Способ удаления частиц сажи из отработавших газов и соответствующий улавливатель

Способ удаления частиц сажи из отработавших газов и соответствующий улавливатель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу удаления частиц сажи из потока отработавших газов (ОГ), образующихся прежде всего при работе двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и к пригодному для этой цели улавливателю, прежде всего к регенерируемому улавливателю, допускающему его встраивание в трубопровод, например в выпускной трубопровод или тракт автомобиля.

В отработавших газах, образующихся при работе ДВС, помимо газообразных компонентов содержатся также твердые частицы. Эти твердые частицы выбрасываются вместе с ОГ непосредственно в атмосферу, что недопустимо, или часто оседают в каком-либо месте системы выпуска ОГ и затем, например, при изменении нагрузки двигателя выбрасываются в атмосферу в виде "облака".

Обычно для улавливания подобных твердых частиц используют фильтры. Однако применение замкнутых систем фильтрации связано с двумя существенными недостатками, один из которых состоит в возможности забивания фильтров твердыми частицами, а другой заключается в том, что эти фильтры приводят к недопустимому падению на них давления. При отсутствии пылевых фильтров в системе выпуска ОГ твердые частицы, которые не попадают непосредственно в атмосферу, могут скапливаться на каталитически активном покрытии встроенного в систему выпуска каталитического нейтрализатора, предназначенного для нейтрализации других вредных или токсичных компонентов ОГ, и в результате отравлять это каталитическое покрытие или по меньшей мере уменьшать площадь его каталитически активной поверхности. Постоянно ужесточающиеся законы по охране окружающей среды предписывают дальнейшее снижение выбросов в атмосферу вредных веществ и твердых частиц. При нейтрализации ОГ наряду с удалением из них твердых частиц важное значение имеет также снижение концентрации оксидов азота. С этой целью в известном из заявки DE 4203807 устройстве было предложено впрыскивать в поток ОГ окислитель и смешивать его с ОГ.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ удаления частиц сажи из ОГ, а также разработать соответствующий улавливатель для улавливания твердых частиц в потоке ОГ.

Эта задача решается в соответствии с изобретением с помощью способа удаления частиц сажи из потока отработавших газов, образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания, прежде всего дизельного двигателя. При осуществлении предлагаемого в изобретении способа поток ОГ пропускают сквозь проточный улавливатель со свободным прохождением сквозь него этого потока ОГ, который, однако, имеет множество отклоняющих поток элементов и/или завихряющих и успокоительных зон. По меньшей мере некоторая часть частиц задерживается в улавливателе, соответственно остается в нем в завихренном состоянии на такой промежуток времени, в течение которого сохраняется достаточно высокая вероятность их вступления во взаимодействие с содержащимся в ОГ диоксидом азота до практически полного устранения или полной ликвидации уловленных частиц.

Указанная выше задача также решается в конструкции улавливателя, предназначенного для улавливания частиц сажи из потока протекающих сквозь него отработавших газов (ОГ). Для этого предлагаемый в изобретении улавливатель имеет проточные каналы со свободным прохождением сквозь него этого потока ОГ, которые, однако, выполнены таким образом, чтобы обеспечивалось образование отклоняющих поток элементов или завихряющих и успокоительных зон.

По результатам опытов со смесительными элементами, которые описаны, например, в заявке WO 91/01807 или WO 91/01178 и цель испытания которых состояла в том, чтобы улучшить распределение впрыскиваемых в системы выпуска ОГ добавок, неожиданно было установлено, что подобные смесительные элементы могут способствовать также уменьшению количества выбрасываемых в атмосферу частиц сажи. Обусловлено это, как полагают, тем, что твердые частицы задерживаются внутри смесительных элементов на более продолжительное время под действием завихрений, возникающих в потоке в местах изменения направления его движения, или как бы "намываются" внутри смесительного элемента на его стенки (что сравнимо с гравитационным осаждением) и в этом случае прочно сцепляются с ними. Определенную роль в подобном сцеплении твердых частиц со стенками смесительного элемента играет возможное взаимодействие между металлом и сажей и/или также разница (градиент) температур между ОГ и стенкой канала. Кроме того, наблюдается также интенсивная агломерация твердых частиц преимущественно на не имеющих покрытия металлических стенках. Подобные факты легли в основу настоящего изобретения, в котором в соответствии с этим улавливатель предлагается выполнять таким образом, чтобы частицы сажи задерживались в нем на столь длительный промежуток времени, в течение которого сохраняется достаточно высокая вероятность их вступления во взаимодействие с содержащимся в ОГ диоксидом азота.

Согласно изобретению, таким образом, предлагается использовать нетрадиционный подход, состоящий в своего рода принудительном 100%-ном отфильтровывании частиц сажи пропусканием потока ОГ сквозь пористые стенки или сквозь выполняющие аналогичную фильтрующую функцию элементы, а просто повышать вероятность вступления частиц сажи во взаимодействие или реакцию с диоксидом азота, увеличивая для этого продолжительность пребывания частиц сажи в улавливателе. Обеспечить подобную задержку твердых частиц в проточных каналах со свободным прохождением сквозь них потока текучей среды позволяет наличие достаточного количества завихряющих и успокоительных зон и/или наличие отклоняющих поток элементов, способствующих оседанию твердых частиц на стенках этих каналов. Вероятность вступления свободно переносимой потоком ОГ твердой частицы в реакцию с другими компонентами ОГ сравнительно невелика и значительно возрастает при задержке такой твердой частицы в зоне завихрения потока или при ее оседании на стенке канала. В этом случае для взаимодействия с твердой частицей доступны все переносимые мимо нее потоком ОГ молекулы диоксида азота, которые в результате обеспечивают быстрое разрушение частиц сажи. По этой причине исключается забивание улавливателя твердыми частицами и обеспечивается таким образом его непрерывная регенерация.

Под указанной выше успокоительной зоной подразумевается зона в канале, в которой поток имеет небольшую скорость, а под зоной застоя или областью срыва потока подразумевается зона, в которой текучая среда остается неподвижной.

В настоящем описании улавливатель назван как проточный со свободным прохождением сквозь него потока текучей среды по той причине, что он в отличие от замкнутых или закрытых систем не имеет "глухих", не проходных для потока каналов. Тем самым исключается возможность забивания улавливателя твердыми частицами по типу обычной системы фильтрации, поры в которой могут закупориваться твердыми частицами, переносимыми потоком. При этом отклоняющие поток элементы наиболее предпочтительно выполнять таким образом, чтобы они обеспечивали отбрасывание к стенкам улавливателя соответственно от 2 до 15%, предпочтительно от 4 до 8%, еще содержащихся в потоке ОГ твердых частиц. Понятие "еще содержащиеся в потоке ОГ твердые частицы" указывает, что количество твердых частиц в потоке ОГ уменьшается в направлении его движения при более частом изменении им направления движения. В этом отношении количество отклоняющих поток элементов следует выбирать, в частности, с таким расчетом, чтобы по меньшей мере статистически обеспечить отклонение всего потока ОГ в сторону стенок каналов в улавливателе. Преимущество, связанное с количественным ограничением попадающих на стенки каналов частиц соответственно отклоняемого потока ОГ, состоит в лишь исключительно малом падении давления по длине улавливателя.

Для охвата различных (динамических) диапазонов изменения нагрузки силового агрегата автомобиля предпочтительна система конусообразной формы. Подобные системы типа тех, которые описаны, например, в заявке WO 93/20339, имеют расширяющиеся каналы, что при любом массовом расходе обеспечивает создание в каком-либо месте этих каналов, когда они снабжены соответствующими отклоняющими или завихряющими поток структурами, наиболее благоприятных для улавливания твердых частиц условий.

В качестве материала для изготовления улавливателя предпочтительно использовать металл, однако с этой же целью можно также использовать синтетический неорганический (керамику, волокнистый материал), органический или металлорганический материал и/или спеченный материал. При этом стенки каналов в улавливателе могут не иметь покрытия, или же по меньшей мере часть этих стенок может быть снабжена покрытием, в частности увеличивающим активную поверхность слоем γ-оксида алюминия и/или слоем каталитически активного материала. Предпочтительно, чтобы улавливатель содержал по меньшей мере один металлический сотовый элемент, образованный слоями металлических листов, которые известным путем по меньшей мере частично структурированы или профилированы таким образом, что они образуют проточные каналы со свободным прохождением сквозь них потока ОГ, снабженные препятствиями или отклоняющими поток элементами.

Толщина ограничивающей канал стенки предпочтительно составляет от 0,02 до 0,11 мм, наиболее предпочтительно от 0,04 до 0,08 мм.

Плотность расположения каналов в улавливателе (т.е. количество каналов, приходящееся на единицу площади его поперечного сечения) предпочтительно составляет от 25 до 1000 каналов на кв. дюйм, более предпочтительно от 200 до 400 каналов на кв.дюйм.

Плотность расположения каналов в типичном улавливателе составляет, например, 200 каналов на кв. дюйм, а его объем в пересчете на мощность дизельного двигателя составляет примерно от 0,5 до 0,8 л на 100 кВт, соответственно площадь его поверхности составляет от 1 до 2 м² на 100 кВт, при этом отклоняющие или завихряющие поток структуры предпочтительно располагать в проточных каналах с шагом от 3 до 20 мм.

Улавливатель можно регенерировать в непрерывном или периодическом режиме, при этом в выпускном тракте дизельного двигателя подобная регенерация может происходить за счет окисления сажи либо диоксидом азота (NO₂) при температуре выше ˜250°С, либо воздухом, соответственно кислородом (O₂) термически при температуре более 500°С и/или за счет впрыскивания определенной добавки (например, церия).

Для окисления сажи с помощью диоксида азота (NO₂), например в соответствии с механизмом работы регенерационных ловушек непрерывного действия, согласно следующему уравнению реакции

С+2NO_2→СО₂+2NO,

в выпускном тракте перед улавливателем необходимо установить катализатор окисления, обеспечивающий окисление достаточного количества NO до NO₂. По результатам проведенных исследований было установлено, что в улавливатель с целью полного окисления сажи диоксид азота (NO₂) необходимо подавать в избыточном количестве, которое до двух раз, предпочтительно в 1,2 раза (соответствует примерно 2,4 моля) превышает стехиометрически необходимое количество. Однако количественное соотношение между компонентами реакции в существенной мере зависит также от степени перемешивания текучих сред и поэтому в зависимости от конкретного исполнения улавливателя указанные компоненты реакции следует также использовать в различных количественных соотношениях между ними.

Улавливатель в различных вариантах его выполнения может также обеспечивать при его встраивании, например, в выпускной тракт автомобиля достижение самых разнообразных дополнительных эффектов, которые рассмотрены ниже.

Согласно одному из вариантов выполнения, улавливатель наряду с отделением твердых частиц от потока ОГ выполняет еще одну функцию, состоящую в смешении ОГ еще с одной текучей средой, например в смешении ОГ, образующихся при работе дизельного двигателя, с аммиаком или раствором мочевины, применяемыми для указанного выше восстановления, например при использовании селективного каталитического восстановления. С этой целью улавливатель используют в сочетании по меньшей мере с одной системой подачи соответствующей добавки. При осуществлении предлагаемого в изобретении способа предпочтительно также использовать улавливатель, который одновременно представляет собой смесительный элемент для равномерного распределения восстановителя, прежде всего мочевины, который вводят в поток ОГ перед указанным улавливателем.

Улавливатель при его выполнении в соответствии еще с одним предпочтительным вариантом позволяет также оптимизировать распределение потоков пропускаемой сквозь него текучей среды, например для последующей ее подачи в катализатор восстановления. Согласно еще одному варианту выполнения, улавливатель предлагается применять в сочетании с установленной по ходу потока перед ним системой подачи добавки.

В соответствии со следующим вариантом улавливатель предлагается применять в сочетании по меньшей мере с одним каталитическим нейтрализатором. Для применения в качестве таких каталитических нейтрализаторов и/или дополнительных каталитических нейтрализаторов ОГ, используемых в режиме пуска и прогрева двигателя, пригодны прежде всего катализатор окисления, снабженный подогревом каталитический нейтрализатор с установленным перед или за ним дисковым нагревателем, катализатор гидролиза и/или катализатор восстановления. Наряду с катализаторами, соответственно каталитическими нейтрализаторами, обеспечивающими окисление углеводородов и моноксида углерода до диоксида углерода, в качестве катализаторов окисления используют также катализаторы, которые позволяют окислять NO_x (азотсодержащие газы) до диоксида азота (NO₂). Подобные каталитические нейтрализаторы имеют трубчатую или конусообразную форму.

Предпочтительно также применение улавливателя в сочетании по меньшей мере с одним каталитическим нейтрализатором и турбонагнетателем или в сочетании с турбонагнетателем. При этом улавливатель, установленный непосредственно за турбонагнетателем, можно располагать вблизи двигателя или под днищем кузова.

В соответствии еще с одним вариантом улавливатель предлагается применять также в сочетании с установленным перед или за ним сажевым фильтром, который при его расположении за улавливателем может иметь существенно меньшие размеры по сравнению с обычным сажевым фильтром, поскольку его функция состоит лишь в обеспечении дополнительной защиты от выброса твердых частиц в атмосферу. Так, например, в этих целях вполне достаточно использовать фильтр с удельной площадью поверхности от 0,5 до 1 м² на 100 кВт мощности дизельного двигателя, тогда как в системах без улавливателя требуется применять фильтр с удельной площадью поверхности примерно 4 м² на 100 кВт.

В приведенных ниже примерах рассмотрено несколько возможных вариантов установки улавливателя в сочетании с каталитическими нейтрализаторами, турбонагнетателями, сажевыми фильтрами и системой подачи добавок в выпускном тракте автомобиля:

A) катализатор окисления - турбонагнетатель - улавливатель, при этом улавливатель можно расположить вблизи двигателя или под днищем кузова,

Б) дополнительный катализатор - улавливатель - турбонагнетатель,

B) катализатор окисления - турбонагнетатель - катализатор окисления -улавливатель,

Г) каталитический нейтрализатор с подогревом - 1-й улавливатель - 2-й улавливатель (при этой 1-й и 2-й улавливатели могут быть одинаковыми или различными),

Д) 1-й улавливатель - коническое отверстие выпускного тракта - 2-й улавливатель,

Е) система подачи добавки - улавливатель - катализатор гидролиза -катализатор восстановления,

Ж) дополнительный катализатор - катализатор окисления - система подачи добавки - (необязательно сажевый фильтр) - улавливатель, например конусообразной формы, при необходимости с каталитически активным покрытием для катализа реакции гидролиза - (необязательно сажевый фильтр) - (необязательно конус для увеличения проходного сечения трубопровода) - катализатор восстановления.

Улавливатель в зависимости от конкретного варианта его выполнения может быть снабжен различными покрытиями, каждое их которых имеет определенное функциональное назначение. Так, например, улавливатель наряду с функциями накопления, смешения и распределения потока может также выполнять функцию катализатора гидролиза.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематичное изображение системы выпуска ОГ двигателя внутреннего сгорания,

на фиг.2 - небольшой фрагмент предлагаемого в изобретении улавливателя, выполненного по одному из вариантов, и

на фиг.3 - небольшой фрагмент предлагаемого в изобретении улавливателя, выполненного по другому варианту.

На фиг.1 схематично изображен двигатель 1 внутреннего сгорания (ДВС), которым является прежде всего дизельный двигатель, образующиеся при работе которого отработавшие газы (ОГ) отводятся по выпускному тракту (трубопроводу) 2. В выпускном тракте установлен по меньшей мере один катализатор 3 окисления, перед которым может быть также установлен не показанный на чертеже и располагаемый достаточно близко к выпускному коллектору дополнительный каталитический нейтрализатор. На этом участке, кроме того, может быть предусмотрен турбонагнетатель, который на чертеже также не показан. Далее в выпускном тракте расположена подводящая система 4 для подачи добавки, прежде всего мочевины. По ходу потока за этой подводящей системой для подачи добавки расположен предлагаемый в изобретении улавливатель 5, за которым в свою очередь установлен катализатор 6 селективного каталитического восстановления.

На фиг.2 показан небольшой фрагмент предлагаемого в изобретении улавливателя, выполненного по одному из вариантов. Этот улавливатель состоит из структурированных или профилированных 11 и гладких 12 металлических листов, которые совместно образуют проточные каналы 13 со свободным прохождением сквозь них потока текучей среды, которые вместе с тем за счет придания структурированным или профилированным металлических листам 11 особой структуры снабжены отклоняющими поток элементами 15, 16. Эти отклоняющие поток элементы завихряют поток ОГ, в результате чего увеличивается продолжительность пребывания в улавливателе присутствующих в этом потоке частиц, которые благодаря этому могут эффективнее взаимодействовать с другими компонентами, содержащимися в ОГ. Конкретной формой и конкретным исполнением отклоняющих поток элементов 15, 16 определяется та степень, с которой присутствующие в потоке ОГ частицы также отбрасываются к образованным металлическими листами 11, 12 стенкам проточных каналов 13, где эти частицы оседают на указанных стенках. Угол раскрытия (раствора) или наклона отклоняющих поток элементов 15, 16 составляет, например, от 20 до 90°. Следует отметить, что хотя с увеличением угла наклона отклоняющих поток элементов относительно направления потока достигаемая с их помощью степень отклонения потока и его завихрения и возрастает, тем не менее потеря давления при этом возрастает в экспоненциальной зависимости. По этой причине оптимальным углом наклона отклоняющих поток элементов, при котором обеспечивается эффективное завихрение потока при приемлемой потере давления, является угол, значение которого лежит в пределах от 40 до 50°. Отклоняющие поток элементы 15, 16 предпочтительно комбинировать с отверстиями 17 в структурированных или профилированных металлических листах 11, что обеспечивает более интенсивное завихрение потока и взаимное перемешивание потоков, движущихся по соседним проточным каналам 13.

На фиг.3, на которой также показан небольшой фрагмент улавливателя, представлен другой вариант его выполнения. Этот улавливатель образован слоями структурированных или профилированных металлических листов 21 и гладких металлических листов 21 со сквозными отверстиями 28, образующих совместно проточные каналы 23 со свободным прохождением сквозь них потока текучей среды. В этом варианте отклоняющие поток элементы 25, 26, которые выполнены в виде отогнутых во взаимно противоположные стороны язычков, в сочетании с отверстиями 27 изогнутой формы обеспечивают достижение того же эффекта, что и описанный выше. Сквозные отверстия 28 в гладких металлических листах 22 способствуют завихрению потока ОГ и его перемешиванию в улавливателе.

Было установлено, что содержащиеся в потоке ОГ частицы скапливаются преимущественно в зоне входной и выходной поверхностей улавливателя. Поэтому согласно одному из вариантов улавливатель предлагается выполнять в виде нескольких последовательно располагаемых узких сотовых элементов в форме дисковых элементов. При этом отклонение потока и/или его завихрение происходит на входном, соответственно на выходном участке каждого такого дискового элемента. В этом случае предпочтительно использовать до 10 подобных сотовых дисковых элементов.

В настоящем изобретении предлагается таким образом система улавливания частиц сажи, которая может заменить обычные системы фильтрации и которая по сравнению с ними обладает целым рядом следующих существенных преимуществ. Первое из этих преимуществ состоит в том, что исключено закупоривание или забивание предлагаемой в изобретении системы, а создаваемое такой системой уменьшение давления по мере ее эксплуатации происходит не столь быстро, как это имеет место в обычных системах фильтрации, поскольку частицы оседают на соответствующих поверхностях вне потока текучей среды. Другое из указанных преимуществ состоит в том, что потеря давления в предлагаемой в изобретении системе остается на сравнительно низком уровне, поскольку такая система является открытой (незамкнутой).

1. Способ удаления частиц сажи из потока отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя (1) внутреннего сгорания (ДВС), прежде всего дизельного двигателя, при этом поток ОГ пропускают сквозь проточный улавливатель (5) со свободным прохождением сквозь него этого потока ОГ, который, однако, имеет множество отклоняющих поток элементов (15, 16; 25, 26) и/или завихряющих и успокоительных зон и в котором по меньшей мере некоторая часть частиц задерживается в нем, соответственно остается в нем в завихренном состоянии на такой промежуток времени, в течение которого сохраняется достаточно высокая вероятность их вступления во взаимодействие с содержащимся в ОГ диоксидом азота до практически полного устранения или полной ликвидации уловленных частиц.

2. Способ по п.1, при этом улавливатель (5) одновременно представляет собой смесительный элемент для равномерного распределения восстановителя, прежде всего мочевины, который вводят (4) в поток ОГ перед указанным улавливателем.

3. Способ по п.1 или 2, при этом частицы с помощью отклоняющих поток элементов (15, 16; 25, 26) отбрасываются к стенкам (11, 12, 21, 22) улавливателя (5), на которые эти частицы могут оседать и/или на которых они могут образовывать агломераты с другими частицами.

4. Способ по п.3, при этом отклоняющие поток элементы (15, 16; 25, 26) обеспечивают отбрасывание к стенкам (11, 12, 21, 22) улавливателя (5) соответственно от 2 до 15% еще содержащихся в потоке ОГ частиц, причем указанные отклоняющие поток элементы (15, 16; 25, 26) предусматривают предпочтительно в таком количестве, чтобы обеспечить отбрасывание к указанным стенкам (11, 12, 21, 22) всего количества частиц.

5. Улавливатель (5), предназначенный для улавливания частиц сажи из потока протекающих сквозь него отработавших газов (ОГ) и имеющий проточные каналы (13; 23) со свободным прохождением сквозь него этого потока ОГ, которые, однако, выполнены таким образом, чтобы обеспечивалось образование отклоняющих поток элементов (15, 16; 25, 26) или завихряющих и успокоительных зон.

6. Улавливатель (5) по п.5, который имеет по меньшей мере один металлический сотовый элемент, образованный слоями металлических листов (11, 12; 21, 22), которые известным путем по меньшей мере частично структурированы или профилированы таким образом, что они образуют проточные каналы (13; 23) со свободным прохождением сквозь них потока ОГ, снабженные препятствиями или отклоняющими поток элементами (15, 16; 25, 26).

7. Улавливатель по п.6, в котором указанные препятствия или отклоняющие поток элементы (15, 16; 25, 26) выполнены таким образом, чтобы обеспечить отбрасывание к стенкам (11, 12; 21, 22) улавливателя (5) соответственно от 2 до 15% еще содержащихся в потоке ОГ частиц.

8. Улавливатель по любому из пп.5-7, в котором по меньшей мере часть стенок (11, 12; 21, 22), образующих проточные каналы (13; 23) в улавливателе (5), снабжена покрытием, прежде всего покрыта увеличивающим активную поверхность слоем γ-оксида алюминия.

9. Улавливатель (5) по любому из пп.5-8, который выполнен конусообразным.