Устройство для каталитической очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания
DEVICE FOR CATALYTIC CLEANING OF EXHAUST GASES OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области экологии машиностроения, в частности к созданию экологически чистых двигателей путем каталитической регулируемой очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания от токсичных веществ.
Из технической литературы известно, что при проектировании каталитических нейтрализаторов важной задачей является обеспечение равномерности расхода потока отработавших газов по всей входной поверхности блока катализатора. При входе отработавших газов во входной конус перед блоком катализатора поток расширяется, но основная масса газов направляется через центральную часть блока катализатора. Картина распределения скорости потока отработавших газов на выходе из блока катализатора, полученная из решения газодинамической задачи методом конечных элементов, приведена на фиг. 1. Как можно видеть, распределение скорости по сечению блока катализатора имеет существенно неравномерный вид. Кроме этого, отработавшие газы поступают импульсами со скоростью и соответственно расходом переменными по времени, что усугубляет указанную неравномерность из-за волнового процесса воздействия на поры катализатора.
Известно устройство для очистки отработавших газов (патент Японии JP H 05141234 (А) - 1993-06-08), в котором для увеличения равномерности распределения потока отработавших газов по всему объему блока катализатора входная и выходная поверхности блока катализатора выполнены соответственно выпуклой и вогнутой.
Как показали расчеты, подобная форма блока катализатора заметно улучшает равномерность потока через блок катализатора при небольших расходах отработавших газов. На режимах работы ДВС с большой скоростью потока изменения профиля скорости несущественны. Кроме того, субстрат блока катализатора подобной формы сложен в изготовлении, что увеличивает стоимость каталитического нейтрализатора.
Известно устройство для очистки отработавших газов, описанное в патенте US 8747760, заявитель GM GLOBAL TECH OPERATIONS INC, опубл. 10.06.2014 г., в котором для увеличения равномерности распределения потока отработавших газов по всему объему каталитического блока в первом варианте входная поверхность блока выполнена выпуклой.
Как ранее указывалось, что показали расчеты, подобная форма блока катализатора заметно улучшает равномерность потока через блок катализатора при небольших расходах отработавших газов. На режимах работы ДВС с большой скоростью потока отработавших газов изменения профиля скорости несущественны. Кроме того, субстрат блока катализатора подобной формы сложен в изготовлении, что увеличивает стоимость каталитического нейтрализатора.
Во втором варианте устройства по патенту US 8747760 во впускном конусе каталитического нейтрализатора установлен рассекатель потока отработавших газов. Такая конструкция позволяет перераспределить поток на всех режимах работы, но на малых расходах из-за неравномерного импульсного поступления отработавших газов трудно прогнозировать их распределение.
Прототипом предлагаемого технического решения является устройство, описанное в патенте US 7451594 В2 (заявка US 2006070375 А1), опубл. 06.04.2006 г., в котором во входном конусе каталитического нейтрализатора установлен распределитель потока отработавших газов в виде пластины с фигурными, секторными, радиально расположенными прорезями. Такое выполнение является одним из вариантов известного способа повышения равномерности распределения потока отработавших газов по сечению блока катализатора - установка так называемых «распределителей потока» (импеллеров) перед блоком катализатора.
Недостатком указанного устройства является значительное увеличение противодавления каталитического нейтрализатора, особенно при больших скоростях потока. Кроме того, при прохождении потока через узкие радиальные секторные прорези, расположенные практически перпендикулярно потоку, образуются многочисленные турбулентности, являющиеся генераторами шума.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания от токсичных веществ до уровней, удовлетворяющих перспективным экологическим нормативам за счет уменьшения габаритов и повышения ресурса устройств снижения токсичности.
Техническая задача решается тем, что устройство для каталитической очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, включающее каталитический нейтрализатор, состоящий из корпуса с входным и выходным конусами, входным и выходным патрубками и расположенных внутри корпуса перфорированного блока катализатора и распределителя потока отработавших газов, причем распределитель выполнен в виде пластины, расположенной у выхода из блока катализатора с возможностью перемещения вдоль оси каталитического нейтрализатора, при этом пластина кинематически соединена с выходным конусом и/или выходным патрубком корпуса каталитического нейтрализатора при помощи механизма подвижного крепления.
Механизм подвижного крепления пластины выполнен в виде управляемого привода, выполненного с возможностью изменения расстояния пластины от выходного торца блока катализатора в зависимости от режима работы двигателя.
Механизм подвижного крепления пластины выполнен в виде пружины.
Пластина имеет выпуклую форму, причем выпуклость направлена против потока отработавших газов.
Указанные признаки позволяют решить техническую задачу и достичь следующих технических результатов:
- ускорение разогрева блока катализатора при пусковых режимах;
- повышение равномерности использования активной поверхности блока катализатора в зависимости от расхода и скорости отработавших газов;
- уменьшение избыточности рабочего объема блока катализатора при ненагруженных режимах при небольших расходах отработавших газов;
- повышение ресурса каталитического нейтрализатора.
Устройство для каталитической очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, схема которого показана на фиг. 2, включает каталитический нейтрализатор 1, состоящий из корпуса с входным 2 и выходным 4 конусами, входным 8 и выходным 5 патрубками и расположенных внутри корпуса перфорированного блока 3 катализатора и распределителя потока отработавших газов. Распределитель выполнен в виде пластины 6, которая расположена у выхода из блока 3 катализатора с возможностью перемещения вдоль оси каталитического нейтрализатора и кинематически соединена с выходным конусом и/или выходным патрубком корпуса каталитического нейтрализатора при помощи механизма 7 подвижного крепления.
Механизм 7 подвижного крепления пластины выполнен в виде управляемого привода, выполненного с возможностью изменения расстояния пластины от выходного торца блока катализатора в зависимости от режима работы двигателя, например в виде рычажного механизма, конкретное выполнение которого определяется законом перемещения и выполняется по известным зависимостям и законам механики. При этом привод механизма может быть компьютеризированным с возможностью реализации закона перемещения в зависимости от многих параметров работы ДВС и его конструкции. Это не является предметом предложения и по этой причине подробно не описывается.
Механизм подвижного крепления пластины выполнен в виде пружины. Эта конструкция является наиболее простой.
Пластина имеет выпуклую форму, причем выпуклость направлена против потока отработавших газов.
При пуске пластина 6 на механизме 7 подвижного крепления прижата к заднему срезу блока 3 катализатора и перекрывает центральную часть проходного сечения блока 3 катализатора (фиг. 3). При этом периферическая часть блока 3 катализатора быстро разогревается отработавшими газами, движущимися с малой скоростью, и относительно длительным временем теплообмена и хорошей теплопередачей к блоку 3 катализатора.
В исходном состоянии и при небольших расходах отработавших газов пластина 6 на механизме 7 подвижного крепления прижата к заднему срезу блока 3 катализатора и перекрывает центральную часть проходного сечения блока 3 катализатора (фиг. 3). В этом случае центральная часть блока 3 катализатора не используется, периферийная часть блока 3 катализатора, через которую проходят отработавшие газы, не создает существенного противодавления при малых скоростях потока.
Расчетное объемное распределение скорости потока в продольном сечении каталитического нейтрализатора приведено на фиг. 4 и далее в виде градаций серого цвета от черного - минимальная скорость до белого - максимальная скорость.
При увеличении скорости потока отработавших газов и соответственно увеличении давления на пластину она приоткрывает проход отработавшим газам, включая в режим течения центральную часть блока 3 катализатора (фиг. 5 и 6). При максимальных расходах проход вокруг пластины полностью открывается.
За счет изменения площади поверхности активной части блока 3 катализатора (суммарной площади поверхностей микроканалов блока 3 катализатора), участвующей в процессе каталитической нейтрализации отработавших газов, достигаются указанные технические результаты. При использовании на частичных режимах только периферийных зон с меньшими скоростями течения отработавших газов и пониженной их температурой (в сравнении с режимами максимальных скоростей и/или нагрузок) повышается ресурс блока и его эффективность, за счет чего возможно уменьшение его размеров и/или уменьшения загрузки драгметаллами.
Механизм подвижного крепления может быть выполнен в виде упругого элемента и отрегулирован на различный перепад давления на блоке 3 катализатора. Пластина может иметь выпуклую форму, причем выпуклость направлена против потока отработавших газов (фиг. 7).
Применением выпуклой формы пластины можно добиться более равномерного распределения скорости потока на выходе из блока 3 катализатора как на небольших расходах отработавших газов, когда пластина поджата к поверхности блока 3 катализатора (фиг. 8), так и при больших расходах отработавших газов, когда пластина находится на большем расстоянии от поверхности блока 3 катализатора (фиг. 9). Причем на малых расходах активно участвует в каталитической реакции в основном периферийная часть блока 3 катализатора.