Нейтрализатор автомобильного выхлопа

Заявляемая полезная модель относится к автомобилестроению, а именно к комбинированным системам нейтрализации отработавших газов двигателей внутреннего сгорания и предназначена для снижения токсичности отработавших газов двигателя. Конструкция нейтрализатора основана на принципе «задержать и уничтожить», т.е не допустить распыления токсикантов в приземном слое атмосферы. Нейтрализатор автомобильного выхлопа, содержащий камеру накопителя конденсата отработавших газов криогенного типа с вакуумно-многослойной изоляцией, последовательно соединенную с камерой термокаталитического реактора восстановительного типа, при этом нейтрализатор оснащен датчиком температуры в полости камеры накопителя конденсата, датчиком температуры в полости камеры термокаталитического реактора и индикатором концентраций токсичных веществ (оксида азота, оксида углерода и углеводородов) состава отработавших газов на выходе из выпускного канала нейтрализатора. Полезная модель предназначена для использования на большегрузных автомобилях любого типа, предназначенных для работ в шахтах, бункерах и замкнутых пространствах с особыми требованиями к чистоте воздушного бассейна.

Заявляемая полезная модель относится к автомобилестроению, а именно к комбинированным системам нейтрализации отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ОГ ДВС) и предназначена для снижения токсичности отработавших газов двигателя.

Разработаны многочисленные системы нейтрализации выхлопных газов, включающие технологии каталитического окисления выбросов несгоревших углеводородов (C_nH_m) и угарного газа (CO), «сажевые» фильтры, очищающие выхлопные газы от респирабельных взвесей, которые применительно для дизельных двигателей представляют собой наиболее токсичную составляющую [Автомобильные системы нейтрализации отработавших газов /Журнал «Основные Средства»/ [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.os 1.ru/article/technology/2012_10_A_2012_10_17-14_35_25/ дата обращения 04.11.2014].

Существующие методы очистки от окислов азота можно разделить на три группы: поглощение окислов азота жидкими сорбентами, поглощение окислов азота твердыми сорбентами и восстановление окислов азота до элементарного азота на катализаторе [Технологии очистки газообразных выбросов и полезной утилизации промышленных отходов / ООО «СЕТАЛЬ» / [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.rus-tt.ru/specialist/articles/2007/10/30/articles_305.html - дата обращения 04.11.2014].

Однако испытания SAE (Society of Automotive Engineers - Сообщество автомобильных инженеров) показали, что впрыск в камеру сгорания двигателя воды является наиболее эффективным способом снижения выбросов как окислов азота (до 90%), так и всей группы отходящих газов [Выхлопные газы /Википедия/ [Электронный ресурс] -Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%C2%FB%F5%EB%EE%EF%ED%FB%E5_%E3%E0%E7%FB - дата обращения 04.11.2014].

Компания MAN Diesel & Turbo разработала способ очистки выхлопных газов судовых дизелей от окислов азота (NO_x) путем рециркуляции выхлопных газов (EGR) [Соблюдение нормативов по выбросам окислов азота морскими судами /ООО «Принт-Экспо»/ [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.setcorp.ru/main/pressrelease.phtml?news_id=41332&language=russian - дата обращения 04.11.2014].

Каждая из указанных групп представлена многочисленными запатентованными техническими решениями.

В частности, описан катализатор для удерживания оксида азота, содержащий: субстрат; первый слой покрытия из пористого оксида на субстрате, где указанный первый слой покрытия из пористого оксида содержит удерживающий оксид азота материал, содержащий частицы подложки из оксида церия с нанесенным на них карбонатом бария; и второй слой покрытия из пористого оксида над первым слоем покрытия из пористого оксида, содержащий единственный металл платиновой группы, при этом второй слой покрытия из пористого оксида по существу не содержит платины, церия и бария, а указанный единственный металл платиновой группы представляет собой родий, нанесенный на частицы жаропрочного оксида металла, содержащие оксид алюминия, легированный оксидом циркония в количестве до 30% [патент RU 2504431 «Удерживающие NO_x материалы и ловушки, устойчивые к термическому старению», опубл.: 20.01.2014, Бюл. 2].

Наиболее распространенными оказались системы, основанные на окислении ОГ ДВС путем подачи к ним дополнительного воздуха в термических реакторах. При этом в окислительных нейтрализаторах увеличиваются скорости протекания реакций преобразования C _nH_m и CO в CO₂ и H₂O, H₂ при наличии избытка кислорода. Поэтому в двигателе с искровым зажиганием при <1 перед нейтрализатором в поток отработавших газов вводят дополнительное количество кислорода (например, патент RU 2159344 «Способ очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания», опубл.: 20.11.2000). Катализаторы работают при температуре +300÷800°C. Окислы азота этим типом нейтрализаторов не могут преобразовываться в малотоксичные вещества.

При анализе технического уровня необходимо отметить метод некаталитического гомогенного восстановления NO _x добавками аммиака и селективный гетерогенно-каталитический процесс восстановления оксидов азота в присутствии NH₃ . В нейтрализаторах восстановительного типа для восстановления NO_x создают восстановительную среду, т.е. химически связывают кислород, находящийся в отработавших газах. Поэтому в восстановительном каталитическом нейтрализаторе оксид азота под действием катализатора, например оксида бария, превращается в нитраты, которые играют роль накопителя окислов азота и способны в последующем подвергается разложению в окислительном нейтрализаторе (например, патент RU 2455503 «Устройство, содержащее двигатель внутреннего сгорания, работающий на бедных смесях, и система выхлопа», опубл.: 10.07.2012, Бюл. 19).

При этом введение в поток ОГ ДВС аммиака способствует восстановлению NO до N₂ и H₂ O в присутствии кислорода и вводимого в качестве восстановителя аммиака (NH₃). Процесс описывается уравнением: NO+NH ₃+5/4O₂N₂+3/2H₂O. Реакция преобладает при температуре газового потока в интервале 880-1000°C. Добавка водорода снижает нижний температурный предел. При мольном отношении H₂:NH₃=2:1 восстановление оксидов азота происходит достаточно быстро при температуре около 700°C. Большинство катализаторов формируют на основе диоксида титана (TiO₂) и пентоксида ванадия (V₂O₅ ). Пентоксид ванадия промотирует реакцию взаимодействия аммиака и оксидов азота и мало чувствителен к отравлению SO₂ (патент RU 2497577 «Система снижения токсичности отработавших газов двигателя с использованием катализатора селективного каталитического восстановления» опубл.: 10.11.2013, Бюл. 31; патенты RU 2489578, 2485333, 2480592; US 4961917, EP 1495804 и US 6914026; EP 1795724; EP 0385164). Аналогичные патенты зарегистрированы в Японии (патент JP 3969450).

Однако системы SCR (Selective Catalytic Reduction - Выборочное каталитическое восстановление) имеют большую массу и габаритные размеры, что предполагает установку дополнительного бака с раствором мочевины, подающий насос и инжектор для ее впрыска в выхлопной тракт. Специальная система подогрева не позволяет раствору мочевины замерзнуть зимой, встроенная система управления устанавливает режим впрыска мочевины так, чтобы содержание оксидов азота NO_x на выходе соответствовало нормам. Бак с мочевиной нужно регулярно дозаправлять. Именно поэтому Peugeot, например, приняло решение устанавливать вместительный бак - объемом 20 л - чтобы дозаправки не были слишком частыми.

В настоящее время наиболее распространены многокомпонентные системы каталитической очистки ОГДВС.

В частности, трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы предназначены преобразовывать образующиеся при сгорании рабочей смеси вредные вещества - углеводороды (C _nH_m), оксид углерода (CO) и оксиды азота (NO _x) в безвредные компоненты. В качестве конечных продуктов образуются водяной пар (H₂O), углекислый газ (CO ₂) и азот (N₂).

Преобразование вредных веществ осуществляется по схеме: сначала оксид углерода и углеводороды преобразуются за счет окисления. Кислород, необходимый для окисления, имеется либо в виде остаточного кислорода в отработавших газах за счет неполного сгорания, либо он забирается у оксидов азота, количество которых таким образом снижается.

Современные нейтрализаторы, например, разработанные отделом каталитических окислительно-восстановительных процессов института физической химии им. Л.В. Писаржевского Национальной академии наук Украины, реализуют многоступенчатую технологию очистки ОГ ДВС с применением:

- сажевых фильтров из синтетического кордиерита сотовой структуры с сформированным каталитическим покрытием в виде сложных оксидов меди, хрома, кобальта, нанесенных на оксид алюминия;

- эффективных катализаторов трехмаршрутных превращений (CO/C_nH_m/NO_x) - (Pd, Pt, Rh) - ОРЗЕ(La, Се)/-Al₂O₃/кордиерит [Отдел каталитических окислительно-восстановительных процессов / Институт физической химии им. Л.В. Писаржевского / [Электронный ресурс] -Режим доступа: http://www.inphyschem-nas.kiev.ua/m/DEPARTMENTS/dpt6 - дата обращения 04.11.2014].

нейтрализаторов, разработанных на основе процессов селективного восстановления оксидов азота (I, II) (СКВ) на структурированных катализаторах, с использованием восстановителей различной химической природы: аммиак, ванадий-титановые и оксидные сложной композиции (Cu, Fe, Cr/Al₂O ₃); C₁-C₄ - углеводородами и монооксидом углерода (CoO/(HZSМ5-Al₂O₃)/кордиерит, CoO/ZrO₂/каолин-аэросил, Pd/Co₃O₄ -CeO₂/кордиерит). Процесс предназначен для очистки от оксидов азота выбросов нитрозных газов, газов промышленных теплоагрегатов (ТЭЦ, ТЭС), газотурбинных и дизельгенераторных установок. Институтом разработаны блочные (монолитные) катализаторы сотовой структуры для очистки промышленных газовых выбросов и автотранспорта от CO, NO_x, C_nH_m [Орлик, С.Н. Структурно-функциональный дизайн катализаторов конверсии оксидов азота (I), (II) / С.. Орлик, Т. В. Миронюк, Т.М. Бойчук, // Теорет. и эксперим. химия. - 2012. - 48, 2. - С. 67-87].

Многомаршрутные преобразования ОГ ДВС требуют участия сложных систем электронного управления работой двигателя внутреннего сгорания с обратной связью качества нейтрализации ОГ ДВС по многим параметрам, отклонения которых от запрограммированного в бортовом компьютере, могут привести к сбою системы управления транспортным средством.

Аналоги заявленного технического решения

1. Известно устройство для очистки от оксидов азота отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания и в системе выпуска, имеющее СКВ-катализатор перед которым предусмотрено устройство для подачи реагентов: восстановителя или предшественника восстановителя. За устройством по ходу потока ОГ расположен обтекаемый ОГ сотовый элемент. Для управления устройством определяют содержание оксидов азота в ОГ, температуру сотового элемента, количество реагента, необходимое для восстановления определенного ранее количества оксидов азота в ОГ. Далее определяют температуру сотового элемента после добавления указанного количества реагента и сравнивают ее с заданной целевой температурой. Если температура оказывается ниже целевой температуры, то вычисляют температуру сотового элемента после по меньшей мере одной из следующих мер: добавления уменьшенного количества реагента, повышения температуры сотового элемента и температуры ОГ до тех пор, пока температура сотового элемента не превысит или не сравняется с целевой температурой. В завершение добавляют реагент и, при необходимости, повышают температуру.

Под СКВ-катализатором подразумевается проточная структура, например, сотовый элемент, снабженный соответствующим каталитическим покрытием, например, смешанный оксид ванадия и вольфрама на носителе из диоксида титана (анатазе) или металлозамещенных цеолитах, предпочтительно железозамещенных цеолитах, прежде всего типа X, типа Y, типа ZSM-5 и/или типа ZSM-11. В качестве сотовых элементов предлагается использовать керамические и/или металлические сотовые элементы с полостями, через которые могут входить ОГ. Сотовый элемент предпочтительно выполнять, по меньшей мере, из одного частично профилированного металлического слоя. При этом металлический слой может быть образован фольгой и/или пористым металлическим слоем. Сотовый элемент предпочтительно при этом формировать путем свертывания в рулон, по меньшей мере, одного по меньшей мере частично профилированного металлического слоя и при необходимости по меньшей мере одного в основном гладкого металлического слоя или путем набора в пакет по меньшей мере одного по меньшей мере частично профилированного слоя и при необходимости по меньшей мере одного в основном гладкого слоя с последующим скручиванием по меньшей мере одного набранного таким способом пакета. Мочевину при этом предпочтительно добавлять в виде твердого вещества и/или в виде водного раствора. В зависимости от температуры в СКВ-катализаторе в данном случае происходит следующая основная реакция: NO+NO ₂+2NH₃2N₂+H₂O [RU 2424042 «Способ селективного каталитического восстановления оксидов азота в отработавших газах, образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания, и система выпуска отработавших газов» опубл.: 20.07.2011, Бюл. 20].

Недостатком аналога является сложность управления процессом очистки ОГ ДВС.

2. Известно устройство для жидкостного охлаждения и очистки выхлопных газов, включающее корпус, патрубки подвода и отвода газа и воды, распылители воды, отличающееся тем, что корпус состоит из соединенных между собой впускной расширяющейся камеры, выпускной сужающейся камеры и расположенной между ними камеры шнековых завихрителей с обечайкой, разделительными переборками и с вваренными в последние конусообразными патрубками, один из которых расположен в центре, а остальные - по окружности разделительных переборок и обечайки камеры, со встроенными в них смесителями, состоящими из шнека и распылителя воды, раскрепленных по центру патрубка, при этом камеры снабжены рубашкой охлаждения, а зарубашечное пространство впускной камеры подключено к патрубку подвода воды и к распылителям, причем патрубок подвода газа подключен к впускной расширяющейся камере, а патрубок отвода газа - к выпускной сужающейся камере [патент РФ 2124456 «Система отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания и устройство для жидкостного охлаждения и очистки газов» опубл.: 10.01.1999]. Устройство действует следующим образом: «Пройдя выпускную камеру и охлаждаемый участок газопровода газожидкостная смесь, состоящая из насыщенных парами воды выпускных газов дизеля, поступает в прямоточный сепаратор, где происходят процессы очистки газов от продуктов неполного сгорания топлива и сепарации капельной жидкостной из двухфазного газового потока с помощью шнекового завихрителя, шнек которого закручен в сторону, противоположную закрутке шнеков устройства для жидкостного охлаждения газов. После шнекового завихрителя, на выходе из камер устройства для жидкостного охлаждения газов, насыщенный газ поступает в диффузорную зону, где конденсируется, что также улучшает интенсивность охлаждения. В этих условиях температура газа с 470-550°C снижается до 45-60°C, Загрязненная несгоревшим топливом и маслом, а также водорастворимыми компонентами токсичных загрязнений (альдегидами, окислами серы, высшими окислами азота), вода с примесью основной массы сажи (90-98%) стекает в поддон сепаратора и удаляется в специальную цистерну обводненных нефтепродуктов или удаляется за борт с помощью эжекционного насоса.

Недостатком аналога является необычайно громоздкое оформление процесса очистки ОГ ДВС, которое невозможно применить на транспортных средствах в наземных условиях.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является максимальное снижение концентраций токсических компонентов из состава отработавших газов двигателей внутреннего сгорания перед их сбросом в приземный слой атмосферы путем разработки нейтрализатора автомобильного выхлопа, не содержащего драгоценные металлы.

Техническая задача решается тем что, согласно заявляемой полезной модели нейтрализатор автомобильного выхлопа содержит камеру накопителя конденсата отработавших газов криогенного типа с вакуумно-многослойной изоляцией, последовательно соединенную с камерой термокаталитического реактора восстановительного типа, при этом нейтрализатор оснащен датчиком температуры в полости камеры накопителя конденсата, датчиком температуры в полости камеры термокаталитического реактора и индикатором концентраций токсичных веществ (оксида азота, оксида углерода и углеводородов) состава отработавших газов на выходе из выпускного канала нейтрализатора.

На фиг. 1 изображен нейтрализатор автомобильного выхлопа; на фиг. 2 приведена динамика изменения во времени концентраций компонентов ОГ ДВС по выходу из камеры накопителя конденсата; на фиг. 3 показана зависимость степени очистки (%) потока ОГ ДВС от температуры в полости камеры термокаталитического реактора; на фиг. 4 представлена зависимость массы удаленных из потока ОГ ДВС токсичных веществ от температуры в полости камеры термокаталитического реактора; на фиг. 5 приведены массовые соотношения компонентов состава ОГ ДВС, подаваемых в камеру термокаталитического реактора для очистки (а), массовые соотношения компонентов ОГ ДВС на выходе из камеры термокаталитического реактора при температуре 550°C (б).

Полезная модель устройства (фиг. 1) содержит: патрубок 1; камеру накопителя конденсата 2; вакуумно-многослойную изоляцию 3 камеры накопителя конденсата 2; выпускной клапан 4 камеры накопителя конденсата 2; заливное отверстие 5 емкости криогенной жидкости камеры накопителя конденсата 2; датчик температуры 6 в полости камеры накопителя 2; канал слива 7 камеры накопителя конденсата 2, а также камеру термокаталитического реактора 8; термокаталитические спирали 9; терморегулятор 10; датчик температуры 11 в полости камеры термокаталитического реактора 8; выпускной канал 12 и охладитель 13, а также индикатор концентраций токсичных веществ 14 в составе отработавших газов, расположенный на выходе из выпускного канала 12 нейтрализатора, который как и терморегулятор 10 подключены к цепи электропитания 15; панели термоэлектрического генератора 16 камеры термокаталитического реактора 8, электрообеспечивающего охладитель 13.

Заявляемая полезная модель работает следующим образом

Отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания из патрубка 1, попадая в камеру накопителя конденсата 2, в силу разницы диаметров патрубка 1 и камеры накопителя конденсата 2 снижают давление и скорость истечения, что приводит к завихрению потока и его соударению с охлажденными стенками камеры накопителя конденсата 2; резкий перепад температур ОГ ДВС и криогенно охлажденных стенок камеры накопителя конденсата 2 приводит к конденсации паров воды, газов и аэрозолей состава ОГ ДВС, которые переходят из газообразного в жидкое и твердое состояния, накапливаясь на дне камеры накопителя конденсата 2. Меньшая по объему и составу часть ОГ ДВС выдавливается собственным потоком в полость камеры термокаталитического реактора 8 и контактирует с термокаталитическими спиралями 9, размещенными поперек потока ОГ ДВС. При этом происходят многоэтапные окислительно-восстановительные процессы, свойственные процессам, происходящим в восстановительной атмосфере при резкой нехватке кислорода. При этом терморегулятор 10 обеспечивает электронагрев термокаталитических спиралей 9 до температуры 550°C и выше, которая обеспечивает каталитическое восстановление окислов азота и оксида углерода, при этом температура в полости камеры термокаталитического реактора 8 контролируется по показаниям датчика температуры 11. При этих условиях аэрозоли состава ОГ ДВС, не успевшие конденсироваться в камере накопителя конденсата 2, подвергаются пиролизу и ряду окислительно-восстановительных превращений, переводящих их в нетоксичные элементарные ионы, которые охлаждаются охладителем 13, размещенным вдоль выпускного канала 12 после камеры термокаталитического реактора 8. При этом в камере термокаталитического реактора 8 отработавшие газы нагревают панели термоэлектрического генератора 16, электрообеспечивающего охладитель 13.

Показания датчика температуры 6 в полости камеры накопителя конденсата 2, датчика температуры 11 в полости камеры термокаталитического реактора 8 и индикатора концентраций токсичных веществ 14 в составе отработавших газов на выходе из выпускного канала 12 нейтрализатора, выведенных на приборную панель кабины водителя АТС с целью информирования о работе всего устройства, позволяют регистрировать наличие внештатных ситуаций:

а) превышение ПДК_м.р. рабочей зоны по концентрациям окиси углерода и окислов азота;

б) превышение температуры в камере накопителя конденсата 2 отметки +20°C;

в) снижение температуры в камере термокаталитического реактора 8 ниже 350°C.

При возникновении этих внештатных ситуаций предусмотрены следующие действия водителя АТС:

1) заглушить двигатель;

2) слить из канала слива 7 камеры накопителя конденсата 2 в промышленную канализацию или в резервную герметичную емкость накопившийся конденсат ОГ ДВС;

3) залить криогенную жидкость (жидкий азот или сжиженный воздух) через заливное отверстие 5 емкости криогенной жидкости вакуумно-многослойной изоляции 3 камеры накопителя конденсата 2 и проверить работу выпускного клапана 4;

4) проверить целостность цепи электропитания 15 терморегулятора 10.

Таким образом, реализуемый нами принцип работы заявляемой полезной модели «задержать и уничтожить» (Алексей Воробьев-Обухов. «Задержать и уничтожить». «За рулем» 12, 2003), соответствует направлению экологизации двигателей внутреннего сгорания применительно к составу ОГ ДВС.

Пример конкретного выполнения

Эффективность работы заявленной полезной модели проверили экспериментально на опытной установке - макете полезной модели заявляемого устройства.

При этом накопитель емкостью 5,0 дм³ изготовлен на базе термоса, внутри которого расположен полый металлический сосуд цилиндрической формы, вмещающий один дм³ жидкого азота. При этом верхняя часть (крышка) макета накопителя, имеющая технологические отверстия входа и выхода газов, выполнена термоизолированной из фторопластового диска. При этом накопитель при герметизированных технологических отверстиях сохранял температуру внутри камеры от минус 170°C до минус 50°C в течение более шести часов. Изучена возможность автоматизированной подачи криогенного агента (сжиженного воздуха) из дополнительного баллона при снижении давления в криогенной емкости вакуумно-многослойной изоляции камеры накопителя.

Термокаталитический реактор был выполнен из стальной трубы (диаметр 200 мм, длина 1000 мм, толщина 2 мм) с торцевыми герметизирующими фланцами, имеющими входное и выходное отверстия для ОГ ДВС. Внутри камеры реактора поперек потока газов были натянуты три спирали (из проволоки Н20Х80 длиной 25 м каждая) мощностью 3 кВт каждая. Скорость прокачки ОГ ДВС через реактор составляла 50 дм³/мин.

Газовый поток после реактора перед входом в газоанализатор ИНФРАКАР 5М2Т.02 охлаждали (водоструйными холодильниками) до температуры от плюс 20°C до плюс 40°C. Изучена возможность использования в качестве термоизоляции камеры термокаталитического реактора слоя высокотемпературных термогенераторов,

электрообеспечивающих слой термоэлектрических холодильников примененных в виде оболочки канала отходящих из нейтрализатора газов.

Концентрации CO, NO, CO₂, O₂ и C_nH_m в составе ОГ ДВС измеряли в трех точках: в патрубке выхлопного тракта автомобиля, сразу после выхода из накопителя и после охлаждения в газоотводе, расположенного после термокаталитического реактора. Газоанализатор позволял определять ежесекундно концентрации перечисленных пяти компонентов состава ОГ ДВС.

Результаты измерений, показывающих эффективность процесса очистки ОГ ДВС, представлены в таблицах 1 и 2.

Оценка применимости криогенной ловушки

Через криогенную ловушку пропускали поток ОГ ДВС и сопоставляли изменение концентраций CO, NO, CO₂ , и C_nH_m относительно их концентраций в патрубке автомобиля. Эффективность снижения концентраций сопоставляли с температурой в полости ловушки, которая изменялась под влиянием температуры отработавших газов. Каждые полчаса температура в полости ловушки изменялась примерно на 20°C. В каждом диапазоне выполняли от 80 до 120 ежесекундных измерений, что позволило оценить эффективность процесса конденсации. Изменения концентраций компонентов потока ОГ ДВС при прохождении через криогенную ловушку под влиянием изменения температур представлены в таблице 1. Размерность дана в соответствии с показаниями автоматизированной компьютеризированной аналитической системы «ИНФРАКАР 5М2Т.02». Исходные данные концентраций компонентов ОГ ДВС: CO=3,42% (397,53 мг/м ³); CH=209,17 млн^-1 (747,89 мг/м³ ); CO₂=12,45% (2273,12 мг/м³); NO=17 млн ^-1 (21,16 мг/м³).

При воздействии на поток ОГ ДВС температуры от минус 120°C до минус 100°C большинство токсичных веществ не покидают пределов ловушки. Установлено, что через 3 часа большая половина углеводородов задерживается в криогенной ловушке, охлажденной от минус 40°C до минус 20°C (фиг. 2). При этом почти полностью задерживаются окислы азота и на 50% конденсируется оксид углерода. Эти факты подтверждают эффективность применения ловушки как минимум на протяжении 3,5 часов. Через 2-2,5 часа в потоке газов, покидающих ловушку, начинают прогрессивно увеличиваться концентрации диоксида углерода, которые через 3,5 часа практически приближаются к исходным концентрациям. Однако показатель очистки от диоксида углерода не является критическим.

Этот факт обеспечивает высокую эффективность работы секции каталитического нейтрализатора, так как в него поступают газы практически на половину по концентрациям содержащие меньше токсичных веществ, чем исходный поток ОГ ДВС.

Оценка применимости восстановительного каталитического нейтрализатора

Эффективность работы нейтрализатора оценивали ежесекундно посредством расчета степени очистки в зависимости от температуры в реакторе (фиг. 3), а также по массе нейтрализованных токсикантов, мг/м (фиг. 4).

Наши предварительные эксперименты показали, что температура «зажигания» или начала работы нихромовых нейтрализаторов в реакции метанирования CO начинается с температуры +300°C. Поэтому эффективность работы нейтрализатора начинали оценивать с температуры в реакторе свыше +300°C.

На фигурах 3 и 4 представлены процессы нейтрализации по степени очистки (фиг. 3) и массе удаленных токсичных веществ (фиг. 4), зафиксированные на 40-й секунде эксперимента как наиболее характерной для установившегося режима работы газоанализатора. Измерения проводились через каждые 50°C; причем число ежесекундных измерений варьировало от 80 до 200.

Заявленная модель каталитического нейтрализатора показала абсолютную очистку потока газов от углеводородов, оксида азота и очистку от оксида углерода на 92%. При этом происходящие в реакторе в условиях восстановительной атмосферы реакции сопровождались то увеличением, то уменьшением концентраций диоксида углерода, что свидетельствует о сложности протекающих каталитических реакций.

Массовые концентрации основных компонентов состава ОГ ДВС в процессе нейтрализации существенно менялись при разных температурах (фиг. 4).

Массовые соотношения удаленных токсичных веществ существенно различаются при различных температурах, но существенно нарастают при увеличении температуры в реакторе. Эти удельные соотношения могут лечь в основу прошектирования промышленного образца.

Для дальнейшего проектирования был рассчитан тепловой коэффициент очистки (ТК), показывающий эффективность массы нейтрализованных компонентов в секунду (мг/с) относительно температуры в реакторе (°C):, . Оценка эффективности нейтрализации токсичных веществ в зависимости от температуры в реакторе представлена в таблице 2.

Расчетные данные показали, что наибольшая эффективность нейтрализации CO происходит при температурах 550 и 650°C; а углеводородов и окислов азота при температуре 550°C. Таким образом, экономически оптимальной температурой в реакторе следует считать температуру 550°C.

Соотношения компонентов состава исходных и очищенных отработавших газов при экономически оптимальной температуре в реакторе показали (фиг. 5), что произошла полная нейтрализация окислов азота, на 92% снизились концентрации углеводородов; на 67% снизилась концентрация оксида углерода; при незначительном увеличении углекислого газа (на 2,4%).

Эти факты подтверждают правильность выбора оптимальной температуры нейтрализации.

Социально полезный эффект от внедрения заявленного технического решения состоит в высокой эффективности очистки ОГ ДВС от CO, NO и C_nH_m. Повышение эффективности полезной модели может быть достигнуто путем применения криогенной ловушки, выполненной в кассетной форме, например, барабанного типа с автоматической сменой одиночной отработанной кассеты на новую.

Нейтрализатор автомобильного выхлопа, содержащий камеру накопителя конденсата отработавших газов криогенного типа с вакуумно-многослойной изоляцией, последовательно соединенную с камерой термокаталитического реактора восстановительного типа, при этом нейтрализатор оснащен датчиком температуры в полости камеры накопителя конденсата, датчиком температуры в полости камеры термокаталитического реактора и индикатором концентраций токсичных веществ состава отработавших газов на выходе из выпускного канала нейтрализатора.

РИСУНКИ