КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НЕЙТРАЛИЗАТОР С УТИЛИЗАЦИЕЙ ТЕПЛА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F01N3/28 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, например дизелей автобусов большой пассажировместимости, сельскохозяйственных тракторов 4,5 тяговых классов, грузовиков большой грузоподъемности, танкетов геологов, тепловозов, для обогрева салонов, термокузовов, мини-ТЭЦ и т.д.

Известен каталитический нейтрализатор, содержащий корпус с торцевой крышкой, входным н выходным патрубками, тепловой изоляцией, реакционной камерой, каналом для подвода газов. Внутри реактора коаксиально установлены с образованием полости между ними последовательно расположены пористые металлокерамические окислительно-разделительные каталитические блоки и последовательно расположенные пористый металлокерамический сажевый блок, пористый металлокерамический восстановительный каталитический блок. Канал для подвода газа разделен на полости, одна из которых предназначена для подачи окислителя в зону окисления между внутренней поверхностью окислительно-разделительного каталитического блока и внешней поверхностью сажевого блока, а другая - для подачи вспомогательного газа в зону восстановления между внутренней поверхностью окислительно-разделительного каталитического блока и внешней поверхностью восстановительного каталитического блока (см. патент RU 2115002, МПК⁶ F 01 N 3/28).

Основным недостатком каталитического нейтрализатора является низкий срок службы, так как в результате реакции окисления очищенные отработавшие газы имеют на выходе из нейтрализатора температуру выше, чем на входе (верхний предел температур может достигать 1373 К), выбрасываются в атмосферу с высокими температурами, что означает выброс свободной энергии и разрушение пористых металлокерамических каталитических фильтров. Срок службы нейтрализатора дополнительно снижается вследствие спекания и слипания блоков при высоких температурах.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является каталитический нейтрализатор отработавших газов с утилизацией теплоты, содержащий корпус с торцевыми крышками, входным и выходным патрубками, тепловой изоляцией, реактором и конвективный теплообменник. Корпус последовательно соединен входным патрубком с конвективным теплообменником и нагнетателем воздуха, а входным патрубком - с насосом прокачки жидкости - теплоносителя, подключенным к двигателю внутреннего сгорания или аккумуляторным батареям. Конвективный теплообменник выполнен в виде змеевика и снабжен входным и выходным штуцерами. Внутри змеевика расположены каталитические элементы насыпного типа, выполненные в виде шарикового катализатора. Утилизируемое тепло используется для отопления кабины водителя (см. Груданов В.Я. Физико-химические и теплообменные процессы в каталитических нейтрализаторах с утилизацией теплоты отработавших газов // Двигателестроение. - 1991 - 1, - с.47-49).

Основными недостатками вышеописанного каталитического нейтрализатора являются низкие эффективность очистки отработавших газов и срок службы каталитического нейтрализатора, обусловленные использованием каталитических элементов насыпного типа. Так, шариковый катализатор засыпается внутрь змеевика и при работе двигателя или в целом транспортного средства измельчается, получает степень подвижности и истирается в потоке газов, остатки попадают между витками змеевика, запирают поток газов, а в укладке шарикового катализатора появляются свищи, что приводит к недостаточной долговечности теплообменника и срока службы нейтрализатора в целом. Установка конвективного теплообменника последовательно с корпусом каталитического нейтрализатора обуславливает ламинарное течение потока отработавших газов, что не повышает эффективность их очистки.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения эффективности очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания и срока службы каталитического нейтрализатора.

Технический результат достигается тем, что в известном каталитическом нейтрализаторе с утилизацией тепла отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащем корпус с торцевыми крышками, входным и выходным патрубками, каталитические элементы, конвективный теплообменник, выполненный в виде змеевика, с входным и выходным штуцерами, указанный теплообменник размещен в полости, образованной соосными концентричными пористыми металлокерамическими каталитическими блоками и пористым металлокерамическим сажевым блоком.

Повышение эффективности каталитической очистки обеспечивается за счет установки теплообменника в полости между пористыми соосными блоками, что приводит к турбулизации потока отработавших газов.

Срок службы каталитического нейтрализатора повышается за счет увеличения долговечности теплообменника, так как ослабевает воздействие на него отработавших газов, предварительно прошедших пористый металлический сажевый блок.

При таком выполнении каталитического нейтрализатора с утилизацией тепла теплообменник находится в среде предварительно очищенных от сажи и твердых частиц газов, не подвержен отложениям нагара, утилизация происходит после доокисления продуктов неполного сгорания. Предложенная установка теплообменника в виде змеевика способствует при движении газов их мелкомасштабной турбулизации, что, в свою очередь, приводит к повышению коэффициента диффузии и качества очистки в каталитических блоках.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое выполнение каталитического нейтрализатора отличается расположением конвективного теплообменника в виде змеевика в трехступенчатом нейтрализаторе в полости между пористыми металлокерамическими каталитическими блоками и сажевым блоком таким образом, что сажевый блок и восстановительный блок находятся внутри змеевика, а окислительно-восстановительные блоки - снаружи змеевика. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

В известных технических решениях не обнаружено совокупности отличительных признаков, характеризующих предлагаемое техническое решение и решающих аналогичную задачу, поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображен продольный разрез каталитического нейтрализатора с утилизацией тепла отработавших газов внутреннего сгорания. Кроме того, одинарными стрелками на чертеже показаны направления движения отработавших газов и двойными - направления движения охлаждающей жидкости.

Каталитический нейтрализатор с утилизацией тепла отработавших газов содержит корпус 1 с двойными стенками: внешней 2 и внутренней, образованной последовательно расположенными каталитическими элементами, а именно соосными пористыми металлокерамическими окислительно-восстановительными каталитическими блоками 3. Между внешней 2 и внутренней стенками расположен тепловой зазор 4. Корпус имеет фланцы 5 и 6 торцевых крышек 7 и 8 с фланцами 9 и 10. На крышке 7 закреплен патрубок 11 с фланцем 12, а на крышке 8 - патрубок 13 выхода газов с фланцем 14. Блоки 3 образуют с торцевыми крышками 7 и 8 полость реактора. В реакторе на бонках 15 и 16, являющихся продолжением патрубков 11 и 13, и бонках 17 и 18 на поперечной перегородке 19 установлены соосные пористый металлокерамический сажевый блок 20 и каталитический элемент, а именно пористый металлокерамический восстановительный каталитический блок 21. Блоки 3 размешены концентрично блокам 20 и 21 на выступах 22 в поперечной перегородке 19 и выступах 23 па внешней стенке 2. Полость реактора каталитического нейтрализатора разделена стенками блоков 3,20,21 на отдельные полости: полость входа 24, промежуточные полости 25 и 26, полость выхода 27. Полости 25 и 26 образованы между соосными блоками 3 и концентричными им блоками 20, 21. В реакторе между окислительно-восстановительными блоками 3, сажевым блоком 20 и восстановительным блоком 21 встроен конвективный теплообменник 28, выполненный в виде змеевика, с входным 29 и выходным 30 штуцерами.

Такое выполнение каталитического нейтрализатора позволяет избегать перегрева каталитических блоков, утилизировать тепло отработавших газов двигателя, более качественно очищать отработавшие газы от продуктов неполного сгорания каталитическими элементами, работающими в диапазоне температур 350. ..450^oС, осуществлять утилизацию тепла.

Работа предлагаемого нейтрализатора осуществляется следующим образом. Отработавшие газы от двигателя внутреннего сгорания входят в реактор нейтрализатора по патрубку 11, попадают в полость входа 24, проходят через сажевый блок 20 и попадают в промежуточную полость 25, отдают часть тепла в теплообменник 28, турбулизуясь при этом, что приводит к активации процессов окисления продуктов неполного сгорания на блоках 3. При дальнейшем движении газы, продолжая турбулентное движение, попадают в полость 26, проходят через стенку восстановительного блока 21, попадают в полость выхода 27 и удаляются из нейтрализатора очищенными через патрубки 13.

Предложенный каталитический нейтрализатор отработавших газов обеспечивает повышение эффективности очистки газов на 15...20%, утилизацию тепла отработавших газов, понижение температурных напряжений и увеличение срока службы.

Корпус каталитического нейтрализатора имеет двойные стенки: внешнюю и внутреннюю, торцевые крышки, входной и выходной патрубки, конвективный теплообменник. Внутренняя стенка нейтрализатора образована последовательно расположенными каталитическими элементами, а именно соосными пористыми металлокерамическими окислительно-восстановительными каталитическими блоками. Конвективный теплообменник, выполненный в виде змеевика, размещен в полости, образованной между соосными пористыми металлокерамическими окислительно-восстановительными каталитическими блоками и концентричными им соосными пористым металлокерамическим сажевым, пористым металлокерамическим восстановительным каталитическим блоками. Технический результат: повышение эффективности каталитической очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания и срока службы каталитического нейтрализатора. 1 ил.

Каталитический нейтрализатор с утилизацией тепла отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с торцевыми крышками, входным и выходным патрубками, каталитические элементы, конвективный теплообменник, выполненный в виде змеевика, с входным и выходным штуцерами, отличающийся тем, что теплообменник размещен в полости, образованной соосными концентричными пористыми металлокерамическими каталитическими блоками и пористым сажевым металлокерамическим блоком.