ГЛУШИТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК F01N1/04 F01N3/00 

Изобретение относится к глушителям, объединенным с каталитическим нейтрализатором, предназначенным для нейтрализации выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания любого типа, снижая содержание вредных газов.

Известно, что выхлопные газы, выбрасываемые в атмосферу двигателями внутреннего сгорания, оказывают весьма неблагоприятное действие. Быстрое увеличение числа используемых транспортных средств заставило наиболее развитые страны ввести ограниченные меры, направленные на уменьшение выбросов окиси углерода, несгоревших углеводородов и окиси азота. С этой целью были разработаны катализаторы, которые, если их нанести по большой поверхности, при контакте с газовым потоком нейтрализуют названные загрязняющие вещества, превращая их в значительно менее опасные газы, такие как углекислый газ, водяной пар и азот. На основе этого факта были разработаны и поступили в продажу каталитические нейтрализаторы различного вида, устанавливаемые перед стандартными глушителями.

Известны различные конструкции каталитических нейтрализаторов-глушителей.

Известно устройство каталитического нейтрализатора-глушителя с У-образной формой слоя, обеспечивающей оптимальные параметры газового потока и снижающей до минимума вопросы, связанные с разностью температурного расширения в условиях действия высоких температур. Конструкция каталитического нейтрализатора-глушителя имеет внешнюю овальную камеру, секцию с катализатором и криволинейные боковые стенки, играющие роль удерживающих экранов для внутри расположенного катализатора. Криволинейные стенки препятствуют потере устойчивости, которая наблюдается для плоских пластинчатых элементов (см. патент США N 3649213, по кл. 219 60, 1971 г.).

Известен комбинированный глушитель с каталитическим нейтрализатором, отличающийся низким обратным давлением. В конструкции во внутреннем контуре выхлопных газов предусмотрена трубка Вентури для подвода дополнительного воздуха. Трубка Вентури оказывается весьма эффективным средством, так как обратное давление, создаваемое ниже по потоку от трубки Вентури, остается на низком уровне, вследствие того, что в трубке Вентури предусмотрен весьма длинный выпускной конус, изменяющий направление потока и препятствующий отделению потока от стенок и возникновению турбулизации. Глушение шума выполняют выше по потоку от трубки Вентури в местах, где создаваемое обратное давление оказывает минимальное действие на снижение эффективности трубки Вентури (см. патент США N 4094645, по кл. 23 288, 1977 г.).

Известен корпус, в котором на металлическую фольгу нанесено каталитическое вещество. Указано, что такие каталитические нейтрализаторы отличаются особыми преимуществами для двигателей внутреннего сгорания как с искровым воспламенением, так и воспламенением от сжатия, и особенно выгодны для автомобилей (см. ЕР N 0263893, кл. F 01 N 3/28, 1990 г.).

Известно устройство для каталитической или другого типа очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. Устройство содержит два корпуса обработки выхлопных газов, а между корпусами предусмотрено защитное кольцо (см. ЕР N 0387422, кл. F 01 N 3/28, 1988 г.).

Близким техническим решением к заявленному является глушитель шума, содержащий корпус с крышкой, впускным патрубком, подключенным к выпускному коллектору, выпускным патрубком, и модульные диафрагменные элементы, последовательно установленные в корпусе с образованием расширительных секций с объемом, увеличивающимся в сторону выпускного патрубка (а.с. СССР N 1305410, M. кл. F 01 N 1/00, опубл. 1987 г.).

Однако, такие нейтрализаторы выхлопных газов создают ряд проблем, например, продолжительность их химической активности относительно механической долговечности их конструкции, сложность самой конструкции нейтрализатора. Все это в значительной степени повышает стоимость и осложняет монтаж.

В будущем, все транспортные средства будут оборудовать нейтрализаторами выхлопных газов на заводах, но пока их стоимость препятствует как установке на новых транспортных средствах, так и переоборудованию огромного числа уже эсплуатируемых транспортных средств.

Ни одно из известных устройств не предвосхищает специфическую конструкцию каталитического нейтрализатора-глушителя, согласно представленному изобретению.

Задача данного изобретения разработать каталитический нейтрализатор-глушитель, выполняющий одновременно обе функции снижение шума и очистку выхлопных газов, отличающийся низкой стоимостью изготовления и имеющий большой ресурс для очистки выхлопных газов, при этом каталитический нейтрализатор можно заменить вместе с глушителем без какого-либо усложнения монтажа.

Согласно изобретению глушитель шума, содержащий корпус с крышкой, впускной патрубок, подключенный к выпускному коллектору, выпускной патрубок и модульные диафрагменные элементы, последовательно установленные в корпусе с образованием расширительных секций с объемом, увеличивающимся в сторону выпускного патрубка, причем глушитель дополнительно содержит полую трубу с торцевой стенкой, в которой выполнено центральное отверстие, установленную в корпусе с образованием камеры между внутренней поверхностью крышки и торцевой стенкой с закрепленным на ней выпускным патрубком, последний выполнен в форме усеченного конуса, установлен в центральном отверстии торцевой стенки, впускной патрубок своей крышкой частично размещен в полости трубы, при этом на участке впускного патрубка в форме усеченного конуса, размещенном внутри полой трубы выполнены выходные отверстия, модульные диафрагменные элементы размещены в полой трубе и выполнены из пористого керамического материала с каталитическим покрытием.

Предложено предусмотреть диафрагмы с отверстиями для прохода выхлопных газов, при этом между последующими диафрагмами образованы последовательно расширительные секции. Таким образом, выхлопные газы, выходящие из усеченного конуса, не только очищаются от загрязняющих веществ, но, кроме того, их температура и давление приближаются к давлению и температуре окружающей среды. Следовательно, один узел работает и как нейтрализатор выхлопных газов и как глушитель, его легко заменить, подобно стандартному глушителю, на любом типе транспортного средства, причем затраты на монтаж минимальные.

Форма пористых керамических диафрагм выбрана с таким условием, чтобы диафрагмы можно было вставлять последовательно с использованием соответствующих соединительных узлов или фитингов, обеспечивая оптимальные, предварительно определенные в лабораторных условиях, для большинства моделей используемых транспортных средств расстояния и расположение внутренних стенок. Отметим, что главная задача изобретения, но не единственная решение проблемы переоборудования большого числа используемых моделей транспортных средств.

Каталитический нейтрализатор-глушитель можно изготовить за короткое время, без привлечения значительных капитальных средств и на небольших производственных площадях, при этом обеспечивается широкий ассортимент разнообразных глушителей для большинства используемых транспортных средств.

На фиг. 1 показано схематическое продольное сечение корпуса комбинированного каталитического нейтрализатора-глушителя.

На фиг. 2 вид расположения керамических элементов внутри корпуса глушителя.

На фиг. 3 поперечное сечение типичной керамической диафрагмы.

На фиг. 4 6 виды сзади стенок перфорированных диафрагм.

На фиг. 7 поперечное сечение одного из расширяющихся отверстий диафрагмы.

На фиг. 8 поперечное сечение другого варианта конструкции пористой керамической диафрагмы.

На фиг. 9 подробный схематический вид расположения керамических элементов, показанных на фиг. 8.

На фиг. 10 поперечное сечение еще одного варианта конструкции пористой керамической диафрагмы.

На фиг. 11 вид спереди диафрагмы, показанной на фиг. 10, по напpавлению на фиг. 10.

На фиг. 1 показан глушитель, обозначенный позицией 1. Глушитель 1 содержит наружный корпус 2, один конец которого выполнен в виде полусферической крышки 3 с коническим патрубком 4, частично охваченным втулкой 5. Через патрубок 4 глушитель соединяют с выпускным коллектором двигателя.

Внутри корпуса 2 смонтирован трубчатый элемент (труба) 6, содержащий каталитические элементы, расположенные адекватным образом. Открытый конец 7 трубчатого элемента 6 направлен в сторону камеры 8, образованной полусферической крышкой 3. К другому концу трубчатого элемента, закрытому стенкой 9, крепится суживающаяся выпускная труба 10, установленная в оживале 11, выполняющем функцию диффузора при выпуске газов в атмосферу. Конец оживала 11 практически совпадает с наружным корпусом 2.

Патрубок 4 длины М предпочтительно имеет конусность 13% начиная от входной секции 12 диаметра А до секции 13, совпадающей с входом в полусферическую камеру 8, диаметр В которой равен:
B 2(A)2 M x 0,13 (1)
Патрубок 4, расположенный внутри камеры 8, постепенно сужается, образуя суживающийся канал или сопло 14 Вентури, концевой диаметр которого равен:
C B/3,5 (2)
а длина N сопла 14 по внутренней части камеры равна
(3)
В сопле 14 Вентури выполнено, по крайней мере, четыре поперечных отверстия 15, расположенные рядом с областью соединения с полусферической крышкой 3. Через эти отверстия газы выпускаются в каталитический нейтрализатор, а остальная часть газов проходит через концевое отверстие, вызывая внутреннее снижение давления.

Диаметр К отверстий 15 имеет следующее значение:
(4)
Средняя длина Р передней камеры, частично включая полусферическую крышку 8 вплоть до стенки первой диафрагмы, равна:
(5)
где НР мощность двигателя в лошадиных силах, K 2,4 для четырехцилиндровых двигателей; K 6,8 для четырехцилиндровых двигателей; К 12,5 для двенадцатицилиндровых двигателей.

Для дизельного двигателя указанное значение К необходимо дополнительно умножить на коэффициент, равный 4,25.

Диаметр концевого выхода выпускной трубы 10 с внутренней стороны трубки 6 равен

где через SF обозначена суммарная площадь отверстий в концевом выходе в направлении к последней камере, образованной в трубе 6, как будет описано ниже.

Начиная от конца сопла 14 Вентури в трубе 6 установлен ряд пористых керамических модульных диафрагм 16, как схематично показано на фиг. 2.

Среднее расстояние d для диафрагм практически совпадает с значением
d (0,6 2)A (6)
начиная от двигателей с малым ходом поршня до двигателей с большим ходом. Однако названное расстояние d следует варьировать, и конкретное значение определяется экспериментально в лаборатории, контролируя давление в различных камерах при работающем двигателе.

Как показано на фиг. 3, диафрагмы 16 чашеобразной формы с наружной цилиндрической поверхностью и диаметром металлической трубы 6, имеют практически плоскую внутреннему диаметру металлической трубы 6, имеют практически плоскую наружную поверхность 17 и вогнутую внутреннюю поверхность 18, предпочтительно параболического профиля. В результате газы, выходящие из сопла Вентури, всегда вступают в контакт с камерами с гладкой поверхностью без острых углов, что исключает образование вихрей и нежелательного эффекта обратного давления, обеспечивая заданные характеристики двигателя.

В каждой поперечной стенке 19 по ее толщине выполнено несколько сквозных отверстий различных типов, формы и размеров. Примеры таких отверстий круглой формы 20, в форме петли 21 или многогранной формы 22 показаны на фиг. 4, 5 и 6. Можно использовать любые комбинации отверстий. По толщине стенки отверстия представляют собой усеченную двумя параллельными плоскостями фигуру, причем меньшее основание находится со стороны входа газов. В результате в потоке газа они создают множество расширяющихся каналов, как показано на фиг. 7, облегчающие последовательное расширение выхлопных газов, проходящих из одной камеры в другую. Угол расширения альфа лежит в пределах от 8 до 15 градусов.

Отношение площади сквозных отверстий к общей площади диафрагмы в каждой диафрагме может варьироваться и является вполне определенным; диафрагмы с большим коэффициентом перфораций, т.е. с большим объемом пустот, устанавливают последовательно ближе к выходу 10 нейтрализатора, где выхлопные газы расширяются в большей степени.

Кроме того, можно варьировать длину Н любой диафрагмы, что позволяет эмпирическим путем определить объем каждой последующей камеры в зависимости от объема выхлопных газов двигателя, определяемого его рабочим объемом и мощностью.

На фиг. 2 в качестве примера приведен вариант расположения диафрагм 16. Если смотреть слева направо, то диафрагма 16а расположена так, что ее вогнутая часть направлена в сторону сопла 14 Вентури, образуя камеру V_o, затем следуют две диафрагмы 16b и 16с одного типа, расположены друг против друга, образуя камеру V₁, длина этих диафрагм Н не обязательно должна совпадать с длиной диафрагмы 16а. В рассматриваемом варианте пара диафрагм 16b и 16с отделены от диафрагмы 16а керамическими кольцами 23 с вогнутой внутренней поверхностью. Следующие диафрагмы 16d, 16e, 16f все направлены в одну сторону, образуя последовательность камер V₂, V₃, V₄. вплоть до камеры V_n непосредственно перед выходом каталитического нейтрализатора-глушителя.

Диафрагмы 16, изготовленные с различными перфорированными поверхностями и различной длиной Н, подвергают ингибированию известными каталитическими веществами для нанесения покрытия как на поверхность пористой конструкции диафрагм, так и на поверхность сквозных отверстий 20, 21 и 22.

Выхлопные газы, проходящие в контакте с названными обработанными поверхностями и пористым телом диафрагм, очищаются в соответствующей степени и выходят со сниженным содержанием вредных загрязняющих веществ с уменьшенной температурой и приглушенные.

Окружные стенки диафрагм образуют изолирующий барьер по внутренней части металлической трубы 6, между трубой 6 и наружным корпусом 2 предусмотрен внутренний зазор 24, который можно заполнить в соответствии с известными способами стекловатой или минеральной силикатной шерстью.

На фиг. 8 приведен другой вариант конструкции диафрагмы, предназначенный для снижения числа каталитических элементов, вставляемых в трубу 6, что обеспечивает более быстрый монтаж глушителя. Диафрагма 25 содержит оживал 26 в комбинации с диском или пластиной 27, в которой выполнены отверстия, например, как показано на фиг. 4, 5, 6 для диафрагмы 16 (т.е. отверстия 20, 21 или 22). На обоих элементах 26 и 27, по отдельности спрессованных и обработанных каталитическим материалом, для обеспечения их надежного соединения предусмотрены соответствующие соединительные части, например, как показано на фиг. 8, и помимо этого они надежно скреплены другими подходящими для этой цели средствами. В оживале 26 выполнено несколько отверстий 28, 28', 28''. любой формы, через которые газы, поступающие из камеры V_o (см. фиг. 9) и проходящие через пластину 27 внутрь камеры V₁ ( образованной оживалом 26) входят в контакт с внутренней стенкой оживала 26 и претерпевают первое очищение от вредных химических соединений. При выходе из камеры V₁ газы поступают в камеру V₂, затем в следующую камеру V₃ внутрь оживала 26 и т.д. в камеры V₄, V₅, V₆. как показано на фиг. 9.

Следующий предпочтительный вариант диафрагмы, которую можно использовать в сочетании с несколькими узлами типа, показанного на фиг. 10. Согласно изобретению, пористый керамический элемент содержит корпус, обозначенный в целом позицией 29, наружная поверхность корпуса цилиндрическая. Внутри корпуса предусмотрена поперечная диафрагма 30, на которой закреплены два фланца 31, 32, образующие две полости 33, 34 с противолежащими отверстиями 35, 36.

Смежные днища полостей 33, 34, ограниченные диафрагмой 30, предпочтительно вогнутые и соединены с соответствующими фланцами, как показано пунктирной линией на фиг. 10, с тем, чтобы не допустить образование острой периферийной кромки, которая в некоторых ситуациях может вызвать снижение технических характеристик двигателя. Полости 33 и 34 сообщаются друг с другом через множество цилиндрических и/или конических отверстий 37, проходящих через перемычку. Размер, число и форма отверстий могут быть любыми в соответствии с конкретными требованиями и применением. Отверстия расположены по продольной оси х-х керамического элемента 29.

Фланцы 31 и 32 элемента 29 могут иметь различную толщину S и t и с помощью небольшого числа элементов обеспечивается широкий диапазон объемов V_o, V₁, V₂. последовательных камер. Помимо этого, при использовании керамических элементов 29, показанных на фиг. 10, днища камер, образованных противоположными элементами, не имеют острых углов ни в какой их части.

Изобретение достаточно полно проиллюстрировано и описано со ссылкой на ряд вариантов конструкции.

Использование: в двигателях внутреннего сгорания для нейтрализации выхлопных газов и снижения содержания вредных газов. Сущность изобретения: глушитель в комбинации с каталитическим нейтрализатором содержит корпус, внутри которого расположен трубчатый элемент с каталитическим нейтрализатором. Выхлопные газы двигателя поступают в глушитель через сопло Вентури, проходят через ряд диафрагм, изготовленных из керамического материала, обрабатываемого каталитическими материалами, и выходят через выпускную трубу глушителя очищенными от загрязняющих веществ. Керамические диафрагмы могут иметь чашеобразную форму и содержат сквозные отверстия, либо имеют форму оживала с перфорированной стенкой. Керамические элементы могут содержать элементы, образованные пластиной с боковыми фланцами, определяющими противоположно расположенные полости. Элементы можно комбинировать друг с другом различными способами, получая последовательность камер (V_o, V₁, V₂...), форма и объем которых наилучшим образом соответствуют конкретному типу двигателя. 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Глушитель шума, содержащий корпус с крышкой, впускным патрубком, подключенным к выпускному коллектору, выпускным патрубком, и модульные диафрагменные элементы, последовательно установленные в корпусе с образованием расширительных секций с объемом, увеличивающимся в сторону выпускного патрубка, отличающийся тем, что он дополнительно содержит полую трубу с торцовой стенкой, в которой выполнено центральное отверстие, установленную в корпусе с образованием камеры между внутренней поверхностью крышки и торцовой стенкой с закрепленным на ней выпускным патрубком, последний выполнен в форме усеченного конуса, установлен в центральном отверстии торцовой стенки, впускной патрубок своей вершиной частично размещен в полости трубы, причем на участке впускного патрубка в форме усеченного конуса, размещенном внутри полой трубы, выполнены выходные отверстия, модульные диафрагменные элементы размещены в полой трубе и выполнены из пористого керамического материала с каталитическим покрытием. 2. Глушитель по п. 1, отличающийся тем, что диафрагменные модульные элементы выполнены со сквозными отверстиями и чашеобразной формы, предпочтительно цилиндрической с плоской внешней поверхностью стенки и вогнутой внутренней поверхностью, предпочтительно параболического профиля. 3. Глушитель по п. 1, отличающийся тем, что пористые керамические модульные элементы выполнены из диафрагм полуэллиптической формы, стенки которых снабжены отверстиями, причем каждый модульный элемент соединен с пластиной, с выполненными в ней отверстиями и размещенной перед модульным элементом с образованием камеры между ними, а сквозные отверстия выполнены с диаметром, увеличивающимся в сторону камеры. 4. Глушитель по п.1, отличающийся тем, что в диафрагменных модульных элементах выполнены диафрагмы с двумя периферийными боковыми фланцами, образующими две полости, сообщенные между собой при помощи осевых отверстий, выполненных в диафрагмах. 5. Глушитель по пп. 2, 3 или 4, отличающийся тем, что количество сквозных отверстий в диафрагмах выполнено переменным, причем отношение суммарной площади сквозных отверстий диафрагм к суммарной площади выходных отверстий во впускном патрубке составляет 1,5 ^oC 4, предпочтительно 3. 6. Глушитель по пп. 1 5, отличающийся тем, что модульные элементы выполнены с переменной длиной и/или толщиной их фланцев. 7. Глушитель по п. 2, отличающийся тем, что чашеобразные элементы установлены внутри трубы с возможностью контактирования одного с другим либо связаны один с другим посредством керамических колец, установленных между ними.

Приоритет по пунктам:
04.09.91 по пп.1-3, 5-7;
05.03.92 по п. 4.