НЕЙТРАЛИЗАТОР ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЯ Российский патент 2001 года по МПК F01N3/02 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройствам снижения токсичности отработавших газов (ОГ) дизелей.

Известен термический нейтрализатор ОГ дизеля (патент РФ N 2119065), содержащий цилиндрический корпус с двойными (внешней и внутренней) стенками и теплоизоляцией между ними, тангенциально установленный входной патрубок, выходной патрубок, циклон из жаростойкой стали, электрическую спираль, уложенную в диэлектрике, который установлен на опоре, экран для защиты электрической спирали от сажевых частиц. Нижняя часть корпуса выполнена съемной и загерметизирована с корпусом посредством прокладки из негорючего материала. Спираль связана с блоком управления и датчиком температуры ОГ.

Устройство позволяет снизить тепловые потери в нейтрализаторе благодаря установке циклона с теплоизолирующими зазорами, повысить эффективность работы электрической спирали за счет блока управления и датчика температуры ОГ, производить очистку нейтрализатора от сажи благодаря имеющейся съемной части.

Недостатками этого устройства является нерациональная траектория движения потока ОГ в реакционной камере (поворот потока на 180^o, что вызывает значительное газодинамическое сопротивление), и отсутствие катализатора для более эффективной очистки ОГ от продуктов неполного сгорания (CO, С_xH_y, NO_x).

Прототипом предлагаемого устройства является нейтрализатор ОГ (европейский патент ЕР N 0233860, кл. F 01 N 3/02, опубл. 1987), содержащий корпус с размещенным в нем слоем катализатора, причем корпус имеет двойные стенки со слоем теплоизолятора (минеральная вата) между ними, часть корпуса, соединенная непосредственно с выпускным патрубком системы выпуска дизеля, имеет форму усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения ОГ и образует диффузор, при этом часть корпуса в конце устройства имеет форму усеченного конуса, сужающегося в направлении движения ОГ и образует конфузор. В средней части корпуса установлена электрическая спираль, связанная с блоком управления и датчиком температуры ОГ. Слой катализатора нанесен на поверхность металлических нитей или проволочных элементов, которые совместно с междоузлиями образуют тело фильтра. Катализаторный материал основан на металлах платиновой группы. Электрическая спираль находится в электропатроне, состоящем из чехла и защитного слоя.

Недостатками этого устройства являются дожигание сажевых частиц непосредственно на металлических нитях с нанесенным слоем катализатора, который быстро выходит из строя при забивании сажевыми частицами его пор, значительное местное газодинамическое сопротивление, создаваемое электропатроном, невозможность разборки устройства и соответственно периодической замены каталитических элементов фильтра и регулирования длины слоя катализатора.

Технической задачей изобретения является: снижение газодинамического сопротивления конструкции; уменьшение тепловых потерь из зоны реактора; обеспечение эффективной очистки ОГ от сажевых частиц до вхождения потока ОГ в слой засыпки катализатора; обеспечение возможности периодической замены катализатора.

Эта задача решается в нейтрализаторе отработавших газов дизеля, содержащем корпус с размещенным в нем слоем катализатора, причем корпус имеет двойные стенки со слоем теплоизолятора (минеральная вата) между ними, часть корпуса, соединенная непосредственно с выпускным патрубком системы выпуска двигателя, имеет форму усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения отработавших газов, и образует диффузор, при этом часть корпуса в конце нейтрализатора имеет форму усеченного конуса, сужающегося в направлении движения отработавших газов, и образует конфузор, внутри корпуса установлена электрическая спираль, связанная с блоком управления и датчиком температуры ОГ, корпус выполнен разъемным, электрическая спираль расположена в месте болтового соединения диффузора с основной частью корпуса в плоскости, перпендикулярной направлению движения потока ОГ, слой катализатора ограничен входной и выходной решетками, одна из которых установлена с возможностью перемещения, за слоем катализатора установлен компенсирующий элемент, а между спиралью и слоем катализатора установлен блок концентрических теплоотражающих экранов.

Оригинальность изобретения заключается в том, что корпус выполнен разъемным, что позволяет производить замену вышедшего из строя катализатора новым слоем катализатора, электрическая спираль расположена в месте болтового соединения диффузора с основной частью корпуса, что обеспечивает дожигание сажевых частиц до их попадания в слой катализатора и соответственно забивания его химически активной поверхности в плоскости, перпендикулярной направлению движения потока ОГ, обеспечивая тем самым равномерность нагрева по всему поперечному сечению реакционной камеры нейтрализатора, слой катализатора ограничен входной и выходной решетками, причем входная решетка установлена с возможностью перемещения, за слоем катализатора установлен компенсирующий элемент, что обеспечивает возможность изменения длины слоя катализатора в зависимости от характеристик двигателя, а между спиралью и слоем катализатора установлен блок концентрических теплоотражающих экранов, которые обеспечивают тепловое экранирование и препятствуют отводу тепла из зоны реакционной камеры нейтрализатора.

Техническое решение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен общий вид нейтрализатора ОГ дизеля в разрезе; на фиг. 2 - сечение нейтрализатора по плоскости электрической спирали; на фиг. 3 - сечение нейтрализатора по плоскости блока концентрических экранов; на фиг. 4 - разрез нейтрализатора по плоскости компенсирующего элемента.

Нейтрализатор ОГ дизеля содержит цилиндрический корпус с внешними 1 и внутренними 2 стенками со слоем теплоизоляции (например, минеральной ваты) 3 между ними, часть корпуса, соединенная непосредственно с выпускным патрубком системы выпуска двигателя, имеет форму усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения отработавших газов и образует диффузор 4, кроме того, нейтрализатор имеет кольцо 5 с установленной в нем электрической спиралью 6 (например, из нихрома), расположенной в месте болтового соединения диффузора 4 с основной частью корпуса в плоскости, перпендикулярной направлению движения потока ОГ, электрическая спираль соединена с электронным блоком управления 7 с помощью электрических проводов 8. Между электрической спиралью 6 и слоем катализатора 12 расположен блок концентрических теплоотражающих экранов 9 (например, из металлической стальной ленты или фольги). Слой катализатора 12 ограничен входной и выходной решетками 10 и 11, ограничивающими слой катализатора 12, состоящий из засыпки гранул (например, сферической или цилиндрической формы). За слоем 12 расположен компенсирующий элемент 13 из четырех упругих биметаллических пластин. В месте болтового соединения диффузора 4 с корпусом установлены электроизоляционные (например, из паронита) кольца 14, обеспечивающие электрическую изоляцию конструкции нейтрализатора. Диффузор 4 соединяется с остальной частью корпуса болтовыми соединениями, состоящими из болтов 15, гаек 16, шайб 17 и керамических втулок 18. Часть корпуса в конце нейтрализатора имеет форму усеченного конуса, сужающегося в направлении движения ОГ и образует конфузор.

Устройство работает следующим образом. При работе двигателя ОГ по выпускной системе поступают в диффузор 4 нейтрализатора, в котором распределяются по всему пространству реакционной камеры благодаря его конусообразной конструкции, обеспечивающей плавное расширение потока и, вследствие этого, создающей минимальное газодинамическое сопротивление потоку ОГ. Поток газов проходит сквозь электрическую спираль 6 перпендикулярно плоскости, в которой спираль расположена. Электрическая спираль позволяет повысить температуру ОГ в реакционном объеме нейтрализатора, способствуя тем самым дожиганию сажевых частиц, присутствующих в ОГ дизеля, при работе дизеля с малой нагрузкой и на холостом ходу, благодаря периодическим включениям ее с помощью блока управления 9, расположенного в кабине транспортного средства. Нагретый поток ОГ проходит в пространство между концентрическими замкнутыми экранами из термостойкой металлической ленты (фольги) блока 9, которые обеспечивают тепловое экранирование, благодаря эффекту отражения потока тепла газов от нагретых стенок ленты, и затрудненной теплопередаче через воздушные зазоры между стенками экранов блока 9. При контакте с нагретыми стенками этих теплоотражающих экранов несгоревшие частицы сажи практически полностью выгорают. Очищенные от сажи ОГ проникают сквозь ограничительную входную решетку 10 в слой 12 засыпки гранулированного катализатора, в котором вследствие химических реакций окисления происходит превращение продуктов неполного сгорания, содержащихся в ОГ, а именно CO, C_xH_y, NO_x до конечных безопасных по токсичности компонентов (CO₂, H₂O, N₂). Очищенные ОГ направляются сквозь выходную решетку 11 в конфузор корпуса, благодаря конусообразной форме которого газы, встречая лишь незначительное газодинамическое сопротивление, выходят из нейтрализатора в атмосферу.

В результате теплового расширения под воздействием высоких температур ОГ в реакционной камере нейтрализатора, объем гранул слоя катализатора 12 увеличивается, заставляя выходную решетку 11 смещаться в направлении движения потока ОГ. При этом компенсирующий элемент 13, выполненный из биметаллических пластин, благодаря своей упругости, реагируя на повышения температуры, прогибается таким образом, что не допускает появления свободного объема в зоне слоя катализатора 12 при расширении корпуса нейтрализатора и одновременно не позволяя выходной решетке 11 чрезмерно сжать гранулы во избежание их спекания и покола.

Использование изобретения позволит существенно снизить потери мощности на преодоление газодинамического сопротивления ОГ при их прохождении через нейтрализатор, вследствие применения конусообразных диффузора и конфузора; очищать ОГ дизеля от сажи, вследствие применения встроенного термического сажевого фильтра, на всех режимах работы двигателя, благодаря применению блока управления, включающего электрический нагрев спирали фильтра при работе дизеля на малых нагрузках и холостом ходу, при этом максимально снизив потери теплоты во внешнюю среду из-за двойных стенок корпуса нейтрализатора и теплоизоляционного слоя между ними. Использование сажевого фильтра позволит добиться увеличения срока эффективной работы катализатора, который не может эффективно работать при осаждении несгоревших сажевых частиц на гранулах, выводящих из строя химически активную поверхность гранул катализатора. Использование блока концентрических теплоотражающих экранов в виде замкнутых листов из термостойкой металлической ленты (фольги), обеспечит тепловое экранирование, благодаря эффекту отражения потока тепла газов от стенок ленты и затрудненной теплопередаче через воздушные зазоры между стенками экранов, и соответственно снижение тепловых потерь из реактора нейтрализатора.

Технический результат: совершенствование очистки отработавших газов (ОГ) дизеля от сажевых частиц путем дожигания их с помощью электронагреваемого сажевого фильтра, уменьшение теплопотерь в реакционной камере нейтрализатора с помощью двойных стенок корпуса и блока концентрических теплоотражающих экранов, снижение газодинамического сопротивления прохождению ОГ через нейтрализатор благодаря конусообразным конфузору и диффузору. Нейтрализатор содержит цилиндрический корпус с внешними и внутренними стенками со слоем теплоизоляции между ними, диффузор, кольцо с установленной в нем нихромовой спиралью, электрически соединенной с электронным блоком управления, блок концентрических экранов, металлические решетки, ограничивающие объем засыпки гранул катализатора, компенсирующий элемент. Диффузор соединен с основной частью корпуса болтовыми соединениями. Часть корпуса в конце нейтрализатора имеет форму усеченного конуса, сужающегося в направлении движения ОГ. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Нейтрализатор отработавших газов дизеля, содержащий корпус с размещенным в нем слоем катализатора, причем корпус имеет двойные стенки со слоем теплоизолятора между ними, часть корпуса, соединенная непосредственно с выпускным патрубком системы выпуска двигателя, имеет форму усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения отработавших газов, а часть корпуса в конце нейтрализатора имеет форму усеченного конуса, сужающегося в направлении движения отработавших газов, и электрическую спираль, связанную с блоком управления и датчиком температуры отработавших газов, отличающийся тем, что корпус выполнен разъемным, электрическая спираль расположена в месте болтового соединения диффузора с основной частью корпуса, слой катализатора ограничен входной и выходной решетками, причем одна из решеток установлена с возможностью перемещения, за слоем катализатора установлен компенсирующий элемент, а между спиралью и слоем катализатора установлен блок концентрических теплоотражающих экранов. 2. Нейтрализатор по п.1, отличающийся тем, что блок концентрических экранов выполнен из стальной ленты, например фольги.