КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НЕЙТРАЛИЗАТОР ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЯ Российский патент 2002 года по МПК F01N3/02 

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

Известен термический нейтрализатор ОГ дизеля (патент РФ 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 (NO_x, CO, С_xН_y).

Прототипом предлагаемого устройства является нейтрализатор ОГ (патент РФ 2105165), содержащий корпус с размещенным в нем слоем катализатора, ограниченного входной и выходной решетками, одна из которых установлена с возможностью перемещения, за слоем катализатора установлен компенсирующий элемент, входной патрубок, съемный сажевый фильтр, установленный с натягом во входном патрубке корпуса и состоящий из металлической шайбы с закрепленными на ней металлической сеткой и проволочной канителью. Подвижная решетка поджата проставочным кольцом. Изменяя ширину кольца можно изменить толщину слоя катализатора. На проставочное кольцо оказывает давление компенсирующий элемент, состоящий из металлической шайбы и изогнутых биметаллических пластин, прикрепленных к ней с помощью заклепочных соединений. Компенсирующий элемент позволяет осуществлять постоянное поджатие слоя катализатора в нейтрализаторе ОГ за счет того, что биметаллические пластины, помещенные с натягом в корпус нейтрализатора, дополнительно деформируясь (выпрямляясь) под действием температуры, обеспечивают перемещение гранул нейтрализатора, не давая образовываться свободному пространству (зазорам) между корпусом нейтрализатора и засыпанным катализатором и гарантируя плотную упаковку гранул при работе нейтрализатора, чтобы не допустить прохода через нейтрализатор неочищенных ОГ. Компенсирующий элемент упирается пластинами в плоскую торцевую стенку, которая притянута к корпусу болтами. Герметизация съемной торцевой стенки и корпуса осуществляется прокладкой из негорючего материала.

Недостатками этого нейтрализатора являются низкая эффективность сажевого фильтра, отсутствие дополнительного подогрева ОГ, потери тепла из реактора через стенки корпуса, отсутствие конфузора, равномерно распределяющего ОГ по всему слою катализатора. Технической задачей изобретения является повышение эффективности работы нейтрализатора при работе двигателя на режимах частичных нагрузок и холостого хода, когда температура ОГ невысока; обеспечение эффективной очистки ОГ от сажевых частиц.

Эта задача решается в нейтрализаторе ОГ дизеля, содержащем корпус с размещенным в нем слоем катализатора, за которым установлен компенсирующий элемент, слой катализатора ограничен входной и выходной решетками, одна из которых установлена с возможностью перемещения, согласно изобретению, корпус имеет двойные стенки, со слоем теплоизолятора между ними, съемную часть корпуса, соединенную непосредственно с выпускным патрубком системы выпуска двигателя и имеющую форму усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения отработавших газов и образующего диффузор, внутри которого установлен конус и направляющий аппарат лопаточного типа, обеспечивающий закручивание потока отработавших газов по спирали, при этом конечная часть корпуса нейтрализатора имеет форму усеченного конуса, сужающегося в направлении движения отработавших газов и образует конфузор, между направляющим аппаратом лопаточного типа и болтовым соединением диффузора с основной частью корпуса установлен цилиндрический экран с шероховатой поверхностью для улавливания сажевых частиц из потока отработавших газов, закручиваемого направляющим аппаратом лопаточного типа, а в пространстве между цилиндрическим экраном и стенками корпуса в нарезанных канавках уложена электрическая нагреваемая спираль, изолированная от экрана и стенок корпуса. Кроме того, задача достигается тем, что слой теплоизолятора выполнен из минеральной ваты, а цилиндрический экран выполнен из легко нагреваемого материала, например кордиерита.

В отличие от прототипа, корпус нейтрализатора имеет двойные стенки со слоем теплоизолятора между ними, съемная часть корпуса, присоединяемая непосредственно к выпускному патрубку системы выпуска двигателя, имеет форму усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения ОГ и выполняет роль диффузора, обеспечивая плавное расширение потока ОГ и, таким образом, минимальное газодинамическое сопротивление протеканию ОГ, часть корпуса в конце нейтрализатора имеет форму усеченного конуса, сужающегося в направлении движения ОГ и выполняет роль конфузора; внутри диффузора установлен конус и направляющий аппарат в виде лопаток, закручивающих поток ОГ по спирали. Далее за ними установлен цилиндрический экран из легко нагреваемого материала с шероховатой поверхностью, поры которой являются сажеуловителями. В пространстве между цилиндрическим экраном и стенками корпуса в нарезанные канавки уложена электрическая нагреваемая спираль, изолированная от экрана и стенок корпуса. Электрическая спираль связана с блоком управления и датчиком температуры ОГ, а слой теплоизолятора выполнен, например, из минеральной ваты, с целью очистки ОГ от сажевых частиц в конструкцию каталитического нейтрализатора включен термический сажевый фильтр в виде нагреваемой электрическим током нихромовой спирали и цилиндрического экрана; для усиления действия термического фильтра цилиндрические стенки корпуса нейтрализатора выполнены двойными, в зазоре между которыми размещен слой теплоизолятора, для обеспечения теплоизоляции реакционного объема с целью уменьшения потерь тепла; конусовидные диффузор и конфузор на входе и на выходе из данного устройства соответственно и конус внутри диффузора обеспечивают наименьшие газодинамические потери при прохождении ОГ по внутреннему пространству нейтрализатора.

Техническое решение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен общий вид нейтрализатора ОГ дизеля в разрезе.

На фиг.2 изображено сечение нейтрализатора ОГ по плоскости направляющего аппарата.

На фиг.3 изображено сечение нейтрализатора ОГ по плоскости компенсирующего элемента.

Нейтрализатор ОГ дизеля содержит цилиндрический корпус с внешними 1 и внутренними 2 стенками со слоем теплоизолятора (например, минеральной ваты) 3 между ними, диффузор 4, с установленным в нем конусом 5 и следом за ним направляющим аппаратом лопаточного типа 6, термостойкое электроизоляционное (например, из паронита) кольцо 7, нихромовую спираль 8, уложенную в нарезанные канавки, соединенную с электронным блоком управления (БУ) 9 с помощью электрических проводов 10, цилиндрического экрана из легко нагреваемого материала (например, кордиерита) 11, имеющего шероховатую (пористую) поверхность для улавливания сажевых частиц из ОГ, входной 12 и выходной 13 металлических решеток, ограничивающих объем засыпки 14 гранул катализатора, компенсирующего элемента 15 из четырех упругих биметаллических пластин. Диффузор 4 имеет форму усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения ОГ и соединяется с остальной частью корпуса болтовыми соединениями, состоящими из болтов 16, гаек 17, шайб 18 и керамических втулок 19 для предотвращения термического воздействия на резьбу болтов 16. Конечная часть корпуса нейтрализатора имеет форму усеченного конуса, сужающегося в направлении движения ОГ (конфузор) 20.

Устройство работает следующим образом: при работе двигателя ОГ по выпускной системе поступают в диффузор 4 нейтрализатора, благодаря конусообразной форме которого и конусу 5, установленному внутри, обеспечивающего плавное расширение потока ОГ и, вследствие этого, создающего минимальное газодинамическое сопротивление потоку ОГ. Поток газов попадает на направляющий аппарат лопаточного типа 6 и, приобретая вращательное движение, отбрасывается на шероховатую поверхность цилиндрического экрана 11, нагреваемого электрической спиралью 8, где сажевые частицы ОГ задерживаются. При контакте с поверхностью цилиндрического экрана, нагреваемой электрической спиралью 8, позволяющей повысить температуру ОГ в реакционном объеме нейтрализатора при работе дизеля с малыми нагрузками и на холостом ходу, благодаря периодическим включениям ее с помощью блока управления 9, расположенного в кабине транспортного средства, несгоревшие частицы сажи практически полностью выгорают. Очищенные от сажи ОГ проникают сквозь входную металлическую решетку 12 в объем засыпки 14 гранулированного катализатора, в котором вследствие химических реакций окисления происходит превращение продуктов неполного сгорания, содержащихся в ОГ, а именно NO_x, CO и С_xН_y, до конечных безопасных по токсичности компонентов (CO₂, Н₂O). Очищенные ОГ направляются сквозь выходную решетку 13 в конфузор 20 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 засыпки 14 катализатора увеличивается, заставляя выходную решетку 13 смещаться в направлении движения ОГ. При этом биметаллические пластины компенсирующего элемента 15, реагируя на повышения температуры, прогибаются таким образом, что не допускают появления свободного объема в зоне засыпки нейтрализатора при расширении корпуса нейтрализатора и, одновременно не позволяя выходной решетке 13 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 4 и конфузора 20, а также конуса 5, установленного внутри диффузора 4; очищать ОГ дизеля от сажи, вследствие применения встроенного термического сажевого фильтра и направляющего аппарата лопаточного типа 6, на всех режимах работы двигателя, благодаря применению блока управления 9, включающего электрический нагрев спирали 8 фильтра при работе дизеля на малых нагрузках и холостом ходу, при этом максимально снизив потери теплоты во внешнюю среду из-за двойных стенок 1 и 2 корпуса нейтрализатора и теплоизоляционного слоя 3 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 наружную поверхность гранул катализатора.

Задача изобретения - 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 цилиндрического нагреваемого экрана, снижение газодинамического сопротивления прохождению ОГ через нейтрализатор благодаря конусообразным диффузору и конфузору. Нейтрализатор содержит цилиндрический корпус с внешними и внутренними стенками со слоем теплоизолятора между ними, диффузор с установленным в нем конусом и следом за ним направляющим аппаратом лопаточного типа, электроизоляционное кольцо, нихромовую спираль, уложенную в нарезанные канавки и соединенную с электронным блоком управления (БУ) с помощью электрических проводов, цилиндрический экран из легко нагреваемого материала, имеющий шероховатую поверхность для улавливания сажевых частиц из ОГ, входной и выходной металлических решеток, ограничивающих объем засыпки гранул катализатора, компенсирующий элемент. Диффузор соединяется с остальной частью корпуса болтовыми соединениями. Часть корпуса в конце нейтрализатора имеет форму усеченного конуса, сужающегося в направлении движения ОГ (конфузор). 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Нейтрализатор отработавших газов дизеля, содержащий корпус с размещенным в нем слоем катализатора, за которым установлен компенсирующий элемент, слой катализатора ограничен входной и выходной решетками, одна из которых установлена с возможностью перемещения, отличающийся тем, что корпус имеет двойные стенки со слоем теплоизолятора между ними, съемную часть корпуса, соединенную непосредственно с выпускным патрубком системы выпуска двигателя и имеющую форму усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения отработавших газов и образующего диффузор, внутри которого установлены конус и направляющий аппарат лопаточного типа, обеспечивающий закручивание потока отработавших газов по спирали, при этом конечная часть корпуса нейтрализатора имеет форму усеченного конуса, сужающегося в направлении движения отработавших газов и образующего конфузор, при этом между направляющим аппаратом лопаточного типа и болтовым соединением диффузора с основной частью корпуса установлен цилиндрический экран с шероховатой поверхностью для улавливания сажевых частиц из потока отработавших газов, закручиваемого направляющим аппаратом, а в пространстве между цилиндрическим экраном и стенками корпуса в нарезанных канавках уложена электрическая нагреваемая спираль, изолированная от экрана и стенок корпуса. 2. Нейтрализатор отработавших газов по п. 1, отличающийся тем, что слой теплоизолятора выполнен из минеральной ваты. 3. Нейтрализатор отработавших газов по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрический экран выполнен из легко нагреваемого материала, например кордиерита.