НЕЙТРАЛИЗАТОР Российский патент 2000 года по МПК F01N3/28 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройствам для очистки и обезвреживания выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания путем каталитического превращения токсичных компонентов выхлопа, отличающимся конструкцией каталитических реакторов.

Предшествующий уровень техники
Широко известны каталитические нейтрализаторы отработавших газов, в которых катализаторы представляют собой собственно активный каталитический слой, нанесенный на инертное тело-носитель. Наибольшее распространение получили блочные каталитические и металлические носители.

Блочные керамические носители представляют собой спеченные из тугоплавких керамических материалов компактные тела, пронизанные большим числом параллельных сквозных каналов. Блочная структура носителя существенно снижает газодинамическое сопротивление по сравнению с эквивалентным по эффективности гранулированным носителем, получившим определенное распространение в каталитических нейтрализаторах предшествующего поколения ( Жегалин О.И., Лупаев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. - Транспорт, 1985 г., с. 65).

Каталитический нейтрализатор с цилиндрическим монолитным керамическим носителем описывается, например, в патенте N 4115071, выданном в США в 1978 г. В этом нейтрализаторе предусмотрены выполненные в виде тонкостенных плоских колец фиксирующие элементы, закрепляющие носитель с катализатором в цилиндрическом кожухе в осевом направлении в связи с действием повышенных тепловых и механических нагрузок. В выданном в США патенте N 4004887 используется одно упругое фиксирующее кольцо для компенсации различий в осевом расширении керамического блока с катализатором и кожуха. Следует отметить, что физические свойства керамических материалов, а именно низкие показатели ударной вязкости и теплопроводности, значительно снижают надежность работы нейтрализатора и каталитический эффект. Поэтому более перспективными являются нейтрализаторы с металлическим носителем. Один из таких нейтрализаторов описывается в заявке N 0121174 на выдачу европейского патента. В этом нейтрализаторе носитель, или каталитический блок, изготавливается в виде цилиндрического барабана, состоящего из чередующихся навитых по спирали гладких и гофрированных тонких металлических листов, поверхность которых покрыта тонким слоем каталитически активного материала. При работе двигателя внутреннего сгорания, особенно на режимах прогрева, разгона и остановки, в каталитическом блоке возникают очень большие локальные градиенты температуры, сопровождающиеся высокими термическими напряжениями и вызывающими его преждевременные усталостные разрушения. Для устранения этого блок несколькими сквозными прорезями расчленяется в поперечном сечении на несколько секторов или сегментов.

В нейтрализаторах рассматриваемого типа, в которых каналы для подачи отработавших газов образованы намотанными по спирали гофрированной и гладкой стальными лентами, должна быть решена еще одна проблема, связанная с тем, чтобы исключить возникновение в ник так называемого "эффекта кинопленки", или " телескопического эффекта", т.е. выдавливание центральной зоны спирального блока по потоку отработавших газов. Этот эффект снижает надежность и эффективность работы нейтрализатора. Предлагаемое в заявке N 0121174 техническое решение хотя и способствует некоторому уменьшению осевой составляющей давления отработавших газов, но полностью не исключает упомянутый эффект. Кроме того, из-за наличия в блоке сквозных прорезей дополнительно снижается эффективность каталитической очистки отработавших газов в нем.

Для предотвращения "телескопического эффекта" в нейтрализаторах рассматриваемого типа более эффективным может оказаться техническое решение, предложенное в патенте N 1452982, выданном в 1976 г. в Великобритании. Каталитический блок согласно этому патенту состоит из чередующихся плоских и гофрированных лент из легированной стали, которые либо свернуты в рулон, либо сложены стопкой. Наружная кромка свернутого в рулон двухслойного листа подрезается наклонно, поэтому при продольной запрессовке в стальную гильзу рулон обжимается. Внутри гильзы каталитический блок фиксируется упругими лепестками или при помощи проволочной сетки. В известном нейтрализаторе не только уменьшается "телескопический эффект", но создаются и благоприятные газодинамические условия при движении газового потока в каналах каталитического блока, но при этом последний имеет большие габариты.

Увеличение габаритов каталитического блока имеет место и при использовании технического решения по европейской заявке N 0243952 с приоритетом от 1986 г. по заявке, поданной в Финляндии, предусматривающего крепление к концам оси, на которую навиты гладкая и гофрированная ленты, концевых опор, препятствующих смещению лент относительно друг друга, но вызывающих при этом уменьшение поперечного проходного сечения для газового потока.

Использование каталитических блоков с увеличенными габаритами не всегда возможно по условиям их размещения, например в нейтрализаторах, совмещенных с малогабаритными глушителями отработавших газов и предназначенных, в частности, для мопедов, мотоциклов, сельскохозяйственной мини-техники.

Для уменьшения габаритов каталитического блока с обеспечением необходимой его жесткости в техническом решении, с приоритетом от 1987 г., запатентованном во многих странах (например, патенты Финляндии N 78161, Франции N 2623244, СССР N 1837962) предложено после формирования спирального блока из гофрированной и плоской лент пропускать через него по меньшей мере один суппорт либо путем продавливания его через блок, или путем просверливания отверстия для впрессовывания в него суппорта. Продавливание суппорта через блок или впрессовывание его в просверленное в блоке отверстие предотвращает размотку лент блока и трение их друг о друга, но нетехнологично при изготовлении, при этом возможны деформации лент, частичное разрушение их каталитического покрытия и неизбежное в связи с этим снижение эффективности работы нейтрализатора. Использование суппорта, продавливаемого через все поперечное сечение блока, обуславливает и повышенные термические деформации блока при работе нейтрализатора вследствие повышенного нагрева участков суппорта в центральной зоне поперечного сечения блока по сравнению с его периферийными участками.

Разновидностями рассматриваемого технического решения можно считать технические решения, содержащиеся в патенте ФРГ N2438092, патенте N 4795616, выданном в США, и др. Использование при этом в качестве суппортов тонких штифтов не обеспечивает требуемого эффекта по повышению жесткости блока, а использование суппортов сложной формы усложняет конструкцию и обуславливает повышение аэродинамического сопротивления потоку газа.

Еще одно известное техническое решение по заявке N 4112354, поданной в 1991 г. в Германии, состоит в том, что для повышения жесткости каталитического блока, содержащего пакет гладких и гофрированных листов, каждый гладкий и гофрированный лист имеет удлиненный гладкий конец, который огибает цилиндрический блок, создавая жесткую оболочку. После установки пакета листов в корпусе и оболочке просверливаются отверстия, которые завариваются, соединяя корпус с наружными слоями блока. Недостатком известного нейрализатора является усложнение его конструкции и увеличение трудоемкости изготовления.

Среди известных технических решений, направленных на устранение "телескопического эффекта" в каталитических блоках нейтрализаторов, часто этот эффект пытаются устранить тем или иным креплением блока в корпусе нейтрализатора со стороны торцов с помощью одной или нескольких фиксирующих перемычек, круглого или некруглого поперечного сечения, расположенных со стороны одного или обоих торцов каталитического блока (см. авт. свид. СССР N 1657684, патент Великобритании N 1591191, заявка N 0558064 на выдачу европейского патента и др. ). Однако использование этих технических решений, особенно тех из них, в которых крепление перемычек с корпусом осуществлено по его образующим, связано с увеличением габаритов нейтрализатора, усложнением его конструкции, увеличением аэродинамического сопротивления движению потока отработавших газов и уменьшением эффективности работы.

Те же недостатки присущи группе нейтрализаторов, созданных японскими авторами и реализованных в соответствии с патентами NN 5130100, 5163291 и др., выданными в 1992 г. в США. Каталитический блок этих нейтрализаторов выполнен в виде установленных в наружном цилиндрическом кожухе один внутри другого двух рулонов, свернутых из гладкой и гофрированной лент. Между этими рулонами размещен металлический цилиндр с толщиной стенок такой же, как у наружного кожуха, или цилиндр, выполненный из металлической сетки. Для дополнительного повышения жесткости каталитического блока и исключения выпадения в осевом направлении внутренней его части в этих нейтрализаторах предусмотрены также фиксирующие ребра, размещенные со стороны торцов блока. В известных нейтрализаторах весьма существенно снижаются величина рабочей поверхности блока, покрытой катализатором и, как следствие этого, эффективность их работы.

Известно также опубликованное 27.09.98 г. техническое решение по патенту N 2119585, 6 МПК F 01 N 3/28, выданному в Российской Федерации, в котором описан нейтрализатор, содержащий корпус с каталитическим блоком, ленты которого размещены от оси к периферии корпуса и зафиксированы в нем по меньшей мере одним штырем, ось которого смещена относительно оси корпуса. Ленты навиты вокруг стержня, зафиксированного перемычкой. Корпус выходит наружу относительно одного из торцов блока и образует зону, в которой размещена перемычка. Средняя часть перемычки прикреплена к стержню, ось которого смещена относительно оси корпуса и контактирует с торцевой поверхностью каталитического блока, а к корпусу перемычка прикреплена по его образующим своими отогнутыми концами.

Недостатком известного нейтрализатора является то, что из-за смещения одного или нескольких осей штырей относительно оси корпуса имеют место неравномерное распределение по сечению каталитического блока механических и термических нагрузок и повышенные деформации лент и отслоения покрытия, а также нарушение организации движения газового потока в нем и повышение сопротивления этому движению. Следствием этого является снижение надежности и эффективности работы нейтрализатора.

Кроме того, известный нейтрализатор имеет увеличенные габариты и более сложную конструкцию и технологию изготовления, а при сохранении габаритов уменьшаются его полезная рабочая поверхность и, как следствие этого, эффективность очистки отработавших газов. Эффективность работы нейтрализатора уменьшается также из-за дополнительного нарушения организации движения газового потока в нем в связи со смещением осей корпуса и стержня.

Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание нейтрализатора отработавших газов для двигателя внутреннего сгорания, имеющего повышенную надежность работы и эффективность очистки газов при малых его габаритах, простоте конструкции и малой трудоемкости изготовления.

Поставленная задача решается тем, что в нейтрализаторе, содержащем корпус, внутри которого установлен каталитический блок с продольными каналами, образованными гофрированной и гладкой лентами, начальные концы которых приварены друг к другу и к стержню, вокруг которого ленты по спирали намотаны, ленты зафиксированы в корпусе штырем, который размещен с зазором между его внутренним концом и стержнем, стержень размещен по оси корпуса, а внутренний конец штыря направлен в ось.

Предпочтительно, чтобы в нейтрализаторе с размещенным по оси стержнем была соединена перемычка, прикрепленная к торцу корпуса.

Предпочтительно также, чтобы крепление перемычки осуществлялось по плоским поверхностям.

Желательно, чтобы поверхности крепления перемычки к корпусу были бы по существу перпендикулярны поверхности крепления перемычки к стержню.

Каталитический блок по существу совпадает по размеру с корпусом.

В нейтрализаторе, выполненном в соответствии с настоящим изобретением, удается существенно уменьшить деформации лент каталитического блока под действием механических и термических нагрузок и отслоение покрытия, исключить "телескопический эффект" в каталитическом блоке, уменьшить сопротивление движению газового потока в нем и, как следствие, значительно повысить эффективность очистки отработавших газов в нейтрализаторе. Достигается это при одновременном упрощении его конструкции и технологии изготовления.

Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - продольный разрез нейтрализатора;
на фиг. 2 - разрез А-А фиг.1;
на фиг. З - вид Б фиг. 1;
на фиг. 4 показана установка нейтрализатора внутри глушителя выхлопа.

Лучший вариант осуществления изобретения
Нейтрализатор, изображенный на фиг.1, содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого плотно установлен каталитический блок 2 с продольными каналами, образованными внутренней гофрированной стальной лентой 3 и внешней гладкой стальной лентой 4. Поверхности лент покрыты слоем подложки с пористой структурой, на которую наносится катализатор, например платина. Начальные концы гофрированной 3 и гладкой 4 лент контактной сваркой приварены друг к другу и центральному стержню 5, вокруг которого ленты 3 и 4 по спирали намотаны. Ленты 3 и 4 размещены от оси 6 корпуса к его периферии и зафиксированы в нем штырями круглого поперечного сечения, в описываемом примере - двумя парами штырей 8 и 9, 10 и 11. Внутренний конец 12 каждого штыря направлен в ось 6 (фиг. 2). Штыри 8 и 9 одной пары и 10 и 11 другой пары соосны друг другу и размещены с зазором между их внутренними концами 12 и стержнем 5. Периферийные концы 13 штырей жестко, например посредством сварки, соединены с корпусом 1.

Благодаря такому выполнению нейтрализатора в нем обеспечена достаточная сопротивляемость каталитического блока осевому перемещению относительно корпуса под давлением потока отработавших газов, уменьшение по абсолютной величине и более равномерное распределение по сечению каталитического блока механических и термических нагрузок, пониженные деформации и отсутствие отслоения покрытия лент, а также уменьшение аэродинамического сопротивления движению потока. Следствием этого является повышение надежности и эффективности работы нейтрализатора при малых его габаритах, простоте конструкции и ее технологичности.

Стержень 5 размещен по оси 6 корпуса, и с ним соединена, например, сваркой перемычка 14, прикрепленная к торцу 15 корпуса 1 (фиг. 3). Благодаря такому выполнению сопротивляемость каталитического блока осевому перемещению относительно корпуса дополнительно повышается без увеличения габаритов нейтрализатора.

Крепление перемычки 14 со стержнем 5 и с торцом 15 корпуса 1 осуществлено по плоским поверхностям 16, 17 и 18, что увеличивает площадь контакта перемычки со стержнем и торцом корпуса, повышает жесткость и прочность конструкции и, как следствие, надежность и эффективность работы нейтрализатора в целом.

Этому же способствует выполнение поверхностей 17 и 18 крепления, перемычки к корпусу по существу перпендикулярно поверхности 16 крепления перемычки к стержню.

Каталитический блок 2 по существу совпадает с размером корпуса 1, что обеспечивает нейтрализатору минимальные габариты. Он размещен внутри глушителя выхлопа 19, будучи жестко связанным посредством сварки с его трубой 20.

Нейтрализатор работает следующим образом. Отработавшие газы поступают в каталитический блок 2 и, пройдя через продольные каналы, образованные лентами 3 и 4, выходят в атмосферу. В этих каналах в присутствии катализатора, например платины, происходит беспламенное окисление продуктов неполного сгорания топлива, в частности окиси углерода и углеводородов. Продольные каналы блока 2 создают аэродинамическое сопротивление движению отработавших газов, вследствие чего возникает усилие, стремящееся переместить (вытолкнуть) блок 2 наружу из жестко установленного в выхлопной системе двигателя корпуса 1. Этому препятствуют штыри 8,9,10 и 11. Благодаря принятому расположению штырей достигается чрезвычайно высокая сопротивляемость блока 2 осевому перемещению относительно корпуса, уменьшаются термические и механические нагрузки на элементы блока, и эти нагрузки более равномерно распределяются по сечению блока. В результате уменьшаются деформации элементов каталитического блока, повышается надежность и эффективность работы нейтрализатора в целом.

Наличие перемычки и принятое ее крепление к стержню и торцу корпуса дополнительно повышают надежность и эффективность работы нейтрализатора. При этом увеличение надежности работы нейтрализатора и эффективности очистки в нем отработавших газов достигается при малых его габаритах, простоте конструкции и малой трудоемкости изготовления.

Промышленная применимость
Нейтрализатор согласно данному изобретению может быть использован для очистки отработавших газов в мопедах и мотоциклах, предпочтительно с двухтактными двигателями внутреннего сгорания. Возможно его использование также в сельскохозяйственных машинах и орудиях с двухтактными двигателями.

Изобретение относится к устройствам для очистки и обезвреживания выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания путем каталитического превращения токсичных компонентов выхлопа, отличающимся конструкцией каталитических реакторов. Оно позволяет повысить надежность и эффективность работы нейтрализатора при малых его габаритах, простоте конструкции и малой трудоемкости изготовления. Нейтрализатор содержит корпус с каталитическим блоком. Продольные каналы блока образованы гофрированной и гладкой лентами, начальные концы которых приварены друг к другу и к стержню. Ленты намотаны по спирали вокруг стержня, размещенного по оси корпуса, и зафиксированы в корпусе штырем. Внутренний конец штыря направлен в ось. Со стержнем соединена перемычка, прикрепленная к торцу корпуса. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Нейтрализатор, содержащий корпус, внутри которого установлен каталитический блок с продольными каналами, образованными гофрированной и гладкой лентами, начальные концы которых приварены друг к другу и к стержню, вокруг которого ленты спирали намотаны, ленты зафиксированы в корпусе штырем, который размещен с зазором между его внутренним концом и стержнем, отличающийся тем, что стержень размещен по оси корпуса, а внутренний конец штыря направлен в ось. 2. Нейтрализатор по п.1, отличающийся тем, что с размещенным по оси стержнем соединена перемычка, прикрепленная к торцу корпуса. 3. Нейтрализатор по п.2, отличающийся тем, что крепление перемычки осуществлено по плоским поверхностям. 4. Нейтрализатор по п. 3, отличающийся тем, что поверхности крепления перемычки к корпусу, по существу, перпендикулярны поверхности крепления перемычки к стержню. 5. Нейтрализатор по п.4, отличающийся тем, что каталитический блок по существу совпадают по размеру с корпусом.