НЕЙТРАЛИЗАТОР-ГЛУШИТЕЛЬ Российский патент 2005 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 с целью защиты окружающей среды и для одновременного шумоглушения при выбросе отработавших газов в атмосферу. Изобретение может быть также использовано в многочисленных устройствах с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), не снабженных нейтрализаторами отработавших газов и эффективными устройствами шумоглушения с целью улучшения экологии.

Известен каталитический нейтрализатор-глушитель (а.с. №1751370, БИ №28, 1992) отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с двумя торцевыми стенками, входным по оси и выходным в центральной части перпендикулярно оси патрубками и концентрически расположенную в средней части корпуса трубу, в кольцевой зазор которого по краям установлены моноблоки с катализаторным покрытием.

Недостатком этого устройства является необходимость специального корпуса, который снижает дорожный просвет (клиренс), возможности разрушения каталитических моноблоков от вибрации, возможное засорение сажей каналов моноблока. Рекомендуется устройство для систем выпуска автомобилей-самосвалов КамАЗ и КрАЗ с дизельным двигателем, так как возникают дополнительные гидравлические потери при поворотах газового потока.

Известен нейтрализатор-глушитель отработавших газов ДВС, содержащий корпус с газоприемной и газовыводной трубами, систему перфорированных перегородок, образующих две секции с зернистым катализатором внутри. Устройство исключает проскок газа без контакта с катализатором, не допускает деформацию элементов конструкции при высоких температурах, а также создает некоторый эффект шумопоглощения (патент Японии, №55-26290, опубликован 12.07.80).

Недостатком данного изобретения является необходимость специального корпуса, размер которого уменьшает клиренс, снижает проходимость, усложняет конструкцию системы, не исключает измельчение катализатора при вибрации с последующим его уносом, увеличивает общее гидравлическое сопротивление, не обеспечивает очистку газа при резком повышении концентрации углеводородов.

Известен также нейтрализатор-глушитель (заявка Великобритании №1493398, опубликована 30.11.77 “Двигатель внутреннего сгорания с каталитической системой конвертирования выхлопных газов”), содержащий коллектор ДВС, газоприемную, промежуточную и выпускную трубы, три последовательно установленные в самостоятельных корпусах каталитические секции с катализаторами окисления, восстановления и окисления соответственно, штатный глушитель в выпускной трубе и узел автоматической принудительной подачи вторичного воздуха в коллектор ДВС и промежуточную трубу перед третьей катализаторной секцией.

Недостатком нейтрализатора-глушителя такого типа является значительная сложность системы нейтрализации с тремя корпусами на трубопроводе отработавших газов, с двумя воздуходувками для подачи вторичного воздуха с приводами от ДВС или электродвигателей; сложная система регулирования расходов вторичного воздуха в зависимости от температуры в ДВС; снижение дорожного просвета; потери мощности ДВС на обеспечение работы всей системы и преодоление дополнительного гидравлического сопротивления.

Известна каталитическая выпускная система для ДВС (заявка Великобритании №1419136, 24.12.75), содержащая газоприемную, промежуточную и выпускную трубы, имеющие множество прямолинейных участков и колен и штатный глушитель. Прямолинейные участки снабжены пористыми монолитными каталитическими элементами (сотовый катализатор для этой выпускной системы по заявке Великобритании №1418912, 24.12.75), окруженные упругими волокнистыми рукавами для предохранения хрупких элементов от разрушения и для фиксации элементов в трубах.

Недостатком данного изобретения является:

- Неразборность конструкции (каталитические элементы устанавливаются между изгибами, а изгиб осуществляют после установки элементов или элементы фиксируются кернением), исключается возможность замены каталитических элементов при их разрушении или дезактивации и т.п.

- Наличие штатного глушителя большего диаметра, чем трубы системы, что уменьшает дорожный просвет.

- Множество пористых каталитических элементов - сотовый катализатор с волокнистыми рукавами устанавливается с зазором во всех трубах выпускной системы - и штатный глушитель создают дополнительное гидравлическое сопротивление.

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 автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, содержащих газоприемную, промежуточную, выпускную трубы, системы нейтрализации и шумоглушения и устройства подачи вторичного воздуха:

- газоприемная труба выполнена из гофрированного с коллектором вначале и трубного фасонного и прямолинейного участков в конце;

- промежуточная и выпускная трубы выполнены из холодо- и теплостойкой пластмассы;

- система нейтрализации, размещенная в газоприемной трубе, покрытой внутри катализаторной пленкой, и система шумоглушения, размещенная в конце промежуточной и выпускной труб, включают унифицированные скрученные рулоны металлической сетки, размещенные с зазором на гибкой оси в гофрированном участке газоприемной трубы в конце промежуточной и выпускной труб, в прямолинейном участке газоприемной трубы рулоны размещены с зазором на жесткую ось, выполненную из материала с высоким коэффициентом температурного линейного удлинения, рулоны охвачены каркасом из материала с низким коэффициентом температурного линейного удлинения, при этом в системе нейтрализации сетка покрыта катализаторной пленкой в начале гофрированного участка на основе катализатора окисления, в конце гофрированного участка на основе катализатора восстановления и в прямолинейном участке на основе катализатора окисления, по концам рулоны сетки снабжены крестовинами из плоских вдоль оси пластин, при этом в газоприемной, в конце промежуточной и выпускной трубах начальные крестовины закреплены, а конечные крестовины свободны;

- устройства подачи вторичного воздуха выполнены в виде инжекционных узлов с сопловыми вставками, которые установлены во входы коллектора гофрированного участка и во вход прямолинейного участка газоприемной трубы, при этом кольцевые зазоры между сопловыми вставками и газоприемной трубой через щелевые отверстия в них сообщаются с атмосферой, причем щелевые отверстия прямолинейного участка охвачены коллектором, внутреннее пространство которого с помощью штуцера и шланга сообщается с атмосферой вне днища автомобиля, щели изнутри наполовину закрыты кольцевой задвижкой, являющейся одновременно каркасом для рулонов, длинные лепестки каркаса которого закрепляются на концах свободной крестовины, короткие лепестки отогнуты в сторону осевой линии с разворотом, в конце фасонного участка газоприемной трубы установлен съемный фильтрующий элемент.

Такое устройство нейтрализатора-глушителя позволяет:

1. Снизить расход и стоимость катализатора за счет использования вместо зернистого слоя катализатора катализаторной пленки на металлическом носителе и перевода каталитических реакций нейтрализации - глубокого окисления углеводородов и оксида углерода в диоксид углерода и воду и восстановления оксидов азота до азота из гетерогенной области протекания процесса в высокоинтенсивную гетерогенно-гомогенную область протекания процесса благодаря конструкции высокоповерхностных с большими зазорами скрученных рулонов металлической сетки с катализаторной пленкой на поверхности сетки, за счет использования не содержащих драгоценных металлов катализаторов окисления и восстановления, обладающих также бифункциональными свойствами.

2. Исключить перегрев и дезактивацию катализатора за счет постепенного снижения концентрации токсичных веществ с использованием в области высоких температур термостойких, дешевых, но менее активных катализаторов, чем катализаторы в области пониженных температур по ходу движения отработавших газов.

3. Повысить полноту и глубину нейтрализации отработавших газов за счет выравнивания концентрации токсичных примесей в пространстве зазоров между рулонами с катализаторной пленкой.

4. Обеспечить дозированный и регулируемый подсос вторичного воздуха в зоны окисления примесей за счет инжекционных узлов в зависимости от режима работы двигателя и температуры разогрева катализатора.

5. Обеспечить постепенное снижение шума на протяжении всего газового тракта нейтрализатора-глушителя при прохождении газа сквозь рулоны с каталитической и без каталитической пленки и по пластмассовым трубам в конце промежуточной и выпускной труб, учитывая также пластмассовую природу этих труб.

6. Снять механические напряжения в газоприемной трубе, возникающие при возможном повышении температуры отработавших газов из-за интенсивного окисления органических примесей за счет выполнения газоприемной трубы из гофрированного участка вначале нейтрализатора-глушителя.

7. Исключить проскоки части отработавшего газа без нейтрализации за счет наличия каталитической пленки на внутренней поверхности газоприемной трубы.

8. Обеспечить быстрый монтаж и демонтаж нейтрализатора-глушителя.

На фиг.1 и 2 изображен нейтрализатор-глушитель в сборе.

На фиг.3 - в разрезе элементы системы нейтрализации, размещенные в трубном прямолинейном участке газоприемной трубы,

На фиг.4 изображен коллектор газоприемной трубы с сопловой вставкой.

На фиг.5 изображена сопловая вставка в прямолинейном участке газоприемной трубы.

На фиг.6, 7, 8, 9 показаны кольцевая задвижка-каркас и крестовина с элементами задвижки.

Нейтрализатор-глушитель состоит из стальной газоприемной (1, 2, 3, 4), из пластмассовой промежуточной (5) и выпускной (6) труб, соединенных между собой охватами (7). Газоприемная труба состоит из гофрированного (1) с коллектором (2), фасонного (3) и прямолинейного участков.

Система нейтрализации отработавших газов размещена в газоприемной трубе (1, 2, 3, 4) с нанесенной на внутреннюю поверхность катализаторной пленкой и включает скрученные рулоны (8) металлической сетки, размещенными с зазорами на гибкую ось (9). В гофрированном участке газоприемной трубы, в прямолинейном (4) участке газоприемной трубы рулоны размещены с зазором на жесткую ось (11), которые охвачены каркасом. Зазор между рулонами осуществляется с помощью втулок и жестких сетчатых перегородок 24, устанавливаемых и у крестовин. В системе нейтрализации сетка рулонов покрыта катализаторной пленкой. По концам оси (9, 10) с рулонами (8) снабжены крестовинами из плоских вдоль осей пластин (10, 12, 13). Крестовина 10 на гибкой оси выполнена складывающейся для удобства ввода ее с рулонами через отверстия коллектора (2) в гофрированный участок (1) газоприемной трубы, с упором в ее начало.

Крестовина (12) закреплена в начале прямолинейного участка (4). Вариант устройства крестовины (12) и ее крепление на трубе (4) дан на фиг.7 (развернуто на 45°). Конечные крестовины (13), как на гибкой, так и на жесткой осях свободны относительно газоприемной трубы. Вариант исполнения свободной крестовины (13) дан на фиг.1 и 9.

Устройства подачи вторичного воздуха (14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21) выполнены в виде инжекционных узлов в начале гофрированного участка (1) и в начале прямолинейного участка газоприемной трубы (4). В выточку фланца коллектора (2) гофрированного участка (1) устанавливается сопловая вставка (14). За фланцем имеются отверстия (15) для входа воздуха (см. фиг.4). Устройство и вариант крепления сопловой вставки (16) к трубе (4) дан на фиг.3 и 5. В зазоре между сопловой вставкой и трубой (4) выполнены щели (17), охваченные коллектором (18) со штуцером (19), на который надевается шланг забора воздуха вне днища автомобиля (не показан). Щели (17) на половину прикрыты кольцевой задвижкой (20), являющейся одновременно каркасом для рулонов (8) с катализаторной пленкой на сетке. На фиг.6 показана кольцевая задвижка-каркас (20), имеющая длинные лепестки (21), охватывающие рулон и закрепляемые на свободной крестовине (13). Вариант крепления показан на фиг.9. На кольце задвижки (20) имеются короткие лепестки (22), отогнутые к оси трубы (4) разворотом. Лепестки 22 служат для распределения вторичного воздуха по сечению трубы (4).

На выходном конце фасонного участка (3) газоприемной трубы устанавливается быстросъемный фильтр (23) из высокопорозностного материала с высокой проницаемостью для улавливания сажевых частиц.

Сетчатые рулоны без катализаторной пленки размещаются с определенным зазором в конце промежуточной трубы (5), заменяя штатный резонатор в газоотводящей системе и в выпускной трубе (6), заменяя штатный глушитель в газоотводящей системе.

Нейтрализатор-глушитель работает следующим образом. Отработавшие газы из коллектора двигателя с высокой температурой поступают в коллектор (2) газоприемной трубы (15), создавая в зазорах между вставками и трубой разрежение, через отверстия (15, 17) которых в зазор и в коллектор (2) поступает вторичный воздух. Смешавшись с отработавшими газами, углеводороды, оксид углерода и другие компоненты смеси вступают во взаимодействие с катализаторной пленкой сеток рулонов и с коротко живущими радикалами в объеме газа, частично окисляясь до диоксида углерода и воды. Далее смесь, обедненная кислородом и имея в составе оксид углерода, поступает на рулоны с катализатором восстановления, с помощью которого оксиды азота восстанавливаются до азота. Затем газовая смесь проходит фильтр (23), на котором отделяются частицы сажи, образующиеся при некоторых режимах работы двигателя.

На каталитических рулонах (8) с активной катализаторной пленкой окисления, размещенных на трубном прямолинейном участке (4) в конце газоприемной трубы, происходит доокисление оставшихся углеводородов и оксида углерода. При проскоках значительных количеств этих примесей может произойти значительное повышение температуры, особенно на прямолинейном участке газоприемной трубы. Чтобы исключить дезактивацию катализатора предусмотрено снижение температуры за счет подачи в зону реакции большого количества холодного воздуха. При повышении температуры выше среднего значения температуры, необходимой для процесса, происходит температурное линейное удлинение жесткой оси (11). Вместе с ней перемещается крестовина (13) с кольцевой задвижкой-каркасом (20), имеющим значительно более низкий коэффициент температурного линейного удлинения, чем жесткая ось (11). За счет такого перемещения происходит дополнительное увеличение проходного сечения щели (17) и поступает большее количество холодного воздуха, понижающего температуру в зоне реакции окисления до оптимальной величины. При снижении температуры кольцевая задвижка перемещается в обратном направлении. Далее обезвреженные отработавшие газы последовательно проходят сетчатые рулоны в конце промежуточной и выпускной труб, где и осуществляется процесс шумоглушения. Процесс постепенного шумоглушения происходит уже при прохождении отработавших газов через рулоны в газоприемной трубе. Следует отметить положительное влияние на процесс шумоглушения материального исполнения промежуточной и выпускной труб, например из пластмассы. Трубные участки (3, 4) теплоизолируются для исключения резких температурных колебаний в работе системы нейтрализации.

На выходном конце фасонной части (3) трубного участка газоприемной трубы для улавливания сажевых частиц устанавливается фильтр (23) из высокопрочного материала.

Изобретение предназначено для автотранспорта и может быть использовано для очистки отработавших газов ДВС от вредных веществ с целью защиты окружающей среды и для одновременного шумоглушения при выбросе отработавших газов в атмосферу. Устройство содержит газоприемную, промежуточную, выпускную трубы, системы нейтрализации и шумопоглощения и устройства подачи вторичного воздуха, газоприемная труба выполнена из гофрированного с коллектором вначале и трубного фасонного и прямолинейного участков в конце; промежуточная и выпускная трубы выполнены из холодо- и теплостойкой пластмассы; система нейтрализации, размещенная в газоприемной трубе, покрытой внутри катализаторной пленкой, и система шумоглушения, размещенная в конце промежуточной и выпускной труб, включают унифицированные скрученные рулоны металлической сетки, размещенные с зазором на гибкой оси в гофрированном участке газоприемной трубы в конце промежуточной и выпускной труб, в системе нейтрализации сетка покрыта катализаторной пленкой в начале гофрированного участка на основе катализаторов окисления, в конце - восстановления и в прямолинейной части трубного участка на основе катализаторов окисления, по концам рулоны сетки снабжены крестовинами из плоских вдоль оси пластин; устройства подачи вторичного воздуха выполнены в виде инжекционных узлов с сопловыми вставками, которые установлены во входы коллектора гофрированного участка и во вход прямолинейного участка газоприемной трубы. 9 ил.

Нейтрализатор-глушитель отработавших газов автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, содержащих газоприемную, промежуточную, выпускную трубы, системы нейтрализации и шумоглушения и устройства подачи вторичного воздуха, отличающийся тем, что газоприемная труба выполнена из гофрированного с коллектором вначале и жестких фасонного и прямолинейного участков в конце, промежуточная и выпускная трубы выполнены из холодо- и теплостойкой пластмассы, система нейтрализации, размещенная в газоприемной трубе, покрытой внутри катализаторной пленкой и система шумоглушения, размещенная в конце промежуточной и выпускной труб, включают унифицированные скрученные рулоны металлической сетки, размещенные с зазором на гибкой оси в гофрированном участке газоприемной трубы в конце промежуточной и выпускной труб, в прямолинейном участке газоприемной трубы рулоны размещены с зазором на жесткую ось, выполненную из материала с высоким коэффициентом температурного линейного удлинения, рулоны на которой охвачены каркасом из материала с низким коэффициентом температурного линейного удлинения, при этом в системе нейтрализации сетка покрыта катализаторной пленкой в начале гофрированного участка на основе катализатора окисления, в конце гофрированного участка на основе катализатора восстановления и в прямолинейном участке на основе катализатора окисления, по концам рулоны сетки снабжены крестовинами из плоских вдоль оси пластин, при этом в газоприемной, в конце промежуточной и выпускной трубах начальные крестовины закреплены, а конечные крестовины свободны, устройства подачи вторичного воздуха выполнены в виде инжекционных узлов с сопловыми вставками, которые установлены во входы коллектора гофрированного участка и во вход прямолинейного участка газоприемной трубы, при этом кольцевые зазоры между сопловыми вставками и газоприемной трубой через щелевые отверстия в них сообщаются с атмосферой, причем щелевые отверстия прямолинейного участка охвачены коллектором, внутреннее пространство которого с помощью штуцера и шланга сообщается с атмосферой вне днища автомобиля, щели изнутри наполовину закрыты кольцевой задвижкой, являющейся одновременно каркасом для рулонов, длинные лепестки каркаса которого закрепляются на концах свободной крестовины, короткие лепестки отогнуты в сторону осевой линии с разворотом, в конце фасонного участка газоприемной трубы установлен съемный фильтрующий элемент.