КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НЕЙТРАЛИЗАТОР (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области машиностроения, преимущественно автомобилестроению, а именно, к средствам снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС) и, в частности, предназначена для предотвращения попадания высокотоксичных компонентов (СО, СН, NOx), находящихся в продуктах сгорания ДВС, в окружающую среду.
В настоящее время нашли широкое распространение две концепции конструктивного построения каталитических нейтрализаторов - с керамическими и металлическими каталитическими носителями.
Каталитические нейтрализаторы с керамическими каталитическими носителями (далее КН) представляют собой достаточно сложную конструкцию, что вызвано прежде всего тем, что коэффициенты теплового расширения керамики и металла (из которого изготовлен корпус нейтрализатора) значительно отличаются. Поэтому между КН и корпусом устанавливаются различные по конструктивному исполнению температурные компенсаторы, в виде, например, прокладок, крепежных матов и др., с применением специальных клеевых составов, см. Европейскую заявку №0366484, МКИ F01N 3/28, публ. 02.05.90. Существует много проблем, связанных с обеспечением долговечности и надежности работы термических компенсаторов, материал которых подвергается разрушительному воздействию горячих, химически активных отработавших газов.
Конструкции нейтрализаторов с керамическими КН отличаются не только высокой стоимостью в изготовлении, но и значительными массо-габаритными показателями, что делает весьма проблематичным использование их на современных легковых автомобилях, в условиях стесненного пространства, как в
моторном отсеке, так и между днищем автомобиля и дорогой, поскольку для выполнения жестких норм по токсичности требуется увеличение размеров КН.
Более прогрессивной конструкцией каталитического нейтрализатора, с точки зрения упрощения конструкции, снижения стоимости изготовления, надежности и долговечности является устройство нейтрализатора с металлическим КН.
Известен каталитический нейтрализатор, см. авторское свидетельство СССР №1483064, МКИ 4 F01N 3/28, публ. 30.05.89, БИ №20, содержащий корпус с впускным и выпускным патрубками и металлический КН, установленный в корпусе и состоящий из двух лент, внутренняя из которых выполнена гофрированной, а внешняя - гладкой, причем ленты намотаны вокруг центрального тела, соединенного с корпусом при помощи радиальных спиц, расположенных со стороны торцов блока-носителя. КН закреплен в корпусе посредством специальных бандажей, закрепленных сваркой на корпусе, при этом бандаж, внахлест контактируя с боковыми стенками КН, неподвижно фиксирует его в осевом направлении. Патрубки закреплены на корпусе посредством фланцевого соединения крепежными элементами.
К очевидным недостаткам этого КН следует отнести сложность его конструкции, которая обуславливает неоптимальность массо-габаритных показателей. Одновременно с этим, наличие монтажных бандажей приводит к неоптимальному использованию каталитического вещества в периферийной зоне тела КН, поскольку внахлест размещенные на боковых стенках КН торцы бандажей препятствуют проникновению в тело КН отработавших газов.
Химические реакции, происходящие в КН, имеют характер окислительно-восстановительных, с выделением тепла. Достаточно сказать, что при работе ДВС легкового автомобиля температура внутри КН достигает (например, в автомобилях ВАЗ) 720С°, а на стенке корпуса КН она превышает 200С°. Это создает определенные трудности при размещении КН, учитывая условия стесненного пространства, как в моторном отсеке, так и между днищем и дорогой на современных легковых автомобилях. Механизмы автомобиля должны быть защищены от вредного длительного высокотемпературного воздействия со стороны КН. Кроме того, при расположении КН под днищем автомобиля необходимо исключить возможность возникновения пожара по причине
воспламенения предметов, лежащих на дороге, во время стоянки автомобиля с работающим ДВС.
Указанная проблема решается в устройстве по патенту ЕР1013906, где каталитический блок КН заключен в корпус с двумя торцевыми стенками, имеющими входное и выходное отверстие, причем между боковой стенкой КБ и корпусом имеется теплоизолирующая прокладка. Недостаток этого устройства заключается в том, что торцевые стенки корпуса непосредственно прилегают к торцу КБ, что не желательно, т.к. приведет к увеличению температуры за пределами корпуса КН, из-за непосредственной теплопередачи от горячего КБ к корпусу КН.
В других устройствах по патентам ЕР 1621738, US 6613296, WO 02103172, US 6605259, ЕР 0917619, DE 602004, ЕР 1326012, DE 6027174 данный недостаток устранен путем введения в конструкцию КН двойной торцевой стенки, предотвращающей непосредственную теплопередачу от КБ к корпусу КН, при этом между корпусом и КБ имеются различного вида теплоизолирующие прокладки или воздух, являющийся, как известно, хорошим теплоизолятором.
Известны конструкции каталитических нейтрализаторов, включающих несколько последовательно расположенных с зазором КН, что в значительной степени позволяет повысить степень очистки отработавших газов от химически вредных компонентов, см. патент RU 2015356, МПК F01N 3/28, публ. 30.06.1994, заявитель и патентообладатель ЭМИТЕК ГЕЗЕЛЬШАФТ ФЮР ЭМИССИОНСТЕХНОЛОГИ МБХ. Здесь каталитический элемент для нейтрализации отработавших газов содержит металлический сотовый носитель катализатора, наружную и внутреннюю трубчатые оболочки. Оболочки размещены концентрично одна относительно другой с образованием кольцевого зазора между ними и возможностью свободного продольного расширения внутренней трубчатой оболочки. Один конец внутренней трубчатой оболочки жестко соединен с одним концом наружной трубчатой оболочки. Каталитический элемент дополнительно содержит подвижную опору. Внутренняя трубчатая оболочка другим концом установлена в подвижной опоре, образованной круговыми или одиночными выступами, выполненными на наружной трубчатой оболочке.
Известны каталитические нейтрализаторы, КН которых имеют в поперечном сечении форму овала, большая ось которых в основном параллельна дорожному покрытию, см. патент на изобретение RU 2113232, МПК F01N 3/28, от 27.09.2003, патентообладатель ЭМИТЕК ГЕЗЕЛЬШАФТ ФЮР ЭМИССИОНСТЕХНОЛОГИ МБХ. Каталитический преобразователь здесь имеет по меньшей мере один сотовый элемент с покрытием из каталитически активного материала и с отделенными друг от друга стенками проточными каналами для ОГ, при этом указанный преобразователь имеет расположенные последовательно в направлении (S) протекания потока ОГ первую и вторую зоны, теплоемкость первой из которых, приходящаяся на единицу объема сотового элемента, меньше теплоемкости второй зоны, приходящейся на единицу объема сотового элемента, причем теплоемкость второй зоны, приходящейся на единицу объема сотового элемента, составляет по меньшей мере 800 Дж/л-К. В предпочтительном варианте в первой зоне толщина металлических листов без покрытия составляет в среднем менее 0,06 мм, предпочтительно менее 0,04 мм, а во второй зоне толщина металлических листов без покрытия составляет в среднем более 0,06 мм, предпочтительно более 0,08 мм, прежде всего 0,11 мм. Таким образом, первая зона при высокой температуре ОГ может быстро достигать рабочей температуры, тогда как вторая зона аккумулирует тепло для работы в режимах, в которых ОГ имеют низкую температуру. Изобретение позволяет повысить эффективность работы преобразователя. Положительным моментом здесь является то, что при заданной техническими требованиями на автомобиль величине клиренса (величина просвета между дорогой и нижней крайней точкой автомобиля), удается в значительной степени повысить объем полости каталитического нейтрализатора и площадь проходного сечения КБ, что существенно влияет на эффективность и долговечность работы каталитического нейтрализатора.
В качестве прототипа принято устройство каталитического нейтрализатора, описанное в RU 33780 U1, МПК F01N 3/28, публикация 10.11.2003. Известный каталитический нейтрализатор содержит корпус, выполненный в виде пустотелой емкости, с входным и выходным патрубками, в котором размещен каталитический носитель. Каталитический носитель выполнен в виде единого металлического газопроницаемого цилиндрического моноблока,
боковые стенки которого находятся в плотном контакте со стенками корпуса, входной и выходной патрубки выполнены конусообразными, причем на торцах патрубков меньшего диаметра смонтированы присоединительные фланцы, а противоположные торцы патрубков снабжены цилиндрическими, соосными корпусу участками, которые размещены внутри корпуса, с образованием неразъемного телескопического соединения, при этом между наружными торцами цилиндрических участков и торцевыми стенками моноблока образован зазор, величина которого составляет не менее половины толщины стенки соответствующего цилиндрического участка патрубка. Патрубки на корпусе закреплены посредством сварного соединения.
В прототипе средство крепления каталитического нейтрализатора к приемной трубе отработавших газов (присоединительный фланец) конструктивно выполнено в виде шарнира, допускающего ограниченное качание каталитического нейтрализатора. Одновременно с этим, средство крепления каталитического нейтрализатора к тракту отвода отработавших газов из каталитического нейтрализатора, выполненное в виде уплотнительного кольца и накидного фланца, смонтировано непосредственно на торце выпускного патрубка.
Практика эксплуатации прототипа выявила нежелательные явления, устранение которых повлекло изменение конструкции, что и явилось предметом разработки заявляемой полезной модели. В частности, было установлено, что в прототипе, через присоединительный фланец крепления каталитического нейтрализатора к приемной трубе отработавших газов происходит подсос воздуха извне. В это же время, диагностический датчик кислорода смонтирован в трассе тракта отвода отработавших газов из каталитического нейтрализатора, в непосредственной близости от уплотнительного кольца и накидного фланца, смонтированных непосредственно на торце выпускного патрубка. Подсос воздуха через присоединительный фланец крепления каталитического нейтрализатора к приемной трубе приводит к тому, что происходит рассогласование в работе управляющего датчика кислорода, смонтированного на приемной трубе отработавших газов и диагностического датчика кислорода. Показания последнего начинают не соответствовать действительному состоянию
химического состава отработавших газов на выходе из каталитического нейтрализатора, а это прямо сказывается на нормальной работе системы зажигания и топливоподачи ДВС, организации рабочего процесса в его камерах сгорания.
Решение технической задачи предусматривает создание эффективной и одновременно с этим недорогой и компактной, надежной и долговечной в эксплуатации конструкции каталитического нейтрализатора.
Технический результат заключается в улучшении организации рабочего процесса ДВС и повышении степени очистки отработавших газов от химически вредных составляющих.
Сущность полезной модели заключается в том, что в известном каталитическом нейтрализаторе, в первом варианте его конструктивного исполнения, содержащем цилиндрический корпус, в котором размещен, по крайней мере, один каталитический носитель, боковые стенки которого находятся в плотном контакте со стенками корпуса, входной и выходной патрубки, выполненные конусообразными, причем на торцах конусообразных патрубков меньшего диаметра выполнены цилиндрические отбортовки, на которых соответственно смонтированы средства крепления каталитического нейтрализатора к приемной трубе отработавших газов от двигателя внутреннего сгорания и тракту отвода отработавших газов из каталитического нейтрализатора в трассу выхлопа, а противоположные торцы конусообразных патрубков снабжены цилиндрическими, соосными корпусу участками, посредством которых патрубки закреплены на корпусе каталитического нейтрализатора, при этом нижняя часть корпуса каталитического нейтрализатора с зазором охвачена теплоизолирующим экраном, каталитический нейтрализатор снабжен дополнительным цилиндрическим, частично изогнутым по радиусу, патрубком, прямолинейный конец которого неразъемно смонтирован на цилиндрической отбортовке выходного патрубка, а на изогнутом конце которого смонтировано средство крепления каталитического нейтрализатора к тракту отвода отработавших газов из каталитического нейтрализатора, на прямолинейном участке дополнительного патрубка смонтирована втулка, для установки диагностического датчика кислорода, между втулкой и цилиндрической отбортовкой выходного патрубка, перпендикулярно оси прямолинейного участка
дополнительного патрубка, на его наружной стенке неразъемно смонтирован теплозащитный экран датчика кислорода, выполненный в виде тонколистовой, изогнутой по радиусу пластины, средство крепления каталитического нейтрализатора к приемной трубе отработавших газов выполнено в виде плоского фланца, неразъемно закрепленного через переходную втулку на цилиндрической отбортовке входного патрубка, при этом во фланце выполнены сквозные отверстия под крепежные элементы, размещенные между собой на равном угловом расстоянии, средство крепления каталитического нейтрализатора к тракту отвода отработавших газов из каталитического нейтрализатора выполнено в виде уплотнительного кольца и накидного фланца, в котором выполнены сквозные отверстия под крепежные элементы, размещенные между собой на равном угловом расстоянии, каталитический носитель выполнен в виде металлического моноблока, боковая поверхность которого имеет форму кругового цилиндра, ограниченного его торцовыми стенками.
Сущность полезной модели, во втором варианте ее конструктивного исполнения, заключается в том, что в известном каталитическом нейтрализаторе, содержащем цилиндрический корпус, в котором размещен, по крайней мере, один каталитический носитель, боковые стенки которого находятся в плотном контакте со стенками корпуса, входной и выходной патрубки, выполненные конусообразными, причем на торцах конусообразных патрубков меньшего диаметра выполнены цилиндрические отбортовки, на которых соответственно смонтированы средства крепления каталитического нейтрализатора к приемной трубе отработавших газов от двигателя внутреннего сгорания и тракту отвода отработавших газов из каталитического нейтрализатора в трассу выхлопа, а противоположные торцы конусообразных патрубков снабжены цилиндрическими, соосными корпусу участками, посредством которых патрубки закреплены на корпусе каталитического нейтрализатора, при этом нижняя часть корпуса каталитического нейтрализатора с зазором охвачена теплоизолирующим экраном, каталитический нейтрализатор снабжен дополнительным цилиндрическим, частично изогнутым по радиусу, патрубком, прямолинейный конец которого неразъемно смонтирован на цилиндрической отбортовке выходного патрубка, а на изогнутом конце которого
смонтировано средство крепления каталитического нейтрализатора к тракту отвода отработавших газов из каталитического нейтрализатора, на прямолинейном участке дополнительного патрубка смонтирована втулка, для установки диагностического датчика кислорода, между втулкой и цилиндрической отбортовкой выходного патрубка, перпендикулярно оси прямолинейного участка дополнительного патрубка, на его наружной стенке неразъемно смонтирован теплозащитный экран датчика кислорода, выполненный в виде тонколистовой, изогнутой по радиусу пластины, средство крепления каталитического нейтрализатора к приемной трубе отработавших газов выполнено в виде плоского фланца, неразъемно закрепленного через переходную втулку на цилиндрической отбортовке входного патрубка, при этом во фланце выполнены сквозные отверстия под крепежные элементы, размещенные между собой на равном угловом расстоянии, средство крепления каталитического нейтрализатора к тракту отвода отработавших газов из каталитического нейтрализатора выполнено в виде уплотнительного кольца и накидного фланца, в котором выполнены сквозные отверстия под крепежные элементы, размещенные между собой на равном угловом расстоянии, каталитический носитель выполнен в виде двух керамических блоков, боковая поверхность которых имеет форму овала, при этом между встречными торцами блоков образован зазор. Плотный контакт керамических блоков со стенками корпуса в этом варианте конструктивного исполнения обеспечивается за счет установки между ними температурных компенсаторов (прокладок, матов, с возможным применением клеевых термостойких составов). Кроме того, в этом варианте конструктивного исполнения конусообразные патрубки и корпус могут быть выполнены в виде единой, цельно отштампованной детали.
Технический результат, как в первом, так и во втором вариантах конструктивного исполнения, обеспечивается за счет герметичного соединения плоского фланца, неразъемно закрепленного через переходную втулку на цилиндрической отбортовке входного патрубка, к приемной трубе отработавших газов. В этом случае исключается подсос воздуха извне в полость каталитического нейтрализатора.
Технический результат, как в первом, так и во втором вариантах конструктивного исполнения, обеспечивается и за счет того, что диагностический
датчик кислорода смонтирован по ходу отработавших газов еще до шарнирного закрепления каталитического нейтрализатора к тракту выпуска отработавших газов, в непосредственной близости от выходного патрубка и надежно при этом теплоизолирован от корпуса каталитического нейтрализатора.
Дополнительный технический результат во втором варианте конструктивного исполнения достигается за счет применения двух КН овальной поперечной формы, что не только повышает литраж каталитического нейтрализатора, но и поверхность каталитического воздействия на поток отработавших газов.
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники по научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".
Предложенное техническое решение может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо, воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость". При этом промышленный выпуск полезной модели возможен на стандартном оборудовании с применением известных, хорошо отработанных технологий.
Другие особенности и преимущества заявляемой полезной модели станут понятны из следующего детального описания, приведенного исключительно в форме не ограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие предпочтительный вариант реализации, на которых показаны схемы предлагаемых вариантов каталитических нейтрализаторов и их отдельных составляющих элементов.
- на фиг.1, 2 и 3 показан первый вариант конструктивного исполнения каталитического нейтрализатора, соответственно виды снизу (со стороны дороги), сбоку и сверху;
- на фиг.4 показано средство крепления каталитического нейтрализатора к тракту отвода отработавших газов из каталитического нейтрализатора,
- на фиг.5 показан вид на плоский фланец крепления каталитического нейтрализатора к приемной трубе отработавших газов,
- на фиг.6 и 7 показан монтаж втулки для установки диагностического датчика кислорода и его теплозащитного экрана,
- на фиг.8 показано поперечное сечение каталитического нейтрализатора, в его первом варианте конструктивного исполнения,
- на фиг.9 показан вид на средство крепления каталитического нейтрализатора со стороны тракта отвода отработавших газов.
На фиг.10, 11 и 12 показан второй вариант конструктивного исполнения каталитического нейтрализатора, соответственно виды снизу (со стороны дороги), сбоку и сверху;
- на фиг.13 показано средство крепления каталитического нейтрализатора к тракту отвода отработавших газов из каталитического нейтрализатора,
- на фиг.14 показан вид на плоский фланец крепления каталитического нейтрализатора к приемной трубе отработавших газов,
- на фиг.15 и 16 показан монтаж втулки для установки диагностического датчика кислорода и его теплозащитного экрана,
- на фиг.17 показано поперечное сечение каталитического нейтрализатора, в его первом варианте конструктивного исполнения,
- на фиг.18 показан вид на средство крепления каталитического нейтрализатора со стороны тракта отвода отработавших газов,
- на фиг.19 показан зазор между торцами керамических КН (блоков).
Как в первом, так и во втором вариантах конструктивного исполнения каталитический нейтрализатор содержит цилиндрический корпус 1, входной 2 и выходной 3 патрубки, выполненные конусообразными, причем на торцах 4 и 5 конусообразных патрубков меньшего диаметра выполнены цилиндрические отбортовки 6 и 7, на которых соответственно смонтированы средства крепления каталитического нейтрализатора к приемной трубе отработавших газов (не показана) от двигателя внутреннего сгорания и тракту отвода (не показан) отработавших газов из каталитического нейтрализатора в трассу выхлопа. Противоположные торцы 8 и 9 конусообразных патрубков 2 и 3 снабжены цилиндрическими, соосными корпусу участками 10 и 11, посредством которых патрубки закреплены на корпусе 1 каталитического нейтрализатора. Нижняя часть корпуса 1 каталитического нейтрализатора с зазором 12 охвачена
теплоизолирующим экраном 13. Каталитический нейтрализатор снабжен дополнительным цилиндрическим, частично изогнутым по радиусу, патрубком 14, прямолинейный конец 15 которого неразъемно смонтирован на цилиндрической отбортовке 7 выходного патрубка. На изогнутом конце 16 патрубка 14 смонтировано средство крепления каталитического нейтрализатора к тракту отвода отработавших газов из каталитического нейтрализатора. На прямолинейном участке 15 дополнительного патрубка 14 смонтирована втулка 17, для установки диагностического датчика кислорода (не показан). Между втулкой 17 и цилиндрической отбортовкой 7 выходного патрубка 3, перпендикулярно оси прямолинейного участка 15 дополнительного патрубка 14, на его наружной стенке неразъемно смонтирован теплозащитный экран 18 датчика кислорода (не показан), выполненный в виде тонколистовой, изогнутой по радиусу пластины. Средство крепления каталитического нейтрализатора к приемной трубе отработавших газов выполнено в виде плоского фланца 19, неразъемно закрепленного через переходную втулку 20 на цилиндрической отбортовке 6 входного патрубка, при этом во фланце 19 выполнены сквозные отверстия 21 под крепежные элементы, размещенные между собой на равном угловом расстоянии. Средство крепления каталитического нейтрализатора к тракту отвода отработавших газов из каталитического нейтрализатора выполнено в виде уплотнительного кольца 22 и накидного фланца 23, в котором выполнены сквозные отверстия 24 под крепежные элементы, размещенные между собой на равном угловом расстоянии.
В первом варианте в корпусе 1 размещен один каталитический носитель 25, боковые стенки которого находятся в плотном контакте со стенками корпуса 1.
Во втором варианте конструктивного исполнения в корпусе 1 каталитический носитель выполнен в виде двух керамических блоков 26 и 27, боковая поверхность которых имеет форму овала, при этом между встречными торцами 28 и 29 блоков образован зазор 30. Плотный контакт керамических блоков 26 и 27 со стенками корпуса 1 обеспечивается за счет установки между ними температурных компенсаторов 31 (прокладок). Кроме того, в этом варианте конструктивного исполнения конусообразные патрубки 2 и 3 и корпус 1 могут быть выполнены в виде единой, цельно отштампованной детали.
Работает каталитический нейтрализатор обычным образом.
При работе ДВС и каждом такте выпуска, выхлопные газы входят в КН со стороны конусообразного входного патрубка 2, далее газ проходит через КН 25 или 26 и 27, где в результате окислительно-восстановительных реакций, с помощью катализатора, очищается от вредных компонентов (СО, СН, NOx) выхлопных газов. Далее очищенный газ входит в конусообразный выходной патрубок 3, и через дополнительный патрубок 14 далее поступает в глушители системы выпуска автомобиля (не показаны).
Использование заявленного технического решения позволяет создать недорогую и компактную конструкцию двух вариантов эффективного нейтрализатора, соответственно объемом 1,1 литра (под Нормы Евро-2) и 1,6 литра (под Нормы Евро-3), повысить конкурентоспособность отечественных автомобилей за счет соответствия их экологической безопасности мировым стандартам, снизить загрязнение воздуха в населенных пунктах токсичными компонентами отработавших газов автотранспортных средств, силовой агрегат которых выполнен на базе двигателя внутреннего сгорания.
Разумеется, полезная модель не ограничивается описанным выше конкретным конструктивным примером ее осуществления, показанным на прилагаемых фигурах. Остаются возможными несущественные изменения различных элементов или материалов, из которых эти элементы выполнены, либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема притязаний, обозначенного независимым пунктом формулы полезной модели.