Каталитический нейтрализатор и каталитический блок Российский патент 2023 года по МПК F01N3/28 

Группа изобретений относится к транспортной технике, а именно к двигателестроению, преимущественно к системам выпуска отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в частности к каталитическим нейтрализаторам и направлено на сохранение окружающей среды.

1.1. Известен каталитический нейтрализатор, содержащий корпус с входной центральной и выходной частями, переходные патрубки, каталитические моноблоки и терморасширяющуюся прокладку, размещенную в зазоре между стенкой корпуса и каталитическими моноблоками, причем корпус состоит из двух половин с усиливающими ребрами в виде выпуклых и вогнутых складок и/или радиусов листового материала в центральной части, при этом расширяющиеся входная и выходная части, расположенные между окружностью и овалом, имеют форму поверхности в виде лемнискат. Соотношение параметров лемнискат выходного патрубка и аналогичного входного патрубка определяется как a_выхi/a_вхi=0,2-0,8, где а - параметр лемнискаты, определяющий расстояние от начала координат до ее фокуса, а на стыке центральной части корпуса с входной и выходной частями имеется система компенсационных радиусов. См. описание патента RU №2208174, МКИ F01N 3/28, опубл. 10.07.2003, Бюл. №19. Данной конструкции каталитического нейтрализатора присущи недостатки основными из которых являются наличие прокладок между корпусом и каталитическими моноблоками и осуществление сборки на специальном прессе при непрерывном контроле усилия сжатия полукорпусов и изготовление самих корпусов овальной формы с формой их поверхности в виде лемнискат. На все это нужно дополнительное оборудование в виде прессов, его обслуживание с привлечением дополнительного персонала. Изготовление полукорпусов с усиливающимися ребрами в виде выпуклых и вогнутых складок требует наличия сложных и металлоемких прессформ. Использование прокладки приводит к дополнительным материальным затратам и отрицательно влияет на надежность каталитического нейтрализатора.

1.2. Известен, принятый за прототип каталитический нейтрализатор, содержащий корпус, переходные, входной с фланцем и отводящий патрубки, каталитические блоки, расположенные внутри корпуса, При этом корпус, входной и выходной патрубки имеют прямоугольные сечения, а между корпусом и входным и выходным патрубками расположены переходные патрубки переменного прямоугольного сечения, а каталитические блоки соединены между собой неразъемным соединением при помощи сварки по всей длине совмещенных окружностей в виде цилиндрических стержней внутри которых расположены нейтрализаторы и которые расположены порядно и параллельно друг другу в отверстиях двух обойм с выступом их с двух сторон за пределы этих обойм и соединены с ними неразъемным соединением при помощи сварки по окружности их стыка в виде одного сотового каталитического блока, который по периметру обойм неразъемным герметичным соединением при помощи сварки соединен с корпусом, в виде сотового реактора, обоймы которого обеспечивают минимальный гарантированный зазор А между цилиндрическими стержнями и между цилиндрическими стержнями и корпусом, при этом длина Нрп расширяющегося переходного входного патрубка больше длины Нсп сужающегося переходного выходного патрубка, а площадь сечения Sen подводящего входного патрубка больше площади сечения Son отводящего выходного патрубка. См. описание патента RU №2756492, МКИ F01N 3/28, опубл. 30.09.2021, бюл. №28. Данное изобретение исключает использование дополнительного оборудования в виде прессов и обслуживание его с привлечением дополнительного персонала, а также изготовление сложных и металлоемких прессформ. Позволяет снизить энергоресурсы за счет сокращения перечня применяемого оборудования, сокращения времени изготовления, включая использование готовых элементов сборки каталитического нейтрализатора. Однако наличие обойм, выполненных в виде пластин с отверстиями, в которых установлены каталитические блоки неразъемным соединением перекрывают отверстие корпуса, направляя поток отходящих газов через сечения цилиндров каталитических блоков. Таким образом не эффективно используется площадь сечения корпуса для прохождения потока отходящих газов при прохождении их вдоль корпуса каталитического нейтрализатора. Кроме этого, неразъемное соединение обоймы с корпусом и каталитических блоков с обоймой не позволяют проводить замену отработанных каталитических блоков, что приводит к замене всего каталитического нейтрализатора.

2.1. Известен каталитический блок, имеющий ячеистую газопроницаемую структуру катализатора, который образован гофрированными и плоскими или только гофрированными стальными лентами, свернутыми вокруг центральной продольной оси в спиральный рулон таким образом, что образуются газовые каналы треугольной, синусоидальной или трапецеидальной формы с уменьшением плотности каналов от этой оси к наружной поверхности блока. Эти каталитические блоки в виде дисков диаметром, равным внутреннему диаметру корпуса каталитического нейтрализатора и шириной равной ширине ленты свернутой вокруг центральной продольной оси в спиральный рулон, расположены вдоль центральной продольной оси корпуса каталитического нейтрализатора с зазором между ними. См. описание патента RU №2008447, фиг. 1, 2. МКИ F01N 3/28, конвекционный приоритет от 20.11.1990. Данная конструкция каталитического блока громоздка, неудобна при его изготовлении и мало эффективна, при этом не позволяют проводить замену отдельных отработанных катализаторов.

2.2. Известен, принятый за прототип, каталитический блок каталитического нейтрализатора, состоящий из оболочки, внутри которой расположен катализатор в виде стержня прямоугольного или квадратного сечения, расположенного внутри оболочки соответствующего сечения, при этом с каждой стороны оболочки выполнены выступы с отверстиями для крепления каталитических блоков между собой и корпусом при помощи болтового соединения, а между оболочкой и катализатором по периметру катализатора расположены прокладки, закрытые с двух сторон блокирующими элементами. См. описание патента RU №2738702 С2, опубл. 15.12.2020, бюл. №35. Конструкция оболочки в виде, рамного элемента содержит две пары противоположных стенок, края которой на входе и выходе в сборе усилены частями А и В с вырезами, и по центру которых на противоположных стенках имеются выступы, расположенные во внутрь оболочки для установки блокирующих элементов при помощи сварки. Такая конструкция оболочки не позволяет легко и быстро проводить замену отдельных отработанных катализаторов в каталитических блоках.

Задачей группы изобретений является получение простого и более надежного устройства, удобного в эксплуатации с возможностью эффективного использования очистки отработанных газов и с меньшими затратами при их изготовлении и эксплуатации.

Технический результат группы изобретений заключается в повышении срока службы и снижении затрат при эксплуатации, снижение энергоресурсов за счет сокращения перечня применяемого оборудования, сокращении времени изготовления, включая использование готовых элементов сборки каталитического нейтрализатора.

Это достигается тем, что каталитический нейтрализатор, содержащий корпус, расширяющийся входной патрубок с фланцем и каталитические блоки, расположенные внутри корпуса, при этом корпус, входной патрубок имеют прямоугольные сечения, а каталитические блоки соединены между собой и корпусом в виде сотового реактора, причем корпус с двух сторон и расширяющийся входной патрубок со стороны стыковки с корпусом имеют по периметру отбортовки, образующие фланцы, для стыковки друг с другом разъемным соединением, при этом внутри расширяющегося входного патрубка установлен направляющий аппарат в виде двух коаксиального расположения диффузоров, соединенных между собой и входным патрубком вертикальными пластинами и горизонтальными пластинами неразъемным соединением, при этом вертикальные пластины разнесены между собой по краям верхней и нижней плоскостей диффузоров, а горизонтальные пластин расположены в плоскости продольной оси симметрии каталитического нейтрализатора, а каталитические блоки соединены между собой и корпусом разъемным соединением, при этом отношение площадей открытых проекций на входе в направляющий аппарат равно соответствующему отношению площадей открытых проекций на выходе направляющего аппарата, т.е. Sbx п/ Sebix n=Sb /So, где: п - количество диффузоров в шт.

Sbx п - площадь открытой проекции, диффузоров направляющего аппарата на входе в мм²;

Sb - площадь усеченной вершины входного конуса в мм²;

Sebix п - площадь открытой проекции, диффузоров направляющего аппарата на выходе в мм²;

So - площадь основания входного конус в мм².

Это достигается тем, что каталитический блок, состоящий из оболочки, внутри которой расположен катализатор, в виде стержня прямоугольного или квадратного сечения, с выступом оболочки с двух сторон по периметру торца, на которых выполнены центральные отверстия по четыре с каждой стороны, причем между оболочкой и катализатором расположены терморасширяющиеся прокладки в виде прямоугольных пластин, расположенные по краям катализатора и закрыты с двух сторон защитными рамками, прижатыми к противоположным торцам катализатора, при этом крепление между собой и корпусом производится через центральные отверстия при помощи болтового соединения.

На фиг. 1 представлен общий вид каталитического нейтрализатора в изометрии;

на фиг. 2 - каталитический блок в изометрии (увеличенно);

на фиг. 3 - направляющий аппарат(увеличено);

на фиг. 4 - показан пример размещения каталитических блоков прямоугольного сечения в оболочке прямоугольного сечения;

на фиг. 5 - показан пример размещения каталитических блоков квадратного сечения в оболочке квадратного сечения (уменьшено).

Каталитический нейтрализатор состоит из корпуса 1 прямоугольного сечения, внутри которого расположены каталитические блоки 2 (см. фиг. 2) прямоугольного или квадратного характерного сечения, расширяющегося входного патрубка 3 (см. фиг. 1) переменного прямоугольного сечения с фланцем 4 на входе. Внутри входного патрубка 3 расположен направляющий аппарат 5, продольная ось симметрии которого совпадает с центральной горизонтальной осью симметрии отверстия фланца 4 и центральной продольной осью корпуса 1, который обеспечивает равномерное распределение потока поступающего отработанного газа по всей фронтальной плоскости корпуса 1 и каталитических блоков 2.

Каталитический блок 2 состоит из катализатора 6 (см. фиг. 2) выполненного в виде отрезка стержня прямоугольного или квадратного сечения, расположенного внутри оболочки 7 из нержавеющей стали соответствующего сечения с выступом 8 ее с двух сторон по периметру катализатора 6. На выступах 8 оболочки 7 имеются центральные отверстия 9 по четыре с каждой стороны для крепления каталитического блока между собой и корпусом 1при помощи болтового соединения 10 (см. фиг. 1). Между оболочкой 7 и катализатором 6 с двух сторон по периметру расположены терморасширяющиеся прокладки 11 (см. фиг. 2), закрытые защитными рамками 12 с двух сторон катализатора 6.

Направляющий аппарат 5 выполнен в виде двух диффузоров 13 и 14, соединенных между собой и расширяющимся входным патрубком 3 вертикальными пластинами 15 и горизонтальными пластинами 16 неразъемным соединением. При этом вертикальные пластины 15 разнесены между собой по краям верхней и нижней плоскостей, а горизонтальные пластины 16 расположены в плоскости продольной оси симметрии каталитического нейтрализатора.

На фиг. 1 показан пример изготовления каталитического нейтрализатора для очистки отработанных газов двигательных установок, состоящего из восьми каталитических блоков 2 с катализаторами 6 прямоугольного сечения. При этом каталитические блоки 2 в сборе расположены в корпусе 1 по два в каждом ряду с совмещенными прямоугольными торцами и соединены между собой разъемным соединением с корпусом 1.

Таким образом в нашем примере конкретной реализации каталитический нейтрализатор состоит из восьми совмещенных каталитических блоков 2 расположенных внутри корпуса 1 параллельно друг другу в два ряда по четыре в каждом ряду, образуя сотовый реактор. Каталитический нейтрализатор изготавливается и собирается следующим образом.

Корпус 1 изготавливается из листовой жаропрочной нержавеющий стали толщиной 1,5 мм. Размеры его в основном зависят от размеров катализаторов 6 и их количества, а также от функционального типа катализатора, от степени очистки отработанных газов на номинальном режиме работы двигателя внутреннего сгорания. Если приобрести катализаторы 6 размером сечением 150×150 мм и длиной 300 мм, то для нашего примера размеры корпуса 1 будут превышать размеры 300×600 мм и длиной более 600 мм. При этом при изготовлении корпуса 1 в виде патрубка прямоугольного сечения с внутренними размером и длиной, соответствующей подсобранным каталитическим блокам 2, образующим сотовый реактор необходимо длину прямоугольных пластин для его изготовления увеличить на 80.0 мм для изготовления отбортовок, образующих фланцы 17 высотой 40.0 мм с двух сторон корпуса 1 по периметру, собранных и соединенных между собой неразъемным соединением при помощи сварки

Аналогичным образом из пластин в виде равнобедренных трапеций изготавливают расширяющийся входной патрубок 3 и сужающийся выходной патрубок 18. При этом необходимо высоту пластин в виде равнобедренных трапеций увеличить на 40.0 мм для изготовления отбортовок, образующих фланцы по периметру этих патрубков со стороны, обращенной к корпусу 1 собранных и соединенных между собой пластин неразъемным соединением при помощи сварки.

Одновременно изготовляется направляющий аппарат 5, диффузоры 13 и 14 которого изготавливаются аналогично входному патрубку 3, но без отбортовок. Изготовленные таким образом диффузоры 13 и 14 размещают коаксиально относительно друг друга внутри расширяющегося входного патрубка 3 и это расположение фиксируется между ними и входным патрубком 3 вертикальными пластинами 15 и горизонтальными пластинами 16 неразъемным соединением при помощи сварки.

Со стороны поступления газов на конце входного патрубка 3 неразъемным соединением при помощи сварки установлен фланец 4 для последующей стыковки его с соответствующим фланцем выпуска выхлопных газов двигательной установки. Таким образом входной патрубок 3 с направляющим аппаратом 5 внутри готов к стыковке его с корпусом 1. При этом отношение площадей открытых проекций на входе в направляющий аппарат равно соответствующему отношению площадей открытых проекций на выходе направляющего аппарата 5, т.е. Sbx п/ Sebix n=Sb /So, где:

п - количество диффузоров в шт.

Sbx n - площадь открытой проекции, диффузоров направляющего аппарата на входе в мм²;

Sb - площадь усеченной вершины входного конуса в мм²;

Sebix п - площадь открытой проекции, диффузоров направляющего аппарата на выходе в мм²; So- площадь основания входного конус в мм².

Изготовление каталитического блока 2 осуществляется следующим образом. Готовый катализатор 6 прямоугольного или квадратного сечения сначала с двух сторон по периметру обкладывается терморасширяющемися прокладками 11. Вначале катализатор 6 обкладывается терморасширяющемися прокладками 11 размером 100×110 мм с одной стороны торца, при условии, что толщина терморасширяющейся прокладки составляет 10.0 мм и вставляется наполовину длины в оболочку 7 квадратного внутреннего отверстия 120×120 мм, выполненную из листовой жаропрочной нержавеющий стали толщиной 1,5 мм. Затем катализатор 6 обкладывается терморасширяющемися прокладками 11 размером 100×110 мм с другой стороны торца и вставляется в оболочку 7 до конца с образованием с двух сторон выступов 8 по периметру, равным 20.0 мм.

При этом на выступах 8 оболочки 7 заранее выполнены центральные отверстия 9 по четыре с каждой стороны для соединения их между собой и корпусом 1, в котором тоже выполнены соответствующие отверстия. После чего устанавливаются с двух сторон катализатора 6 защитные рамки 12. Каталитический блок 2 готов к установке в корпус 1.

Каталитический нейтрализатор собирается следующим образом. В корпус 1 устанавливаются восемь каталитических блоков 2 по четыре с каждой стороны в два ряда и соединяют их между собой и корпусом 1 при помощи болтового соединения 10, образуя сотовый реактор. Затем к нему с одной стороны разъемным соединением стыкуется входной патрубок 3 с направляющим аппаратом 5 и фланцем 4 на конце, а с другой выходной патрубок 18.

В случае выхода отводящих газов из корпуса 1 в атмосферу к нему стыкуется выходной патрубок 18 с сеткой 19 на конце, перекрывающей доступ обслуживающего персонала в опасную зону прохождение отводящих газов.

Входной патрубок 3 может иметь сквозные отверстия 20 со штуцерами, в которые устанавливаются измерительные приборы для контроля рабочей температуры и давления. По их параметрам определяют рабочее состояние катализаторов 6 и необходимость их замены.

Работа каталитического нейтрализатора и каталитического блока осуществляется следующим образом. Отработанные газы двигательной установки, например, тепловоза ТГМ6 по стрелке на фиг. 1 поступают через входной патрубок 3 и равномерно распределяются направляющим аппаратом 5 по всей площади характерного прямоугольного сечения корпуса 1 и соответственно всех прямоугольных катализаторов 6 установленных в нем. При прохождении потока отработавших газов через сотовые каналы катализаторов 6 происходит процесс дожигания продуктов неполного сгорания топлива и снижение содержания токсичных веществ. Чем больше суммарная площадь активной поверхности каталитического слоя, тем эффективнее протекают химические реакции по преобразованию вредных веществ отработавших газов по следующий схеме (приведены только основные уравнения химических реакций):

2СНх+xO₂ → 2CO₂+xH₂O

2СО+O₂ → 2CO₂

4NO+4NH₃+O₂ → 4N₂+6Н₂О

NO+NO₂+2NH₃ → 2N2+3Н₂О

8NH₃+6NO₂ → 7N₂+12H₂O.

В случае применения в конструкции фильтров дисперсных частиц вместо каталитических блоков нейтрализатор приобретает функциональность сажевого фильтра.

Таким образом, предложенная группа изобретений предлагает более простую конструкцию каталитического нейтрализатора с возможностью замены катализаторов в процессе его эксплуатации и возможностью более эффективного использования очистки отработанных газов с меньшими затратами при их изготовлении и эксплуатации, что приводит к повышению срока службы и снижению затрат при эксплуатации.

Изобретение относится к системам выпуска отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в частности к каталитическим нейтрализаторам. Каталитический нейтрализатор содержит корпус, расширяющийся входной патрубок с фланцем и каталитические блоки, расположенные внутри корпуса. Корпус, входной патрубок имеют прямоугольные сечения, а каталитические блоки соединены между собой и корпусом в виде сотового реактора. Корпус с двух сторон и расширяющийся входной патрубок со стороны стыковки с корпусом имеют по периметру отбортовки, образующие фланцы, для стыковки друг с другом разъемным соединением. Внутри расширяющегося входного патрубка установлен направляющий аппарат в виде двух диффузоров, соединенных между собой и входным патрубком вертикальными пластинами и горизонтальными пластинами неразъемным соединением. Вертикальные пластины разнесены между собой по краям верхней и нижней плоскостей диффузоров, а горизонтальные пластин расположены в плоскости продольной оси симметрии каталитического нейтрализатора. Каталитические блоки соединены между собой и корпусом разъемным соединением. При реализации изобретения обеспечивается повышение срока службы и снижение затрат при эксплуатации, снижение энергоресурсов за счет сокращения перечня применяемого оборудования, сокращение времени изготовления, включая использование готовых элементов сборки каталитического нейтрализатора. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Каталитический нейтрализатор, содержащий корпус, расширяющийся входной патрубок с фланцем и каталитические блоки, расположенные внутри корпуса, при этом корпус, входной патрубок имеют прямоугольные сечения, а каталитические блоки соединены между собой и корпусом в виде сотового реактора, отличающийся тем, что корпус с двух сторон и расширяющийся входной патрубок со стороны стыковки с корпусом имеют по периметру отбортовки, образующие фланцы, для стыковки друг с другом разъемным соединением, при этом внутри расширяющегося входного патрубка установлен направляющий аппарат в виде двух диффузоров, соединенных между собой и входным патрубком вертикальными пластинами и горизонтальными пластинами неразъемным соединением, при этом вертикальные пластины разнесены между собой по краям верхней и нижней плоскостей диффузоров, а горизонтальные пластины расположены в плоскости продольной оси симметрии каталитического нейтрализатора, а каталитические блоки соединены между собой и корпусом разъемным соединением.

2. Каталитический нейтрализатор по п.1, отличающийся тем, что он содержит выходной патрубок с сеткой на конце.

3. Каталитический нейтрализатор по п.1, отличающийся тем, что входной патрубок имеет сквозные отверстия со штуцерами для установки измерительных приборов.

4. Каталитический блок для каталитического нейтрализатора по п.1, состоящий из оболочки, внутри которой расположен катализатор в виде стержня прямоугольного или квадратного сечения, с выступами оболочки с двух сторон по периметру торца катализатора, на которых выполнены центральные отверстия по четыре с каждой стороны, отличающийся тем, что между оболочкой и катализатором расположены терморасширяющиеся прокладки в виде прямоугольных пластин, расположенные по краям катализатора и закрытые с двух сторон защитными рамками, прижатыми к противоположным торцам катализатора, при этом крепление блоков между собой и с корпусом производится через центральные отверстия при помощи болтового соединения.