RU2137926C1

RU2137926C1 - Diesel engine exhaust gas cleaner

Info

Publication number: RU2137926C1
Application number: RU98118958A
Authority: RU
Inventors: Л.А. Новиков; В.Т. Бордуков; Б.М. Борецкий; Ю.В. Петров
Original assignee: Центральный научно-исследовательский дизельный институт
Priority date: 1998-10-08
Filing date: 1998-10-08
Publication date: 1999-09-20

Abstract

FIELD: cleaning exhaust gases from soot particles and gaseous products of incomplete combustion. SUBSTANCE: cleaner has case accommodating exhaust-gas soot cleaning unit and at least one oxidizing-catalyst unit built around cellular carrier. Exhaust-gas cleaning unit has two stages; first stage has at least one catalyst unit built around high-porosity open-cell carrier and second stage functions as separator placed upstream or downstream of cellular-carrier oxidizing-catalyst unit. Engine exhaust gases are first conveyed to catalyst unit wherein oxidation takes place in its cells and, which is most essential, soot particles are coagulated into large aggregates passed from this unit to separator. Entrapped soot is removed from separator either by discharging it to large-space accumulator or by episodic evaporation of accumulated soot with aid of electric heating element. Additional oxidation of incomplete-combustion products occurs when exhaust gases are passed through second catalyst unit built around cellular carrier. EFFECT: improved operating efficiency of diesel engine. 4 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к очистке отработавших газов (далее ОГ) дизельного двигателя и может быть применено в двигателестроении, тепловозостроении, судостроении, автотракторной технике, горнорудной технике, а также на уже эксплуатируемых транспортных средствах (тепловозах, автосамосвалах и др.). The present invention relates to the purification of exhaust gases (hereinafter referred to as EXHAUST gas) of a diesel engine and can be used in engine building, diesel locomotive building, shipbuilding, automotive technology, mining equipment, as well as in existing vehicles (diesel locomotives, dump trucks, etc.).

Известно устройство для очистки ОГ дизельного двигателя [патент РФ N 2073098 по МКИ 6 F 01 N 3/10 от 10.02.97], содержащее узел очистки ОГ от сажевых частиц и последующий блок катализатора. Узел очистки ОГ от сажевых частиц выполнен в виде сепаратора (циклонного типа). A device for cleaning exhaust gas of a diesel engine is known [RF patent N 2073098 according to MKI 6 F 01 N 3/10 of 02/10/97], comprising a unit for cleaning exhaust gas from soot particles and a subsequent catalyst unit. The unit for cleaning exhaust gas from soot particles is made in the form of a separator (cyclone type).

Существенным недостатком такого устройства является его неэффективность. Сепарируются только относительно крупные частицы сажи с размерами более 0,5-1,0 мкм, а таких частиц не более 10% от общей массы. Остальные являются витающими частицами и именно они представляют реальную опасность для здоровья людей. Витающие частицы поступают в блок катализатора и, пройдя его транзитом, выбрасываются в атмосферу. Одновременно снижается каталитическая активность блока по отношению к газообразным продуктам неполного сгорания топлива в дизеле. A significant drawback of such a device is its inefficiency. Only relatively large soot particles with sizes greater than 0.5-1.0 microns are separated, and such particles no more than 10% of the total mass. The rest are floating particles, and they represent a real danger to human health. The soaking particles enter the catalyst block and, passing through it, are released into the atmosphere. At the same time, the catalytic activity of the block decreases with respect to the gaseous products of incomplete combustion of fuel in a diesel engine.

Окисление частиц на катализаторах принципиально не может быть столь же глубоким как газообразных углеводородов без дополнительного и значительного подогрева потока ОГ дизеля или самого катализатора. Наиболее мелкие частицы сажи легко абсорбируются в порах катализатора, медленно окисляются с выделением окиси углерода и физически блокируют активную поверхность катализатора, затрудняя контакт с газообразными продуктами неполного сгорания топлива. Поэтому даже обычные каталитические нейтрализаторы, разработанные для автомобильных двигателей с искровым зажиганием, не говоря уже о предложенных для данного устройства "молекулярных ситах или расплавах солей", на дизелях не работоспособны без предварительной тщательной фильтрации ОГ от мелких сажевых частиц. Oxidation of particles on catalysts cannot fundamentally be as deep as gaseous hydrocarbons without additional and significant heating of the exhaust gas stream of the diesel engine or the catalyst itself. The smallest soot particles are easily absorbed in the pores of the catalyst, slowly oxidize with the release of carbon monoxide and physically block the active surface of the catalyst, making contact with gaseous products of incomplete combustion of fuel difficult. Therefore, even conventional catalytic converters designed for spark-ignition automobile engines, not to mention the "molecular sieves or salt melts" proposed for this device, are not operational on diesel engines without first carefully filtering exhaust gas from small soot particles.

Известно устройство для очистки ОГ двигателя внутреннего сгорания [патент РФ N 2029107 по МКИ 6 F 01 N 3/00 от 20.02.95], содержащее корпус с впускным патрубком и размещенный в корпусе блок катализатора, выполненного на носителе из жаропрочного открытоячеистого высокопористого материала (ВПЯМ). Такой носитель обладает развитой удельной поверхностью (более 100 м²/г) и турбулизирует проходящий поток газа.A device for cleaning the exhaust gas of an internal combustion engine [RF patent N 2029107 according to MKI 6 F 01 N 3/00 dated 02/20/95], comprising a housing with an inlet pipe and a catalyst block located in the housing, made on a carrier of heat-resistant open-cell highly porous material (VPYAM ) Such a carrier has a developed specific surface area (more than 100 m ² / g) and turbulizes the passing gas stream.

При использовании подобного устройства на дизельном двигателе, как показали проведенные в ЦНИДИ исследования, происходит частичное окисление сажи (от 10 до 40% по массе), а структура крупноразмерных ячеек обеспечивает интенсивный процесс кинематической коагуляции в турбулентном потоке, превращая все витающие частицы в инерционные агрегаты. Процессы окисления и коагуляции сажевых частиц интенсивно протекают уже в начальных ячейках блока и практически завершаются на глубине не более 1,0-2,0 эквивалентных диаметра блока. When using such a device on a diesel engine, as shown by the CNIDI studies, partial soot oxidation (from 10 to 40% by mass) occurs, and the structure of large-sized cells provides an intensive process of kinematic coagulation in a turbulent flow, converting all the floating particles into inertial units. The processes of oxidation and coagulation of soot particles intensively occur already in the initial cells of the block and almost complete at a depth of not more than 1.0-2.0 equivalent diameter of the block.

Дальнейшее перемещение агрегатированных сажевых частиц через объем блока происходит за счет продавливания их потоком ОГ (с частичным разрушением и дальнейшей коагуляцией). Интенсивное окисление газообразных продуктов неполного сгорания и окиси углерода от окисления сажи происходит также на более глубоких участках блока. Further movement of aggregated soot particles through the block volume occurs due to their forcing through the exhaust gas flow (with partial destruction and further coagulation). Intensive oxidation of gaseous products of incomplete combustion and carbon monoxide from soot oxidation also occurs in deeper sections of the block.

Недостатками такого устройства при работе с дизельным двигателем являются выброс в атмосферу большей части агрегатированных сажевых частиц и повышенное сопротивление выпуску. Потери давления на блоке с размерами ячеек 1-5 мм в 3-4 раза выше по сравнению с блоком сотового катализатора равного объема и сечения. The disadvantages of such a device when working with a diesel engine are the emission into the atmosphere of most of the aggregated soot particles and the increased resistance to release. The pressure loss on a block with a cell size of 1-5 mm is 3-4 times higher compared to a block of cellular catalyst of equal volume and cross section.

Наиболее эффективным в отношении очистки ОГ дизельного двигателя и структурно близким к нашему предложению является известное устройство [заявка Японии N 3-1.5617 по МКИ 5 F 01 N 3/02 от 24.01.91], содержащее корпус с входным патрубком, узел очистки ОГ от сажевых частиц и блок окислительного катализатора на сотовом носителе для дожигания газообразных продуктов неполного сгорания. Это устройство выбрано в качестве прототипа. The most effective in terms of cleaning the exhaust gas of a diesel engine and structurally close to our proposal is the known device [application of Japan N 3-1.5617 according to MKI 5 F 01 N 3/02 of 24.01.91], comprising a housing with an inlet pipe, a unit for cleaning exhaust gas from soot particles and an oxidizing catalyst unit on a honeycomb carrier for afterburning gaseous products of incomplete combustion. This device is selected as a prototype.

Узел очистки ОГ от сажевых частиц выполнен как электронагреваемая ловушка (фильтр) из мелкопористого материала для удержания частиц всех размеров. Ловушка сделана односекционной и автоматически отключаемой от потока ОГ с помощью регулируемого байпаса на период выжигания накопленных частиц по сигналу датчика порогового значения противодавления выпуску. The unit for cleaning exhaust gas from soot particles is made as an electrically heated trap (filter) of fine-porous material to hold particles of all sizes. The trap is made single-sectioned and automatically disconnected from the exhaust gas flow by means of an adjustable bypass for the period of burning out the accumulated particles by the signal of the sensor of the threshold value of the backpressure to the outlet.

Основным недостатком такого устройства являются повышенный уровень сопротивления выпуску дизеля перед прохождением команды на регенерацию ловушки и расходование доли мощности дизеля (добавочного топлива) на регенерацию. В других, аналогичных решениях, вместо электроподогрева ловушки применяют прямую подачу на нее дополнительного топлива, например, по патенту Японии N 3-64685 по МКИ F 01 N 3/02. The main disadvantage of such a device is the increased resistance to diesel output before passing the command to regenerate the trap and spending a fraction of the diesel power (additional fuel) on regeneration. In other, similar solutions, instead of electrically heating the trap, direct supply of additional fuel to it is used, for example, according to Japanese patent N 3-64685 according to MKI F 01 N 3/02.

Другим существенным недостатком устройства является его конструктивная сложность, обусловленная наличием регулируемых элементов и системы слежения. Another significant drawback of the device is its structural complexity, due to the presence of adjustable elements and a tracking system.

Еще одним очевидным недостатком данного конкретного решения является нестабильность очистки ОГ дизеля от сажи, вызванная периодическими отключениями ловушки для регенерации. Этот недостаток устраняется дублированием ловушек и поочередной их работой в режимах фильтрации и регенерации как, например, в заявке ФРГ N 3743559 по МКИ 4 F 01 N 3/02, что еще более усложняет и удорожает конструкцию устройства, а также снижает эффективность работы двигателя. Another obvious drawback of this particular solution is the instability of cleaning the exhaust gas of a diesel engine from soot caused by periodic shutdowns of the regeneration trap. This disadvantage is eliminated by duplication of traps and their alternate operation in filtration and regeneration modes, as, for example, in the application of Germany N 3743559 according to MKI 4 F 01 N 3/02, which further complicates and increases the cost of the design of the device, and also reduces the efficiency of the engine.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы дизельного двигателя, оборудованного устройством очистки ОГ, и упрощение конструкции этого устройства. The aim of the invention is to increase the efficiency of a diesel engine equipped with an exhaust gas purification device, and simplify the design of this device.

Для этой цели предлагается устройство для очистки ОГ дизельного двигателя, содержащее корпус с входным патрубком и размещенные в корпусе узел очистки ОГ от сажевых частиц и, по меньшей мере, один блок окислительного катализатора на сотовом носителе для эффективного дожигания газообразных продуктов неполного сгорания топлива, масла и сажи. For this purpose, a device for cleaning an exhaust gas of a diesel engine is proposed, comprising a housing with an inlet pipe and an assembly for cleaning exhaust gas from soot particles and at least one oxidizing catalyst unit on a honeycomb carrier for efficient afterburning of gaseous products of incomplete combustion of fuel, oil and soot.

Отличается устройство от прототипа тем, что узел очистки ОГ от сажевых частиц имеет две ступени, первая из которых выполнена в виде по меньшей мере одного блока катализатора на носителе из открытоячеистого высокопористого материала. Таким материалом может быть никель, кордиерит, никелид алюминия, нихром, нержавеющая сталь. The device differs from the prototype in that the exhaust gas purification unit for soot particles has two stages, the first of which is made in the form of at least one catalyst block on a carrier of open-cell highly porous material. Such material may be nickel, cordierite, aluminum nickelide, nichrome, stainless steel.

В этой ступени происходит окисление части мелкодисперсной сажи и коагуляция основной ее массы в агрегаты, обладающие инерционными свойствами. Необходимая для этих целей малая длина блока позволяет минимизировать потери давления на нем. In this step, part of the fine soot is oxidized and its main mass coagulates into aggregates with inertial properties. The short block length required for these purposes minimizes pressure loss on it.

Вторая ступень представляет собой сепаратор, помещенный перед или позади блока окислительного катализатора на сотовом носителе и в простейшем случае выполненный в самом корпусе в виде колена. The second stage is a separator placed in front of or behind the oxidizing catalyst block on a honeycomb carrier and in the simplest case made in the form of a knee in the housing itself.

Взаимное расположение сепаратора и блока сотового катализатора определяется только конструктивными соображениями, т.к. агрегатированные крупные частицы сажи не влияют на работу сотового окислительного катализатора. The mutual arrangement of the separator and the cell catalyst unit is determined only by design considerations, because aggregated large soot particles do not affect the operation of the cellular oxidation catalyst.

Для удаления агрегатированной сажи из места скопления в колене применяется объемный накопитель или в месте скопления устанавливается электронагревательный элемент, эпизодически выжигающий (испаряющий) скопления сажи. To remove aggregated soot from the accumulation site, a volume storage device is used in the knee or an electric heating element is installed at the accumulation site, which occasionally burns out (evaporating) soot accumulations.

Таким образом, предложение представляет собой новое сочетание известных признаков, обеспечивающее высококачественную очистку ОГ дизельного двигателя от всех продуктов неполного сгорания при стабилизированном минимальном сопротивлении выпуску без дорогостоящих регулирующих устройств и постоянного или частого расходования дополнительного топлива. Thus, the proposal is a new combination of well-known features, providing high-quality cleaning of the exhaust gas of a diesel engine from all products of incomplete combustion with a stable minimum resistance to release without expensive control devices and constant or frequent consumption of additional fuel.

Кроме того, такой известный признак, как катализатор на носителе из открытоячеистого высокопористого материала, применяется в изобретении по новому назначению, а именно и только для очистки ОГ от витающих сажевых частиц путем их коагуляции и окисления, а не для очистки ОГ от газообразных продуктов неполного сгорания. In addition, such a well-known feature as a supported catalyst of open-cell highly porous material is used in the invention for a new purpose, namely, only for cleaning exhaust gases from soot particles by coagulation and oxidation, and not for cleaning exhaust gases from incomplete combustion gases .

На фиг. 1 показан вариант исполнения предлагаемого устройства для очистки ОГ дизельного двигателя с сепаратором в виде колена корпуса, расположенного позади сотового катализатора и с объемным накопителем сажи (пример конструкции тепловозного крышного нейтрализатора). In FIG. 1 shows an embodiment of the proposed device for cleaning an exhaust gas of a diesel engine with a separator in the form of an elbow of a housing located behind the honeycomb catalyst and with a volumetric soot storage device (example of a construction of a diesel roof converter).

На фиг. 2 показан вариант исполнения предлагаемого устройства с сепаратором в виде колена корпуса, расположенного перед сотовым катализатором, и с электронагревательным элементом (пример конструкции тепловозного крышного нейтрализатора). In FIG. 2 shows an embodiment of the proposed device with a separator in the form of an elbow of the housing located in front of the honeycomb catalyst and with an electric heating element (an example of the design of a diesel roof converter).

Устройство на фиг.1 и 2 содержит корпус 1 или 1а с входным патрубком 2 или 2а, теплоизоляцию 3 или 3а, узел очистки ОГ от сажевых частиц, состоящий из первой ступени короткого блока катализатора 4 на носителе из открытоячеистого высокопористого материала и второй ступени сепаратора 5 или 5а, выполненного в виде колена корпуса 1 или 1а. Перед коленом 5 на фиг.1 или после колена 5а на фиг.2 установлен блок катализатора 6 на сотовом носителе с размером сот 1,0-1,5 мм. В нижней части колена 5 на фиг.1 установлен объемный накопитель сажи 7, а на фиг.2 - электронагревательный элемент 8. Входной патрубок 2 или 2а корпуса 1 или 1а сочленен с выхлопной трубой 9, подключенной к дизелю (не показан) и выходящей на крышу 10 тепловоза. The device in FIGS. 1 and 2 comprises a housing 1 or 1a with an inlet pipe 2 or 2a, thermal insulation 3 or 3a, an exhaust gas cleaning unit for soot particles, consisting of a first stage of a short catalyst block 4 on a carrier of open-cell highly porous material and a second stage of the separator 5 or 5a, made in the form of an elbow of the housing 1 or 1a. In front of the elbow 5 in FIG. 1 or after the elbow 5a in FIG. 2, a catalyst unit 6 is mounted on a honeycomb carrier with a cell size of 1.0-1.5 mm. In the lower part of the elbow 5 in FIG. 1, a soot storage tank 7 is installed, and in FIG. 2, an electric heating element 8. An inlet pipe 2 or 2a of the housing 1 or 1a is connected to an exhaust pipe 9 connected to a diesel engine (not shown) and facing the roof of the 10 diesel locomotive.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Поток ОГ из выхлопной трубы 9 через входной патрубок 2 или 2а корпуса 1 или 1а поступает на открытые ячейки блока катализатора 4, где турбулизируется. Вследствие мелкомасштабной турбулентности в потоке резко интенсифицируются массообменные процессы, включая коагуляцию дисперсной фазы в объеме и на поверхности ячеистого блока. The exhaust gas stream from the exhaust pipe 9 through the inlet pipe 2 or 2a of the housing 1 or 1a enters the open cells of the catalyst unit 4, where it is turbulized. Due to small-scale turbulence in the flow, mass transfer processes are sharply intensified, including coagulation of the dispersed phase in the volume and on the surface of the cellular block.

На основных режимах работы дизеля с высокими и средними нагрузками, обеспечивающими температуру ОГ свыше 250-300^oC, оба каталитических блока 4 и 6 полностью активизированы, поэтому в блоке 4 помимо коагуляции происходит частичное окисление проходящих через него сажевых частиц, что сопровождается повышением концентрации в ОГ окиси углерода. В результате прохождения потока ОГ через блок 4 на 10-40% уменьшается общая масса сажевых частиц, а все витающие частицы объединяются в крупные агрегаты, обладающие инерционными свойствами. Соударяясь при своем дальнейшем полете в корпусе 1 или 1а с наружной стенкой колена 5 или 5а, сажевые агрегаты попадают в накопитель 7 (фиг. 1) или скапливаются на поверхности электронагревательного элемента 8 (фиг. 2).In the main operating modes of a diesel engine with high and medium loads, providing an exhaust gas temperature above 250-300 ^o C, both catalytic units 4 and 6 are fully activated, therefore, in addition to coagulation, block 4 partially oxidizes soot particles passing through it, which is accompanied by an increase in concentration in Exhaust carbon monoxide. As a result of the passage of the exhaust gas flow through block 4, the total mass of soot particles decreases by 10-40%, and all soaring particles are combined into large aggregates with inertial properties. Colliding during its further flight in the housing 1 or 1a with the outer wall of the knee 5 or 5a, the soot aggregates fall into the accumulator 7 (Fig. 1) or accumulate on the surface of the electric heating element 8 (Fig. 2).

При этом газообразные продукты неполного сгорания (окись углерода, углеводороды, альдегиды и т.п.), переносимые с ОГ через блок сотового катализатора 6, окисляются в нем до двуокиси углерода и воды с максимальной степенью превращения. In this case, gaseous products of incomplete combustion (carbon monoxide, hydrocarbons, aldehydes, etc.) transferred from the exhaust gas through the cell catalyst unit 6 are oxidized in it to carbon dioxide and water with a maximum degree of conversion.

На режимах работы дизеля с малой нагрузкой с температурами ОГ 150-250^oC устройство работает аналогичным образом, но с пониженными степенями превращения на катализаторах.At low-load diesel operating modes with exhaust gas temperatures of 150-250 ^o C, the device operates in a similar manner, but with reduced degrees of conversion on the catalysts.

На холостых ходах дизеля с температурами ОГ ниже 150^oC работает только узел очистки ОГ от сажевых частиц и только в функции коагуляции и сепарации.At idle diesel with exhaust temperatures below 150 ^o C only the exhaust gas purification unit from soot particles works and only in the function of coagulation and separation.

Удаление скоплений сажи в устройстве по варианту фиг.2 осуществляется путем ее испарения нагревом до 500-600^oC с помощью электронагревательного элемента 8. Его включение осуществляется эпизодически при малых нагрузках дизеля. Продолжительность включения элемента 8 зависит от характера загрузки дизеля за период между включениями и прилагаемой мощности, и устанавливается техническими условиями изготовителя устройства.The removal of soot accumulations in the device according to the embodiment of FIG. 2 is carried out by evaporating it by heating to 500-600 ^o C using the electric heating element 8. Its inclusion is carried out episodically at low diesel loads. The duration of the inclusion of element 8 depends on the nature of the diesel load for the period between switching on and the applied power, and is set by the technical conditions of the device manufacturer.

Из описания конструкции и работы устройства достаточно очевидна высокоэффективная очистка ОГ дизеля при наименьшем из известных аналогов негативном влиянии на экономичность дизеля. Принципиальным отличием предлагаемого изобретения является его конструктивная простота, низкая потребительская стоимость и высокая надежность, обусловленная практически только известной надежностью открытоячеистого и сотового блочных катализаторов. From the description of the design and operation of the device, the highly efficient cleaning of the diesel exhaust gas with the least known negative effect on the diesel engine economy is quite obvious. The principal difference of the invention is its structural simplicity, low consumer cost and high reliability, due to almost only the known reliability of open-cell and cellular block catalysts.

Claims

1. A device for treating exhaust gases of a diesel engine, comprising a housing with an inlet pipe and a unit for purifying exhaust gases from soot particles and at least one oxidizing catalyst unit on a honeycomb carrier located in the housing, characterized in that the node for purifying exhaust gases from soot particles has two stages, the first of which is made in the form of at least one catalyst block on a carrier of open-cell highly porous material, and the second is a separator placed in front of or behind the oxidation catalyst unit in the cellular carrier.

2. The device according to claim 1, characterized in that the separator is made in the body of the body in the form of a knee.

3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that a volumetric storage device is installed in the bend of the knee.

4. The device according to claims 1 and 2, characterized in that an electric heating element is installed in the bend of the knee.