ГЛУШИТЕЛЬ-НЕЙТРАЛИЗАТОР ВЫХЛОПА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к глушителям тепловых двигателей с интегрированными средствами очистки и обезвреживания выхлопных газов каталитическим превращением токсичных компонентов выхлопа. Наиболее предпочтительно его использование на грузовых автомобилях и автобусах.
В настоящее время для обеспечения нормируемого уровня загрязненности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств необходимо применение элементов очистки, представляющих собой всевозможные каталитические нейтрализаторы. Кроме этого, для дизельных ДВС, в отработавших газах которых присутствуют сажевые частицы, актуальным является применение сажевых фильтров. Вместе с этим, внедрение дополнительных элементов очистки в существующие конструкции систем выпуска отработавших газов ДВС транспортных средств, влечет за собой изменение их геометрии с увеличением габаритных размеров, что в отдельных случаях неприемлемо. Предлагаемое техническое решение позволяет скомбинировать систему нейтрализации вредных веществ отработавших газов и систему глушения шума выхлопа.
Известен нейтрализатор отработавших газов дизеля, (патент RU №2297544, МПК F01N 3/00, опубл. 24.06.2004 г.) который состоит из цилиндрического корпуса с входным и выходным патрубками, в котором последовательно размещены уловитель твердых частиц, каталитический нейтрализатор и глушитель. Уловитель твердых частиц образован съемным пакетом без сквозных ячеек из сетчатых металлических пластин и установлен после диффузора со стороны входного патрубка. Между корпусом и каталитически нейтрализатором размещена теплоизоляционная прокладка, обеспечивающая ускоренный прогрев нейтрализатора до рабочей температуры. После нейтрализатора установлен конффузор, выходной канал которого размещен в корпусе и выполнен в виде глушителя. Основным недостатком указанного глушителя-нейтрализатора является то, что уловитель твердых частиц регенерируется при техническом обслуживании механическим способом горячим потоком пара или с помощью термической обработки в вакуумной печи, предварительно демонтированный.
Известен глушитель-нейтрализатор, корпус которого состоит из проходной торцовой стенки, которая имеет отверстия для прохода газов, глухой торцовой стенки и цилиндрической периферийной стенки (Euro 4/5 - Emissionsgesetzgebung. Welchen Weg geht MAN?, MAN Nutzfahrzeuge Group, Geschäftsbereich Motoren, Abteilung MVFT, 22.07.2004, Рекламный проспект ф.MAN, стр.35, 36). В корпусе установлены впускной и выпускной патрубки, проходная перегородка, поддерживающая перегородка, глухая перегородка, раструб и нейтрализующий блок. Нейтрализующий блок состоит из каталитического нейтрализатора и сажевого фильтра, которые соединены конусом. Нейтрализующий блок соединен с раструбом и с поддерживающей перегородкой. Раструб также соединен с выпускным патрубком, который, в свою очередь, соединен с проходной перегородкой и проходной торцовой стенкой. Входной патрубок соединен с проходной перегородкой и проходной торцовой перегородкой. Поддерживающая перегородка расположена между проходной перегородкой и глухой перегородкой. Проходная торцовая стенка, проходная перегородка, поддерживающая перегородка, глухая перегородка и глухая торцовая стенка соединены с цилиндрической периферийной стенкой. На поверхности поддерживающей перегородки имеются отверстия для прохода газов. Цилиндрическая периферийная стенка выполнена из одного куска листового металла, концы которого соединены при помощи шва. Недостатком данного глушителя-нейтрализатора является то, что габаритный объем, в который вписывается корпус глушителя-нейтрализатора, используется не в полной степени. В сравнении с цилиндрической формой, форма параллелепипеда имеет больший объем при равных габаритах, позволяя размещать больший объем нейтрализующих блоков и обеспечивать лучшее шумозаглушение.
Известен глушитель-нейтрализатор стенки (Euro 4/5 Emissionsgesetzgebung. Welchen Weg geht MAN ?, MAN Nutzfahrzeuge Group, Geschäftsbereich Motoren, Abteilung MVFT, 22.07.2004, Рекламный проспект ф-MAN, стр.35, 36), состоящий из проходной торцовой стенки, которая имеет отверстие для прохода газов, глухой торцовой стенки, внутренней периферийной стенки, внешней периферийной стенки, впускного патрубка, проходной перегородки, двух поддерживающих перегородок, глухой перегородки, пяти нейтрализующих блоков и выхлопной трубы. Каждый нейтрализующий блок состоит из каталитического нейтрализатора и сажевого фильтра, которые соединены между собой при помощи сварки. Проходная перегородка, две поддерживающие перегородки и глухая перегородка установлены во внутренней периферийной стенке. Пространство между проходной торцовой стенкой и проходной перегородкой, пространство между глухой торцовой стенкой и глухой перегородкой и пространство между внутренней периферийной стенкой и внешней периферийной стенки заполнено волокнистым материалом, который выполняет функции термической и звуковой изоляции. Внутренняя периферийная стенка и внешняя периферийная стенка имеют четырехгранную форму в поперечном сечении, при этом грани стенок выполнены по радиусу. Внешняя периферийная стенка состоит из двух частей, соединенных между собою двумя продольными швами. Очевидным недостатком является то, что стоимость пяти нейтрализующих блоков дороже стоимости одного нейтрализующего блока равного объема.
Известен глушитель-нейтрализатор, корпус которого состоит из проходной торцовой стенки, которая имеет отверстие для прохода газов, глухой торцовой стенки и периферийной стенки (Заявка США на изобретение № US 2004/0202591 А1, МПК B01D 53/34, публикация 14.10.2004.,). В корпусе установлены впускной и выпускной патрубки, две внутренние перегородки и нейтрализующий блок. Поперечное сечение глушителя-нейтрализатора имеет прямоугольную или квадратную форму. Удлиненный впускной патрубок, который проходит в зоне расположения нейтрализующего блока, и удлиненный выпускной патрубок предопределяют пропорции корпуса, при которых длина глушителя-нейтрализатора примерно равна его высоте. Практика применения подобных конструкций на автомобилях MAN показывает, что производство таких глушителей трудоемко и требует значительных затрат материалов.
В качестве прототипа использована конструкция глушителя-нейтрализатора отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (патент RU 101091, МПК  F01N 3/00. опубл. 10.01.2011 г.), который состоит из периферийной стенки, проходной торцовой стенки, глухой торцовой стенки. В глушителе-нейтрализаторе установлены внутренняя перегородка, нейтрализующий блок, впускной патрубок и выпускной патрубок. В нейтрализующем блоке установлено два каталитических блока. Впускной патрубок и выпускной патрубок расположены на проходной торцовой стенке. Нейтрализующий блок соединен с внутренней перегородкой. В глушителе-нейтрализаторе установлена проходная перегородка и глухая перегородка. На поверхности проходной перегородки и глухой перегородки имеется перфорация. Проходная перегородка совместно с периферийной стенкой и проходной торцовой стенкой ограничивает полость, которая заполнена звукопоглощающим материалом. Глухая перегородка совместно с периферийной стенкой и глухой торцовой стенкой ограничивает полость, которая заполнена звукопоглощающим материалом. Связанная с нейтрализующим блоком внутренняя перегородка выполнена с отверстиями для прохода газов. Впускной патрубок связан с нейтрализующим блоком при помощи раструба. На проходной торцовой стенке установлены резьбовые шпильки для присоединения трубопроводов. Периферийная стенка выполнена четырехгранной с закругленными углами.
Обладая достаточно высокими термостойкими и звукопоглощающими характеристиками, волокнисто-пористая звукопоглощающая набивка, как правило, из базальтового волокна, применяемая в конструкциях представленных для сравнения глушителей-нейтрализаторов в большинстве случаев, ослабляет нежелательные дефектные резонансные высокочастотные "свисты" глушителя, в первую очередь, на "малогабаритных" 4-ой продольной и 2-ой радиальной собственных модах колебаний воздушного объема камеры. Однако, такая конструкция имеет и ряд существенных недостатков, основные из которых следующие:
- пористая набивка из волокнистого базальтового волокна активно впитывает и накапливает в полости химически агрессивный конденсат, содержащийся в выхлопных газах, что вызывает ускоренную внутреннюю коррозию стенок и перегородок корпуса глушителя, существенно сокращая срок его эксплуатации. Следует здесь же отметить, что именно внутренняя коррозия, а не механические нагрузки являются основной причиной разрушения глушителей автомобильных ДВС;
использование волокнистого базальтового волокна, вследствие вышеуказанной причины, вынуждает, в свою очередь, применять дорогостоящие нержавеющие хром-никелевые стали, использовать дополнительные устройства принудительного отсоса накопившегося конденсата из полости камеры различными диффузорными приемниками, что дополнительно усложняет конструкцию и делает ее более дорогой;
- в процессе эксплуатации транспортного средства базальтовые волокна частично выдуваются потоком выхлопных газов из полости глушителя в окружающую среду, что ведет к вредному и опасному для здоровья человека засорению воздушной среды мелкими частицами базальтовых волокон;
заполнение расширительных камер глушителя волокнистой шумопоглощающей набивкой вызывает некоторую потерю эффективности заглушения низкочастотного шума, вследствие частичной потери объема полости расширительной камеры, заполняющей набивкой (как правило - на частоте низшей нулевой собственной моды полости камеры);
- в процессе длительной эксплуатации устройства уменьшается пористость волокнистой набивки камеры из-за накапливающегося воздействия частиц углерода (сажи) и жидкого конденсата ("закоксовывание" пор), что влечет ухудшение звукопоглощающих характеристик волокнистой набивки и соответствующее снижение шумозаглушающей способности глушителя в целом;
- применение базальтовых волокон в технологии производства глушителей связано с вредными условиями производства, вследствие возможного попадания мелких частиц волокон через органы дыхания в организм человека.
В связи с изложенными выше техническими, стоимостными и экологическими недостатками и проблемами, предлагается конструкция глушителя-нейтрализатора, лишенная в той или иной мере многих недостатков присущих рассмотренным аналогам.
Задача настоящей полезной модели - снизить затраты на изготовление глушителя-нейтрализатора и повысить эффективность нейтрализации токсичных примесей в отработавших газах ДВС.
3
Задача решается за счет того, что глушитель-нейтрализатор выхлопа отработавших газов ДВС, имеющий коробчатую форму корпуса, состоящего из периферийных стенок, образованных свернутым металлическим листом по периметру торцевых стенок, одна из которых выполнена глухой, а в другой расположены входное и выходное отверстия, для прохода отработавших газов, внутри которого расположены впускной конусообразный патрубок, нейтрализующий блок, зафиксированный в отверстии, по крайней мере, одной глухой перегородки, по крайней мере, один перепускной патрубок, согласно полезной модели, нейтрализующий блок, имеющий максимальный объем до 14,9 л, состоит из последовательно соединенных цилиндрического каталитического нейтрализатора диаметром до 230 мм длиной 50…100 мм с загрузкой драгоценных металлов 10…40 гр/фут и одного или нескольких сажевых фильтров диаметром до 230 мм равным диаметру каталитического нейтрализатора общей длиной 150…260 мм, имеющих ячеистую структуру для нейтрализатора соответственно типа LS и для сажевого фильтра соответственно типа РМ.
Кроме того, внутри корпуса расположена, по крайней мере, одна перфорированная проточная перегородка для дополнительного рассеивания звуковой энергии потока отработавших газов
Впускной патрубок, соединяющий входное отверстие с нейтрализующим блоком, выполнен конусообразным со сложным профилем и переменным сечением, форма которых оптимизирована с учетом расхода отработавших газов для обеспечения плавного раскрытия газового потока без образования зон пристеночной турбулизации и максимально-равномерного распределения скорости и давления отработавших газов на входе в ячеистую структуру нейтрализующего блока, повышая эффективность его работы.
Отверстия для размещения выпускного и впускного патрубков снабжены единой установочной пластиной с резьбовыми крепежными элементами для обеспечения надежного герметичного соединения глушителя-нейтрализатора с фланцами трубопроводов системы выпуска отработавших газов.
Выходное отверстие с выпускным патрубком, снабженным соединительным фланцем, расположено на периферийной стенке корпуса.
Часть поверхности торцевых стенок выполнена сферической, плоские поверхности перегородок имеют выраженное оребрение, периферийные стенки выполнены двухслойными из разнотолщинных листов металла с сухим кулоновским трением между ними, либо трехслойными из листов металла и термошумоизоляционной прокладки между ними, обеспечивая снижение виброактивности и температуры внешней поверхности корпуса.
Дистанционно на кронштейнах закреплен термошумоизоляционный экран.
Суть заявляемого технического решения поясняется чертежом, где на фиг.1 - общий вид глушителя-нейтрализатора,
на фиг.2 - схема движения отработавших газов в глушителе-нейтрализаторе,
на фиг.3 - общий вид глушителя-нейтрализатора упрощенной конструкции с выпускным патрубком, расположенным на периферийной
стенке корпуса.
3
Глушитель-нейтрализатор выхлопа отработавших газов ДВС имеющий коробчатую форму корпуса, состоит из периферийных стенок, образованных свернутым металлическим листом 1 по периметру передней 2 и задней 3 стенки. В передней стенке расположены отверстия для размещения впускного 4 и выпускного 5 патрубков. Впускной патрубок, выполненный конусообразным со сложным профилем и переменным сечением, форма которых оптимизирована с учетом расхода отработавших газов для обеспечения плавного раскрытия газового потока без образования зон пристеночной турбулизации и максимально-равномерного распределения скорости и давления отработавших газов на входе в ячеистую структуру нейтрализующего блока, повышая эффективность его работы, соединяет входное отверстие с нейтрализующим блоком максимальным объемом до 14,9 л, состоящим из последовательно соединенных цилиндрического каталитического нейтрализатора 6 диаметром до 230 мм длиной 50…100 мм с загрузкой драгоценных металлов 10…40 гр/фут и одного или нескольких сажевых фильтров 7, 8 диаметром до 230 мм равным диаметру каталитического нейтрализатора общей длиной 150…260 мм, имеющих ячеистую структуру для нейтрализатора соответственно типа LS и для сажевого фильтра соответственно типа РМ. Внутри корпуса нейтрализующий блок фиксируется в отверстиях глухих перегородок 9, 10, которые вместе с перфорированной проточной перегородкой 11, разделяют внутренне пространство корпуса на полости первой 12, второй 13, третьей 14 и четвертой 15 расширительных камер. Полости первой и второй расширительной камеры сообщаются посредством отверстий перфорации 16 перфорированной проточной перегородки, полости второй и третьей расширительной камеры сообщаются посредством первого перепускного патрубка 17 с перфорацией 18 для дополнительного рассеивания звуковой энергии потока отработавших газов, полости третьей и четвертой расширительной камеры сообщаются посредством второго перепускного патрубка 19. Для обеспечения надежного герметичного соединения глушителя-нейтрализатора с фланцами трубопроводов системы выпуска отработавших газов используется единая установочная пластина 20 с резьбовыми крепежными элементами 21. При размещении выходного отверстия на периферийной стенке корпуса, выпускной патрубк снабжен автономным соединительным фланцем 22. Для уменьшения противодавления отработавших газов при работе ДВС, создаваемого глушителем-нейтрализатором в системе выпуска, его конструкция может быть упрощена путем уменьшения количества расширительных камер. При этом может наблюдаться некоторое уменьшение эффективности глушения шума выхлопа.
Ввиду большой площади поверхности корпуса глушителя-нейтрализатора он также является источником излучения звуковой энергии вибрирующими вследствие пульсаций выхлопных газов корпусными элементами. В качестве мер для снижения излучения звуковой энергии часть задней стенки выполнена сферической 23, плоские поверхности имеют выраженное оребрение 24, корпус может быть выполнен двухслойным из разнотолщинных листов металла с сухим кулоновским трением между ними, либо трехслойным из листов металла и термошумоизоляционной прокладки между ними, обеспечивая двойной эффект, снижая виброактивность и температуру внешней поверхности корпуса. Возможно применение термошумоизоляционного экрана закрепляемого дистанционно на кронштейнах 25.
2
2
2
2
тр
Работает заявляемый глушитель-нейтрализатор выхлопа отработавших газов ДВС следующим образом. Неочищенные отработавшие газы через конусообразный впускной патрубок 4 поступают в ячеистую структуру каталитического нейтрализатора, где происходит окислительно-восстановительная реакция. Каталитический нейтрализатор окисляет моноазот отработавших газов NO в присутствии катализатора, как правило, драгоценного металла, например платины Pt, до диоксида азота NО. Затем отработавшие газы поступают в ячеистую структуру сажевых фильтров 7, 8, где происходит адсорбция твердых частиц. Регенерация адсорбируемых частиц сажи (углерода С) в сажевых фильтрах 7, 8 происходит химическим способом за счет реакции окисления NO+C→CO+N, образуя при этом безвредные углекислый газ и азот. После этого, очищенные отработавшие газы поступают в первую расширительную камеру 12, откуда, замедлившийся за счет расширения поток отработавших газов через множество отверстий перфорированной проточной перегородки перетекает во вторую расширительную камеру 13. Затем, изменив направление движения на обратное, отработавшие газы перетекают в третью расширительную камеру 14 через первый перепускной патрубок, дополнительно рассеиваясь его перфорированной частью. Далее, через второй перепускной патрубок 19 отработавшие газы попадают в четвертую расширительную камеру 15 и через выпускной патрубок 5 в трубопровод системы выпуска. Реактивное глушение уровней шума выхлопа происходит, используя отражения звуковых волн за счет перепада проходных сечений и поворотов потока и размещения динамических срезов перепускных патрубков в зонах узлов низших форм объема расширительных камер с учетом смещения в направлении их осей (Δ=0.3d). Активное (абсорбционное) глушение уровней шума выхлопа происходит, используя преобразования звуковой энергии в тепловую в результате трения в ячеистой структуре нейтрализующего блока и вследствие нелинейных эффектов в местах изменения проходных сечений. За счет разницы длин расширительных камер обеспечивается настройка на различные частоты низших форм колебаний замкнутого объема отработавших газов. Нейтрализующий элемент, омываемый отработавшими газами в третьей расширительной камере, находится в подогреваемом термостатическом состоянии, обеспечивающим наилучший режим его работы.