способ снижения токсичности отработавших газов автомобильных двигателей и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ снижения токсичности отработавших газов автомобильных двигателей, оборудованных каталитическим нейтрализатором и впрысковой системой подачи топлива, отличающийся тем, что одновременно с очисткой отработавших газов от вредных примесей на каталитическом нейтрализаторе обработку топлива осуществляют на всех режимах, в том числе на режимах прогрева двигателя, причем осуществляют обработку топлива путем прохождения топлива в камере со столбиками из оловянно-кадмиевого сплава, электрически связанными с массой двигателя с помощью электрода, и дальнейшего поступления в магнитную систему, состоящую из магнита и магнитной втулки.

2. Устройство для снижения токсичности отработавших газов автомобильных двигателей в режимах их прогрева при повышенных оборотах холостого хода, отличающееся тем, что оно состоит из неразборного пластмассового корпуса с двумя алюминиевыми фланцами, имеющими ниппели для крепления топливных шлангов на резьбовых хомутах, внутри прибора установлены три столбика, изготовленные из оловянно-кадмиевого сплава и электрически связанные с массой двигателя с помощью электрода, а над столбиками установлена магнитная втулка, которая через прокладку опирается на постоянный неодимо-боровый магнит, имеющий щель для прохода топлива, а над магнитом установлена фильтровальная латунная сетка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к улучшению экологических характеристик автомобилей.

Уже известен способ снижения токсичности отработавших газов автомобильных двигателей, оборудованных каталитическим нейтрализатором и впрысковой системой подачи топлива, и устройство для снижения токсичности отработавших газов автомобильных двигателей в режимах их прогрева при повышенных оборотах холостого хода (см. заявку РФ №99126167, опубл. 27.09.2001).

Недостатком известных способа и устройства является низкая эффективность удаления NOx.

Задачей для заявленных способа и устройства является повышение эффективности удаления NOx.

Задача для заявленного способа достигается за счет того, что в способе снижения токсичности отработавших газов автомобильных двигателей, оборудованных каталитическим нейтрализатором и впрысковой системой подачи топлива, одновременно с очисткой отработавших газов от вредных примесей на каталитическом нейтрализаторе обработку топлива осуществляют на всех режимах, в том числе на режимах прогрева двигателя, причем осуществляют обработку топлива путем прохождения топлива в камере со столбиками из оловянно-кадмиевого сплава, электрически связанными с массой двигателя с помощью электрода, и дальнейшего поступления в магнитную систему, состоящую из магнита и магнитной втулки.

Задача для заявленного устройства достигается за счет того, что устройство для снижения токсичности отработавших газов автомобильных двигателей в режимах их прогрева при повышенных оборотах холостого хода состоит из неразборного пластмассового корпуса с двумя алюминиевыми фланцами, имеющими ниппели для крепления топливных шлангов на резьбовых хомутах, внутри прибора установлены три столбика, изготовленные из оловянно-кадмиевого сплава и электрически связанные с массой двигателя с помощью электрода, а над столбиками установлена магнитная втулка, которая через прокладку опирается на постоянный неодимо-боровый магнит, имеющий щель для прохода топлива, а над магнитом установлена фильтровальная латунная сетка.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен общий вид устройства для снижения токсичности отработавших газов.

На фиг.2 - устройство - сечение А-А.

На фиг.3 - устройство - сечение Б-Б.

На фиг.4 - устройство - вид по Z.

Общеизвестно, что автомобильный транспорт вносит основной вклад в загрязнение атмосферы городов вредными примесями.

До 1992 года "усредненный" городской автомобиль (4 цилиндра, 100-150 л.с., бензин) при пробеге 100 км в день выделял в год 0,3 тонны СО, 0,04 тонны NOx и 0,02 тонны НС, всего 0,36 тонн (европейские правила ЕЭС 91/441).

Несмотря на то что к началу семидесятых годов в лабораториях ученых появились первые образцы каталитических нейтрализаторов, способных в той или иной степени окислить продукты горения до СО₂ и воды, их широкому внедрению существенно препятствовал этилированный бензин.

Входящий в его состав тетраэтилсвинец является отравляющим веществом для каталитических нейтрализаторов, быстро выводившим их из строя из-за конденсации свинца на поверхности катализатора. А замена нейтрализатора это очень дорогая операция, так как в нем в качестве катализатора чаще всего используются платина и палладий.

Использование более эффективных технологий нефтепереработки и получение высокооктановых бензинов без тетраэтилсвинца позволили США, а именно Environmental Protection Agency (EPA), выпустить в июле 1975 года пресс-релиз, запрещающий в США эксплуатировать автомобили без каталитических нейтрализаторов.

В Европе первой страной, освоившей серийный выпуск каталитических нейтрализаторов, была Германия (фирма Ауди). Если в 1985 году в Германии было 25 млн. автомобилей без нейтрализатора, то к 1990 году количество автомобилей, оборудованных двухкомпонентными каталитическими нейтрализаторами, достигло 35 млн. Правила приобрели в дальнейшем индекс Евро-1 и предусматривали снижение выброса СО до 2,75 г/км, НС до 0,3 г/км и NOx до 0,62 г/км для "усредненного" городского автомобиля (эти правила соответствовали федеральным нормативам США - 83).

В это время в Германии появились трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы, а с 1993 года практически все автомобили снабжались впрысковыми системами подачи топлива и трехкомпонентными нейтрализаторами. Ранее в двухкомпонентных нейтрализаторах в качестве катализаторов использовались платина и палладий для окисления СО в СО₂ и водорода (входящего в состав углеводородов НС) в воду.

В трехкомпонентном нейтрализаторе начали использовать родиевый катализатор, способствующий трансформации NOx в N₂. Правила получили индекс ЕЭК ООН #83-02,03 и предусматривали снижение выбросов СО до 2,2 г/км, НС до 0,2 г/км и NOx до 0,15 г/км. В России это было предусмотрено в ГОСТе Р 41.49-99.

Годовые выбросы "усредненного" автомобиля составили по СО 165 кг, по NOx 32 кг, по НС 19 кг, всего 216 кг.

Все эти требования распространялись на существующие нейтрализаторы с катализаторами, работающими при температуре не менее 350°С. При работе на более низких температурах, как, например, при холодных пусках двигателя, указанные нейтрализаторы эти требования не выполняли.

Вместе с тем, трехкомпонентный каталитический нейтрализатор создал, якобы, не только наилучшие условия для обеспечения экологической безопасности атмосферы, но и позволил продолжить работы по повышению КПД двигателей внутреннего сгорания. Ранее это было затруднено, так как повышение температуры в камере сгорания приводило к существенному росту содержания в выхлопных газах окислов азота, токсичность которых в 40 раз превосходит токсичность СО.

Сегодня трехкомпонентный супернейтрализатор без учета холодных циклов прогрева двигателя обеспечивает снижение содержания на выхлопе СО до 1,0 г/км, НС до 0,1 г/км и NOx до 0,15 г/км в течение 40000 км пробега. Это соответствует Правилам ЕЭС #83.03 (#49 и #24) и нормативам Евро-4 и ГОСТу Р 41.83-2003.

Заводы-изготовители нейтрализаторов гарантируют его сохранность (без повреждения корпуса из-за сильного нагрева и попадания воды и грязи) в течение 5 лет или 80000 км пробега.

По данным J.L. King (Мичиганский университет) для продления этой гарантии до 7 лет или 112000 км потребуется не менее 20 лет.

Несмотря на перечисленные преимущества, каталитический нейтрализатор обладает существенными недостатками:

1. Большая стоимость.

В каждом нейтрализаторе используется до 2 граммов смеси платины, палладия и родия, которые наносятся на металлическую или керамическую сотовую или шариковую подложку. В связи с этим стоимость нейтрализаторов весьма высокая. Так, например, если простейший некаталитический нейтрализатор фирмы Catco Universal Catalytic Converters, обеспечивающий окисление СО и НС подающимся внутрь нейтрализатора воздухом, стоит около 60 $, то простейший трехкомпонентный нейтрализатор PSE 80.0026 фирмы Exhaust Upgradec стоит 150 $, а супернейтрализатор RKS 01095405 этой же фирмы типа TRU Х стоит уже 600-650 $. Металлоблочный нейтрализатор НАМИ с палладиевым катализатором стоит 60-70 $ на один литр объема двигателя.

2. Неработоспособность в условиях холодного пуска.

Это самый существенный недостаток. Для нормальной работы трехкомпонентного нейтрализатора катализатор должен быть разогрет до 350°С. При меньших температурах он каталитической активностью не обладает.

Нужно отметить, что практически все платиновые катализаторы, использующиеся в химической промышленности, например, при синтезе серной и азотной кислоты, работают при температурах в первом случае 400-550°С, во втором случае 600-750°С.

Таким образом, при первом и последующих включениях двигателя, когда выхлопная система остывает, нейтрализатор в течение определенного времени практически не работает.

По данным H.Kleinberg и фирмы Olympus Imported Auto Parts разогрев нейтрализатора до 350°С осуществляется за время не менее 4-6 минут. В течение этого времени нейтрализатор и связанный с ним четырехпроводной -зонд практически не работают.

В дальнейшем мы рассмотрим, к каким печальным последствиям приводит это обстоятельство.

3. Возникновение термических напряжений в каталитических блоках нейтрализатора и их разрушение при быстром нагреве.

Учитывая большую стоимость катализатора, время прогрева на повышенных оборотах должно быть не менее 5 минут.

4. Низкая эффективность удаления NOx (особенно для дизелей).

На практике это особенно важно в связи с крайне высокой относительной токсичностью NOx по сравнению с СО. С этим недостатком можно бороться, используя режим рециркуляции отработавших газов (EGR), понижающий температуру горения, но это приводит к существенному уменьшению КПД двигателя.

5. Низкая стойкость при воздействии окиси серы (особенно SO ₂), проявляющаяся в дезактивации катализатора.

Указанное обстоятельство налагает особые требования к качеству автомобильных бензинов. Так, например, Калифорнийский стандарт США не допускает применение бензинов с содержанием серы более 0,03 об.%, а общеевропейские нормы на неэтилированный премиальный бензин предусматривают не более 0,1 об.% серы.

Здесь перечислены главные недостатки каталитических нейтрализаторов, из которых следует, что наиболее рациональным способом поддержания эффективной работы нейтрализатора на всех режимах работы двигателя является либо его автономный прогрев перед пуском двигателя, либо поиск других способов увеличения полноты горения при холодном пуске, либо существенное снижение рабочей температуры катализатора.

В Московском научно-исследовательском моторном институте НАМИ разработана система электрического нагрева нейтрализатора перед пуском двигателя. Она, к сожалению, на практике не применялась.

Следует отметить, что в связи с понижением температуры в камере сгорания при холодном пуске проблема выброса NOx в данном случае не стоит так остро, как при пуске и работе разогретого двигателя.

Есть и другие причины, снижающие эффективность использования нейтрализаторов. Это влияние вибраций на блоки катализатора, гидротермическое старение блоков в условиях воздействия паров воды и высокой температуры, использование в двигателе некондиционных смазочных материалов и др. Здесь также имеются способы улучшения работы нейтрализатора вплоть до перехода на бедные горючие смеси и использование одноискровых свечей и специальных газоподводящих и отводящих сильфонов для гашения вибрационных нагрузок на нейтрализатор.

Вернемся к рассмотрению главного недостатка - проблеме пуска остывшего двигателя.

Пример.

Рассмотрим современный "усредненный автомобиль":

- 4-цилиндровый двигатель внутреннего сгорания;

- мощность 100-150 л.с.;

- топливопремиальный бензин неэтилированный (АИ-95);

- впрысковая подача топлива;

- нейтрализатор трехкомпонентный;

- средний ежедневный пробег 100 км (35000 км/год);

- в день 10 пусков (температура двигателя при пуске не более 40°С);

- продолжительность разогрева нейтрализатора до 350°С - 5 мин;

- расход топлива на повышенных оборотах холостого хода 2,5 л/ч.

1 случай.

"Усредненный" автомобиль с самым современным нейтрализатором проходит по городу в течение дня без остановок 100 км. В соответствии с Евро-4 автомобиль должен выбрасывать не более СО 1 г/км; НС 0,1 г/км и NOx 0,08 г/км, если не считать те вредные выбросы, которые имеют место при пусках остывшего двигателя, когда нейтрализатор не работает. Всего будет выброшено 1,18·100=118 граммов вредных веществ в течение одного дня.

2 случай.

Этот же автомобиль без движения 10 раз в течение дня запускается, и каждый раз в течение 5 минут осуществляет разогрев нейтрализатора до 350°С, работая при этом на повышенных оборотах (2500 об/мин) холостого хода. На этом режиме нейтрализатор не работает.

Расход топлива на этом режиме равен 2,5 л/ч, т.е. за 50 минут 2,08 кг топлива. Масса отработанных газов будет равна количеству сожженного топлива плюс количество воздуха, необходимого для горения топлива, т.е. 2,08+(15·2,08)=33,3 кг. Имея в виду, что основными компонентами отработанных газов будут CO ₂, Н₂О и незначительное количество NO₂, удельная масса их будет равна 1,33 кг/м³. Тогда объем отработанных газов будет равен 25 м³.

Выбросы вредных веществ на холостом ходу впрыскового двигателя без нейтрализатора составляют для СО - 0,4%, для НС - 0,04%. Концентрация NOx на таком режиме обычно не измеряется и она, в связи с более низкими температурами, существенно меньше соответствующей концентрации NOx при ездовом цикле. Тогда в отработанных газах будет присутствовать 100 литров СО и 10 литров НС, всего 110 литров вредных веществ, что с учетом удельных масс газов составляет 146 г, т.е. в 1,24 раза больше общего выброса вредных веществ при езде по городу с супернейтрализатором.

Таким образом, каталитический нейтрализатор, осуществляя очень эффективную очистку отработавших газов от вредных веществ при езде по городу, не обеспечивает удаление вредных примесей при пусковых режимах работы двигателя. И практически столько, сколько он очистил отработавших газов при езде по городу, столько он пропустил, не очистив, при 10-ти пусках двигателя в день.

Складывается кажущееся впечатление, что нейтрализатор работает отлично, а в действительности это не так.

Задачей изобретения является разработка способа устранения этого недостатка. Здесь возможны два способа:

1. Снижение рабочей температуры катализатора при сохранении высокой эффективности.

Это труднейший вопрос катализа. Эффективность окислительного и восстановительного катализатора заданной структуры в основном зависит от температуры и давления. В нашем случае давление повышать нельзя, так как это приводит к уменьшению мощности двигателя. Попытки снижения температуры для платиновых катализаторов были предприняты в Институте катализа им. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук. В институте были разработаны стекловолоконные носители для платины, позволившие снизить температуру до 300°С, а расход платины уменьшить в 10 раз, при этом сохранилась достаточно высокая эффективность катализатора даже по отношению к NOx, но работы, к сожалению, не были завершены.

2. Магнитная обработка топлива.

Она осуществляется непосредственно перед впрысковой системой в разработанном нами приборе "ЭКИН" (Патент России №2182673). Были проведены испытания прибора на впрысковом двигателе без каталитического нейтрализатора на холостом ходу при повышенных оборотах (именно на этом режиме осуществляется прогрев любого двигателя). В испытаниях на шведской фирме "Rototest АВ", проведенных на двигателе автомобиля BMW 525i со снятым нейтрализатором, концентрация СО после установки прибора снизилась с 0,3-0,4% до 0,01%, т.е. в 30-40 раз, а концентрация СН снизилась с 400 ppm до 60, т.е. в 6,6 раз.

То, что после испытаний (без прибора) концентрации приблизились к исходным, объясняется тем, что двигатель автомобиля BMW 525i, как и других автомобилей, имеет систему перепуска топлива в бак, что позволяет исключить образование газовых пузырей в топливных трубопроводах в жаркую погоду, т.е. в каждом последующем испытании количество обработанного прибором топлива в баке увеличивается. Увеличивается довольно быстро. В связи с повышенным до 4 атмосфер давлением на входе во впрыскиватель (дюза для перепуска топлива имеет диаметр 1 мм) при 2000 оборотах в минуту дюза обеспечивает расход топлива 0,3 литра в минуту, т.е. за время испытаний, которые проходят в трех повторностях, почти полностью обрабатывается топливо, находящееся в баке.

Испытание проводил сотрудник испытательной станции "Рототест АВ" Магистр технологических наук Джонни Форлунд. В конце протокола испытания он отметил: "Испытания показали выдающиеся возможности прибора. Я приветствую изобретателей и представляю результаты испытания "русского изобретения".

Таким образом, при холодном запуске впрыскового двигателя с установленным прибором "Экин" количество СО снизится со 100 литров до 2,8 литра, а НС с 10 литров до 1,5 литра, суммарный вес которых будет составлять около 5 г.

Значит, количество вредных примесей при прогревах впрыскового двигателя с прибором "Экин" уменьшится в 25,6 раз.

Значит, прибор "Экин" практически полностью устраняет недостаток каталитического нейтрализатора, проявляющийся при пусках остывшего впрыскового двигателя.

Расчеты показывают, что годовой выброс вредных веществ впрыскового двигателя, оборудованного современным нейтрализатором и прибором "Экин", составляет всего 38 кг, что почти на порядок меньше соответствующего показателя, достигнутого мировой автомобильной промышленностью 12 лет назад.

Дальнейшее уменьшение годовых выбросов станет возможным в эпоху водородной энергетики, когда на смену бензиновому двигателю придет электрохимический генератор тока.

Таким образом, техническим результатом использования изобретения является устранение главного недостатка каталитических конверторов отработавших газов - их неработоспособность в условиях прогрева двигателя. При этом экологически чистая работа двигателя достигается только при совместном функционировании при прогревах конвертора с магнитной обработкой топлива.

Способ заключается в том, что одновременно с очисткой отработавших газов от вредных примесей на каталитическом нейтрализаторе осуществляют на всех режимах, в том числе на режимах прогрева двигателя, магнитную его обработку, имеющую возможность снижать токсичность отработавших газов в режимах прогрева двигателя на повышенных оборотах холостого хода, когда каталитический нейтрализатор не выполняет свои функции.

Устройство, показанное на прилагаемом чертеже, представляет собой прибор, состоящий из неразборного пластмассового корпуса 03 с двумя алюминиевыми фланцами 01, имеющими ниппели для крепления топливных шлангов на резьбовых хомутах. Внутри прибора установлены три столбика 06, изготовленных из оловянно-кадмиевого сплава. Над столбиками установлена магнитная втулка 05, которая через прокладку 09 опирается на постоянный неодимо-боровый магнит 04, имеющий щель для прохода топлива, над магнитом установлена фильтровальная латунная сетка-фильтр 10. Столбики вместе с нижним фланцем электрически связаны с массой двигателя с помощью электрода 08.

Герметичность прибора обеспечивается двумя (на выходе и входе) прокладками 02 и стяжными винтами 07 со спиленными (для обеспечения неразборности) головками.

Устройство работает следующим образом: топливо, проходя через нижний ниппель, попадает в камеру обработки со столбиками 06, где в составе топлива образуются свободные радикалы-диполи, далее топливо поступает в магнитную систему, состоящую из магнита 04 и магнитной втулки 05, где происходит структуризация и ориентация радикалов-диполей, далее, проходя через фильтровальную сетку 10, топливо поступает в карбюратор или инжектор, а далее в камеру сгорания двигателя, где сгорает с большей полнотой, чем при отсутствии магнитной обработки.