Каталитический нейтрализатор с утилизацией теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания

 

Корпус каталитического нейтрализатора, являющийся одновременно выпускным коллектором ДВС, снабжен двойными стенками, теплоизоляцией, торцевыми крышками с фланцами, входным и выходным патрубками с фланцами, пористыми каталитическими блоками окислительно-восстановительного типа. В корпусе размещены поперечные перегородки, разделяющие его на части в зависимости от числа цилиндров ДВС и удерживающими каталитические блоки. Между поперечными перегородками расположены элементы входного патрубка. С общей внутренней полостью блоков соединена внутренняя полость камеры расширения, выполненной в виде каталитического блока восстановительного типа. В камере расширения размещен нагреватель двигателя с внешним подводом теплоты, установленного за пределами корпуса. Нагреватель соединен с теплообменником для охлаждения рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты, встроенным во впускной коллектор системы впуска двигателя. С корпусом соединен воздушный патрубок, выполненный в виде коллектора. Воздушный патрубок связан через нагнетатель воздуха с двигателем с внешним подводом теплоты. Технический результат: повышение топливной экономичности двигателя внутреннего сгорания и степени очистки отработавших газов от продуктов неполного сгорания и окислов азота, а также улучшение использования теплоты отработавших газов. 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) как дизельных, так и с принудительным воспламенением топлива.

Известен каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с двойными стенками, торцевыми крышками, входным и выходным патрубками с фланцами, каталитическими блоками, реактор, разделенный каталитическими блоками на отдельные камеры (см. патент РФ N2008448, М.кл.⁵ F 01 N 3/28, 1994 г.).

Недостатками известного каталитического нейтрализатора является, во-первых, то, что не обеспечивается использование теплоты отработавших газов и теплоты, полученной вследствие дожигания продуктов неполного сгорания в присутствии катализаторов, которая выбрасывается с отработавшими газами в атмосферу, а, во-вторых, то, что не достигается высокая степень очистки отработавших газов от продуктов неполного сгорания и окислов азота, т.к. на режимах работы с обогащенными смесями в зону окисления не подается дополнительный воздух, а температуры для реакции восстановления окислов азота недостаточны вследствие удаленности каталитического нейтрализатора от ДВС и значительной теплоотдачи.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является каталитический нейтрализатор отработавших газов с утилизацией теплоты, содержащий корпус с двойными стенками, теплоизоляцией, торцевыми крышками, входным и выходным патрубками с фланцами, образующими общую внутреннюю полость каталитическими блоками и реактором, размещенным внутри корпуса. Корпус последовательно соединен выходным патрубком с конвективным теплообменником и нагнетателем воздуха, выполненным в виде вентилятора, а входным патрубком - с насосом прокачки жидкости-теплоносителя, в свою очередь соединенным с ДВС или аккумуляторными батареями. Утилизируемое тепло используется для отопления кабины водителя автомобиля (см. Груданов В.Я. Физико-химические и теплообменные процессы в каталитических нейтрализаторах с утилизацией теплоты отработавших газов //Двигателестроение.-1991, N1, с. 47-49).

Недостатками описанного нейтрализатора являются неполное использование теплоты отработавших газов и теплоты, выработанной ДВС, т.к. утилизируемое тепло применяется только для обогрева кабины, пониженные степень очистки газов от продуктов неполного сгорания и окислов азота, т.к. в зону окисления на режимах работы на обогащенных смесях не подается дополнительный воздух, а значительный теплоотвод не обеспечивает температур в реакторе, необходимых для восстановления окислов азота, и топливной экономичности ДВС, т.к. насос прокачки жидкости-теплоносителя должен иметь привод от внешнего источника энергии-ДВС или аккумуляторных батарей, что ведет к снижению эффективного КПД за счет увеличения механических потерь на привод вспомогательного агрегата-насоса, а дополнительный привод вентилятора для съема тепла с конвективного теплообменника также ведет к дополнительным механическим потерям. Таким образом, если учесть, что КПД водяного насоса по данным, опубликованным в книге "Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей" // Под ред. Орлина А.С., Круглова М.Г. - Изд. 3-е, перераб. и доп. М.:Машиностроение, 1985.- с. 270-286/, составляет 0,7-0,9, КПД вентилятора - 0,32-0,40 для клепаных роторов, и вентилятор может забирать 3-6% мощности двигателя, то предлагаемая в каталитическом нейтрализаторе-прототипе система утилизации теплоты будет способствовать увеличению расхода топлива двигателем.

Сущность изобретения заключается в том, что в каталитическом нейтрализаторе с утилизацией теплоты отработавших газов ДВС, содержащем корпус с двойными стенками, теплоизоляцией, торцевыми крышками, входным и выходным патрубками с фланцами, образующими общую внутреннюю полость каталитическими блоками, теплообменник, нагнетатель воздуха, корпус, являющийся одновременно выпускным коллектором ДВС, снабжен поперечными перегородками, разделяющими корпус на части в зависимости от числа цилиндров ДВС и удерживающими каталитические блоки, и камерой расширения, выполненной в виде каталитического блока, полость которой соединена с общей внутренней полостью каталитических блоков, причем между поперечными перегородками расположены элементы входного патрубка. В камере расширения размещен нагреватель двигателя с внешним подводом теплоты (ДВПТ), установленного вне корпуса, соединенный с теплообменником для охлаждения рабочего тела ДВПТ, размещающимся во впускном коллекторе ДВС. При этом соединенный с корпусом воздушный патрубок, выполненный в виде коллектора, связан через нагнетатель воздуха с ДВПТ.

Техническим результатом является повышение топливной экономичности ДВС и степени очистки отработавших газов от продуктов неполного сгорания и окислов азота, а так же улучшение использования теплоты отработавших газов.

Повышения топливной экономичности ДВС обеспечивается за счет использования энергии отработавших газов, равномерно распределяющихся через элементы входного патрубка, расположенные между поперечными перегородками корпуса нейтрализатора, являющегося одновременно выпускным коллектором ДВС. Энергия отработавших газов передается нагревателю ДВПТ, установленному в камере расширения, в результате чего ДВПТ, вырабатывающей энергию, в свою очередь приводит в действие вспомогательное оборудование ДВС.

Повышение степени очистки отработавших газов от продуктов неполного сгорания и окислов азота достигается путем подачи дополнительного воздуха через воздушный патрубок, выполненный в виде коллектора, связанный через нагнетатель воздуха с ДВПТ, т.е. вследствие увеличения количества окислителя в зоне реакций для окисления продукта неполного сгорания, и путем обеспечения высоких температур для поддержания восстановительного процесса, необходимых для восстановления окислов азота, за счет температурной инерции нагревателя ДВПТ, установленного в камере расширения, причем ДВПТ размещен вне корпуса каталитического нейтрализатора.

Улучшение использования теплоты отработавших газов достигается путем установки внутри камеры расширения каталитического нейтрализатора нагревателя ДВПТ, размещенного вне корпуса, при соединении нагревателя ДВПТ с теплообменником для охлаждения рабочего тела ДВПТ, размещающимся в системе впуска во впускном коллекторе ДВС. ДВПТ, расположенный вне корпуса нейтрализатора, предназначен для привода нагнетателя воздуха, связанного с воздушным патрубком, что обеспечивает высокую степень очистки газов от продуктов неполного сгорания. Установка внутри камеры расширения нагревателя ДВПТ позволяет обеспечивать высокие температуры в зоне реакций на всех режимах работы ДВС, т. к. он раскаляется при работе под нагрузкой и увеличивает инерционность в изменении температур при переходе на малые нагрузки. Таким образом, происходит выравнивание перепада температур в зоне реакций на переходных режимах за счет теплоотдачи от нагревателя ДВПТ, и создание саморегулируемой системы каталитической очистки, когда при переобогащении смеси, подъеме температуры в зоне реакций нагреватель ДВПТ обеспечивает путем привода нагнетателя воздуха подпитку зоны реакции воздухом. При низких температурах отработавших газов подача воздуха в зону реакций практически отсутствует.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображен продольный осевой разрез каталитического нейтрализатора с утилизацией теплоты отработавших газов ДВС, подсоединенного к системам впуска и выпуска ДВС.

Каталитический нейтрализатор с утилизацией теплоты отработавших газов ДВС 1 содержит корпус 2, являющийся одновременно выпускным коллектором ДВС, с торцевыми крышками 3 и 4, оснащенными фланцами 5 и 6 соответственно входным патрубком, выполненным в виде элементов 7, и выходным патрубком 8, реактором 9, образованным внутренними поверхностями торцевых крышек 3 и 4, внешней поверхностью пористого каталитического блока окислительно-восстановительного типа 10, внутренней поверхностью пористого каталитического блока окислительно-восстановительного типа 11. Пористые каталитические блоки окислительно-восстановительного типа 10 и 11 установлены в корпусе 2 с образованием общей внутренней полости 12. Двойные стенки корпуса 2 образованы непосредственно стенками корпуса 2 и внешней поверхностью пористого каталитического блока окислительно-восстановительного типа 11.

Корпус 2 снабжен поперечными перегородками 13, разделяющими его и реактор 9 соответственно на части по числу цилиндров ДВС 1 и удерживающими каталитические блоки 10 и 11, а также камерой расширения 14, образованной крышкой 4 и пористым каталитическим блоком восстановительного типа 15. Внутренняя полость 16 камеры расширения 14 соединена с общей внутренней полостью 12 каталитических блоков 10 и 11. Элементы 7 входного патрубка расположены между поперечными перегородками 13.

В камере расширения 14 размещен нагреватель 17 ДВПТ таким образом, что его внешняя поверхность выведена в эту камеру. Нагреватель 17 ДВПТ соединен с теплообменником 18 для охлаждения рабочего тела ДВПТ, встроенным во впускной коллектор 19 системы впуска ДВС, т.е. выведенным за пределы камеры расширения 14.

Кроме этого, корпус 2 снабжен связанным с ним воздушным патрубком 20, выполненным в виде коллектора, а также теплоизоляцией 21. Воздушный патрубок 20 соединен через нагнетатель воздуха 22, имеющий привод 23, например, электродвигатель, через генератор 24 с ДВПТ 25, в свою очередь соединенным с нагревателем 17 ДВПТ и с корпусом 2. При этом ДВПТ 25 выведен за пределы корпуса 2. Генератор 24 приводится в действие ДВПТ 25, передающим энергию генератору 24 для вращения привода 23. Может быть применена и другая схема передачи энергии от ДВПТ 25 к нагнетателю воздуха 22, например, механическая трансмиссия (на чертеже не показана).

Каталитический нейтрализатор с утилизацией теплоты отработавших газов работает следующим образом. Отработавшие газы от ДВС 1 поступают в корпус 2 через элементы 7 входного патрубка в полость реактора 9, далее проходят через стенки пористого каталитического блока 10, где происходят реакции окисления продуктов неполного сгорания: углеводородов оксида углерода и сажи, а также идет восстановление окислов азота. Окислительно-восстановительные процессы поддерживаются за счет высоких температур и соприкосновения газов с пористыми стенками каталитического блока 10 окислительно-восстановительного типа. Кроме того, для поддержания окислительно-восстановительного процесса в реактор 9 через воздушный патрубок 20 нагнетателем 22 с приводом 23 подается воздух.

Разделение реактора 9 поперечными перегородками 13 в зависимости от числа цилиндров ДВС 1 способствует равномерному распределению отработавших газов и фиксации каталитических блоков 10 и 11 в корпусе 2.

Привод 23 нагнетателя воздуха 22 получает энергию от ДВПТ 25, нагреватель 17 которого встроен в камеру расширения 14 с внутренней полостью 16, соединенной с общей внутренней полостью 12 каталитических блоков 10, 11. Отработавшие газы ДВС, поступая в камеру расширения 14, отдают свою энергию нагревателю 17 ДВПТ, в результате чего приводится в действие ДВПТ 25, вырабатывающий энергию, например, электроэнергию генераторным 24, приводящий во вращение привод 23 с нагнетателем воздуха 22. При этом дополнительный воздух поступает в корпус 2.

По мере увеличения подачи топлива в ДВС и обогащения смеси температура отработавших газов увеличивается, увеличивается и содержание продуктов неполного сгорания, что приводит к ситуации, когда за окислительно-восстановительными блоками 10, 11 температура отработавших газов может подниматься до 900 К и выше, что способствует интенсивному нагреву нагревателя 17 ДВПТ, развитию последним частоты рабочих ходов, увеличению подачи воздуха, что в свою очередь способствует более глубокому окислению продуктов неполного сгорания.

При переходе ДВС на режим малых нагрузок частота рабочих ходов ДВПТ сокращается.

Отработавшие газы проходят сквозь каталитический блок восстановительного типа 15 и поступают к выходному патрубку 8 и далее - в атмосферу.

Такое выполнение каталитического нейтрализатора обеспечивает повышение топливной экономичности ДВС за счет использования энергии отработавших газов, повышение степени очистки отработавших газов от продуктов неполного сгорания и окислов азота, улучшение использования теплоты отработавших газов. Учитывая, что индикаторный КПД ДВПТ может достигать 60 и более %, можно с учетом КПД механических передач, электрических машин и воздушного насоса считать, что будет происходить дополнительное использование теплоты отработавших газов не менее, чем на 50%.

Формула изобретения

Каталитический нейтрализатор с утилизацией теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с двойными стенками, теплоизоляцией, торцевыми крышками, входным и выходным патрубками с фланцами, образующими общую внутреннюю полость каталитическими блоками, теплообменник, нагнетатель воздуха, отличающийся тем, что корпус, являющийся одновременно выпускным коллектором двигателя внутреннего сгорания, снабжен поперечными перегородками, разделяющими корпус на части в зависимости от числа цилиндров двигателя внутреннего сгорания и удерживающими каталитические блоки, и камерой расширения, выполненной в виде каталитического блока, полость которой соединена с общей внутренней полостью каталитических блоков, причем между поперечными перегородками расположены элементы входного патрубка, а в камере расширения размещен нагреватель двигателя с внешним подводом теплоты, установленного вне корпуса, соединенный с теплообменником для охлаждения рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты, размещающимся во впускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания, при этом соединенный с корпусом воздушный патрубок, выполненный в виде коллектора, связан через нагнетатель воздуха с двигателем с внешним подводом теплоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1