Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА СЕЛЕКТИВНОГО КАТАЛИТИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКИСЛОВ АЗОТА В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Техническое решение относится к двигателям внутреннего сгорания, а именно к дизельным двигателям. Оно касается очистки отработавших газов дизельного двигателя от вредных веществ, а именно снижения выбросов с отработавшими газами (ОГ) вредных веществ СО, НС, NO_x.

Наиболее распространенным техническим решением по снижению выбросов оксидов азота является каталитическое восстановление оксидов азота продуктами разложения мочевины, подаваемой в поток нагретых отработавших газов перед селективным катализатором (см., например, патенты, выданные в США, №№6833272, 6996975, 7498010, 7264785, 8479497, заявка №2614231, опубликованная ЕР, заявки WO 2012031536, WO 2008122460, заявки №№20110146237, 20130115150, 20110146241, опубликованные в США).

Метод восстановления оксидов азота аммиаком в последние 10-15 лет получил широкое развитие в качестве базового метода обезвреживания NO_x в отработавших газах дизелей, в том числе на транспортных средствах большой грузоподъемности. В качестве селективных катализаторов наибольшее распространение получили катализаторы на основе оксидов титана и ванадия, легированных промоторами в виде оксидов переходных металлов. При этом обеспечивается достаточно надежное восстановление до 70% оксидов азота. В качестве восстанавливающего реагента используется 32,5% водный раствор карбамида NHCO (мочевины), который впрыскивается в поток ОГ в виде эмульсии с участием воздуха. Мочевина хорошо растворима в воде, основные свойства выражены крайне слабо. В водных растворах мочевина присоединяет молекулу воды. Раствор мочевины (в международной практике имеет название AdBlue) не токсичен и удобен в эксплуатации. Номинальный диапазон рабочих температур реагента составляет от - 11°C до 60°C.

В качестве прототипа принята система селективного каталитического восстановления окислов азота в отработавших газах дизельных двигателей, содержащая нейтрализатор отработавших газов, катализатор, устройство хранения и подачи мочевины, трубку подачи мочевины через форсунку в трубопровод выпуска отработавших газов. Эта система, представленная в заявке №2013/0255233, опубликованной в США, обеспечивает точную дозировку мочевины в зависимости от массового содержания NO_x в ОГ и позволяет выборочно (селективно) проводить восстановление окислов азота до свободного азота при умеренных температурах (300-400°C). Процесс (SCR-NO_x+NH₃-process) протекает непрерывно в течение длительного времени. Восстановление NO_x в ОГ при избытке кислорода осуществляется только в присутствии катализатора и реагента-восстановителя при оптимальных температурах и стехиометрическом соотношении NO_x и NH₃.

Однако в этой системе происходит относительно медленный процесс разложения мочевины в интервале температур ОГ 200-300°C, что приводит к необходимости увеличивать протяженность зоны между форсункой подачи мочевины и селективным катализатором или изыскивать другие методы интенсификации этого процесса, например путем установки специальных катализаторов гидролиза мочевины в присутствии кислот и щелочей, а также под действием фермента уразы.

Задача - увеличение скорости термического разложения раствора мочевины для повышения эффективности восстановления NO_x, расширение температурного диапазона эффективного взаимодействия оксидов азота и аммиака, сокращение выбросов непрореагировавшего аммиака.

Решение этой задачи обеспечено тем, что в системе селективного каталитического восстановления окислов азота в отработавших газах дизельных двигателей, содержащей нейтрализатор отработавших газов, катализатор, устройство хранения и подачи мочевины, трубку подачи мочевины через форсунку в трубопровод выпуска отработавших газов, согласно решаемой задаче, трубка подачи мочевины сделана из немагнитного материала и выполнена зигзагообразной с двумя коленами, между которыми расположено магнитное кольцо.

При выполнении трубки подачи мочевины зигзагообразной с двумя коленами, между которыми расположено магнитное кольцо, создаются условия для ускорения гидролиза уже при температурах 100-150°C и тем самым более раннего высвобождения аммиака NH₃ за счет значительной активации мочевины путем интенсивного воздействия на нее магнитными полями, меняющими свое направление.

На фигуре 1 представлена система селективного каталитического восстановления окислов азота в отработавших газах дизельных двигателей.

На фигуре 2 показано магнитное кольцо и трубка подачи мочевины.

Представленная на фигуре 1 система селективного каталитического восстановления окислов азота в отработавших газах дизельных двигателей содержит нейтрализатор 1 отработавших газов, катализатор 2, устройство 3 хранения и подачи мочевины, трубку 4 из немагнитного материала подачи мочевины через форсунку 5 в трубопровод 6 выпуска отработавших газов. Трубка 4 подачи мочевины расположена в магнитном кольце 7. Устройство 3 хранения и подачи мочевины состоит из бака 8 с мочевиной, узла 9 подачи раствора, узла 10 подачи воздуха, дозирующего устройства 11. Кроме того, система содержит CAN-шину 12, электронный блок 13 управления, датчики 14, 15 температуры отработавших газов, датчик 16 содержания окислов азота (NO_x) в отработавших газах дизельного двигателя 17.

При работе дизельного двигателя 17 отработавшие газы проходят по трубопроводу 6 выпуска отработавших газов через нейтрализатор 1 и катализатор 2. В трубопровод 6 выпуска отработавших газов на участке между нейтрализатором 1 и катализатором 2 по трубке 4 из немагнитного материала подается через форсунку 5 мочевина. При подаче к форсунке 5 мочевины она проходит через магнитное поле, создаваемое магнитным кольцом 7 (фигура 2). Вследствие выполнения трубки 4 зигзагообразной с двумя коленами и расположения магнитного кольца между двумя коленами, магнитный поток, воздействующий на мочевину, несколько раз меняет свое направление, усиливая активацию мочевины.

Перемешиваясь с горячими отработавшими газами, мочевина разлагается на воду и аммиак, который затем попадает в катализатор 2. В катализаторе аммиак NH₃ взаимодействует с окислом азота NO_х с образованием азота и воды, которые выбрасываются в атмосферу.

Вследствие интенсивного воздействия на мочевину магнитными полями, меняющими свое направление, увеличена скорость термического разложения раствора мочевины, в результате чего повышается эффективность восстановления NO_x, расширяется температурный диапазон эффективного взаимодействия оксидов азота и аммиака и тем самым сокращаются выбросы непрореагировавшего аммиака.