ГЛУШИТЕЛЬ-НЕЙТРАЛИЗАТОР ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F01N3/08 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам, предназначенным для подавления шумов и снижения токсичности выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, и может найти широкое применение в автомобиле- и тракторостроении.

Основными требованиями, предъявляемыми к конструкциям глушителей выхлопа двигателей внутреннего сгорания кроме габаритов, веса и уровня шумов являются требования по противодавлению потоку выхлопа и снижению токсичности выхлопных газов.

При этом, удовлетворение одного из указанных требований не может идти за счет заметного ухудшения остальных параметров. Например, снижение уровня шумов выхлопа за счет увеличения противодавления потоку выхлопных газов и т. п.

В известных конструкциях глушителей снижение уровня шумов выхлопа осуществляется за счет разветвления потока выхлопных газов и извилистого пути его прохождения через глушитель, формируемого, как правило, перегородками, обеспечивающими реверсное изменение направления движения потока выхлопных газов.

Недостатками этих глушителей является то, что для обеспечения низкого уровня шумов они требуют большего количества точек реверсирования потока выхлопных газов, увеличения длины глушителя.

Наиболее близким к предлагаемому является глушитель, содержащий каталитический реактор для снижения токсичности выхлопа. Реактор, размещенный в цилиндрическом корпусе глушителя соосно с ним представляет собой полый цилиндр, заполненный каталитическим веществом, стенки которого газопроницаемы. Передняя часть корпуса глушителя снабжена впускными патрубками и образует совместно с фланцами резонансную и расширительную камеры. Во внутренней полости цилиндрического каталитического реактора установлен конусообразный вытеснитель, распределяющий газовый поток выхлопа по внутренней поверхности реактора. В выходной части корпуса глушителя расположен направляющий аппарат, образующий со шнеком сопло и выпускной патрубок.

Глушитель-нейтрализатор работает следующим образом. Выхлопные газы через впускные патрубки, через резонансную и расширительную камеры поступают в каталитический реактор и с помощью полого вытеснителя распределяются по внутренней поверхности реактора, проникая сквозь газопроницаемые стенки реактора, проходят через каталитическое вещество, где и происходит взаимодействие катализатора с токсичными компонентами выхлопа.

Недостатками глушителя-нейтрализатора по а. с. N 1108228 является низкий уровень подавления шумов - полый вытеснитель является pупором концентрирующим звуковое давление у выпускного патрубка глушителя и, кроме этого, имеет место большее значение противодавления оказываемого выхлопу на входе потока в глушитель, где высокоскоростной поток отработанных газов "упирается" в стенку расширительной камеры, а на выходе потока из глушителя имеет место большее аэродинамическое сопротивление, обусловленное малым сечением в зоне реверса потока выхлопных газов на 360^о. Кроме этого следует отметить, что подавление шумов выхлопа в этом глушителе в основном происходит благодаря значительной толщине катализатора, где и гасится амплитуда звуковой волны, что, в свою очередь, заметно увеличивает противодавление потоку выхлопных газов.

Целью изобретение является уменьшение уровня шумов выхлопа, уменьшение величины противодавления потоку отработанных газов.

Поставленная цель достигается тем, что в глушитель-нейтрализатор отработанных газов двигателя внутреннего сгорания, включающем секцию подавления шумов и нейтрализации выхлопных газов, ограниченную с двух сторон фланцами с входным и выходным патрубками, содержащую корпус в виде цилиндра, в котором размещен каталитический реактор с газопроницаемыми стенками, заполненный каталитическим веществом, и элементы для завихрения и направления потока выхлопных газов, причем отверстие выходного патрубка расположено на оси цилиндрического корпуса, каталитический реактор выполнен в виде диска диаметром, равным диаметру корпуса и установлен посреди корпуса перпендикулярно его оси, по обеим сторонам каталитического реактора симметрично относительно него установлены элементы для завихрения и направления потока газов, выполненные в виде конуса и двух усеченных конусов, размещенных вдоль оси корпуса глушителя последовательно от отверстий патрубков таким образом, что вершины конусов направлены в сторону отверстий патрубков и соосны с ним, а вершина каждого последующего усеченного конуса входит в основание предыдущего с зазором в виде кольцевого канала.

Кроме того, для уменьшения токсичности отработанных газов, между входным и выходным патрубками соосно установлено несколько секций подавления шумов и нейтрализации выхлопных между которыми перпендикулярно оси глушителя размещены дополнительные каталитические реакторы в виде дисков диаметром, равным диаметру корпуса секций, выполненных с газопроницаемыми стенками и заполненных каталитическим веществом.

На фиг. 1 представлена конструкция глушителя-нейтрализатора по п. 1 формулы изобретения; на фиг. 2 - конструкция глушителя-нейтрализатора по п. 2 формулы изобретения.

Устройство состоит из секции подавления шумов и нейтрализации газов 1, входного фланца 2 с патрубком 3, выходного фланца 4 с патрубком 5.

Секция подавления шумов и нейтрализации газов содержит корпус 6 в виде цилиндра, в котором посередине, перпендикулярно его оси, установлен каталитический реактор 7, выполненный в виде диска, который имеет газопроницаемые стенки 8, между которыми размещается каталитическое вещество 9.

Газопроницаемые стенки 8 могут быть выполнены в виде сеток или решеток из жаропрочного коррозионностойкого материала, а в качестве каталитического вещества может использоваться химически активный катализатор, либо жаропрочная коррозионно-стойкая металлическая канитель.

В корпусе 6, с двух сторон каталитического реактора 7 установлены элементы для завихрения и направления потока выхлопных газов, включающие в себя конус 10 с завихрителем 11 и двух усеченных конусов 12 и 13, направленных в сторону патрубков 3, 5 и соосных с ними, а стенки каждого последующего, усеченного конуса входят в предыдущий с зазором, образующим кольцевые каналы 14 и 15. При этом конусообразные элементы, направленные в сторону входного патрубка 3, корпус 6 и фланец 2 образуют первую расширительную камеру 16, а внутренние стенки перечисленных конусообразных элементов и стенка каталитического реактора 8 образуют вторую расширительную камеру 17.

Расширительная камера 18 образована второй стенкой каталитического реактора 8 и внутренними стенками конусообразных элементов, направленных в сторону выходного патрубка 5.

Расширительная камера 19 образована наружными поверхностями конусообразных элементов, направленных в сторону выходного патрубка 5, корпусом 6 и фланцем 4.

На фиг. 2 изображен глушитель-нейтрализатор отработанных газов, состоящий из двух последовательно соединенных секций подавления шумов и нейтрализации газов 1, ограниченный с одной стороны фланцем 2 с входным патрубком 3, с другой стороны - фланцем 4 с выходным патрубком 5.

Между секциями 1, перпендикулярно оси глушителя, размещен дополнительный каталитический реактор 20, выполненный в виде диска диаметром равным диаметру корпуса секции 1 и содержащий газопроницаемые стенки 21, между которыми размещается каталитическое вещество 22.

Глушитель-нейтрализатор отработанных газов двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.

От двигателя, через входной патрубок 3 высокоскоростной пульсирующий поток поступает в расширительную камеру 16, где расширяется, встречается с винтообразными лопатками 11 конуса 10, обретает вращательное (спиралеобразное) движение, что снижает кинетическую энергию, скорость и уровень пульсаций потока.

Вращающийся поток отражается от стенок расширительной камеры 16, совершает реверс (менее 180^о) и разделяется на два кольцевых потока направляющихся по кольцевым каналам 14, 15 в расширительную камеру 17 и двигающихся навстречу ударной звуковой волне пульсирующего потока, атакующего конус 10, лопасти завихрителя 11 и внешние поверхности усеченных конусов 12, 13 со стороны входного патрубка 3, уменьшая таким образом амплитуду пульсаций и шумов потока.

Кольцевой поток газов, проходящий по кольцевому каналу 14 движется от основания конуса к его центру, смыкается, перемешивается, совершает реверс и продолжает движение вдоль оси глушителя-нейтрализатора в сторону каталитического реактора 7.

Кольцевой поток газов, проходящий по кольцевому каналу 15, соединяется с потоком, идущим от внутренней поверхности конуса 10 в сторону каталитического реактора 7, в расширительной камере 17 во встречном движении (под углом менее 180^о) и перемешивается с ним. Вследствие того, что кольцевые каналы 14 и 15 разнесены по высоте и диаметру, поступающие через них в расширительную камеру потоки газов - разноскоростные, а это обеспечивает перемешивание потоков, сглаживание пульсаций и понижение уровня шумов. Далее поток диффузно проходит через засыпку 9 каталитического реактора 7 в расширительную камеру 18. Диффузное прохождение потока выхлопных газов через засыпку каталитического резонатора обеспечивает не только снижение его токсичности за счет взаимодействия с каталитическим веществом или дожигания продуктов неполного сгорания, но и заметно снижает уровни шумов выхлопа за счет демпфирования пульсаций потока при прохождения сквозь неупругое вещество засыпки каталитического реактора.

Из расширительной камеры 18 поток газов, совершив очередной реверс (меньше 180^о) устремляется через кольцевые каналы 14 и 15 в расширительную камеру 19, направляясь к месту соединения каталитического реактора 7 с корпусом 6, противодействуя таким образом ударной звуковой волне, атакующей в прямом направлении со стороны расширительной камеры 16. В этой же зоне поток газов из кольцевого канала 15 совершает обратный реверс (меньше 180^о) и движется в расширительной камере 19 в сторону выходного патрубка 5, соединяясь во встречном движении (под углом меньшим 180^о) с кольцевым потоком, проходящим кольцевой канал 14.

Вследствие того, что кольцевые каналы 14 и 15 разнесены по диаметру и высоте, поступающие через них потоки газов - разноскоростные, что обеспечивает лучшее перемешивание потоков, в результате чего происходит сглаживание пульсаций и понижение уровня шумов. На выходе из расширительной камеры 19 и выходного патрубка 5 поток вновь приобретает вращательное (спиралеообразное) движение.

Сущность заявленного технического решения по подавлению шумов и снижению токсичности выхлопа состоит в том, что в предлагаемом глушителе-нейтрализаторе использован комплекс воздействий по формированию и направлению движения потока: завихрение, реверсы (меньше 180^о), разделение протоков по скорости и их перемешивание, встречные движения прямой ударной звуковой волны и реверсированного потока с целью компенсации акустических эффектов, диффузное прохождение потока через каталитический реактор. Весь этот комплекс воздействия на поток выхлопных газов осуществляется за счет использования конструктивных элементов глушителя-нейтрализатора, расположенных в корпусе каталитического реактора, выполненного в виде диска с диаметром равным диаметру корпуса, и расположенных симметрично по обеим его сторонам конусных элементов.

Высокоскоростной пульсирующий поток, поступающий в расширительную камеру через входной патрубок, расширяется, обретает вращательное движение (спиралеобразное) движение, что снижает его скорость, уровень пульсаций и кинетическую энергию. Использование кольцевых каналов, образованных конусом и усеченными конусами позволяет разделить поток газов на 2 составляющие таким образом, что эти потоки, двигаясь по внутренним поверхностям конуса и усеченных конусов в обратном направлении, но углом менее 180^о компенсируют акустическое воздействие ударной звуковой волны, атакующей эти элементы по внешним плоскостям в прямом направлении (со стороны входного патрубка). Использование кольцевого канала, образованного конусом и усеченным конусом позволяет направить кольцевой поток газов от основания конуса к его вершине под углом меньшим 180^о, где на оси глушителя-нейтрализатора он соединяется, смешивается, теряя кинетическую энергию, совершает реверс и направляется в сторону каталитического реактора, соединяясь во встречном движении с другим кольцевым потоком (под углом 180^о), проходящем по кольцевому каналу, образованному двумя усеченными конусами. Суммарный поток газов направляется по расширительной камере к каталитическому реактору, который проходит диффузию, теряя кинетическую энергию, при снижении пульсации и уровня шумов. Расположение диска каталитического реактора перпендикулярно оси глушителя-нейтрализатора и полностью перекрывающего его сечения позволяет более полно нейтрализовать токсичные составляющие газового потока.

После прохождения каталитического реактора поток выхлопных газов, движущихся в сторону выпускного патрубка, совершает реверс под углом менее 180^о и разделяется на два кольцевых потока, один из которых, после прохождения кольцевого зазора, образованного двумя усеченными конусами, поступает в расширительную камеру в зоне соединения корпуса с каталитическим резонатором, компенсируя акустическое воздействие прямой ударной волны со стороны входного патрубка, делает реверс и направляется в сторону выходного патрубка, где соединяется с другим кольцевым потоком, идущим под углом менее 180^о.

В результате суммарный поток выхлопных газов теряет кинетическую энергию, с уменьшением пульсаций и амплитуды шумов и направляется в сторону выходного патрубка, завихряясь на лопастях завихрителя, расположенного на конусе.

В целях реализации предполагаемого изобретения нами были изготовлены 2 экспериментальных образца 2-секционного глушителя-нейтрализатора.

Корпус 6 экспериментальных образца выполнен в виде стального тонкостенного полого цилиндра внутренним диаметром 95 мм и длиной (высотой) 440 нм. Угол наклона боковых поверхностей конусов и усеченных конусов 35-45^о, суммарное сечение кольцевых каналов 14 и 15 более, чем в два раза превышает поперечное сечение входного патрубка. Каталитический реактор 7 выполнен диаметром 95 мм. Стенки выполнены из сетки нержавеющей стали 10 меж/см².

Между сетками расположено каталитическое вещество в виде полых цилиндров внешним диаметром 5 мм и высотой 5 мм. Образцы обследовались на полигоне НАМИ с помощью измерительной аппаратуры "Брюль и Къер" (Дания) по методике ГОСТ 27436-87, ГОСТ 27435-87, РД 37.001.025-85 и Правил ЕЭК ООН N 51.

Некоторые данные из протоколов испытаний приведены в табл. 1-3, где в табл. обр. 1 и обр. 2 обозначены данные по двум образцам заявленного глушителя "обр. 1" и "обр. 2" и словом "серийный" обозначены данные по серийному глушителю, изготовленному для автомобилей типа ВАЗ.

Точками замера являются точки измерения параметров, которые определены методиками, РД и Правилам, указанными выше.

Из данных, приведенных в табл. 1-3 видно, что основные параметры экспериментальных образцов глушителей-нейтрализаторов по основным своим характеристикам (уровню шумов и противодавлению) близки параметрам штатного глушителя автомобиля ВАЗ. Однако эти характеристики получены на глушителях, поперечное сечение которых в 2,4 раза меньше поперечного сечения штатного глушителя автомобиля ВАЗ. Очевидно, что предлагаемая конструкция глушителя-нейтрализатора имеет большие резервы по улучшению своих параметров и в случае исполнения в одинаковом со штатным сечением, такой параметр как противодавление может иметь меньшее по сравнению со штатным значением, поскольку величина противодавления обратно пропорциональна
1/(4(S/P))^19/7 где S - площадь;
Р - периметр поперечного сечения.

Кроме того следует отметить, что серийный глушитель автомобиля ВАЗ не имеет устройства, обеспечивающего снижение токсичности отработанных газов, что снижает достоинство его параметров.

Достоинством предлагаемой конструкции глушителя-нейтрализатора является еще и то, что симметричное расположение элементов глушителя позволяет заметно увеличить его долговечность (в секционном варианте исполнения) путем перестановки входного патрубка на выходной патрубок глушителя. (56) Авторское свидетельство СССР N 1108228, кл. F 01 N 3/00, 1984.

Использование: устройства для очистки и глушения шума отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Сущность изобретения: элемент для завихрения и направления потока газа установлены симметрично по обеим сторонам каталитического реактора, каждый элемент выполнен в виде последовательно размещенных двух усеченных конусов и одного конуса с вершиной, направленной в сторону соответствующего патрубка, причем вершина каждого последующего усеченного конуса размещена в основании предыдущего конуса с образованием кольцевого зазора. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ГЛУШИТЕЛЬ-НЕЙТРАЛИЗАТОР ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий цилиндрический корпус с торцевыми стенками, на одной из которых соосно с корпусом закреплен входной патрубок, а на другой торцевой стенке соосно с корпусом закреплен выходной патрубок, установленные в корпусе каталитический реактор с газопроницаемыми стенками и элементы для завихрения и направления потока, отличающийся тем, что, с целью уменьшения уровня шума при снижении противодавления потоку отработавших газов, каталитический реактор выполнен в виде диска с диаметром, равным диаметру корпуса, и размещен посередине перпендикулярно к оси корпуса, элементы для завихрения и направления потока газа установлены симметрично по обеим сторонам каталитического реактора, каждый элемент выполнен в виде последовательно размещенных двух усеченных конусов и одного конуса с вершиной, направленной в сторону соответствующего патрубка, причем вершина каждого последующего усеченного конуса размещена в основании предыдущего конуса с образованием кольцевого зазора. 2. Глушитель-нейтрализатор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, он снабжен по меньшей мере двумя дополнительными элементами для завихрения и направления потока газа и по меньшей мере двумя дополнительными каталитическими реакторами, попарно и симметрично размещенными соответственно со стороны впускного и выпускного патрубков.