SE501594C2 - Metod att rena avgaserna vid en förbränningsprocess - Google Patents

Description

501 594 -2_ temperatur överstigande ca 1060 grader brinner katalysatorn upp. I sin utsatta position exenpelvis under motorfordonet kyls katalysatorn ned särskilt under vintertid med lägre verkningsgrd son följd. Kyleffekter- na vid landsvägsfart är pàtagliga.

Stadstrafik,kallstarter}vinterklflnat och kraftig motorbelastning är olika faktorer som helt eller delvis far katalysatorn att sluta att fungera.

Misständningar skickar ut oförbränt bränsle till den heta katalysatorn son dä lätt brinner upp. Felaktigheter i bränslesystenet skapar lätt problem. Dälig bränslekvalitet likasà. Försämrade tändningsegenskaper p g a sotiga stift är ocksà en felkälla. Bly,sot och klibbiga kolväten täpper lätt igen en katalysator.

Det är svart att halla en fart av 70 km/tim under jämn belastning vilket krävs för att katalysatorn skall uppnà bästa verkningsgrad on ca 95%.

Den fungerar sàledes inte särskilt bra i stadstrafik där höga reningsgra- der verkligen behövs. Vid hastiga gaspådrag slás lanbdasonden-UI för näg- ra sekunder med följd att oförbränt bränsle skickas ut till en sä gott som glödhet katalysator. Detta är en av anledningarna till att vägsmuts- ens platina-innehäll har mängfaldigats under de senaste fen aren enligt gjorda undersökningar.

Att flytta katalysatorburken närmare motorn för att fä en snabbare tänd- ning av denna är vanligt. Samtidigt som man gör detta ökar man eneller- tid mottrycket som försämrar motorns prestanda,verkningsgrad och livs- längd. Dessuton höjs bränsleförbrukningen med 2-5% vilket ökar koldioxid- utsläppen. Mätningar har visat att ca 8 km körsträcka krävs för att tän- da katalysatorn. Tvà tredjedelar av alla bilresor är kortare än 8 km vilket har till följd att en stor del orenade avgaser konner ut i atmos- fären trots att fordonet är försett med katalysator.

En typ av efterbrännkannare har tagits fram son är monterad strax innan katalysatorn. Pa nägra sekunder hettas denna upp till 350 grader i en personbil. Bränslet till denna efterbrännkannare konner via avgasröret.

P g a den extra feta bränsleblandningen som motorn fär vid kallstart passerar en rest oförbränt bränsle via avgasröret till kannaren. Till "3" 501 594 denna förs ocksa extra syre och blandningen antänds av ett extra tändstift sa att katalysatorn hettas upp pa nagra sekunder.

Genon tillförsel i gasform av en oxident innehallande n(H2O2) eller en substans med likvärdiga egenskaper till förbränningsgaserna antänds des- sa omedelbart av bildade katalytiska/krackningsytor eller av katalysa- torn vilken därmed snabbare uppnar driftstenperatur och fullgod funktion.

Man har vid prov fatt igang katalysatorn med motorn pa tongang och vid temperaturer mellan 70-160 grader. Driftsäkerheten och hallbarheten för- bättras därmed markant. Det är möjligt att placera en katalysator pa godtycklig plats även längst bak pa avgasröret. Motorn ger ifran sig ytterst sma mängder sot och ytterst laga utsläpp av kolväten koloxrd NOX m.m. Katalysatorn far ideala arbetsförhallanden och arbetsbelast- ningen fördelas jännt.

Fran förbränningsmässiga ytteronràden exenpelvis längs cylinderväggar; under squish-kanter etc vilka normalt uppvisar en lag förbränningsgrad och genererar höga avgasemisioner startar nu tack vare uppfinningen en katalytisk förbränning (350-650 grader). Vidare stimulerar nämnda yta elektronenisioner son underlättar själva tändningen av förbränningen.

Denna emision av elektroner har även en krackande effekt pa langa kol- vätekedjor. Förbränningen sker helt enkelt effektivare utan sot- och oförbrända restproblen. Tack vare att den katalytiska förbränningen är "kall" halls den termiska bildningen av kväveoxiderna nere varvid "lean- burn" möjliggörs. Det är därvid möjligt att pa sa sätt väsentligt höja verlmingsgraden i förbränningen. Givetvis aterstar efter förbränningen en mindre mängd avgasenisioner innehallande oförbränt bränsle. Dessa förbränningsgaser/ avgasemisioner har genom ovannämnda reaktioner erhal- lit egenskaper som gör att de lätt oxideras och "slutförbränns" vid kon- takt med nästföljande katalytiska yta. Denna reaktion är av karaktären katalytisk vilket kan liknas vid en förbränning vid laga temperaturer och utan laga.

Vid kraftiga gaspådrag förbränns allt överskottsbränsle tack vare den fullständigare och snabbare upptändningen. De tre "process-stegen" i den termiska omvandlingen son normalt gar fran värme till keniska reak- 501 594 "4" tioner och till sist genererande mekanisk kraft ankastas till att starta och fortgà fràn exempelvis cylinderväggar scnxinitierar en progressiv volymökning dvs densitetsökning av förbränningsgaserna. Under förbrän- ningens första fas bildas CO samtidigt som en stor tryckökning sker.

Denna tryckstegring pressar de halvförbrända bränslegaserna mot t ex cylinderväggar och dessa ytors katalytiska/krackande egenskaper. En nor- mal förbränning är betydligt mer exoterm i sin karaktär samtidigt scm den är för làngsam. Den värmer upp cylinderväggarna och producerar ter- miska kväveoxider. Det är anledningen till att man använder EGR-ventiler som ger ett àterinförande av en del avgaser till förbränningskannaren i syfte att sänka förbränningstemperaturen och därned minska NOX-utsläpp.

Med de katalytiska och krackande ytor son formas enligt uppfinningen uppstàr en snabb katalytisk förbränning redan pà ett mycket tidigt sta- dium i de förbränningsmässiga ytteronràden varvid även en del fördelak- tiga ytreaktioner och effekter pàbörjas. Exempel pá dessa fördelaktiga reaktioner är snabbare och bättre upptändning av förbränningssubstanser- na, jmnare tryckfördelning, motverkan av väteförsprödning, samtidigt son kväve fàs att delta cirkulärt i förbränningen, mindre sotbildning, lägre förbränningsbuller, lägre bränsleförbrukning, högre effektuttag och dessutom elektrisk polarisering av molekyler. Enligt prov minskar bränsleförbrukningen med 10-25% varvid även koldioxidutsläppen reduce- ras. P g a det lága ingàngsvärdet av NOX och den optimalt förbehandlade gassannensättningen fär man inte nägra dikväveoxidproblen frán en efter- följande sekundär katalysator.

De beskrivna katalytiska krackningseffekterna uppnàs genom att till màl- ytor tillföra förbränningssubstanser inkluderande gas-formade oxidanter eller oxidant med nH2O2 jämställda effekter. Det sker fràn en närliggan- de behàllare varifràn man medelst tryck eller vakuum extraherar en gas fràn oxidanten som befinner sig i vätskeform. Detta gasflöde leds upp- blandat med luft i lämpliga proportioner via làgfriktions-slangar av för oxidanten lämplig beskaffenhet till "fullflödeskopplingar eventu- ellt med offeranoder" son i sin tur distribuerar gasen vidare i lämplig beskaffenhet till insprutningsmunstycken tillverkade av aluminium. Des- sa är placerade i ett direkt konvergerande med själva bränsletillförseln och dess uppblandning med insugsluften. Det är av största vikt att till- _5_ förseln sker vid exakt rätt tidpunkt 501 594 och i korrekta proportioner. Därför används eventuellt ett fran motorn àterkopplat styrsystem son reglerar dels själva flödet av gasen men även dess hastighet och koncentration allt efter motorns belastning, varvtal, temperatur, bränsleförbrukning och emitterade avgasenisioner.

Aktivering av en vald yta sker bl a enligt följande: Förlängd kontinuerlig oxidation: Och/eller genom: Fe+H2O2>7Fe O OH*+H* Fe+HO2*.7Fe-O-OH* Fe+HO2*>7FeO2*+H FG+H O 2 2>7Fe O OH+CO>CO +OH 2 Fe+n(CO)+R >Fe(CO)nR R=((CH2)n. COO,OH,NO2,NHn) kan bildas. När n=5 är R=0 Effektiviserad förbränning exempelvis genom: Stimulering och utökad emittering av elektroner exempelvis genon: Termisk sönderdelning av oxidant (ex vilket ger följande beståndsdelar: qFeCO *(HFECO3*) Feoz* < qFe-o-on J +co2 3 FGCO *(HFECO 3 *)+2Fe>Fe C+O2+=(OH) 3 3 Fe+3OH+3CO+(CH2)n>Fe((CH2)nC2O4)3 nH O 2 2) exempelvis genan: H2O2>H*+HO2* -+OH+CH* >H +O * 2 2 (en av syreatomerna kan förekanna ensam som sk "singlet oxygen") H*,HO2*,OH,OH*,O * ( O+O) 501 594 -6- Vid temperaturmätning av en tvàtaktsmotor i bronsbänk pà vilken metoden' enligt uppfinningen testades erhölls nedanstående temperaturkurvor.

Topplockstenp. Cyl.väggtemp. 200 200 150 J 150 100 100 50 50 0- 0- 1650 3000 4000 5000 6350 7750 1650 3000 4000 5000 6350 7750 IPW fflfi Testet utfördes pä en 440 cc tvàtaktsmotor som normalt används i snöskot- rar. Temperatursonder borrades in till 1 mn fràn förbränningskannfiren.

Motorn varmkördes ordentligt före testet för att därefter delbelastas enligt praktisk körcykel. Motorn i std-skick representeras av de övre kurvorna i respektive diagram.

Son framgàr av kurvorna sjunker temperaturerna längs cylinderväggar och topplockets insida när metoden tillämpas. Det visade sig att denna tempe- ratursänkning gav ett effektuttag som genongàende làg mer än 4% högre än för motsvarande std-motor. Trots detta sjönk den faktiska bränsleför- brukningen med ca 15%.

Slutligen utprovades huruvida en katalysator av "Honey Cat"-modell skulle starta vid tongàng pà testmotorn. Där uppnàddes positiva resultat. Kataly- satorn kopplades in via ett rör under mätningen,efter motorns slutdjuddäm- pare dvs sist i avgassystemet. Motorn gick pà towngàng och gav ifràn sig ca 126 grader i avgastemperatur mätt 7 on fran avgasporten. Tenperaturen precis före katalysatorn lag pà ca 70 grader. Sekundsnabbt sjönk bl a CO-värdet ned fràn 1,26 vol% till 0.06 vol%. Att motorn far en lägre förbränningstenperatur är gynnsamt ur mànga synpunkter. Procentinbland- ningen olja kan reduceras vilket bl a ger avgasmässigt för katalysatorn mindre "PAH-bekwnner" att ta hand om. Sotbildningen och NOX-utsläppen -7- 501 594 är minimala för att inte säga knappt mätbara. Under pàföljande vinter ut- sattes testskotern för ordentlig hàrdkörning vilken gick prickfritt. Ka- talysatorn var dà fortfarande i nyskick. Efter vad testerna visat frm- gàr att det är fullt möjligt att med bra resultat använda en katalysator pà för katalysatorn avgasmässigt besvärliga motortyper.

Claims (2)

1. 501 594 9 PATENTKRAV l. Metod att till förbränningsomràdet vid förbränningsprocesser till- föra en oxidant tillsannans med luft-bränsleblandningen och däri- genon förbättra förbränningen vid och rena avgaserna fràn för- bränningsprocessen, KÄNNEIEcmAD Av, - att oxidanten tillföres i gasform, - att oxidanten inkluderande gasformade oxidanter med nH2O2 'än- ställda effekter tillföres i volymkoncentrationer mellan 5 och 99 vol% i vatten i syfte att i förbränningsonràdet skapa ett ka- talytiskt och krackande skikt sant - att den i gasform tillförda oxidanten distribueras till oxidant- insprutningsmunstyckena vilka är sà placerade i förhållande till luft-bränsle-munstyckena att ett direkt konvergerande med bränsle- tillförseln och dess uppblandning med insprutningsluften erhàlles.

2. Metod enligt kravet l, KÄNNETECKNAD AV, - att tillförseln till oxidant- insprutningsmunstyckena regleras ge- non användandet av ett fràn motorn àterkopplat styrsystem varvid regleringen sker dels av själva gasflödet dels flödets hastighet och koncentration allt efter motorns belastning, varvtal, tempe- ratur, bränsleförbrukning och emitterande gasemisioner.