КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НЕЙТРАЛИЗАТОР ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2007 года по МПК F01N3/02 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в выхлопных устройствах, снабженных средствами очистки и нейтрализации отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.

Известен каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с двойными стенками и теплоизоляцией между ними, впускной и выпускной патрубки, пористые фильтры из металлокерамики, установленные последовательно в корпусе, и расположенное в центре корпуса распределительное устройство цилиндрической формы с отверстием по всей длине с установленной внутри него головкой подвода отработавших газов, при этом головка подвода отработавших газов выполнена в виде поршня с отверстиями, причем уплотнительный гофрированный элемент закреплен с одной стороны на днище поршня, а с другой - на торце цилиндра (патент РФ №2198303 от 10.02.2003 г., МПК F01N 3/28).

Однако данный нейтрализатор не обеспечивает необходимую нейтрализацию оксидов азота, углеводородов и оксида углерода. Это объясняется тем, что для нейтрализации оксидов азота целесообразно применять высокотемпературный фильтр с определенным материалом катализатора (платина), а для нейтрализации оксида углерода и углеводородов необходим, во-первых, подвод кислорода (воздуха) для сжигания оксида углерода и углеводородов, а во-вторых, использовать низкотемпературный фильтр с определенным материалом катализатора (60% диоксида марганца MnO₂ и 40% оксида меди CuO), кроме того, в известном нейтрализаторе не предусмотрена очистка отработавших газов от сажи, что приведет к засорению пористых фильтров и к отказам в работе нейтрализатора.

Данный нейтрализатор оказывает значительное сопротивление движению отработавших газов как при их перетекании через отверстия в поршне и в отверстия в цилиндре при последовательном перетекании газов через несколько пористых фильтров при увеличении частоты вращения коленчатого вала, так и поворотах газового потока на угол, равный 180°, при перетекании газов из полости поршня, полости пористых фильтров и при поворотах на угол, равный 90°, при перетекании из нижнего пористого фильтра в выпускной трубопровод и при перетекании во впускном трубопроводе. Кроме того, часть энергии газов затрачивается на подъем поршня.

Все вышесказанное приведет к повышенному сопротивлению движению отработавших газов в выпускной системе, к ухудшению очистки цилиндров двигателя от отработавших газов, к снижению наполнения цилиндров свежим зарядом и, как следствие, уменьшению мощности и ухудшению экономичности работы двигателя, к снижению надежности его работы.

Известен каталитический нейтрализатор для дизеля (патент РФ №2075605, 1997 г., МПК F01N 3/28), содержащий корпус с двойными стенками и теплоизоляцией между ними, патрубки входа и выхода, перегородки, высокотемпературный и низкотемпературный пористые фильтры из металлокерамики, при этом высокотемпературный и низкотемпературный пористые фильтры размещены внутри корпуса последовательно друг за другом с образованием трех полостей, а в центральной части корпуса установлена труба, соединенная с патрубком входа и имеющая окна, которые сообщаются с двумя полостями, образованными каталитическими фильтрами, в трубе размещена поворотная труба с окнами, совпадающими по конфигурации и местоположению с окнами внешней трубы, кроме того, в нейтрализатор введен поворотный механизм, который установлен вне корпуса и имеет привод. Привод содержит цилиндр, например гидравлический, соединенный с системой смазки двигателя через золотниковый редуктор, датчик температуры, преобразователь сигналов и исполнительный элемент.

Однако известный каталитический нейтрализатор не обеспечивает надежную очистку от сажи и обезвреживание отработавших газов двигателя внутреннего сгорания при работе на различных режимах работы, особенно при его пуске и прогреве.

Это объясняется тем, что данный каталитический нейтрализатор не имеет устройства для очистки отработавших газов от сажи и для поддержания оптимального теплового режима высокотемпературного и низкотемпературного пористых фильтров.

Кроме того, рассматриваемый каталитический нейтрализатор оказывает значительное сопротивление движущемуся через него потоку выхлопных газов, что ухудшает очистку камер сгорания цилиндров двигателя от выхлопных газов и наполнение цилиндров свежим зарядом. Это будет способствовать ухудшению условий для протекания процесса сгорания и, как следствие, к снижению надежности работы двигателя.

Последняя конструкция каталитического нейтрализатора является наиболее близкой по технической сущности к заявляемой конструкции каталитического нейтрализатора и принята за прототип.

Технический результат направлен на обеспечение селективности и надежности работы предлагаемого каталитического нейтрализатора, а также на повышение надежности работы двигателя, повышение его мощности и уменьшение расхода топлива.

Технический результат достигается тем, что в каталитическом нейтрализаторе для двигателя внутреннего сгорания, содержащем корпус с двойными стенками и теплоизоляцией между ними, патрубки входа и выхода отработавших газов, высокотемпературный и низкотемпературный пористые фильтры, фильтры содержат цилиндрические кассеты, а внутри корпуса дополнительно установлены два осевых вентилятора с направляющими лопатками потока отработавших газов, причем вентиляторы размещены на валу привода, вращающемся на двух шариковых подшипниках, установленных в ступицах направляющих лопаток, вращение к валу привода осевых вентиляторов передается от электродвигателя постоянного тока через редуктор, установленный на переднем конце вала привода осевых вентиляторов и имеющий обтекатель отработавших газов, за направляющими лопатками переднего осевого вентилятора размещен сажеотделитель с сажесборником, последний имеет электрическую нагревательную спираль, управляемую включателем, трубопровод для отвода продуктов сгорания сажи в патрубок выхода отработавших газов, а в зону перед низкотемпературным пористым фильтром подводится кислород из ресивера, при этом корпус нейтрализатора вращается вокруг своей продольной оси с приводом от электродвигателя, предназначенного для его вращения.

Известно, что в цилиндрах двигателя при протекании процессов сгорания и расширения, а также в выпускной системе образуются оксиды азота N₂O₅, N₂О₃, N₂O, NO₂, NO [1], молекулярная масса которых равна соответственно M_N2O5=108 г/моль, M_N2O3=76 г/моль, M_N2O=44 г/моль, М_NO2=46 г/моль, M_NO=30 г/моль. Причем 90% от общего количества оксидов азота в дизелях составляет оксид азота NO, а в бензиновых двигателях - более 90%.

В предлагаемом каталитическом нейтрализаторе общий поток оксидов азота разделяется на отдельные потоки (N₂O₅, N₂O₅, N₂O, NO₂, NO) под действием центробежных сил, воздействующих на различные молекулярные массы. Каждый поток направляется в определенную кассету, выполненную в виде носителя (керамика) с нанесенным на нее металлом-катализатором (платина, оксид меди, оксид меди-марганца). Причем кассета, предназначенная для нейтрализации оксидов азота (NO), имеет наибольшую площадь и располагается ближе к продольной оси корпуса нейтрализатора.

Установка внутри корпуса двух осевых вентиляторов с направляющими лопатками потока отработавших газов обеспечивает послойное направленное движение оксидов азота, углеводородов и оксида углерода в строго определенные кассеты высокотемпературного и низкотемпературного пористых фильтров. Установка в корпусе нейтрализатора двух осевых вентиляторов также обеспечивает создание в патрубке входа отработавших газов пониженного давления, что способствует улучшению очистки цилиндров двигателя от отработавших газов, улучшению наполнения цилиндров свежим зарядом и, как следствие, улучшению экономичности, повышению мощности и улучшению надежности работы. В корпусе нейтрализатора установлен сажеотделитель с сажесборником, имеющим электрическую нагревательную спираль для сжигания сажи и трубопровод для отвода продуктов сгорания сажи в патрубок выхода отработавших газов. Для отделения сажи из потока отработавших газов под действием центробежных сил вращающихся масс и для разделения общего потока газов на отдельные потоки различных по молекулярной массе оксидов азота (NO, NO₂, N₂O, N₂O₃, N₂O₅) углеводородов и оксида углерода применено вращение корпуса нейтрализатора вокруг своей продольной оси с приводом от электродвигателя постоянного тока через редуктор. С целью обеспечения дожигания оксида углерода и углеводородов в зону перед низкотемпературным пористым фильтром подводится кислород из ресивера.

На фиг.1 и 2 представлено устройство каталитического нейтрализатора для двигателя внутреннего сгорания.

Каталитический нейтрализатор для двигателя внутреннего сгорания содержит корпус 1 (фиг.2) с двойными стенками: наружной 2 (фиг.1) и внутренней 3 с теплоизоляцией 4 между ними, патрубки входа 5 и выхода 6 выхлопных газов, цилиндрические кассеты 8, 9, 10, 11, 12 высокотемпературного и кассеты 13, 14 низкотемпературного пористых фильтров, два вентилятора 15, 16 с направляющими лопатками 17, 18 потока отработавших газов, сажеотделитель 19 с сажесборником 20, который соединен трубопроводом 21 с трубкой 22, размещенной в патрубке 6 выхода отработавших газов.

Наружная стенка 2 и внутренняя стенка 3 соединяются с патрубком входа 5 и выхода 6 отработавших газов с помощью стяжных болтов 23. Кассеты 8, 9, 10, 11, 12 высокотемпературного и кассеты 13, 14 низкотемпературного пористых фильтров выполнены из металлокерамики с покрытием поверхности пор соответственно металлами - катализаторами (платиной, оксидом меди, оксидом меди-марганца и 60% диоксида марганца и 40% оксида меди). Применение указанных материалов позволяет дожигать частицы сажи и на 96-98% нейтрализовать оксиды азота в кассетах 8, 9, 10, 11, 12 высокотемпературного пористого фильтра и в кассетах 13 и 14 низкотемпературного пористого фильтра.

Вентиляторы 15 и 16 предназначены для создания потока отработавших газов, проходящих через направляющие лопатки 17 и 18, сажеотделитель 19, кассеты 8, 9, 10, 11, 12 высокотемпературного и в кассеты 13 и 14 низкотемпературного пористых фильтров, а также для понижения давления в патрубке входа 5 выхлопных газов.

Вентиляторы 15, 16 размещены на валу привода 24, который установлен на двух шариковых подшипниках 25 и 26, установленных в ступицах направляющих лопаток 27 и 28 потока отработавших газов.

Вал привода 24 вентиляторов 15, 16 приводится во вращение через шестеренчатый редуктор 29 от вала электродвигателя постоянного тока 30. Электрический двигатель 30 постоянного тока при замыкании контактов включателя 31 подключается к источнику постоянного тока.

Направляющие лопатки 17, 18 предназначены для создания направленного осевого потока отработавших газов в сажеотделителе 19, в кассетах 8, 9, 10, 11 и 12 высокотемпературного и в кассетах 13 и 14 низкотемпературного пористых фильтров. Для уменьшения сопротивления потоку выхлопных газов на переднем конце вала привода 24 вентилятора 15, 16 установлен конический обтекатель 32.

Сажеотделитель 19 предназначен для отделения сажи из потока отработавших газов и удаления ее в сажесборник 20. Сажеотделитель 19 имеет окна 33, выполненные во внутренней стенке 3 корпуса 1 нейтрализатора.

Внутри сажесборника 20 размещена электрическая нагревательная спираль 34, в которую поступает электрический ток от источника постоянного тока при замыкании контактов включателя 35. Продукты сгорания сажи отсасываются посредством трубопровода 21 и трубки 22 в патрубок выхода 6 отработавших газов.

С целью обеспечения нейтрализации оксида углерода и углеводородов в корпус 1 нейтрализатора из ресивера 49 подается кислород. Трубопровод 36, соединяющий ресивер 49 с корпусом 1 нейтрализатора, закреплен на неподвижном П-образном кольце 37, который скользит относительно подвижного кольца 38.

Корпус 1 (фиг.2) нейтрализатора приводится во вращение от электродвигателя постоянного тока 39 через шестеренчатый редуктор 40. Электродвигатель постоянного тока 39 подключается к источнику постоянного тока с помощью включателя 41.

Корпус 1 нейтрализатора вращается на двух шариковых подшипниках 42 и 43, установленных между патрубком входа 5 и передней выхлопной трубой 44 и между патрубком выхода 6 и задней выхлопной трубой 45. Уплотнение зазора между выпускными трубами 44 и 45 и патрубком входа 5 и патрубком выхода 6 осуществляется с помощью лабиринтного уплотнения, состоящего из колец 49. Электродвигатель 30 привода вентиляторов 15 и 16 крепится к патрубку входа 5 на кронштейне 47, а электродвигатель 39, предназначенный для вращения корпуса 1 нейтрализатора, крепится к раме автомобиля на кронштейне 48.

Предлагаемый каталитический нейтрализатор работает следующим образом.

При пуске двигателя водитель включает включатели 35 и 41. При включении включателя 31 из источника постоянного электрического тока в электродвигатель 30 будет поступать электрический ток и от вала электродвигателя 30 через шестеренчатый редуктор 29 на вал привода 24 осевых вентиляторов 15, 16 будет передаваться крутящий момент. При включении включателя 41 крутящий момент от вала электродвигателя 39 передается через шестеренчатый редуктор 40 на корпус 1 нейтрализатора отработавших газов, который будет вращаться относительно своей продольной оси. При этом электродвигатель 39 будет оставаться неподвижным, т.к. прикреплен к раме автомобиля с помощью кронштейна 48.

Под действием напора, создаваемого осевыми вентиляторами 15, отработавшие газы перетекают через направляющие лопатки 17, которые обеспечивают прямолинейное движение потока газов в сажеотделителе 19.

Под действием центробежных сил, действующих на частицы сажи, последние попадают в окна 33 сажеотделителя 19 и собираются в сажесборнике 20, где сгорают под действием теплоты, проводимой от электрической нагревательной спирали 34. Из сажесборника 20 продукты сгорания через трубопровод 21 и трубку 22 отсасываются в патрубок выхода 6 и поступают в заднюю выпускную трубу 45 (фиг.2).

Под действием центробежных сил, воздействующих на поток оксидов азота (N_ox), последние разделяются на отдельные потоки (N₂O₅, N₂O₃, N₂O, NO₂, NO) и направляются в цилиндрические кассеты соответственно 12, 11, 10, 9 и 8. В указанных кассетах происходит их нейтрализация в присутствии различных катализаторов.

Далее отработавшие газы поступают через осевой вентилятор 16 и направляющие лопатки 18 в цилиндрическую полость 46, в которой под действием центробежных сил происходит отделение потока оксида углерода СО от потока несгоревших углеводородов С_nН_m. Поток молекул несгоревших углеводородов C_nH_m как более тяжелых движется у внутренней стенки 3 корпуса 1 нейтрализатора и поступает в цилиндрическую кассету 14, а поток оксида углерода как более легкий поступает в цилиндрическую кассету 13, расположенную в центре низкотемпературного пористого фильтра.

Для обеспечения полного сгорания оксида углерода СО и несгоревших углеводородов C_nH_m в цилиндрическую полость 46 из ресивера 49 по трубопроводу 36 подается кислород. При этом подвижное П-образное кольцо 37 скользит относительно неподвижного кольца 38. При остановке двигателя необходимо выключить включатели 35 и 41. При этом электрический ток не будет поступать в электрическую нагревательную спираль 34 и в электродвигатель 39, обеспечивающий вращение корпуса 1 нейтрализатора.

Выключатель 31 целесообразно выключать через 10 секунд после остановки двигателя с целью удаления отработавших газов из выпускной системы двигателя. Это позволит уменьшить коррозию металлов элементов выпускной системы и обеспечить продувку цилиндров двигателя свежим воздухом.

Следовательно, создание направленного движения как оксидов азота (N₂О₅, N₂O₃, N₂O, NO₂, NO) через цилиндрические кассеты 12, 11, 10, 9, 8 высокотемпературного пористого фильтра, так и оксида углерода СО и несгоревших углеводородов C_nH_m через цилиндрические кассеты 13 и 14 низкотемпературного пористого фильтра обеспечивает селективность работы предлагаемого нейтрализатора отработавших газов.

Таким образом, обеспечение эффективной очистки потока отработавших газов от сажи, селективность работы высокотемпературного и низкотемпературного пористых фильтров, снижение сопротивления движению отработавших газов через корпус нейтрализатора за счет применения двух осевых вентиляторов повышает надежность работы нейтрализатора, увеличивает мощность двигателя и снижает расход топлива.

Каталитический нейтрализатор содержит корпус с двойными стенками и теплоизоляцией между ними, патрубки входа и выхода, высокотемпературный и низкотемпературный пористые фильтры из металлокерамики, содержащие цилиндрические кассеты, при этом внутри корпуса дополнительно установлены два осевых вентилятора с направляющими лопатками потока отработавших газов, причем осевые вентиляторы размещены на валу привода, вращающемся на двух шариковых подшипниках, установленных в ступицах направляющих лопаток, вращение к валу привода осевых вентиляторов передается от электродвигателя постоянного тока через редуктор, установленный на переднем конце вала привода осевых вентиляторов, редуктор имеет обтекатель отработавших газов, за направляющими лопатками потока отработавших газов переднего осевого вентилятора размещен сажеотделитель с сажесборником, в котором установлена электрическая нагревательная спираль, управляемая включателем, а сажесборник соединен трубопроводом с патрубком выхода отработавших газов, а в цилиндрическую полость перед низкотемпературным пористым фильтром подводится кислород из ресивера, при этом корпус нейтрализатора вращается вокруг своей продольной оси с приводом от электродвигателя постоянного тока через редуктор. Технический результат направлен на обеспечение селективности и надежности работы предлагаемого каталитического нейтрализатора, а также на повышение надежности работы двигателя, повышение его мощности и уменьшение расхода топлива. 2 ил.

Каталитический нейтрализатор для двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с двойными стенками и теплоизоляцией между ними, патрубки входа и выхода отработавших газов, высокотемпературный и низкотемпературный пористые фильтры, отличающийся тем, что фильтры содержат цилиндрические кассеты, а внутри корпуса дополнительно установлены два осевых вентилятора с направляющими лопатками потока отработавших газов, причем вентиляторы размещены на валу привода, вращающемся на двух шариковых подшипниках, установленных в ступицах направляющих лопаток, вращение к валу привода осевых вентиляторов передается от электродвигателя постоянного тока через редуктор, установленный на переднем конце вала привода осевых вентиляторов и имеющий обтекатель отработавших газов, за направляющими лопатками переднего осевого вентилятора размещен сажеотделитель с сажесборником, последний имеет электрическую нагревательную спираль, управляемую включателем, и трубопровод для отвода продуктов сгорания сажи в патрубок выхода отработавших газов, а в зону перед низкотемпературным пористым фильтром подводится кислород из ресивера, при этом корпус нейтрализатора вращается вокруг своей продольной оси с приводом от электродвигателя, предназначенного для его вращения.