SE508507C2 - Anordning och sätt för rening av avgaser - Google Patents

Description

sus 507 2 lera och förmår ej rena avgaserna från en bilmotor i överensstämmelse med dagens högt ställda krav.

En annan anordning för efterbehandling av avgaser är den katalytiska renaren, som exempelvis är känd genom WO 5 93/24745 och som genom katalytisk oxidation reducerar halterna av vissa förbränningsprodukter. Renaren består av en behållare som genomströmmas av avgaser och inne- håller ett katalytisk material med stor ytstorlek. Genom att mycket noga styra förhållandet mellan mängderna 10 bränsle och luft i motorn så att exakt stökiometri upp- nås, kan man få den efterföljande katalytiska renaren att kraftigt minska avgasernas halter av koloxid, kolväten, partiklar och kväveoxider. Bland nackdelarna med den katalytiska renaren kan nämnas att den kräver en hög 15 arbetstemperatur, normalt minst 900°C, att den endast fungerar vid exakt stökiometriskt blandningsförhållande, att den är kostsam och inte speciellt hållbar, att den är känslig för vissa ämnen, såsom bly, som kan förekomma i drivmedlet och att den endast kan användas för rening av 20 utsläpp från bensinmotorer. Ändamål med uppfinningen Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att helt eller delvis övervinna de ovan relaterade problemen med känd teknik, dvs att åstadkomma en anordning och ett sätt 25 för rening av avgaser från förbränningsapparater, varvid såväl anordningen som sättet leder till rening av avga- serna i enlighet med högt ställda miljökrav, dvs åstad- kommer en väsentlig minskning av halterna av åtminstone koldioxid, koloxid, kväveoxider och kolväten i avgaserna. 30 Dessutom skall anordningen vara av så enkel och robust konstruktion som möjligt.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en anordning och ett sätt som förmår rena avgaserna obe- roende av vilken typ av bränsle som används i förbränn- 35 ingsapparaten.

Det är också ett ändamål med uppfinningen att åstad- komma en anordning och ett sätt som vid användning för 10 15 20 25 30 35 3 508 507 rening av avgaserna från en förbränningsmotor ger en ökad utmatad effekt från förbränningsmotorn.

Det är också önskvärt att åstadkomma en anordning som ger en ljuddämpande verkan vid placering efter en förbränningsmotor.

Sammanfattning av uppfinningen Dessa och andra ändamål, som kommer att framgå av följande beskrivning, har nu uppnåtts genom uppfinningen medelst en anordning och ett sätt enligt efterföljande patentkrav 1 resp ll. Föredragna utföringsformer framgår av efterföljande underordnade patentkrav.

Det har överraskande visat sig att kombinationen av ett slutet kärl och ett undertrycksalstrande organ enligt uppfinningen leder till en väsentlig minskning av halter- na av oönskade ämnen i avgaserna från en förbrännings- apparat. Till skillnad från alla tidigare kända renings- anordningar erhålls även en reduktion av mängden koldi- oxid.

Denna enkla och robusta konstruktion har visat sig vara användbar vid olika typer av förbränningsapparater med olika typer av bränslen.

Kort beskrivning av ritningen Uppfinningen beskrivs nedan i exemplifierande syfte med hänvisning till bifogade ritning, vilken åskådliggör för närvarande föredragna utföringsformer. På ritningen har motsvarande delar lika hänvisningbeteckningar.

Fig 1 visar schematiskt en anordning enligt upp- finningen.

Fig 2 visar en uppfinningsenlig anordning som använ- des i ett första experiment för rening av utsläppen från en bensinmotor.

Fig 3 visar en uppfinningsenlig anordning som använ- des i ett andra experiment för rening av utsläppen från en dieselmotor.

Beskrivning av föredragna utföringsformer I fig 1 visas schematiskt ett utföringsexempel av en uppfinningsenlig reningsanordning l som är kopplad till 508 507 10 15 20 25 30 35 en förbränningsapparat 2, såsom en förbränningsmotor.

Reningsanordningen 1 omfattar en sluten uppsamlings- kammare 3, som via ett första inlopp 4 står i fluidumför- bindelse med förbränningsapparatens 2 utlopp 5. Ett ut- lopp 6 hos uppsamlingskammaren 3 står i fluidumförbindel- se med ett undertrycksalstrande organ 7, såsom en vakuum- pump eller en fläkt. Det undertrycksalstrande organet 7 är i sin tur via ett avgasrör 8 anslutet till en ljuddäm- pare 9. Ett andra inlopp 10 hos uppsamlingskammaren 3 står i fluidumförbindelse med ett organ ll för tillförsel av extra oxidationsmedel.

Under drift är ett undertryck upprättat i uppsam- lingskammaren 3 medelst undertrycksorganet 7. Under- trycket medför att varma förbränningsgaser sugs ut ur förbränningsapparaten 2 och in i uppsamlingskammaren 3, som företrädesvis är anordnad i förbränningsapparatens l omedelbara närhet. Undertrycket medför också att extra såsom luft, oxidationsmedel, kan sugas in i uppsamlings- kammaren 3 från tillförselorganet ll. Uppsamlingskammaren 3 har en invändig, turbulensskapande profil 12 som alst- rar en effektiv blandning mellan de i kammaren 3 expande- rande förbränningsgaserna och det tillförda oxidations- medlet. Gasblandningen sugs sedan in i undertrycksorganet 7 och blàses av detta ut i avgasröret 8. Samtliga för- bränningsgaser lämnar således uppsamlingskammaren 3 via undertrycksorganet 7.

Det må påpekas att det i uppsamlingskammaren upp- rättade undertrycket bistår tömningen av motorns för- bränningsrum under utblåsningstakten, varigenom motorns utmatade effekt ökas eftersom en större mängd bränsle- luft-blandning kan sugas in i förbränningsrummet under den efterföljande insugningstakten. Det tryck som råder i uppsamlingskammaren skall vara lägre än både det omgi- vande atmosfärstrycket och trycket i förbränningsappara- ten vid avgivande av förbränningsgaserna till renings- anordningen. Undertrycket bör dock inte vara så stort att det ogynnsamt påverkar förbränningen i apparaten. 10 15 20 25 30 35 508 507 Denna uppfinningsenliga reningsanordning har testats i två olika försök, vilka beskrivs i detalj nedan.

Försök 1 I den första försöksuppställningen, som visas sche- matiskt i fig 2, kopplades en uppfinningsenlig renings- anordning till en förbränningsapparat i form av en ben- sinmotor, närmare bestämt en VOLVO B20 från 1974 med en motorvolym av ca 2 000 cm3. Motorn demonterades från ett fordon som före testerna hade gått ca 35 000 mil. Inga justeringar gjordes av motorn före testerna, utan denna monterades tillsammans med växellåda, startmotor, batteri och bensintank i en testbänk. Under försöket drevs motorn utan bromsning vid 1 000 varv/min.

Uppsamlingskammaren 3 var cylindrisk och hade en diameter om 200 mm och en längd om 400 mm. Kammarens 3 volym var således 12,6 dm3. Ett första inlopp 4 hos kammaren 3 var förbundet med en 90° rörböj 13, vars dia- meter var 130 mm. Rörböjen 13 uppvisade en fläns 14, vilken under försöket var ansluten till motorns grenrör (ej visat).

Uppsamlingskammarens 3 utlopp 6 var, via ett rör 15 med diametern 50 mm och längden 100 mm, anslutet till ett undertrycksalstrande organ 7 i form av ett turboaggregat (VOLVO), drevs medelst tryckluft vilket under försöket konstant (0,8 MPa;8 bar) ra ett undertryck i uppsamlingskammaren 3. Detta under- av standardtyp i syfte att alst- tryck uppmättes under försöket till 2,8% medelst en på uppsamlingskammaren 3 monterad lufttrycksmätare (ej visad).

Ett andra inlopp 10 hos uppsamlingskammaren var an- slutet till ett lufttillförselorgan i form av en manuellt manövrerbar kran 11. Ett andra lufttillförselorgan, också i form av en kran l1', var förbundet med rörböjen 13.

Under försöken var endera av dessa kranar 11, 11' helt öppen, varigenom extra oxidationsmedel tillfördes kamma- ren 3 genom självsug. Detta oxidationsmedel utgjordes antingen av enbart luft eller av luft innehållande ca 2 508 l0 l5 20 25 so? 6 ppm ozon. Volymflödet av oxidationsmedel uppmättes till ca 2,8% av volymflödet av avgaser från motorn.

Under försöket kontrollerade man emellanåt att undertryck rådde i kammaren 3 genom att placera ett % A4- Papper ca 2,5 cmz. Pappret hölls precis fast vid varje till- fälle.

Ett avgasrör 8 med diametern 50 mm och längden 800 (à 2 gram) över kranen ll, vars mynningsarea var mm var anslutet till turboaggregatet 7 för att leda bort de renade avgaserna. Efter turboaggregatet 7 uppmättes avgasernas temperatur till ca lO0°C, varför temperatur- sänkningen över uppsamlingskammaren 3 torde ha uppgått till ca 800-l000°C. För att kvantifiera reningsgraden användes en konventionell mätutrustning (Hackman & Brum MG och URAT P), varvid mätsonder (ej visade) var place- rade ca 200 mm från avgasrörets 8 bortre ände.

Dessutom utfördes referensmätningar utan rening, vid vilka reningsanordningen l var ersatt av ett standard- mässigt avgasrör med ljuddämpare. För övrigt var testför- hållandena oförändrade.

Resultaten av tre försök med en reningsanordning varvid TEST I avser tillförsel av enbart luft via kranen ll, TEST II enligt ovan visas i nedanstående tabell l, avser tillförsel av enbart luft via kranen ll', och TEST III avser tillförsel av en luft/ozon-blandning via kranen ll'. bränningsprodukter minskade kraftigt i TEST I-III. Över- Av tabellen framgår att halterna av skadliga för- raskande nog minskade även halten av koldioxid med ca 50%. 10 15 20 25 7 sus so? Tabell 1 drevs vid 1 000 varv/min utan bromsning.

Halter av ämnen i avgaser från bensinmotor som Referens, TEST TEST TEST utan rening I II III 02 (%) 3,17 13,6 13,2 14,0 HC (Ppm) 270 115 110 110 C02 (%) 10,0 4,5 4,9 4,7 N02 (ppm) 24,2 5,4 3,0 2,6 CO (%) 5,1 0,8 1,2 1,7 No (ppm) -16 -40 -46 -44 Vid mätningarna konstaterades också att renings- anordningen hade en ljuddämpande verkan tack vare att undertrycksorganet 7 utjämnade tryckpulsationerna i avgasröret 8.

Försök 2 I den andra försöksuppställningen, som visas scä~- matiskt i fig 3, kopplades en uppfinningsenlig ren;:: - anordning till en förbränningsapparat i form av en selmotor, närmare bestämt en Peugeot 504 från 1977 r» motorvolym av ca 2 300 cm3. Motorn hade före testern= gått ca 30 000 mil. Inga justeringar gjordes av motozn före testerna, utan denna monterades tillsammans med växellåda, startmotor, batteri och bensintank i en test- bänk. Ett bromssystem var monterat på växellàdans ut- gående drivaxel, och under försöket drevs motorn antingen vid 6 000 varv/min med full bromsning eller vid 1 000 varv/min utan bromsning.

Uppsamlingskammaren 3 var cylindrisk och hade en diameter om 110 mm och en längd om 920 mm. Kammarens 3 volym var således ca 8,7 dm3. Ett första inlopp 4 hos kammaren 3 var via ett rör 13 med en fläns 14 anslutet till motorns grenrör.

Uppsamlingskammarens 3 utlopp 6 var direkt anslutet till ett undertrycksalstrande organ 7 i form av en fläkt (Nederman, modell N16) med en kapacitet av 0,44 m3/s. 508 10 15 20 25 30 35 507 8 Fläkten 7, alstrade ett undertryck i uppsamlingskammaren 3, vilket som drevs av en elmotor 15 vid 2870 varv/min, under försöket uppmättes till 2,8% medelst en på uppsam- lingskammaren 3 monterad lufttrycksmätare (ej visad).

Liksom i försök 1 var ett andra inlopp 10 hos upp- samlingskammaren 3 anslutet till ett lufttillförselorgan i form av en manuellt manövrerbar kran ll. Under försöken var denna kran ll antingen helt öppen, varigenom extra oxidationsmedel i form av luft tillfördes kammaren 3 genom självsug, eller helt stängd så att inget oxida- tionsmedel tillfördes kammaren 3. Volymflödet av luft uppmättes till ca 2,8% av volymflödet av avgaser från motorn.

Under försöket kontrollerade man emellanåt att undertryck rådde i kammaren 3 genom att placera ett % A4- papper (à ca 2 gram) över kranen 11, vars mynningsarea var ca 2,5 cmz. Pappret hölls precis fast vid varje till- fälle.

Ett avgasrör 8 med diametern 60 mm och längden 1000 mm var anslutet till fläkten 7 för att leda bort de renade avgaserna. Efter fläkten 7 uppmättes avgasernas temperatur till ca 100°C, varför temperatursänkningen över uppsamlingskammaren 3 torde ha uppgått till ca 800- 1000°C. Samma mätutrustning som vid försök 1 användes för att kvantifiera reningsgraden. Referensmätningar utfördes på samma vis som vid försök 1.

Resultaten av försöket visas i nedanstående tabeller 2a-2b, varvid tabell 2a avser ett första driftstillstànd och tabell 2b avser ett andra driftstillstànd vid 1 000 varv/min utan I tabellerna 2a-2b hänför sig TEST I till vid 6 000 varv/min och full bromsning, bromsning. mätningar med tillförsel av extra luft via kranen 11 och TEST II till mätningar utan tillförsel av extra luft.

Av tabellerna framgår att halterna av skadliga för- bränningsprodukter minskade kraftigt i samtliga fall.

Halten av koldioxid minskade med ca 60-80%. Mätningarna l0 15 20 508 507 antyder att tillförsel av extra oxidationsmedel kan för- bättra reningsgraden.

Tabell 2a drevs vid 6 000 varv/min med full bromsning.

Halter av ämnen i avgaser från dieselmotor som Referens, TEST TEST utan rening I II O2(%) 15,5 20,0 19,8 CO2 (%) 4,0 0,70 0,88 N02 (ppm) 21,8 9,7 ll,l co (ppm) 214 158 193 NO (ppm) 105 -29 -32 Tabell 2b drevs vid l 000 varv/min utan bromsning.

Halter av ämnen i avgaser från dieselmotor som Referens, TEST TEST utan rening I II 02 (%) 18,2 20,1 20,0 C02 (%) 2,0 0,63 0,73 N02 (ppm) l9,l 8,9 ll,3 co (ppm) 755 246 279 No (ppm) -3,7 -25 -20 Utan att binda sig vid någon teori förmodas det att de överraskande resultaten ovan kan förklaras enligt föl- jande modell. Modellen är baserad på de teorier om irre- versibla system långt från jämvikt som har formulerats av den belgiske forskaren Ilya Prigogine, som 1977 fick nobelpriset i kemi för just dessa teorier. För en intro- duktion till området hänvisas till "Order out of chaos”, I. Prigogine och I. Stengers, Bantam Books, New York, 1984, samt ”Self organization in non-equilibrium G. Nicolis och I. 1977. process", Prigogine, John Wiley Inter- science, New York, 508 10 15 20 25 30 35 507 10 Enligt modellen skapas en icke-jämviktsprocess (”non-equilibrium process”) i avgaserna när dessa utsätts för en plötslig expansion med åtföljande plötsliga för- ändringar av tryck och temperatur vid inströmningen i uppsamlingskammaren. Därmed omformerar sig HC-, C02- och CO-molekyler i avgaserna helt eller delvis till C2-inert- gas, O2- och H20-molekyler.

Modellen, som ej skall tolkas begränsande för upp- finningen, synes till stor del förklara resultaten av ovanstående försök.

Modellen förutspår att förhållandet mellan motor- volymen och uppsamlingskammarens volym bör vara större än ca 1:1, företrädesvis i intervallet från 1:1 till 1:10, och helst ca 1:3. En stor volym på uppsamlingskammaren torde visserligen ge fullgod rening men borde samtidigt medföra minskad uteffekt från motorn. En mindre volym på uppsamlingskammaren torde enligt modellen ge sämre rening. För närvarande anses 1:3 vara det optimala för- hållandet.

Ovanstående mätresultat indikerar att reningstea- niken fungerar utan tillförsel av extra oxidationsmez- Enligt modellen förbättras dock reningen om man så s .:' som möjligt efter förbränningen tillför uppsamlingskamr - ren extra oxidationsmedel, såsom luft, i mängder om upp till ca 5 volymprocent.

Vidare förutspår modellen att de in i uppsamlings- kammaren strömmande förbränningsgaserna bör ha en tem- peratur om minst 500°C för åstadkommande av fullgod rening.

Tänkbara modifieringar Reningseffektiviteten torde kunna ökas ytterligare genom optimering av olika parametrar. Eftersom en stor del av de oönskade förbränningsprodukterna normalt bildas när förbränningsgaserna gradvis kyls på sin väg genom avgasröret, torde anordningens reningseffektivitet bli bättre ju närmare motorn den placeras och ju varmare de inströmmande förbränningsgaserna är, varför renings- 10 15 508 507 ll anordningen företrädesvis bör vara placerad i omedelbar närhet av förbränningen.

Självfallet kan reningsanordningen kompletteras med en styrenhet som exempelvis i beroende av motorns varv- tal, gasflöden och temperaturer styr undertrycksorganet och tillförselorganet.

En ökad reningseffektivitet torde också uppnås om det extra oxidationsmedlet tillförs via ett flertal, över uppsamlingskammaren fördelade öppningar, eftersom bland- ningen mellan oxidationsmedlet och avgaserna därigenom förbättras.

Det inses också att uppfinningen inte är begränsad till förbränningsmotorer, utan är tillämplig för rening av avgaserna från all typ av förbränning.

Den uppfinningsenliga anordningen kan användas som en tillsats på befintliga förbränningsapparater i syfte att förbättra avgasreningsgraden. Den kan också vara utformad som en integrerad del av nytillverkade för- bränningsapparater.

Claims (13)

508 507 10 15 20 25 30 35 12 PATENTKRAV

1. Anordning för rening av avgaser från en för- (2), k ä n n e t e c k n a d bränningsapparat såsom en förbränningsmotor, av ett slutet kärl (3) och ett undertrycksorgan (7), som står i fluidumförbindelse med kärlet (3) och är anordnat att alstra ett undertryck däri, varvid kärlet (3) är så anslutbart till för- bränningsapparaten (2) att varma avgaser från denna under expansion strömmar in i kärlet (3).

2. Anordning enligt krav 1, vid vilken samtliga avgaser lämnar kärlet (3) via undertrycksorganet (7).

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, vid vilken kärlet (3) är utformat för placering i förbränningsappa- ratens (2) omedelbara närhet.

4. Anordning enligt något av kraven l-3, vilken (ll) tionsmedel till kärlet (3). vidare omfattar ett organ för tillförsel av oxida-

5. Anordning enligt krav 4, vid vilket tillförsel- organet (ll) är självsugande.

6. Anordning enligt kraven 4 eller 5, vid vilken (ll) (3) utformad öppning som står i fluidumförbindelse tillförselorganet kärlet omfattar en i anslutning till med den anordningen omgivande atmosfären.

7. Anordning enligt något av kraven 4-6, vid vilken nämnda oxidationsmedel omfattar luft.

8. Anordning enligt något av kraven 4-7, vid vilken nämnda oxidationsmedel omfattar luft och ozon.

9. Anordning enligt något av föregående krav, vilken är avsedd för anslutning till minst en cylinder hos en förbränningsmotor, varvid kärlets (3) volym är minst lika stor som volymen av nämnda minst en cylinder.

10. Anordning enligt något av föregående krav, vilken vidare omfattar ett organ (12) för alstring av turbulens i kärlet (3).

11. ll. Sätt att rena avgaser från en förbränningsappa- (2), såsom en förbränningsmotor, rat 13 508 507 k ä n n e t e c k n a t av att avgaser bringas att strömma ut ur förbränningsapparaten (2) och expanderas i ett slutet utrymme (3), i vilket undertryck råder i för- hållande till det omgivande atmosfärstrycket.

12. Sätt enligt krav ll, vid vilket utrymmet (3) tillförs extra oxidationsmedel.

13. Sätt enligt krav ll eller 12, vid vilket ut- rymmet (3) tillförs extra oxidationsmedel genom självsug.