СИСТЕМА СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
SYSTEM FOR REDUCING TOXICITY OF DIESEL ENGINE EXHAUST GASES

Настоящее изобретение относится к системе снижения токсичности отработавших газов (ОГ) дизельных двигателей, прежде всего дизельных двигателей транспортных средств для перевозки пассажиров, грузов и для нетранспортных работ, состоящей из расположенных в выпускном тракте компонентов для снижения токсичности ОГ, таких, например, как катализатор окисления (каталитический нейтрализатор окислительного типа), распылитель восстановителя, улавливатель сажевых частиц (сажевый фильтр), катализатор восстановления (каталитический нейтрализатор восстановительного типа).
В области снижения токсичности ОГ, образующихся при работе нестационарных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), наиболее хорошо зарекомендовали себя выполненные в виде сотовых элементов катализаторы, соответственно каталитические нейтрализаторы и улавливатели сажевых частиц, имеющие профилированные несущие элементы, которые образуют каналы (прежде всего листы фольги, нетканые материалы из тонких проволочек и другие или же керамические пластины, экструдаты и другие) и профильные структуры которых могут быть снабжены микропрофильными или -рельефными структурами, образующими отверстия и потоконаправляющие поверхности, которые ориентированы таким образом, что они направляют частичные потоки ОГ вдоль несущих элементов изнутри наружу и/или наоборот.
Именно для превращения токсичных компонентов, содержащихся в ОГ дизельных двигателей, в безвредные вещества применяются различные способы. Так, например, для сокращения выброса сажи с ОГ в некоторых случаях используют способ, который основан на применении непрерывно регенерируемого улавливателя (НРУ) и при осуществлении которого превращение сажи обеспечивают ее взаимодействием с образовавшимся в ОГ диоксидом азота уже при низких температурах. Равным образом в этих же целях можно использовать способ селективного каталитического восстановления (СКВ), направленный на восстановление содержащихся в ОГ оксидов азота их взаимодействием с восстановителем (мочевиной, аммиаком и другими). Помимо этого уже предлагалось также использовать оба этих способа в сочетании между собой. Для этого в системе выпуска ОГ требуется также предусматривать каталитические нейтрализаторы, при этом именно на транспортных средствах для перевозки пассажиров, грузов и для нетранспортных работ в связи с большим количеством образующихся при работе их двигателей ОГ могут возникнуть проблемы с интеграцией каталитических нейтрализаторов сравнительно большого объема в систему выпуска ОГ из-за нехватки места для их размещения.
Из сказанного следует, что вышеописанные системы снижения токсичности ОГ еще требуют их усовершенствования в целях улучшения их термических начальных рабочих характеристик (например, после пуска холодного двигателя) и в целях достижения максимально высокой степени или эффективности снижения токсичности ОГ, сохраняющейся на протяжении длительного периода времени. Помимо этого следует стремиться к согласованию системы снижения токсичности ОГ дизельных двигателей транспортных средств для перевозки пассажиров, грузов и для нетранспортных работ с существующими условиями касательно доступного монтажного пространства с учетом необходимости предусматривать объемистый или крупный глушитель шума ОГ для соблюдения соответствующих законодательно установленных норм.
Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача по меньшей мере частично решить рассмотренные выше в описании уровня техники проблемы. Задача изобретения прежде всего состояла также в том, чтобы разработать систему снижения токсичности ОГ дизельных двигателей, в первую очередь дизельных двигателей транспортных средств для перевозки пассажиров, грузов и для нетранспортных работ, конструктивные особенности которой обеспечивали бы эффективное снижение токсичности ОГ и которая имела бы простую и недорогую конструкцию и допускала бы компактное ее размещение в системе выпуска ОГ.
Указанная задача решается с помощью системы снижения токсичности ОГ, заявленной в п.1 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения. Необходимо отметить, что представленные в зависимых пунктах формулы изобретения отличительные особенности изобретения могут использоваться в любом технически целесообразном сочетании друг с другом и могут образовывать тем самым другие варианты осуществления изобретения. Помимо этого указанные в формуле изобретения отличительные особенности изобретения более подробно рассматриваются и поясняются в последующем описании, в котором представлены также другие предпочтительные варианты осуществления изобретения.
В предлагаемой в изобретении системе снижения токсичности отработавших газов (ОГ) дизельных двигателей предусмотрены по меньшей мере один катализатор окисления, один распылитель восстановителя и один катализатор восстановления, которые совместно расположены в одном корпусе с первой боковой камерой вблизи его первого торца и второй боковой камерой вблизи его второго торца. При этом должны соблюдаться следующие условия: катализатор восстановления расположен в первой боковой камере, катализатор окисления расположен в радиально внешней кольцевой полости второй боковой камеры, распылитель восстановителя ориентирован в сторону внутреннего канала радиально внешней кольцевой полости второй боковой камеры, а также предусмотрен путь прохождения потока ОГ от по меньшей мере одного входа ОГ до по меньшей мере одного выхода ОГ через следующие компоненты: катализатор окисления, распылитель восстановителя, катализатор восстановления.
Катализатор восстановления в предпочтительном варианте представляет собой СКВ-катализатор, прежде всего с керамической сотовой структурой. Катализатор восстановления предназначен в конечном итоге для восстановления оксидов азота при добавлении восстановителя до азота и водяного пара.
2
Катализатор окисления в предпочтительном варианте представляет собой кольцевой (тороидальный) металлический сотовый элемент с содержащим благородный металл (например, платину) покрытием. Катализатор окисления предназначен для окисления содержащихся в ОГ несгоревших углеводородов и монооксида углерода до воды и диоксида углерода, а также для окисления содержащихся в ОГ оксидов азота до NO.
Распылитель восстановителя предназначен прежде всего для вдувания или распыления текучей среды, такой как предпочтительно жидкость. В качестве восстановителя используют аммиак и/или его предшественник (мочевину, раствор AdBlue). Восстановитель подается дозатором через распылитель в ОГ, при этом в качестве восстановителя в первую очередь в поток ОГ распыляется мочевина, которая при необходимости разлагается в устройстве для разложения восстановителя до аммиака.
В соответствии со сказанным выше в изобретении предлагается также система снижения токсичности ОГ дизельных двигателей, прежде всего дизельных двигателей транспортных средств для перевозки пассажиров, грузов и для нетранспортных работ и вездеходов, с расположенными в выпускном тракте компонентами для снижения токсичности ОГ, такими как катализатор окисления, распылитель восстановителя и катализатор восстановления. Такие компоненты для снижения токсичности ОГ размещены в одном корпусе со входом ОГ, расположенным по окружности корпуса примерно по его середине в зоне перегородки. От этого входа отработавшие газы движутся по кольцевой полости, которая начинается от перегородки, проходит в направлении замыкающей стенки корпуса (его второго торца) и оканчивается с отступом от нее и в которой расположен проточный для ОГ катализатор окисления. В этом месте, вблизи второго торца изменяется направление потока ОГ, который при этом подвергается достаточно интенсивному завихрению и в который после этого можно добавлять восстановитель. Распылитель восстановителя расположен соосно кольцевой полости, соответственно каналу и проходит сквозь замыкающую стенку, образующую второй торец корпуса, благодаря чему восстановитель может распыляться в соосную трубу и смешиваться в этом месте с проходящими в прямотоке по каналу ОГ. Затем смесь из ОГ с восстановителем попадает в первую камеру с находящимся в ней катализатором восстановления, которая расположена в корпусе по ходу потока после перегородки и в которой соответствующие компоненты ОГ при их прохождении через катализатор восстановления подвергаются селективному восстановлению.
Предлагаемая в изобретении система снижения токсичности ОГ имеет исключительно компактную конструкцию или компоновку и поэтому допускает ее размещение вблизи двигателя, образующиеся при работе которого ОГ поступают в нее лишь слегка остывшими. Благодаря этому в сочетании с тем фактом, что расположенный в кольцевой полости катализатор окисления препятствует дальнейшему охлаждению ОГ, которые вследствие этого с высокой температурой поступают в соосный канал, распыляемый в него восстановитель исключительно быстро испаряется и смешивается с ОГ, чему способствует образованный трубой теплый канал в центральной части системы.
Предпочтительна далее система снижения токсичности ОГ, в которой в канале предусмотрен по меньшей мере один перемешивающий элемент.
Предпочтительна также система снижения токсичности ОГ, в которой в канале предусмотрен по меньшей мере один улавливатель сажевых частиц. В таком улавливателе сажевых частиц отфильтровываются образующиеся при работе дизельного двигателя сажевые частицы, окисляемые в их улавливателе до диоксида углерода.
Помимо этого в еще одном предпочтительном варианте в канале предусмотрен по меньшей мере один катализатор гидролиза. Наличие такого катализатора гидролиза способствует превращению предшественника аммиака в аммиак.
С целью обеспечить максимально тщательное перемешивание восстановителя с ОГ в предпочтительном варианте в трубе расположен перемешивающий элемент, который может быть выполнен в виде заполняющего собой эту трубу улавливателя сажевых частиц. Такой улавливатель сажевых частиц может (также) иметь каталитическое покрытие для восстановления и/или гидролиза восстановителя. В этом отношении канал может быть выполнен в направлении потока ОГ (вдоль заданного пути прохождения потока ОГ) с различными зонами, однако его можно также выполнять с совмещением или наложением множества вышеуказанных зон (цельное исполнение).
В предпочтительном варианте катализатор окисления и/или улавливатель сажевых частиц и/или катализатор восстановления снабжены/снабжен профилированными несущими элементами, которые образуют каналы и профильные структуры которых снабжены микропрофильными или -рельефными структурами, образующими отверстия и потоконаправляющие поверхности, которые ориентированы таким образом, что они направляют частичные потоки ОГ вдоль несущих элементов изнутри наружу или наоборот. Благодаря этому обеспечивается выравнивание скорости потока ОГ по поперечному сечению вышеуказанных конструктивных элементов, перемешивание частичных потоков ОГ и устранение ламинарных потоков, вследствие чего значительно повышается эффективность элементов системы снижения токсичности ОГ.
В одном из вариантов по меньшей мере один выход ОГ предлагается располагать между катализатором восстановления и первым торцом. В соответствии с этим корпус системы снижения токсичности ОГ имеет по ходу потока после катализатора восстановления еще одну замыкающую стенку, в которой либо рядом с которой по окружности корпуса может располагаться выход ОГ. Благодаря этому предоставляется большая свобода выбора касательно конструктивного исполнения системы снижения токсичности ОГ, которую тем самым можно идеальным образом согласовывать с имеющимися пространственными условиями.
Помимо этого распылитель восстановителя предпочтительно ориентировать или направлять в сторону катализатора окисления. Сказанное означает также, что распылитель восстановителя в данном случае расположен эксцентрично относительно внутреннего канала, т.е. не по его центру, и поэтому часть добавляемого восстановителя (против направления прохождения потока ОГ) может также попадать на заднюю стенку катализатора окисления (на которой при этом отсутствует содержащее благородный металл покрытие). Вследствие протекания экзотермических реакций в катализаторе окисления его задняя стенка в процессе работы обычно нагрета до очень высокой температуры, и поэтому при контакте жидкого восстановителя с такой поверхностью происходит его быстрое испарение, соответственно термическое разложение (термолиз). Кроме того, тот участок задней стенки катализатора окисления, на который попадает добавляемый восстановитель, может быть но меньшей мере частично снабжен способствующим гидролизу покрытием. Такой участок может быть выполнен прежде всего в виде кольцевого сегмента кольцевого катализатора окисления, каковой кольцевой сегмент в предпочтительном варианте представляет собой единственную часть катализатора окисления, на которую подается восстановитель.
В еще одном варианте выполнения предлагаемой в изобретении системы снижения токсичности ОГ первая боковая камера и вторая боковая камера отстоят от перегородки, которая имеет трубу для образования канала. Такая труба служит, например, также в качестве опоры или держателя для кольцевого катализатора окисления. Труба и перегородка в предпочтительном варианте приварены друг к другу или выполнены за одно целое.
Помимо этого в подобной системе снижения токсичности ОГ предлагается также предусматривать по меньшей мере перед катализатором окисления или катализатором гидролиза электрический нагреватель. Сказанное означает, что ОГ сначала проходят через по меньшей мере один нагреватель и лишь затем поступают в катализатор окисления и/или катализатор гидролиза. В качестве нагревателя предпочтительно использовать электронагреваемую сотовую структуру.
Ниже изобретение, а также необходимые для его реализации технические средства более подробно рассмотрены со ссылкой на прилагаемый к описанию единственный чертеж. Необходимо отметить, что на этом чертеже представлен особенно предпочтительный вариант осуществления изобретения, который, однако, не ограничивает его объем. На прилагаемом к описанию чертеже схематично в разрезе показана предлагаемая в изобретении система снижения токсичности ОГ.
Показанная на чертеже система снижения токсичности ОГ предназначена прежде всего для снижения токсичности ОГ дизельных двигателей транспортных средств для перевозки пассажиров, грузов и для нетранспортных работ. К двигателям таких транспортных средств предъявляются высокие требования касательно развиваемой ими мощности при одновременном минимально возможном расходе топлива. При сгорании топлива в отдельных цилиндрах дизельного двигателя образуются в первую очередь диоксид углерода и водяной пар, однако из-за неполного сгорания топлива в ОГ присутствуют несгоревшие углеводородные соединения, монооксид углерода, сажа, а также оксиды азота, образование которых обусловлено высокими температурами сгорания топлива и которые требуется максимально полно удалять из ОГ с помощью предлагаемой в изобретении системы снижения токсичности ОГ.
Показанный на чертеже дизельный двигатель 1 выпускной трубой 2 соединен с корпусом 5 системы снижения токсичности ОГ. Выпускная труба 2 оканчивается выходной частью, расположенной в окружном направлении корпуса 5 примерно по его середине в зоне перегородки 7 (вход 20 ОГ). Эта перегородка 7 служит опорой для расположенной соосно корпусу 5 трубы 12, которая между собой и корпусом 5 образует кольцевую полость 11. Перегородка 7 разделяет корпус 5 на первую боковую камеру 15 вблизи его первого торца 16 и вторую боковую камеру 17 вблизи его второго торца 18. Труба 12 оканчивается с отступом от образованного замыкающей стенкой второго торца 10 корпуса 5, где обозначенный стрелками поток ОГ (путь 14 прохождения потока ОГ) поворачивает в канале 17 и движется далее внутри трубы 12 в обратном направлении.
2
В кольцевой полости 11 расположен кольцевой (тороидальный) нагреватель 24, а непосредственно за ним по ходу потока ОГ расположен катализатор 3 окисления, на котором несгоревшие газообразные компоненты ОГ окисляются до водяного пара и диоксида углерода. Помимо этого на этом катализаторе максимально возможная часть оксидов азота, присутствующих в ОГ, окисляется до диоксида азота (NO).
Соосно трубе 12 на втором торце 10 расположен распылитель 6 восстановителя, который распыляет восстановитель в направляемый в трубу 12 поток ОГ (а при определенных условиях - и на заднюю стенку катализатора 3 окисления). Для подачи жидкого водного раствора мочевины предусмотрена питающая система 23, например, бак, клапаны, насос и т.д.
3
В трубе 12 может быть расположен (как показано на чертеже) перемешивающий элемент 10, обеспечивающий интенсивное перемешивание восстановителя с ОГ. В предпочтительном варианте такой перемешивающий элемент выполнен в виде улавливателя 8 сажевых частиц, который заполняет собой трубу 12 и который при необходимости по меньшей мере частично дополнительно снабжен даже каталитическим покрытием для восстановления и/или гидролиза восстановителя (катализатором 13 гидролиза, при необходимости с установленным перед ним нагревателем). Подобный восстановитель представляет собой мочевину, которая на каталитическом покрытии улавливателя сажевых частиц расщепляется на водяной пар и аммиак (NH).
В улавливателе 8 сажевых частиц улавливается и сгорает максимально возможная часть содержащихся в ОГ сажевых частиц. Из улавливателя 8 сажевых частиц ОГ попадают непосредственно в первую камеру 15 с находящимся в ней катализатором 9 восстановления, на котором оксиды азота при добавлении восстановителя каталитически восстанавливаются до азота и водяного пара. При необходимости после катализатора 9 восстановления можно также предусмотреть не показанное на чертеже устройство для улавливания избыточного аммиака. Выходящие из катализатора 9 восстановления ОГ выходят из корпуса 5 через выход 21 ОГ и попадают в выпускную трубу 4, приемная часть которой в показанном на чертеже варианте расположена по окружности корпуса 5 рядом с замыкающей стенкой, образующей первый торец 16. В зависимости от пространственных условий выход 21 ОГ можно также располагать иным образом, например, соосно корпусу 5.
Настоящее изобретение не ограничено показанным на чертеже вариантом его осуществления. Более того, в объеме формулы изобретения возможны многочисленные модификации изобретения.