НЕЙТРАЛИЗАТОР ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к машиностроению, преимущественно к автомобилестроению, а именно, к устройствам для очистки отработавших газов, и может найти применение в выхлопных устройствах бензиновых двигателей внутреннего сгорания для снижения токсичности выбрасываемых в атмосферу газов до экологически приемлемого уровня, а также в испытательных стендах для проверки эффективности различных катализаторов.
В настоящее время каталитический нейтрализатор становится неотъемлемой частью современного автомобиля, чего требует забота об экологии. Одновременно возникает проблема, связанная с ремонтом и заменой каталитических нейтрализаторов, поскольку каталитические блоки в ходе эксплуатации и старения теряют способность дожигать вредные примеси. В частности, керамические блоки рекомендуется заменять каждые 100000 км пробега, независимо от их состояния. В результате старения они разрушаются, при этом керамическая пыль, попадая в камеру сгорания, приводит к преждевременному износу стенок цилиндров. Как у керамического, так и у металлического блоков со временем, особенно при наличии в топливе посторонних примесей, наряду с потерей каталитической способности засоряются каналы, уменьшается проходное сечение, что приводит к перегреву нейтрализатора, корпус которого раскаляется, а внутренняя часть может сплавиться и полностью перекрыть проход для выхлопных газов.
Технология полной замены нейтрализатора является не только ощутимо дорогостоящей, но и технически достаточно сложной. Альтернативой является замена каталитических блоков.
В своем большинстве известные устройства для каталитической очистки выхлопных газов, в том числе имеющие составной корпус, не обеспечивают быстрой, несложной и удобной замены вышедших из строя каталитических блоков нейтрализатора.
Известен каталитический нейтрализатор (пат. РФ №65139 на полезную модель, опубл. 2007.07.27), предусматривающий защиту механизмов автомобиля от вредного длительного высокотемпературного воздействия, который содержит корпус, выполненный в виде пустотелой емкости, в которой размещен каталитический блок, боковые стенки которого находятся в плотном контакте со стенками корпуса, входной и выходной конусообразные патрубки, состоящие из двух половин, имеющих отбортовки для соединения между собой, причем на торцах конусообразных патрубков меньшего диаметра смонтированы присоединительные фланцы, а противоположные торцы конусообразных патрубков снабжены цилиндрическими, соосными корпусу участками, при этом корпус каталитического нейтрализатора снабжен наружным экраном с ответными фальцами для крепления к отбортовкам с возможностью частичного охвата фланцами экрана с обеих сторон отбортовок конусообразных патрубков, при этом противоположные торцы обоих конусообразных патрубков охватывают корпус каталитического нейтрализатора, а между корпусом каталитического нейтрализатора, конусообразными патрубками и наружным экраном образован гарантированный воздушный зазор. Известный нейтрализатор не обеспечивает замены каталитического блока без демонтажа всего устройства, что достаточно сложно технически и связано со значительными расходами. Кроме того, термоизоляция каталитического нейтрализатора с помощью описанного наружного экрана значительно усложняет его конструкцию.
Известен нейтрализатор выхлопных газов двигателя (пат. РФ №3772 на полезную модель, опубл. 2004.05.10), содержащий корпус, выполненный из двух половин, каждая из которых состоит из входной, центральной и выходной частей, каталитические моноблоки, обернутые терморасширяющимися прокладками, входной и выходной переходные патрубки и входной и выходной фланцы, один из переходных патрубков которого выполнен с упорным буртиком под соответствующий фланец, а другой переходный патрубок выполнен за одно целое с фланцем, при этом буртик переходного патрубка и соответствующий ему фланец выполнены со сферическими ответными поверхностями. Недостатком известного нейтрализатора является неудобство его эксплуатации, поскольку неразъемный корпус не обеспечивает возможности смены каталитических блоков при утрате их работоспособности, а его полная замена является трудоемкой и связана с затратами.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, описанное в патенте РФ №2136908, опубл. 1999.09.10, которое содержит корпус из двух усеченных конусообразных разъемных частей с концевыми цилиндрическими втулками, в которых размещены впускной и выпускной патрубки, эжектор, установленный на цилиндрической втулке со стороны входного патрубка, и цилиндрическое поверхностно-активное рабочее тело катализатора, выполненное на никель-хромовой основе и размещенное в месте соединения разъемных частей корпуса, собранных на резьбе и снабженных эластичной ограничительной шайбой. Угол захода рабочей поверхности корпуса со стороны впускного патрубка, образованный продольной осью корпуса и образующей конуса, составляет 61-64°, при этом диаметр рабочего тела катализатора превышает диаметр входного патрубка в 2,5 раза.
В известном устройстве предусмотрено размещение только одного каталитического блока, который вследствие недостаточно высокой химической активности никель-хрома не позволяет одновременно с достаточной полнотой осуществлять преобразование, иными словами, дожигание (реакции окисления) оксида углерода и несгоревших углеводородов и нейтрализацию (реакции восстановления) окислов азота. Кроме того, наличие воздушного инжектора приводит к некоторому понижению температуры каталитического блока, что отрицательно сказывается на его эффективности. Как правило, производители стремятся к повышению температуры каталитического блока с целью увеличения его эффективности, для чего размещают нейтрализатор как можно ближе к выхлопному коллектору либо непосредственно внутри него. Попытка добиться большей эффективности, последовательно соединяя два известных нейтрализатора и более, приведет к созданию сложного и громоздкого устройства, нестандартные габариты которого потребуют переделки всей выхлопной системы, что малоприемлемо с практической точки зрения.
Задачей полезной модели является создание удобного в эксплуатации устройства, обеспечивающего эффективную очистку выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания.
Технический результат устройства заключается в повышении эффективности очистки выхлопных газов за счет возможности размещения в корпусе нейтрализатора двух каталитических блоков, как с одинаковыми, так и с разными каталитическими свойствами и их установки в различной последовательности, а также за счет возможности контролирования теплового режима работы каталитических блоков.
Указанный результат достигается нейтрализатором выхлопных газов двигателя, содержащим разъемный корпус с размещенными внутри цилиндрическими каталитическими блоками, снабженный входным и выходным патрубками, у которого, в отличие от известного, разъемный корпус включает центральную цилиндрическую часть и две боковые цилиндрические, одна из которых соединена с входным, а другая с выходным патрубками, имеющими форму усеченного конуса и снабженными фланцами для крепления к выхлопной системе, причем центральная и боковые части связаны в единый корпус при помощи шпилек, закрепленных в упорах и затягивающихся гайками, два каталитических блока размещены на расстоянии друг от друга, при этом каждый из них выступает из центральной части не менее чем на 50 мм от плоскости разъема и изолирован от стенок корпуса термоизолирующей прокладкой из термоэластичного материала, а между каталитическими блоками, во входном и выходном патрубках установлены датчики температуры.
Схема предлагаемого каталитического нейтрализатора выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания представлена на чертеже.
Предлагаемый каталитический нейтрализатор содержит корпус, в котором центральная (основная) цилиндрическая часть 1 разъемно соединена с двумя боковыми частями 2, одна из которых представляет собой переходную цилиндрическую часть, неразъемно и герметично, например, с помощью сварного шва, соединенную с входным патрубком 3, а другая - переходную цилиндрическую часть, аналогичным образом соединенную с выходным патрубком 4. Патрубки 3 и 4 выполнены в форме усеченных конусов и снабжены фланцами 5 и 6 для крепления к выхлопной системе и уплотнительными кольцами 7, обеспечивающими герметичность. Основная цилиндрическая часть 1 связана с боковыми частями 2 в единый корпус посредством четырех шпилек 8, закрепленных в упорах 9 и затянутых гайками 10, причем шов каждого разъема снабжен уплотнительной прокладкой (на чертеже не показаны), обеспечивающей герметичность устройства. Внутри корпуса размещены два сменных каталитических блока 11 цилиндрической формы, поверхность которых находится в непосредственной близости от внутренних стенок корпуса, но отделена от них эластичной термоизолирующей прокладкой 12 из терморасширяющегося материала. Благодаря свойствам термоэластичной прокладки 12, компенсирующей различия термического расширения корпуса и носителя каталитического блока, предлагаемый нейтрализатор позволяет использовать каталитические блоки с различными коэффициентами теплового расширения. Кроме того, прокладка 12 обеспечивает защиту каталитических блоков от вибрации, ударов и других механических воздействий.
Каталитические блоки размещены таким образом, что каждый из них выступает из центральной части корпуса не менее, чем на 50 мм, преимущественно на 50-100 мм, относительно плоскости разъема и при необходимости замены может быть без затруднений извлечен после разъединения корпуса, при этом между каталитическими блоками предусматривается расстояние, обеспечивающее пространство для размещения датчика температуры 13 указанных блоков в ходе каталитического процесса. Кроме того, катализатор снабжен еще двумя датчиками температуры 13, один из которых установлен во входном, а другой в выходном патрубках.
В предлагаемом нейтрализаторе могут быть использованы как одинаковые каталитические блоки, так и блоки двух различных типов, причем в последнем случае последовательность их размещения может быть различной.
Следует отметить, что составные части разъемного корпуса могут соединяться между собой иным известным образом, подходящим для этой цели, в частности, с помощью резьбового соединения, для чего на одном из патрубков выполняют правую резьбу, а на другом левую. Таким образом, при закручивании (откручивании) основной части корпуса с ней одновременно будут соединяться (рассоединяться) входной и выходной патрубки.
Устройство работает следующим образом.
Отработавшие выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания, поступая через входной патрубок 3, рассеиваются по всему сечению нейтрализатора за счет угла конусообразной части входного патрубка 3. Непосредственно на рабочей поверхности каталитических блоков 11 происходят реакции нейтрализации вредных составляющих выхлопных газов, обеспечивающие их эффективную очистку, при этом датчики температуры 13 позволяют контролировать тепловой режим работы нейтрализатора.
Предлагаемое устройство, простое, удобное и надежное в эксплуатации, обеспечивающее быструю и простую процедуру замены каталитических блоков, может с успехом применяться на испытательных стендах при изучении свойств различных катализаторов очистки выхлопных газов и носителей катализаторов, их возможных сочетаний, а также для исследования влияния температуры на процесс очистки.