Термокаталитический нейтрализатор отработанных газов
THERMOCATALYTIC EXHAUST GAS NEUTRALIZER

Термокаталитический нейтрализатор отработанных газов предназначен для обезвреживания вредных веществ в отработанных газах и может найти применение в двигателях внутреннего сгорания передвижных и стационарных установках.
Известны устройства для каталитической нейтрализации отработанных газов тепловых установок с использованием катализаторов. В кн. «Химия окружающей среды» (пер. с англ. под ред. А.П. Цыганкова - М: Химия. 1982. 672 c.) описаны каталитические реакторы (рис VIII - 12 схемы б, в, стр. 224), в которых требуется модификация двигателей и сложная система с двойным каталитическим конвертером.
Известно устройство («Каталитический нейтрализатор отработанных газов» патент на полезную модель №118689, бюл. №21 от 27.07.2012г.), в котором производится очистка в нейтрализаторе и осуществляется регулирование зоны каталитического воздействия на газ в зависимости от режима работы двигателя. Данное устройство принято нами за прототип. Недостатки прототипа следующие: в предложенном устройстве отсутствует обеспечение и поддержание необходимой температуры. В то время, известно, что термокаталитические реакции протекают только в определенном диапазоне температур. Если температура газа ниже необходимой, то каталитические реакции не реализуются, а при температурах выше допустимой материал катализатора выгорает, покрывается окисной пленкой и катализ не проходит. Для автомобильных двигателей более характерно пониженная температура, т.к. газ проходя от камеры сгорания до выхлопной трубы, ближе к которой устанавливается каталитическое устройство, значительно остывает. С остывшим газом в камере дожигания у прототипа процесс дожигания может не происходить. Другой недостаток прототипа состоит в монтажной сложности. Дело в том, что по мере эксплуатации катализатор теряет свои каталитические свойства и его надо заменить. Для этого требуется быстросменные устройства, позволяющие заменить один блок катализаторов на новый. Для устранения этих недостатков и повышения качества очистки выхлопных газов предложен термокаталитический нейтрализатор выхлопных газов, в котором содержится эжектор с регулятором расхода, камера термического дожигания со шнеком, регулирующее устройство с каталитическим нейтрализатором и внутренней пружиной в стакане, в котором в камере термического дожигания установлен инфракрасный излучатель и датчик температуры, связанный с регулятором напряжения инфракрасного излучателе, а корпус каталитического нейтрализатора имеет быстросъемный механизм в виде байонета с самоторможением.
Предлагаемый каталитический нейтрализатор представлен на фиг. 1 и фиг. 2, фиг. 3, где
фиг. 1 - общий вид устройства (сечение),
фиг. 2 - узел крепления (байонет),
фиг. 3 - вид А.
Здесь: 1 - патрубок подвода отработанного газа, 2 - эжектор, 3 - регулятор расхода, 4 - патрубок подачи воздуха, 5 - блок термического дожигания, 6 - шнек, 7 - инфракрасный излучатель, 8 - стакан, 9 - пружина, 10 - патрубок выхлопной, 11 - подпятник, 12 - кронштейн, 13 - катализатор пористый, 14 - блок каталитической нейтрализации, 15 - датчик температур, 16 - регулятор напряжения, 17 - измеритель температуры, 18 - источник питания, 19 - корпус самотормозящегося затвора, 20 - втулка, 21 - выступ, 22- штырь поворотный.
Термокаталитический нейтрализатор выхлопных газов крепится к патрубку подвода газов 1 фланцем эжектора 2, который имеет патрубок подачи воздуха 4 с регулятором расхода 3. К эжектору 2 крепится блок термического дожигания 5, имеющий внутри шнек 5, коаксиально которому в центре шнека 6 установлен инфракрасный излучатель 7. Измеритель 7 питается от источника питания 18, в цепи которого имеется измеритель температуры 17, регулятор напряжения 16. В электрическую цепь питания инфракрасного излучателя включен датчик температуры 15, установленный на выходе из блока термического дожигания 5. После блока дожигания 5 расположен блок каталитической нейтрализации 14, который крепится к блоку 5 самотормозящимся затвором типа «байонет» (см. узел I). Блок каталитической нейтрализации 14 имеет внутри пористый цилиндрический катализатор 13, расположенный коаксиально, а внутри него имеется подвижный стакан 8. Внутри стакана 8 установлена пружина 9, которая одним концом опирается на днище стакана 8. А другим концом опирается на подпятник 11, который кронштейнами 12 закреплен на выхлопном патрубке 10. Самотормозящий затвор типа «байонет» имеет корпус 19, который укреплен на корпусе 14. Затвор 19 состоит из корпуса, внутри которого находится подвижная втулка 20 с выступом 21, входящий в профилированный паз корпуса затвора 19. Втулка на конце имеет штырь поворотный 22.
Каталитический нейтрализатор работает следующим образом. При работе двигателя машины, выхлопные газы патрубка 1 поступают в полость эжектора 2. Внутри горловины эжектора 2 за счет высокой скорости потока газа образуется разрежение, и осуществляется подсос воздуха через патрубок подачи воздуха 4 из атмосферы. Далее, выхлопные газы, смешиваясь с воздухом, поступают в пространство блока каталитического дожигания 5, где движутся по шнеку 6, являющимся газоходом. Одновременно с началом работы двигателя включается источник питания 18, который осуществляет  нагрев инфракрасного излучателя 7, обеспечивая необходимую температуру датчика 15, обеспечивая контроль прибором 17 и регулированием устройством 16. В полости блока 5 происходит дожигание недогоревших углеводородных компонентов, и далее, газ поступает в полость каталитической нейтрализации 14 и начинает проходить через пористый катализатор 13. В зависимости от режима работы двигателя автоматически регулируется как состав газа внутри блока 5, так и зона прохода газа через пористый катализатор 13.
При работе двигателя на холостом ходу или малых нагрузках объем газов, поступающих через патрубок 1 в эжектор, 2 незначителен, и скорость газов в эжекторе создает малое давление. Это малое давление действует на днище стакана 8. За счет действия пружины 9 стакан 8 перекрывает значительную часть пористого катализатора 13, оставляя для прохода газа небольшую его часть. При работе двигателя на средних и полных нагрузках расход отработанных газов значительно возрастает, и увеличивается подсос воздуха через патрубок 4, и автоматически поддерживается необходимое количество воздуха в полости 5 термического дожигания. Увеличение расхода газа вызывает увеличение давления газа на дно стакана 8, которое вызывает сжатие пружины 9, при этом площадь пористого катализатора 13 отрывается больше, газ проходит через открытое поверхность катализатора, при прохождении которого происходит нейтрализация вредных примесей. Далее очищенный газ удаляется через выхлопной патрубок 10. В зависимости от типа двигателя, вида используемого топлива, проводя предварительное регулирование регулятора расхода 3 и регулятором напряжения 16 необходимую температуру датчика 15.
По мере эксплуатации двигателя термокаталитический нейтрализатор может ухудшать свои каталитические свойства - окисление поверхности катализатора 13, возможное забивание пор и др. Для поддержания эффективности каталитической нейтрализации, блок 14 необходимо заменить и направить пористый катализатор 13 на регенерацию. Быстрая смена блока 14 производится с использованием затвора 19. Поворотом втулки 20, используя поворотный штырь 22, передвигают выступ 21 в профилированном пазу, освобождают затвор и снимают блок 14. В зависимости от размера диаметра устройства патрубка 1 и диаметра блока 5 количество затворов 19 может быть несколько - 2,4,6 и др. Самоторможение затвора, гарантирующее надежное крепление блока 19 при движении автомобиля, обеспечивается условием: γ<ρ, где ρ - угол трения, γ - угол винтовой линии профилированного паза.
Таким образом, использование предложенного термокаталитического нейтрализатора выхлопных газов позволит повысить эффективность очистки выхлопных газов за счет автоматического регулирования процесса дожигания и поддержания необходимого температурного режима процесса каталитической нейтрализации и улучшить эксплуатационные характеристики путем упрощения замены блока катализатора.