способ и устройство для уменьшения вредных компонентов и загрязняющих примесей в выхлопных газах двигателя

Формула изобретения

1. Устройство для уменьшения загрязняющих примесей в выхлопных газах двигателя, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, один источник света для получения энергии излучения с длиной волны, превращающей кислород воздуха, введенного в двигатель, в озон, трансформатор для приведения в действие, по меньшей мере, одного источника света, и соединитель для соединения трансформатора с электрической системой двигателя, при этом количество энергии излучения достаточно для образования озона в воздухе в количестве, достаточном для увеличения эффективности сжигания горючего в двигателе, с уменьшением, таким образом, количества углеводородов и монооксида углерода в выхлопных газах.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере, один источник света представляет собой лампу излучения ультрафиолетового света.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что лампа излучения ультрафиолетового света представляет собой парортутную дуговую лампу, излучающую свет с длиной волны, равной примерно 185 нм.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один источник света приспособлен излучать ультрафиолетовый свет с длиной волны меньше примерно 200 нм, который превращает кислород воздуха, введенный в двигатель, в озон.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что дополнительно содержит датчик озона для определения содержания озона в выхлопных газах двигателя и контроллер для выключения, по меньшей мере, одного источника света при обнаружении заданного количества озона в выхлопных газах двигателя и для включения, по меньшей мере, одного источника света при обнаружении более низкого, по сравнению с заданным, содержания озона в выхлопных газах двигателя.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что дополнительно содержит датчик для определения, по меньшей мере, одного рабочего параметра двигателя и контроллер для регулирования количества озона, полученного с помощью генерируемого лампой ультрафиолетового света посредством регулирования напряжения и электрического тока, подаваемых на лампу, с помощью преобразователя напряжения в соответствии с параметрами двигателя, определенными датчиком.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что датчик приспособлен определять, по меньшей мере, один из набора параметров, включающих скорость двигателя, нагрузку на двигатель, температуру и позицию дроссельного клапана.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания и, по меньшей мере, один источник света расположен вверх по течению от обычного автомобильного впускного коллектора.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит несколько источников света для получения энергии излучения, превращающей кислород воздуха в озон со степенью превращения ниже требуемой для полного сгорания в двигателе, датчик для определения различных рабочих параметров двигателя и контроллер для непрерывного управления первым источником света при работе двигателя и избирательного управления дополнительными источниками света, исходя из рабочего параметра двигателя, определяемого датчиком, при этом контроллер способен выключать дополнительные источники света при рабочем параметре двигателя ниже заданного уровня и включать дополнительные источники света при рабочем параметре двигателя, по меньшей мере, на заданном уровне, при этом озон повышает эффективность сжигания горючего в двигателе, снижая, таким образом, количество углеводородов и монооксида углерода в выхлопных газах.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что контроллер приспособлен включать каждый дополнительный источник света при отличии от заданного рабочего параметра двигателя.

11. Способ уменьшения загрязняющих примесей в выхлопных газах двигателя, отличающийся тем, что содержит генерирование энергии излучения от источника ультрафиолетового света для превращения кислорода воздуха в озон во впускном отверстии для воздуха двигателя и пропускание воздуха через впускное отверстие для воздуха при наличии энергии излучения для превращения кислорода воздуха в озон, для обеспечения более полного сгорания горючего и повышенной эффективности.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что энергию излучения генерируют с помощью парортутной дуговой лампы, излучающей свет с длиной волны, равной примерно 185 нм.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что содержит определение рабочих параметров двигателя и регулирование интенсивности энергии излучения в соответствии с рабочими параметрами двигателя.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что интенсивность ультрафиолетового света регулируют посредством дополнительных источников ультрафиолетового света.

15. Устройство для уменьшения вредных компонентов, образующихся при сгорании горючего в двигателе, отличающееся тем, что содержит камеру сгорания, имеющую газовый поток предкамерного горения, идущий к камере сгорания, и газовый поток посткамерного горения выхлопных газов из камеры сгорания, каталитический преобразователь для обработки выхлопных газов для уменьшения количества, по меньшей мере, одного вредного компонента, образующегося в результате, по меньшей мере, одного неполного сгорания горючего и оксидов азота, по меньшей мере, одно приспособление для добавления озона в, по меньшей мере, один из газовых потоков предкамерного горения и посткамерного горения для дальнейшего снижения, таким образом, количества, по меньшей мере, одного вредного компонента в выхлопных газах, обработанных каталитическим преобразователем.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что приспособление для добавления озона способно производить озон путем превращения кислорода в озон.

17. Устройство по п.15, отличающееся тем, что приспособление для добавления озона включает лампу излучения ультрафиолетового света, имеющего длину волны, равную 100-200 нм.

18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что лампа излучения ультрафиолетового света представляет собой парортутную дуговую лампу, излучающую свет с длиной волны, равной примерно 185 нм.

19. Устройство по п.17, отличающееся тем, что газовый поток предкамерного горения содержит воздух, и лампа излучения ультрафиолетового света расположена в газовом потоке предкамерного горения.

20. Устройство по п.17, отличающееся тем, что стенки, прилегающие к лампе излучения ультрафиолетового света, являются отражающим ультрафиолетовый свет, образующий озон.

21. Устройство по п.20, отличающееся тем, что стенки, прилегающие к лампе излучения ультрафиолетового света, содержат алюминий.

22. Устройство по п.15, отличающееся тем, что приспособление для добавления озона расположено на расстоянии от газового потока предкамерного горения и газового потока посткамерного горения, и озон поступает в, по меньшей мере, один из газовых потоков предкамерного горения и посткамерного горения.

23. Устройство по п.15, отличающееся тем, что приспособление для добавления озона включает электростатический разрядный генератор озона.

24. Устройство по п.15, отличающееся тем, что камера сгорания расположена в двигателе внутреннего сгорания.

25. Способ повышения эффективности превращения каталитического преобразователя для обработки выхлопных газов для снижения концентрации, по меньшей мере, одного вредного компонента, образующегося при сгорании горючего в двигателе, имеющем камеру сгорания с газовым потоком предкамерного горения, идущим к камере сгорания, и газовым потоком посткамерного горения выхлопных газов из камеры сгорания, отличающийся тем, что используют, по меньшей мере, один источник ультрафиолетового света для превращения кислорода воздуха в озон, добавляют озон в, по меньшей мере, один из газовых потоков предкамерного горения и посткамерного горения в, по меньшей мере, одной точке вверх по течению от каталитического преобразователя для снижения концентрации, по меньшей мере, одного вредного компонента, образующегося при сгорании и обрабатывают газовый поток выхлопных газов с помощью, по меньшей мере, одного каталитического преобразователя.

26. Способ по п.25, отличающийся тем, что энергию излучения генерируют с помощью лампы излучения ультрафиолетового света с длиной волны, составляющей примерно 185 нм.

27. Устройство для уменьшения вредных компонентов, образующихся при сгорании горючего, отличающееся тем, что содержит камеру сгорания с газовым потоком предкамерного горения, идущим к камере сгорания, и газовым потоком посткамерного горения выхлопных газов из камеры сгорания, приемник с большой площадью поверхности, расположенный в газовом потоке посткамерного горения и приспособление для добавления гидроксильных радикалов в, по меньшей мере, один из газовых потоков предкамерного горения и посткамерного горения перед выходом с большой площади поверхности приемника.

28. Устройство по п.27, отличающееся тем, что приемник с большой площадью поверхности представляет собой каталитический преобразователь.

29. Устройство по п.28, отличающееся тем, что приспособление для добавления гидроксильных радикалов представляет собой генератор, образующий гидроксильные радикалы из воздуха.

30. Устройство по п.29, отличающееся тем, что генератор, образующий гидроксильные радикалы, содержит, по меньшей мере, одну лампу излучения ультрафиолетового света с длиной волны примерно 100 - 300 нм, и генератор с тлеющим разрядом, впускной канал для воздуха и средство кондиционирования воздуха внутри генератора, образующего гидроксильные радикалы, для обеспечения достаточного содержания водяного пара в воздухе, облегчающего образование гидроксильных радикалов.

31. Устройство по п. 30, отличающееся тем, что генератор, образующий гидроксильные радикалы, имеет внутренние поверхности, соответствующим образом отражающие ультрафиолетовый свет, имеющий длину волны примерно 100 - 300 нм.

32. Устройство по п.31, отличающееся тем, что средство кондиционирования воздуха имеет впускной канал для подачи воды в генератор, образующий гидроксильные радикалы.

33. Устройство по п.32, отличающееся тем, что впускной канал для подачи воды сообщен с газовым потоком посткамерного горения.

34. Устройство по п. 33, отличающееся тем, что дополнительно содержит контейнер для хранения воды, сообщенный с впускным каналом для подачи воды.

35. Устройство по п.34, отличающееся тем, что оно приспособлено подавать воду из внешнего источника к контейнеру для хранения воды в жидком виде.

36. Устройство по п.34, отличающееся тем, что оно приспособлено подавать воду посредством конденсации водяного пара в выхлопных газах камеры сгорания.

37. Устройство по п. 34, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство для поддержания хранящейся в контейнере воды при температуре, превышающей температуру внутри генератора, образующего гидроксильные радикалы, для подачи водяного пара в этот генератор.

38. Устройство по п.34, отличающееся тем, что содержит впускной канал для подачи воздуха, сообщенный с контейнером для хранения воды.

39. Устройство по п.38, отличающееся тем, что впускной канал для подачи воздуха имеет конструкцию, обеспечивающую барботаж воздуха, поступившего в генератор, образующий гидроксильные радикалы через воду, содержащуюся в контейнере для хранения.

40. Устройство по п.29, отличающееся тем, что генератор, образующий гидроксильный радикал, содержит электролитическую ячейку сверхвысокого напряжения и лампу излучения ультрафиолетового света с длиной волны примерно 100 - 300 нм.

41. Устройство по п.27, отличающееся тем, что приспособление для добавления гидроксильных радикалов расположено на расстоянии, по меньшей мере, от одного из газовых потоков предкамерного горения и посткамерного горения и выполнено в виде генератора, образующего гидроксильные радикалы, имеющего, по меньшей мере, одну лампу излучения ультрафиолетового света с длиной волны, равной примерно 100 - 300 нм, генератор с тлеющим разрядом, впускной канал для подачи воздуха, средство кондиционирования воздуха для обеспечения достаточного содержания водяного пара в воздухе, облегчающего образование гидроксильных радикалов, и выпускной канал для введения образовавшихся гидроксильных радикалов в, по меньшей мере, один из газовых потоков предкамерного и посткамерного горения, при этом приемник с большой площадью поверхности представляет собой каталитический преобразователь для обработки выхлопных газов, для уменьшения, по меньшей мере, одного вредного компонента, образующегося при неполном сгорании горючего и оксидов азота.

42. Устройство по п.27, отличающееся тем, что приспособление для добавления гидроксильных радикалов расположено на расстоянии от газового потока предкамерного горения и газового потока посткамерного горения, и гидроксильные радикалы поступают к, по меньшей мере, одному из потоков предкамерного и посткамерного горения.

43. Устройство по п.27, отличающееся тем, что приспособление для добавления гидроксильных радикалов содержит лампу излучения ультрафиолетового света с длиной волны, равной примерно 100 - 300 нм, расположенную в потоке посткамерного горения выхлопного газа, имеющем достаточно высокое содержание водяного пара.

44. Способ обработки выхлопных газов для уменьшения, по меньшей мере, одного вредного компонента, образующегося при неполном сгорании горючего в камере сгорания, имеющей газовый поток предкамерного горения, по меньшей мере, воздух, идущий к камере сгорания, и газовый поток посткамерного горения выхлопных газов от камеры сгорания, отличающийся тем, что добавляют гидроксильные радикалы к, по меньшей мере, одному из газовых потоков предкамерного горения и посткамерного горения и обеспечивают достаточную поверхность в камере посткамерного горения для обеспечения взаимодействия гидроксильных радикалов с выхлопными газами, образующимися при сгорании горючего.

45. Способ по п.44, отличающийся тем, что гидрокслиьные радикалы образуются на расстоянии от газовых потоков предкамерного и посткамерного горения.

46. Способ по п.44, отличающийся тем, что дополнительно содержит образование гидроксильных радикалов путем подачи газа, получения газа, обогащенного водяным паром, имеющего достаточное содержание водяного пара, посредством добавления воды к газу, генерирование ультрафиолетового света, имеющего длину волны примерно 100 - 300 нм и облучение газа, обогащенного водяным паром, ультрафиолетовым светом для получения гидроксильных радикалов.

47. Способ по п.46, отличающийся тем, что получение газа, обогащенного водяным паром, содержит сбор водяного пара из выхлопных газов и подачу водяного пара из выхлопных газов в газ.

48. Способ по п.46, отличающийся тем, что получение газа, обогащенного водяным паром, содержит подогрев подаваемой воды для получения водяного пара и добавление водяного пара к газу.

49. Способ по п.46, отличающийся тем, что получение газа, обогащенного водяным паром, содержит подачу и накопление воды в контейнере и введение подаваемого газа в контейнер для его прохождения через воду.

50. Способ по п.46, отличающийся тем, что получение газа, обогащенного водяным паром, содержит введение потока выхлопных газов в генератор, образующий гидроксильные радикалы.

51. Способ по п.44, отличающийся тем, что дополнительно содержит образование гидроксильных радикалов посредством подачи воздуха в электролитическую ячейку сверхвысокого напряжения для получения озона, кислорода и водяного пара, генерирование ультрафиолетового света, имеющего длину волны примерно 200 - 300 нм и облучение ультрафиолетовым светом полученных озона, кислорода и водяного пара для получения гидроксильных радикалов.

52. Способ по п.44, отличающийся тем, что дополнительно содержит образование гидроксильных радикалов путем подачи воздуха, получение воздуха, обогащенного водяным паром, с достаточным содержанием водяного пара и облучение потока воздуха, обогащенного водяным паром, в генераторе с коронным разрядом.

53. Способ по п.44, отличающийся тем, что достаточную поверхность создают посредством каталитического преобразователя.

Приоритет по пунктам:

28.06.1996 - по пп.1 - 29, 40, 42 - 45, 51, 53;

19.12.1996 - по пп.30 - 39, 41, 46 - 50, 52.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для уменьшения вредных компонентов и загрязняющих примесей в выхлопных газах двигателя.

Как хорошо известно из уровня техники, двигатель внутреннего сгорания забирает атмосферный воздух, который смешивается с горючим для сжигания в камере сгорания или цилиндре, и образующиеся в результате этого выхлопные газы выводятся. Зажигание смеси воздуха с горючим в цилиндре происходит обычно от зажигающего устройства, такого, например, как свеча зажигания или подобного устройства или в результате адиабатического сжатия при температуре выше температуры воспламенения горючего.

В некоторых двигателях внутреннего сгорания, таких, например, как бензиновые двигатели, широко используемые в настоящее время, воздух поступает через канал воздухозаборника или через впускной канал, который передает атмосферный воздух в карбюратор, или через приспособление для впрыска горючего, где воздух смешивается с горючим для получения смеси воздух/горючее. Затем смесь воздух/горючее поступает через впускной коллектор в камеру сгорания или цилиндр двигателя. В двигателях дизельного типа и некоторых двигателях с искровым зажиганием, таких как двигатели, использующие приспособление для впрыска горючего в цилиндр, воздух и горючее смешиваются в камере сгорания или в цилиндре двигателя.

После сгорания смеси воздух/горючее образовавшиеся выхлопные газы выталкиваются из камеры сгорания в выхлопной коллектор. Затем выхлопные газы могут поступать через, по крайней мере, одну выхлопную трубу в каталитический нейтрализатор, где происходит удаление вредных компонентов.

Понятие потока воздуха к любой камере, включая поток смеси воздух/горючее, здесь и далее относится именно к газовому потоку предкамерного горения, а понятие образовавшегося выходящего оттуда выхлопного потока здесь и в дальнейшем относится к выхлопному газовому потоку посткамерного горения. Как принято в настоящем изложении, понятие газовых потоков предкамерного и посткамерного горения вместе в дальнейшем будет относиться к потоку рабочего газа.

Двигатели внутреннего сгорания, работающие с регулируемым горением горючего, образуют выхлопные газы, содержащие продукты полного сгорания диоксида углерода (CO₂) и воду (H₂O), а также вредные компоненты, образующиеся в результате неполного сгорания, такие как монооксид углерода (CO₂), являющийся ядовитым для человека, а также несгоревшие углеводороды (HC). Кроме того, вследствие очень высоких температур, возникающих при горении углеводородных горючих, и последующего быстрого охлаждения, образуется дополнительный вредный компонент оксид азота (NO_x).

Количество вредных компонентов зависит от многих рабочих параметров двигателя, но, главным образом, на него оказывает влияние соотношение воздух/горючее в цилиндре сгорания так, что условия, способствующие восстановлению монооксида углерода и несгоревших углеводородов (обедненная рабочая смесь при стехиометрических и высоких температурах горения) вызывает повышенное образование NO_x, а условия, способствующие снижению образования NO_x (смесь богатого горючего и обедненного горючего), вызывают увеличение содержания СО и несгоревшего углеводорода в выхлопных газах двигателя. Так как в современных каталитических нейтрализаторах восстановление NO_x эффективнее всего при отсутствии кислорода, несмотря на то, что снижение содержания CO и HC требует кислорода, препятствуя образованию этих выделений, необходимо, чтобы двигатель работал при стехиометрическом соотношении воздух/горючее, так как при таких условиях можно использовать трехцелевые катализаторы (ТЦК), то есть три вредных компонента могут быть уменьшены одновременно. Тем не менее, при работе двигателя внутреннего сгорания значительное, в экологическом отношении, количество CO, HC и NO_x выбрасывается в атмосферу.

Несмотря на то, что присутствие вредных компонентов в выхлопных газах у двигателей внутреннего сгорания признано с 1901 года, необходимость контроля выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания в Соединенных Штатах возникла с выходом Clean Air Act в 1970 г. Производители двигателей применяли множество технологий с целью выполнения требований Clean Air Act. Было доказано, что каталитический способ представляет собой самую эффективную пассивную систему.

Автомобилестроители в большинстве случаев применяли каталитические преобразователи для осуществления катализа. Цель состоит в необходимости окисления CO и HC до CO₂ и H₂O и восстановлении NO/NO₂ до N₂. Автомобильные каталитические преобразователи выброса обычно установлены под корпусом автомобиля и расположены в выхлопном газовом потоке двигателя, как раз перед глушителем, представляющим собой чрезвычайно вредный участок, вследствие экстремальных температур, а также неожиданных структурных и вибрационных нагрузок в условиях вождения.

Почти все автомобильные каталитические преобразователи имеют корпуса, представляющие собой монолитные пористые структуры, обычно изготовленные из кордиерита, низкотемпературной вспененной керамики, с высокой прочностью и сопротивлением к растрескиванию в условиях термического удара. Пористая конструкция и подобранная геометрия обеспечивают относительно низкий перепад давления и большую геометрическую поверхность зоны, которая усиливает контролируемые реакции массопереноса. Пористая структура помещена в стальной контейнер и защищена от вибрации упругим материалом.

Адгезионное тонкослойное покрытие, обычно выполненное из гамма-стабилизированного оксида алюминия с введенными в него каталитическими компонентами, покрывает стенки пористой структуры. ТЦК технология одновременной нейтрализации всех трех вредных компонентов включает в себя использование благородных металлов Pt и Rh, причем Rh больше всего способствует восстановлению NO_х хотя он способствует также окислению СО наряду с Pt. Недавно взамен или в комбинации с Pt и Rh был применен менее дорогостоящий Pd. Обычно активный катализатор содержит примерно от 0,1 до 0,15% благородных металлов, главным образом, платины (Pt), палладия (Pd) или родия (Rh).

Так как выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания колеблются от слабо обогащенных до слабо обедненных, в тонкослойное покрытие добавляют кислородзапасающее вещество, которое адсорбирует кислород на обедненной стадии цикла и высвобождает его для взаимодействия с избыточным СО и HC при обогащенном потоке. Чаще всего для этой цели применяют CeO₂, вследствие его подходящей окислительно-восстановительной способности.

Недавно вышедшая в 1990 году поправка с Clean Air Act требует дальнейшего значительного снижения количеств вредных примесей, выбрасываемых в атмосферу двигателями внутреннего сгорания. Для выполнения этих требований были предложены ограничения по использованию автомобилей и грузовиков, таких как транспорт для совместной доставки служащих, переезды HOV, возросшего использования массы транзитных перевозок, а также железнодорожных перевозок и другие подобные акции.

Одна из альтернатив усовершенствования использования автомобилей и грузовиков состоит в уменьшении выбросов посредством увеличения производительности двигателя внутреннего сгорания. Это имеет ограниченный эффект, поскольку, как показывают исследования, основное загрязнение исходит лишь от небольшой части автомобилей на дорогах, причем эти автомобили оказываются более старыми моделями с относительно неэффективными двигателями и стареющими каталитическими преобразователями, которые непременно создают массу загрязнений. До тех пор пока не будет достигнута повышенная производительность устройства, которое можно усовершенствовать при разумных затратах, маловероятно, что такие усовершенствования будут реализованы в других автомобилях и, таким образом, будет обеспечено адекватное решение проблемы.

Кроме того, хотя в последние годы были сделаны значительные достижения в уменьшении количества вредных компонентов в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания в автомашинах, таких как легковые автомобили и грузовики, дальнейшее уменьшение количества вредных компонентов в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания остается большой, сложной и дорогостоящей технологической проблемой, даже если выхлопы выпускаемых сегодня автомобилей и грузовиков не противоречат нормам, предложенным Environmental Protection Agency.

В качестве решения проблемы увеличения производительности двигателя внутреннего сгорания было предложено в Патентах США N 1333836 и 1725661 устройство для получения озона в сочетании с воздухозаборником карбюратора. Озон, будучи высоко эффективным окислителем, увеличивает полноту сгорания горючего в двигателе, уменьшая при этом вредные примеси в выхлопных автомобильных газах, а также увеличивает производительность. Эти вышеупомянутые известные приспособления для получения озона дорогостоящи, не могут быть легко установлены в новом двигателе при производстве и не могут модифицировать существующий двигатель.

В Патенте США N 4195606 на имя Wallis, Jr. с соавторами рабочий газ для двигателя внутреннего сгорания обрабатывают с целью активирования молекул кислорода до его смешивания с горючим посредством фотохимической активации кислорода ультрафиолетовым излучением гермицидной лампы с частотой примерно равной 2537 ангстрем (253,7 нанометров). Однако, в патенте Wallis, Jr. с соавторами, как подтверждает производитель ламп, в результате действия гермицидной лампы образуется не озон. Таким образом, Wallis с соавторами подчеркивает, что предпочтительный уровень заключен в пределе между 2000 и 3000 ангстрем (от 200 до 300 нанометров), который не включает в себя длину волны от 100 до 200 нанометров, при которой образуется озон под действием лампы, генерирующей озон, согласно некоторым вариантам реализации настоящего изобретения. При длине волны выше 200 нанометров озон фотодиссоциирует, так что, если даже озон присутствует, его концентрация уменьшается при применении ультрафиолетового света с длиной волны, превышающей 200 нанометров.

Вместо снижения выхлопных газов посредством увеличения производительности двигателя внутреннего сгорания или посредством уменьшения использования автомобилей следующей альтернативой может быть увеличение эффективности катализа, такого как в каталитическом преобразователе. Эффективность преобразования отработавших газов в каталитическом преобразователе определена отношением массового удаления отдельного компонента в процентах к массовому расходу этого компонента в каталитическом преобразователе. Эффективность преобразования отработавших газов в каталитическом преобразователе представляет собой функцию многих параметров, включая изменение свойств, температуру, стехиометрию, присутствие любого яда для катализатора (такого, как свинец, сера, углерод и фосфор), тип катализатора и время пребывания выхлопных газов в каталитическом преобразователе.

Попытки увеличить производительность каталитических преобразователей не были достаточно успешными. Несмотря на то, что современные ТЦК каталитические преобразователи помогают, они дороги и по-прежнему оставляют все еще значительное количество вредных компонентов, выбрасываемых в атмосферу при каталитической обработке выхлопных газов. Эти преобразователи могут создавать проблемы в отношении требований по выбросам в будущем, и они имеют ограничения по эксплуатационным показателям и времени жизни. Каталитические преобразователи имеют недостаток, заключающийся в том, что их эффективность остается низкой до достижения системой рабочей температуры.

Технической задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства уменьшения загрязняющих примесей в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания, использующего горючее, такое как бензин, метанол или дизельное топливо, в котором применена энергия излучения для превращения кислорода воздуха в озон в верхнем потоке воздушного впускного клапана двигателя для обеспечения более полного сгорания горючего и улучшения производительности, без необходимости существенных изменений в двигателе внутреннего сгорания или в каталитическом преобразователе.

Другая задача настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства уменьшения загрязняющих примесей в автомобильных газах или в выхлопных газах грузовиков, которые экономичны в использовании и изготовлении, просты по своей структуре и эксплуатации, а также легко устанавливаются в новом или усовершенствованном двигателе, в двигателях существующих автомобилей.

Следующая задача настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства уменьшения вредных компонентов в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания, имеющего каталитический преобразователь, путем повышения эффективности преобразования отработавших газов в каталитическом преобразователе без необходимости существенных изменений в двигателе внутреннего сгорания или в каталитическом преобразователе.

Еще одна задача настоящего изобретения состоит в обеспечении более полного сгорания горючего для снижения уровня вредных компонентов в выхлопных газах и повышении производительности двигателя и эффективности использования горючего. В отличие от работы каталитических преобразователей, установленных в выхлопных трубах, дополнительная энергия должна выделяться внутри двигателя как следствие процесса сгорания.

Другая задача настоящего изобретения состоит в использовании в устройстве для уменьшения загрязняющих примесей в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания ультрафиолетового излучения для получения озона, использованного для усиления сгорания в двигателе внутреннего сгорания без образования дополнительных количеств оксидов азота.

Еще одна задача настоящего изобретения состоит в создании относительно недорогого способа снижения загрязнения посредством усовершенствования этого двигателя и комбинаций катализатора в уже находящихся в эксплуатации на дорогах машинах, более всего способствующих загрязнению, и которые, вероятнее всего, должны быть проверены на токсичность, а также возможность легкой установки в новых системах двигателей.

Следующей задачей настоящего изобретения является повышение производительности каталитического преобразователя путем добавления озона с целью изменения состава газов, поступающих в каталитический преобразователь в реальное время без необходимости запаса специальных химических добавок в машине.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение выбросов, достигнутое с помощью добавления радикалов гидроксила и других промежуточных компонентов со свободным радикалом и окислителей, таких как O, H, HO₂, H₂О₂, с целью изменения состава выхлопных газов, без необходимости держать в машине специальные химические добавки.

Задачей настоящего изобретения является также обеспечение его применения в ряде различных типов двигателей внутреннего сгорания, включая, но не ограничиваясь ими, газотурбинные двигатели, а также поршневые двигатели, включая автомобили, грузовики, стационарные электростанции, моторные лодки, мотоциклы, моторные велосипеды, газонокосилки, пилы с цепным приводом или лопастные вентиляторы, которые могут работать на различных видах горючего, такого как бензин, продукты на основе бензина, дизельное топливо, спирт, природный газ и любое другое горючее, для которого можно использовать каталитический преобразователь с целью понижения концентрации, по крайней мере, одного вредного компонента. Кроме того, настоящее изобретение может не только модифицировать существующие двигатели, но и быть реализованным во вновь спроектированных двигателях.

Указанные выше задачи решаются в устройстве для уменьшения загрязняющих примесей в выхлопных газах двигателя, согласно изобретению, содержащем, по меньшей мере, один источник света для получения энергии излучения с длиной волны, превращающей кислород воздуха, введенного в двигатель, в озон, трансформатор для приведения в действие, по меньшей мере, одного источника света, и соединитель для соединения трансформатора с электрической системой двигателя, при этом количество энергии излучения достаточно для образования озона в воздухе в количестве, достаточном для увеличения эффективности сжигания горючего в двигателе, с уменьшением, таким образом, количества углеводородов и монооксида углерода в выхлопных газах.

Источник света может представлять собой лампу излучения ультрафиолетового света. Лампа излучения ультрафиолетового света может представлять собой парортутную дуговую лампу, излучающую свет, длиной волны, равной примерно 185 нанометрам.

Целесообразно, чтобы, по меньшей мере, один источник света был приспособлен излучать ультрафиолетовый свет с длиной волны меньше примерно 200 нанометров, который превращает кислород воздуха, введенный в двигатель, в озон.

Желательно, чтобы устройство дополнительно содержало датчик озона для определения содержания озона в выхлопных газах двигателя и контроллер для выключения, по меньшей мере, одного источника света при обнаружении заданного количества озона в выхлопных газах двигателя и для включения, по меньшей мере, одного источника света при обнаружении более низкого по сравнению с заданным содержания озона в выхлопных газах двигателя.

Устройство может дополнительно содержать датчик для определения, по меньшей мере, одного рабочего параметра двигателя и контроллер для регулирования количества озона, полученного с помощью генерируемого лампой ультрафиолетового света посредством регулирования напряжения и электрического тока, подаваемых на лампу, с помощью преобразователя напряжения в соответствии с параметрами двигателя, определенными датчиком. Датчик может быть приспособлен определять, по меньшей мере, один из набора параметров, включающих скорость двигателя, нагрузку на двигатель, температуру и позицию дроссельного клапана.

В устройстве двигатель может представлять собой двигатель внутреннего сгорания и, по меньшей мере, один источник света может быть расположен вверх по течению от обычного автомобильного впускного коллектора.

Устройство может дополнительно содержать несколько источников света для получения энергии излучения, превращающей кислород воздуха в озон со степенью превращения ниже требуемой для полного сгорания в двигателе, датчик для определения различных рабочих параметров двигателя и контроллер для непрерывного управления первым источником света при работе двигателя и избирательного управления дополнительными источниками света, исходя из рабочего параметра двигателя, определяемого датчиком, при этом контроллер способен выключать дополнительные источники света при рабочем параметре двигателя ниже заданного уровня и включать дополнительные источники света при рабочем параметре двигателя, по меньшей мере, на заданном уровне, при этом озон повышает эффективность сжигания горючего в двигателе, снижая, таким образом, количество углеводородов и монооксида углерода в выхлопных газах. Контроллер может быть приспособлен включать каждый дополнительный источник света при отличии от заданного рабочего параметра двигателя.

Вышеуказанные задачи решаются также в способе уменьшения загрязняющих примесей в выхлопных газах двигателя, согласно изобретению, содержащем генерирование энергии излучения от источника ультрафиолетового света для превращения кислорода воздуха в озон во впускном отверстии для воздуха двигателя и пропускание воздуха через впускное отверстие для воздуха при наличии энергии излучения для превращения кислорода воздуха в озон, для обеспечения более полного сгорания горючего и повышенной эффективности.

Энергию излучения можно генерировать с помощью парортутной дуговой лампы, излучающей свет с длиной волны, равной примерно 185 нанометрам.

Способ может также содержать определение рабочих параметров двигателя и регулирование интенсивности энергии излучения в соответствии с рабочими параметрами двигателя.

Интенсивность ультрафиолетового света можно регулировать посредством дополнительных источников ультрафиолетового света.

Вышеуказанные задачи решаются также в устройстве для уменьшения вредных компонентов, образующихся при сгорании горючего в двигателе, согласно изобретению, содержащем камеру сгорания, имеющую газовый поток предкамерного горения, идущий к камере сгорания, и газовый поток посткамерного горения выхлопных газов из камеры сгорания, каталитический преобразователь для обработки выхлопных газов для уменьшения количества, по меньшей мере, одного вредного компонента, образующегося в результате, по меньшей мере, одного неполного сгорания горючего и оксидов азота, по меньшей мере, одно приспособление для добавления озона в, по меньшей мере, один из газовых потоков предкамерного горения и посткамерного горения для дальнейшего снижения, таким образом, количества, по меньшей мере, одного вредного компонента в выхлопных газах, обработанных каталитическим преобразователем.

Приспособление для добавления озона способно производить озон путем превращения кислорода в озон.

Приспособление для добавления озона может включать лампу излучения ультрафиолетового света, имеющего длину волны, равную 100-200 нанометрам. Лампа излучения ультрафиолетового света может представлять собой парортутную дуговую лампу, излучающую свет, длиной волны, равной примерно 185 нанометрам.

Газовый поток предкамерного горения может содержать воздух, и лампа излучения ультрафиолетового света может быть расположена в газовом потоке предкамерного горения.

Стенки, прилегающие к лампе излучения ультрафиолетового света, могут являться отражающими ультрафиолетовый свет, образующий озон. Стенки, прилегающие к лампе излучения ультрафиолетового света, могут содержать алюминий.

Приспособление для добавления озона может быть расположено на расстоянии от газового потока предкамерного горения, и газового потока посткамерного горения, и озон может поступать в, по меньшей мере, один из газовых потоков предкамерного горения и посткамерного горения.

Приспособление для добавления озона может включать электростатический разрядный генератор озона.

Камера сгорания может быть расположена в двигателе внутреннего сгорания.

Указанные задачи решаются также способом повышения эффективности превращения каталитического преобразователя для обработки выхлопных газов для снижения концентрации, по меньшей мере, одного вредного компонента, образующегося при сгорании горючего в двигателе, имеющем камеру сгорания с газовым потоком предкамерного горения, идущим к камере сгорания, и газовым потоком посткамерного горения выхлопных газов из камеры сгорания, при котором, согласно изобретению, используют, по меньшей мере, один источник ультрафиолетового света для превращения кислорода воздуха в озон, добавляют озон в, по меньшей мере, один из газовых потоков предкамерного горения и посткамерного горения в, по меньшей мере, одной точке вверх по течению от каталитического преобразователя для снижения концентрации, по меньшей мере, одного вредного компонента, образующегося при сгорании и обрабатывают газовый поток выхлопных газов с помощью, по меньшей мере, одного каталитического преобразователя.

Энергию излучения генерируют с помощью лампы излучения ультрафиолетового света с длиной волны, составляющей примерно 185 нанометров.

Указанные задачи решаются также устройством для уменьшения вредных компонентов, образующихся при сгорании горючего, согласно изобретению, содержащим камеру сгорания с газовым потоком предкамерного горения, идущим к камере сгорания, и газовым потоком посткамерного горения выхлопных газов из камеры сгорания, приемник с большой площадью поверхности, расположенный в газовом потоке посткамерного горения, и приспособление для добавления гидроксильных радикалов в, по меньшей мере, один из газовых потоков предкамерного горения и посткамерного горения перед выходом с большой площади поверхности приемника.

Приемник с большой площадью поверхности может представлять собой каталитический преобразователь.

Гидроксильный радикал ОН и другие свободные радикалы и окислители, такие как О, H, H₂O и H₂O₂ могут быть введены в поток рабочего газа двигателя сгорания для уменьшения вредных компонентов и загрязняющих примесей, таких как CO и HC. Было замечено, что ОН в присутствии кислорода может быстро вступать в реакцию с СО, образуя CO₂. Также было замечено, что ОН в присутствии кислорода может быстро вступать в реакцию с углеводородами (HC), образуя формальдегид или другие подобные промежуточные продукты, которые, кроме того, затем вступают в реакцию с ОН, образуя ₂О, CO₂ и ОН. Более того, очевидно, что в результате последовательности реакций скорее не потребляется, а регенерируется ОН.

В случае СО на следующих стадиях реакции СО преобразуется в CO₂ и регенерируется ОН на следующих стадиях реакции:

СО + ОН ---> CO₂ + H

H + O₂ ---> CO₂

HO₂ + h ---> ОН + O

Последний процесс диссоциации гидропероксила в гидроксил может иметь место или в результате поглощения ультрафиолетового фотона или в результате теплового разложения.

В случае с HC, типичная серия реакций может иметь следующие стадии:

HC + OH ---> HCHO

HCHO + OH ---> H₂O + HCO

HCO + O₂ ---> CO₂ + HO

В зависимости от видов HC могут иметь место разветвленные реакции, и другие промежуточные продукты со свободными радикалами и окислители, такие как О, H, HO₂, H₂O₂, могут быть образованы и вступать в реакцию непосредственно или через продукты других реакций, таких как:

O + O₂ ---> O₃ или

H₂O₂ + h ---> 2OH

Особенно важным является то, что, как предполагается, OH должен быть регенерирован в ходе реакций, то есть OH действует, как катализатор, и что последовательность реакций быстро развивается вследствие ярко выраженной природы реакций со свободным радикалом.

Предполагается, что присутствие OH и других промежуточных продуктов со свободным радикалом и окислителей, таких как О, H, H₂O₂ и HO₂ в выхлопных газах в двигателе сгорания приводит в присутствии необходимого кислорода к высокоэффективному каталитическому разложению CO и углеводородов на не вредные газообразные CO₂ и водяной пар. ОН и другие соответствующие свободные радикалы и окислители, образовавшиеся в ходе реакций, могут действовать как катализаторы самостоятельно или в сочетании с обычной каталитической активностью частиц благородных металлов (Pt, Pd, Rh и их комбинации) в каталитическом преобразователе.

Предполагается, что впрыск ОН в поток рабочего газа приводит к быстрому каталитическому воздействию на CO и HC в ламинарном потоке выхлопного газа. Предполагается, что реакционная активность OH является во многом следствием каталитической активности, связанной с превращением CO в CO₂ и углеводородов - в CO₂ и H₂O, имеющим место в газовой фазе и на большой площади зоны с тонким поверхностным слоем каталитического преобразователя. Таким образом, в ограниченной зоне вблизи входа в каталитический преобразователь протекает большинство реакций с превращением СО и HC в CO₂ и H₂О. Поскольку CO и HC окислены в газовой фазе и каталитическом преобразователе с тонкослойным покрытием, что существенно способствует завершению окисления СО и HC вблизи входа в каталитический преобразователь, основная масса благородного металла каталитической поверхности освобождается от участия в этих протекающих реакциях. Например, участки с благородным металлом в преобразователе больше не нужны для катализа менее реакционно-активных разновидностей углеводорода, таких как метан, этан, этен, бензол и формальдегид. В результате этого более эффективная каталитическая активность участков с благородным металлом может быть направлена на восстановление оксидов азота до азота и других не загрязняющих газов.

Предполагается, что воздействие гидроксильных радикалов может иметь место по всему объему выхлопного газа и по всей поверхности зоны каталитического преобразователя, то есть по всей большой области тонкослойного покрытия. Это способствует осуществлению более эффективного уменьшения вредного компонента, чем в каталитическом преобразователе, работающем традиционным способом. При этом новом методе каталитической конверсии восстановление может снизить содержание оксида азота до уровня ниже традиционно предельно допустимого содержания. В качестве альтернативы, более низкое содержание благородного металла или применение менее дорогостоящих металлов или их оксидов можно использовать для снижения содержания продуктов окисления азота до уровней ниже допустимых.

Несколько различных вариантов способа и устройства могут быть использованы для реализации гидроксильного варианта настоящего изобретения. В одном из вариантов реализации настоящего изобретения ОН получают в генераторе при использовании излучения парортутной лампы (Hg) и впуска атмосферного воздуха, который кондиционируют с целью обеспечения в нем достаточно высокого содержания водяного пара, и предпочтительно примерно 100% насыщения. Предполагают, что в случае воздуха с высоким содержанием водяного пара есть две альтернативные равноправные ветви реакции получения OH. В первом случае, это прямая фотодиссоциация воды на OH и H путем поглощения фотонов с длиной волны, равной 185 нм. Для достижения такой высокой влажности водяной пар может поступать из источника нагретой воды или он может поступать из потока выхлопного газа двигателя.

Другая реакция, предпочтительная при более низком, но все еще достаточно высоком содержании водяного пара, состоит в том, что ультрафиолетовое излучение с длиной волны 185 нм, исходящее от лампы, воздействует на воздух, образуя атомарный кислород (О) и озон (O₃). Озон получают по трехступенчатой реакции с участием атомарного кислорода, молекулярного кислорода и любого другого молекулярного компонента воздуха, такого, например, как азот (N₂), кислород (O₂), вода (H₂O) или аргон. Ультрафиолетовое излучение с длиной волны, равной 253,7 нм, разрушает озон фотодиссоциацией на молекулярный кислород (O₂) и метастабильный атом кислорода (O). Если воздушный поток, входящий в генератор, имеет достаточное содержание водяного пара, то, как предполагают, метастабильный атомарный кислород (O) вступает в комбинацию с молекулами воды, образуя перекись водорода:

O + H₂O ---> H₂O₂

Кроме того, ультрафиолетовое излучение с длиной волны, равной 253,7 нм, фотодиссоциирует на две молекулы гидроксильного радикала.

Таким образом, генератор впрыскивает озон, атомарный кислород, перекись водорода и гидроксильные радикалы в двигатель, например, через впускной коллектор. Предполагается, что любая перекись водорода, введенная таким образом, будет диссоциирована до гидроксила при условии высокой температуры в двигателе. Гидроксил, который находится в щелевых участках камеры сгорания, должен выдерживать процесс горения в двигателе и воздействовать на CO и HC, остающиеся в выхлопном потоке, образуя CO₂ и H₂O в соответствии с вышеприведенными реакциями.

Генератор, образующий гидроксильные радикалы, может содержать, по меньшей мере, одну лампу излучения ультрафиолетового света с длиной волны в пределах примерно от 100 до 300 нанометров, и генератор с тлеющим разрядом, впускной канал для воздуха и средство кондиционирования воздуха внутри генератора, образующего гидроксильные радикалы, для обеспечения достаточного содержания водяного пара в воздухе, облегчающего образование гидроксильных радикалов.

Генератор, образующий гидроксильные радикалы, может иметь внутренние поверхности, соответствующим образом отражающие ультрафиолетовый свет, имеющий длину волны в пределах примерно от 100 до 300 нм.

Средство кондиционирования воздуха может иметь впускной канал для подачи воды в генератор, образующий гидроксильные радикалы. Впускной канал для подачи воды может быть сообщен с газовым потоком посткамерного горения.

Устройство может дополнительно содержать контейнер для хранения воды, сообщенный с впускным каналом для подачи воды. Устройство может быть приспособлено подавать воду из внешнего источника к контейнеру для хранения воды в жидком виде или подавать воду посредством конденсации водяного пара в выхлопных газах камеры сгорания.

Устройство может также дополнительно содержать средство для поддержания хранящейся в контейнере воды при температуре, превышающей температуру внутри генератора, образующего гидроксильные радикалы, для подачи водяного пара в этот генератор.

Устройство может содержать впускной канал для подачи воздуха, сообщенный с контейнером для хранения воды. Впускной канал для подачи воздуха может иметь конструкцию, обеспечивающую барботаж воздуха, поступившего в генератор, образующий гидроксильные радикалы через воду, содержащуюся в контейнере для хранения.

Генератор, образующий гидроксильный радикал, может также содержать электролитическую ячейку сверхвысокого напряжения и лампу излучения ультрафиолетового света с длиной волны примерно от 100 до 300 нм.

Электролитическая ячейка сверхвысокого напряжения используется для получения озона в дополнение к кислороду и водяному пару, с последующим ультрафиолетовым облучением с длиной волны, предпочтительно, от 200 до 300 нм, для получения атомарного кислорода фотодиссоциацией, которая в присутствии входящего потока воздуха, обогащенного водяным паром, инициирует образование перекиси водорода, с последующим образованием гидроксила посредством ультрафиолетовой диссоциации перекиси водорода. Такое устройство, использующее парортутную лампу в качестве источника ультрафиолетового излучения, может быть очень компактным вследствие высокой эффективности при длине волны 253,7 нм и высокой поглощающей способности озона и перекиси водорода при воздействии ультрафиолетового света такой длины волны.

Целесообразно, чтобы приспособление для добавления гидроксильных радикалов было расположено на расстоянии, по меньшей мере, от одного из газовых потоков предкамерного горения и посткамерного горения и было выполнено в виде генератора, образующего гидроксильные радикалы, имеющего, по меньшей мере, одну лампу излучения ультрафиолетового света с длиной волны, равной примерно 100-300 нм, генератор с тлеющим разрядом, впускной канал для подачи воздуха, средство кондиционирования воздуха для обеспечения достаточного содержания водяного пара в воздухе, облегчающего образование гидроксильных радикалов, и выпускной канал для введения образовавшихся гидроксильных радикалов в, по меньшей мере, один из газовых потоков предкамерного и посткамерного горения, при этом приемник с большой площадью поверхности представляет собой каталитический преобразователь для обработки выхлопных газов, для уменьшения, по меньшей мере, одного вредного компонента, образующегося при неполном сгорании горючего и оксидов азота.

Приспособление для добавления гидроксильных радикалов может быть расположено на расстоянии от газового потока предкамерного горения и газового потока посткамерного горения, и гидроксильные радикалы поступают к, по меньшей мере, одному из потоков предкамерного и посткамерного горения.

Приспособление для добавления гидроксильных радикалов может содержать лампу излучения ультрафиолетового света с длиной волны, равной примерно 100-300 нм, расположенную в потоке посткамерного горения выхлопного газа, имеющем достаточно высокое содержание водяного пара.

Вышеупомянутые варианты реализации настоящего изобретения принципиально предполагают использование генераторов для образования гидроксильных радикалов, впрыскивающих потоки газов в зону впускного коллектора двигателя. Естественное преимущество таких способов состоит в том, что условие низкого давления в зонах впускного коллектора обеспечивает естественный насосный механизм. Однако недостаток этих способов состоит в том, что большинство высокоактивных химических соединений, включая свободные радикалы, такие как гидроксильные радикалы, разрушаются в процессе горения и только те активные вещества в щелевых областях и на стенках камеры сгорания могут действительно сохраняться и поступать в поток выхлопного газа, где они способствуют окислению CO и HC. Напротив, генераторы, которые впрыскивают гидроксильный радикал непосредственно в поток выхлопного газа или которые образуют гидроксил в выхлопном посткамерном газовом потоке, могут более эффективно подавать активные соединения в поток выхлопного газа для окисления CO и HC.

Таким образом, потребуется меньшая мощность источника химически активных соединений для обеспечения необходимой степени восстановления. Это должно выражаться непосредственно в пропорциональных более низких электрических нагрузках на генератор гидроксильных радикалов.

Однако вследствие более высоких давлений в потоке выхлопного газа, необходимо разряжение для прямого впрыскивания из генератора в поток выхлопного газа. Применение трубки вентури способствует этому. В качестве альтернативы, вследствие высокого давления водяного пара при температуре выше примерно 120^oC применение источника нагнетания водяного пара в генератор гидроксильных радикалов может также обеспечить эффективный впрыск. Такой водяной пар может быть собран конденсацией или равнозначными средствами из потока выхлопного газа.

Вариант реализации настоящего изобретения с образованием гидроксильного радикала в потоке выхлопного газа представляет собой облучение потока выхлопного газа ультрафиолетовым излучением с длиной волны в пределах примерно от 120 до 185 нм, которое в присутствии необходимого количества водяного пара образует каталитически активный OH посредством прямой диссоциации. Более того, следующий вариант реализации настоящего изобретения состоит в применении ультрафиолетового излучения при длине волны от 120 до 185 нм во внешнем генераторе, использующем впуск атмосферного воздуха и водяного пара из потока выхлопного газа и впрыскивание водяного пара, OH и H в поток выхлопного газа перед каталитическим нейтрализатором или в него.

Описанные выше способы получения этих свободных радикалов включают в себя генераторы с использованием ультрафиолетового света, генераторы с тлеющим разрядом и электролитические ячейки сверхвысокого напряжения с использованием ультрафиолетового излучения. Входные потоки генератора могут содержать электричество, воду, воздух, кислород, водяной пар, водяной пар с воздухом и водяной пар с кислородом.

Способы возможного введения вышеупомянутых разновидностей в систему двигателя включают в себя введение в газовый поток предкамерного горения, например, во впускной коллектор, в поток выхлопного газа, например, в выхлопной коллектор и в каталитический преобразователь. Генераторы могут быть наружными или внутренними по отношению к этим зонам. Наиболее предпочтительная особенность наружного генератора состоит в том, что он дает возможность легкой установки генератора в удобном месте отделения двигателя или в другом месте автомобиля. Другая предпочтительная особенность варианта реализации с наружным генератором состоит в том, что гидроксильные радикалы можно вводить почти в любом желаемом месте во впуск газового потока (предкамерного горения) или газовый поток выхлопа (посткамерного горения) двигателя. Расход гидроксильных радикалов из генератора не зависит от скорости двигателя, то есть расхода воздуха в камере сгорания или расхода выхлопных газов из камеры сгорания. Таким образом, при низких скоростях двигателя массовый расход гидроксильных радикалов не будет зависеть от низкого массового расхода воздуха, поступающего в камеру сгорания. В случае наружных источников механизмы нагнетания газовых продуктов генератора могут предусматривать естественные области низкого давления в двигателе, области вентури, наружные насосы, естественное повышение давления в генераторе, например при повышенных температурах, и источники водяного пара.

Таким образом, этот вариант реализации настоящего изобретения предусматривает использование гидроксильных радикалов и сопутствующих ему продуктов реакции O, H, H₂O₂ и HO₂ для обеспечения каталитического цикла, в котором ОН играет основную роль в восстановлении продуктов CO и HC в двигателях в соответствии с настоящими и будущими стандартами Ultra Low Emissions Vehicle "ULEV" и Low Emissions Vehicle "LEV".

Поскольку OH ведет себя как катализатор, нужно впрыскивать относительно небольшие количества OH для восстановления как можно большего количества CO и углеводородов в CO₂ и H₂O в присутствии кислорода в потоке выхлопного газа.

Предполагается, что следующее особенное преимущество гидроксильного варианта реализации настоящего изобретения состоит в том, что вследствие введения газофазных каталитических соединений, проявляющих активность по всей поверхности каталитического преобразователя, и вследствие взаимоусиливающей реакционной активности этих соединений, будет происходить более раннее каталитическое превращение CO и не сгоревшего HC после запуска двигателя. Другими словами, фактическое запаздывание зажигания после запуска двигателя будет меньше по сравнению с применением обычного каталитического преобразователя.

В случае системы горения и других бытовых, коммерческих и промышленных систем, которые имеют выхлопные газы, содержащие органические летучие вещества (ОЛВ), но не содержащие или содержащие малые количества оксидов азота, такие как некоторые промышленные процессы, не будет необходимости в обычном каталитическом нейтрализаторе и, разумеется, не будет необходимости в каталитическом преобразователе с благородным металлом. Настоящее изобретение могло бы обеспечить очень низкую стоимость систем каталитического преобразователя. В тех случаях, когда только CO или HC и другие ОЛВ должны быть окислены, предполагается, что не требуется обычный нейтрализатор. Однако, предполагается, что соответственное время и/или большая площадь зоны, подобной той, которую дает сотовая структура обычного каталитического нейтрализатора, необходимы для того, чтобы CO, HC и ОЛВ участвовали в реакциях окисления.

Вышеуказанные задачи решаются также в способе обработки выхлопных газов для уменьшения, по меньшей мере, одного вредного компонента, образующегося при неполном сгорании горючего в камере сгорания, имеющей газовый поток предкамерного горения, по меньшей мере, воздух, идущий к камере сгорания, и газовый поток посткамерного горения выхлопных газов от камеры сгорания, при котором, согласно изобретению, добавляют гидроксильные радикалы к, по меньшей мере, одному из газовых потоков предкамерного горения и посткамерного горения и обеспечивают достаточную поверхность в камере посткамерного горения для обеспечения взаимодействия гидроксильных радикалов с выхлопными газами, образующимися при сгорании горючего.

Гидроксильные радикалы образуются на расстоянии от газовых потоков предкамерного и посткамерного горения.

Способ может дополнительно содержать образование гидроксильных радикалов путем подачи газа, получения газа, обогащенного водяным паром, имеющего достаточное содержание водяного пара, посредством добавления воды к газу, генерирования ультрафиолетового света, имеющего длину волны в пределах примерно от 100 до 300 нм, и облучения газа, обогащенного водяным паром, ультрафиолетовым светом для получения гидроксильных радикалов.

Получение газа, обогащенного водяным паром, может содержать сбор водяного пара из выхлопных газов и подачу водяного пара из выхлопных газов в газ или подогрев подаваемой воды для получения водяного пара и добавление водяного пара к газу, или подачу и накопление воды в контейнере и введение подаваемого газа в контейнер для его прохождения через воду, или введение потока выхлопных газов в генератор, образующий гидроксильные радикалы.

Способ может дополнительно содержать образование гидроксильных радикалов посредством подачи воздуха в электролитическую ячейку сверхвысокого напряжения для получения озона, кислорода и водяного пара, генерирование ультрафиолетового света, имеющего длину волны в пределах примерно от 200 до 300 нм, и облучение ультрафиолетовым светом полученных озона, кислорода и водяного пара для получения гидроксильных радикалов.

Способ может дополнительно содержать образование гидроксильных радикалов путем подачи воздуха, получение воздуха, обогащенного водяным паром, с достаточным содержанием водяного пара и облучение потока воздуха, обогащенного водяным паром, в генераторе с коронным разрядом.

В способе достаточную поверхность можно создать посредством каталитического преобразователя.

Далее изобретение будет описано со ссылками на чертежи, на которых:

фигура 1 изображает вид сбоку известной конфигурации двигателя внутреннего сгорания с каталитическим преобразователем;

фигура 2 - вид сбоку с частичным разрезом одного варианта реализации устройства, соответствующего настоящему изобретению;

фигура 3 - блок-схему, иллюстрирующую альтернативные варианты реализации изобретения, в которых несколько ламп, генерирующих озон, имеют последовательное включение при разнице и возрастании нагрузки по сравнению с предварительно определенной нагрузкой на двигатель или скоростью двигателя;

фигура 4 - вид спереди с частичным разрезом, иллюстрирующий дополнительные приспособления к фиг.2;

фигура 5 - блок-схему, иллюстрирующую другие варианты реализации устройства, соответствующего настоящему изобретению, в котором приспособление для добавления озона расположено на расстоянии от газовых потоков предкамерного и посткамерного горения и воздух, обогащенный озоном, поступает по трубопроводу в поток горючего газа;

фигура 6 - блок-схему, иллюстрирующую способ одного из вариантов реализации изобретения;

фигура 7 - вид сбоку с частичным разрезом, иллюстрирующий один из вариантов реализации устройства, соответствующего настоящему изобретению, в котором устройство, генерирующее гидроксил, расположено внутри газового потока предкамерного горения;

фигура 8 - блок-схему, иллюстрирующую другой вариант реализации устройства, согласно настоящему изобретению, в котором приспособление для добавления гидроксильных радикалов расположено на расстоянии от газовых потоков предкамерного горения и посткамерного горения, и воздух, обогащенный озоном, поступает по трубопроводу в поток рабочего газа;

фигура 9 - принципиальную схему системы образования гидроксильных радикалов, соответствующую одному из вариантов реализации настоящего изобретения;

фигура 10 - принципиальную схему альтернативной системы образования гидроксильных радикалов, соответствующую другому варианту реализации настоящего изобретения;

фигура 11 - принципиальную схему генератора гидроксильных радикалов, соответствующего еще одному варианту реализации настоящего изобретения;

фигура 12 - блок-схему, иллюстрирующую способ с использованием гидроксильных радикалов, согласно настоящему изобретению;

фигура 13 - блок-схему, иллюстрирующую способ настоящего изобретения.

На фигуре 1 представлена известная конфигурация автомобильного двигателя 10 с каталитическим преобразователем 13. Каталитический преобразователь 13 установлен на нижней части корпуса автомобиля (на чертеже не показано) и расположен в потоке выхлопного газа (газовый поток посткамерного горения) А от двигателя, вниз по потоку от выхлопной трубы 15 прямо перед глушителем 17.

Каталитический преобразователь 13, предназначенный для применения в настоящем изобретении, имеет механизм, предназначенный для обработки выхлопных газов, образующихся при сгорании горючего, такого как, например, бензин, горючее на основе бензина, дизельное горючее, спирт, природный газ или любое другое горючее, в случае которого можно применить каталитический преобразователь с целью уменьшения, по крайней мере, одного вредного компонента, образующегося при сгорании, такого как, например, CO и несгоревшие углеводороды (HC), и/или NO_x, включающий, но не ограничивающийся этим, трехцелевой катализатор, обычно применяемый сегодня в современных автомобильных двигателях.

Каталитический преобразователь 13 имеет, следовательно, механизм, который каталитически удаляет или участвует в удалении, по крайней мере, одного вредного компонента из газового потока, образующегося при сгорании горючего, содержащий, но не ограничивающийся ими, устройства с монолитными или гранулированными керамическими субстратами, металлическими субстратами или любыми другими субстратами и устройства с благородными металлами или с любым другим типом каталитического материала. Он может также содержать, без ограничений, устройства с полупроводящими катализаторами, такими как оксиды или сульфиды переходных элементов и устройства с катализаторами керамического типа, такими как оксид алюминия, диоксид кремния, оксид алюминия и цеолиты, индивидуально, в комбинации одного с другим и кислородсодержащей средой, такой как оксид церия, или в комбинации с металлическими катализаторами.

На фигуре 2 показан один из вариантов реализации устройства 11 согласно настоящему изобретению. Устройство 11 имеет приспособление для добавления озона, такое как лампа 21, излучающая ультрафиолетовый свет, например, парортутная дуговая лампа, излучающая ультрафиолетовый свет с длиной волны, равной примерно от 100 до 200 нм. Лампа имеет стеклянную колбу, передающую ультрафиолетовый свет с длиной волны, заключенной в пределах от 100 до 200 нм, поскольку такое излучение может генерировать озон. Колба, передающая свет, может быть выплавлена из диоксида кремния или подобных ему синтетического кварца, суперсила, сапфира или любого другого материала, который может передавать ультрафиолетовый свет с длиной волны, равной примерно 200 нм или меньше. Поставщиком выплавленных из диоксида кремния ламп является GTE Products Corporation Sylvania Lighting Center Danvers, Massachusetts 01923. Можно использовать другие ультрафиолет-генерирующие лампы, такие как лампы, содержащие неон, аргон и комбинации из них с другими газами, например, с ртутью.

Лампа 21 соединена с трансформатором 23, модели Bodine 12R25E/GS, который преобразует 12-вольтовый аккумуляторный ток в ток с напряжением и частотой, требующимися для работы лампы 21. Как это видно на фигуре 2, трансформатор 23 может быть соединен с электрической системой автомобиля, например, с помощью свечи 19 зажигания, которая вставлена в запальник 20 автомобиля. Это приспособление является особенно привлекательным при модификации устройства 11 в существующей последней модели автомобиля. В качестве альтернативы, трансформатор 23 может быть подсоединен непосредственно к электрической системе автомобиля соединением внахлестку к проводу под напряжением или к проволоке высокого сопротивления (не показано) системы, например, как исходное оборудование на новом автомобиле.

В устройстве 11, как это видно на фигуре 2, лампа 21 расположена в верхнем потоке от карбюратора 31 автомобиля, например, между воздушным фильтром 27 и каналом 29 для впуска воздуха. Однако, в настоящем изобретении дополнительно рассмотрено расположение приспособления для добавления озона в верхнем потоке от воздушного фильтра 29.

С целью модифицирования устройства 11 в существующем двигателе 10 корпус 24 воздушного фильтра открыт и лампа 21 помещена между воздушным фильтром 27 и впускным каналом 29 для воздуха, а концы электропривода лампы 21 расположены так, что они проходят под крышкой воздушного фильтра (на чертеже не показано) так, что они выходят из корпуса 24, например, между корпусом 24 и его съемной крышкой (на чертеже не показана) для соединения с трансформатором 23.

В целях повышения коэффициента поглощения кислорода в воздухе, вводимом в двигатель 10, стенки, прилегающие к лампе 21, имеют поверхность с высокой способностью отражения ультрафиолетового света в заданном диапазоне, например, выполненные из алюминия, с целью увеличения среднего свободного пути фотонов, длина волны которых равна 185 нм, поскольку алюминий имеет способность отражения ультрафиолетового света с длиной волны меньше, по крайней мере, 185 нм.

Однако, если лампа слишком велика, чтобы быть помещенной в это пространство, просверливают, по крайней мере, одно отверстие 22 в корпусе 24, поддерживающем воздушный фильтр 27 в заборном воздуховоде 29. Отверстие 22, предпочтительно расположенное между воздушным фильтром 27 и воздуховодом 29, имеет диаметр, по существу, равный диаметру лампы 21. Лампу 21 вставляют через отверстие 22 внутрь корпуса 24 и устанавливают между воздушным фильтром 27 и впуском 29 воздуха.

Герметик, такой как уплотнительная липкая лента или уплотняющий состав, применяют для уплотнения отверстия 22, таким образом, что может просачиваться совсем немного воздуха или воздух совсем не просачивается через отверстие 22, при установке лампы. Вместо упомянутой процедуры, необходимой для создания отверстия 22, применяют несколько ламп меньшей длины 21a и 21b, как это описано ниже, с конкретной ссылкой на фигуру 3.

Трансформатор 23 в этом случае закреплен на боковой панели 26 отделения двигателя машины с помощью крепежных средств, таких как болты или подобные им средства. В этом случае свечу зажигания вставляют в запальник 20 автомобиля или, в качестве альтернативы, трансформатор 23 соединяют непосредственно с электрической системой автомобиля.

В целях обеспечения работы лампы фотодиод или фотодиод/фосфер 35 расположен вблизи лампы 21 и соединен с индикатором 37, который подает сигнал, когда фотодиод 35 перестает воспринимать световую энергию, излучаемую лампой 21. Детектор 35 и индикатор 37 не являются основными, однако рекомендованы как возможное решение, особенно в тех случаях, когда настоящее изобретение используют взамен известных каталитических преобразователей, применяемых в настоящее время в автомобилях и грузовиках, предпочтительнее, чем в комбинации с такими каталитическими преобразователями.

В таблице 1 приведено сравнение результатов, полученных с применением приспособления 11 для добавления озона, которое дает малые количества (следы) озона и расположено в газовом потоке предкамерного горения, в верхнем потоке от карбюратора или системы впрыска горючего в двигатель, как это показано на фигуре 2. Результаты базового испытания получены без приспособления 11 для добавления озона. Испытываемым двигателем был двигатель 1990 Ford/Taurus, оснащенный при производстве каталитическим нейтрализатором.

Кроме того, испытание автомобилей показало увеличение пробега газа в пределах от 3 до 10%, а также увеличение выходной мощности. Все испытания привели к результатам, показывающим небольшое остаточное содержание углеводорода в выхлопных газах, заключенное в пределах от 4 до 12 частей на миллион.

Результаты указанного анализа выхлопа свидетельствуют о том, что озон не может проходить через двигатель, не будучи использованным в окислении горючего. Отсутствие озона может быть проверено с помощью Oriel Ozone Test Kit. Он состоит из насоса, запускаемого вручную, и детекторной трубки. Насос поршневого типа отбирает образец из выхлопного газа через детекторную трубку. Трубка показывает концентрацию озона по длине изменения цвета в трубке. Она определяет концентрацию озона в пределах от 0,05 до 5 частей на миллион.

Если в выхлопных газах обнаружены следы озона, можно использовать контрольный механизм, соответствующий еще одному варианту реализации настоящего изобретения, как это показано на фигуре 3, в котором установлен датчик 16. В этом варианте реализации изобретения датчик 16 расположен в выхлопной трубе 12 и предназначен для обнаружения присутствия озона. Датчик 16 соединен с блоком 18 управления, который отключает лампу 21, являющуюся приспособлением для добавления озона, при обнаружении озона в выхлопных газах и снова включает ее, когда озона нет. Блок 18 управления может быть простым переключающим механизмом, таким, например, как транзисторная или электронная система, контролируемая выходным сигналом датчика 16, или таким сложным механизмом, как контролирующий компьютер двигателя, который анализирует выходной сигнал датчика 16 в сопоставлении с другими параметрами двигателя, такими как нагрузка, температура, позиция торможения, скорость оборотов двигателя (об/мин) и другие, с целью включения лампы 21, или который может модулировать световой выход лампы. В качестве альтернативы, блок 18 управления может изменять количество добавляемого с помощью лампы 21 озона путем изменения либо напряжения, либо тока, идущего к лампе 21, с помощью преобразователя 25 напряжения, на основании выходных сигналов, полученных от датчика 16.

Несмотря на то, что можно постоянно осуществлять контроль за выхлопами с помощью озоновых датчиков, таких как анализатор горения Fyrite II (VWR Scientific Со. ) и постоянно регулировать электрический ток, идущий к ультрафиолетовой лампе 21, экономичнее использовать дополнительные варианты реализации настоящего изобретения, которые будут описаны со ссылкой на фигуру 3, на которой показаны две или более относительно небольшие лампы 21a и 21b, каждая из которых превращает воздух в озон со степенью превращения, которая ниже необходимой для полного сгорания в двигателе внутреннего сгорания, причем одна лампа работает постоянно, а другая лампа включается только тогда, когда скорость двигателя или нагрузка на двигатель достигает предварительно заданного уровня.

В этом варианте реализации настоящего изобретения блок 18 управления соединен с датчиком 16 двигателя с целью получения входных параметров условий работы двигателя, таких, например, как температура, позиция торможения, скорость вращения двигателя (об/мин) или нагрузка на двигатель. Когда блок 18 управления определяет рабочий параметр на уровне, равном или выше заданного уровня, блок 18 управления включает лампу 13в. В дополнение к двухламповой конфигурации можно применять несколько ламп так, что одна лампа работает, когда это необходимо, а каждая дополнительная лампа включается вследствие отличающегося или возрастающего значения вращения двигателя или нагрузки на двигатель, определенных блоком 18 управления, так что все лампы работают, когда параметры двигателя, такие как скорость двигателя или нагрузка на двигатель достигают наивысшего заданного значения и озон образуется в количестве, достаточном для обеспечения хорошего горения, так чтобы не было избытка углеводородов или монооксида углерода.

Как альтернативный вариант, можно использовать одну лампу 21, и блок управления может регулировать количество генерированного лампой 21 озона, например, изменяя или напряжение или ток, идущий к лампе 21, с помощью преобразователя 25 напряжения, на основании входных сигналов, полученных от блока 18 управления. Можно также устанавливать лампу 21 в нижнем потоке от карбюратора двигателя или системы 31 подачи горючего, перед камерой горения, например, в приемном коллекторе 45, как это лучше всего видно на фигуре 4.

Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения озон вводят в газовые потоки предкамерного и посткамерного горения и после этого газовый поток посткамерного горения обрабатывают с помощью каталитического преобразователя и получают значительное снижение концентрации вредных компонентов, таких как CO, HC и NO_x, которое не могло бы быть достигнуто только одним каталитическим нейтрализатором. Согласно этому варианту реализации настоящего изобретения, лампа 21, как это описано выше, может быть установлена так, как это описано, и выхлопные газы в газовом потоке посткамерного горения обрабатывают с помощью каталитического преобразователя, что приводит к радикальному уменьшению выхлопных газов, которые меньше достигаемых без каталитического преобразователя. Лампа 21 может быть установлена в нижнем потоке от камеры сгорания двигателя, например, в выхлопном коллекторе 15, как это лучше всего видно на фигуре 4. Кроме того, лампа 21 может быть установлена и в верхнем потоке и в нижнем потоке камеры сгорания.

На фигуре 5 показан следующий вариант реализации настоящего изобретения, в котором приспособление для добавления озона расположено на расстоянии от газовых потоков предкамерного и посткамерного горения, и воздух, обогащенный озоном, поступает по трубе в поток рабочего газа. В этом варианте реализации изобретения один дополнительный генератор 50 озона для получения озона из воздуха всасывает атмосферный воздух независимо от работы двигателя, например, с помощью насосного механизма 55. Атмосферный воздух превращается в воздух, обогащенный озоном, например, под действием ультрафиолетового света, например, от ультрафиолетовой лампы, описание которой дано на фигуре 2, или под действием электростатического разрядного генератора озона, и добавляется, по крайней мере, в один из газовых потоков предкамерного или посткамерного горения с целью уменьшения, по крайней мере, одного вредного компонента, обработанного с помощью каталитического преобразователя. Смешивающий механизм 41 можно применять для усиленного смешения воздуха, обогащенного озоном, с потоком рабочего газа. Следует заметить, что вместо насосного механизма 55 атмосферный воздух можно забирать с помощью вакуума, образуемого двигателем 10.

Следующие испытания были проведены с двигателем 1996 г. Ford Taurus 3. OL, по варианту реализации изобретения, показанному на фигуре 3, в котором ультрафиолетовая лампа 13 расположена в заборном коллекторе 45, при проведении испытаний значения NO_x, HC, CO и CO₂ замеряли в верхнем потоке, а также в нижнем потоке каталитического преобразователя.

Следует отметить, что этот тип двигателя имеет два одинаковых каталитических преобразователя - один соединен с правым выпускным коллектором, другой соединен с левым выпускным коллектором. Результаты этих испытаний приведены ниже в табл.2.

Следует отметить, что вышеприведенные варианты реализации настоящего изобретения показаны на примерах. В связи с этим, поскольку применение излучающей энергии для получения озона описано выше, вариант реализации, в котором выхлопные газы обработаны с помощью каталитического преобразователя, таким образом, не ограничивает возможности реализации изобретения, и другие устройства, хорошо известные в литературе, которые производят озон, предположительно могут быть приспособлениями для добавления озона в поток рабочего газа в соответствии с рекомендациями этого варианта реализации изобретения.

Кроме того, следует отметить, что только требование этого варианта реализации изобретения состоит в том, что озон добавляют к потоку рабочего газа, по крайней мере, в одном месте верхнего потока каталитического преобразователя или в каталитический преобразователь, например, в канал воздухозаборника в карбюраторе или в системе впрыска горючего в камере горения, впускной коллектор воздух/горючее в камере горения, непосредственно в камеру горения или в выхлопной коллектор камеры горения или в выхлопную трубу А, как это показано на фигуре 1.

На фигуре 6 проиллюстрирован способ одного из вариантов реализации настоящего изобретения, который содержит следующие стадии: добавление озона к потоку рабочего газа, по крайней мере, в одном месте верхнего потока от каталитического преобразователя для обработки выхлопных газов, образовавшихся при горении горючего, для уменьшения, по крайней мере, одного вредного компонента от неполного сгорания и/или оксидов азота, и обработка выхлопных газов с помощью каталитического преобразователя.

Кроме того, согласно другому варианту реализации настоящего изобретения, добавляют гидроксильные радикалы в, по крайней мере, один из газовых потоков предкамерного горения и посткамерного горения, и затем поток выхлопного газа обрабатывают в приемнике с большой площадью поверхности током, например, как типичный автомобильный каталитический преобразователь. Устройство 60, соответствующее этому варианту реализации настоящего изобретения, показано на фигуре 7. В этом варианте реализации настоящего изобретения устройство 60 представляет собой генератор для образования гидроксильных радикалов и имеет лампу 21, излучающую ультрафиолетовый свет, например, парортутную дуговую лампу, излучающую ультрафиолетовый свет с длиной волны, составляющей, например, от 185 до 254 нм. Лампа имеет колбу, передающую свет, для передачи ультрафиолетового света, имеющего длину волны в пределах примерно от 100 до 300 нм, поскольку такое излучение в присутствии достаточного количества водяного пара способно производить гидроксильный радикал из воздуха. Колба, передающая свет, может быть выплавленной из диоксида кремния или его кварцевого синтетического эквивалента, суперсила или любого другого материала, который может передавать ультрафиолетовый свет с длиной волны меньше 100 нм и, предпочтительно, по крайней мере, равной 185 нм. Можно применять другие лампы, генерирующие ультрафиолет, такие как лампы, содержащие неон, аргон и их комбинации и другие газы, например ртуть.

Лампа 21 получает питание от источника питания 23, способного давать начальный электрический пробой газа внутри лампы и, соответственно, обеспечивать постоянное напряжение для излучающей способности лампы. Источник 23 питания непосредственно соединен с электрической системой 30 автомобиля посредством соединения с проводом под напряжением (на чертеже не показан) системы, например, как оригинальная оснастка в новом автомобиле. Как альтернатива, источник 23 питания соединен с электрической системой 30 свечой зажигания, которая подходит для установки ее в патрон запальника в кузове автомобиля, как это описано в ссылке на фигуре 2.

Важным в варианте реализации настоящего изобретения является то, что для эффективного образования гидроксильного радикала необходимо достаточное количество водяного пара и, предпочтительно, воздуха со 100% насыщением, в генераторе 60, в котором используют ультрафиолетовую лампу 21 как средство для получения гидроксильного радикала. Этот водяной пар можно подавать к генератору 60 через впускной канал 65 водяного пара. Водяной пар можно подавать к впускному каналу 65 для воды любыми альтернативными методами или комбинированными методами, включая подачу пара во впускной канал 65 для воды путем подогрева воды из баллона для хранения воды, как это описано и проиллюстрировано со ссылкой на фигуре 8.

В качестве альтернативы, водяной пар может быть выделен из потока выхлопного газа, как это показано на фигуре 8, в сепараторе 67 выхлопного газа и/или прямо подан во впускной канал 65, не будучи собранным в контейнере для хранения воды или, как альтернатива, через контейнер для хранения воды. В качестве альтернативы, водяной пар из потока выхлопного газа может конденсироваться и храниться в контейнере и после этого нагреваться с целью получения водяного пара. Кроме того, в дополнительном альтернативном варианте реализации настоящего изобретения поток выхлопного газа можно подавать непосредственно в генератор для образования гидроксильного радикала. Как один из дополнительных вариантов реализации настоящего изобретения, воздух, введенный в этот генератор, можно барботировать через воду, как это описано и проиллюстрировано на фигуре 8. Эту воду можно подавать из внешнего источника или можно конденсировать из водяного пара, присутствующего в потоке выхлопного газа.

Предполагается, что достаточно высокое содержание водяного пара и предпочтительно со степенью насыщения, равной примерно 100%, проходящего через генератор 60, как это обеспечено вариантом реализации настоящего изобретения на фигуре 7, приведет к прямой фотодиссоциации воды на OH и H вследствие адсорбции фотонов с длиной волны, лежащей в пределах порядка 100-185 нм. В качестве альтернативы, ультрафиолетовое излучение с длиной волны 100-185 нм от лампы 21 оказывает влияние на воздух, образуя озон и атомарный кислород. Ультрафиолетовое излучение с длиной волны, равной 253,7 нм, разрушает озон посредством фотодиссоциации на молекулярный кислород и метастабильный атом кислорода. Метастабильный кислород соединяется с присутствующими молекулами воды, образуя перекись водорода, которая фотодиссоциируется в присутствии ультрафиолетового излучения с длиной волны 253,7 нм на две молекулы гидроксильного радикала.

В устройстве 60, как это показано на фигуре 7, лампа 21 расположена в верхнем потоке от карбюратора двигателя или системы впрыска горючего 31, как в общем виде показано на фигуре 1, например, между воздушным фильтром 27 и каналом 29 впуска воздуха. Однако, в настоящем изобретении дополнительно рассмотрено расположение генератора 60 в любом месте газового потока предкамерного горения.

Для увеличения эффективности поглощения кислорода воздуха, введенного в двигатель 10, стенки, прилегающие к лампе 21, имеют поверхность с высокой отражающей способностью к ультрафиолетовому свету с длиной волны в заданных пределах, например, сделанную из алюминия, для увеличения средней длины свободного пробега ультрафиолетового света, так как алюминий сохраняет свою отражающую способность к ультрафиолетовому свету с длиной волны меньше, по крайней мере, 185 нм.

Согласно рекомендации настоящего изобретения, можно также поместить генератор 60 для образования гидроксильных радикалов в нижнем потоке от карбюратора двигателя или системы 31 впрыска горючего перед камерой сгорания, например, во внутреннем коллекторе 45, как это хорошо видно на фигуре 4.

На фигуре 10 проиллюстрирован, кроме того, вариант реализации настоящего изобретения, в котором генератор 60 расположен на расстоянии от газовых потоков предкамерного и посткамерного горения, и воздух, обогащенный гидроксильными радикалами, содержащий другие свободные радикалы и окислители, по трубопроводу поступает в поток рабочего газа. В этом варианте реализации настоящего изобретения генератор 60 для образования гидроксильных радикалов из воздуха втягивает атмосферный воздух независимо от работы двигателя, например, с помощью насосного механизма 55. Атмосферный воздух смешивают с водяным паром в генераторе 60 или водяной пар добавляют к атмосферному воздуху до его входа в генератор, и воздух с высоким содержанием водяного пара, предпочтительно со степенью насыщения 100%, превращают в воздух, обогащенный гидроксильными радикалами, действием, например, ультрафиолетового света или посредством генератора с коронным или тлеющим разрядом, и добавляют, по крайней мере, к одному из газовых потоков предкамерного или посткамерного горения в соответствии с рекомендациями настоящего изобретения.

Контейнер 57 для водяного пара подает водяной пар в генератор 60 для обеспечения достаточного содержания водяного пара в атмосферном воздухе и предпочтительно 100% степени насыщения. Контейнер 57 для водяного пара может быть контейнером для хранения, содержащим воду в ее любом физическом состоянии, то есть в твердом, жидком, газообразном состоянии или в виде водяного пара.

Вода может быть собрана из выхлопных газов двигателя, который образует водяной пар в результате горения, или она может быть собрана из внешнего источника. Если в контейнере 57 водяной пар представляет собой жидкую воду, ее можно превращать в водяной пар любыми хорошо известными методами, такими как нагревание в присутствии газа, такого как воздух, или воздух можно барботировать через воду для получения водяного пара. Водяной пар и воздух, поданные в генератор 60, могут быть введены через один и тот же вход, в котором вода или водяной пар добавлены к вводимому воздуху, поданному в генератор, этот вариант реализации настоящего изобретения показан пунктирной линией 51 на фигуре 8. Следует отметить, что контейнер 50 для воды не обязателен и что водяной пар может быть отделен от потока выхлопного газа в сепараторе 67 водяного пара и добавлен непосредственно в генератор или во впуск воздуха. В качестве альтернативы, выхлопной газ можно вводить непосредственно в генератор или в воздух и/или газ, подаваемый в генератор.

Смешивающий механизм 41 может быть применен для усиления смешения воздуха, обогащенного гидроксильными радикалами, с потоком рабочего газа. Следует отметить, что вместо насосного механизма 55, атмосферный воздух может быть забранным с помощью вакуума, создаваемого двигателем 10. Там, где воздух, обогащенный гидроксильными радикалами, вводят в поток выхлопного газа, может потребоваться трубка вентури 58.

На фигуре 9 проиллюстрирован генератор 60" для образования гидроксильных радикалов, который можно использовать в системе, показанной на фигуре 8. Генератор 60" для образования гидроксильных радикалов имеет парортутную лампу 21, соединенную с источником 61 питания. Парортутная лампа 21 излучает ультрафиолетовый свет с длиной волны в пределах около 100-300 нм, поскольку это излучение в присутствии достаточного содержания водяного пара способно образовывать необходимое количество гидроксильных радикалов из воздуха.

Канистра воздухозаборника 62 имеет сетчатый фильтр и воздушный фильтр (на чертеже не показан), она поставляет воздух в генератор 60". Канал воздухоприемника или трубопровод 64 подает воздух из впуска 62 канистры в генератор 60". Канал воздухоприемника 64 может иметь насос (на чертеже не показан) для облегчения подачи воздуха в генератор 60". Для эффективного получения гидроксильных радикалов важно, чтобы было достаточное количество водяного пара и, предпочтительно, воздух со степенью насыщения 100% в генераторе с ультрафиолетовой лампой 21 в качестве средства, образующего гидроксильные радикалы. Этот водяной пар может быть подан в генератор 60" через впускной канал 65" водяного пара. Впускной канал 65" водяного пара может собирать водяной пар от потока выхлопного газа через канал E, с использованием сепаратора 67 воды, как это показано на фигуре 8, или любым из альтернативных методов, описанных в настоящей заявке. На фигуре 8 водяной пар подают от источника 68 нагретой воды. Источник 68 нагретой воды представляет собой внешний источник подаваемой воды, которая циркулирует через двигатель по циркуляционным трубопроводам 69 для подогрева подаваемой воды. Предпочтительно, воду нагревают до температуры или поддерживают в ней температуру на уровне температуры равной или ниже температуры внутри генератора для образования гидроксильных радикалов. Водяной пар забирается из источника 68 подогретой воды и подается через впускной канал 65" водяного пара в генератор 60".

В качестве альтернативы, впуск 65 водяного пара может соединяться с входным клапаном 64 для воздуха, причем воздух и водяной пар могут быть смешаны друг с другом и затем поданы в генератор 60". Водяной пар можно собирать из потока выхлопного газа или из системы источника 68 нагретой воды, циркуляционные трубы 69 можно использовать для подачи водяного пара во впуск 65 водяного пара, или могут быть использованы любые альтернативные методы, описанные в настоящей заявке.

Кроме того, на фигуре 9 также показан альтернативный вариант реализации настоящего изобретения, относящийся к подаче достаточного количества водяного пара в генератор 60". В этом варианте реализации настоящего изобретения вода поступает для сбора в контейнере 63 через впуск 65 для воды. Воздух из впуска воздуха в канистре 62 барботируется через воду, обеспечивая достаточное содержание воды или влажность. Вода, собранная в контейнере 63 для хранения, может быть из внешнего источника или конденсирована из водяного пара или из потока выхлопного газа.

Внутренняя поверхность генератора для образования гидроксильных радикалов представляет собой поверхность с высоким отражением ультрафиолетового света в заданных пределах, например, из алюминия, который имеет отражающую способность по отношению к ультрафиолетовому свету с длиной волны, по крайней мере, меньше 185 нм.

Предполагается, что воздух с достаточным содержанием водяного пара, такой, как его подают в варианте реализации настоящего изобретения на фигуре 9, проходящий через генератор 60", приводит к непосредственной фотодиссоциации воды на OH и H вследствие поглощения фотонов с длиной волны 185 нм. В качестве альтернативы, ультрафиолетовая радиация с длиной волны, равной 185 нм, излучаемых лампой 21, воздействует на воздух, образуя озон и атомарный кислород. Ультрафиолетовое излучение с длиной волны, равной 253,7 нм, разрушает озон путем фотодиссоциации на молекулярный кислород и метастабильный атом кислорода. Метастабильный кислород вступает в соединение с присутствующими молекулами воды, образуя перекись водорода, которая фотодиссоциирует в присутствии ультрафиолетового излучения с длиной волны 253,7 нм на две молекулы гидроксильного радикала.

Гидроксильный радикал так же, как любой из свободных радикалов и окислителей H, O, HO₂, H₂O₂ образовавшихся в генераторе 60", поступает через выпускное отверстие 70 генератора в поток рабочего газа. Продукт из генератора может быть добавлен в газовые потоки предкамерного или посткамерного горения. Если продукт из генератора поступает в газовый поток посткамерного горения, это предполагает, что может потребоваться меньше гидроксильного радикала для того же уровня производительности, чем если бы его добавили в газовый поток предкамерного горения, поскольку большая часть гидроксильного радикала и другие свободные радикалы и окислители, добавленные к газовому потоку предкамерного горения, не смогли бы выдержать процесс горения. Гидроксильный радикал, который выдерживает горение или который поступает в газовый поток посткамерного горения воздействует на CO и HC в потоке выхлопа, образуя не загрязняющий CO₂ или H₂O.

Следующий генератор 60"" для образования гидроксильных радикалов показан на фигуре 10. Воздух с достаточным содержанием водяного пара поступает в генератор 60"" с коронным или тлеющим разрядом и может быть обработан таким же образом и в соответствии с теми же альтернативными вариантами или комбинациями вариантов реализации настоящего изобретения, описанными в настоящей заявке, в частности, со ссылками на фигуры 7, 8 и 9. Генератор 60"" имеет внешний электрод 81 с внутренним электродом 83. Диэлектрический материал или покрытие 82 помещают между внешним электродом 81 и внутренним электродом 83. Один провод от источника питания высокого напряжения и высокой частоты соединен с внутренним электродом 83, тогда как другой провод соединен с внешним электродом 81. Гидроксильный радикал и другие продукты из генератора 60"" с тлеющим разрядом поступают через выпускное отверстие 70 в поток рабочего газа.

На фигуре 11 показан другой вариант реализации настоящего изобретения, относящийся к генератору 60""" для образования гидроксильных радикалов. Генератор 60""" содержит генератор 90 озона для получения озона и ультрафиолетовый контейнер 95 для диссоциации озона и образования гидроксильного радикала. Генератор 90 озона имеет электролитическую ячейку 91, получающую воду через впуск для воды 92. Вода для электролитической ячейки 91 может быть подана из внешнего источника хранящейся воды или она может быть конденсированной и собранной из водяного пара в потоке выхлопного газа, образовавшегося при горении. Электролитическая ячейка 91 соединена с источником 93 питания сверхвысокого напряжения. Электролитическая ячейка сверхвысокого напряжения работает при напряжении на несколько десятых вольт выше напряжения, необходимого для обеспечения электролиза. Электролитическая ячейка 91 генерирует озон, кислород и водяной пар, который удерживается в контейнере 94. Контейнер 94 имеет выпускное отверстие 96 для озона, кислорода и водяного пара, обеспечивающее проход в ультрафиолетовый контейнер 95.

Ультрафиолетовый контейнер 95 имеет ультрафиолетовую лампу 21", дающую излучение с длиной волны 253,7 нм, необходимое для диссоциации озона на гидроксильный радикал в соответствии с последовательностью реакций, описанных выше в связи с фигурой 8. Ультрафиолетовая лампа 21" соединена с источником 60 питания. В отличие от лампы 21 на фигуре 9, лампа 21" необходима исключительно для генерирования ультрафиолетового излучения с длиной волны, превышающей 200 нм и, предпочтительно, равной примерно 254 нм. Внутренняя поверхность ультрафиолетового контейнера 95 представляет собой поверхность с высоким отражением ультрафиолетового излучения с длиной волны, превышающей 200 нм и, предпочтительно, равной примерно 254 нм.

В качестве следующей альтернативы, лампа 21 (генератор 20) может быть помещена в нижнем потоке от камеры сгорания двигателя, например, в выхлопном коллекторе 15, как это лучше всего видно на фигуре 4. При облучении потока выхлопа ультрафиолетовым излучением с длиной волны в пределах от 100 до 200 нм в присутствии достаточного количества водяного пара, гидроксил будет образовываться вследствие прямой диссоциации.

Кроме того, генераторы 20, 21", 20"", 20""" гидроксила могут впрыскивать гидроксил и в верхний и в нижний поток камеры сгорания.

Необходимо отметить, что приведенные выше варианты реализации настоящего изобретения проиллюстрированы на примерах. В связи с этим, несмотря на то, что использование энергии излучения с целью получения гидроксильных радикалов описано выше, настоящее изобретение этим не ограничивается, и другие хорошо известные из литературы устройства для получения гидроксильных радикалов рассмотрены как источники добавления гидроксила к потоку рабочего газа в соответствии с рекомендациями настоящего изобретения.

Кроме того, необходимо отметить, что единственное требование настоящего изобретения состоит в том, что гидроксильный радикал добавляют в поток рабочего газа в зоне верхнего потока каталитического преобразователя или в каталитический преобразователь, например, во впускной канал для воздуха в карбюраторе или систему впрыска горючего камеры сгорания, впускной коллектор для воздуха/горючего камеры сгорания, в камеру сгорания непосредственно или в выхлопной камеры сгорания или в выхлопную трубу 12, как это показано на фигуре 1.

Более того, несмотря на то, что настоящее изобретение изложено применительно к каталитическому преобразователю, предполагается, что для уменьшения вредных компонентов в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания необходимы только большая площадь поверхности преобразователя в сочетании с введением гидроксильного радикала.

Регулирующее устройство может быть применено в соответствии со следующим вариантом реализации настоящего изобретения, как это показано на фигуре 12, где в системе установлен датчик 16 двигателя. Датчик соединен с блоком 18 управления, который может быть электронной системой, регулируемой по выходному сигналу датчика 16 или таким же сложным, как контрольный компьютер двигателя, который анализирует выходной сигнал датчика 16 в сочетании с другими параметрами двигателя, такими как нагрузка, температура, позиция торможения, обороты/мин и другие, и который может модулировать производительность генератора 60 для образования гидроксильных радикалов. В качестве альтернативы, блок 18 управления может регулировать количество гидроксильного радикала, образующегося в генераторе 60 посредством изменения либо напряжения, либо тока, подаваемого к генератору 60, с помощью преобразователя 25 напряжения на основании входных сигналов, получаемых от процессорного датчика 16.

В альтернативном варианте реализации настоящего изобретения одиночный генератор для образования гидроксильных радикалов может иметь больше, чем одну ультрафиолетовую лампу 21a, 21b, 21c, каждая из которых преобразует воздух, кондиционированный до необходимого содержания водяного пара, в гидроксильные радикалы, со степенью меньше требуемой для полного удаления вредных компонентов, образующихся при сгорании горючего. Одна лампа 21a включается в случае необходимости, например, когда двигатель работает, а другая лампа 21b модулируется в зависимости от рабочих параметров, определяемых процессорным датчиком 39.

В этом варианте реализации настоящего изобретения контроллер 18 соединен с процессорным датчиком 16 с целью обеспечения ввода текущих рабочих параметров или условий двигателя. Если контроллер 18 определяет условия или параметры двигателя или нагрузку на двигатель на уровне или выше заданного уровня, контроллер 18 модулирует лампу 21b и выходной сигнал от генератора для образования гидроксильных радикалов. В дополнение к двухламповой и двухгенераторной конфигурации можно применить несколько генераторов или ламп, таким образом, что один генератор или лампа непрерывно работают во время работы двигателя, и каждый дополнительный генератор или лампа включаются вследствие разницы или возрастания уровней параметров рабочих условий, таких как вращение двигателя или нагрузка на двигатель, обнаруженных контроллером 18, так что все генераторы или лампы работают, когда параметр или условие работы двигателя, такое как скорость или нагрузка на двигатель находятся на самом высоком заданном уровне и образуется достаточное количество гидроксила, предотвращающее образование избыточного количества вредных компонентов.

В подобном устройстве вместо нескольких ламп 21 могут быть применены несколько комплектов внутренних электродов 83 и внешних электродов 81, или несколько генераторов 90 озона и контейнеров 95 ультрафиолетового света, или несколько ламп 21".

В качестве альтернативы, может быть применена одиночная лампа 21, и контроллер 18 может регулировать количество гидроксила, образующегося от лампы 21, изменением либо напряжения, либо тока, подаваемого на лампу 21, с помощью преобразователя 25 напряжения на основании входных сигналов, получаемых от контроллера 18.

На фигуре 13 показан способ, соответствующий настоящему изобретению, отличающийся тем, что содержит стадии: добавление гидроксильных радикалов в поток рабочего газа в зоне верхнего потока от верхней поверхности приемника и пропускание выхлопных газов через верхнюю поверхностную зону приемника, такого, например, как типичный автомобильный каталитический преобразователь.

Несмотря на то, что различные варианты реализации настоящего изобретения описаны с конкретной ссылкой на его предпочтительные варианты реализации, следует понимать, что возможны многие варианты и модификации этого изобретения, и, следовательно, рамки настоящего изобретения ограничены не этим специфическим изложением, а лишь прилагаемой формулой изобретения.