КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НЕЙТРАЛИЗАТОР С УТИЛИЗАЦИЕЙ ТЕПЛОТЫ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F01N3/28 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания как дизельных, так и с принудительным воспламенением топлива.

Известен каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с двойными стенками, торцевыми крышками, входным и выходным патрубками с фланцами, каталитическими блоками, реактор, разделенный каталитическими блоками на отдельные камеры (см. патент РФ N 2008448, M.кл.⁵ F 01 N 3/28, 1994г.).

Недостатками известного нейтрализатора является, во-первых, то, что не обеспечивается использование теплоты отработавших газов и теплоты, полученной вследствие дожигания продуктов неполного сгорания в присутствии катализаторов, которая выбрасывается с отработавшими газами в атмосферу, а, во-вторых, то, что не достигается высокая степень очистки отработавших газов от продуктов неполного сгорания, т.к. на режимах работы с обогащенными смесями в зону окисления не подается дополнительный воздух.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является каталитический нейтрализатор отработавших газов с утилизацией теплоты, содержащий корпус с двойными стенками, теплоизоляцией, торцевыми крышками, входным и выходным патрубками с фланцами, каталитическими блоками и реактором, размещенным внутри корпуса. Корпус последовательно соединен выходным патрубком с конвективным теплообменником и нагнетателем воздуха, выполненным в виде вентилятора, а входным патрубком с насосом прокачки жидкости - теплоносителя, в свою очередь соединенным с двигателем внутреннего сгорания или аккумуляторными батареями. Утилизируемое тепло используется для отопления кабины водителя автомобиля (см. Груданов В. Я. Физико-химические и теплообменные процессы в каталитических нейтрализаторах с утилизацией теплоты отработавших газов// Двигателестроение. - 1991, N 1, с.47-49).

Недостатками описанного нейтрализатора являются неполное использование теплоты отработавших газов и теплоты, выработанной двигателем внутреннего сгорания, т. к. утилизируемое тепло применяется только для обогрева кабины, пониженные степень очистки газов от продуктов неполного сгорания, т.к. в зону окисления на режимах работы на обращенных смесях не подается дополнительный воздух, и топливная экономичность двигателя внутреннего сгорания, т. к. насос прокачки жидкости-теплоносителя должен иметь привод от внешнего источника энергии - двигателя внутреннего сгорания или аккумуляторных батарей, что ведет к снижению эффективного КПД за счет увеличения механических потерь на привод вспомогательного агрегата-насоса, а дополнительный привод вентилятора для съема тепла с конвективного теплообменника также ведет к дополнительным механическим потерям. Таким образом, если учесть, что КПД водяного насоса по данным, опубликованным в книге "Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей" / Под ред. Орлина А.С., Круглова М.Г.- Изд. 3-е, перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1985, с.270-286, составляет 0,7-0,9, КПД вентилятора - 0,32-0,40 для клепаных роторов, и вентилятор может забирать 3-6% мощности двигателя, то предлагаемая в каталитическом нейтрализаторе-прототипе система утилизации теплоты будет способствовать увеличению расхода топлива двигателем.

Сущность изобретения заключатся в том, что известный каталитический нейтрализатор с утилизацией теплоты отработавших газов двигателя внутреннею сгорания, содержащий корпус с двойными стенками, теплоизоляцией, торцевыми крышками, воздушным патрубком, входным и выходным патрубками с фланцами, каталитическими блоками, нагнетатель воздуха, теплообменник, снабжен нагревателем двигателя с внешним подводом теплоты, встроенным внутрь корпуса через торцевую крышку со стороны выходного патрубка с образованием кольцевого канала с внутренней поверхностью каталитического блока. При этом теплообменник, предназначенный для охлаждения рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты, установлен вне корпуса и соединен с нагнетателем воздуха, подключенным к двигателю с внешним подводом теплоты и к воздушному патрубку в корпусе нейтрализатора.

Техническим результатом является повышение топливной экономичности двигателя внутреннего сгорания и степени очистки отработавших газов от продуктов неполного сгорания, а также улучшение использования теплоты отработавших газов.

Повышение топливной экономичности основного двигателя - двигателя внутреннего сгорания - обеспечивается за счет сокращения механических потерь на привод вспомогательных узлов и агрегатов.

Повышение степени очистки газов от продуктов неполного сгорания достигается путем подачи дополнительного воздуха через нагнетатель воздуха, подключенный к воздушному патрубку, связанному с корпусом, и к двигателю с внешним подводом теплоты через теплообменник, т.е. путем увеличения количества окислителя в зоне реакций.

Улучшение использования теплоты отработавших газов обеспечивается путем установки внутри корпуса каталитического нейтрализатора нагревателя двигателя с внешним подводом теплоты с образованием кольцевого канала с внутренней поверхностью каталитического блока и установки вне корпуса каталитического нейтрализатора теплообменника, выполняющего новую функцию - охлаждение рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты, а не утилизацию теплоты, как предусмотрено в каталитическом нейтрализаторе - прототипе. Утилизатор - двигатель с внешним подводом теплоты - предназначен для привода систем, обеспечивающих высокую степень очистки газов от продуктов неполного сгорания. Введение в устройство нагревателя двигателя с внешним подводом теплоты позволяет обеспечивать высокие температуры в зоне реакций на всех режимах работы двигателя внушенного сгорания, т.к. он раскаляется при работе под нагрузкой и увеличивает инерционность в изменении температур при переходе на малые нагрузки. Таким образом, происходит выравнивание перепада температур в зоне реакций на переходных режимах за счет теплоотдачи от нагревателя двигателя с внешним подводом теплоты и создание саморегулируемой системы каталитической очистки, когда при переобогащении смеси, подъеме температуры в зоне реакций нагреватель двигателя с внешним подводом теплоты обеспечивает путем привода нагнетателя подпитку зоны реакции воздухом. При низких температурах отработавших газов подача воздуха в зону реакций практически отсутствует.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображен продольный осевой разрез каталитического нейтрализатора с утилизацией теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.

Каталитический нейтрализатор также отработавших газов содержит корпус 1 с фланцами 2 и 3, торцевыми крышками 4 и 5, входным 7 и в выходным 6 патрубками, оснащенными фланцами 8 и 9, реактором, образованным внутренними поверхностями торцевых крышек 4 и 5 и внутренней поверхностью пористого каталитического блока окислительного типа 10, внешней поверхностью нагревателя 11 двигателя с внешним подводом теплоты. Теплообменник 12, предназначенный для охлаждения рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты, вынесен за пределы корпуса 1 и соединен с генератором 13 двигателя с внешним подводом теплоты, имеющим привод через редуктор от коленчатого вала, расположенного в картере 14. Генератор 13 связан с нагнетателем воздуха 15, с электрическим приводом, выполненным в виде вентилятора, а нагнетатель воздуха 15 - с теплообменником 12 и с воздушным патрубком 16 в корпусе 1.

Каталитический нейтрализатор содержит пористые проницаемые каталитические блоки 10, 17, 18 соответственно окислительного, окислительно-восстановительного и окислительно-фильтрующего типа. Блок 17 окислительно-восстановительного типа и блок 10 окислительного типа установлены в корпусе 1 на выступе 19 на торцевой крышке 5 и на выступе 20 на перегородке 21. В перегородке 21 выполнены окна 22 для прохода газов, соединяющие кольцевую полость 23 между пористыми каталитическими блоками 10 и 17 с полостью 24, образованной перегородкой 21, торцевой крышкой 4 и внутренней поверхностью блока 18 окислительно-фильтрующего типа. Полость 25, образованная внешней поверхностью каталитического блока 10, внутренней поверхностью корпуса 1, поверхностями перегородки 21 и торцевой крышки 5, предназначена как для тепловой изоляции, так и для приема воздуха. Двойные стенки корпуса 1 образованы непосредственно стенками корпуса 1 и поверхностью каталитических блоков 10, 18. Каталитический нейтрализатор также содержит впускную полость 26 для расширения газов.

Между поверхностью нагревателя 11 двигателя с внешним подводом теплоты, встроенного внутрь корпуса 1 через торцевую крышку 4 со стороны выходного патрубка 6, и внутренней поверхностью каталитического блока 18 образован кольцевой канал 27, а между каталитическим блоком 18 и корпусом 1 - кольцевая выпускная полость 28.

Каталитический нейтрализатор работает следующим образом. Отработавшие газы от двигателя внутреннего сгорания поступают в корпус 1 через входной патрубок 7 во впускную полость 26, проходят через стенки пористого каталитического блока 17. Температура при этом повышается приблизительно в 1,3 - 1,7 раза.

Происходят реакции окисления продуктов неполного сгорания: углеводородов, окиси углеродов и сажи, идет восстановление окислов азота. Далее газы поступают в кольцевую полость 23. Процессы окисления поддерживаются за счет высоких температур и соприкосновения газов с пористой каталитической стенкой блока 10 окислительного типа, через стенки которого в зону реакций поступает дополнительный воздух из полости 25. Через окна 22 и кольцевой канал 27 газы поступают в последующую полость 24, передают тепло нагревателю 11, и двигатель с внешним подводом теплоты начинает работать. При этом теплообменник 12 служит для охлаждения рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты. Через редуктор двигатель с внешним подводом теплоты приводит генератор 13, тот в свою очередь питает нагнетатель воздуха 15 с электрическим приводом, подающий воздух по воздушному патрубку 16 в полость 25. Через стенки каталитического блока 10 воздух направляется в зону окисления, расположенную в полости 23, а также на охлаждение теплообменника 12. По мере увеличения подачи топлива в двигателе внутреннего сгорания и обогащения смеси температура отработавших газов увеличивается, увеличивается и содержание продуктов неполного сгорания, что приводит к ситуации, когда за окислительно-восстановительным блоком 17 температура отработавших газов может подниматься до 900К и выше, что способствует интенсивному нагреву нагревателя 11 двигателя с внешним подводом теплоты, развитию последним частоты рабочих ходов, увеличению подачи воздуха, что в свою очередь способствует более глубокому окислению продуктов неполного сгорания. Затем газы направляются через стенки каталитического окислительпо-фильтрующего блока 18, где происходит доокисление продуктов неполного сгорания, поступают в выпускную полость 28 и по выходному патрубку 6 направляются в выхлопную трубу или непосредственно в атмосферу.

При переходе двигателя внутреннего сгорания на режим малых нагрузок частота рабочих ходов двигателя с внешним подводом теплоты сокращается.

Такое выполнение каталитического нейтрализатора обеспечивает улучшение топливной экономичности основного двигателя - двигателя внутреннего сгорания - за счет сокращения механических потерь на привод вспомогательных узлов и агрегатов, более глубокое использование теплоты отработавших газов и теплоты, выработанной двигателем внутреннего сгорания. Учитывая, что индикаторный КПД двигателя с внешним подводом теплоты может достигнуть 60% и более, можно с учетом КПД механических передач, электрических машин и воздушного насоса считать, что будет происходить дополнительное использование теплоты отработавших газов не менее чем на 50%.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленный нейтрализатор отработавших газов будет иметь более высокую степень очистки газов.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для очистки отработавших газов ДВС. Нейтрализатор содержит корпус с крышками, с входным и выходным патрубками, каталитическими блоками, и нагреватель двигателя с внешним подводом теплоты, который размещен в корпусе с образованием кольцевого канала с поверхностью блока. Теплообменник, предназначенный для охлаждения рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты, вынесен за пределы корпуса и соединен с нагнетателем воздуха, подключенным к двигателю с внешним подводом теплоты и к воздушному патрубку в корпусе. Изобретение позволяет повысить топливную экономичность ДВС и степень очистки отработавших газов. 1 ил.

Каталитический нейтрализатор с утилизацией теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с двойными стенками, теплоизоляцией, торцевыми крышками, входными и выходными патрубками с фланцами, воздушным патрубком, каталитическими блоками, нагнетатель воздуха, теплообменник, отличающийся тем, что он снабжен нагревателем двигателя с внешним подводом теплоты, встроенным внутрь корпуса через торцевую крышку со стороны выходного патрубка с образованием кольцевого канала с внутренней поверхностью каталитического блока, при этом теплообменник, предназначенный для охлаждения рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты, установлен вне корпуса и соединен с нагнетателем воздуха, подключенным к двигателю с внешним подводом теплоты и к воздушному патрубку в корпусе.