способ ускорения срабатывания катализатора выхлопных газов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ ускорения срабатывания катализатора выхлопных газов, расположенного за двигателем внутреннего сгорания и выполненного в виде металлических блоков носителя катализатора, покрытых керамическим и каталитически активным материалом, путем подачи электрического тока по крайней мере на отдельный блок, отличающийся тем, что подачу тока осуществляют после запуска двигателя, производят нагрев до заданного значения температуры синхронно с температурой потока отработавших газов предпочтительно выше температуры потока.

Способ по п. 1, отличающийся тем, что на блок падают электрический ток величиной 4-50 А при напряжении 12 В и мощностью 50-500 Вт.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что первоначально нагревают первый по потоку газа блок длиной 3,5-6,0 см.

4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что осуществляют регулирование нагрева блока с помощью, реле времени и прекращают нагрев по истечении 20-60 с.

5. Устройство для ускорения срабатывания катализатора выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащее блок основного катализатора, размещенный в выпускном трубопроводе, сообщенном при помощи смесительного трубопровода, имеющего патрубок подвода воздуха, с выхлопным коллектором двигателя, имеющего выпускное отверстие, отличающееся тем, что оно снабжено блоком электронагреваемого пускового катализатора, установленным перед блоком основного катализатора.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что блок пускового катализатора установлен в выпускном трубопроводе.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что блок пускового катализвтора установлен перед смесительным трубопроводом.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что блок пускового катализатора установлен в выхлопном коллекторе двигателя непосредственно за выпускным отверстием.

9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что блок пускового катализатора выполнен из трех участков, первый участок размещен в выпускном трубопроводе непосредственно перед блоком основного катализатора, второй участок - перед смесительным трубопроводом, а третий - в выхлопном коллекторе двигателя непосредственно за выпускным отверстием,

10. Устройство по п.10, отличающееся тем, что участки блока пускового катализатора электрически соединены последовательно.

11. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что участки блока пускового катализатора электрически соединены параллельно.

12. Устройство по п. 5-11, отличающееся тем, что оно снабжено генератором переменного тока, электрически связанным с блоком пускового катализатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к средствам очистки отработавших газов.

На фиг.1 показана система выведения отработавших газов в автомобиле, частично двухканальная, с различными местами расположения пусковых и основных катализаторов; на фиг.2 принципиальная схема электрического нагрева катализаторов; на фиг. 3 принципиальная схема дискового нагрева катализатора; на фиг. 4 диаграмма температур в системе выведения отработавших газов или в системе катализаторов нейтрализации отработавших газов в автомобиле в зависимости от времени, прошедшего с момента запуска; на фиг.5 носитель катализатора со слоями, уложенными в форме меандра; на фиг.6 носитель катализатора с U-образно проходящими слоями фольги и соответствующими путями тока; на фиг.7 пакет фольги с местами обжига; на фиг.8 носитель катализатора из пакета фольги со слоями, уложенными в форме меандра; на фиг.9 узел I на фиг.8 для пояснения изоляции пакета фольги относительно трубчатой оболочки; на фиг.10 электронагреваемый носитель катализатора из встречно закрученного пакета фольги (S-образно) с изолирующими промежуточными слоями; на фиг.11 многодисковый катализатор, составленный из катализаторных блоков по фиг.10 с условно обозначенной электрической схемой; на фиг.12 другой блок носителя катализатора из встречно закрученных слоев фольги с трубчатой оболочкой и вариантом электрического подключения; на фиг.13 продольный осевой разрез по носителю катализатора, выполненному из двух дисков на фиг.12.

На фиг.1 схематически показана частично двухканальная система выведения отработавших газов автомобиля. Однако описанные ниже варианты выполнения справедливы также для одноканальных систем, в которых не используется нижняя ветвь 10b,11b, 12b, 15b, 16b, 18b, 19b. Система выпуска направляет отработавшие газы с помощью выпускных коллекторов 10а, 10b на смесительный участок 13, где расположен кислородных датчик. Оттуда выпускные трубопроводы 15а, b ведут к основным катализаторам 17а, 17b, 18a, 18b, а затем к выпускным трубам 19а, 19b. Состоят ли основные катализаторы из одного блока, или, как показано, из двух блоков, зависит от размера и мощности двигателя. На фиг.1 приведены три возможных положения для электронагреваемых блоков катализаторов. Первое положение обозначено позициями 11а, 11b, второе позициями 12а, 12b, а третье позициями 16а, 16b. Блоки пусковых катализаторов размещаются обычно в первом положении, где они быстро нагреваются из-за близости двигателя и поэтому быстро начинают работать, безусловно испытывая высокие тепловые переменные нагрузки. Электрическим нагреванием можно достигнуть дальнейшего улучшения срабатывания катализатора в этом положении, хотя последующий путь отработавших газов до места расположения блоков основных катализаторов сравнительно долог, в результате чего отработавшие газы в начале работы успевают охладиться на пути до основного катализатора настолько, что реакция основных катализаторов улучшается весьма мало.

Второе положение находится несколько дальше от двигателя и тепловые переменные нагрузки на носитель катализатора снижаются; с другой стороны, оно ближе к блоку основного катализатору, и его реакция улучшается. Помимо этого, преимущество второго положения состоит в том, что быстро срабатывающие катализаторы улучшают реакцию кислородного датчика 14.

Третье положение благоприятно, поскольку при реакции блоков пусковых катализаторов 16а, 16b ускоряется и срабатывание блоков основных катализаторов 17а, 17b, 18а, 18b. Из-за удаления от двигателя блоков пусковых катализаторов, однако, срабатывают в этом положении позже, несмотря на нагревание.

На фиг. 2 и 3 показаны принципиальные схемы электрического нагревания катализаторов. На фиг. 2 нагреваемый катализатор 24 запитывается током от источника 20 через ключ 23.

На фиг.3 электрический нагрев блока катализатора тоже осуществляется от источника 30 через ключ 33, соединенный через реле времени 31 с выключателем зажигания 32. Однако в этом примере катализатор состоит из нескольких составных участков 34, 35, 36, 37, нагреваемых по отдельности, причем сначала более сильным током нагревается первый участок 34 и только потом остальные участки 35, 36, 37 подключаются предпочтительно последовательно.

Как поясняется на фиг. 4, можно использовать различные альтернативные системы электрического нагрева катализаторов. На этой диаграмме приведена зависимость температуры Т от времени t. Символом T_z обозначена температура реакции обычного катализатора, например, примерно 350^оС, а t_z момент вступления в реакцию, то есть момент начала каталитической реакции в существенных масштабах. Кривая Т_А показывает ход температуры отходящих газов до катализатора во времени после пуска двигателя. Пунктирная линия Т_К1 показывает температуру в электронагреваемом носителе катализатора. Если выбрать мощность нагрева носителя катализатора такой, чтобы его температура Т_К1 всегда несколько превышала температуру отходящего газа Т_А, можно исключить отбор тепла у отходящего газа на нагревание носителя катализатора. Иными словами, электрическая мощность недостаточна для существенного нагрева отходящего газа, но предотвращает его охлаждение. При такой эксплуатации керамическая и каталитически активная масса катализатора нагревается снаружи отходящим газом, а изнутри одновременно через носитель катализатора, в результате чего заведомо достигается раньше температура Т_z, при которой устанавливается (экзотермическая) реакция, что содействует дальнейшему нагреву. В связи с тем, что можно обеспечить не любую электрическую мощность для нагревания катализаторов, возникает необходимость согласно схеме на фиг.3, сначала нагревать один составной участок, а именно передний диск катализатора, имеющий высоту в осевом направлении 3,5-6 см, для как можно более быстрого запуска экзотермической реакции. Возможное изменение температуры в этом диске показано кривой с обозначением Т_К2. При этом в результате тока короткого замыкания, ограниченного этим небольшим составляющим участком, температура резко повышается, например до 600^оС, а затем переключается на нагрев остальных участков катализатора. Из-за этого первый диск снова несколько охлаждается, оставаясь, однако, в пределах достаточного предварительного нагрева выше температуры реакции, благодаря чему экзотермическая реакция с отходящим газом продолжается, что способствует дальнейшему включению в реакцию последующих составляющих участков.

Для электронагревания катализаторов с помощью электроустановок напряжением 12В необходимы токи 5-50 А, разогревающие катализаторы целиком или по секциям. Это означает, что электрическое сопротивление путей тока, служащих для нагревания катализаторов, как уже пояснялось во вводной части описания не должно быть выше или ниже определенных значений. В случае построения блоков носителей катализатора из отдельных слоев фольги можно установить следующую зависимость для сопротивления R:

R где удельное электрическое сопротивление;

L длина слоя (возможно, различна для плоской и гофрированной фольги);

b толщина фольги;

h высота фольги;

Z число слоев.

Если катализатор составлен из N дисков высотой h, то сопротивление при последовательном соединении следует умножить на N.

Для тепла, производимого в проводнике током I, справедливо:

Q U I t I² R, где Q количество тепла;

U напряжение;

I ток;

t время;

R сопротивление.

Количество тепла, необходимого для нагревания тела до температуры Т, определяется формулой:

Q c m T- где С удельная теплоемкость;

m масса;

T разность температур, откуда можно определить время резистивного нагрева:

t_el=

Фактическое время нагрева с учетом количества тепла, подводимого к катализатору с отходящими газами двигателя, намного короче и составляет, по экспериметальным данным, лишь 1/2 tel.

На фиг.5 показаны блоки 50 носителя катализатора, уложенные слоями в форме меандра. Такой блок 50 состоит из пакета плоской 51 и гофрированной 52 фольги, уложенной с изгибами 57. В показанном варианте пакет образован четырьмя гофрированными 52 и тремя плоскими 51 слоями фольги, причем верхняя и нижняя стороны пакета выполнены из гофрированной фольги. Между петлями меандра размещены электроизоляционные прокладки 58, предотвращающие непосредственный электрический контакт между этими петлями. На концах пакета все слои фольги электрически соединены между собой и с токопроводом 53 и токоотводом 54 или соответствующими штекерами. Весь блок расположен в корпусе или в трубчатой оболочке 55. С торцевых сторон область изгибов 57 содержит показанные пунктиром боковые крышки 56а, 56b, препятствующие возникновению нежелательных токов между изгибами 57 и корпусом 55, а также фиксирующие петли меандра и изолирующие прокладки 58. Сопротивление такой конструкции можно менять в широких пределах числом слоев фольги в пакете. Кроме этого, такой конструкцией можно заполнять объемы непрямоугольной формы.

На фиг. 6 приведен пример известной конструкции катализаторного блока с изогнутыми в виде буквы U плоскими 61 и гофрированными 62 слоями фольги, которые концами закреплены на несущей стенке 65, 66, 69. Согласно изобретению, и эта конструкция так разделена изолирующими прокладками 68 и несущей стенкой 65, 66, 69 на электропроводящие отрезки 65, 66 и электроизолирующую конструкцию 69, что создаются пути тока с заданным сопротивлением. Как показано стрелками, ток последовательно проходит по группам U-образных соседних пакетов фольги, причем электропроводящие участки несущей стенки образуют в каждом случае соединение со следующей группой. Внутри блока несущая стенка имеет сквозное электрическое соединение 67 с противоположным электропроводящим участком, так что группы U-образных пакетов фольги, расположенные по разные стороны от несущей стенки 69, участвуют в пропускании тока. Токоотвод 64 выполнен в данном примере вблизи токопровода 63. Весь блок 60 носителя катализатора, возможно, размещается в неизображенной трубчатой оболочке, которая должна быть изолиована от внешних слоев фольги и через которую также с электроизоляцией пропускаются токоподвод 63 и токоотвод 64.

Другой пример выполнения изобретения показан на фиг.7, 8 и 9. На фиг.7 показана часть фольгового пакета 70 большой протяженности, который, по крайней мере частично, состоит из плоских и гофрированных (71 и 72 соответственно) полос фольги. Этот пакет имеет места обжига 73 на расстоянии друг от друга. Эти участки могут быть образованы или наличием негофрированных мест на фольге, или целенаправленным обжатием. Такой пакет можно также изготовить сначала без этих сужений, затем пропаять участки соприкосновения между плоскими и гофрированными слоями и только потом обжать эти участки. Из выполненного таким образом пакета можно образовывать блок 80 носителя катализатора, показанный на рис.8. Здесь тоже, в принципе, конструкция выполнена в форме меандра, только изгибы образованы уточненными участками 73 пакета 70. Таким образом легче образовать заданную форму сечения и уменьшить краевые зоны нерегулярной формы. Плоские 81 и гофрированные 82 слои пакета электрически соединяются на концах и завершаются токопроводом 83 или токопроводом 84, пропускаемыми через изоляторы 85, 86 в трубчатой оболочке, окружающей блок. Отдельные потери меандра и наружная сторона пакета электрически изолированы прокладками 88 друг от друга и от трубчатой оболочки.

На фиг. 9 показан увеличенный вырез фиг.8 с примером возможной изоляции от трубчатой оболочки. Эта трубчатая оболочка 90 может иметь, например, карман 93, в которые вкладываются керамические пластинки, и, возможно, припаиваются там. Эти керамические пластинки 98 удерживают пакет из плоской 91 и гофрированной 92 фольги на расстоянии от трубчатой оболочки 90, благодаря чему достигается как электрическая, так и тепловая изоляция. В качестве изоляции можно использовать материалы из керамического волокна или иные керамические материалы.

На фиг.10 показан другой предпочтительный вариант выполнения в виде известного блока 100 носителя катализатора из пакета скрученной в противоположных направлениях плоской 101 и гофрированной 102 фольги. Такое построение катализаторных блоков известно и часто называется S-образным. Этот вариант дает возможность снабдить и нижнюю стороны пакета изолирующими слоями 108 или изолирующим покрытием, благодаря чему при встречном сворачивании пакета создается сравнительно длинная дорожка электрического тока, показанная стрелками. Ее длина зависит от отношения высоты исходного пакета к диаметру блока носителя катализатора. Поскольку слои 101, 102 фольги закреплены своими концами на изолированных друг от друга электропроводящих половинках 105, 106, на этих половинках можно закрепить и токоподвод 103 и токоотвод 104. Половинки 105, 106 должны быть к тому же отделены друг от друга, например, изолятором 107, причем изолирующие слои 108 должны оканчиваться именно в области этого изолятора 107. Всю конструкцию обычно помещают в не изображенную трубчатую оболочку, через которую пропускаются токопровод 103 и токоотвод 104 в изоляции. Практически во всех примерах выполнения можно отказаться от токоотвода, если выполнить хорошо проводящее соединение с корпусом и тем самым с массой автомобиля. Со встречно свернутым пакетом фольги можно выполнить известным образом много других вариантов, так что этот пример не ограничивается круглым сечением.

Если достигаемое электрическое сопротивление блока носителя катализатора с электронагревом, построенного в соответствии с рис.10, не должно быть высоким с учетом заданной длины в осевом направлении, можно составить несколько дисков друг за другом, например, в соответствии с фиг.11. В показанном примере объединены четыре диска 100, выполненных в соответствии с фиг.10 и имеющих высоту h, причем последовательное соединение дисков осуществлено полуцилиндрическими половинками 116, объединяющими каждая два диска. Блок содержит токопровод 113 и до четырех токоотводов 104, каждый из которых присоединен в схему через закорачивающие переключатели 115а, 115с, 115с. Зазоры 118 между дисками 100 предназначены для электроизоляции в осевом направлении, а весь блок снова электроизолирован в не показанной трубчатой оболочке. Схематически показанное электрическое соединение в этой конструкции работает следующим образом.

В начале эксплуатации можно подать на первый по направлению потока отработанного газа диск 100 очень высокий ток, соответствующий сопротивлению этого диска, замкнув ключи 115а. Происходит быстрое нагревание, соответствующее началу кривой Т_К2 на фиг.4. После определенного интервала, например, 10с, можно разомкнуть ключ 115а, так что при разомкнутых ключах 115b, 115с все диски сохраняют в 4 раза меньший ток для дальнейшего нагревания. Возможно также последовательное размыкание поодиночке ключей 115а, 115b и 115с в заданные моменты для нагревания катализатора отдельными дисками с уменьшенной мощностью. Это позволяет быстро включить катализатор в работу при кратковременном высоком потреблении тока.

На фиг.12 т 13 снова изображен S-образный электронагреваемый блок носителя катализатора в поперечном сечении (фиг.12) и в продольном разрезе (фиг. 13). На фиг.12 наряду с аналогичным фиг.10 собственно блоком носителя 120 из встречно свернутых полос плоской 121 и гофрированной 122 фольги показано также закрепление этой системы и вводов в трубчатой оболочке 127а, 127b. Эта оболочка состоит из двух половинок 127а, 127b электрически отделенных друг от друга керамической изоляцией 129, 130. Внутри этих половинок 127а, 127b и электроизолированно от них проходят другие половинки 125, 126, соединенные с токоподводом 123 или токоотводом 124. Электрическое соединение и изоляционные слои 128 аналогичны фиг.10. Провода 123, 124 выходят наружу через керамический изолятор 129. Как видно из фиг.13, два таких блока 120а, 120b можно, расположив их друг за другом и включив последовательно, поместить в трубчатую оболочку.

Предлагаемое изобретение и приведенные примеры его выполнения принципиально рассчитаны как для электронагрева пусковых катализаторов, так и основных катализаторов при наличии достаточной электрической мощности. Совместное включение нескольких блоков носителя катализатора параллельно или последовательно возможно в зависимости от заданных условий и размеров. При работающем двигателе и генерировании тока катализаторы можно нагревать и непосредственно переменным током, в связи с тем не вся потребляемая мощность должна предварительно проходить через выпрямитель.