Способ уменьшения вредных выбросов в двигателях внутреннего сгорания

 

Использование: при холодных запусках двигателя, имеющего дожигатель, установленный перед каталитическим нейтрализатором по ходу течения газов. Сущность: способ включает в себя операции дополнительного избытка топлива в заряд горючей смеси двигателя и добавления воздуха для того, чтобы они попали в выхлопные газы двигателя и обеспечили присутствие в смеси выхлопных газов и воздуха непосредственно после того, как в двигателе произошло первое зажигание, водорода и кислорода в концентрациях, достаточных для воспламенения и горения в виде стабильного пламени в дожигателе полученной смеси выхлопных газов и воздуха при температуре, близкой к температуре окружающей среды, и зажигания указанной смеси выхлопных газов и воздуха в дожигателе непосредственно после того, как в двигателе произошло первое зажигание. В предпочтительном варианте осуществления изобретения ввод избыточного топлива и/или дополнительного воздуха регулируют после того, как произошло зажигание в зажигателе, до момента времени, пока часть основы каталитического нейтрализатора не достигнет его температуры разжигания. 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу работы двигателя внутреннего сгорания, оснащенного дожигателем, для снижения уровня выбросов во время его запусков из холодного состояния.

Предпосылки к созданию изобретения.

Любой каталитический нейтрализатор выхлопных газов служит лишь для снижения уровня несгоревших углеводородов, окиси углерода и окиси выхлопных газов, содержащих азот, после того как произошел нагрев до критической температуры, называемой температурой разжигания, находящейся в интервале 300-400^oC. Во время запусков двигателя из холодного состояния важно свести к минимуму интервал времени, при котором температура данного катализатора поднимется до указанного значения, что само по себе особенно важно, поскольку циклы испытаний для определения токсичности выхлопа газов по законодательству различных стран обязательно включают требование к запуску двигателя из холодного состояния.

Известны различные решения для уменьшения времени разжигания катализатора. Простейшим техническим решением является размещение катализатора в непосредственной близости от двигателя с тем, чтобы осуществлять нагрев за счет выхлопных газов. Данный способ установки катализатора, обычно именуемый контактным, приводит к созданию проблем при работе двигателя в режиме высоких оборотов и нагрузок. При таких режимах работы температура выхлопных газов может превышать 850^oC, которой достаточно, чтобы вызвать необратимый выход из строя этого катализатора. Поэтому предпочтительно использовать катализатор, установленный на некотором расстоянии от корпуса двигателя, обычно именуемый подкорпусным катализатором, и не прибегать к применению контактного катализатора. Такой способ установки обеспечивает безопасность и надежность работы в режимах высоких оборотов и высоких нагрузок, однако усугубляет проблему прогрева, поскольку выхлопные газы охлаждаются прежде, чем они достигнут катализатора во время фазы запуска.

Для ускорения скорости прогрева каталитического нейтрализатора выхлопных газов предлагалось использовать внешний источник нагрева, включая электронагреватели и микроволновые нагреватели. Однако эти решения предполагают существенное повышение стоимости и усложнение конструкции, в частности, когда это оценивается с точки зрения энергетических затрат, составляющих порядка 2-3 кВт, что при бортовом электропитании 12 В требует создания тока порядка от 166 до 250 А.

Также известно техническое решение для уменьшения времени разжигания катализатора с использованием химической энергии, согласно которому осуществляют инжекцию топлива внутрь выхлопной трубы с последующим его зажиганием. В данном варианте трудность состоит в том, что смесь бензина и воздуха не всегда надежным образом зажигается при смешивании с выхлопными газами двигателя, а если это не удается, то они создают проблему охлаждения катализатора, и опасного выброса углеводородов через выхлопную трубу. Возникают и дополнительные трудности, связанные с необходимостью обеспечения мер безопасности, т. е. выполнение отверстия для подвода топлива внутрь выхлопной трубы представляет непосредственную угрозу для работы.

Известно и другое техническое решение, согласно которому предложено использовать так называемый термический дожигатель отработанных газов, в котором воздух инжектируют в выхлопной поток в непосредственной близости от выхлопного отверстия для перехвата выхлопных газов, находящихся еще в горячем состоянии. Если заданная смесь слегка обогащена, то в выхлопных газах продолжается реакция сгорания топлива, хотя и с меньшей скоростью, в результате этого возрастает температура в системе выброса выхлопных газов и уменьшается время подогрева каталитического нейтрализатора выхлопных газов. Несмотря на работоспособность данного решения, преимущества, вытекающие из его использования, имеют лишь ограниченный характер. Обычно интервал времени разжигания удается уменьшить до 2 мин, которого по-прежнему недостаточно для выполнения требований самых строгих, официально разрешенных норм по уровню выхлопа отработанных газов.

Известно еще одно техническое решение, связанное с применением дожигателя. В этом случае двигатель по- прежнему работает на богатой смеси и в поток выхлопных газов вводят свежий воздух, причем в этот момент времени производят зажигание этой смеси, например, при помощи искры для того, чтобы горение происходило внутри камеры, расположенной непосредственно по направлению газового потока в нейтрализаторе.

Важно видеть различие между реакцией, инициируемой в дожигателе путем поджога смеси, и реакцией, которая обычно происходит на поверхности каталитического нейтрализатора. Что касается дожигателя, то здесь создают светящееся открытое пламя, которое распространяется внутри газов и не связано с поверхностью. Данный процесс зажигания можно инициировать при помощи искры растопочного факела или просто путем использования нагретого каталитического элемента. Будучи зажженным, данное пламя не ограничивается этим зажиганием и при этом газы горят, как это имело бы место в незамкнутом пространстве.

Принцип работы дожигателя сам по себе не нов и еще с 1967 года известно, что при наличии условий контроля он может повторно воспламенять топливо в выхлопной смеси. В сообщении С.Д. Хейнес, опубликованном Научно-исследовательской ассоциацией Великобритании в области двигателей (MIRA) в форме доклада N 1967/5, помещено одно из ранних предложений использовать дожигатель как средство для снижения загрязнений внешней среды, т.е. тепло, вырабатываемое в нем, просто рассеивали на теплоотвод. Несомненно, в качестве теплоотвода могла служить основа каталитического нейтрализатора выхлопных газов с тем, чтобы дожигатель мог влиять на уменьшение времени разжигания этого каталитического нейтрализатора.

Применение дожигателя для нагрева выхлопных газов перед тем, как они достигнут каталитический нейтрализатор, предложено, в частности, в пат. США N 3889464, согласно которому указанное топливо для дожигателя не берется из выхлопных газов. В развитие этой идеи, описанной в пат. ЕПВ N 0 422 432, предложено использовать частично сгоревшие продукты сгорания выхлопных газов для подачи топлива в дожигатель. Согласно последнему предложению эффективность смеси, подводимой к двигателю, обогащали путем отвода некоторой дозы воздуха для непосредственной ее подачи внутрь выхлопной трубы.

На данный момент времени использование дожигателя является самым эффективным техническим решением для нагрева каталитического нейтрализатора выхлопных газов с целью уменьшения времени его разжигания. При работающем на умеренно богатой рабочей смеси двигателе и дополнительном вводе свежего воздуха по ходу горячих выхлопных газов после прогрева системы выброса выхлопных газов обеспечивается возможность повторного разжигания смеси, поскольку в этой системе выброса по-прежнему имеет место так называемая реакция холодного пламени. Благодаря этому обеспечивается сокращение времени на прогрев двигателя до величины, не превышающей минуты.

Тем не менее в известных в данной области техники решениях необходима некоторая временная задержка после запуска двигателя до момента загорания газов в дожигателе. Это объясняется тем, что когда двигатель и система выхлопа газов находятся в холодном состоянии, смесь, поступающая в дожигатель, потеряет большую часть тепловой энергии по пути к системе выброса и при этом будет нейтрализована любая реакция холодного пламени, имеющая место в газах в момент выхода из двигателя во время прохождения через холодный выхлопной патрубок и далее по трубе, и это состояние нейтрализации будет еще более усиливаться при инжекции дополнительного холодного воздуха в поток выхлопных газов. В отсутствии реакции холодного пламени, которая, как известно, способствует зажиганию, это зажигание смеси выхлопных газов с отработанным воздухом невозможно. Необходимо выждать период времени, необходимый для прогрева выхлопной трубы до температуры, обеспечивающей протекание реакции холодного пламени, когда выхлопные газы достигнут зоны дожигателя. Сразу же за воспламенением дожигателя происходит быстрый разогрев нейтрализатора выхлопных газов до температуры его разжигания, однако в течение начальной фазы до момента зажигания дожигателя происходит выброс в атмосферу выхлопных газов, не очищенных ни дожигателем, ни каталитическим нейтрализатором.

Цель изобретения создание системы для зажигания дожигателя за минимально короткий промежуток времени после того, как в двигателе произойдет первое зажигание, для того чтобы преодолеть упомянутые недостатки известных в данной области техники решений и максимально уменьшить время разжигания каталитического нейтрализатора выхлопных газов.

Согласно изобретению предусматривается создание способа уменьшения общего выброса в результате сгорания углеводородного топлива во время запусков из холодного состояния двигателя, содержащего дожигатель, установленный по направлению потока перед каталитическим нейтрализатором, данный способ включает операции: дополнительного ввода избытка топлива в заряд горючей смеси двигателя и добавления воздуха для того, чтобы они попали в выхлопные газы двигателя и обеспечили присутствие в смеси выхлопных газов и воздуха непосредственно после того, как в двигателе произойдет первое зажигание, водорода и кислорода в концентрациях, достаточных для воспламенения и горения в виде стабильного пламени в дожигателе полученной смеси выхлопных газов и воздуха при температуре, близкой к температуре окружающей среды, и зажигания воздушно-выхлопной смеси в дожигателе сразу же после первоначального запуска двигателя.

В предпочтительном варианте смесь выхлопных газов и воздуха регулируют изменением избыточного топлива и/или дополнительного воздуха после того, как в двигателе произошло первое зажигание, для того чтобы поддержать стабильное пламя в дожигателе до момента, пока по меньшей мере часть основы каталитического нейтрализатора выхлопных газов не достигнет его температуры разжигания.

Минимальные уровни концентраций водорода и кислорода, необходимые для зажигания смеси выхлопных газов и отработанного воздуха в холодном дожигателе, создаваемые сразу же за первоначальным запуском двигателя для поддержания в нем стабильного пламени, зависят от конструкции дожигателя и условий прохождения через него газового потока. Минимальные значения концентраций водорода и кислорода, экспериментально полученные для тщательно перемешанной массы газа, взятой из смеси выхлопных газов и отработанного воздуха двигателя и поджигаемой при стационарных условиях внутри холодного испытуемого сосуда для сжигания, составили 3% и 6% соответственно. Однако в практике применения дожигателей обычной конструкции, в которых выхлопной поток двигателя имеет пульсирующий характер и в которых процесс смешивания с дополнительным воздухом выполняется не так тщательно, а также с учетом того, что условия протекания газов вокруг источника зажигания носят нестабильный характер, для зажигания требуется добавка существенно большей концентрации водорода порядка 5% и, как правило, 6% Для поддержания стабильного пламени после воспламенения можно использовать меньшие концентрации, однако даже эти уровни должны находиться намного выше минимальных значений 3% и 6% для водорода и кислорода соответственно. По всему тексту описания изобретения концентрации газа, выраженные в процентах, приведены по объему, а не по массе.

В известных решениях не учитывалось существенное влияние водорода для выхлопной смеси и поэтому концентрации водорода не приводились. Однако, исходя из концентрации окиси углерода, на снижение которого направлены усовершенствования, запатентованные в известных технических решениях, можно сделать вывод, что концентрация водорода в них составляла менее 3% что находится ниже минимального порога воспламеняемости даже при идеальных условиях и существенно меньше, в два раза, уровня концентрации водорода, необходимого для процесса зажигания в реальном дожигателе согласно настоящему изобретению.

Исходя из этого, понятно, что механизм реакции, имеющий место в известных решениях, существенно отличается от того, на который опирается настоящее изобретение. В известном уровне технике делается упор на то, что если не допускать охлаждение выхлопных газов при прохождении через охлажденную систему выхлопных газов, то при поступлении в дожигатель эти горячие, частично сгоревшие компоненты по-прежнему взаимодействуют друг с другом с меньшей интенсивностью, и при этих условиях процесс сгорания в выхлопных газах можно реактивировать с помощью горячих регенерирующих углеводородов и окиси углерода при условии достаточности кислорода и наличии источника для зажигания.

Однако до того, как процесс воспламенения в дожигателе станет возможным, необходимо запустить на некоторое время двигатель для его прогрева и в течение этого времени несгоревшие продукты углеводородов удаляются из системы выброса выхлопных газов. Повышение степени обогащения смеси и добавочный подвод воздуха способствовал бы возрастанию активности тепловых реакций между газами в выхлопной трубе и тем самым приводил бы к уменьшению времени прогрева системы выброса выхлопных газов. Однако такой характер протекания тепловой реакции сделал бы еще более трудным процесс включения дожигателя в режим горения в результате снижения уровня концентрации воспламеняющихся газов в смеси, поступающей в дожигатель.

Процесс обогащения смеси, подаваемой в двигатель для того, чтобы еще больше повысить уровень концентрации окиси водорода и несгоревших углеводородов внутри смеси, поступающей на дожигатель, не приведет к существенному сокращению времени прогрева двигателя (особенно когда двигатель работает на холостом ходу согласно первой части испытательного цикла для определения токсичности выхлопа согласно законодательным нормам), а вызовет существенное увеличение уровня концентрации несгоревших углеводородов, выбрасываемых до запуска дожигателя и окажется просто вредным.

Главный принцип известного решения заключается в том, что пока основная работа дожигателя опирается на подвод к нему окиси углерода или углеводородов в качестве топлива, увеличение степени обогащения топлива, подаваемого для работы двигателя в начальной стадии прогрева для повышения концентрации этих газов в выхлопной трубе, привело бы лишь к повышению суммарных выбросов из системы выхлопных газов до момента зажигания дожигателя. В изобретении эту проблему удалось решить путем использования другого механизма зажигания дожигателя, впервые учитывая значимость воздействия водорода, если его присутствие соответствует достаточным уровням концентрации.

Преимущество изобретения по сравнению с известными в данной области техники техническими решениями особенно очевидно на примере рассмотрения явлений, протекающих после первоначального запуска двигателя. В известном решении согласно циклу испытаний, предусмотренным правовыми нормами, в течение которого замеряются уровни концентрации выхлопного газа, в первые 20 c испытательного цикла на холостом ходу зажигание двигателя невозможно, поскольку выхлопные газы находятся в холодном состоянии. Когда легковая машина находится под нагрузкой, происходит быстрый подъем температуры газов в дожигателе, и она достигает уровня, при котором спустя несколько секунд в дожигателе осуществляется зажигание. В рабочем режиме сам дожигатель уменьшает выброс углеводородов, что способствует увеличению отдачи смеси с последующим увеличением количества генерируемого тепла для нагрева каталитического нейтрализатора. Поэтому общее время зажигания каталитического нейтрализатора выхлопных газов превышает или соответствует 30 с после первоначального запуска двигателя.

Согласно изобретению обогащение смеси производят в период прокручивания коленчатого вала, либо сразу после этого для того, чтобы добиться требуемых уровней концентрации водорода, при этом осуществляют мгновенное зажигание дожигателя. Для этого требуется весьма тщательно произвести обогащение топлива, подводимого к двигателю, строго задав условие по количеству топлива в заряде горючей смеси, которое в два раза больше, чем при стехиометрии. Принимая во внимание тот факт, что в создании горючей смеси участвует не все инжектируемое топливо из-за эффекта смачивания стенок, фактически уровень обогащения смеси требуется сделать еще более высоким.

На практике через интервал времени менее секунды после первого запуска двигателя наблюдался процесс неуправляемого загорания, за которым следовал устойчивый факел, полностью охватывающий камеру дожигателя. В пределах 5 c передняя поверхность каталитического нейтрализатора на выходе дожигателя приобретала красный цвет, и для предотвращения перегрева катализатора требовалось погасить дожигатель. Таким образом, согласно изобретению, несмотря на существенные отличия, связанные с дополнительной заправкой топливом двигателя, суммарные выбросы не сгоревших продуктов углеводородов, перед тем как они попадут в атмосферу, сжигаются за счет мгновенного включения в работу дожигателя, а как только происходит гашение дожигателя, данную функцию очистки выхлопных газов берет на себя каталитический нейтрализатор выхлопных газов. С другой стороны, в известных технических решениях неочищенные газы выбрасываются в атмосферу в течение первых 30 c работы двигателя, когда уровень выбросов продуктов углеводородного содержания является самым вредным и представляет собой основную часть этих выбросов, фиксируемых в течение всего цикла испытаний.

Для более четкого понимания изобретения будет весьма полезным углубленный анализ природы газов в смеси выхлопных газов и воздуха. В период запуска двигателя с богатой смесью выхлопные газы содержат продукты сгорания, включающие окись углерода, не сгоревшие углеводороды и водород, растворимые газы в виде двуокиси углерода, азота и воды. Наличие водорода в выхлопных газах не принималось во внимание в известных в данной области решениях, поскольку сам водород не является продуктом горения, а обычно сгорает попутно с любыми другими имеющимися газами. Причина присутствия водорода объясняется тем, что при высоких температурах и давлениях после сгорания богатой смеси внутри камеры сгорания двигателя продукты этого горения среди прочих компонентов содержат смесь окиси углерода и пара, вступающие в равновесную реакцию CO+H₂O CO₂+H₂, известную как реакция водяного газа. Образованный в результате этого процесса водород впоследствии замерзает в том случае, когда при расширении температура и давление внезапно падают в результате истечения газов во время такта выхлопа двигателя. Этот водород будет присутствовать в выхлопных газах, и его концентрация будет зависеть от соотношения H/C углеводородного топлива и концентрации окиси углерода, образованной в процессе сгорания богатой смеси.

Каждый из продуктов сгорания в выхлопных газах обладает пороговой концентрацией (пределом воспламеняемости), ниже которой в холодном состоянии образование ими воспламеняемой смеси невозможно. При смешивании воздуха с выхлопными газами кислород, присутствующий в этой смеси, также должен достичь пороговой концентрации, причем для зажигания каждой компоненты топлива этот параметр имеет собственную величину. Необходимо также помнить, что по мере подачи свежего воздуха в поток выхлопных газов концентрация продуктов сгорания в смеси понижается, а концентрация кислорода в смеси делится между воздухом и выхлопными газами.

Что касается концентраций не сгоревших углеводородных продуктов и окиси углерода, а также концентрации кислорода в смеси выхлопных газов и отработанного воздуха, было обнаружено, что в выхлопных газах двигателя, смешанных с дополнительным воздухом, не удается образовать достаточное количество этих продуктов для того, чтобы одновременно добиться пороговых концентраций для воспламенения смеси при температурах окружающей среды даже с учетом точно выполненной дозировки. По этим причинам техническое решение задачи согласно изобретению нельзя свести к экстраполяции результатов, полученных на основе известных в данной области техники решений.

Наоборот, данное изобретение базируется на выявлении той особенности, что путем подачи в двигатель весьма богатой смеси в выхлопных газах обеспечивается достаточное количество водорода, который при смешивании с дополнительным объемом воздуха позволяет одновременно получить такие концентрации водорода и кислорода, которые полностью укладываются в предел воспламеняемости водорода при окружающей температуре. Поэтому стало возможным добиться мгновенного зажигания выхлопных газов в дожигателе путем подачи в двигатель требуемой избыточно богатой смеси в течение короткого промежутка времени и тем самым устранить недостатки режима работы известных технических решений.

Понятно, что как только произошел процесс зажигания, дожигатели как известных решений, так и по настоящему изобретению будут быстро, в пределах нескольких секунд, нагревать каталитический нейтрализатор выхлопных газов до температуры разжигания. Главное отличие известных решений и решения по изобретению заключается в технике, применяемой для зажигания. С использованием водорода процесс зажигания происходит мгновенно и не зависит от скорости прогрева системы выброса выхлопных газов. Кроме того, экспериментальным путем было подтверждено, что эффективность данного изобретения распространяется на широкий диапазон рабочих температур, включая отрицательные температуры.

Такое сильное обогащение топлива, подводимого к двигателю, однако, может вызвать нестабильный запуск двигателя и отложение в камере сгорания двигателя тяжелых частиц углерода. Поэтому сразу же после процесса зажигания внутри дожигателя рекомендуется уменьшать уровень обогащения смеси, причем полученные концентрации водорода и кислорода по-прежнему сохраняются выше 3% и 6% соответственно, что позволяет удерживать стабильное состояние пламени.

Работа дожигателя может осуществляться одновременно с прокручиванием коленчатого вала двигателя, поскольку согласно изобретению можно добиться зажигания в зажигателе сразу же после запуска двигателя. Однако совсем не обязательно выполнять регулировку двигателя путем подвода избыточно богатой смеси перед прокручиванием коленчатого вала и данная процедура может быть выполнена сразу же после запуска двигателя. Эта операция может потребоваться при условии, когда на запуск двигателя отрицательно влияет избыточно богатая смесь.

В двигателе внутреннего сгорания с принудительным зажиганием и однородной горючей смесью избыточное количество водорода в выхлопной трубе можно обеспечить путем подачи в двигатель избыточно богатой смеси.

Способ осуществления изобретения может незначительно отличаться от описанного, когда он используется на двигателе со слоистым распределением зарядной смеси. Примерами таких двигателей являются такие типы двигателей, в которых инжекция топлива непосредственно производится в камере сгорания, например, четырехтактный двигатель марки FORD PROCO, двухтактный двигатель марки ORBITAL, а также дизельные двигатели.

Эффект стратификации зарядной смеси заключается в создании внутри камеры сгорания зонных участков с богатой и слабой смесью. Богатые участки служат для формирования водорода, а слабые участки способствуют тому, чтобы в системе выброса выхлопных газов присутствовал кислород, наличие которого необходимо для смешивания с водородом для формирования воспламеняемой смеси. В таких двигателях может не требоваться обогащение смеси или даже подачи дополнительного воздуха внутрь системы выброса отработавших газов. Однако может оказаться, что операция дросселирования впуска необходима для того, чтобы понизить содержание воздуха в камере сгорания.

В двухтактном двигателе с впрыскиванием топлива в цилиндр временной цикл инжектирования сопровождается задержкой, что позволяет осуществлять подачу топлива непосредственно в систему выхлопа газов. Данный метод может использоваться для увеличения количества тепла, выделяемого после включения дожигателя в работу.

На фиг. 1 изображен схематично двигатель с системой подачи топлива и выброса газов для реализации изобретения; на фиг. 2 график изменения уровня концентрации водорода и кислорода в дожигателе в зависимости от соотношения воздух/топливо, подаваемых на двигатель, и соотношение воздух/топливо, подаваемых совместно на двигатель и систему выброса; на фиг. 3 графическая зависимость суммарных выбросов двигателя с дожигателем во время начальной фазы испытательного цикла для определения в соответствии с правовыми нормами токсичности выброса от соотношения топливо/воздух, подаваемых на двигатель.

На фиг.1 изображен двигатель 12, к которому через расходомер 22 подведен воздух, подача которого регулируется дроссельным клапаном 24 в виде заслонки. Топливо вводят в воздушный поток при помощи инжектора 20. Выхлопные газы из двигателя отводят по трубе 14 для ввода в каталитический нейтрализатор выхлопных газов, выполненный в виде двух блоков 10а и 10b, перед которыми установлен дожигатель 16, содержащий искровой воспламенитель 18. Воздух вводят в поток отработавших газов, текущий в выхлопной трубе 14, с использованием насоса 30. Дополнительный поток воздуха регулируют при помощи клапана 32.

В процессе нормальной работы двигатель функционирует при стехиометрической величине соотношения топлива к воздуху, причем в выхлопной поток не вводят никакого воздуха. Дожигатель 16 не работает, и трехканальный каталитический нейтрализатор выхлопных газов будет удовлетворительно работать по очистке выхлопных газов в обычном режиме. После начала химической реакции внутри нейтрализатора и достижения в нем температуры его разжигания в результате протекания экзотермической реакции внутри нейтрализатора поддерживается высокая температура выхлопных газов, которая обеспечивает поддержание в нейтрализаторе уровня температуры, необходимого для самостоятельной его работы без помощи дожигателя 16.

Назначение дожигателя заключается в том, чтобы уменьшить интервал времени разжигания каталитического нейтрализатора 10а, 10b.

В пусковом режиме работы двигатель функционирует на богатой топливной смеси в результате подвода через инжектор 20 избыточного топлива для того, чтобы обеспечить в потоке отработавших газов наличие продуктов сгорания; ввод дополнительного воздуха, нагнетаемого насосом 30, служит для смешивания этих продуктов с целью создания горючей смеси, а искровой воспламенитель 18 в дожигателе 16 поджигает эту смесь для образования факела, который подогревает блок 10а нейтрализатора. Изобретение относится к регулированию количества избыточного топлива и дополнительного нагнетаемого воздуха с целью максимального сокращения времени загорания смеси в дожигателе 16 после начального запуска двигателя.

На фиг. 2 представлена графическая диаграмма изменений концентраций водорода и кислорода в дожигателе в зависимости от подачи смеси воздуха и топлива только в двигатель, а также совмещенная смесь воздух/топливо, подводимая совместно к двигателю и система выхлопа газов. На вертикальной оси графика нанесены пределы богатых смесей, подаваемых в двигатель, на горизонтальной оси справа представлены пределы совмещенных бедных рабочих смесей, когда в общий химический баланс воздух/топливо включен дополнительно нагнетаемый воздух на стадии выхлопа. Дожигатель во всех случаях должен функционировать в зоне справа от вертикальной оси для того, чтобы обеспечить наличие избыточного воздуха в дожигателе для полного протекания реакции со всеми горючими газами: водорода, окиси углерода и углеводородами.

На графике фиг. 2 представлены линии постоянных уровней концентрации кислорода и водорода в дожигателе при различных режимах работы двигателя и дожигателя. Можно также провести на этом графике линии постоянного уровня окиси углерода и линии постоянного уровня углеводородов, однако здесь на графике они отсутствуют. При помощи изобретения задается наличие водорода и кислорода в качестве основного критерия для определения воспламеняемости смеси выхлопных газов и воздуха при окружающей температуре, когда последний также содержит горючие пропорции смеси окиси углерода и углеводородов наряду с негорючими фракциями двуокиси углерода, азота и воды. Путем отбора проб смесей выхлопных газов и воздуха, взятых из дожигателя при различных режимах работы, и приложения усилия для их возгорания после тщательной процедуры перемешивания при стационарных условиях в холодном испытательном сосуде для сжигания можно выделить граничную линию (предел воспламеняемости), связанную с затененной областью графика, на которой при идеальных условиях и окружающей температуре будет наблюдаться зажигание смеси выхлопных газов и воздуха.

Как можно видеть из фиг. 2, минимальные условия воспламенения смеси выхлопных газов и воздуха соответствуют объемной концентрации кислорода, превышающей 3% при одновременном превышении объемной концентрации кислорода 6% например, в точке С. Для того чтобы рассмотреть в перспективе известное в данной области техники решение, обратимся к рабочей точке A, которая использовалась для осуществления тепловой реакции в системе выхлопа, и к точке B, которая использовалась для зажигания дожигателя в момент, когда отработавшие газы удерживались в горячем состоянии с протеканием реакции. Ни в одной из этих точек не обеспечивается холодное зажигание отработавших газов. Даже положение точки C на практике не обеспечит поддержание процесса холодного зажигания, поскольку в обычной конструкции дожигателя это положение уступает идеальным условиям смеси и при использовании двигателя на практике требуется обратиться к точке D (где концентрация превышает 5% и, как правило, должна соответствовать 6%) для обеспечения надежного холодного зажигания. В момент, когда воспламенение уже произошло, можно снизить уровень обогащения топлива для того, чтобы вернуться к точке C, однако даже при таком близком подходе к границе воспламеняемости нельзя добиться удовлетворительной работы из-за риска возможного гашения пламени.

Следует учитывать, что абсолютные значения соотношения воздуха/топливо, указанные на графике фиг. 2, будут отличаться для различных марок топлива, что задается стехиометрией топлива. Однако уровни концентраций абсолютных значений водорода и кислорода, необходимые для надежного воспламенения и стабильного горения в дожигателе при температуре окружающей среды, будут оставаться одинаковыми независимо от примененной марки углеводородного топлива.

Улучшение, достигнутое в результате использования изобретения, наглядно показано на графике фиг. 3, на котором суммарные выбросы в процессе начальной фазы испытательного цикла для определения токсичности выброса в соответствии с установленными нормами показаны на графике в зависимости от роста соотношения топливо/воздух, подаваемых в двигатель. На фиг.2 представлены различные рабочие точки A-D этого графика. По мере обогащения смеси по ходу от точки A к точке B и далее к точке C не удается осуществить зажигание дожигателя до тех пор, пока двигатель не выведен на нагрузку после первых 20 c работы на холостом ходу в процессе испытательного цикла для определения токсичности выхлопа согласно нормативным требованиям. В течение всего этого времени неочищенные отработанные газы будут выбрасываться в атмосферу, причем с увеличением степени обогащения топлива будет возрастать концентрация углеводородов, которые в них содержатся. При еще большем обогащении смеси до некоторого порогового уровня, при котором концентрация водорода, имеющегося в отработавших газах, оказывается достаточной для минимального превышения качества идеальной смеси в дожигателе, происходит процесс мгновенного зажигания, однако процесс сгорания может быть отчасти нестабильным. Для обеспечения уверенной работы это пороговое значение с учетом мер безопасности повышают, например, до точки D, при этом мгновенное зажигание и стабильное горение обеспечивается при гораздо более высоком уровне концентрации водорода, и выхлоп газов, выбрасываемых в атмосферу, очень быстро уменьшается в результате сгорания в дожигателе, который нейтрализует этот объем выхлопов до разжигания каталитического нейтрализатора. После разжигания каталитический нейтрализатор берет на себя очистку выхлопных газов. Таким образом, критический период, когда ни дожигатель, ни каталитический нейтрализатор не функционируют, сводится к минимуму.

В известных решениях никогда не доходило до рассмотрения поведения в точке, в которой наблюдается внезапное изменение, свидетельствующее о переходе к другому механизму процесса воспламенения, обусловленного влиянием водорода и показанного графически на фиг. 3.

Без учета важнейшей роли водорода для зажигания и того порогового уровня его концентрации, который должен быть задан для реализации зажигания, никакая реализующая шаг за шагом экстраполяция известных решений с использованием дискретного увеличения обогащения топлива не изменила бы механизм зажигания, а просто привела бы к увеличению выбросов и сохранению нестабильной работы двигателя, а также к сильному сажеобразованию двигателя. Это, в свою очередь, вызвало бы появление серьезных проблем по управлению автомобилем и проявилось бы в большем уровне выбросов только в процессе начальной фазы для того, чтобы преодолеть допустимый предел, определяемый полным циклом испытаний в соответствии с установленными нормами. Все эти факторы можно успешно преодолеть при весьма высоких уровнях обогащения топлива согласно изобретению. Изобретение в предпочтительном варианте его реализации предусматривает крутой поворот в сторону обеспечения исключительно богатой смеси, но только в течение короткого периода времени, и это немедленно приводит к разжиганию горячей смеси в дожигателе, благодаря чему удается преодолеть недостатки известных устройств.

Формула изобретения

1. Способ уменьшения вредных выбросов в двигателях внутреннего сгорания во время запусков холодного двигателя, имеющего дожигатель, установленный по направлению потока перед каталитическим нейтрализатором выхлопных газов, включающий ввод избытка топлива в горючую смесь и добавления воздуха, отличающийся тем, что ввод избытка топлива в горючую смесь и добавление воздуха осуществляют в количествах, обеспечивающих присутствие в смеси выхлопных газов и воздуха непосредственно после того, как в двигателе произошло первое зажигание, водорода и кислорода в концентрациях, достаточных для воспламенения и горения в виде стабильного пламени в дожигателе полученной смеси выхлопных газов и воздуха при температуре, близкой к температуре окружающей среды, и зажигание воздушно-выхлопной смеси в дожигателе осуществляют после того, как в дожигателе произошло первое зажигание.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь выхлопных газов и воздуха регулируют изменением избыточного топлива и/или дополнительного воздуха после того, как произошло зажигание в дожигателе, для поддержания стабильного пламени в дожигателе до момента, пока по меньшей мере часть основы каталитического нейтрализатора не достигнет его температуры разжигания.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в момент зажигания или непосредственно перед ним объемное содержание водорода в смеси выхлопных газов и воздуха составляет более 5% а объемная концентрация кислорода составляет по меньшей мере 6% 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что вслед за зажиганием уменьшают объемную концентрацию водорода в смеси выхлопных газов и воздуха с сохранением ее на уровне выше 3% при этом объемную концентрацию кислорода сохраняют на уровне более 6% 5. Способ по пп.3 и 4, отличающийся тем, что регулирование подачи топлива осуществляют с обеспечением мгновенного изменения концентрацией водорода между ее нижним и верхним уровнями.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что обеспечивают непрерывную работу источника зажигания в течение интервала времени, требуемого для поддержания горения пламени в дожигателе.

7. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что избыток топлива подают в двигатель и добавляют достаточное количество воздуха в выхлопные газы в период проворачивания коленчатого вала.

8. Способ по любому из пп.1 6, отличающийся тем, что избыток топлива подают в двигатель и достаточное количество воздуха добавляют в выхлопные газы только после проворачивания коленчатого вала, когда в двигателе произошло первое зажигание.

9. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что пламя в дожигателе гасят после заданного интервала времени, достаточного для начала каталитической реакции в каталитическом нейтрализаторе выхлопных газов.

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в качестве двигателя используют двигатель внутреннего сгорания с принудительным зажиганием и однородной зажигательной смесью, в котором присутствие водорода в выхлопных газах обеспечено подачей в двигатель избыточно богатой однородной смеси, при этом дополнительный воздух добавляют непосредственно в поток выхлопных газов.

11. Способ по любому из пп.1 9, отличающийся тем, что в качестве двигателя используют двигатель со стратификацией заряда горючей смеси, в котором стратификация заряда горючей смеси образует внутри камеры сгорания зоны избыточно богатой или менее богатой по силе смесей, первая из которых служит для генерирования водорода, а другая способствует присутствию в системе выброса выхлопных газов кислорода, необходимого для создания горючей смеси.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что стратификацию заряда осуществляют путем непосредственного инжектирования топлива внутрь камеры сгорания.

13. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в качестве двигателя используют двигатель с принудительным зажиганием.

14. Способ по любому из пп.1 12, отличающийся тем, что в качестве двигателя используют компрессионный двигатель с зажиганием.

15. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в качестве двигателя используют двухтактный двигатель.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3