Каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение может быть использовано для снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания и позволяет упростить процесс термостабилизации катализатора. Нейтрализатор содержит корпус с последовательно установленными в нем одна за другой секциями носителя катализатора и теплообменника, причем последние выполнены в виде газопроницаемых трубчатых экранов, сообщенных с патрубками подвода и отвода рабочей среды, которая используется для нагрева или охлаждения отработавших газов, протекающих через секции носителя катализатора. В результате температура катализатора поддерживается в заданном диапазоне, что обеспечивает эффективную очистку газов и повышает ресурс работы нейтрализатора. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.

Наиболее близким к заявляемому каталитическому нейтрализатору по решаемой технической задаче (прототипом) является нейтрализатор для двигателя внутреннего сгорания, имеющего источник рабочей среды, содержащий корпус с размещенным в нем носителем выполненным в виде пакета решеток, образованных продольными трубами и поперечными перемычками, образующих каналы для отработавшего газа, впускной и выпускной патрубки, в котором дополнительно содержатся поперечные и продольные фиксирующие перемычки с отверстиями, образующие боковые стенки носителя, патрубки подвода и отвода, установленные попарно, поперечные перемычки выполнены в виде труб, концы продольных труб установлены в отверстиях фиксирующих перемычек и патрубки подвода сообщены с одной стороны с источником рабочей среды, а с другой с трубами.

Недостатком известного каталитического нейтрализатора является сложность подбора конструкционных материалов для трубчатого пакета решеток с тем, чтобы учесть влияние термического сопротивления слоя подложки на температуру катализатора. При этом между стенками охлаждаемых или нагреваемых изнутри трубок и нанесенным на них керамическим слоем подложки, обычно выполняемым на основе γ-Al₂O₃, могут возникнуть нерасчетные термонапряжения, приводящие к растрескиванию подложки и ее осыпанию. В результате процесс термостабилизации катализатора усложняется.

Целью изобретения является упрощение процесса термостабилизации катализатора.

Поставленная цель достигается тем, что в каталитическом нейтрализаторе для двигателя внутреннего сгорания, имеющего источник рабочей среды, содержащем корпус с размещенным в нем носителем катализатора и патрубками подвода и отвода рабочей среды, носитель образован рядом последовательно установленных одна за другой секций, между которыми, а также по меньшей мере перед водной секцией размещены газопроницаемые трубчатые экраны, сообщенные с патрубками подвода и отвода рабочей среды.

Кроме того, трубчатые экраны могут быть выполнены в виде спирального или загзагообразного змеевика или решетки.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый каталитический нейтрализатор отличается от известного тем, что в нем носитель образован рядом установленных друг за другом секций, между которыми, а также по меньшей мере перед входной секцией размещены газопроницаемые трубчатые экраны, сообщенные с патрубками подвода и отвода рабочей среды. При этом конструкция газопроницаемых трубчатых экранов может представлять собой змеевик спиральной или зигзагообразной формы, а также решетку.

Если в прототипе осуществляется регулирование температуры катализатора путем охлаждения или нагрева носителя, то в заявляемом решении осуществляется регулирование температуры потока отработавших газов, набегающих последовательно на вход каждой секции носителя и омывающих каталитическую поверхность. При этом за счет охлаждения или нагрева экранов с помощью рабочей среды обеспечивается возможность поддержания оптимальной температуры потока отработавших газов во всем объеме носителя на всех режимах работы двигателя.

Существенным отличием заявляемого нейтрализатора является то, что с помощью экранов из потока отработавших газов отводится избыточное количество тепла, обусловленное экзотермическим эффектом дожигания оксида углерода и углеводородов. Поперечное обтекание трубок потоком отработавших газов характеризуется большими значениями коэффициента теплоотдачи и, следовательно, эффективностью теплообмена. Размывание тепловых пограничных слоев, образующихся на трубках, в вихревых зонах за трубками обеспечивает равномерную температуру потока перед секциями. На холостом ходу, когда температура отработавших газов недостаточна для активной работы катализатора, за счет предварительного подогрева экранов, особенно перед входной секцией, создаются условия, необходимые для "зажигания" каталитической реакции и дальнейшего поддержания требуемого температурного диапазона.

Отводимое из трубчатых экранов тепло, как и в прототипе, может использоваться, например, для обогрева кабины водителя или пассажирского салона.

На фиг. 1 изображен каталитический нейтрализатор в разрезе; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, для экрана в виде спирального змеевика; на фиг. 3 - то же, для экрана в виде загзагообразного змеевика; на фиг. 4 - то же, для экрана в виде решетки.

Каталитический нейтрализатор состоит из цилиндрического корпуса 1, в котором размещены секции 2 носителя катализатора. Снаружи корпуса имеются подвод 3 и отвод 4 для пропускания рабочей среды, а на торцах корпуса - патрубки подвода 5 и отвода 6 отработавших газов.

Между секциями 2, а также перед входной секцией и за выходной секцией (при необходимости дополнительного охлаждения выбрасываемых из двигателя газов) размещены газопроницаемые трубчатые экраны 7, сообщенные с подводом 3 и отводом 4. Как показано на фиг. 2, трубчатые экраны могут быть выполнены в виде спирального плоского змеевика 8, имеющего межвитковые зазоры 9, служащие для пропускания отработавших газов. При выполнении трубчатых экранов в виде плоского зигзагообразного змеевика 10, показанного на фиг. 3, последний также имеет проходные зазоры 11. При варианте выполнения трубчатых экранов в виде решетки 12 (фиг. 4) проходные зазоры 13 образованы ячейками между вертикальными и горизонтальными трубками. Позициями 3а, 4а на фиг. 4 обозначены патрубки подвода и отвода рабочей среды для горизонтальных трубок.

Каталитический нейтрализатор работает следующим образом.

Отработавшие газы двигателя в направлении по стрелке 14 через патрубок 5 поступают в корпус нейтрализатора и омывают снаружи трубки первого экрана 7, через которые пропускается рабочая среда в направлении по стрелкам 15, 16. Если температура отработавших газов недостаточно высокая, то через трубки, например, спирального змеевика 8 пропускают рабочую среду с более высокой температурой и обеспечивают дополнительный нагрев отработавших газов перед первой секцией носителя.

Наоборот, если отработавшие газы перегреты сверх допустимой температуры, то через трубки змеевика пропускают рабочую среду с низкой температурой, обеспечивая снижение температуры отработавших газов первой секцией носителя.

Таким образом, на вход первой секции поступает газовый поток с температурой, необходимой для эффективного протекания каталитической реакции. Проходя через первую секцию, газ дополнительно нагревается за счет экзотермической реакции на катализаторе, но при прохождении второго трубчатого экрана он охлаждается и на вход второй секции поступает опять с оптимальной для катализатора температурой. Далее избыточная температура отработавших газов перед входом в каждую последующую секцию носителя снижается на соответствующих экранах. После прохождения последней секции с целью снижения перегрева глушителя температура газа перед патрубком 6 может быть сначала снижена с помощью аналогичного экрана, а далее за патрубком с помощью дополнительной инжекции воздуха за пределами нейтрализатора снижена еще больше.

Необходимость установки выходного экрана определяется при конструктивной привязке нейтрализатора к конкретному типу двигателя.

Кроме функции терморегулирования газового потока, экраны также обеспечивают дистанционирование секций нейтрализатора и выравнивание расхода газа в поперечном сечении секции. С этой целью трубки экранов могут иметь аэродинамический профиль и оребрение, обеспечивающее интенсификацию теплообмена при допустимом перепаде давления отработавших газов по длине нейтрализатора. Использование секций нейтрализатора с небольшой шириной (до 50 мм) позволяет снизить уровень термических напряжений и механических осевых нагрузок на конструкцию. Поэтому при выполнении корпуса 1 нейтрализатора с разъемами 17 (фиг. 1) секции различного типа (бобины из гофрированной фольги, керамические блоки и др.) могут легко устанавливаться и заменяться без операций пайки или сварки.

В качестве рабочей среды, также как и в прототипе, могут использоваться жидкости и газы, в том числе вода и воздух. Причем часть экранов может быть предназначена для жидкой среды, а часть - для газообразной. Поэтому материалы для изготовления экранов выбираются с учетом температуры эксплуатации катализатора и типа рабочей среды. Наиболее подводящими являются нержавеющие стали для экранов между окислительными секциями носителя и алюминиевые (сплавы) для экранов между восстановительными секциями.

Прокачка воздуха через трубчатые экраны может осуществляться с помощь компрессора, а воды с помощью насоса, связанного с контуром циркуляционного охлаждения радиатора двигателя. Кроме воды могут использоваться также высокотемпературные органические теплоносители типа дифенила (рабочая температура ~ 300^оС) и т.п.

Модификацией данной конструкции является нейтрализатор с решетчатыми экранами (фиг. 4), размещенными между секциями носителя, выполненными на основе двуокиси алюминия с платиновым катализатором. Охлаждение экранов осуществляется прокачкой воздуха с расходом до 150 г/с при входной температуре ~ 90^оС и давлении до 0,3 МПа. При этом температура отработавших газов на выходе их из нейтрализатора может быть уменьшена на 400...450^оС. Прогрев потока отработавших газов на холостом ходу и при запуске двигателя, также как и в предыдущей конструкции, осуществляется за счет прокачки предварительно нагретого воздуха через первый экран. При входной температуре отработавших газов в диапазоне 300...600^оС прокачку воздуха через экраны прекращают.

Формула изобретения

1. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НЕЙТРАЛИЗАТОР ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий корпус с патрубками для подвода и отвода отработавших газов и размещенные внутри корпуса носитель катализатора и теплообменник с подводом и отводом рабочей среды, отличающийся тем, что носитель катализатора и теплообменник выполнены в виде последовательно установленных чередующихся одна за другой секций, при этом секции теплообменника выполнены в виде газопроницаемых трубчатых экранов, каждый из которых снабжен индивидуальными патрубками для подвода и отвода рабочей среды.

2. Нейтрализатор по п.1, отличающийся тем, что трубчатые экраны выполнены в виде спирального змеевика.

3. Нейтрализатор по п.1, отличающийся тем, что трубчатые экраны выполнены в виде зигзагообразного змеевика.

4. Нейтрализатор по п.1, отличающийся тем, что трубчатые экраны выполнены в виде решетки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4