Очиститель отработанных газов (автомобильный) и способ очистки
Изобретение может быть использовано при очистке отработанных газов двигателей внутреннего сгорания. Очиститель содержит две сообщающиеся рабочие камеры в форме усеченных конусов, поставленных основаниями друг к другу под углом ˜90°, зеркало, расположенное под углом 45° в держателе, закрепленном на стыке оснований. Первая теплоизоляционная камера объединяет в себе трубу окуляра лазерного луча, помещенную в центре, поверх которой находится приемная труба, и воздушную трубку, которая крепится к трубе окуляра лазерного луча. Предварительно подготовленная реагирующая смесь поступает по приемной трубе в полость первой теплоизоляционной рабочей камеры, где при температуре свыше 200°С смесь подвергают воздействию монохроматического лазерного излучения, воздействующего на химические связи молекул, дойдя до поворота, поставленным под углом 45° зеркалом смесь поворачивается на 90° и затем попадает во вторую рабочую камеру, где окончательно очищается под действием лазерного излучения, отраженного от зеркала. Изобретение позволяет повысить эффективность очистки. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к конструкции и способу окислительно-восстановительных очистителей отработанных газов в среде монохроматического лазерного излучения резонансной частоты, когда колебательно возбужденные молекулы химически более активные. Предлагаемая конструкция и способ очистки могут использоваться в автомобильном и тракторном парке, особенно среди машин, работающих в закрытых помещениях, включая газотрубные стационарные двигатели.
Известен очиститель отработанных газов, основанный на способе лазерного индуцирования и непосредственного высокотемпературного лазерного дожигания вредных примесей промышленных кочегарок. Такой очиститель и способ очистки описаны в патенте США №4397823, МПК В 01 J 8/00; опубл. 1983). Работающий в комплекте с электромагнитным индуцированном, а также химической отработкой выбрасываемых газов, содержащий рабочую камеру в виде длинномерного усеченного конуса, зеркального изнутри и со стороны большого основания сообщающегося с впускным коллектором, примыкающим под прямым углом к конусу, и выпускной трубой, примыкающей под таким же углом, но с противоположной стороны вершины усеченного конуса. Известная конструкция используется как стационарное устройство для очистки дымоходных трубных (отработанных) газов после сжигания угля, мазута и древесных отходов в крупных промышленных печах.
В известном изобретении шевронский образец освещения включает в себя внутреннюю зеркальную длинномерную камеру по форме усеченного конуса, лучи из лазера направляются через отверстие со стороны верхушки корпуса под малым углом (от 1 до 2°) в противотекущую струю газа и луч, отражаясь от торцевого зеркала, возвращается и попадает на внутреннюю зеркальную часть корпуса и начинается многократное отражение в корпусе, увеличивая эффект воздействия лазера на молекулы отработанных газов.
Лазеры используются для возбуждения молекул дымоходных газов и под воздействием их излучения молекулы распадаются, рассеивая энергию лазера.
Для работы комплексной системы очистки дымоходных газов создана аппаратура, включающая в себя: мониторный блок управления; в диаметрально противоположной стороне световой луч, работающий на детектор, который сблокирован с электроникой, превращающий световой сигнал от детектора в электрический. Сигналы предопределенной интенсивности передаются лазеуправляющей системе.
Конечный импульс пульсирующего лазера сжигает углеродные частицы, присутствующие в отбеливающей зоне. Мониторный блок чувствует, когда новый "фронт" частиц приближается к входу и тормозит следующий всплеск импульса и повтор лазерного разряда ограничен до необходимости удаления частиц из газового потока.
В известном очистителе дымоходные газы промышленных кочегарок очищаются дожиганием пульсирующего лазера высокой энергии несгоревших углеродных частиц.
Шевронский образец освещения при наличии в дымоходных газах сажи, твердых шлаков, серы, водяного пара и др. примесей не даст положительного результата без периодической очистки механическим дворником внутренней зеркальной поверхности отбеливающей зоны.
Прозрачное окошко, расположенное на крутом повороте при выходе из рабочей камеры, из-за центробежного завихрения несгоревших шлаков, кварцевой пыли и др. примесей, будет постоянно засоряться.
Наличие сложного комплекта датчиков, детекторов и светового луча со всеми преобразователями в виде сложных электронных устройств выполнимо в стационарных условиях, но не в мобильных очистителях отработанных газов.
Известной конструкции присущи следующие недостатки:
- трудность очистки внутренней зеркальной поверхности отбеливающей камеры;
- слишком позднее, то есть неправильное расположение детектора задымленности;
- засорение прозрачного окошка для свободного проникновения лазера.
Известный очиститель и способ очистки совершенно неприемлемыми для мобильных средств очистки.
Известные очиститель и способ очистки по патенту США №4397823 выбраны за прототип.
Задачей настоящего изобретения является кардинальное упрощение конструкции, уменьшение ее стоимости и улучшение эффективности очистки.
Поставленная задача в устройстве решается тем, что в очистителе отработанных газов (автомобильном), содержащем две сообщающиеся рабочие камеры в форме длинномерных усеченных конусов, поставленных основаниями друг к другу под углом ˜90°, зеркало, расположенное под углом 45° в держателе, закрепленном на стыке оснований, причем первая теплоизоляционная камера объединяет в себе трубу окуляра лазерного луча, помещенную в центре, поверх которой находится приемная труба, минуя ее своим загнутым концом, крепится воздушная трубка к трубе окуляра лазерного луча.
Кроме того, линза окуляра лазерного луча защищена от загрязнений посредством эжектора, расположенного в тройнике-объединителе.
Зеркало предназначено для удлинения расстояния прохождения реагирующей смеси под лазерным излучением и поворота во вторую рабочую камеру отраженного лазерного луча на ˜90°, а для очистки зеркала применен микродворник с магнитогидравлическим приводом.
Поставленная задача решается также тем, что в способе очистки отработанных газов предварительно подготовленная реагирующая смесь поступает по приемной трубе в полость первой теплоизоляционной рабочей камеры очистителя, где при температуре свыше 200°С движущуюся смесь подвергают воздействию монохроматического лазерного излучения, воздействующего на химические связи молекул, позволяющего воздействием резонансной частоты "раскачивать" отдельную связь, под действием которого колебательно-возбужденные молекулы становятся химически более активными и их связь разрушается, а реагирующая смесь претерпевает химическое превращение и, дойдя до поворота, поставленным под углом 45° зеркалом смесь поворачивается на 90°, затем, попадая во вторую рабочую камеру, смесь окончательно очищается под действием лазерного излучения, отраженного от зеркала.
Отработанные газы предварительно очищают от сажи, серы, шлаков и микрокапель масла при помощи пенокерамического фильтра-смесителя, который одновременно служит и приготовителем реагирующей смеси путем эжекционного подмешивания чистого воздуха к отработанным газам и очень малого количества озона.
Озон получают посредством плазмохимического генератора.
Для подачи в основной очиститель отработанных газов уже подготовленной реагирующей смеси с уменьшенным содержанием сажи, серы, шлаков и микрокапель масла, но с увеличенным содержанием воздуха и озона применен фильтр-смеситель, основанный на пенокерамическом регенерационном накопителе, представляющем собой металлический корпус, верхняя часть выполнена из высокопрочного чугуна, геометрически расширяющегося книзу, образующего эжекторную полость с двумя трубками, подводящими воздух и озон. Нижняя часть корпуса представляет двухслойные металлические кожух и оболочку с туговставленным вовнутрь пенокерамическим фильтром.
Основной агрегат очистителя отработанных газов также имеет в своей первой части двухслойную оболочку, выполненную из алюминированного стального листа, но с заполнением промежутка теплоизоляционным материалом (базальтовая вата, отработавшая ресурс пенокерамика, асбест и др.). Вторая часть корпуса состоит из одного слоя упомянутой оболочки. Весь этот агрегат представляет две сообщающиеся рабочие камеры в форме длинномерных (угол конусности до 6°) усеченных конусов, поставленных основаниями друг к другу под углом 90°, где и расположено под углом 45° слабовогнутое зеркало, радиус сферы которого приближается к бесконечности, закрепленное в легкосъемном держателе на стыке оснований. Первая теплоизоляционная камера имеет тройник-объединитель, в свою очередь труба окуляра (конденсора) лазерного луча помещена в центре, поверх нее находится приемная труба, минуя ее своим загнутым концом, к отверстию трубы окуляра (конденсора) лазерного луча крепится малая воздушная трубка. Этот тройник-объединитель представляет второй эжектор, защищающий линзу окуляра (конденсора) лазерного луча от закопченности и зашлакованности вытеснением реагирующей смеси из зоны близкого контакта с упомянутой линзой.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 показан основной очиститель,
на фиг.2 - вид Б на фиг.1 (повернуто);
на фиг.3 - вид В на фиг.1 (повернуто);
на фиг.4 показано общее расположение всех агрегатов очистителя отработанных газов (применительно к переднеприводному легковому автомобилю);
на фиг.5 показан пенокерамический фильтр-смеситель в разрезе (в увеличенном масштабе);
на фиг.6 - вид Г на фиг.4 (в увеличенном масштабе).
Теплоизолированный основной корпус (фиг.1) имеет наружную оболочку 3, теплоизолирующий слой 4, приемную трубу 5, трубу окуляра (конденсатора) лазерного луча 6, малую воздушную трубку 7, внутреннюю оболочку 8, объединяющие внутренние полости в последовательно функционирующие рабочие камеры 1 и 2, слабовогнутое зеркало 10, магнитогидравлический привод 11, микродворник 9.
На фиг.4, показывающей общее расположение агрегатов, представлены озоновый плазмохимический генератор 13, двигатель 14, головка блока цилиндров 15, выпускной коллектор 16, эжекторная полость 17, туговставленная пенокерамическая вставка 18, внутренняя оболочка 19, наружный кожух 20, приемная труба 5, труба окуляра лазерного луча 6, малая воздушная трубка 7, корпус лазерного генератора 21, корпус предварительного пенокерамического фильтра в сборе 22, корпус основного очистителя отработанных газов в сборе 23, магнитогидравлический привод 11, выхлопная труба 12, штатный автомобильный воздухоочиститель 24.
Часть корпуса основного очистителя отработанных газов 23, обозначенная как тройник-объединитель, включает приемную трубу 5, трубу окуляра лазерного луча 6, малую воздушную трубку 7, корпус лазерного генератора в разрезе по горизонтальной плоскости 21, линзу окуляра собирающую 25 (фиг.6).
Процесс очистки протекает следующим образом: условно примем за начальный объект очистки головку блока цилиндров 15 (двигателя 14), выпускные каналы которой имеют минералокерамические вставки по типу двигателя "Порше 944" ("Алюминиевые двигатели зарубежных автомобилей" - Обзорная информация, Москва, 1987 г., с.38). Отработанные газы, проходя из камеры сгорания головки цилиндров 15 (фиг.4) по минералокерамическим вставкам каналов, попадают в выпускной коллектор 16, в котором собираются в одну магистраль и направляются в эжекторную полость 17, куда под действием разрежения из штатного автомобильного воздухоочистителя 24 и параллельно из озонового плазмохимического генератора 13 поступает в дозированных порциях воздух и в небольших количествах озон. Первично смешиваясь в эжекторной полости, все три компонента, проходя по лабиринтам пенокерамической вставки 18, продолжают перемешиваться, одновременно очищаясь от сажи, серы, шлака и микрокапель масла, которые скапливаются в лабиринтах пенокерамической вставки. Тем самым смесь нормализуется и превращается в реагирующую смесь для следующего этапа очистки. В таком виде смесь по приемной трубе 5 и далее, обтекая трубку окуляра 6 лазерного луча и малую воздушную трубку 7, поступает в полость первой рабочей камеры для очистки (фиг.1).
В это время в корпусе лазерного генератора 21 от бортового источника электрической энергии происходит запитка блока поджига в виде ксеноновой лампы, лазерная головка предварительного возбудителя формирует лазер инфракрасного диапазона на иттриево-алюминиевом гранате Y3А15О12 с примесями редкоземельных атомов. Образовавшийся в лазерной головке луч непрерывного режима попадает на собирающую линзу 25 (Фиг.6) и сфокусированный таким образом он работает на внутреннюю полость трехслойной теплоизолированной рабочей камеры 1 (фиг.1), где происходит интенсивное воздействие лазерным лучом на движущуюся в попутном направлении реагирующую смесь на всем протяжении. Молекулы возбуждают одно из собственных колебаний. Вредные компоненты в реагирующей смеси, такие как оксид углерода (СО - угарный газ) и углеводороды (СН), вступают при благоприятных для них условиях при температуре свыше 200°С в реакцию распада (разрушения) и при благоприятном затравочном озоне тут же вступают в реакцию оксидирования (окисления) с кислородом воздуха, примешанном в предварительном фильтре-смесителе.
СО+O2→CO2
СН+O2(О3)→Н2O
Устойчивый при горении в обычных атмосферных условиях азот (N2), но не устойчивый при высокой температуре и одновременно высоком давлении (условия горения в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания) вступает в редакцию оксидирования (окисления) с кислородом, находящимся в горючей смеси цилиндров двигателя.
N2+O2→NOx
Под действием монохроматического лазерного излучения резонансной частоты отдельная связь "раскачивается" и поэтому колебательно возбужденные молекулы становятся химически более активными, что позволяет избирательно вмешиваться в процессы диссоциации и катализа, при этом условии оксид азота (NOx) от резонансного возбуждения распадается на первичные составляющие молекулы азота и кислорода
NOx→ν=943 с-'11→N3 и O2,
стимулируя химическое восстановление с отбором тепла из энергии лазерного луча и горячей реагирующей смеси, находящейся в теплоизолированной рабочей камере 1 (фиг.1).
Продолжая движение, реагирующая смесь претерпевает химическое превращение и, дойдя до поворота, окаймленного слабовогнутым зеркалом 10, поставленным под углом 45°, смесь очищается и одновременно поворачивается на 90°, попадая во вторую рабочую камеру 2, где окончательно очищается под действием лазерного излучения, отраженного от зеркала 10, далее полностью очищенная смесь устремляется по выхлопной трубе 12 в атмосферу.
Легкосъемный держатель, показанный на фиг.2, помимо выполнения основной функции - держателя зеркала с магнитогидравлическим приводом миркодворника для его очистки, является смотровым люком для контроля работы лазера (за счет индикации свечения) и состояния засоренности линзы собирающей 25 (при необходимости пользования люком для ее ручной очистки).
В отличие от прототипа в заявленном очистителе отработанных газов (автомобильный) применена теплоизолированная первая рабочая камера и примыкающая к ней вторая под углом -90°, используются новшества: защищающие линзу окуляра (конденсора) от закопченности и зашлакованности, зеркало, установленное на повороте движения, - как для изменения направления лазерного луча, так и самой реагирующей смеси, что в ограниченных габаритах автомобиля имеет существенное значения для продления (пролонгирования) оксидно-восстановительного процесса.
Способ очистки, основанный в воздействии монохроматического лазерного излучения на реагирующую смесь, позволяющего воздействовать резонансной частотой на образовавшиеся молекулы вредных компонентов, способствующего доводить угарный газ и углеводороды оксидированием (окислением) с воздухом (кислородом) до безвредного диоксида углерода; разрушать образовавшиеся оксиды азота (еще не окрепшие) с последующим восстановлением их до природного азота и кислорода.
Вместо дожигания, как в прототипе, лазером высокой энергии ультрафиолетового диапазона углеродных частиц применен пенокерамический фильтр-смеситель для фильтрации от сажи, серы, шлаков и микрокапель масла с последующей легковыполнимой регенерацией, что дает возможность применения приемлемой конструкции для серийного изготовления очистителей отработанных газов к автомобилям среднего и малого классов.
Все перечисленные меры по очистке отработанных газов благоприятно скажутся на чистоте воздуха, особенно в больших городах, а следовательно, повысят здоровье населения.
1. Очиститель отработанных газов (автомобильный), содержащий две сообщающиеся рабочие камеры в форме длинномерных усеченных конусов, поставленных основаниями друг к другу под углом ˜90°, зеркало, расположенное под углом 45° в держателе, закрепленном на стыке оснований, причем первая теплоизоляционная камера объединяет в себе трубу окуляра лазерного луча, помещенную в центре, поверх которой находится приемная труба, минуя ее своим загнутым концом, крепится воздушная трубка к трубе окуляра лазерного луча.
2. Очиститель по п.1, отличающийся тем, что линза окуляра лазерного луча защищена от загрязнений посредством эжектора, расположенного в тройнике-объединителе.
3. Очиститель по п.1, отличающийся тем, что зеркало предназначено для удлинения расстояния прохождения реагирующей смеси под лазерным излучением и поворота во вторую рабочую камеру отраженного лазерного луча на ˜90°.
4. Очиститель по п.1, отличающийся тем, что для очистки зеркала применен микродворник с магнитогидравлическим приводом.
5. Способ очистки отработанных газов, заключающийся в том, что предварительно подготовленная реагирующая смесь поступает по приемной трубе в полость первой теплоизоляционной рабочей камеры очистителя, где при температуре свыше 200°C движущуюся смесь подвергают воздействию монохроматического лазерного излучения, воздействующего на химические связи молекул, позволяющего действием резонансной частоты "раскачивать" отдельную связь, под действием которого колебательно-возбужденные молекулы становятся химически более активными и их связь разрушается, а реагирующая смесь претерпевает химическое превращение и, дойдя до поворота, поставленным под углом 45° зеркалом смесь поворачивается на 90°, затем, попадая во вторую рабочую камеру, смесь окончательно очищается под действием лазерного излучения, отраженного от зеркала.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что отработанные газы предварительно очищают от сажи, серы, шлаков и микрокапель масла при помощи пенокерамического фильтра-смесителя, который одновременно служит и приготовителем реагирующей смеси путем эжекционного подмешивания чистого воздуха к отработанным газам и очень малого количества озона.
7. Способ по п.5, отличающийся тем, что озон получают посредством плазмохимического генератора.
