Спосіб очищення відпрацьованих газів двигунів внутрішнього згоряння та пристрій для його здійснення

Предлагаемая группа взаимосвязанных изобретений относится к технологии очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС) от токсичных примесей, преимущественно оксидов азота, углеводородов, включая сажу, и к конструкции устройств для осуществления этой технологии. Предлагаемое устройство может быть установлено перед глуши телем или взамен его на выхлопном тракте стационарного ДВС или ДВС транспортных средств. Известны способы каталитической очистки выхлопных газов от оксидов азота и моноокиси углерода на платиносодержащих катализаторах в устройства х, называемых нейтрализаторами и включаемых в состав глушителей [1]. Однако при катализаторе восстановление монооксида азота протекает не только до молекулярного азота, но и часто до "веселящего газа" NО. Монооксид же углерода окисляется на катализаторе незначительно и повышение степени очистки от него увеличением расхода платины нецелесообразно. Углеводороды при большой начальной концентрации (порядка нескольких процентов) обычно окисляются на катализаторе неполностью, в результате чего требуется доочистка выхлопных газов от промежуточных продуктов окисления углеводородов, например, формальдегида. Известен способ сорбционно-десорбционной очистки выхлопных газов ДВС [2], по которому выхлопные газы двигателя, содержащие оксиды азота, охлаждают в теплообменнике первой ступени и одновременно нагревают впускной воздух до температуры 370-400 К. Затем выхлопные газы и нагретый впускной воздух направляют противотоком в адсорбер-десорбер циклического действия, содержащий слой цеолита, например Н-эрионита, который находится во вращающейся части аппарата. Путем циклических адсорбции и десорбции осуществляют очистку вы хлопных газов и одновременно выдувают (десорбируют) ранее адсорбированные окислы азоты нагретым впускным воздухом. Адсорбер-десорбер вращают и тем самым производят смену циклов адсорбции и десорбции. Очищенные выхлопные газы выбрасывают в атмосферу, а воздух с десорбированными оксидами азота охлаждают в теплообменнике до температуры, превышающей температуру точки росы, и подают в двигатель. Перечисленные признаки известного способа являются общими с признаками заявленного способа. Причинами, препятствующими получению требуемого технического результата, являются: - использование противотока очищаемых газов и впускного воздуха при циклической адсорбции и десорбции, вследствие чего наиболее насыщенные примесями слои адсорбента оказываются с противоположной стороны от входяще го предварительно нагретого впускного воздуха, и десорбция примесей на указанных слоев осуществляется потерявшим значительную часть своего тепла воздухом; - несогласованность цикличности рабочего процесса во вращающемся адсорбере-десорбере со стационарным рабочим процессом в неподвижных теплообменниках, вследствие чего выдержать требуемые температурные режимы в условиях переменного числа оборотов двигателя (например, на холостом ходу или при разгоне) невозможно. Для очистки выхлопных газов ДВС известно устройство, выполненное в виде цилиндрического корпуса с воронкообразными патрубками для входа и выхода выхлопных газов и впускаемого в двигатель воздуха . Внутри корпуса на валу, имеющем возможность вращения, жестко закреплен фильтр из пористого материала, причем фильтр выполнен в виде аксиальных каналов, закрытых с одного торца и открытых с др угого торца, поэтому выхлопные газы, войдя в какой-либо из каналов, могут выйти из него только через соседний канал, предварительно пройдя через пористую стенку канала, которая таким образом служит разделительной перегородкой [3]. Известно устройство, реализующее способ сорбционно-десорбционной очистки газовых выбросов во вращающемся слое адсорбента, которое состоит из цилиндрического корпуса, вращающегося адсорберадесорбера, разделительных перегородок, установленных по торцам корпуса, стационарного теплообменника и каталитического дожигателя, причем теплообменник и дожигатель объединены в самостоятельном блоке и связаны с адсорбером-десорбером соединительными каналами. Адсорбер-десорбер имеет цилиндрическую форму, заполнен волокнами активированного угля, жестко закреплен на валу, имеющем возможностью вращения. Образующие единый узел теплообменник и каталитический дожигатель связаны двумя соединительными каналами с адсорбером-десорбером, причем теплообменник соединен каналом с входом в десорбер, а каталитический дожигатель соединен каналом с выходом из десорбера [4]. В этом устройстве признаками, совпадающими с признаками заявленного устройства, являются цилиндрический корпус с разделительными перегородками, газовыми патрубками подвода, сообщенными с выпускным коллектором двигателя, и газовыми патрубками отвода, размещенными на ею торцевых стенках, теплообменник, сообщенный при помощи газовых и воздушны х каналов с адсорбером-десорбером, установленным в корпусе соосно с теплообменником на валу с возможностью вращения, а также дополнительный теплообменник. Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, в этом устройстве является использование отдельных блоков для осуществления операций адсорбции-десорбции (цилиндрический корпус с адсорбером-десорбером) и нагрев охладителя (отдельно стоящий неподвижный теплообменник), вследствие чего увеличиваются габариты устройства и требуется система регулирования отдельно работающих блоков устройства. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа очистки выхлопных газов ДВС путем интенсификации рабочего процесса во вращающемся адсорбере-десорбере в результате использования прямоточной подачи воздуха и газов вместо малоэффективной противоточной схемы, а также путем согласования циклов адсорбции-десорбции с циклами охлаждения-нагрева при повторении всех циклов с одинаковой частотой, пропорциональной частоте вращения двигателя, чем обеспечивается повышение степени очистки выхлопных газов на 20%, причем степень очистки сохраняется высокой как на холостых оборотах, так и при разгоне двигателя. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства путем соединения двух теплообменников с адсорбером-десорбером и расположения между ними разделительных перегородок, чем достигается прямоток газов в адсорбере-десорбере и противоток газов в теплообменниках. Поставленная задача решается тем, что в способе очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания путем охлаждения выхлопных газов, одновременного нагрева впускного воздуха в противотоке газу, циклических адсорбции во вращающемся слое адсорбента и десорбции впускным воздухом, о хлаждения впускного воздуха, направляемого в двигатель, и выпуска выхлопных газов в атмосферу, согласно изобретению, охлаждение выхлопных газов и нагрев впускного воздуха осуществляют циклически, в циклах адсорбции и десорбции газы и воздух подают прямотоком и охлаждение впускного воздуха осуществляют циклически газами, выпускаемыми в атмосферу, причем все циклы повторяют с одинаковой частотой. Поставленная задача решается тем, что устройство для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащее цилиндрический корпус с разделительными перегородками, газовыми патрубками подвода, сообщенными с выпускным коллектором двигателя, и газовыми патрубками отвода, размещенными на его торцевых стенках, воздушными патрубками подвода и воздушными патрубками отвода, связанными с впускным коллектором двигателя, основной теплообменник, сообщенный при помощи газовых и воздушных каналов с адсорбером-десорбером, установленным в корпусе соосно на валу с возможностью вращения, и дополнительный теплообменник, согласно изобретению, снабжено кольцеобразными направляющими, установленными в корпусе, и дополнительными разделительными перегородками, каждая из которых выполнена в виде цилиндрической втулки с аксиальной полкой, связанной с соответствующей кольцеобразной направляющей и радиальной стенкой, закрепленной на полке с возможностью перекрытия половины проходного сечения внутренней полости корпуса, основной и дополнительный теплообменники установлены с возможностью вращения на одном валу с адсорбером-десорбером, последний сообщен дополнительными газовыми и воздушными каналами с дополнительным теплообменником, адсорбер-десорбер, основной и дополнительный теплообменники выполнены с равным числом секций, а воздушные патрубки подвода и отвода размещены на боковой поверхности корпуса. Подача очищаемых выхлопных газов и впускаемого воздуха в адсорбер-десорбер по схеме прямотока в отличие от противотока обеспечивает контакт наиболее насыщенных слоев адсорбента с наиболее подогретым впускным воздухом. Вследствие более высокой температуры десорбции наиболее насыщенных слоев протекает полнее за счет интенсификации выдувания примесей. Согласно изобретению, охлаждение выхлопных газов и нагрев впускного воздуха осуществляют циклически, затем адсорбцию-десорбцию газов и воздуха проводят тоже циклически, и, наконец, охлаждение впускного воздуха перед подачей его в двигатель осуществляют с той же самой цикличностью, пропорциональной цикличности (числу оборотов) работы двигателя. Вследвие одинаковой цикличности процессов масообмена и теплообмена более высокая степень очистки выхлопных газов сохраняется как на холостом ходу, так и при разгоне двигателя. В результате соединения двух теплообменников с адсорбером-десорбером и расположения между ними разделительных перегородок, устройство позволяет получить прямоток газов в адсорбере-десорбере и противоток газов в теплообменниках. Вследствие этого уменьшаются габариты устройства и появляется его новое качество в виде саморегулируемости. Предложенный способ поясняется блок-схемой, показанной на фиг. 1. На фиг. 2 представлена конструкция устройства, предложенного для реализации способа, а на фиг. 3 дан его вид по сечению А-А. На фиг. 4, 5 показана форма разделительных перегородок в аксонометрии. Как видно из поясняющей способ блок-схемы, показанной на фиг. 1, вы хлопные газы ДВС, содержащие токсичные примеси, охлаждают до температуры 375 К в основном секционном теплообменнике и одновременно за счет вращения рабочей насадки теплообменника нагревают впускной воздух до температуры 700-750 К. В процессе вращения секции теплообменника периодически переключают с охлаждения газов на нагрев воздуха. Таким образом, в каждой секции за одну минуту цикл "нагрев-охлаждение" повторяют несколько раз. Затем охлажденные выхлопные газы и нагретый впускной воздух подают на адсорбционную очистку. Газы пропускают сначала через слой цеолита для адсорбции оксидов азота, затем через слой углеродного волокна для адсорбции углеводородов и одновременно прямотоком пропускают воздух через первый слой насыщенного адсорбента для десорбции оксидов азота, затем через второй слой насыщенного адсорбента для десорбции углеводородов. Секции адсорбера-десорбера периодически переключают с сорбции примесей на их десорбцию. Нагретый впускной воздух, содержащий десорбированные примеси, охлаждают до температуры 350 К, используя в качестве теплоносителя очищенные выхлопные газы, подаваемые в теплообменник противотоком. Дополнительный теплообменник вращают с такой же скоростью, как и основной теплообменник. Секции дополнительного теплообменника периодически переключают с охлаждения воздуха на нагрев газов. Частоту повторения перечисленных выше операций изменяют пропорционально частоте вращения двигателя. Пример 1. Выхлопные газы работающего с полной нагрузкой ДВС, содержащие 1000 млн -1 оксидов азота и 3000 млн -1 углеводородов, подают противотоком в основной секционный теплообменник, который вращают с частотой 5 об/мин при частоте вращения двигателя -2000 об/мин. Секции основного теплообменника периодически переключают с охлаждения газов на нагрев воздуха и таким образом охлаждают выхлопные газы до температуры 370 К, а впускной воздух нагревают до 750 К. Охлажденные выхлопные газы и нагретый впускной воздух подают прямотоком в секционный адсорбердесорбер, который вращают с частотой 5 об/мин. Секции адсорбера-десорбера, заполненные слоем цеолита и слоем углеродного волокна, периодически переключают с сорбции примесей на их десорбцию и таким образом сорбируют 600 млн -1 оксидов азота в первом слое адсорбента и 2400 млн -1 углеводородов во втором слое адсорбента. Одновременно десорбируют указанное количество примесей подогретым впускным воздухом. Нагретый содержащий десорбированные примеси воздух и очищенные выхлопные газы подают противотоком в дополнительный секционный теплообменник, который вращают с частотой 5 об/мин. Секции дополнительного теплообменника периодически переключают с охлаждения воздуха на нагрев газа, используя их в качестве теплоносителя и таким образом охлаждают впускаемый в двигатель воздух до 370 К. Очищенные выхлопные газы, содержащие 400 млн -1 оксидов азота и 600 млн-1 углеводородов, выбрасывают в атмосферу. Пример 2. Выхлопные газы работающего на холостом ходу ДВС, содержащие 500 млн-1 оксидов азота и 5000 млн -1 углеводорода, подают противотоком в основной секционный теплообменник, который вращают с частотой 3 об/мин при частоте вращения двигателя 1200 об/мин. Секции основного теплообменника - периодически переключают с охлаждения газов на нагрев воздуха и таким образом охлаждают выхлопные газы до температуры 370 К, а впускной воздух нагревают до температуры 700 К. Охлажденные выхлопные газы и нагретый впускной воздух подают прямотоком в секционный адсорбердесорбер, который вращают с частотой 3 об/мин. Содержащие два слоя адсорбента секции адсорберадесорбера периодически переключают с сорбции примесей на их десорбцию и таким образом сорбируют 300 млн -1 оксидов азота в первом слое адсорбера и 4000 млн -1 углеводородов во втором слое адсорбента. Одновременно десорбируют указанное количество примесей нагретым воздухом. Нагретый содержащий десорбированные примеси воздух и очищенные выхлопные газы подают противотоком в дополнительный секционный теплообменник, который вращают с частотой 3 об/мин. Секции дополнительного теплообменника периодически переключают с охлаждения воздуха на нагрев газа, используя их в качестве теплоносителя, и таким образом охлаждают впускаемый в двигатель воздух до температуры 370 К. Очищенные выхлопные газы, содержащие 200 млн -1 оксидов азота и 1000 млн -1 углеводородов, выбрасывают в атмосферу. Устройство содержит цилиндрический корпус 1 и торцевые крышки 2 с отверстиями для поворотного вала 3. На основном с корпусом валу 3 установлены последовательно основной секционный теплообменник А, секционный адсорбер-десорбер В и дополнительный секционный теплообменник С - все с одинаковым числом секций' в рабочей насадке. Рабочая насадка теплообменников, а также адсорбера-десорбера выполнены в виде цилиндрической обечайки 4, разделенной радиальными перегородками 5 на одинаковое число секций. Цилиндрическая обечайка 4 рабочей насадки выполнена с кольцеобразным зазором относительно цилиндрического корпуса 1 для обеспечения свободного вращения вала 3 с теплообменниками и адсорбером-десорбером. На торцевых стенках корпуса закреплены патрубки 6. сообщенные с выпускным коллектором двигателя, и газовые патрубки отвода 7, размещенные на его торцевых стенках, воздушные патрубки 8 и воздушные патрубки отвода 9, связанные с впускным коллектором двигателя. Основной теплообменник А связан с адсорбером-десорбером В соединительным каналом 10 через отверстия 11, 12 на боковой поверхности корпуса. Адсорбер-десорбер В связан с дополнительным теплообменником С соединительным каналом 13 через отверстия 14 и 15 на боковой поверхности корпуса. Между теплообменниками А и С и торцевыми стенками цилиндрического корпуса установлены разделительные перегородки F и G. Между адсорбером-десорбером В и теплообменниками А и С установлены дополнительные разделительные перегородки D и Е. Теплообменники А, С, адсорбер-десорбер В, разделительные перегородки D, Е, F и G снабжены уплотнениями 16 как по окружности корпуса, так и по окружности вала. Дополнительные разделительные перегородки F и Е выполнены в виде цилиндрической втулки 17 с аксиальной полкой 18, связанной с кольцеобразной направляющей 20 и радиальной стенкой 19, закрепленной на полке с возможностью перекрытия половины проходного сечения внутренней полости корпуса. Разделительные перегородки F и G выполнены в виде цилиндрической втулки 17, связанной с аксиальной полкой 18 и соответствующей кольцеобразной направляющей 20. Аксиальная полка 18 разделительных перегородок D, Е, F и G перекрывает все сечение цилиндрического корпуса. Втулка 17 всех разделительных перегородок выполнена с кольцеобразным зазором относительно вала 3. Разделительные перегородки D, Е, F, и G жестко связаны с цилиндрическим корпусом устройства с помощью кольцеобразных направляющих 20. Таким образом, в устройстве подвижными, в частности имеющими возможность вращения, являются только вал 3 и закрепленные на нем узлы А (основной теплообменник), В (адсорбер-десорбер) и С (дополнительный теплообменник). Всё остальные элементы, включая перегородки D, Е, F и G, неподвижны. Устройство работает следующим образом. Секции теплообменников А и С заполняют стружкой из нержавеющего металла, а секции адсорбера-десорбера В заполняют в два слоя адсорбентами: первый слой цеолит для улавливания оксидов азота, второй слой - углеродное волокно для улавливания углеводородов. Выхлопные газы из цилиндра двигателя подают по впускному патрубку 6 в нижние секции основного теплообменника А, а в верхние секции теплообменника А подают по воздушному патрубку 8 воздух из атмосферы, причем с помощью центральной разделительной перегородки D направляют впускной воздух противотоком по отношению к выхлопным газам. При вращении рабочей насадки основного теплообменника выхлопные газы охлаждают, а впускной воздух нагревают. Охлажденные выхлопные газы из нижних секций основного теплообменника А подают непосредственно в нижние секции адсорбера-десорбера В. Нагретый впускной воздух из верхних секций основного теплообменника А выводят из корпуса 1 через отверстие 11 в соединительный канал 10. Из воздушного канала 10 впускной воздух через отверстие 12 возвращают в корпус 1 и с помощью дополнительной разделительной перегородки D направляют нагретый впускной воздух в вер хние секции адсорбера-десорбера В. При этом газы и воздух движутся в рабочей насадке адсорбера-десорбера прямотоком и последовательно проходят через два слоя адсорбента: слой цеолита и слой углеродного волокна. При вращении рабочей насадки адсорбера-десорбера оксиды азота и углеводороды сорбируют из охлажденных выхлопных газов и одновременно десорбируют (выдувают) и х нагретым впускным воздухом. Очищенные выхлопные газы из нижних секций адсорбера-десорбера В подают непосредственно в нижние секции дополнительного теплообменника С. Нагретый и содержащий десорбированные примеси впускной воздух из верхних секций адсорбера-десорбера В выводят из корпуса 1 через отверстие 14 В дополнительный воздушный канал 13. Из воздушного канала 13 впускной воздух через отверстие 15 возвращают в корпус 1 и с помощью разделительной перегородки Е направляют нагретый и содержащий десорбированные примеси впускной воздух в верхние секции дополнительного теплообменника С. При этом газы и воздух движутся в рабочей насадке дополнительного теплообменника противотоком. При вращении рабочей насадки дополнительного теплообменника впускаемый воздух охлаждают, а вы хлопные газы нагревают. Затем очищенные выхлопные газы по патрубку 7 выбрасывают в атмосферу, а охлажденный и содержащий десорбированные примеси воздух по патрубку 9 вп ускают в камеру сгорания двигателя.