Реактор для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания транспортного средства

 

Использование: системы снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: реактор содержит корпус с входным и выходным патрубками, в котором размещены пористые и медьсодержащие элементы и нагреватель, имеющий по меньшей мере два нагревательных элемента, подключенные через включатель к источнику электрического тока транспортного средства. Реактор снабжен источником высокого напряжения , пористые элементы выполнены в виде по меньшей мере двух пластин из пенометалла с рабочей поверхностью, покрытой слоем окислов катализатора, размещенных между упомянутыми патрубками последовательно друг за другом, медьсодержащий элемент выполнен в виде пенометаллической пластины, размещенной за упомянутыми пластинами в направлении потока отработавших газов, рабочие поверхности всех пластин, размещенных с зазором относительно друг друга и подключенных поочередно к положительному и отрицательному полюсам источника высокого .напряжения расположены перпендикулярно направлению потока отработавших газов , При таком выполнении реактора обеспечивается повышение эффективности процесса очистки отработавших газов за счет дожита сажи в активированном газовом облаке в непосредственной близости от поверхности катализатора. Процесс объемного дожита сажи способствует созданию благоприятных условий и для воздействия на окислы азота при одновременном уменьшении энергозатрат. 4 з.п. ф-лы, 3 ил, СО С со о ю GJ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕспуБлик (я)ю F 01 N 3/02

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4938059/06 (22) 21.05.91 (46) 15.04.93. Бюл, N. 14 (71) Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт (72) Т,Д.Дзоценидзе, К.И.Гвинерия, В.А.Осокин, Г,А.Пхакадзе и А.А.Карпов (56) Заявка Франции N. 2402064 кл. F 01 N

3/00, 1979.

Заявка ФРГ N. 3520460, кл, В 01 О

53/36, 1986, (54) РЕАКТОР ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ В НУТРЕ Н Н ЕГО

СГОРАНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА (57) Использование: системы снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: реактор содержит корпус с входным и выходным патрубками, в котором размещены пористые и медьсодержащие элементы и нагреватель, имеющий по меньшей мере два нагревательных элемента, подключенные через включатель к источнику электрического тока транспортного средства, Реактор снабжен источником высокого наИзобретение относится к машйи остроению, а именно к системам снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.

Цель изобретения — повышение эффективности при одновременном уменьшении затрат мощности, Эта цель достигается тем, что реактор для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания транспортного сред„„5U„„1809134 Al пряжения, пористые элементы выполнены в виде по меньшей мере двух пластин из пенометалла с рабочей поверхностью, покрытой слоем окислов катализатора, размещенных между упомянутыми патрубками последовательно друг за другом, медьсодержащий элемент выполнен в виде пенометаллической пластины, размещенной за упомянутыми пластинами в направлении потока отработавших газов. рабочие поверхности всех пластин, размещенных с зазором относительно друг друга и подключенных поочередно к положительному и отрицательному полюсам источника высокого . напряжения расположены перпендикулярно направлению потока отработавших газов, При таком выполнении реактора обеспечивается повышение эффективности процесса очистки отработавших газов за счет дожига сажи в активированном газовом облаке в непосредственной близости от поверхности катализатора, Процесс объемного дожига сажи способствует созданию благоприятных условий и для воздействия на окислы азота при одновременном уменьшении энергозатрат. 4 з.п. ф-лы, 3 ил, ства от сажи и окислов азота, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, в котором между ними размещены пориСтые и медьсодержащий элементы, и с нагревателем, имеющим по меньшей мере два нагревательных элемента, подключенный через включатель к источнику электрического тока транспортного средства, снабжен иСточником высокого напряжения, пористые элементы выполнены в виде. по мень1809134 шей мере, двух, установленных последовательно друг за другом, пластин из пенометалла, например, никеля с рабочей поверхностью покрытой слоем катализатора, например, окислов каталитически активных металлов, медьсодержащий элемент выполнен в виде пенометаллической пластины, размещенный за упомянутыми пластинами в направлении потока отработавших газов, рабочие поверхности всех пластин, размещенных с зазором относительно друг друга и подключенных nooseредно к положительному и отрицательному полюсам источника высокого напряжения, расположены перпендикулярно направлению потока отработавших газов.

Реактор снабжен накопителем энергии, подключенным к источнику электрического тока параллельно нагревательным элементам, размещенным в теле упомянутых пластин иэ пенометалла, покрытых слоем катализатора. Электрическая цепь нагревательного элемента и накопителя энергии снабжена последовательно установленными с ними контактами реле, связанными с датчиком температуры рабочей поверхности нагреваемой пластины.

При таком выполнении реактора обеспечивается повышение эффективности процесса очистки отработавших газов за счет дожига сажи в активированном газовом облаке в непосредственной близости от поверхности катализатора, Процесс объемного дожига сажи способствует созданию благоприятных условий и для воздействия на окислы азота при одновременном уменьшении энергозатрат.

На фиг. 1 показан реактор для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания транспортного средства от сажи и окислов азота; на фиг, 2 представлена принципиальная электрическая схема устройства высокого напряжения; на фиг. 3 приведена принципиальная электрическая схема нагревателя.

Реактор содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, встроенный в выхлопную трубу транспортного средства в непосредственной близости от выпускного коллектора двигателя, В корпусе между входным и выходным патрубками последовательно на расстоянии 10-15 мм друг от друга установлены три электрода, выполненные в виде круглых пластин-носителей

4, 5 и 6 из высокопористых ячеистых материалов-пенометаллов, при этом первые две пластины выполнены толщиной 10 мм на основе никеля или различных жаропрочных

<:плавов с рабочей поверхностью, покрытой слоем химически активных окислов, напри5

55 мер, окислов ванадия, марганца или кобальта, а третья пластина толщиной 30 мм выполнена на основе меди и размещена за упомянутыми пластинами в направлении потока отработавших газов. Все пластины подключены поочередно к положительному и отрицательному полюсам источника 7 высокого напряжения, связанного с источником тока (аккумуляторной батареей) 8 транспортногосредства. Рабочие поверхности всех пластин расположены перпендикуля рно потоку отработавших газов.

Пластины изолированы от стенок корпуса и закреплены с помощью кронштейнов 9 из нержавеющей стали. Устройство высокого напряжения (фиг. 2) выполнено в виде параллельного двухполупериодного инвертора тока, содержащего трансформатор 10, два тиристора 11 и 12, дроссель 13, конденсатор 14, блок управления 15 на основе мультивибратора.

Для разогрева носителей каталитического слоя реактор снабжен нагревателем

16, который состоит из двух нагревательных элементов 17 и 18, размещенных в теле пластин 4 и 5, изолированных от высоковольтной системы и подключенных через включатель 19 к источнику тока — аккумуляторной батарее 8 и параллельно ей подключенному генератору 20 транспортного средства, и емкостного накопителя энергии

21, подключенного к источнику тока 8 параллельно нагревательному элементу 17 и нагревательному элементу 18 (фйг. 3), Накопитель энергии 21 установлен в электрической цепи с возможностью разрядки на нагревательные элементы 17 и 18 через контакты 22, реле 23, связанные с термодатчиком 24 температуры рабочей поверхности пластины 4. Эта связь обеспечивается соединением датчика 24 через усилитель 25 к транзистору 26, подключенному вместе с обмоткой реле 23 к электрической цепи нагревательных элементов и накопителя энергии.

Заявляемый реактор работает следующим образом. Водитель, перед тем, как завести двигатель, включает (выключателем

19) систему электрооборудования реактора.

При этом к пластинам подводится высоковольтное импульсное напряжение, а мощность емкостного накопителя 21 разряжается на нагревательные элементы

17 и 18, обеспечивая требуемую температуру за определенный промежуток времени (30 с). После достижения требуемой температуры накопитель 21 отключается посредством термодатчика 24 и транзистора 26 от нагревательных элементов 17 и 18 и подключается в сеть (к аккумуляторной батарее

1809134

10

20

35

45

8 или генератору 20) на зарядку. Если температура упадет ниже заданного эначения, с помощью той же схемы обеспечивается включение накопителя в цепи нагревательных элементов и нагрев последних.

Регулирование системы возможно осуществлять также через реле времени, по уровню напряжения в накопителе и т.п., а зарядку— через преобразователь напряжения. В результате приложения к катализатору высоковольтного импульсного (постоянной полярности) напряжения 1,5-2,0 кВ (ток не более 500 мА) и разогрева его до температуры 300 С при пропускании через реактор отработавших газов последние испытывают на поверхности катализатора различные превращения. Часть образующихся при этом на поверхности катализатора молекул лабильных веществ и, в частности осколки молекул — свободные радикалы сходят с поверхности катализатора и обеспечивают инициирование цепного процесса в газовой среде. При этом образуются молекулы новых веществ и новые активные свободные радикалы, но уже в газовой фазе на некотором расстоянии от поверхности катализатора. Активные радикалы, достигая поверхности частичек сажи, инициируют (в присутствии кислорода) процесс ее окисления. В этой же газовой фазе протекает процесс доокисления некоторых компонентов отработавших газов. что сопровождается достижением определенной концентрации радикалов в объеме над катализатором и чем тот процесс будет интенсивнее, тем полнее будет сгорать сажа. Процесс объемного дожига сажи, требующий относительно небольших энергозатрат, одновременно способствует и созданию благоприятных условий для возрастания на окислы азота нагретой до 4000 С медной пластины.

Благодаря принятому расположению пластин в корпусе. а также подбором их толщины и зазора между ними обеспечивается необходимое торможение потока отработавших газов и увеличение времени пребывания отработавших газов в реакторе и, как следствие этого, более полное окисление сажи и восстановление окислов азо-, та. При этом аэродинамические характеристики выхлопного тракта должны укладываться в допустимые пределы.

Химические реакции восстановления окислов азота могут быть представлены в следующем виде:

4Cu + 2МОг = 4CuO + йг.

2Сн + 2NO - 2CuO + Мг.

Cu+ йгО = CuO+ N7, 3Cu+ йгОз = ЗС О + Кг

Кроме этих реакций имеет место ещв реакция восстановления меди иэ окалины в присутствии окиси углерода.

Cu0+ СО - Cu+ СОг.

Очевидно, что в случае неполного превращения сажи и возникновения СО, нв медном электроде произойдет не только восстановление NOx. но и доокисление СО.

Образовавшаяся окалина, благодаря относительно большим. скоростям ОГ, хорошо отделяется но, по мере расходования медного электрода. необходимо осуществлять его периодическую замену.

Существенную роль для эффективности взаимосвязанных в заявляемом ревкторв дожигания сажи и химического воздействия на окислы азота оказывает использование носителей из пенометаллов, Носители иэ пенометалла с относительно крупнцми порами оказывают незначительное сопротивление, не забиваются сажей, выдерживают высокие температуры нагрева и являются электропроводимыми. Подвод к пластинам импульсного напряжения обеспечивает относительную простоту управления и регулирования распределения электростатического поля в межэлектродных промежутках, возможность использования "динамической" составляющей электрического поля для формирования ионного облака при высоких градиентах возрастания величины вторичного (высокого) напряжения. а также возможность использования дешевой и доступной элементной базы на относитегьно низкие электрические и тепловые нагрузки, Наличие емкостного накопителя в нагревательном устройстве обеспечивает импульсный характер отдачи мощности, разгружает генератор транспортного средства и уманьшает потребляемую мощность.

Размещение нагревательных элементов в теле пластин 4 и 5 обеспечивает равномерный прогрев этих пластин и необходимое для эффективного дожига сажи температурные условия.

Питание электрических схем для разогрева носителей и создания электрического поля с высоким напряжением может осуществ и ться от бортовой сети транспортного средства с приемлемыи уровнем потребления мощности.

Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает эффективную. очистку отработавших газов от сажи и окислов азота, следствием чего является сниженив экологической напряженности в районах эксплуатации транспортных средств при относительно небольших знергозатратах, 1809134

Формула изобретения

1. Реактор для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, по- 5 ристые и медьсодержащий элементы с рабочими поверхмостями, размещенные в корпусе, и источник нагрева по меньшей мере сдвумя нагревательными элементами, подключенными через включатель электри- 10 ческой цепи к источнику электрического тока транспортного средства, о тл и ч а ю щи йс я теМ, что, с целью повышения эффективности, он снабжен источником высокого на пряжения, пористые элементы выполнены в 15 виде по меньшей мере двух пенометаллических пластин, снабженных слоем катализатора, нанесенным на рабочую поверхность, медьсодержащий элемент выполнен в виде пенометаллической пластины и установлен 20 со стороны выходного патрубка, все пластины размещены последовательно с образо- . ванием зазора между ними, причем рабочие поверхности расположены перпендикулярно к потоку отработавших газов и подклю- 25 ..чемы пОочередно к положительному и отрицательному полюсам источника высокого напряжения.

2. Реактор по и. 1, о т л и ч а ю ц и йс я тем, что он дополнительно снабжен накопителем энергии, подключенным через электрическую цепь к источнику электрического тока параллельно нагревательным элементам, причем последние размещены в теле пенометаллических пластин, покрытых слоем катализатора.

3. Реакторпопп. 1и2.отличающийс я тем, что пластины, покрытые катализатором, снабжены датчиком температуры рабочей поверхности, а электрическая цепь нагревательных элементов и накопителя энергии снабжена последовательно установленными с ними контактами реле, связанными с датчиком температуры.

4. Реактор по пп. 1-3, о т л и ч а ю щ и йс я тем. что в качестве пенометалла использован высокопористый ячеистый материал на основе никеля.

5. Реактор по пп. 1-4, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что в качестве катализатора использованы окислы каталитически активных металлов, 1809134

95и,6 h à. фиг.f

Фиг. Я

2, Составитель Т.Дзоценидзе

Техред М.Моргентал Корректор Л.Ливринец

Редактор

Заказ 1271 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раувская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101