Система нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя

Техническое решение относится к автомобилестроению, а именно, к системам нейтрализации отработавших газов дизельного двигателя до экологических стандартов Евро-5 и Евро-6. Система нейтрализации, содержащая фильтр-нейтрализатор дисперсных частиц, систему дозирования газообразного водорода, нейтрализатор селективного восстановления оксидов азота, дополнительно снабжена окислительным нейтрализатором для очистки отработавших газов от оксида углерода и углеводородов, системой активной регенерации фильтра-нейтрализатора дисперсных частиц, размещенной между окислительным нейтрализатором и фильтром-нейтрализатором, системой дозирования газообразного водорода выполненной с регулирующей арматурой и смесителем водорода, установленным перед нейтрализатором селективного восстановления оксидов азота, причем все системы размещены последовательно в линии выпуска дизельного двигателя, при этом для поддержания температурного режима форсунок систем: активной регенерации фильтра-нейтрализатора и дозирования газообразного водорода снабжена жидкостным охлаждением, а для непрерывного управления системой нейтрализации и контроля ее параметров снабжена комплексом датчиков. Техническое решение позволяет повысить эффективность системы нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов путем более полной конверсии оксида азота, а также сокращения выбросов оксида углерода, углеводородов и дисперсных частиц с отработавшими газами для выполнения требований экологических стандартов Евро-5 и Евро-6. 5 з.п. ф-лы, 1 илл.

Техническое решение относится к автомобилестроению, а в частности, к системе нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя до экологических стандартов Евро-5 и Евро-6, в которой для восстановления оксидов азота используется газообразный водород.

Из уровня техники, известны различные системы нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов дизельных двигателей.

Например, в заявке на изобретение РФ 2009124239 (B01D 53/94, B02D 53/56, опубл. 27.12.2010) предлагается получение восстанавливающего водородного реагента из жидкого углеводородного топлива на борту транспортного средства в реакторе конверсии.

Однако применение реакторов для получения водорода требует размещения на борту автотранспортного средства дополнительных систем и устройств. В качестве исходного продукта в реакторах используется топливо нефтяного происхождения, относящееся к исчерпываемым источникам энергии.

Для уменьшения потребления углеводородного сырья созданы системы нейтрализации, которые используют в качестве восстановителя уже готовый водородсодержащий синтез-газ или чистый водород.

В патентах US 7712308 (F01N 3/10, опубл. 11.05.2010) и US 7731925 (B01D 53/94, B01D 53/56, опубл. 08.06.2010) в качестве восстанавливающего реагента используется водородсодержащий синтез-газ, состоящий из водорода и оксида углерода. Но применение синтез - газа, а не чистого водорода, приводит к увеличению расхода реагента.

Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является рассмотренная в заявке US 2010 0018476 (F02B 43/08, F01N 3/10, F01N 3/01, опубл. 28.01.2010) система очистки отходящих газов дизельного двигателя от оксидов азота и дисперсных частиц. В качестве восстановителя оксидов азота применен газообразный водород. Система дозирования восстановителя в нейтрализатор селективного восстановления оксидов азота включает в себя реактор водорода, расположенный на борту автотранспортного средства. Фильтрующий элемент фильтра-нейтрализатора выполнен из керамического или металло-волоконного материала. В качестве каталитического носителя, селективного нейтрализатора восстановления оксидов азот, применен блок из керамического или металлического материала.

Но эта система не включает в себя окислительный нейтрализатор, что снижает эффективность очистки, к тому же, применение реактора водорода приводит к усложнению системы дозирования восстановителя в селективный нейтрализатор восстановления оксидов азота.

Эти недостатки устраняются предлагаемой полезной моделью.

Задача полезной модели состоит в улучшении экологических параметров дизельного двигателя путем создания перспективной системы нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов.

Технический результат - более полная конверсия оксидов азота, а также сокращение выбросов углерода, углеводородов и дисперсных частиц с отработавшими газами.

Технический результат достигается тем, что система нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя, содержащая фильтр-нейтрализатор дисперсных частиц, система дозирования газообразного водорода, нейтрализатор селективного восстановления оксидов азота, дополнительно снабжена окислительным нейтрализатором для очистки отработавших газов от оксида углерода и углеводородов, системой активной регенерации фильтра-нейтрализатора дисперсных частиц, размещенной между окислительным нейтрализатором и фильтром-нейтрализатором, системой дозирования газообразного водорода выполненной с регулирующей арматурой и смесителем водорода, установленным перед нейтрализатором селективного восстановления оксидов азота, причем все системы размещены последовательно в линии выпуска дизельного двигателя, при этом для поддержания температурного режима форсунок систем: активной регенерации фильтра-нейтрализатора и дозирования газообразного водорода снабжена жидкостным охлаждением, а для непрерывного управления системой нейтрализации и контроля ее параметров снабжена комплексом датчиков.

Кроме того, еще отличия состоят в том, что:

- система активной регенерации фильтра-нейтрализатора дисперсных частиц состоит из топливного бака, насоса-дозатора, смесителя топлива и форсунки;

- система дозирования снабжена газовым баллоном для хранения газообразного водорода, а регулирующая арматура системы дозирования газообразного водорода состоит из регулятора давления, обратного, дросселирующего, предохранительного и электромагнитного клапанов и газового расходомера;

- система жидкостного охлаждения состоит из циркуляционного насоса, расширительного бачка и теплообменника;

- комплекс датчиков контролирующих параметры системы нейтрализации состоит из кислородного датчика, датчиков температуры до и после фильтра-нейтрализатора, датчиков: перепада давления и концентрации оксидов азота.

При таком исполнении системы нейтрализации, обеспечивается комплексная нейтрализация всех нормируемых токсичных компонентов отработавших газов дизелей, включая оксид углерода, углеводороды, дисперсные частицы и оксиды азота с эффективностью, достаточной для выполнения требований Евро-5 и Евро-6.

Предложенная полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором представлена принципиальная схема системы нейтрализации.

Система нейтрализации включает: дизельный двигатель 1, окислительный нейтрализатор 2 для очистки отработавших газов от оксида углерода и углеводородов, фильтр-нейтрализатор 3 дисперсных частиц, нейтрализатор 4 селективного восстановления оксидов азота с каталитическим носителем (например, из фольги на основе железо-хром-алюминиевого сплава), систему дозирования газообразного водорода включающую: баллоны 5 и 6 с газообразным водородом и азотом соответственно, оснащенные вентилями и регуляторами давления 7 и 8, обратным клапаном 9, дросселирующим клапаном 10, регулирующим расход восстанавливающего реагента, газовым расходомером 11, предохранительным клапаном 12 в магистрали подачи газообразного водорода, электромагнитным клапаном 13, форсункой 14 подачи газообразного водорода, смесителя газообразного водорода 15, расположенного перед нейтрализатором 4 селективного восстановления оксидов азота, кроме того система включает резервуар с топливом 16, насос-дозатор топлива 17, форсунку 18 подачи топлива, смеситель топлива 19, при этом, элементы 17, 18, 19 входят в систему активной регенерации фильтра-нейтрализатора 3, также в систему охлаждения форсунок входят: циркуляционный насос 20, расширительный бачок 21, теплообменник 22 и система датчиков: кислородный 23, температуры 24 и 26 до и после фильтра-нейтрализатора 3, перепада давления 25, концентрации оксидов азота 27.

Причем окислительный нейтрализатор 2, смеситель топлива 19, фильтр-нейтрализатор 3, смеситель газообразного водорода 15 и нейтрализатор 4 селективного восстановления оксидов азота размещены последовательно в системе выпуска дизельного двигателя 1.

Действие фильтра-нейтрализатора 3 основано на полнопоточной фильтрации на металлических волоконных материалах. Система нейтрализации оснащена системой активной регенерации фильтра-нейтрализатора 3. Необходимость регенерации возникает при увеличении газодинамического сопротивления фильтрующего элемента при заполнении фильтра дисперсными частицами. Необходимость регенерации фильтра-нейтрализатора 3 определяется датчиком перепада давления 25. Суть активной регенерации заключается в принудительном повышении температуры внутреннего блока фильтра-нейтрализатора 3 до 600-650°С за счет впрыскивания топлива в поток отработавших газов. Кратковременного повышения температуры достаточно для окисления сажи до оксида углерода. Форсунка 18 подачи топлива, расположенная в смесителе топлива 19, оснащена внутренним клапаном (на чертеже не указано), который запирает проточную часть при падении давления подачи топлива в конце фазы впрыска, что исключает возникновение крупнокапельного распыла. Объем впрыскиваемого топлива определяется насосом-дозатором топлива 17, забирающим топливо из резервуара 16.

Система нейтрализации работает следующим образом.

Отработавшие газы из дизельного двигателя 1 по выпускному тракту поступают в окислительный нейтрализатор 2, где происходит очистка отработавших газов от оксида углерода и углеводородов. Перед окислительным нейтрализатором 2 размещен кислородный датчик 23, назначение которого заключается в измерении концентрации кислорода в отработавших газах.

После окислительного нейтрализатора 2 отработавшие газы поступают в фильтр-нейтрализатор 3 дисперсных частиц, действие которого основано на полнопоточной фильтрации на металлических волоконных материалах. Фильтр-нейтрализатор 3 дисперсных частиц оснащен системой активной регенерации. Необходимость регенерации возникает при увеличении газодинамического сопротивления фильтрующего элемента при заполнении фильтра-нейтрализатора 3 дисперсными частицами. Начало регенерации фильтра-нейтрализатора 3 определяется датчиком перепада давления 25. Суть активной регенерации заключается в принудительном повышении температуры внутреннего блока фильтра-нейтрализатора 3 до 600-650°С за счет впрыскивания топлива форсункой 18 в смеситель топлива 19, установленный перед фильтром-нейтрализатором 3. Форсунка 18 подачи топлива оснащена внутренним клапаном (на чертеже не показано), который запирает проточную часть при падении давления подачи топлива в конце фазы впрыска, что исключает возникновение крупнокапельного распыла. Кратковременного повышения температуры достаточно для окисления дисперсных частиц до оксида углерода. Датчики температуры 24 и 26 отработавших газов, установленные до и после фильтра-нейтрализатора 3 дисперсных частиц, предназначены для контроля температурного режима фильтра-нейтрализатора 3.

После фильтра-нейтрализатора 3 отработавшие газы проходят через нейтрализатор 4 селективного восстановления оксидов азота. Для увеличения степени конверсии оксидов азота в системе нейтрализации используется восстанавливающий реагент - газообразный водород. Подача газообразного водорода в нейтрализатор 4 селективного восстановления оксидов азота осуществляется системой дозирования. Газообразный водород из баллона 5 под заданным давлением, определяемым регулятором давления 7, подается в форсунку 14 подачи газообразного водорода, установленную в смесителе газообразного водорода 15, который установлен перед нейтрализатором 4 селективного восстановления оксидов азота. В магистрали подачи газообразного водорода размещен обратный клапан 9, который необходим для исключения обратных перетечек водорода. Расход газообразного водорода изменяется с помощью дросселирующего клапана 10, значение расхода водорода определяется газовым расходомером 11. Для предотвращения разрушительных последствий при выходе из строя регулятора давления 7 в магистрали подачи водорода установлен предохранительный клапан 12. При аварийном увеличении давления водорода в газовой магистрали происходит сброс газа в дренажную магистраль. Электромагнитный клапан 13 управляет началом и завершением подачи водорода в смеситель газообразного водорода 15. В зависимости от режима работы двигателя объемная подача водорода находится в пределах 3-5% от объемного расхода топлива. Содержание оксидов азота в отработавших газах на выходе из нейтрализатора 4 селективного восстановления оксидов азота определяется датчиком концентрации оксидов азота 27.

Газообразный азот, размещенный в баллоне 6, используется в системе дозирования как инертный газ в случае аварийных ситуаций при повреждении регулятора давления 7 баллона 5 с газообразным водородом в целях предотвращения взрывоопасной концентрации водорода с воздухом, а также для продувки системы нейтрализации перед длительной стоянкой или консервацией.

Для охлаждения форсунок 14 и 18 систем дозирования газообразного водорода и активной регенерации фильтра-нейтрализатора 3 предусмотрена общая жидкостная система охлаждения. Циркуляционный насос 20 последовательно прокачивает охлаждающую жидкость через контуры охлаждения форсунок 14 и 18 и теплообменник 22, предназначенный для рассеивания тепла. Тепловое расширение охлаждающей жидкости компенсируется расширительным бачком 21. Система охлаждения поддерживает рабочий диапазон температур форсунок 14 и 18 на всех режимах работы системы нейтрализации.

В такой системе нейтрализации, уровень очистки отработавших газов от оксидов азота составляет не ниже 50% при температуре восстановления не выше 400°С. Фильтр-нейтрализатор 3 с системой регенерации обеспечивает очистку от дисперсных частиц не ниже 65% при температуре 350°С. Окислительный нейтрализатор обеспечивает очистку от оксида углерода и углеводородов не ниже 60% при температуре 350°С. Уровень сокращения вредных выбросов приведен относительно выбросов двигателя, соответствующего требованиям экологического стандарта Евро-4.

Конструкция элементов системы нейтрализации обеспечивает общее газодинамическое сопротивление не более 1200 мм вод. ст.

1. Система нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя, содержащая фильтр-нейтрализатор дисперсных частиц, систему дозирования газообразного водорода, нейтрализатор селективного восстановления оксидов азота, отличающаяся тем, что она снабжена окислительным нейтрализатором для очистки отработавших газов от оксида углерода и углеводородов, системой активной регенерации фильтра-нейтрализатора дисперсных частиц, размещенной между окислительным нейтрализатором и фильтром-нейтрализатором, системой дозирования газообразного водорода, выполненной с регулирующей арматурой и смесителем газообразного водорода, установленным перед нейтрализатором селективного восстановления оксидов азота, причем все системы размещены последовательно в линии выпуска дизельного двигателя, при этом для поддержания температурного режима форсунок система активной регенерации фильтра-нейтрализатора и дозирования газообразного водорода снабжена жидкостным охлаждением, а для непрерывного управления системой нейтрализации и контроля ее параметров снабжена комплексом датчиков.

2. Система нейтрализации по п.1, отличающаяся тем, что система активной регенерации фильтра-нейтрализатора дисперсных частиц состоит из топливного бака, насоса-дозатора, смесителя топлива и форсунки.

3. Система нейтрализации по п.1, отличающаяся тем, что система дозирования снабжена газовым баллоном для хранения газообразного водорода.

4. Система нейтрализации по п.1, отличающаяся тем, что регулирующая арматура системы дозирования газообразного водорода состоит из регулятора давления, обратного, дросселирующего, предохранительного и электромагнитного клапанов и газового расходомера.

5. Система нейтрализации по п.1, отличающаяся тем, что система жидкостного охлаждения состоит из циркуляционного насоса, расширительного бачка и теплообменника.

6. Система нейтрализации по п.1, отличающаяся тем, что комплекс датчиков контролирующих параметры системы нейтрализации состоит из кислородного датчика, датчиков температуры до и после фильтра-нейтрализатора, датчиков перепада давления и концентрации оксидов азота.