способ каталитической нейтрализации отработавших газов в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ каталитической нейтрализации отработавших газов в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания металлическими окислительно-восстановительными катализаторами, заключающийся в использовании в качестве окислительно-восстановительных катализаторов окисных соединений широко распространенных дешевых металлов, отличающийся тем, что используют растворы окисных соединений, добавляемых в топливо, причем подачу раствора в топливный бак осуществляют посредством сигнала электронного блока управления в дозатор, а перемешивание раствора с топливом осуществляют при наливе топлива в бак или при движении автомобиля.

2. Устройство для каталитической нейтрализации отработавших газов в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания, состоящее из дозирующего и диспергирующего топливо устройства, электронного блока управления, соединенного с воздушным дозатором, кислородным датчиком и указателем уровня топлива, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит баллон, рассчитанный на избыточное давление 3 МПа, создаваемое сжатым инертным газом, в котором находится раствор окислительно-восстановительных катализаторов под давлением 1 МПа в количестве 2/3 его объема, дозатор раствора, трубопровод для подачи его в топливный бак.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а именно к системам питания двигателя внутреннего сгорания.

Известен способ каталитической нейтрализации отработавших газов (ОГ) с помощью каталитических нейтрализаторов (КН) в системе нейтрализации ОГ (СНОГ). Широкое распространение получили КЕН на основе благородных металлов - платины и палладия. Так, в США на эти цели ежегодно расходуется более 40 тонн платины (О.И.Жегалин, П.Д.Лупачев. Снижение токсичности автомобильных двигателей. - М.: Транспорт 1985, с. 65). Значительно меньше применяются КН на основе окисных катализаторов (ОК) Fe₂O₃, CuO, MnO₂, NiO и др. (Химическая энциклопедия, 1988, т. 1, с. 326). Известно также, что попадание окислов железа (FeO(OH)) в систему питания ДВС в составе "ржавого" бензина приводит к исчезновению CO в ОГ ("Изобретатель и рационализатор", М., 1989 г., стр. 7).

Однако способ нейтрализации ОГ с применением благородных металлов имеет следующие недостатки:

1. Высокая стоимость КН и его системы температурного контроля, составляющая около 15% цены автомобиля.

2. Невозможность использования КН при питании ДВС этилированным бензином, широко распространенным в России.

3. Необходимость использования электронной системы контроля и управления температурным режимом КН.

4. Малая скорость термохимических процессов при невысоких температурах и давлении в системе выпуска ОГ.

5. Необходимость включения в СНОГ стартового нейтрализатора для обеспечения более полной очистки ОГ.

6. Падение степени очистки ОГ к концу срока эксплуатации КН (80 тыс. км) до 50% от исходной и менее того.

Для устранения указанных недостатков предложены двухтопливные системы питания ДВС, в которых добавление природного и сжиженного нефтяного газа, метанола, этанола к бензину значительно снижает токсичность ОГ (О.И.Жегалин и др. Снижение токсичности автомобильных двигателей. - М.: Транспорт, 1985, с. 56). Так, добавление метанола (15%) и изобутанола (10%) к бензину снижает токсичность ОГ в среднем на 40% (И.И.Карбанович. "Экономия автомобильного топлива", "Транспорт", М., 1992 г., стр. 42).

Известен способ каталитической нейтрализации отработавших газов двигателя внутреннего сгорания катализаторами, заключающийся в использовании в качестве окислительно-восстановительных катализаторов (ОВК) окисных соединений широко распространенных дешевых металлов (см. Орлин А.С. и др. Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1985, с. 29).

Недостаток известного способа заключается в недостаточной эффективности очистки.

Известно устройство для каталитической нейтрализации отработавших газов в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания, состоящее из дозирующего и диспергирующего топлива устройства, электронного блока управления, соединенного с воздушным дозатором и кислородным датчиком (см. патент РФ N 2065529 МПК F 02 M 27/06, 1996).

Однако это устройство имеет следующие недостатки:

1. Невозможность близкой к полной очистки ОГ в соответствии с нормами США 1983 г., а также европейскими стандартами.

2. Необходимость реконструкции заправочных станций для одновременной заправки двумя и более видами топлива.

Задачей изобретения является высокая степень нейтрализации ОГ в цилиндрах ДВС с использованием дешевых катализаторов на основе окислов Fe, Cu, Mn, Ni и других металлов в составе добавок к топливам, поддержание 100% нейтрализации ОГ в течение всего срока эксплуатации автомобиля, равная степень нейтрализации ОГ на всех режимах работы ДВС, работоспособность СНОГ при использовании бензина с добавлением антидетонационных добавок (АДД), исключение необходимости в устройствах контроля термического режима СНОГ, снижение стоимости СНОГ за счет отказа от использования благородных металлов, уменьшение веса и размеров компонентов СНОГ.

Поставленная задача в части способа решается тем, что в способе каталитической нейтрализации отработавших газов в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания металлическими окислительно-восстановительными катализаторами, заключающемуся в использовании в качестве окислительно-восстановительных катализаторов окисных соединений широко распространенных дешевых металлов, согласно изобретению используют растворы окисных соединений, добавляемых в топливо, причем подачу раствора в топливный бак осуществляют посредством сигнала электронного блока управления к дозатора, а перемешивание раствора с топливом осуществляют при наливе топлива в бак или при движении автомобиля.

Поставленная задача в части устройства решается тем, что устройство для каталитической нейтрализации отработавших газов в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания состоит из дозирующего и диспергирующего топливо устройства, электронного блока управления, соединенного с воздушным дозатором, кислородным датчиком и указателем уровня топлива, причем устройство дополнительно содержит баллон, рассчитанный на избыточное давление 3 МПа, создаваемое сжатым инертным газом, в котором находится раствор окислительно-восстановительных катализаторов под давлением 1 МПа в количестве 2/3 его объема, дозатор раствора, и трубопровод для подачи его в топливный бак.

На чертеже изображена схема расположения основных деталей устройства, состоящего из всасывающего трубопровода 1 со входным 2 и выходным 3 патрубками дозирующего и диспергирующего устройства 4 (например, циклонный гомогенизатор по патенту РФ N2065529), регулирующего подачу топлива с помощью педали акселератора 5, находящегося во входном патрубке 2 воздушного дозатора 6, баллона 7 с раствором ОВК, соединенного через дозатор 8 с топливным баком 9, в котором находится указатель уровня топлива 10, кислородного датчика (КД) 11 в системе выхлопа, электронного блока управления (ЭБУ) 12, трубопровода 13 подвода раствора ОВК к дозатору 8 топливного трубопровода 14.

Устройство работает следующим образом. При наполнении топливного бака 9 пол электрическому сигналу от указателя уровня топлива 10 к ЭБУ 12 подается информация об увеличении объема топлива в баке. ЭБУ 12 электрическим сигналом к дозатору 8 подает раствор из баллона 7 через трубопровод 13 и дозатор 8 в топливный бак 9. При опорожнении бака 9 любым способом (отток к дозирующему устройству 4 или отсос через наливной патрубок) никакая информация в ЭБУ 12 не подается. В процессе налива топлива в бак и при движении автомобиля происходит механическое смешение раствора ОВК с топливом. Количество раствора ОВК в баллоне 7 рассчитывается из следующих соображений: например, при расходе топлива 6-7 килограммов на 100 км пробега автомобиля среднего класса для обеспечения расхода ОВК из расчета 1 мл раствора на 10 кг топлива для возможности пробега 80 тыс. км (средний срок службы КН на благородных металлах) необходимо 560 мл раствора. Таким образом, баллона объемом 1 л, заполненного на 2/3 раствором ОВК под избыточным давлением сжатого инертного газа (например, азота) в 1 МПа, достаточно для обеспечения нейтрализации ОГ при пробеге автомобиля более чем на 95 тыс. км. Для упрощения дозирования раствор ОВК подается с помощью сигналов из ЭБУ 12 по 1 мл на каждые 10 кг наливаемого в бак топлива. Воздействием на педаль акселератора 5 устройство 4 регулирует подачу топлива по трубопроводу 14 в выходной патрубок 3 всасывающего трубопровода 1, где и происходит образование топливо-воздушной смеси (ТВС) при смешении с воздухом.

В процессе сгорания ТВС в цилиндрах ДВС при температурах 1800 - 2500 К и давлении 3 - 6 МПа скорость протекания окислительно-восстановительных реакций (ОВР) в присутствии микродобавок ОВК возрастает на несколько порядков по сравнению с процессами в КН на благородных металлах при температурах 400 - 800 К и давлении около 0,2 кПа. Для осуществления катализа при указанных условиях в состав топлива достаточно добавлять несколько микрограммов ОВК на 1 кг топлива в растворе с концентрацией, например, 5 - 10% на незамерзающем выносителе (растворителе). Одновременно протекающие процессы сгорания топлива и нейтрализации ОГ требуют большего количества кислорода. Система стабилизации состава ТВС по принципу замкнутого контурного регулирования с КД в системе выпуска ОГ (feed-back по кислороду) обеспечивает увеличение подачи воздуха (т.е. и кислорода) для одновременного и полного завершения этих процессов в цилиндрах ДВС при = 1,0. Однако конкурентно протекающие процессы горения топлива и нейтрализации ОГ приводят к умеренному недостатку кислорода для процесса сгорания топлива, происходящего при = 0,9-0,95, при котором достигается максимальная мощность ДВС, в то время как количества C_n, H_m, NO_x и CO минимальны, что требует меньшего количества кислорода для процессов нейтрализации ОГ в цилиндрах ДВС. Использование КД и системы стабилизации состава ТВС, обеспечивающих > 1,2, приведет к сгоранию топлива при оставшийся при этом кислород будет принимать участие в ОВР продуктов сгорания топлива. В процессе эксплуатации автомобиля на развитой поверхности тракта выхлопа в составе нагара оседают окисные соединения вводившихся с топливом ОВК, что увеличивает интенсивность процессов нейтрализации ОГ. Для окончательного доокисления и нейтрализации ОГ возможно введение в СНОГ термического нейтрализатора с добавочным воздухом, толерантного к наличию ТЭС в ОГ. Находящийся в тракте выхлопа КД 11 подает электрический сигнал в ЭБУ 12, который сигналом к воздушному дозатору 6 регулирует необходимое количество воздуха (кислорода).

Замена баллона с раствором ОВК может производиться при одном из очередных ТО на станциях техобслуживания.

Добавление раствора ОВК может производится также и централизованно в процессе производства топлива на нефтеперерабатывающих заводах. В этом случае баллон 7 и дозатор 8 исключаются или отключаются.

Эффект предлагаемого способа и устройства заключается в высокой степени нейтрализации ОГ при высоких температурах и давлении в цилиндрах ДВС; поддержании 100% нейтрализации ОГ в течение всего срока эксплуатации автомобиля; равной степени нейтрализации ОГ на всех режимах работы ДВС; работоспособности СНОГ при использовании бензина с добавлением АДД; исключение необходимости в устройствах контроля термического режима СНОГ; снижении стоимости СНОГ за счет отказа от использования благородных металлов; уменьшении веса и размеров компонентов СНОГ.