ГЛУШИТЕЛЬ-НЕЙТРАЛИЗАТОР ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F01N3/00 

Изобретение относится к тепловым двигателям, их глушителям, в частности к глушителям, снабженным средствами очистки и обезвреживания выхлопных газов путем каталитического превращения токсичных компонентов выхлопа, отличающимися конструкцией каталитических реакторов, наиболее предпочтительно его использование на грузовых автомобилях и автобусах.

Широко известны глушители шума выпуска газов транспортных средств, которые служат для уменьшения шума при выходе отработавших газов из газовыпуской системы двигателя внутреннего сгорания в атмосферу /см., например, кн.: В.И. Анохин. "Отечественные автомобили ". - М.: Машгиз, 1968, стр. 269-271/. Глушитель обычно состоит из корпуса с перегородками, разделяющими его на отдельные камеры. Внутри корпуса размещены трубы с щелевыми отверстиями. Отработавшие газы, проходя в глушителе через многочисленные отверстия и попадая в камеры, постепенно расширяются и меняют направление движения. Вследствие этого давление и скорость газов уменьшаются, колебания потока газов выравниваются и шум на выпуске уменьшается. Глушитель и трубы крепят к кузову или раме транспортного средства.

Конструкции глушителей в зависимости от типа транспортного средства, для которого они предназначены, отличаются большим разнообразием. Так, например, у автомобилей КамАЗ /Юрловский И.М. и др. "Автомобиль КамАЗ. Устройство, техническое обслуживание, эксплуатация". - М.: ДОСААФ, 1975, стр.128-130/ система выпуска газов состоит из двух составных выпускных коллекторов, двух выпускных труб, гибкого рукава и глушителя. Глушитель шума выпуска представляет собой неразборную конструкцию с перегородками и перфорированной трубой. Еще разнообразнее глушители, выполненные с нейтрализаторами. Для транспортных средств весьма важно так оснастить глушитель нейтрализатором, чтобы при этом не было утеряно эффективное заглушение шума. На пути создания таких эффективных устройств было предложено достаточное число технических решений.

Так, шумоглушитель по выданному в США патенту N 2081306 выполнен цилиндрическим с разноплоскостным расположением впускного и выпускного патрубков, по патенту N 2150768 - многосекционным, по патенту N 2512823 - не только с перпендикулярным расположением патрубков, но и с конической внешней поверхностью корпуса. Весьма сложное, хотя и эффективное устройство приведено в шумоглушителе по выданным в США патентам N 3243012 и N 3252767. Простая и эффективная конструкция глушителя с эксцентричным расположением его элементов описана в патенте N 326279, выданном в Швеции. Если эти элементы заполнены шумоглушащим материалом, то в итальянском патенте N 934417 предусмотрены физические и химические процессы с отработавшими газами, протекающие в катализаторе. Такой же тип катализатора предусмотрен в патенте N 4094645, выданном в США. Из итальянских заявок N 91-002347 и N 92-000206 известен глушитель, каждый из составных элементов которого расположен относительно другого соосно, как это имеет место, в частности, в а.с. N 1305410, что позволяет и в том, и другом случаях обеспечить многочисленные комбинации его выполнения. Но такие паллиативные решения неизбежно уступят место таким глушителям-нейтрализаторам, которые в полной мере отвечают требованиям именно этого двигателя, именно для этого транспортного средства, каждое из которых в дальнейшем будет оборудовано глушителем-нейтрализатором в заводских условиях.

В 1983 г. была подана заявка на глушитель-нейтрализатор, по которой было выдано а.с. СССР N 1108228. В этом глушителе-нейтрализаторе отработавшие газы проходят последовательно резонансную и расширительную камеры, реактор, имеющий газопроницаемые внутреннюю и наружную решетки, и кольцевой направляющий аппарат, при этом через стенку вытеснителя происходит теплобмен между газами до и после катализатора. В свою очередь, глушитель-нейтрализатор по а. с. N 1590578 оснащен сажеуловителем, а по выданному в США патенту N 4601168 - шумоподавителем. Если в этих глушителях-нейтрализаторах упомянутые элементы размещены соосно, включая впускной и выпускной патрубки, то в глушителе с катализатором по а.с. N 251594. выданном в ЧССР, и по патенту N 4579194, выданном в США, они имеют сложное пространственное расположение.

Компактнее и эффективнее выглядит глушитель по а.с. N 1307064, при этом следует отметить прочность и надежность его конструкции, а также достаточный срок службы.

Весьма эффективным и неординарным является выхлопное устройство по выданному в СССР а.с. N 1333791, внутренняя полость которого разделена перегородками на три камеры, а один из торцев перфорированных труб заглушен. Впускной и выпускной патрубки взаимно перпендикулярны, при этом, в частности, из-за смещения срезов перфорированных труб, обеспечено дополнительное снижение шумности работы двигателя. Изящным выглядит устройство и по патенту N 4783459, выданном в США.

Известно, например, из a.c. N 1557345 и патента N 3502268, выданного в США, повышение эффективности шумоглушения путем интенсификации теплообмена, но это не только усложняет конструкцию глушителя из-за необходимости оснащения его теплообменником, но и препятствует рациональному как с точки зрения взаимного размещения основных элементов глушителя, так и возможности оптимального их расположения на транспортном средстве. Повышение эффективности глушителя-нейтрализатора по а.с. N 1643750 обеспечено путем взаимного расположения и рационального крепления в корпусе покрытых катализатором моноблоков, с образованием обширной полости в зоне выходного патрубка. Помимо повышения эффективности увеличена надежность каталитического нейтрализатора с трехспицевым креплением бобины по выданному в СССР а.с. N 1483064. Надежно закреплен реактор в устройстве по европейской заявке N 0640752, однако сравнительно невелико проходное для рециркулирущих газов сечение, что заметно снижает эффективность протекания химических реакций в нем. В свою очередь, моноблоки установлены в корпусе с образованием крайних и центральной полостей в нейтрализаторе-глушителе по а.с. N 1751370.

Эффективно, как это предусмотрено в a.c. N 1643750, в частности, по условиям компоновки и монтажа размещать элементы катализатора в цилиндрическом кожухе. Согласно международной заявке N 90/04087 катализатор размещен даже в двойном кожухе, что, по мнению заявителя, позволит по крайней мере уменьшить напряжения, возникающие в цилиндрическом элементе кожуха из-за теплового расширения. Если такое и случится, то только для наружного кожуха. По-другому, а именно во вспененном мате, закреплено монолитное керамическое тело катализатора по европейской заявке N 0363878. Выше степень надежности у реактора каталитического нейтрализатора по а.с. N 1716175, а помимо этого, и долговечности у каталитического нейтрализатора по а.с. N 1657684.

В японских заявках N 5-002762, 5-002763 и N 5-005333 описаны устройства выпуска отработавших газов, использующие управляемую подачу вторичного воздуха к реактору, причем воздух подсасывается потоком отработавших газов.

Известен глушитель-нейтрализатор отработавших газов двигателя транспортного средства, содержащий корпус с впускным и выпускным патрубками, разделенный на камеры, в одной из которых размещены каталитические блоки (см., например, a.c. N 1778328, выданное в СССР по F 01 N 3/00).

В этом глушителе отработавшие газы двигателя поступают в резонансную камеру, обеспечивающую фильтрацию и глушение высокочастотного шума газового потока, затем газы поступают в расширительную камеру, теряя скорость и звуковую энергию, изменяют направление движения, проходят каталитический блок и поступают к эжекторам струйного насоса, получающего воздух по воздухозаборнику и смешивающего его с отработавшими газами. Разбавленные воздухом отработавшие газы поступают в выпускную камеру, где в основном каталитическом блоке происходят догорание углеводородов и окисление окиси углерода.

Этот глушитель представляет собой трубу, разделенную на три камеры, расширительная и выпускная из которых соединены через эжекторы, размещенные в полости трубы, соединенной с атмосферой через воздухозаборник, а резонансная камера размещена в выпускной камере в зоне выпускного патрубка. При таком выполнении глушителя малоэффективно глушение на первом этапе прежде всего из-за малых размеров резонансной камеры, что и потребовало установки демпфера звуковых колебаний, до которого отработавшие газы доходят по существу без потерь скорости и звуковой энергии. Объем этого демпфера используется неравномерно и неполностью, поскольку газовый поток зажат тремя эжекторами, а полость их размещения по существу не использована для подавления шума. Именно из-за эжекторов образовано разделение встречных газовых потоков, что исключает по существу интенсивную теплопередачу и сказывается на эффективности работы реактора. К тому же наружная поверхность каталитических блоков через стенку корпуса по существу соприкасается с атмосферой.

Таким образом, глушитель-нейтрализатор по а. с. N 1778328, несмотря на сравнительную сложность конструкции и весьма заметные дополнительные затраты в производстве, не обеспечивает требуемых по условиям эксплуатации транспортных средств характеристик как по подавлению шума, так и, что особенно заметно, по очистке отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, в нем не предусмотрено надежное крепление каталитических блоков.

Известен глушитель-нейтрализатор отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, содержащий корпус с перфорированным впускным и выпускным патрубками, разделенный на камеры, в одной из которых размещены каталитические блоки, смонтированные в реакторе, оснащенном опорами для установки в корпусе и перегородкой (см. , например, WO 93/24744, опубл. в 1993 г., кл. F 01 N 3/28).

В этом глушителе-нейтрализаторе отработавшие газы взаимодействуют на входе и на выходе, при этом основное глушение осуществляется после прохождения каталитических блоков, что неудовлетворительно сказывается на его функционировании. Он достаточно сложен и требует значительных расходов на изготовление.

Задача настоящего предложения - повышение эксплуатационных свойств глушителя-нейтрализатора при упрощении его конструкции и снижении затрат на его производство. Повышение эксплуатационных свойств глушителя-нейтрализатора отработавших газов двигателя внутреннего сгорания транспортного средства обеспечено путем рациональной организации газового потока и теплообмена, а также оптимального размещения и выполнения унифицированных основных элементов глушителя-нейтрализатора.

Для этого в глушителе-нейтрализаторе, содержащем корпус с перфорированным впускным и выпускным патрубками, разделенный на камеры, в одной из которых размещены каталитические блоки, смонтированные в реакторе, оснащенном опорами для установки в корпусе и перегородкой, перегородка установлена в корпусе, при этом опоры и перегородка расположены на концах реактора.

Монтаж в глушителе-нейтрализаторе, содержащем корпус с перфорированным впускным и выпускным патрубками, разделенный на камеры, в одной из которых размещены каталитические блоки, размещение последних в реакторе, оснащенном перегородкой и опорами для установки в корпусе, позволит повысить его эксплуатационные свойства при упрощении конструкции глушителя-нейтрализатора и снижении затрат на его изготовление, поскольку отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания, поступая через перфорацию впускного патрубка в большую по объему камеру, эффективно с точки зрения шумоглушения при любом положении впускного патрубка взаимодействуют со стенкой, дном корпуса и перегородкой и проходят далее к каталитическим блокам реактора, при этом обеспечено продвижение газового потока и вокруг реактора к выпускному патрубку, в результате чего газ, еще не прошедший реактор, подогревается теплом, выделяемым в реакторе при химической реакции, и тем самым интенсифицируется протекание этого процесса, причем каждый из элементов глушителя-нейтрализатора. по которому следует газовый поток, прост в изготовлении.

Повышению эффективности функционирования глушителя-нейтрализатора способствует выполнение реактора с обечайкой и размещение на его концах перегородки и опор, а также фиксация каталитических блоков стяжками с наружным элементом реактора, поскольку при надежном креплении каталитических блоков в обечайке реактора исключаются деформации каналов, в которых при прохождении газового потока осуществляются химические реакции нейтрализации токсичных компонентов и безрезонансное заглушение шума. Достижение этого эффекта обеспечено простыми технологическими приемами по созданию простых по форме и выполнению обечайки и стяжек.

Расположение рядом с перегородкой либо впускного, либо выпускного патрубка способствует еще более эффективному заглушению шума благодаря взаимодействию газового потока с перегородкой.

Эффекту заглушения и интенсивному теплообмену весьма способствует наличие полости, образованной обечайкой, перегородкой и блоками. Как наличие этой полости, так и сообщение с полостью любого из патрубков эффективно организует поток газодвижения. Еще более эффективной организации газодвижения способствует снабжение глушителя рассекателем с цилиндрической поверхностью.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:
фиг.1 - глушитель-нейтрализатор в продольном разрезе;
фиг.2 - глушитель-нейтрализатор в поперечном разрезе по А-А фиг.1;
фиг.3 - схема движения газов;
фиг. 4 - глушитель-нейтрализатор для дизеля с турбонаддувом в продольном разрезе;
фиг. 5 - тот же глушитель-нейтрализатор в поперечном разрезе по Б-Б фиг. 4;
фиг.6 - реактор того же глушителя-нейтрализатора в продольном разрезе;
фиг.7 - тот же реактор в поперечном разрезе по В-В фиг.6;
фиг. 8 - глушитель-нейтрализатор для двигателя большегрузного автомобиля в продольном разрезе;
фиг.9 - тот же глушитель-нейтрализатор, вид сбоку;
фиг.10 - реактор того же глушителя-нейтрализатора в продольном разрезе;
фиг.11 - тот же реактор, вид сбоку;
фиг. 12 - глушитель-нейтрализатор для автобусного двигателя в продольном разрезе;
фиг.13 - тот же глушитель-нейтрализатор в поперечном разрезе по Г-Г фиг. 12;
фиг.14 - тот же глушитель-нейтрализатор, вид сбоку с частичными вырывами фиг.12;
фиг.15 - реактор того же глушителя-нейтрализатора в продольном разрезе;
фиг.16 - тот же реактор, вид сбоку.

Глушитель содержит корпус (фиг.1 и 2). Корпус 1 имеет цилиндрическую боковую стенку 2, дно 3 и дно 4. Корпус 1 с впускным 5 и выпускным 6 патрубками разделен на камеры 7 и 8 соответственно. В камере 7 размещена перфорированная часть 9 впускного патрубка 5. Впускной патрубок 5 установлен в дне 3 корпуса, а выпускной 6 - в боковой стенке 2. В камере 8 размещены каталитические блоки 10 и 11. Последние смонтированы в реакторе 12. Реактор 12 (фиг. 3 и 4) оснащен перегородкой 13 и опорами 14 для установки в корпусе 1. Он размещен в корпусе с кольцевым зазором 15 относительно его боковой стенки 2.

Благодаря тому, что в глушителе-нейтрализаторе, содержащем корпус 1 с впускным 5 и выпускным 6 патрубками, разделенный на камеры 7 и 8, в одной из которых 8 размещены каталитические блоки 10 и 11, последние смонтированы в реакторе 12, оснащенном перегородкой 13 и опорами 14 для установки в корпусе 1, удасться повысить его эксплуатационные свойства при упрощении конструкции и снижении затрат на изготовление, поскольку газы поступают в большую по объему камеру 7, где осуществляется безрезонансное заглушение потока, распространяющегося вдоль стенки 2 корпуса 1 в направлении реактора 12, а после выхода из реактора газ поступает к выпускному патрубку 6 по кольцевому зазору 15 вокруг реактора, отдавая по пути своего движения протяженностью от опор 14 до перегородки 13 тепло газу, еще не прошедшему реактор и интенсифицируя этим протекание в нем химических реакций нейтрализации токсичных компонентов, при этом каждый из упомянутых элементов глушителя-нейтрализатора прост и надежен. В реакторе 12 между перегородкой 13 и опорами 14 размещена обечайка 16 каталитических блоков 10 и 11. Каталитические блоки 10 и 11 с каналами для прохода отработавших газов, образованными между навитыми вокруг центрального стержня 17 гладкой и гофрированной лентами, покрытыми катализатором, зафиксированы в обечайке 16 стяжками 18. Стяжки 18 жестко связаны с центральным стержнем 17 и обечайкой 16. Размещение в глушителе-нейтрализаторе между перегородкой 13 и опорами 14 обечайки блоков, зафиксированных в ней стяжками 18, способствует при использовании простых средств дополнительному повышению его эксплуатационных свойств, поскольку обеспечивается надежное крепление каталитических блоков 10, 11 в обечайке 16 реактора 12 и исключаются деформации каналов, в которых газ движется и в которых происходят химические реакции нейтрализации токсичных компонентов и безрезонансное заглушение шума.

В корпусе 1 со стороны перегородки 12 размещен впускной патрубок 5. Расположение рядом с перегородкой 13 впускного патрубка 5 благодаря взаимодействию с перегородкой выходящего из него потока газа повышает эффект шумоглушения.

В реакторе 12 предусмотрена полость 19, образованная обечайкой 16, перегородкой 13 и блоками 10 и 11. Наличие этой полости дополнительно повышает эффект шумоглушения, а также повышает интенсивность теплообмена в связи с увеличением теплообменной поверхности между газом, прошедшим реактор и еще не прошедшим его. В полость 19 предусмотрен выход впускного патрубка 5. Сообщение впускного патрубка 5 с полостью 19 способствует формированию требуемых параметров газового потока после выхода его из патрубка 5.

Глушитель-нейтрализатор функционирует так. Отработавшие газы от двигателя внутреннего сгорания по перфорированному патрубку 5 поступают в полость 19. Проходя в патрубке 5 на своем пути камеру 7, отработавшие газы через перфорацию 9 попадают в эту камеру, где происходит взаимодействие потока со стенкой 2, перегородкой 13 и дном 3 камеры 7 и обеспечивается безрезонансное заглушение шума, при этом не возбуждаются нечетные гармоники собственных частот камеры в направлении ее длины. Дополнительное заглушение шума происходит при выходе газов в полость 19 и при их движении в этой полости в направлении каталитических блоков 10 и 11 реактора 12. Одновременно формируется равномерный поток газов, поступающий в каналы каталитических блоков, газы проходят через весьма узкие каналы блоков 10 и 11, в которых происходят химические реакции нейтрализации токсичных компонентов и, кроме того, в этих капиллярах подавляются собственные колебания демпфированием. Газы, очищенные в реакторе 12, по кольцевому зазору 15, образованному вокруг реактора, через выпускной патрубок 6 покидают глушитель-нейтрализатор, по пути подогревая газ, не поступивший еще в каталитические блоки 10 и 11.

Глушители-нейтрализаторы, изображенные на фиг. 4-16, имеют в основном аналогичную конструкцию, что описана выше, хотя имеют и некоторые особенности в зависимости от того, для какой конкретной модели двигателя и транспортного средства они предназначены.

В глушителе-нейтрализаторе, изображенном на фиг.4-7, глушитель-нейтрализатор снабжен рассекателем 20 с перфорационными отверстиями 21, одна из поверхностей 22 которого выполнена цилиндрической.

Благодаря этому обеспечивается высокая равномерность потока перед входом его в каналы каталитического блока реактора и, как следствие этого, повышение качества очистки газа от токсичных компонентов, а также дополнительное заглушение шума. Выпускной патрубок 6 установлен в дне 4 корпуса, при этом впускной 5 и выпускной 6 патрубки расположены по оси корпуса 1 и выполнены с отворотами соответственно 23 и 24. Глушитель-нейтрализатор снабжен дополнительно перегородкой 25 с отверстиями, а в корпусе 1 со стороны выпускного патрубка образована дополнительная камера 26.

Эти особенности обеспечивают снижение потерь энергии отработавших газов, используемой для наддува цилиндров двигателя грузового автомобиля, и дополнительное глушение шума отработавших газов.

В глушителе-нейтрализаторе, показанном на фиг.8-11, оси впускного 5 и выпускного 6 патрубков параллельны оси корпуса и расположены по разные стороны от нее. В этом варианте глушителя-нейтрализатора со стороны перегородки 13 размещен выпускной патрубок 6, и этот патрубок имеет выход в полость 19.

В корпусе со стороны впускного патрубка 5 имеется дополнительная перегородка 27, ограничивающая камеру 7, а дополнительная камера 26, образованная со стороны выпускного патрубка 6, выполненного с перфорационными отверстиями 28, сообщена через эти отверстия с полостью внутри выпускного патрубка. Эти особенности упрощают установки глушителя нейтрализатора на большегрузном автомобиле, для которого он предназначен.

Глушитель-нейтрализатор, показанный на фиг.12-16, предназначен для установки на автобусы большой вместимости. В нем впускной патрубок 5 установлен в боковой стенке 2, а выпускной патрубок 6, выполненный с отворотом 24, установлен в дне корпуса, а ось его совпадает с осью корпуса 1. Перегородка 13 непосредственно примыкает к одному из каталитических блоков 10. Глушитель-нейтрализатор снабжен дополнительной перегородкой 29, через которую пропущен выпускной патрубок 6, а в корпусе образована дополнительная камера 26, которая через отверстие 30 сообщена с полостью внутри патрубка 6. Отмеченные особенности конструкций, представленных на фиг.4-16, в равной степени обеспечивают достигаемые результаты как по шумоглушению, так и по эффективности нейтрализации токсичных компонентов в отработавших газах, при этом их функционирование по существу описано выше.

Установка предлагаемого глушителя-нейтрализатора на грузовые автомобили КамАЗ /без турбонаддува и с турбонаддувом/, МАЗ и автобусы "Икарус 250" позволила снизить выделение токсичных компонентов по окиси углерода и углеводородам в 5 раз.

Изобретение относится к снабженным средствами очистки и обезвреживания выхлопных газов каталитическим превращением токсичных компонентов выхлопа глушителям, отличающимся конструкцией каталитических реакторов. Наиболее предпочтительно их использование на грузовых автомобилях и автобусах. В глушителе-нейтрализаторе каталитические блоки смонтированы в реакторе, оснащенном перегородкой и опорами для установки в корпусе. Повышены эксплуатационные свойства глушителя-нейтрализатора при упрощении его конструкции и снижении затрат на его производство путем рациональной организации газового потока и теплообмена, а также оптимального размещения и выполнения унифицированных основных элементов глушителя-нейтрализатора. 6 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Глушитель-нейтрализатор отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, содержащий корпус с перфорированным впускным и выпускным патрубками, разделенный на камеры, в одной из которых размещены каталитические блоки, смонтированные в реакторе, оснащенном опорами для установки в корпусе и перегородкой, отличающийся тем, что перегородка установлена в корпусе, при этом опоры и перегородка размещены на концах реактора. 2. Глушитель-нейтрализатор по п.1, отличающийся тем, что между перегородкой и опорами размещена обечайка блоков, фиксированных в ней стяжками. 3. Глушитель-нейтрализатор по п.2, отличающийся тем, что со стороны перегородки размещен один из патрубков. 4. Глушитель-нейтрализатор по п. 3, отличающийся тем, что в реакторе предусмотрена полость между блоками и перегородкой. 5. Глушитель-нейтрализатор по п.4, отличающийся тем, что в полости предусмотрен выход одного из патрубков. 6. Глушитель-нейтрализатор по п. 5, отличающийся тем, что он снабжен рассекателем. 7. Глушитель-нейтрализатор по п.6, отличающийся тем, что одна из поверхностей рассекателя выполнена цилиндрической.