КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НЕЙТРАЛИЗАТОР ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области двигателестроения и может быть использована в выпускных системах двигателей внутреннего сгорания для снижения содержания токсичных веществ в отработавших газах.
Известны нейтрализаторы с сажевыми фильтрами фирмы «CORNING GLASS WORKS» (США), содержащие корпуса с двойными стенками и теплоизоляцией между ними, патрубки входа и выхода, пористо-керамические элементы в герметичном кожухе из нержавеющей жаропрочной стали [1].
Недостатками таких нейтрализаторов является то, что независимо от режима работы двигателя, каталитические носители постоянно находятся в потоке отработавших газов. При этом фильтры забиваются сажей и продуктами осмоления, что приводит к повышению, создаваемого ими противодавления выпуску отработавших газов, к снижению мощности и экономичности двигателя, а также к снижению срока службы катализатора.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2087726, МПК F 01 N 3/28 от 30.04.1997 г.), содержащий корпус с теплоизоляцией, входной и выходной патрубки, реактор с реакционной камерой, в которой размещены последовательно друг за другом, по меньшей мере, два каталитических носителя в виде пористых металлокерамических элементов с металлическим покрытием и температурными компенсаторами, а также устройство для изменения направления потока газов с гидравлическим приводом. Причем, первый каталитический элемент выполнен в виде кольца, в котором размещена неподвижно металлическая втулка с подвижной трубой. Подвижная труба, имеющая как минимум два ряда окон и закрытый торец, выводит поток отработавших газов в определенные полости реактора в
зависимости от ее положения. Привод трубы осуществляется от устройства, состоящего из датчика температуры, преобразователя сигналов датчика, исполнительного механизма, золотникового и гидравлического устройств.
Применение в описанной конструкции нейтрализатора автоматического устройства для изменения направления потока отработавших газов обеспечивает качественную очистку отработавших газов, при этом позволяет снизить противодавление в системе выпуска и продлить срок службы катализатора путем исключение из потока газов одной из ступеней очистки газов при малых нагрузках работы двигателя.
Однако недостатком данного каталитического нейтрализатора является то, что каталитические элементы обоих ступеней очистки расположены в потоке газов последовательно, при этом один из каталитических элементов постоянно находится в потоке газов. При таком их размещении и способе изменения направления потока газов, на поверхности постоянно включенного в работу каталитического элемента в большей мере оседают смолистые отложения и сажа. Это снижает его способность пропускать газы и значительно повышает противодавление выпуску отработавших газов, вызывая, тем самым, увеличение расхода топлива и снижение мощности двигателя. Причем общее гидравлическое сопротивление нейтрализатора в большей степени будет зависеть от гидравлического сопротивления, создаваемого каталитическим элементом, постоянно включенным в поток отработавших газов.
Технический результат направлен на снижение величины противодавления выпуску отработавших газов, создаваемого конструкцией нейтрализатора на различных режимах работы двигателя, на продление срока службы катализатора, а так же на снижение потерь мощности и экономичности двигателя, связанных с применением нейтрализатора в системе выпуска.
Технический результат достигается тем, что каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с теплоизоляцией, входной и выходной патрубки, реактор с реакционной
камерой, в которой размещены, по меньшей мере, два каталитических носителя в виде пористых металлокерамических элементов с металлическим покрытием и температурными компенсаторами, а также устройство для изменения направления потока газов с гидравлическим приводом, при этом каталитические элементы размещаются в потоке газов не последовательно друг за другом, а параллельно, причем корпус одного каталитического элемента конструктивно выполнен внутри другого в едином съемном контейнере, а между ними располагается подвижный тонкостенный цилиндр устройства для изменения направления потока газов с внешним приводом, действующим по управляющему сигналу от датчиков давления газов, размещенных во входной и выходной частях нейтрализатора, при этом входная часть выполнена ступенчатой из двух последовательно установленных диффузоров, между которыми установлен завихритель, в виде крыльчатки, а слой каталитического носителя обоих ступеней очистки ограничен входными и выходными решетками, причем решетки с одной из сторон установлены с возможностью перемещения, подвижность которых ограничена термокомпенсирующими элементами.
Отличительным признаком от прототипа является то, что каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с теплоизоляцией, входной и выходной патрубки, реактор с реакционной камерой, в которой размещены, по меньшей мере, два каталитических носителя в виде пористых металлокерамических элементов с металлическим покрытием и температурными компенсаторами, а также устройство для изменения направления потока газов с гидравлическим приводом, при этом каталитические элементы размещаются в потоке газов не последовательно друг за другом, а параллельно, причем корпус одного каталитического элемента конструктивно выполнен внутри другого в едином съемном контейнере, а между ними располагается подвижный тонкостенный цилиндр устройства для изменения направления потока газов с внешним приводом, действующим по управляющему сигналу от датчиков давления газов, размещенных во входной и
цевую часть внутренней стенки контейнера 11 и фиксируется с помощью гайки 18, навернутой на резьбу, выполненной на заднем конце втулки 19 (фиг.1, 3).
В передней части контейнера 11 между каталитическими элементами первой 9 и второй 10 ступенями очистки выполнена цилиндрическая полость 20, в которой размещен подвижный тонкостенный цилиндр 21 устройства для изменения направления потока газов, разделяющий пространство перед съемным контейнером 11 на две изолированные полости - первой ступени очистки 22 и второй ступени очистки 23. Кинематическая связь подвижного тонкостенного цилиндра 21с деталями силового привода осуществляется через пластины 24 (фиг.1, 3), стержень-рейку 25, зубчатый сектор 26 на валу 27, через рычаг 28, соединенный со штоком 29 гидравлического устройства 30. Перемещения стержня-рейки 25 осуществляется во втулке 19. Привод гидравлического устройства 30 включает преобразователь сигналов 31, исполнительный механизм 32, золотниковое устройство 33 и осуществляется под давлением от смазывающей системы двигателя 34 по управляющему сигналу датчиков давления газов 35 и 36, установленные во входном патрубке 3 с диффузором 4 и в выходном патрубке 6 с конфузором 7, соответственно.
Каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.
При работе двигателя при минимальных частотах вращения коленчатого вала на холостом ходу и режимах малых нагрузок, отработавшие газы поступают во входной патрубок 3 с диффузором 4, затем через завихритель 8 попадают в полость первой ступени очистки 22, откуда через ограничительную решетку 12 проникают в слой каталитического элемента 9 первой ступени нейтрализатора, где в среде катализатора происходят окислительные процессы. Очищенные отработавшие газы через ограничительную решетку 14 и выходной патрубок 6 с конфузором 7 выбрасываются в атмосферу (фиг.1). Текущие значения давления отработавших газов на входе в нейтрализатор и на выходе из него, поступают от датчиков давления газов 35, 36 по электрическим
выходной частях нейтрализатора, при этом входная часть выполнена ступенчатой из двух последовательно установленных диффузоров, между которыми установлен завихритель, в виде крыльчатки, а слой каталитического носителя обоих ступеней ограничен входными и выходными решетками, причем решетки с одной из сторон установлены с возможностью перемещения, подвижность которых ограничена термокомпенсирующими элементами.
На фиг.1 изображен продольный разрез каталитического нейтрализатора при включенной первой ступени очистки, на режиме минимальных частот вращения коленчатого вала на холостом ходу и малых нагрузок работы двигателя; на фиг.2 - продольный разрез нейтрализатора при включении второй ступени очистки, на режимах средних и полных нагрузок; фиг.3 и 4 - поперечные разрезы А-А и В-В.
Каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания содержит корпус реактора 1 (фиг.1) с двойными стенками и теплоизолятором 2 между ними, входной патрубок 3 с диффузором 4, диффузор второй ступени очистки 5, а также выходной патрубок 6 с конфузором 7. Между входным патрубком 3 с диффузором 4 и диффузором второй ступени 5 расположен завихритель 8, выполненный в виде крыльчатки. В корпусе реактора 1 параллельно оси нейтрализатора размещены изолированные друг от друга каталитические элементы первой 9 и второй 10 ступеней очистки отработавших газов, выполненные в виде единого съемного контейнера 11. Каталитические элементы первой 9 и второй 10 ступеней очистки, представляющие собой, например, слои из засыпки гранул, ограниченные решетками 12, 13 - во входной части нейтрализатора и решетками 14, 15 - в выходной его части. Решетки 14, 15 выполнены подвижными, подвижность которых ограничена термокомпенсирующими элементами 16 из четырех упругих биметаллических пластин, размещенных под углом 90 градусов, которые одним концом устанавливаются в кольцевую канавку 17 на внутренней поверхности корпуса реактора 1, а другим концом, направленным к оси нейтрализатора опирается на тор-
цепям 37, 38 в преобразователь сигналов 31, где они сравниваются с допустимым значением.
Таким образом, на указанных режимах работы двигателя через каталитический элемент 10 второй ступени очистки, отработавшие газы не поступают. При этом незначительное увеличение противодавления, вызванное уменьшением площади проходного сечения нейтрализатора до диаметра канала, образованного подвижным тонкостенным цилиндром 21 и первой ступенью очистки, на расход топлива и мощность двигателя не влияет, однако, способствует более быстрому прогреву катализатора на режимах пуска двигателя.
На режимах средних и полных нагрузок расход отработавших газов увеличивается. При этом разность давления газов, фиксируемого датчиками 35, 36 на входе в нейтрализатор и на выходе из него возрастает до допустимого значения, при котором преобразователь сигналов 31 посылает сигнал на исполнительный механизм 32, который перемещает золотник золотникового устройства 33 и направляет под давлением масло по масляной магистрали 39 из смазочной системы 34 двигателя в гидравлическое устройство 30. От него силовое воздействие передается через шток 29, рычаг 28, вал 27 и зубчатый сектор 26 на стержень-рейку 25. Стержень-рейка 25 через пластины 24 перемещает подвижный тонкостенный цилиндр 21 устройства для изменения направления потока газов, сообщая, тем самым, полости первой 22 и второй 23 ступеней очистки (фиг.2). При этом отработавшие газы, поступающие в нейтрализатор через входной патрубок 3 с диффузором 4 и завихритель 8, делятся на два параллельных потока. Одна часть отработавших газов продолжает поступать и очищаться в первой ступени, другая же часть газов проникает через окно, образовавшееся между подвижным тонкостенным цилиндром 21 и диффузором 5 второй ступени очистки, из полости 22 в полость 23. Из полости 23 отработавшие газы через ограничительную решетку 13 проникают в слой каталитического элемента 10 второй ступени очистки. Очищенные отработав-
шие газы выходят через ограничительную решетку 16 и далее через выходной патрубок 6 с конфузором 7 выбрасываются в атмосферу.
При включении в работу параллельной ступени очистки, когда часть потока отработавших газов направляется из полости 22 в полость 23, давление на входе в нейтрализатор резко падает за счет значительного увеличения общей площади проходного сечения нейтрализатора. При этом расход отработавших газов через первую и вторую ступени очистки будет разным, в зависимости от их гидравлического сопротивления, на которое значительное влияние оказывает степень загрязнения каталитических элементов. Таким образом, при сильной степени загрязнения каталитического элемента первой ступени, т.е. постоянно включенного в работу элемента, исключается возможность резкого повышения противодавления, создаваемого нейтрализатором или даже его «запирания», а лишь увеличивается нагрузка на каталитический элемент второй ступени очистки за счет устройства для изменения направления потока отработавших газов.
Закрутка газового потока завихрителем 8 позволяет направить часть более крупных сажевых частиц отработавших газов на вторую ступень очистки. Это позволяет избежать преждевременного загрязнения каталитического элемента 9, постоянно находящегося в потоке газов.
Компенсация температурных напряжений, возникающих в результате разности температурных расширений каталитического носителя относительно корпуса реактора 1 и стенок контейнера 11 обеспечивается за счет снижения упругости биметаллических пластин 16 при их нагревании (фиг.1, 3). Это позволяет ограничительным решеткам 14 и 15 незначительно перемешаться вдоль оси нейтрализатора, тем самым, компенсировать увеличение объема каталитического носителя при его нагреве.
Таким образом, предлагаемая конструкция каталитического нейтрализатора позволяет автоматически перераспределять поток отработавших газов, в зависимости от режимов работы двигателя, а также от степени загрязнения поверхности каталитических элементов, продлевая, тем самым, срок службы
нейтрализатора и исключая возможность его «запирания». Это, в конечном итоге, дает возможность снизить потери мощности и расход топлива, зависящих от величины противодавления выпуску отработавших газов, создаваемого конструкцией нейтрализатора.
Источник информации:
1. Снижение выбросов сажи с отработавшими газами тракторных дизелей. Обзор: Серия «Тракторы, самоходные шасси и двигатели.» - М.: ЦНИИТЭИавтосельхозмаш, 1991, с.31.