КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НЕЙТРАЛИЗАТОР

Полезная модель относится к области машиностроения, преимущественно автомобилестроению, а именно, к средствам снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (далее м.б. 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 блоками-носителями (каталитическими блоками).
Каталитические нейтрализаторы с керамическими блоками-носителями 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 блоком-носителя 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 F 01 N 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 блоками 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 блоков-носителей.
Более прогрессивной конструкцией каталитического нейтрализатора, с точки зрения упрощения конструкции, снижения стоимости изготовления, надежности и долговечности является устройство нейтрализатора с металлическим каталитическим блоком (далее м.б. КБ).
Известен каталитический нейтрализатор, см. авторское свидетельство СССР №1483064, МКИ4 F 01 N 3/28, публ. 30.05.89, БИ №20, содержащий корпус с впускным и выпускным патрубками и металлический КБ, 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. КБ закреплен в корпусе посредством специальных бандажей, закрепленных сваркой на корпусе, при этом бандаж, внахлест контактируя с боковыми стенками КБ, 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 КБ, поскольку внахлест размещенные на боковых стенках блока-носителя торцы бандажей препятствуют проникновению в тело КБ отработавших газов.
Химические реакции происходящие в КН имеют характер окислительно-восстановительных, с выделением тепла. Достаточно сказать, что при работе ДВС легкового автомобиля температура внутри каталитического блока КН достигает (например, в автомобилях ВАЗ) 970°С, а на стенке корпуса КН она превышает 200С°. А в случаях нештатной работы ДВС, например, при применении нерекомендованных типов моторных масел, этилированного бензина, нарушении режимов работы системы зажигания, температура на стенках корпуса может превышать 400°С. Это создает определенные трудности при размещении КН, учитывая условия стесненного пространства, как в моторном отсеке, так и между днищем и дорогой на современных легковых авт.Механизмы автомобиля должны быть защищена от вредного длительного высокотемпературного воздействия со стороны КН. Кроме того при расположении КН под днищем автомобиля необходимо исключить возможность возникновения пожара, который может возникнуть при воспламенении 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.
В устройстве RU 33780 U1, МПК F 01 N 3/28, публикация 10.11.2003, где КН содержит корпус, выполненный в виде пустотелой емкости, с входным и выходным патрубками, в котором размещен КБ. Названный КБ 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. Кроме того, нейтрализатор содержит термоизоляционный экран, в виде тонколистового чашеобразного пространственного элемента, имеющего форму части нижней половины поверхности нейтрализатора и установленный с образованием воздушного зазора относительно корпуса и конусообразных патрубков. Торцы экрана закреплены на конусообразных патрубках посредством сварного соединения.
Здесь обозначенная выше проблема решается путем введения наружного экрана. Недостатком этого устройства является проблематичность закрепления этого экрана на корпусе КН, так как непосредственный контакт, например за счет сварки, приведет к существенной теплопередаче от нагретого КБ, через корпус КН к экрану, что снизит эффективность экрана как теплоизолятора.
Прототипом заявляемого технического решения является конструкция каталитического нейтрализатора, которая использована в составе автомобилей производства ОАО "АВТОВАЗ", укомплектованных под нормы ЕВРО-2, см. подробно в "Система управления двигателем ВА3-2111 с распределенным впрыском топлива под нормы токсичности ЕВРО-2", руководство по техническому обслуживанию и ремонту, ПетерГранд, Санкт-Петербург, 2000, с.23.
Прототип КН содержит корпус, выполненный в виде пустотелой емкости, с входным и выходным патрубками, в котором размещен КБ, боковые стенки которого находятся в плотном контакте со стенками корпуса, входной и выходной патрубки, выполненные конусообразными, причем на торцах конусообразных патрубков меньшего диаметра смонтированы присоединительные фланцы, а противоположные торцы конусообразных патрубков снабжены цилиндрическими, соосными корпусу участками, при этом на корпусе КН смонтирован наружный экран.
В прототипе экран с одного конца приварен к корпусу КН, а другой его конец притянут с помощью хомута к корпусу КН. Недостатком этого устройства является то, что воздух, как теплоизолирующее вещество, находящийся в пространстве между корпусом и экраном не продувается, а находится в неподвижном состоянии, что уменьшает его эффективность как теплоизолятора, из-за слабого теплообмена с окружающим воздухом. Кроме того, участки конусообразного патрубка, соприкасающиеся с торцами корпуса, входят внутрь корпуса, что снижает эффективный объем, занимаемый каталитическим блоком.
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 повышении эффективности теплоизоляционных качеств экрана КН, а так же повышение надежности очистки выхлопных газов от вредных компонентов.
Сущность ПМ заключается в том, что в известном КН, содержащем корпус, выполненный в виде пустотелой емкости, с входным и выходным патрубками, в котором размещен КБ, боковые стенки которого находятся в плотном контакте со стенками корпуса, входной и выходной патрубки выполнены конусообразными, причем на торцах конусообразных патрубков меньшего диаметра смонтированы присоединительные фланцы, а противоположные торцы конусообразных патрубков снабжены цилиндрическими, соосными корпусу участками, при этом корпус КН снабжен наружным экраном, каждый конусообразный патрубок состоит из 2-х половин, имеющих отбортовки для соединения между собой (например с помощью сварки), наружный экран имеет ответные фланцы для крепления (например, путем привальцовки) к отбортовкам, с возможностью, по крайней мере, частичного охвата фланцами экрана с обеих сторон отбортовок конусообразных патрубков (при этом участки крепления имеют минимальные размеры, обеспечивающие надежность крепления наружного экрана), противоположные торцы обоих конусообразных патрубков охватывают корпус КН, при этом между корпусом КН, конусообразными патрубками, и наружным экраном образован гарантированный воздушный зазор.
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 котором показана схема предлагаемого каталитического нейтрализатора и его отдельных составляющих элементов.
- На фиг.1 показан каталитический нейтрализатор;
- на фиг.2 показан каталитический нейтрализатор - вид сверху;
- на фиг.3 покозано сечение «А-А» по Фиг.1.
КН состоит из корпуса 1 в виде пустотелой емкости, внутри которой находится КБ 2, к корпусу 1 герметично присоединены с помощью сварки входной 3 и выходной 4 конусообразные патрубки, каждый из которых состоит из 2-х половин с отбортовками 5 герметично соединенные между собой с помощью сварки. На торцах меньшего диаметра конусообразных патрубков 3 и 4 смонтированы присоединительные фланцы 6 и 7, торцы конусообразных патрубков 3 и 4 большего диаметра снабжены цилиндрическими, соосными корпусу 1 участками 8 и 9, экран 10 имеет ответные фланцы 11, для привальцовки к отбортовкам 5 конусообразных патрубков 3 и 4, между корпусом КН 1, конусообразными патрубками 3 и 4, и экраном 10 имеется гарантированный зазор «Н».
Достижение технического результата, который объективно проявляется при таком конструктивном исполнении полезной модели, поясняется ниже.
При работе ДВС и каждом такте выпуска, выхлопные газы входят в КН со стороны конусообразного входного патрубка 3, далее газ проходит через КБ 2, 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 4 и далее в глушители системы выпуска авт.(не показаны). Присоединительные фланцы 6 и 7 необходимы для соединения КН с одной стороны с двигателем, а с
другой с глушителями системы выпуска авт. Конусообразные патрубки 3 и 4 каждый выполнен из 2-х половин с отбортовками 5 для крепления между собой с помощью сварки. Фланцы 5 являются элементами крепления экрана 10, имеющего ответные фланцы 11. Фланцы 11 имеют минимальную поверхность соприкосновения с отбортовками 5, в следствии чего теплопередача от нагретого корпуса 1, конусообразных патрубков 3 и 4 к экрану 10 также минимальна. Между корпусом 1, конусообразными патрубками 3 и 4 и экраном 10 имеется постоянный гарантированный воздушный зазор «Н», это обеспечивает снижение температуры экрана во время движения автомобиля за счет более эффективного теплообмена газа (воздуха) находящегося в зазоре «Н». Конусообразные патрубки 3 и 4 охватывают корпус 1 КН с помощью участков 8 и 9, что позволяет разместить КБ больших размеров по длине и тем самым повысить надежность очистки выхлопных газов от вредных компонентов при тех же габаритах корпуса КН.
Использование заявленного технического решения позволяет создать недорогую и компактную конструкцию эффективного нейтрализатора, 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.