НЕЙТРАЛИЗАТОР-ГЛУШИТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК F01N3/00 

Изобретение относится к транспорту, автомобильной и другим отраслям промышленности и может быть использовано для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания от вредных веществ для защиты окружающей среды и одновременного шумоглушения при выбросе отработавших газов в атмосферу.

Известен нейтрализатор-глушитель отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий газоприемную, промежуточную и выпускную трубы с установленным в промежуточной трубе корпусом, содержащим две каталитические секции, в виде параллельно работающих реакторов с гранулированным катализатором (А.С. СССР №1638329, М.кл. F 01 N 3/28, Бюлл. изобр. №12, 1991). Недостатком нейтрализатора такого типа является низкая степень очистки отработавшего газа при недостатке кислорода в исходном отработавшем газе, дробление катализатора в катализаторной камере при вибрации конструкции в ходе ее эксплуатации, приводящее к уносу измельченного катализатора и снижения за счет этого глубины очистки отработавшего газа, а также уменьшение дорожного просвета автомобиля из-за значительного диаметра катализаторных камер, приводящего к снижению его проходимости, и недостаточный уровень достигаемого шумоглушения, требующий установки дополнительного глушителя.

Известен нейтрализатор-глушитель отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий газоприемную, промежуточную и выпускную трубы с каталитическими секциями, установленными в промежуточной трубе в специальном корпусе в виде камеры, заполненной гранулированным катализатором с распределителем ввода загрязненных и вывода очищенных газов (Патент США №3413096, заявлен 23 декабря 1965 г., опубликован 26 ноября 1968 г.). Недостатком нейтрализатора-глушителя такого типа является сложность конструкции камеры с катализатором и дробление катализатора в катализаторной камере при вибрации конструкции в ходе ее эксплуатации, приводящее к уносу измельченного катализатора и снижения за счет этого глубины очистки отработавшего газа, невозможность регулирования концентрации кислорода в зоне каталитического окисления органических примесей в отработавших газах, а также уменьшение дорожного просвета автомобиля из-за значительного диаметра катализаторной камеры, приводящего к снижению его проходимости.

Известен также нейтрализатор-глушитель отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий газоприемную, промежуточную и выпускную трубы с установленной в промежуточной трубе каталитической секцией, устройство подачи вторичного воздуха, снабженное температурным датчиком в катализаторной камере, системой автоматизированной подачи вторичного воздуха из 9 конструктивных элементов, датчика обратной связи и блока контроля режима очистки отработавших газов в катализаторной камере (Пат. Японии, заявка №55-26290, заявлено 28.04.1975, опубликовано 12.07.1980). Недостатком нейтрализатора-глушителя такого типа является чрезмерная сложность устройства подачи вторичного воздуха, приводящая к многократному удорожанию нейтрализатора-глушителя, возможность дробления катализатора в катализаторной камере при вибрации конструкции в ходе ее эксплуатации, приводящее к уносу измельченного катализатора и снижения за счет этого глубины очистки отработавшего газа, а также уменьшение дорожного просвета автомобиля из-за значительного диаметра катализаторной камеры, приводящего к снижению его проходимости, и недостаточный уровень достигаемого шумоглушения, требующий установки дополнительного глушителя.

Известен также нейтрализатор-глушитель отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий газоприемную, промежуточную и выпускную трубы с установленными в промежуточной трубе каталитическими секциями, обеспечивающими раздельную очистку отработавших газов от примесей органических веществ и оксидов азота, устройство подачи вторичного воздуха, снабженное температурными датчиками, двумя компрессорами подачи воздуха, двумя регулирующими клапанами, двумя жиклерами (Пат. Великобритании, заявка №1493398, заявлено 28.04.1975, опубликовано 30.11.1977). Недостатком нейтрализатора-глушителя такого типа является усложненная трехкорпусная система нейтрализации, требующая использования по крайней мере двух различных типов катализаторов, чрезмерная сложность устройства подачи вторичного воздуха с большим числом конструктивных элементов, компрессоров и регулирующих систем, приводящая к многократному удорожанию нейтрализатора-глушителя и нерациональные затраты мощности двигателя на привод вспомогательных компрессоров, возможность дробления катализатора в катализаторной камере при вибрации конструкции в ходе ее эксплуатации, приводящее к уносу измельченного катализатора и снижения за счет этого глубины очистки отработавшего газа, а также уменьшение дорожного просвета автомобиля из-за значительного диаметра катализаторных камер, приводящего к снижению его проходимости, и недостаточный уровень достигаемого в каталитических секциях шумоглушения, требующий установки глушителя.

Изобретение решает техническую задачу - повышение надежности работы нейтрализатора-глушителя, упрощение его конструкции, снижение габаритных размеров и стоимости устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в нейтрализаторе-глушителе отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащем газоприемную, промежуточную и выпускную трубы с каталитическими секциями, воздухозаборные устройства и шумоглушители, начальный участок промежуточной трубы выполнен гофрированным, внутренняя поверхность газоприемной трубы и гофрированного и последующего участков промежуточной трубы имеет катализаторное покрытие, каталитические секции выполнены в виде высокопорозностных элементов с катализаторным покрытием, в каждой каталитической секции высокопорозностные элементы с катализаторным покрытием размещены с зазорами на оси, причем оси каталитических секций в газоприемной и выпускной трубах выполнены гибкими, а на гофрированном и последующем участках промежуточной трубы ось выполнена жесткой, гибкие оси закреплены в передней и задней трубчатых крестовинах или поперечных трубках по осевой линии, задний конец жесткой оси зафиксирован в задней трубчатой крестовине или поперечной трубке, передний конец жесткой оси в виде тела вращения введен в центральное отверстие передней трубчатой крестовины или поперечной трубки, передние трубчатые крестовины или поперечные трубки зафиксированы в начале газоприемной и промежуточной труб и в выпускной трубе, при этом передняя и задняя трубчатые крестовины или поперечные трубки каталитических секций, расположенных в гофрированном и последующем участках промежуточной трубы скреплены разборным каркасом, выполненным из материала с высоким коэффициентом температурного линейного удлинения, а жесткая ось выполнена из материала с низким коэффициентом температурного линейного удлинения, открытые концы передних трубчатых крестовин или поперечных трубок каталитических секций, расположенных в газоприемной и промежуточных трубах, снабжены воздухозаборными устройствами, выведенными вне газоприемной и промежуточной труб, а на обратной по ходу отработавших газов стороне трубчатых крестовин или поперечных трубок выполнены радиальные отверстия, при этом в конце промежуточной трубы и в выпускной трубе установлены высокопорозностые элементы, не имеющие катализаторного покрытия.

Подобное устройство нейтрализатора-глушителя позволяет:

1) снизить расход и стоимость катализатора в каталитических секциях нейтрализатора-глушителя за счет перевода каталитического процесса дожигания углеводородов и оксида углерода из кинетической области протекания процесса в десятки раз более интенсивную гетерогенно-гомогенную область протекания процесса благодаря конструкции каталитических секций в виде высокопорозностных элементов с катализаторным покрытием, возможности использования не содержащих драгоценных металлов бифункциональных катализаторов, восстанавливающих также оксиды азота;

2) исключить перегрев и дезактивацию катализатора за счет постепенного снижения температуры по ходу отработавших газов с использованием в области высоких температур дешевых малоактивных катализаторов, в области пониженных температур более дорогих высокоактивных катализаторов;

3) повысить глубину очистки отработавших газов за счет выравнивания концентрации окисляемых примесей в пространстве зазоров между высокопорозностными элементами с катализаторным покрытием;

4) обеспечить дозированный и автоматически регулируемый подсос воздуха в зону окисления примесей отработавших газов;

5) обеспечить снижение уровня шума при прохождении отработавших газов сквозь высокопорозностные элементы;

6) снять механические напряжения в промежуточной трубе, возникающие при возможном повышении температуры отработавших газов из-за окисления органических примесей в каталитических секциях нейтрализатора-глушителя, возникающие при его температурном расширении, за счет выполнения начального участка промежуточной трубы гофрированным;

7) практически полностью избежать разрушения катализатора, поскольку в нейтрализаторе-глушителе происходит преобразование жестких вибрационных колебаний, передаваемых в известных конструкциях нейтрализаторов на слой гранулированного катализатора, в упругие колебания закрепленных на осях высокопорозностных элементов с прочно удерживаемым на ней катализаторным покрытием;

8) обеспечить недопущение проскока части отработавших газов между катализаторным покрытием каталитических секций и поверхностью газоприемной и промежуточных труб за счет катализаторного покрытия, наносимого на внутреннюю поверхность газоприемной трубы и гофрированного участка промежуточной трубы;

9) облегчить монтаж и демонтаж нейтрализатора-глушителя.

Для снижения стоимости нейтрализатора-глушителя целесообразно, чтобы высокопорозностные элементы, установленные в выпускной трубе и в конце промежуточной трубы в зонах низких температур, не имели катализаторного покрытия, выполняя роль шумоглушителя.

Фиксация передних трубчатых крестовин или поперечных трубок на газоприемной, промежуточной трубах воздухозаборными устройствами упрощает конструкцию нейтрализатора-глушителя, при этом фиксация передних трубчатых крестовин или поперечных трубок в конце промежуточной и на выпускной трубах обеспечивается заглушенными воздухозаборными устройствами, не сообщающимися с атмосферой.

Целесообразно для равномерной подачи вторичного воздуха в зону окисления органических примесей отработавшего газа в каталитических секциях выполнить радиальные отверстия на передних трубчатых крестовинах или поперечных трубках с уменьшающимися сечениями от периферии к центру.

Выполнение внутреннего диаметра гофрированного участка промежуточной трубы равным внутреннему диаметру последующей промежуточной и выпускной труб делает всю конструкцию нейтрализатора-глушителя практически одного диаметра, что увеличивает дорожный просвет автомобиля и повышает его проходимость. Нанесение тепловой изоляции на внешнюю поверхность гофрированного и последующего участков промежуточной трубы улучшает температурный режим работы каталитических секций, расположенных в промежуточной трубе. Вывод воздухозаборных устройств, установленных на промежуточной трубе вне днища автомобиля предохраняет штуцера от забивки их грязью при движении автомобиля.

Низкое гидравлическое сопротивление каталитических секций позволяет установить в нейтрализаторе-глушителе несколько унифицированных каталитических секций в газоприемной и промежуточной трубах. Для обеспечения необходимой глубины очистки отработавшего газа число каталитических секций из высокопорозностных элементов, имеющих катализаторное покрытие, определяется литражом двигателя.

На фиг.1 изображен нейтрализатор-глушитель, общий вид с вырывами, на фиг.2 изображен гофрированный участок промежуточной трубы нейтрализатора-глушителя, вид сбоку - продольный разрез, на фиг.3 изображена каталитическая секция с жесткой осью - поперечный разрез.

Нейтрализатор-глушитель состоит из газоприемной 1, промежуточной 2 и выпускной 3 труб, объединенных в общую систему охватами (не показаны). Начальный гофрированный участок 4 промежуточной трубы 2 сопряжен с впускной 1 и промежуточной 2 трубами впускным 5 и выпускным 6 патрубками при помощи охватов (не показаны). Внутри газоприемной 1, промежуточной 2 и выпускной труб 3 размещены каталитические секции 7, выполненные из высокопорозностных элементов 8 с катализаторным покрытием, размещенные с зазорами 9 на гибких 10 или жестких 11 осях. Гибкие оси 10 каталитических секций 7 с двух сторон крепятся к передним 12 и задним 13 трубчатым крестовинам или поперечным трубкам, передние трубчатые крестовины или поперечные трубки 12, являющиеся устройствами подачи вторичного воздуха, сообщаются с воздухозаборными устройствами 14, одновременно обеспечивающими фиксирование передних крестовин 12 на соответствующих участках нейтрализатора-глушителя.

Жесткие оси 11 каталитических секций 7 жестко крепятся к задним 13 трубчатым крестовинам или поперечным трубкам, а передние трубчатые крестовины или поперечные трубки 12 сообщаются с воздухозаборными устройствами 14, одновременно обеспечивающими фиксирование передних трубчатых крестовин 12 на соответствующих участках промежуточной трубы 2. Передние 12 и задние 13 трубчатые крестовины или поперечные трубки каталитических секций 7 с жесткими осями 11 соединены стержнями каркаса 15 и передние 12 трубчатые крестовины или поперечные трубки имеют радиальные отверстия 16 и центральное отверстие, куда вводится конец жесткой оси 11, имеющий форму тела вращения 17. Воздухозаборные устройства 14 при помощи трубок (не показаны) сообщаются с атмосферой вне днища автомобиля.

Внутренняя поверхность газоприемной трубы 1 и гофрированного 4 и последующего участков промежуточной трубы 2 имеет тонкую пленку катализаторного покрытия (не показано), а наружная поверхность промежуточной трубы с каталитическими секциями имеет теплоизоляцию 18, закрепляемую охватами 19. Зазоры 9 между высокопорозностными элементами обеспечиваются с помощью распорок 20.

Нейтрализатор-глушитель работает следующим образом. Отработавшие газы из двигателя проходят последовательно через газоприемную 1, промежуточную 2 и выпускную 3 трубы, контактируя с поверхностью высокопорозностных элементов с катализаторным покрытием 8. Бифункциональное катализаторное покрытие обеспечивает восстановление окислов азота до азота и окисление органических примесей и оксида углерода до диоксида углерода и воды, содержащихся в отработавших газах. Благодаря гетерогенно-гомогенному режиму окисления примесей отработавших газов с катализаторным покрытием происходит быстрая очистка газов, протекающая со значительным выделением тепла, необходимое дополнительное количество кислорода для окисления примесей поступает в зону окисления с воздухом посредством устройства подачи вторичного воздуха, который вводится последовательно через воздухозаборные устройства 14, сквозные радиальные отверстия 16 передних трубчатых крестовин или поперечных трубок 12 в каталитические секции 7. Последовательное прохождение отработавшего газа через каталитические секции позволяет обеспечить постепенное снижение концентрации вредных веществ и исключить местные перегревы катализатора. Однако в случае очистки отработавшего газа с высоким содержанием примесей при нарушении работы топливной системы двигателя в нейтрализаторе-глушителе происходит дополнительное выделение тепла, приводящее к опасности дезактивации катализатора и выхода каталитических секций 7 из строя; для предотвращения этой опасности предусмотрен дополнительный подвод большего количества вторичного холодного воздуха, разбавляющего реакционную смесь и понижающего ее температуру. Это достигается тем, что при повышении температуры за счет высокого температурного удлинения материала стержней каркаса 15, выполненного, например, из алюминиевого сплава ВЗОР с коэффициентом температурного удлинения 27,8, происходит выход конца жесткой оси 11, выполненного из материала с малым температурным удлинением, например, сталь Э16 с коэффициентом температурного удлинения 7,0, имеющего форму тела вращения 17, из центрального отверстия 16 передних трубчатых крестовин или поперечных трубок 12, через увеличившееся проходное отверстие 16 в каталитическую камеру 7 поступает дополнительный холодный вторичный воздух.

При прохождении отработавших газов через ряд каталитических и не каталитических секций 7 происходит его постепенное расширение, связанное со снижением избыточного давления газов за счет преодоления гидравлического сопротивления системы без гидравлических ударов и обеспечивается шумоглушение, так как давление отработавших газов на выходе из выпускной трубы 3 практически равно атмосферному.

Пример 1. При очистке 210 кг/ч отработавшего газа масса гранулированного катализатора в нейтрализаторе М-13 составляет 1,5 кг (Автомобильная промышленность, №12, 1985, с.14-16), что соответствует очистке около 150000 л/ч газа в объеме трех литров слоя гранулированного катализатора и удельной нагрузке на катализатор на уровне 50000 ч^-1.

Пример 2. При очистке 150000 л/ч газа в условиях гетерогенно-гомогенного окисления примесей на тонкослойном катализаторном покрытии удельная нагрузка на катализатор составляет 1000000-500000 ч^-1, что соответствует повышению интенсивности работы катализатора в 20-10 раз и позволяет разместить в нейтрализаторе-глушителе по заявляемому изобретению в катализаторном покрытии, наносимом на элементы из высокопорозностного материала, всего 75-150 г катализатора. При условной стоимости катализатора около 2000 руб./кг экономия на затратах на катализатор составит на 1 нейтрализатор-глушитель около 2700-2800 руб.

Пример 3. Внешний шум неподвижного автомобиля ВАЗ-2101 при снятом стандартном глушителе и работающем двигателе составляет 200 дБА, что в 2,5 раза превышает предельно допустимый уровень шумности в 80 дБА.

Пример 4. Внешний шум неподвижного автомобиля ВАЗ 2101 при снятом стандартном глушителе и установленном нейтрализаторе-глушителе без катализаторного покрытия набора высокопорозностных элементов и работающем двигателе составляет 65-67 дБА, что существенно ниже предельно допустимого уровня шумности в 80 дБА.

Положительный эффект изобретения заключается в повышении степени очистки отработавшего газа, повышения надежности работы нейтрализатора-глушителя и снижения затрат на дорогостоящий катализатор за счет перевода процесса дожигания углеводородов и оксида углерода из кинетической области протекания процесса в десятки раз более интенсивную гетерогенно-гомогенную область и снижения шумности работы, позволяющих совместить в нейтрализаторе-глушителе одновременно свойства каталитического нейтрализатора и глушителя.

Экономическая эффективность изобретения заключается в возможности снижения затрат на катализатор, возможности исключения стандартного глушителя из системы сброса отходящих газов. При экономии средств около 3000 руб. на один нейтрализатор-глушитель суммарная экономия при установке нейтрализаторов-глушителей на 50 тысяч автомобилей составит около 150 млн руб.

Изобретение может быть использовано для очистки отработавших газов ДВС от вредных веществ для защиты окружающей среды и одновременного шумоглушения при выбросе отработавших газов в атмосферу. Нейтрализатор-глушитель включает газоприемную, промежуточную и выпускную трубы с каталитическими секциями, при этом начальный участок промежуточной трубы выполнен гофрированным, внутренняя поверхность газоприемной трубы и гофрированного и последующего участков промежуточной трубы имеет катализаторное покрытие, каталитические секции выполнены в виде набора высокопорозностных элементов с катализаторным покрытием, в каждой каталитической секции высокопорозностные элементы с катализаторным покрытием размещены с зазорами на оси, причем оси каталитических секций в газоприемной и выпускной трубах выполнены гибкими, а на гофрированном и последующем участках промежуточной трубы ось выполнена жесткой, гибкие оси закреплены в передней и задней трубчатых крестовинах или поперечных трубках по осевой линии, задний конец жесткой оси зафиксирован в задней трубчатой крестовине или поперечной трубке, передний конец жесткой оси в виде тела вращения введен в центральное отверстие передней трубчатой крестовины или поперечной трубки, передние трубчатые крестовины или поперечные трубки зафиксированы в начале газоприемной и промежуточной труб и в выпускной трубе, при этом передняя и задняя трубчатые крестовины или поперечные трубки каталитических секций, расположенных в гофрированном и последующем участках промежуточной трубы, скреплены разборным каркасом, выполненным из материала с высоким коэффициентом температурного линейного удлинения, а жесткая ось выполнена из материала с низким коэффициентом температурного линейного удлинения, открытые концы передних трубчатых крестовин или поперечных трубок каталитических секций, расположенных в газоприемной и промежуточных трубах, снабжены воздухозаборными устройствами, выведенными вне газоприемной и промежуточной труб, а на обратной по ходу отработавших газов стороне трубчатых крестовин или поперечных трубок выполнены радиальные отверстия, при этом в конце промежуточной трубы и в выпускной трубе установлены высокопорозностные элементы, не имеющие катализаторного покрытия, являющиеся шумоглушителями. 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Нейтрализатор-глушитель отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий газоприемную, промежуточную и выпускную трубы с каталитическими секциями, воздухозаборные устройства и шумоглушители, отличающийся тем, что начальный участок промежуточной трубы выполнен гофрированным, внутренняя поверхность газоприемной трубы и гофрированного и последующего участков промежуточной трубы имеет катализаторное покрытие, каталитические секции выполнены в виде набора высокопорозностных элементов с катализаторным покрытием, в каждой каталитической секции высокопорозностные элементы с катализаторным покрытием размещены на оси, причем оси каталитических секций в газоприемной и выпускной трубах выполнены гибкими, а на гофрированном и последующем участках промежуточной трубы ось выполнена жесткой, гибкие оси закреплены в передней и задней трубчатых крестовинах или поперечных трубках по осевой линии, задний конец жесткой оси зафиксирован в задней трубчатой крестовине или поперечной трубке, передний конец жесткой оси в виде тела вращения введен в центральное отверстие передней трубчатой крестовины или поперечной трубки, передние трубчатые крестовины или поперечные трубки зафиксированы в начале газоприемной и промежуточной труб и в выпускной трубе, при этом передняя и задняя трубчатые крестовины или поперечные трубки каталитических секций, расположенных в гофрированном и последующем участках промежуточной трубы, скреплены разборным каркасом, выполненным из материала с высоким коэффициентом температурного линейного удлинения, а жесткая ось выполнена из материала с низким коэффициентом температурного линейного удлинения, открытые концы передних трубчатых крестовин или поперечных трубок каталитических секций, расположенных в газоприемной и промежуточной трубах, снабжены воздухозаборными устройствами, выведенными вне газоприемной и промежуточной труб, а на обратной по ходу отработавших газов стороне трубчатых крестовин или поперечных трубок выполнены радиальные отверстия, при этом в конце промежуточной трубы и выпускной трубе установлены высокопорозностные элементы, не имеющие катализаторного покрытия.2. Нейтрализатор-глушитель по п.1, отличающийся тем, что воздухозаборные устройства обеспечивают фиксацию передних трубчатых крестовин или поперечных трубок на газоприемной и промежуточной трубах.3. Нейтрализатор-глушитель по п.1, отличающийся тем, что радиальные отверстия на передних трубчатых крестовинах или поперечных трубках выполнены с уменьшающимися сечениями от периферии к центру.4. Нейтрализатор-глушитель по п.1, отличающийся тем, что внутренний диаметр гофрированного участка промежуточной трубы равен внутреннему диаметру промежуточной трубы.5. Нейтрализатор-глушитель по п.1, отличающийся тем, что воздухозаборные устройства, установленные на промежуточной трубе, выведены вне днища автомобиля.6. Нейтрализатор-глушитель по п.1, отличающийся тем, что сопряжение газоприемной, промежуточной и выпускной труб обеспечено охватами.