Каталитический нейтрализатор для двигателя внутреннего сгорания Советский патент 1992 года по МПК F01N3/28 

Изобретение относится к катализаторам для очистки газовых выбросов от вредных примесей и может быть использовано для нейтрализации отработавших газов автомобилей.

Известен каталитический нейтрализатор, выполненный в виде блока-носителя, в котором образованы сквозные каналы, служащие для прохода отработавшего газа, а катализатор нанесен на стенки каналов. В качестве материала носителя используются тугоплавкие окислы и их смеси, карбиды и нитриды кремния, карбиды бора и другие керамики ,

Недостатком этого нейтрализатора является низкая теплопроводность материалов носителя. В результате снижается термопрочность нейтрализатора, возможно его расстрескивание и разрушение. Кроме того, увеличивается время его разогрева при включении двигателя.

Также известен каталитический нейтрализатор с металлическим носителем, выполненным в виде сеток, профилированных пластин, проволочных набивок, спиралей, пористых шариков и т.д., размещенных в корпусе, имеющем входное и выходное устройство для пропускания отработавшего газа .

Недостатком данного каталитического нейтрализатора является невысокая жаростойкость металлического носителя в отработавших газах при повышении их температуры до 900-1000°С и выше на форсированных режимах работы двигателя. При снижении температуры отработавших газов до 200°С и ниже на холостом ходу, когда каталитические реакции резко замедляются, нейтрализатор также становится не эффективным.

Наиболее близким к изобретению является каталитический нейтрализатор для двигателя внутреннего сгорания, имеющего источник рабочей среды, содержащий корпус с размещенным в нем носителем, выполненным в виде пакета решеток, образованных пррдольными трубами и поперечными перемычками, образующих каналы для отработавшего газа, а также впускной и выпускной патрубки для отработавшего газа .

Недостатком известного каталитического нейтрализатора является узкий тем- пературный диапазон эксплуатации, обусловленный металлическими материалами решеток.

Цель изобретения - расширение температурного диапазона эксплуатации каталитического нейтрализатора.

Поставленная цель достигается тем, что в известном каталитическом нейтрализаторе для двигателя внутреннего сгорания, имеющего источник рабочей среды, содержащем корпус с размещенным в нем носителем, выполненным в виде пакета решеток, образованных продольными трубами и поперечными перемычками, образующих каналы для отработавшего газа, впускной и

0 выпускной патрубки, он дополнительно содержит поперечные и продольные фиксирующие перемычки с отверстиями, образующие боковые стенки носителя, патрубки подвода и отвода, установленные по5 парно один относительно другого, поперечные перемычки выполнены в виде труб, концы продольных труб установлены в отверстиях фиксирующих перемычек и патрубки подвода сообщены с одной стороны с

0 источником рабочей среды, а с другой - с трубами.

Кроме того, смежные патрубки подвода и отвода сообщены между собой.

Выполнение каталитического нейтрали5 затора с дополнительными поперечными и продольными фиксирующими перемычками, имеющими отверстия и образующими боковые стенки носителя, позволяет сформировать пакет решеток из взаимно пере0 крещивающихсяслоевтруб

соответственно, обеспечить взаимно перекрестное течение рабочей среды в объеме нейтрализатора и тем самым интенсифицировать теплообмен между слоями. В резуль

5 тате, например, существенно может быть снижена температура решеток при одновременном повышении температуры нейтрализуемых газов.

Установление патрубков подвода и от0 вода попарно один относительно другого позволяет полностью использовать боковую поверхность нейтрализатора для под ачи в него необходимого расхода рабочей среды.

5 Выполнение поперечных перемычек в виде труб создает в объеме нейтрализатора дополнительные каналы для прохода рабочей среды и позволяет получить равномерно охлаждаемые или нагреваемые ячейки во

0 всем объеме нейтрализатора.

Установление концов продольных труб в отверстиях фиксирующих перемычек позволяет точно дистанционировать слои решетки друг относительно друга и получить

5 ячейки каналов для пропускания нейтрализуемого газа с расчетным теплогидравличе- скими характеристиками.

Сообщение патрубков подвода с одной стороны с источником рабочей среды, а с другой с трубами дает возможность направить два потока рабочей среды в соответствующие трубы так, что каждая ячейка кана- ла, служащего для пропускания нейтрализуемого газа, омывается по периметру рабочей средой, протекающей в трубках и обеспечивающей оптимальный тепловой режим (охлаждение или нагрев) в каждом отдельном канале и в пакете в целом.

Сообщение смежных патрубков подвода и отвода между собой, позволяет организовать эффективный теплообмен между слоями трубчатых решеток за счет тепло- массопередачи, а не только за счет теплопроводности материалов труб. При этом регенеративный подогрев слоев обеспечивает повышение равномерности температуры в объеме нейтрализатора и снижение в нем термонапряжений.

На фиг.1 приведена конструкция нейтрализатора, вид с переднего торца; на фиг,2 укрупненно показано место I на фиг.1; на фиг.З - вид А на фиг.2; на фиг.4 показана схема нейтрализатора с последовательно соединенными смежными патрубками подвода и отвода.

Нейтрализатор содержит корпус 1 коробчатой формы с размещенным в нем носителем, боковые стенки которого выполнены в виде перемычек 2 и 3, в отверстиях которых закреплены концами соответственно трубы 4 и 5, образующие решетчатую структуру носителя, Ячейки 6 решеток формируют сквозные каналы для прохода нейтрализуемого газа. На боковых стенках корпуса 1 образованы коллекторы 7,8,9 и 10, имеющие установленные попарно один относительно другого патрубки подвода 11,12 и отвода 13,14. Патрубки 11 и 12 подвода сообщены с одной стороны (наружной) с источником рабочей среды (не показан), а с другой стороны (внутренней) - с трубами 4 и 5.

Последовательное соединение смежных патрубков 13 и 12 друг с другом при помощи трубы 15 приведено на фиг.4.

Движение рабочей среды через патрубки, коллекторы и трубы на чертежах обозначено сплошными стрелками, а движение нейтрализуемого газа в каналах между трубами - пунктирными стрелками.

Каталитический нейтрализатор работает следующим образом.

Отработавший газ поступает на переднюю торцовую поверхность нейтрализатора в направлении, обозначенном стрелками 16 (фиг.2 и 3), протекает через каналы, образованные ячейками 6 решеток, омывает при этом наружные поверхности трубок 4 и 5 в поперечном направлении и выходит с противоположного торца нейтрализатора.В результате контакта отработавшего газа со слоем катализатора, нанесенным на поверхность трубок 4 и 5, происходит реакция 5 нейтрализации. Одновременно с течением отработавшего газа осуществляется течение рабочей среды, например газообразной, через патрубки 11 и 12 подвода. Далее рабочая среда поступает соответственно в

0 раздающие коллекторы 7 и 9, проходит внутри трубок 4 и 5, поступает в собирающие коллекторы 8 и 10 и выходит через патрубки 13 и 14 отвода из нейтрализатора. При соединении патрубка 13 с патрубком 12 с по5 мощью трубы 15 рабочая среда протекает сначала через трубки 4, а затем через трубки 5 и далее выходит из нейтрализатора через патрубок 14. Регулирование расхода и начальной температуры рабочей среды, проте0 хающей через трубки 4 и 5, осуществляется с помощью устройств, размещенных вне нейтрализатора (не показаны).

Для обеспечения равномерного расхода рабочей среды через трубки патрубки 11

5 и 12 подвода могут содержать сетки 17.

В качестве рабочей среды могут использоваться жидкости и газы, в том числе вода и воздух.

Трубки 4 и 5 могут изготавливаться из

0 цветных металлов и сплавов, конструкционных и нержавеющих сталей, титановых, никелевых, керамических, стеклянных и др материалов (диаметр 1-2 мм, толщина стенки 0,05-0.1 мм).

5 Каталитически активные вещества могут быть диспергированы в виде добавок в материал трубок, поверхность которых выполняется с развитой пористостью, или на- , несены на промежуточную пористую

0 подложку-подслой, специально образованный на поверхности каждой трубки. При этом могут быть использованы такие технологические приемы получения развитой пористости на носителях катализаторов, как,

5 например, отжиг на воздухе, травление в газовой или жидкой среде, напыление и др. П р и м е р 1. Каталитический нейтрализатор для обработки выхлопных газов бензиновых двигателей содержит трубки 4 и 5

0 из алюминиевого сплава (типа АЛ.АД.АМг) диаметром 2 мм с толщиной стенки 0,1 мм. Концы трубок с помощью пайки закреплены в отверстиях алюминиевых перемычек 2 и 3 с толщиной стенки 1 мм. Размер ячеек меж5 ду трубками равен 2x2 мм. Габариты нейтрализатора: 200 х 150 х 150 мм. Патрубки подвода и отвода для пропускания рабочей среды - воздуха выполнены также из алюминиевого сплава, а для подачи выхлопных газов - из нержавеющей стали типа

12Х18Н10Т и с помощью винтов прикрепле- ны к соответствующим торцовым коллекторам 7,8,9 и 10 нейтрализатора. На поверхностный слой трубок, образованный пористой окисью алюминия, нанесен хими- ческим путем слой катализатора (платина, палладий, рутений и др.).

При работе двигателя поток выхлопных газов протекает в каналах между трубками

4и 5, обдувая их в поперечном направле- нии. Одновременно через патрубки 11 и 12 подается воздух, которых охлаждает изнутри трубки 4 и 5. нагревается и может подмешиваться к потоку выхлопных газов на входе в нейтрализатор или выбрасывается наружу, или пропускается через систему охлаждения в замкнутом цикле с постоянной циркуляцией через названные трубки. Система подачи воздуха конструктивно может выполняться по компрессорной или веском- прессорной схемам. Подача холодного воздуха в трубки на формированных режимах работы двигателя, когда температура выхлопных газов достигает 700-800°С. позво- ляет поддерживать температуру внутренней поверхности стенок на уровне 300°С при температуре поверхности катализатора 550-600°С. Тем самым предотвращается перегрев алюминиевой конструкции нейтрализатора. Предварительный подо- грев высокотеплопроводных алюминиевых трубок до 250-300°С горячим воздухом от системы охлаждения двигателя или специального нагревателя обеспечивает возможность эффективной работы катализатора на холостом ходу, когда температура выхлопных газов составляет 120°С и недостаточна для активного протекания каталитических реакций.

П р и м е р 2. Каталитический нейтрали- затор для дизельных двигателей выполнен аналогично описанному в примере 1 но патрубки 13 и 12 соединены друг с другом теплоизолированной трубой 15. Так как температура выхлопных газов дизелей су- щественно (на 200-250°С) ниже, чем у бензиновых двигателей, то подогрев трубок 4 и

5позволяет повысить эффективность катализатора. Для этого воздух пропускают сначала через патрубок 11 в трубки 4, проходя которые он нагревается до температуры поступающих газов (150-200°С), затем горячий воздух через трубу 15 поступает в патрубок 13, коллектор 9 и далее в трубки 5, где он дополнительно нагревается за счет возрастания температуры газов при каталитической реакции, развивающейся в объеме трубчатого пакета. Затем горячий воздух снова может быть направлен в патрубок 11.

В результате на установившемся режиме

средний уровень температуры на наружном каталитическом слое трубок составляет 500°С, что обеспечивает эффективную работу нейтрализатора. Регенеративный подогрев пакета и высокая теплопроводность материала трубок способствуют выравниванию температуры в объеме пакета и. следовательно, более равномерному протеканию каталитических реакций, а также снижению термонапряжений в пакете.

Регулирование температуры и расхода воздуха, подаваемого в трубки, позволяет выполнять предлагаемый нейтрализатор из легких высокотеплопроводных алюминиевых сплавов.

Установка друг за другом нескольких нейтрализаторов - секций с индивидуальными трактами подачи воздуха через трубки каждой секции позволяет за счет поддержания заданного уровня температуры катализаторов в каждой секции осуществлять избирательно не только основные реакции (окисление окиси углерода и углеводородов, восстановление окиси азота), но также улавливать, например, серу, свинец, фосфор и другие компоненты отработавших газов двигателей.

Предлагаемая конструкция нейтрализатора может использоваться также в промышленных установках каталитической очистки газов, при воздушно-кислородной конверсии метана, проведении газофазных каталитических реакций и др.

Использование изобретения обеспечивает следующие преимущества.

Нейтрализатор позволяет работать при температуре отработавших газов на несколько сот градусов выше, чем допустимая температура материала носителя. В случае понижения температуры газов до уровня 100-200°С дополнительный подогрев трубчатого пакета обеспечивает поддержание эффективных режимов каталитических реакций.

Нейтрализатор может выполнять также роль теплообменника-нагревателя или охладителя рабочих сред, пропускаемых через трубки. Это позволяет использовать его, например, в системе обогрева пассажирского салона.

Конструкция нейтрализатора позволяет использовать широкий ассортимент трубок из различных материалов, а также с различной геометрической формой сечения и ореб- рением для интенсификации теплообмена. Производство перфорированных пластин из цветных металлов, сталей,стекла, пластмасс и др. материалов, освоенное в различ- ных отраслях, позволяет широко использовать их в качестве торцовых пере

мычек нейтрализаторов. Закрепление трубок в отверстиях перемымек с помощью сварки, пайки, склеивания, гальваническим и газофазным осаждением, пастами и т.д., позволяет осуществлять массовое производство нейтрализаторов для разных условий эксплуатации на транспорте, химической и энергетической промышленности, особенно при больших габаритах нейтрализаторов, которые чрезвычайно сложно изготавливать в виде спеченных керамических блоков и где возникают технологические трудности соединения керамики с металлоконструкциями.

К достоинствам нейтрализатора также относится возможность регенерации его материалов после выработки ресурса катализатора.

Формула изобретения 1. Каталитический нейтрализатор для двигателя внутреннего сгорания, имеющего источник рабочей среды, содержащий корпус с размещенным в нем носителем, выполненным в виде пакета решеток, образо- ванных продольными трубами и поперечными перемычками, образующих

каналы для отработавшего газа, впускной м выпускной патрубки, отличающийся тем, что. с целью расширения температурного диапазона эксплуатации, он дополнительно содержит поперечные и продольные

фиксирующие перемычки с отверстиями, образующие боковые стенки носителя, патрубки подвода и отвода, установленные попарно один относительно другого, поперечные перемычки выполнены в виде

труб.концып родол ьн ых труб уста новлены в отверстия фиксирующих перемычек и патрубки подвода сообщены с одной стороны с источником рабочей среды, а с другой - с трубами.

1. Нейтрализатор поп.1.отличающий с я тем, что смежные патрубки подвода и отвогда сообщены между собой.

Использование: нейтрализаторы отработавших газов автомоби-лей. Сущность изобретения: отработавший газ поступает на переднюю торцовую поверхность нейтрализатора в направлении, обозначенном стрелками, протекает через каналы, образованные ячейками 6 решеток, омывает при этом наружные поверхности трубок 4 и 5 в поперечном направлении и выходит с противоположного торца нейтрализатора.В результате контакта отработавшего газа со слоем катализатора, нанесенным на поверхность трубок 4 и 5, происходит реакция нейтрализации. Одновременно с течением отработавшего газа осуществляется течение рабочей среды, например, газообразной, через патрубки подвода 11 и 12. Далее рабочая среда поступает соответственно в раздающие коллекторы 7 и 9. проходит внутри трубок 4 и 5, поступает в собирающие коллекторы 8 и 10 и выходит через патрубки отвода 13 и 14 из нейтрализатора. При соединении патрубка 13 с патрубком 12 с помощью трубы 15 рабочая среда протекает сначала через трубки 4, а затем через-трубки 5 и далее выходит из нейтрализатора через патрубок 14. Регулирование расхода и начальной температуры рабочей среды, протекающей через трубки 4 и 5, осуществляется с помощью устройств, размещенных вне нейтрализатора (не показан). Для обеспечения равномерного расхода рабочей среды через трубки патрубки подвода 11 и 12 могут содержать сетки 17. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. СО С vi 00 о Ј ч СА

(tfow/tM0)

Фиг 2

Buff A