СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ АВТОМОБИЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА
METHOD FOR REMOVING TOXIC SUBSTANCES FROM EXHAUST GASES OF AUTOMOBILE, AND DEVICE FOR METHOD'S IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к автомобилестроению, а именно к технологиям и устройствам для удаления углеводородов из выхлопных газов автомобиля в период холодного запуска двигателя и может быть использовано в качестве поглотителя для улавливания экологически опасных выбросов в окружающую среду устройствами, использующими углеводородное топливо.
x
Актуальность решаемой проблемы улавливания вредных выбросов в окружающую среду и снижения токсичности на этапе пуска технического устройства, использующего углеводородное топливо основана на том, что выхлопная система двигателя внутреннего сгорания (ДВС), используемая в нем, поставляет в окружающую среду ~60% CH, CO и является главным источником NO, При этом около 80% углеводородных выбросов автомобилей приходится на период холодного запуска, когда каталитический нейтрализатор не разогрет до рабочей температуры 300°С.
Одним из методов снижения токсичности выхлопных газов ДВС является использование поглотителей вредных веществ - адсорбентов. Адсорбенты применяют в топливно - воздушных системах для исключения попадания паров топлива в окружающую среду, а также в выхлопных системах двигателей для исключения выброса в атмосферу несгоревших углеводородов в течение 60 секунд после запуска двигателя, когда каталитический нейтрализатор еще не вышел на рабочую температуру.
Наибольшее удельное количество токсичных выхлопов приходится на этап пуска двигателя. На данный момент проблема улавливания вредных веществ при работе ДВС решена использованием специализированных устройств - каталитических нейтрализаторов выхлопных газов. Для полноценной работы каталитического нейтрализатора требуется определенная температура. В условиях длительной стоянки температура каталитического нейтрализатора равна температуре окружающей среды и на прогрев этого устройства требуется какое-то время. Т.е., после пуска двигателя на начальном отрезке времени, необходимом для прогрева каталитического нейтрализатора, очистка выхлопных газов не происходит. Эта проблема получила название “проблемы холодного пуска двигателя”. В первую очередь, она связана с теплохимическими и теплофизическими свойствами материала реагента, используемого в каталитических нейтрализаторах.
Известно устройство для удаления токсичных составляющих из выхлопных газов автомобиля, содержащее элемент для фильтрации выхлопных газов двигателя, нейтрализатор для улавливания токсичных составляющих (патент РФ №2316656, МПК F01N 3/02, публ. 10.022010 г.), включающее элемент для фильтрации выхлопных газов двигателя для отфильтровывания из отработавших газов присутствующих в них твердых частиц,, каталитический нейтрализатор для улавливания токсичных составляющих.
Известно в качестве прототипа предлагаемого устройство для улавливания токсинных веществ из выхлопных газов автомобиля устройство содержащее элемент для фильтрации выхлопных газов двигателя, нейтрализатор для улавливания токсичных составляющих (патент РФ №2316656, МПК F01N 3/02, публ. 10.022010 г.), включающее элемент для фильтрации выхлопных газов двигателя для отфильтровывания из отработавших газов присутствующих в них твердых частиц,, каталитический нейтрализатор для улавливания токсичных составляющих.
Однако известные устройства не обеспечивают возможность избирательного улавливания несгоревших углеводородорв при низкой температуре и их удерживанию до достижения рабочей температуры каталитического нейтрализатора (не ниже 300°С) и достаточно высокую степень очистки выхлопных газов ДВС от токсичных веществ.
Известен в качестве прототипа предлагаемого способ для удаления токсичных веществ из выхлопных газов автомобиля, включающий направление потока выхлопных газов из выпускного коллектора ДВС в нейтрализатор выхлопной системы двигателя (патент РФ №2227832, МПК F01N 7/00, публ. 27.04.2004 г.).
Задачей авторов изобретения является разработка способа удаления токсичных веществ из выхлопных газов автомобиля и устройства для его реализации, обеспечивающих высокую степень очистки от токсичных составляющих выхлопных газов автомобиля и надежного продолжительного удерживания углеводородов при «холодном запуске» автомобиля до момента разогрева каталитического нейтрализатора свыше 300°С.
Новый технический результат при использовании предлагаемого способа удаления токсичных веществ из выхлопных газов автомобиля и устройства для его реализации заключается в обеспечении высоких степени очистки от токсичных составляющих выхлопных газов автомобиля и стабильности рабочих характеристик при продолжительном циклическом гидротермалыюм воздействии, а также обеспечении продолжительного удерживания углеводородов при повышении температуры до момента разогрева каталитического нейтрализатора свыше 300°С.
Указанные задача и новый технический результат обеспечены тем, что в известном способе удаления токсичных веществ из выхлопных газов автомобиля, включающем направление потока выхлопных газов из выпускного коллектора ДВС в нейтрализатор выхлопной системы двигателя, согласно предлагаемому способу, поток выхлопных газов из выпускного коллектора ДВС направляют после прохождения первого нейтрализатора в дополнительно установленную ловушку «холодного пуска», в которой в качестве поглотителя токсичных составляющих размещен порошкообразный адсорбент типа цеолит, представляющий собой преобразованный цеолит типа ZSM-5 или BETA-38, в который введен один из щелочных металлов - К, Na или Li при следующем соотношении, масс.%: либо натрий - 2,0-3,5, либо К - 3-5, либо Li - 4,5-5,5; цеолит ZSM-5 или BETA-38 - остальное, а затем через индивидуальную магистраль во второй нейтрализатор, после чего поток выхлопных газов направляют в резонатор и глушитель, расположенные по ходу следования потока выхлопных газов.
Указанные задача и новый технический результат обеспечены тем, что в известном устройстве для удаления токсичных веществ из выхлопных газов автомобиля, содержащем элемент для фильтрации выхлопных газов двигателя, каталитический нейтрализатор для улавливания токсичных составляющих, согласно предлагаемому устройству в направлении по ходу движения потока отработанных газов двигателя после выхода из выхлопного тракта ДВС дополнительно между каталитическим нейтрализатором, напрямую воспринимающим поток отработанных газов из выхлопного тракта ДВС, и вторым нейтрализатором, воспринимающим поток выхлопных газов, прошедших через первый нейтрализатор, установлена ловушка «холодного пуска», выполненная в виде полого цилиндра, в полости которого размещен адсорбент и связанного входной магистралью с первым каталитическим нейтрализатором и двумя выходными магистралями: первой - с системой рециркуляции потока отработанных газов и а другой магистралью - со входом второго нейтрализатора, при этом адсорбент ловушки холодного пуска представляет собой преобразованный цеолит типа ZSM-5 или BETA-38, модифицированный ионами щелочных металлов.
Предлагаемые способ удаления токсичных веществ из выхлопных газов автомобиля и устройство для его реализации поясняются следующим образом.
Первоначально поток выхлопных газов из ДВС направляется в нейтрализатор выхлопной системы двигателя, после чего выхлопные газы попадают в дополнительно установленную ловушку «холодного пуска», в которой в качестве поглотителя токсичных составляющих размещен порошкообразный адсорбент типа преобразованный цеолит. Цеолит представляет собой преобразованный цеолит типа ZSM-5 или BETA-38, в который введен один из щелочных металлов - К, Na или Li при следующем соотношении, масс.%: либо натрий - 2,0-3,5, либо К - 3-5, либо Li - 4,5-5,5; цеолит ZSM-5 или BETA-38 - остальное.
В предлагаемом способе использован адсорбент на основе цеолита ZSM-5 получаемый обработкой исходного цеолита ZSM-5 модифицирующим реагентом до полной пропитки порошка цеолита ионами натрия из водного раствора солей натрия, например, карбоната натрия, при комнатной температуре с последующей термообработкой в воздушной среде в две стадии: при температуре 120°С до полного удаления воды и при температуре 500-600°С до разложения соли Na. Данный адсорбент показан для использования в предлагаемом способе и устройстве ввиду высокой эффективности очистки от токсичных составляющих выхлопных газов автомобиля и надежного продолжительного удерживания углеводородов при «холодном запуске» автомобиля до момента разогрева ДВС свыше 300°С, что было подтверждено экспериментальными исследованиями.
Для примера ниже приведены кривые термодесорбции углеводородов, полученные методом термопрограммируемой десорбции наиболее характерного модельного вещества - толуола, с преобразованных адсорбентов на основе цеолита ZSM-5, модифицированного Na (фиг.1), построенные на основе учета зависимости скорости десорбции паров топлива из объема адсорбента от температуры, которые свидетельствуют в пользу факта эффективного снижения количеств токсичных составляющих выхлопных газов во время холодного пуска ДВС, т.е. при температурах разогрева адсорбента в ловушке холодного пуска ДВС до температуры 300°С.
Как показали результаты экспериментов, максимальные скорости процесса адсорбции и десорбции существенно разнесены по температуре. Различие составляет более чем 200°С. Этот фактор обеспечивает эффект поглощения и удержания толуола на цеолите до момента времени, пока температура цеолита не достигнет величины 400°С. Таким образом, главная особенность используемого адсорбента состоит в способности к поглощению и удержанию вредных веществ при низких температурах, при которых каталитический нейтрализатор еще неработоспособен.
Экспериментально подобранные условия процесса обработки исходного цеолита модифицирующим реагентом из группы водорастворимых солей К, Na или Li и термообработки преобразованного цеолита позволили обеспечить поглощение углеводородов и удержание их до выхода каталитического нейтрализатора на рабочий температурный режим (300°С и выше). Аналогичные исследования были проведены с использованием адсорбента на основе модифицированного цеолита типа BETA-38.
Как показали экспериментальные исследования, используемые в предлагаемом способе адсорбенты на основе цеолитов ZSM-5 и BETA-38, в которые введен один из щелочных металлов - К, Na или Li при следующем соотношении, масс.%: либо натрий - 2,0-3,5, либо К - 3-5, либо Li - 4,5-5,5; цеолит ZSM-5 или BETA-38 - остальное, обеспечивают получение высоких температурной устойчивости поглотителя и стабильности характеристик при продолжительном циклическом гидротермальном воздействии, а также обеспечение продолжительного удерживания толуола при повышении температуры до момента разогрева ДВС и выхода каталитического нейтрализатора на рабочий режим.
На фиг.2 представлен общий вид предлагаемого устройства в составе выхлопной системы ДВС (с ловушкой холодного пуска), где 1 - выпускной коллектор ДВС, 2 - первый каталитический нейтрализатор, 3 - ловушка холодного пуска, 4 - дренажный патрубок системы рециркуляции отработанных газов, 5 - второй каталитический нейтрализатор, 6 - резонатор, 7 - глушитель.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Первоначально при запуске ДВС поток выхлопных газов из выпускного коллектора (1) ДВС направляется в первый каталитический нейтрализатор (2) выхлопной системы двигателя, согласно предлагаемому устройству поток выхлопных газов затем направляется в дополнительно установленную по ходу потока ловушку холодного пуска ДВС (3), в которой в качестве поглотителя токсичных составляющих размещен порошкообразный адсорбент типа цеолит, представляющий собой преобразованный цеолит типа ZSM-5 или BETA-38.
Первый каталитический нейтрализатор осуществляет первичную очистку выхлопных газов, напрямую выходящих из выхлопного тракта ДВС, второй нейтрализатор (5) воспринимает поток выхлопных газов ДВС, прошедших через первый нейтрализатор и ловушку холодного пуска ДВС, в которой произошло селективное улавливание и удерживание токсичных составляющих выхлопных газов на период холодного пуска ДВС.
“Ловушка холодного пуска” устанавливается в выпускном тракте за первым каталитическим нейтрализатором по ходу потока выхлопных газов. Так горячие выхлопные газы, по мере продвижения по выпускной системе, сначала проходят через каталитический нейтрализатор, постепенно его разогревая, но не оставляя в нем пары несгоревшего топлива. Далее выхлопные газы попадают в “ловушку холодного пуска”, которая так же еще не разогрета, и поэтому способна к поглощению паров несгоревшего топлива.
В “ловушке холодного пуска” пары топлива захватываются адсорбентом, т.е. происходит очистка выхлопных газов. С течением времени разогрева на момент достижения рабочей температуры первым каталитическим нейтрализатором необходимость в “ловушке холодного пуска” отпадает. Температура адсорбента в “ловушке холодного пуска” на этот момент также поднимается и становится близкой к предельной, выше которой скорость адсорбции уменьшается, а скорость десорбции увеличивается. Этот момент времени является предельным для “ловушки холодного пуска” и обозначает необходимость начала ее продувки, т.е. очистки ее от накопленных токсичных веществ, что подготавливает ее к очередному циклу работы. Продувка “ловушки холодного пуска” происходит горячими выхлопными газами либо в систему рециркуляции выхлопных газов через патрубок (4), либо при необходимости - во второй нейтрализатор. По окончании продувки производится перевод заслонок, в положение, отводящее поток выхлопных газов от «ловушки холодного пуска» и направляющее его из первого каталитического катализатора непосредственно во второй.
Температурный диапазон десорбции нового адсорбента таков, что выделение накопленных в продуктов происходит уже при рабочих температурах каталитического нейтрализатора. Таким образом, при достижении каталитическим нейтрализатором необходимой для его работы температуры, рабочий процесс очистки выхлопных газов “ловушкой холодного пуска” прекращается и наступает фаза освобождения адсорбента от накопленных веществ на горячий каталитический нейтрализатор или систему рециркуляции отработанных газов.
Принцип работы заявляемого устройства основан на температурной зависимости параметров адсорбции и десорбции используемого модифицированного адсорбента типа ZSM-5 и заключается в использовании разницы скорости прогрева начальных и последующих частей выпускного тракта. Главное качество модифицированного адсорбента типа ZSM-5 состоит в том, что температура максимума десорбции превышает рабочую температуру каталитического нейтрализатора, при этом опасные выхлопные газы, которые образуются во время холодного старта ДВС, удерживаются адсорбентом на основе цеолита ZSM-5, модифицированного ионами Na (К или Li), до разогрева каталитического нейтрализатора и его выхода на рабочий режим, что приводит к уменьшению выбросов несгоревших углеводородов в окружающую среду.
По температурным показателям принцип использования заявляемого устройства в составе выхлопной системы автомобиля нагляден в виде поэтапной схемы работы “ловушки холодного пуска”, показанной на фиг.3 (а, б, в, г).
По окончании периода холодного пуска ДВС очищенный поток выхлопных газов направляется в резонатор (6) и глушитель (7), расположенные по ходу следования указанного потока выхлопных газов.
Таким образом использование предлагаемых способа удаления токсичных веществ из выхлопных газов ДВС и реализующего его устройства обеспечивает высокие степень очистки от токсичных составляющих выхлопных газов автомобиля и стабильность рабочих характеристик при продолжительном циклическом гидротермальном воздействии, а также высокую продолжительность удерживания углеводородов при повышении температуры до момента разогрева каталитического нейтрализатора свыше 300°С.
Возможность промышленного осуществления предлагаемых способа удаления токсичных веществ из выхлопных газов ДВС и устройства для его реализации подтверждается следующими примерами конкретного исполнения.
2
3
2
3
2
3
2
3
Пример 1. В лабораторных условиях предлагаемый способ реализован на макете установки для преобразования исходного поглотителя на основе цеолита типа ZSM-5, содержащего 2,5% масс. Na, путем обработки его в порошкообразном виде модифицирующим реагентом - водным раствором соли NaCO. Брали навеску цеолита 5 г и приливали 2,5 мл раствора NaCO, для получения которого 294,69 мг NaCO растворяли в 2,5 мл воды. Цеолит тщательно перемешивали с раствором NaCO растиранием. Термообработка проводилась в две стадии: в сушильном шкафу при температуре 120°С в течение 4 часов, затем на лабораторной у на установке с печью в токе воздуха при температуре 500-600°С в течение 2 часов. На второй стадии скорость потока воздуха составляла 200-300 мл/мин, скорость подъема температуры - 0,5-1°С/мин.
Пример 2. Полученные образцы преобразованного цеолита ZSM-5, содержащего 2,5% масс. Na и BETA-38, содержащего 2,5% масс. К, подвергали многократным испытаниям, результаты которых графически иллюстрируются на фиг.4 и фиг.5 соответственно. На них приведены зависимости термодесорбции толуола (модельного вещества) в интервале температур от 50 до 450°С в присутствии объемных 10% воды (из соответствия составу выхлопных газов). Тестирование проводилось в течение различных отрезков времени. На фиг.4 и 5 изображены кривые, полученные в течение четырех, шести и десяти часов работы адсорбента в указанных условиях (кривые 1, 2 и 3 соответственно).
Как показали экспериментальные исследования, предлагаемые адсорбенты на основе цеолитов ZSM-5 и BETA-38, в которые введен один из щелочных металлов - К, Na или Li при следующем соотношении, масс.%: либо натрий - 2,0-3,5, либо К - 3-5, либо Li - 4,5-5,5; цеолит ZSM-5 или BETA-38 - остальное, и способы их получения обеспечивают получение высоких температурной устойчивости поглотителя и стабильности характеристик при продолжительном циклическом гидротермальном воздействии, а также обеспечение продолжительного удерживания толуола при повышении температуры до момента разогрева ДВС и выхода каталитического нейтрализатора на рабочий режим.