при скорости более 100 км/ч и при работе двигателя на холостом ходу содержание этого опасного газа достигает 12%. Легковой автомобиль выбрасывает оксида углерода СО до 3 м /ч, грузовой - до 6 м /ч (3.6 кг/ч).
О составе выхлопных газов автомобилей с различными типами двигателей можно судить по данным, приведенным в табл.8.1.
Следует разъяснить, что очевидно - в предложенной конструкции могут конечно использоваться и классические не управляемые тепловые трубы, при этом возникнут дополнительные ограничения при их работе, связанные с постоянной передачей тепла и температурой начала их работы.
Следует также разъяснить, так как общеизвестно, что управляемой тепловой трубой называется классическая тепловая труба, которая помимо герметичного корпуса для перемещения потока газообразной фазы внутреннего теплоносителя, средства перемещения потока жидкой фазы внутреннего теплоносителя и мест подвода и отвода тепла к нему при изменении его агрегатного состояния с жидкого на газообразное и обратно, обычно дополнительно снабжена средствами контроля теплового состояния, наличия и регулирования потока жидкой и/или газообразной фазы внутреннего теплоносителя, то это не может быть предметом изобретения. Эти средства позволяют определить у нее рабочее или нерабочее состояние, интенсивность ее работы, регулировать процесс теплопередачи и выключать его при необходимости. Кроме этого рабочая температура тепловой трубы (то есть температура кипения/конденсации внутреннего теплоносителя), не может быть ниже рабочей температуры устройства подогрева катализаторов термолиза и гидролиза вредных продуктов термолиза в газовой фазе до простых веществ, таких как аммиак и др. соответственно. Очевидно, что температура блоков селективного восстановления и/или окисления вредных составляющих выхлопных газов должна быть другой, отличной от указанной выше, по этой причине и каждая управляемая тепловая труба, соединенная соответственно со своими термоаккумулятором, датчиками параметров, органами управления процессом теплопередачи и с системой регулирования и управления, должна работать в рабочем диапазоне температур соответствующего катализатора. При этом достигаются следующие технические результаты, описанные ниже.
Общая последовательность работы устройства для каталитической очистки выхлопных газов ДВС почти такая же, как и в прототипе, но достигаются новые технические результаты и начинаются отличия в работе при достижении управляемой тепловой трубой рабочей температуры, когда управляемая тепловая труба выходит на рабочий режим, то есть при этом процесс испарения/кипения и конденсации и наоборот внутреннего теплоносителя становится интенсивным, при этом за счет этого и должен идти интенсивный процесс теплообмена и поддержания температурного состояния катализаторов термолиза и гидролиза вредных продуктов термолиза в газовой фазе до простых веществ. По этой причине высокотемпературные и другие тепловые трубы позволяют, кроме интенсификации использования отходящего тепла отработавших газов, достичь дополнительный технический результат, такой как температурная стабилизация процессов работы термического реактора термолиза карбамида и гидролиза изоциановой кислоты, а для соответствующих блоков катализатора селективного каталитического восстановления/окисления и подачи соответствующих химически активных добавок в газовой фазе путем температурной стабилизации процесса повысить эффективность процесса путем работы их при оптимальной рабочей температуре за счет такого физического эффекта как постоянство температуры конденсации внутреннего теплоносителя тепловой трубы.
Предложение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана общая схема и конструкция устройства для каталитической очистки выхлопных газов ДВС. На фиг. 2 показана конструкция термического реактора с, по меньшей мере, одной управляемой тепловой трубой, соединенной с датчиками параметров, с системой регулирования и управления и с органами управления процессом теплопередачи, включающего зоны термолиза химически активных добавок в твердой фазе с агрегатом подогрева катализаторов термолиза и гидролиза вредных продуктов термолиза в газовой фазе до простых веществ.
3
3
x
x
На фиг. 1 показаны: двигатель 1 внутреннего сгорания, выпускной коллектор 2 для отвода выхлопных газов с турбиной 3 привода турбокомпрессора, трубопровод 4 выхлопной системы, предварительный стартовый катализатор 5 устройства для каталитической очистки выхлопных газов ДВС, по меньшей мере, один блок 6 катализатора селективного каталитического восстановления/окисления или SCR (Термин «СКВ (SCR)» означает селективное каталитическое восстановление), устройство хранения и подачи химически активных добавок с емкостью 7 для хранения карбамида, причем каждое устройство хранения и подачи химически активных добавок выполнено не только с, по меньшей мере, одной емкостью 7, но и с, по меньшей мере, одним пневматическим устройством 13 дозирования и подачи химически активных добавок в твердой фазе в термический реактор 8, при этом термический реактор 8 для производства аммиака (NH) выполнен с зоной термолиза, в которой реакционная камера 9 с катализатором термолиза выполнена с возможностью предварительного нагрева электрическим нагревательным элементом 10 катализатора термолиза, и с зоной гидролиза - нагрева катализатора 11 гидролиза вредных продуктов термолиза в газовой фазе до простых веществ, датчик 12 уровня карбамида в емкости 7 для хранения карбамида, пневматическое дозирующее устройство 13 служит для дозирования и подачи карбамида в пневматическом устройстве дозирования и подачи других химически активных добавок в твердой фазе в другой аналогичный термический реактор 8. Трубка 14 пневматической подачи карбамида в реактор 8 термолиза для производства аммиака (NH), соединена с пневматическим насосом 15 подачи карбамида, трубка 16 подачи воздуха в дозирующее устройство 13 подачи карбамида, с клапаном-регулятором 17 подачи карбамида. Трубка 18 подачи водосодержащих выхлопных газов и клапан-регулятор 19 подачи водосодержащих выхлопных газов служат для регулирования подачи воды на катализатор 11 гидролиза в зоне гидролиза вредных продуктов термолиза в газовой фазе до простых веществ. Система регулирования и управления с датчиками параметров и органами управления процессом также включает блок 20 управления, регулирования и управления с датчиками параметров и органами управления процессом, управляющий канал 21 пневматического насоса 15, канал 22 управления дозирующего пневматического устройства 13, управляющий канал 23 блокирующего клапана-регулятора 17, канал управления 24 подвижным позиционированием клапана-регулятора 19, линию управления 25 тепловой мощностью нагревательного элемента 10, управляющий канал 26 блока управления 20 системы регулирования и управления с датчиками параметров и органами управления процессом, информационную панель 27 блока управления 20, измерительный канал 28, содержание NO в выпускном коллекторе 2 для сбора выхлопных газов, измерительный канал 29 температуры и, в случае необходимости, также давления отработавшего газа в трубопроводе 4 для отработанного газа в месте, расположенном выше по потоку от предварительного катализатора 5, такие измерения предоставляются через измерительный канал 28, содержание NO в трубопроводе 2 для сбора выхлопных газов, измерительный канал 30, который служит для передачи данных о скорости вращения, крутящем моменте и массовом расходе выхлопных газов двигателя 1, измерительный канал 31, который служит для передачи данных о температуре ответвления потока выхлопных газов в питающий трубопровод 18 подачи выхлопных водосодержащих газов, измерительный канал 32, который служит для передачи данных о состоянии заполнения карбамидом подающего контейнера, измеряемых датчиком 12, измерительный канал 33, который служит для передачи данных о температуре в зоне термолиза реакционной камеры 9, измерительный канал 34, который служит для измерения температуры отработанного газа в трубопроводе 4 отработанного газа при введении отработанного газа в катализатор 6 SCR, заборное устройство аммиака от выходной зоны 35 термического реактора 8, трубопровод 36, который служит для отвода аммиака от выходной зоны 35 в выходной эжектор 37 пневматической подачи в выхлопной коллектор на соответствующий блок 6 катализатора селективного каталитического восстановления химически активных добавок в газовой фазе, в данном случае аммиака.
Устройство каталитической очистки выхлопных газов ДВС методом селективного каталитического восстановления/окисления составляющих выхлопных газов и подачи химически активных добавок, содержит систему регулирования и управления, включающую блок 20 управления с датчиками параметров и органами управления процессом, блоки 6 селективного каталитического восстановления и/или окисления вредных составляющих выхлопных газов, по меньшей мере, одно устройство хранения и подачи химически активных добавок, например, карбамида, с, по меньшей мере, одной емкостью 7 и одним пневматическим устройством 13 дозирования и подачи химически активных добавок в твердой фазе в термический реактор 8, включающий зону термолиза с реакционной камерой 9 термолиза реактора 8 химически активных добавок в твердой фазе, с электрическим нагревательным элементом 10 агрегата подогрева катализаторов термолиза в термическом реакторе 8, и зону гидролиза с катализатором 11 гидролиза вредных продуктов термолиза в газовой фазе до простых веществ, выходной эжектор 37 пневматической подачи химически активных добавок в газовой фазе в выпускной коллектор 2 на соответствующий блок 6 катализатора селективного каталитического восстановления или окисления химически активных добавок в газовой фазе.
Управляемая тепловая труба 38 и другие типичные детали этой части изобретения показаны на ФИГ. 2, в том числе датчик 39 температуры выхлопных газов на входе в горячую часть тепловой трубы 38, датчик-регулятор 40 наличия и регулирования потока внутреннего теплоносителя в управляемой тепловой трубе 38, датчик 39 температуры на выходе тепловой трубы у катализаторов в зоне термолиза, датчик 42 температуры нагрева электрического нагревательного элемента 10 агрегата подогрева катализаторов термолиза и гидролиза вредных продуктов термолиза в газовой фазе до простых веществ. Агрегат подогрева катализаторов в реакционной камере 9 катализатора термолиза и катализатора гидролиза 11 вредных продуктов термолиза дополнительно снабжен, по меньшей мере, одной управляемой тепловой трубой 38, соединенной с выпускным коллектором 2, с системой регулирования и управления, включающей блок 20 управления, с датчиками параметров (такими как датчик 39 температуры выхлопных газов на входе в горячую часть тепловой трубы, датчик 41 температуры на выходе тепловой трубы у катализатора в реакционной камере 9 термолиза реактора 8 в зоне термолиза, датчик-регулятор 40 наличия и регулирования потока внутреннего теплоносителя, датчик 42 температуры нагрева электрического нагревательного элемента 10 агрегата подогрева катализаторов термолиза и гидролиза вредных продуктов термолиза в газовой фазе до простых веществ и т.д.) и с органами управления процессом теплопередачи, например, такими как датчик-регулятор 40 наличия и регулирования потока в газовой фазе внутреннего теплоносителя в управляемой тепловой трубе 38, а каждый из блоков 6 (которые на чертежах подробно не показаны, но выполнены с аналогично управляемой тепловой трубой 38) селективного восстановления и/или окисления вредных составляющих выхлопных газов, в том числе и стартового предварительного катализатора 5, снабжены, по меньшей мере, одной управляемой тепловой трубой с термоаккумулятором, соединенной с выпускным коллектором, с соответствующим термоаккумулятором, с системой регулирования и управления, с датчиками параметров и с органами управления процессом теплопередачи.
Устройство каталитической очистки выхлопных газов ДВС методом селективного каталитического восстановления/окисления составляющих выхлопных газов и подачи химически активных добавок работает следующим образом.
Очевидно, что тепловая мощность по передаче тепла управляемой тепловой трубой 38 должна быть достаточной для обеспечения теплом и достаточного нагрева катализатора до температуры термолиза карбамида на катализаторе термолиза в реакционной камере 9 термолиза реактора 8 на любом даже самом интенсивном режиме работы ДВС. Снизить же интенсивность передачи тепла управляемой тепловой трубой 38 всегда проще, чем интенсифицировать этот процесс. Основным ограничивающим фактором при этом может быть, например, ограничение расхода и подачи потока жидкой фазы внутреннего теплоносителя принудительно, или через капиллярный фитиль или самотёком.
x
x
3
3
2
3
2
3
3
2
При первичном пуске холодного ДВС 1 до необходимого разогрева стартового предварительного катализатора 5 и блоков 6 катализатора селективного каталитического восстановления/окисления вредных составляющих выхлопных газов (последовательность каталитической обработки/нейтрализации их отдельных вредных составляющих зависят от химических свойств каждой составляющей и для этого предполагается использовать свой катализатор восстановления или окисления, по этой причине здесь будут рассмотрены наиболее вредные и часто встречающиеся составляющие) могут быть задействованы ад- или аб-сорбенты продуктов неполного сгорания топлива в обычном порядке. После разогрева указанных частей устройства до рабочих температур соответствующих катализаторов для каталитической очистки выхлопных газов ДВС методом селективного каталитического восстановления/окисления вредных составляющих выхлопных газов в соответствии с их химической природой, например, стартовый предварительный катализатор 5, который, также например, помимо своей функции сорбента и окислителя оксида углерода (СО) и углеводородов в системе выхлопных газов, обычно выполняет функцию значительного увеличения доли NO, в этом случае в выхлопных газах химической добавкой может быть природный окислитель, например, кислород вторичного воздуха, далее на следующей стадии в области оптимальной температуры в блоках 6 катализатора происходит восстановление оксида азота, содержащегося в выхлопных газах. В части устройства каталитической очистки выхлопных газов ДВС методом селективного каталитического восстановления составляющих выхлопных газов от NO путем подачи одной из химически активных добавок, а именно аммиака (NH) в устройстве хранения и подачи химически активных добавок, вводится в действие емкость 7 для хранения карбамида в твердой фазе, в которой он хранится в сухом состоянии в виде порошка, гранулята или микрогранул, вкупе с которым и с, по меньшей мере, одним пневматическим устройством дозирования с клапаном-регулятором 17 подачи карбамида и пневматическое устройство 13 подачи карбамида в твердой фазе в термический реактор 8 термолиза и производства аммиака (NH), а при достаточно электрически нагретой реакционной камере 9, которая разделена соответственно на термические зоны термолиза карбамида реактора 8 и гидролиза, то есть гидролизной обработки катализатором 11 вредных продуктов термолиза в газовой фазе, например, таких как изоциановая кислота (HCNO), путем введения в эту зону воды или водосодержащего газа, например, при помощи средства подачи водосодержащих выхлопных газов выполненного в виде трубки 18 с клапаном-регулятором 19 подачи указанных газов. Под действием воды на катализаторе 11 гидролиза вредные продукты термолиза в газовой фазе, например, такие как изоциановая кислота (HCNO), разлагаются до простых веществ, то есть аммиака и диоксида углерода (СО). Также вступает в действие пневматическое устройство 13 для подачи карбамида из подающего контейнера - емкости 7 для хранения карбамида, который поступает в контролируемых или заранее определенных измеренных количествах в реакционную камеру 9 термолиза реактора 8, при этом электрический нагревательный элемент 10 в зоне термической обработки в реакционной камере 9 заранее нагревается до температуры начала реакции термолиза реактора 8, а устройство для регулирования температуры электронагревательного элемента 10 поддерживает эту температуру таким образом, чтобы карбамид, введеный в реакционную камеру 9, самопроизвольно разлагался посредством быстрой термической обработки на аммиак (NH) и изоциановую кислоту (HCNO), а устройство для введения воды или водосодержащего газа подает в необходимых количествах воду (НО) в реакционную камеру 9 реактора 8, и катализатор гидролиза 11 в зоне гидролиза реакционной камеры 9 реактора 8 в присутствии воды для превращения изоциановой кислоты (HCNO) преобразуется в результате быстрой термической обработки, в дополнение к ранее обработанной карбамида и образовавшемуся при этом аммиаку (NH), преобразуется в аммиак (NH) и диоксид углерода (СО) и весь полученный в этих процессах аммиак в виде химической активных добавки в газовой фазе поступает в выходной эжектор 37 пневматической подачи образовавшегося газа в выхлопной коллектор на соответствующий блок 6 катализатора селективного каталитического восстановления химически активных добавок в газовой фазе или другой вид сопла вводит такие продукты в трубопровод 4 выхлопной системы на соответствующий блок 6 катализатора. При этом другие вредные составляющие выхлопных газов преобразуются в безвредные на других аналогичных блоках селективного каталитического восстановления/окисления составляющих выхлопных газов возможно с помощью подачи других химически активных добавок.
Очевидно, что подача в эту зону воды или водосодержащего газа должна осуществляться в пересчете на реальное содержание в нем воды, то есть должна соответствовать необходимому ее количеству для нормальной работы катализатора 11 гидролиза. Самый простой метод регулирования этого процесса при этом может быть осуществлен подачей расчетного количества воды в жидкой фазе, получаемой из соответствующей емкости или же ее конденсата, полученного из выхлопных газов.
3
После пуска и прогрева ДВС выхлопные газы достигают рабочих температур и датчик 39 температуры выхлопных газов на входе в горячую часть тепловой управляемой трубы 38 передает в блок 20 управления системы регулирования и управления с датчиками параметров и органами управления процессом команду готовности к работе управляемой тепловой трубы 38, а датчик-регулятор 40 при наличии потока внутреннего теплоносителя в газообразном виде открывается и при необходимости регулирует этот поток в управляемой тепловой трубе 38 до необходимого по величине потока тепла на катализатор термолиза и обеспечивает работу термического реактора 8 для производства на катализаторах термолиза и гидролиза аммиака (NH) в количествах, необходимых для нормальной работы соответствующего блока 6 катализатора SCR. Тепловая труба 38 может регулироваться двумя путями. Первый путь перекрытие или ограничение подачи газообразного потока внутреннего теплоносителя в зону нагрева катализатора термолиза/охлаждения (конденсации) теплоносителя. Второй путь - перекрытие или ограничение подачи сконденсированного (в жидкой фазе) потока внутреннего теплоносителя в зону нагрева/испарения. Физика процесса и режим работы управляемой тепловой трубы 38 стабилизирует температуру его поверхности катализатора термолиза, вследствие стабильности температуры конденсации внутреннего теплоносителя, что исключает возможность перегрева катализатора термолиза и получения вместо процесса термолиза другого процесса, например, термокрекинга карбамида, что очевидно, так как перегрев поверхности катализа можно достичь только при прямом избыточном нагреве поверхности катализатора термолиза непосредственно теплом перегретых выхлопных газов. Регулирование подачи потока внутреннего теплоносителя и соответственного тепла на катализатор термолиза нужно для снижения его температуры и ограничения производства аммиака на некоторых режимах работы ДВС с пониженной генерацией вредных выбросов. Очевидно, что в определенных пределах максимальную температуру нагрева при конденсации газообразной фазы внутреннего теплоносителя можно увеличить любым известным из физики газов путем, например, подняв внутреннее давление газообразной фазы и т.д. Подогрев катализатора 11 гидролиза, требующего более низких температур, можно осуществить потоком внутреннего теплоносителя в его жидкой фазе с необходимой регулировкой температуры. При этом, из работы выключается электрический нагреватель и снижается нагрузка на электрогенератор и систему электрообеспечения ДВС, что позволяет снизить также расход топлива на их привод и соответственно выделение токсических, вредных составляющих выхлопных газов ДВС. Электрические связи и линии передачи электрических сигналов на Фиг. 2 условно не показаны. Очевидно, что совместно с управляемой тепловой трубой возможно также установить термоаккумулятор, но обычно это не целесообразно, так как при этом излишне усложняется конструкция агрегата подогрева катализаторов термолиза и гидролиза вредных продуктов термолиза. При этом система регулирования и управления тепловой трубой с датчиками параметров и управления процессом может быть выполнена из известных датчиков и органанов управления и регулирования, с уже известными средствами автоматизации этого процесса.
Для аналогичных целей служит каждый из блоков 20 селективного восстановления и/или окисления вредных составляющих выхлопных газов, каждый из которых снабжен, по меньшей мере, одной управляемой тепловой трубой с термоаккумулятором (на чертежах не показаны, так как их выполнение аналогично, но конструктивные особенности могут быть самыми разнообразными), соединенной с выпускным коллектором, с соответствующим термоаккумулятором, с датчиками параметров, с органами управления процессом теплопередачи и с системой регулирования и управления. При избыточном количестве тепла для нагрева соответствующего блока 6 катализатора селективного каталитического восстановления и/или окисления вредных составляющих выхлопных газов и достижении необходимой температуры для работы управляемой тепловой трубы при ее дальнейшей работе тепло, аналогично нагреву катализатора термолиза, начинает поступать в термоаккумулятор, в котором оно нагревает соответствующую среду, например, плавит металл с необходимой температурой плавления или другое вещество с изменением его агрегатного состояния. При этом следует отметить, что место поступления тепла на горячую часть управляемой тепловой трубы может быть совмещено с соответствующим блоком селективного восстановления и/или окисления вредных составляющих выхлопных газов или выполнено отдельно, а средство и органы управления процессом теплопередачи могут быть выполнены многоходовыми, например, трехходовыми или больше, то есть в соответствии с числом блоков селективного восстановления и/или окисления вредных составляющих выхлопных газов, обслуживаемых многоточечной управляемой тепловой трубой. После завершения процесса полного термоаккумулирования, то есть аккумулирования наибольшего возможного количества тепла, в управляемой тепловой трубе принудительно прекращается или снижается процесс теплопередачи до уровня восполнения потерь тепла в термоаккумуляторе. Очевидно, что термоаккумулятор должен быть хорошо теплоизолирован от окружающей среды. Запас тепла в нем в последующем может быть использован для подогрева соответствующего катализатора на режимах работы ДВС, при которых тепла отработавших газов недостаточно для разогрева и/или достижения рабочих температур соответствующего, по меньшей мере, одного блока катализатора селективного каталитического восстановления и/или окисления вредных составляющих выхлопных газов. Организация и средства регулирования электрических и механических соединений с термоаккумулятором, с датчиками параметров, с органами управления процессом теплопередачи и с системой регулирования и управления, могут быть разнообразными, а полное, детальное и подробное описание каждого варианта конструкции, средств и последовательности процесса регулирования тепловой трубы в объем данного предложения не может вместиться и по этой причине не приводятся. Наиболее востребованный режим для этого будет в процессе пуска холодного двигателя, при котором из-за повышенных расходов топлива на стадиях пуска и прогрева и из-за холодных деталей ДВС происходит повышенное выделение токсических составляющих выхлопных газов, а для нагрева соответствующих блоков катализатора необходимо тепло. Аналогичные процессы происходят на режиме холостого хода особенно в холодную погоду, а также на режимах разгона, максимальной мощности и скорости вращения, когда затруднены или не стационарны температурные и аэродинамические процессы смесеобразования и сгорания. При этом следует отметить, что по своей физической природе каждая тепловая труба является саморегулирующимся устройством, так как более интенсивное охлаждение холодной части, в которой происходит конденсация из газообразной фазы в жидкий внутренний теплоноситель вызывает интенсификацию движения к ней его газообразной фазы и соответственно увеличение притока тепла, только при этом горячая часть также должна достаточно интенсивно подогреваться.
x
Кроме этого при изменении режима работы ДВС достижение оперативного реагирования на необходимую для нейтрализации всех NOобщую массу подачи аммиака обычными средствами достичь сложно, так как разогрев катализатора электрическим током из-за его инерционности и последующей медленной контактной последовательной теплопередачи материалами с помощью их теплопроводности. По этой причине разогрев электричеством катализатора термолиза и подачу карбамида в твердой фазе необходимо начинать загодя до момента увеличения скорости вращения или нагрузки с учетом затрат времени на проведение реакций химических превращений. Особенно актуально это для работы автотранспортных ДВС при их работе по городскому циклу, который включает их работу на нестационарных режимах, таких как - на холостом ходу, при разгонах и торможениях.
На основании изложенного можно утверждать следующее.
Поставленная техническая задача решается техническими средствами и может быть использована в предложенном виде в народном хозяйстве, следовательно, предложение соответствует критерию изобретения «промышленная применимость».
Предложение имеет отличия от конструкции и в последовательности работы известного устройства, следовательно, соответствует критерию изобретения «новизна».
Предложение при выполнении всех известных и новых конструктивных особенностей, и последовательности действий при их работе позволяет достичь новых ранее неизвестных технических результатов, следовательно, соответствует критерию изобретения «изобретательский уровень».