RU2134803C1 - Catalytic converter with utilization of heat of engine exhaust gases - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines; cleaning of exhaust gases. SUBSTANCE: catalytic converter has housing with covers, inlet and outlet branch pipes, catalytic blocks and engine heater with external heat supply which is arranged in housing to form ring channel between heater and block surface. Heat exchanger designed for cooling working medium of engine with external heat supply is brought out of the housing limits and is connected with air blower connected to engine with external heat supply and with air branch pipe in housing. EFFECT: increased fuel economy of engine, enhanced cleaning of exhaust gases. 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания как дизельных, так и с принудительным воспламенением топлива. The invention relates to mechanical engineering, namely to engine building, and can be used for cleaning exhaust gases of internal combustion engines both diesel and with forced ignition of the fuel.

Известен каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с двойными стенками, торцевыми крышками, входным и выходным патрубками с фланцами, каталитическими блоками, реактор, разделенный каталитическими блоками на отдельные камеры (см. патент РФ N 2008448, M.кл.⁵ F 01 N 3/28, 1994г.).Known catalytic converter for exhaust gases of an internal combustion engine, comprising a housing with double walls, end caps, inlet and outlet pipes with flanges, catalytic blocks, a reactor divided by catalytic blocks into separate chambers (see RF patent N 2008448, M.cl. ⁵ F 01 N 3/28, 1994).

Недостатками известного нейтрализатора является, во-первых, то, что не обеспечивается использование теплоты отработавших газов и теплоты, полученной вследствие дожигания продуктов неполного сгорания в присутствии катализаторов, которая выбрасывается с отработавшими газами в атмосферу, а, во-вторых, то, что не достигается высокая степень очистки отработавших газов от продуктов неполного сгорания, т.к. на режимах работы с обогащенными смесями в зону окисления не подается дополнительный воздух. The disadvantages of the known catalyst is, firstly, that it does not ensure the use of heat of the exhaust gases and heat obtained as a result of afterburning of products of incomplete combustion in the presence of catalysts, which is emitted with exhaust gases into the atmosphere, and, secondly, what is not achieved high purification of exhaust gases from products of incomplete combustion, as in operating modes with enriched mixtures, additional air is not supplied to the oxidation zone.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является каталитический нейтрализатор отработавших газов с утилизацией теплоты, содержащий корпус с двойными стенками, теплоизоляцией, торцевыми крышками, входным и выходным патрубками с фланцами, каталитическими блоками и реактором, размещенным внутри корпуса. Корпус последовательно соединен выходным патрубком с конвективным теплообменником и нагнетателем воздуха, выполненным в виде вентилятора, а входным патрубком с насосом прокачки жидкости - теплоносителя, в свою очередь соединенным с двигателем внутреннего сгорания или аккумуляторными батареями. Утилизируемое тепло используется для отопления кабины водителя автомобиля (см. Груданов В. Я. Физико-химические и теплообменные процессы в каталитических нейтрализаторах с утилизацией теплоты отработавших газов// Двигателестроение. - 1991, N 1, с.47-49). The closest to the proposed technical essence and the achieved result (prototype) is an exhaust gas catalytic converter with heat recovery, comprising a double-walled housing, thermal insulation, end caps, inlet and outlet nozzles with flanges, catalytic units and a reactor located inside the housing. The casing is connected in series with the outlet pipe with a convective heat exchanger and an air blower, made in the form of a fan, and the inlet pipe with a liquid pump - heat carrier, which in turn is connected to an internal combustion engine or batteries. Utilized heat is used to heat the cab of the car driver (see V. Grudanov. Physicochemical and heat transfer processes in catalytic converters with heat recovery from exhaust gases // Dvigatelestroyeniye. - 1991, N 1, p. 47-49).

Недостатками описанного нейтрализатора являются неполное использование теплоты отработавших газов и теплоты, выработанной двигателем внутреннего сгорания, т. к. утилизируемое тепло применяется только для обогрева кабины, пониженные степень очистки газов от продуктов неполного сгорания, т.к. в зону окисления на режимах работы на обращенных смесях не подается дополнительный воздух, и топливная экономичность двигателя внутреннего сгорания, т. к. насос прокачки жидкости-теплоносителя должен иметь привод от внешнего источника энергии - двигателя внутреннего сгорания или аккумуляторных батарей, что ведет к снижению эффективного КПД за счет увеличения механических потерь на привод вспомогательного агрегата-насоса, а дополнительный привод вентилятора для съема тепла с конвективного теплообменника также ведет к дополнительным механическим потерям. Таким образом, если учесть, что КПД водяного насоса по данным, опубликованным в книге "Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей" / Под ред. Орлина А.С., Круглова М.Г.- Изд. 3-е, перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1985, с.270-286, составляет 0,7-0,9, КПД вентилятора - 0,32-0,40 для клепаных роторов, и вентилятор может забирать 3-6% мощности двигателя, то предлагаемая в каталитическом нейтрализаторе-прототипе система утилизации теплоты будет способствовать увеличению расхода топлива двигателем. The disadvantages of the described catalyst are the incomplete use of the heat of the exhaust gases and the heat generated by the internal combustion engine, since the utilized heat is used only for heating the cabin, the reduced degree of gas purification from products of incomplete combustion, because additional air is not supplied to the oxidation zone at operating modes on inverted mixtures, and the fuel efficiency of the internal combustion engine, since the pump for pumping the heat-transfer fluid should be driven by an external energy source - the internal combustion engine or batteries, which leads to a decrease in the effective Efficiency due to increased mechanical losses on the drive of the auxiliary pump unit, and an additional fan drive for removing heat from the convective heat exchanger also leads to additional m mechanical losses. Thus, if we consider that the efficiency of the water pump according to the data published in the book "Internal Combustion Engines: Systems of Piston and Combined Engines" / Ed. Orlina A.S., Kruglova M.G.- Ed. 3rd, rev. and additional - M .: Mashinostroenie, 1985, p.270-286, is 0.7-0.9, the fan efficiency is 0.32-0.40 for riveted rotors, and the fan can take 3-6% of the engine power , the heat recovery system proposed in the catalytic converter prototype will increase the fuel consumption of the engine.

Сущность изобретения заключатся в том, что известный каталитический нейтрализатор с утилизацией теплоты отработавших газов двигателя внутреннею сгорания, содержащий корпус с двойными стенками, теплоизоляцией, торцевыми крышками, воздушным патрубком, входным и выходным патрубками с фланцами, каталитическими блоками, нагнетатель воздуха, теплообменник, снабжен нагревателем двигателя с внешним подводом теплоты, встроенным внутрь корпуса через торцевую крышку со стороны выходного патрубка с образованием кольцевого канала с внутренней поверхностью каталитического блока. При этом теплообменник, предназначенный для охлаждения рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты, установлен вне корпуса и соединен с нагнетателем воздуха, подключенным к двигателю с внешним подводом теплоты и к воздушному патрубку в корпусе нейтрализатора. The essence of the invention lies in the fact that the known catalytic converter for utilizing the heat of exhaust gases of an internal combustion engine, comprising a double-walled housing, heat insulation, end caps, an air pipe, inlet and outlet pipes with flanges, catalytic units, an air blower, a heat exchanger, is equipped with a heater engine with an external supply of heat built into the housing through the end cap on the side of the outlet pipe with the formation of an annular channel from the inside the surface of the catalytic block. In this case, a heat exchanger designed to cool the working fluid of the engine with an external supply of heat is installed outside the housing and connected to an air blower connected to the engine with an external supply of heat and to an air pipe in the converter housing.

Техническим результатом является повышение топливной экономичности двигателя внутреннего сгорания и степени очистки отработавших газов от продуктов неполного сгорания, а также улучшение использования теплоты отработавших газов. The technical result is to increase the fuel economy of an internal combustion engine and the degree of purification of exhaust gases from products of incomplete combustion, as well as improving the use of heat of exhaust gases.

Повышение топливной экономичности основного двигателя - двигателя внутреннего сгорания - обеспечивается за счет сокращения механических потерь на привод вспомогательных узлов и агрегатов. Improving the fuel economy of the main engine — an internal combustion engine — is ensured by reducing mechanical losses on the drive of auxiliary units and assemblies.

Повышение степени очистки газов от продуктов неполного сгорания достигается путем подачи дополнительного воздуха через нагнетатель воздуха, подключенный к воздушному патрубку, связанному с корпусом, и к двигателю с внешним подводом теплоты через теплообменник, т.е. путем увеличения количества окислителя в зоне реакций. An increase in the degree of gas purification from products of incomplete combustion is achieved by supplying additional air through an air blower connected to an air nozzle connected to the housing and to an engine with an external supply of heat through a heat exchanger, i.e. by increasing the amount of oxidizing agent in the reaction zone.

Улучшение использования теплоты отработавших газов обеспечивается путем установки внутри корпуса каталитического нейтрализатора нагревателя двигателя с внешним подводом теплоты с образованием кольцевого канала с внутренней поверхностью каталитического блока и установки вне корпуса каталитического нейтрализатора теплообменника, выполняющего новую функцию - охлаждение рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты, а не утилизацию теплоты, как предусмотрено в каталитическом нейтрализаторе - прототипе. Утилизатор - двигатель с внешним подводом теплоты - предназначен для привода систем, обеспечивающих высокую степень очистки газов от продуктов неполного сгорания. Введение в устройство нагревателя двигателя с внешним подводом теплоты позволяет обеспечивать высокие температуры в зоне реакций на всех режимах работы двигателя внушенного сгорания, т.к. он раскаляется при работе под нагрузкой и увеличивает инерционность в изменении температур при переходе на малые нагрузки. Таким образом, происходит выравнивание перепада температур в зоне реакций на переходных режимах за счет теплоотдачи от нагревателя двигателя с внешним подводом теплоты и создание саморегулируемой системы каталитической очистки, когда при переобогащении смеси, подъеме температуры в зоне реакций нагреватель двигателя с внешним подводом теплоты обеспечивает путем привода нагнетателя подпитку зоны реакции воздухом. При низких температурах отработавших газов подача воздуха в зону реакций практически отсутствует. Improving the use of heat of exhaust gases is provided by installing an engine heater inside the casing of the catalytic converter with an external supply of heat to form an annular channel with the inner surface of the catalytic unit and installing a heat exchanger outside the casing of the catalytic converter, which performs a new function - cooling the working fluid of the engine with external heat supply rather heat recovery, as provided in the catalytic converter - prototype. The utilizer - an engine with an external supply of heat - is designed to drive systems that provide a high degree of gas purification from products of incomplete combustion. Introduction to the device of the engine heater with an external supply of heat makes it possible to ensure high temperatures in the reaction zone at all operating modes of the engine of induced combustion, because it heats when working under load and increases the inertia in temperature changes when switching to low loads. Thus, the temperature difference in the reaction zone is transformed due to heat transfer from the engine heater with an external heat supply and a self-regulating catalytic cleaning system is created when, when the mixture is re-enriched and the temperature rises in the reaction zone, the engine heater with an external heat supply provides by means of a supercharger drive feeding the reaction zone with air. At low exhaust gas temperatures, there is virtually no air supply to the reaction zone.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображен продольный осевой разрез каталитического нейтрализатора с утилизацией теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. The invention is illustrated in the drawing, which shows a longitudinal axial section of a catalytic converter with the utilization of the heat of the exhaust gases of an internal combustion engine.

Каталитический нейтрализатор также отработавших газов содержит корпус 1 с фланцами 2 и 3, торцевыми крышками 4 и 5, входным 7 и в выходным 6 патрубками, оснащенными фланцами 8 и 9, реактором, образованным внутренними поверхностями торцевых крышек 4 и 5 и внутренней поверхностью пористого каталитического блока окислительного типа 10, внешней поверхностью нагревателя 11 двигателя с внешним подводом теплоты. Теплообменник 12, предназначенный для охлаждения рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты, вынесен за пределы корпуса 1 и соединен с генератором 13 двигателя с внешним подводом теплоты, имеющим привод через редуктор от коленчатого вала, расположенного в картере 14. Генератор 13 связан с нагнетателем воздуха 15, с электрическим приводом, выполненным в виде вентилятора, а нагнетатель воздуха 15 - с теплообменником 12 и с воздушным патрубком 16 в корпусе 1. The exhaust gas catalytic converter also comprises a housing 1 with flanges 2 and 3, end caps 4 and 5, inlet 7 and outlet 6 nozzles equipped with flanges 8 and 9, a reactor formed by the inner surfaces of the end caps 4 and 5 and the inner surface of the porous catalytic block oxidizing type 10, the outer surface of the heater 11 of the engine with an external supply of heat. The heat exchanger 12, designed to cool the working fluid of the engine with an external supply of heat, is removed from the housing 1 and connected to the generator 13 of the engine with an external supply of heat, having a drive through a gearbox from the crankshaft located in the crankcase 14. The generator 13 is connected to the air blower 15 , with an electric drive made in the form of a fan, and an air blower 15 - with a heat exchanger 12 and with an air pipe 16 in the housing 1.

Каталитический нейтрализатор содержит пористые проницаемые каталитические блоки 10, 17, 18 соответственно окислительного, окислительно-восстановительного и окислительно-фильтрующего типа. Блок 17 окислительно-восстановительного типа и блок 10 окислительного типа установлены в корпусе 1 на выступе 19 на торцевой крышке 5 и на выступе 20 на перегородке 21. В перегородке 21 выполнены окна 22 для прохода газов, соединяющие кольцевую полость 23 между пористыми каталитическими блоками 10 и 17 с полостью 24, образованной перегородкой 21, торцевой крышкой 4 и внутренней поверхностью блока 18 окислительно-фильтрующего типа. Полость 25, образованная внешней поверхностью каталитического блока 10, внутренней поверхностью корпуса 1, поверхностями перегородки 21 и торцевой крышки 5, предназначена как для тепловой изоляции, так и для приема воздуха. Двойные стенки корпуса 1 образованы непосредственно стенками корпуса 1 и поверхностью каталитических блоков 10, 18. Каталитический нейтрализатор также содержит впускную полость 26 для расширения газов. The catalytic converter contains porous permeable catalytic blocks 10, 17, 18 of the oxidizing, oxidation-reduction and oxidation-filtering types, respectively. The oxidation-reduction type block 17 and the oxidation type block 10 are installed in the housing 1 on the protrusion 19 on the end cap 5 and on the protrusion 20 on the partition 21. In the partition 21 there are made windows 22 for the passage of gases connecting the annular cavity 23 between the porous catalytic blocks 10 and 17 with a cavity 24 formed by a partition 21, an end cap 4, and an inner surface of the oxidation-filtering type block 18. The cavity 25, formed by the outer surface of the catalytic unit 10, the inner surface of the housing 1, the surfaces of the septum 21 and the end cover 5, is intended for thermal insulation and for receiving air. The double walls of the housing 1 are formed directly by the walls of the housing 1 and the surface of the catalytic blocks 10, 18. The catalytic converter also contains an inlet cavity 26 for expanding gases.

Между поверхностью нагревателя 11 двигателя с внешним подводом теплоты, встроенного внутрь корпуса 1 через торцевую крышку 4 со стороны выходного патрубка 6, и внутренней поверхностью каталитического блока 18 образован кольцевой канал 27, а между каталитическим блоком 18 и корпусом 1 - кольцевая выпускная полость 28. An annular channel 27 is formed between the surface of the engine heater 11 with an external supply of heat built into the inside of the housing 1 through the end cap 4 from the side of the outlet pipe 6 and the inner surface of the catalytic unit 18, and an annular exhaust cavity 28 is formed between the catalytic unit 18 and the housing 1.

Каталитический нейтрализатор работает следующим образом. Отработавшие газы от двигателя внутреннего сгорания поступают в корпус 1 через входной патрубок 7 во впускную полость 26, проходят через стенки пористого каталитического блока 17. Температура при этом повышается приблизительно в 1,3 - 1,7 раза. The catalytic converter operates as follows. The exhaust gases from the internal combustion engine enter the housing 1 through the inlet pipe 7 to the inlet cavity 26, pass through the walls of the porous catalytic block 17. The temperature rises by about 1.3 - 1.7 times.

Происходят реакции окисления продуктов неполного сгорания: углеводородов, окиси углеродов и сажи, идет восстановление окислов азота. Далее газы поступают в кольцевую полость 23. Процессы окисления поддерживаются за счет высоких температур и соприкосновения газов с пористой каталитической стенкой блока 10 окислительного типа, через стенки которого в зону реакций поступает дополнительный воздух из полости 25. Через окна 22 и кольцевой канал 27 газы поступают в последующую полость 24, передают тепло нагревателю 11, и двигатель с внешним подводом теплоты начинает работать. При этом теплообменник 12 служит для охлаждения рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты. Через редуктор двигатель с внешним подводом теплоты приводит генератор 13, тот в свою очередь питает нагнетатель воздуха 15 с электрическим приводом, подающий воздух по воздушному патрубку 16 в полость 25. Через стенки каталитического блока 10 воздух направляется в зону окисления, расположенную в полости 23, а также на охлаждение теплообменника 12. По мере увеличения подачи топлива в двигателе внутреннего сгорания и обогащения смеси температура отработавших газов увеличивается, увеличивается и содержание продуктов неполного сгорания, что приводит к ситуации, когда за окислительно-восстановительным блоком 17 температура отработавших газов может подниматься до 900К и выше, что способствует интенсивному нагреву нагревателя 11 двигателя с внешним подводом теплоты, развитию последним частоты рабочих ходов, увеличению подачи воздуха, что в свою очередь способствует более глубокому окислению продуктов неполного сгорания. Затем газы направляются через стенки каталитического окислительпо-фильтрующего блока 18, где происходит доокисление продуктов неполного сгорания, поступают в выпускную полость 28 и по выходному патрубку 6 направляются в выхлопную трубу или непосредственно в атмосферу. Oxidation reactions of products of incomplete combustion take place: hydrocarbons, carbon monoxide and soot, nitrogen oxides are reduced. Then the gases enter the annular cavity 23. The oxidation processes are supported by high temperatures and the contact of the gases with the porous catalytic wall of the oxidizing unit 10, through the walls of which additional air flows from the cavity 25. Through the windows 22 and the annular channel 27, the gases enter the subsequent cavity 24, transfer heat to the heater 11, and the engine with an external supply of heat starts to work. In this case, the heat exchanger 12 serves to cool the working fluid of the engine with an external supply of heat. Through a reducer, an engine with an external supply of heat leads a generator 13, which in turn feeds an electric supercharger 15, which supplies air through an air pipe 16 to a cavity 25. Through the walls of the catalytic block 10, air is directed to the oxidation zone located in the cavity 23, and also for cooling the heat exchanger 12. As the fuel supply in the internal combustion engine increases and the mixture is enriched, the temperature of the exhaust gases increases, and the content of products of incomplete combustion increases, which, when This leads to a situation where the temperature of the exhaust gases behind the redox unit 17 can rise to 900K and higher, which contributes to the intense heating of the engine heater 11 with an external heat input, the latter to develop the frequency of working strokes, and increase the air supply, which in turn contributes to a deeper oxidation of products of incomplete combustion. Then the gases are directed through the walls of the catalytic oxidizing filter block 18, where the products of incomplete combustion are further oxidized, enter the exhaust cavity 28 and are sent to the exhaust pipe or directly to the atmosphere through the outlet pipe 6.

При переходе двигателя внутреннего сгорания на режим малых нагрузок частота рабочих ходов двигателя с внешним подводом теплоты сокращается. When the internal combustion engine switches to the low-load mode, the frequency of the engine’s strokes with an external supply of heat decreases.

Такое выполнение каталитического нейтрализатора обеспечивает улучшение топливной экономичности основного двигателя - двигателя внутреннего сгорания - за счет сокращения механических потерь на привод вспомогательных узлов и агрегатов, более глубокое использование теплоты отработавших газов и теплоты, выработанной двигателем внутреннего сгорания. Учитывая, что индикаторный КПД двигателя с внешним подводом теплоты может достигнуть 60% и более, можно с учетом КПД механических передач, электрических машин и воздушного насоса считать, что будет происходить дополнительное использование теплоты отработавших газов не менее чем на 50%. This embodiment of the catalytic converter provides improved fuel economy of the main engine — the internal combustion engine — by reducing mechanical losses on the drive of auxiliary units and assemblies, and a deeper use of the heat of exhaust gases and the heat generated by the internal combustion engine. Considering that the indicator efficiency of an engine with an external supply of heat can reach 60% or more, taking into account the efficiency of mechanical gears, electric machines and an air pump, it can be considered that there will be an additional use of heat of exhaust gases by at least 50%.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленный нейтрализатор отработавших газов будет иметь более высокую степень очистки газов. Comparative analysis with the prototype shows that the claimed exhaust gas neutralizer will have a higher degree of gas purification.

Claims (1)

Каталитический нейтрализатор с утилизацией теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с двойными стенками, теплоизоляцией, торцевыми крышками, входными и выходными патрубками с фланцами, воздушным патрубком, каталитическими блоками, нагнетатель воздуха, теплообменник, отличающийся тем, что он снабжен нагревателем двигателя с внешним подводом теплоты, встроенным внутрь корпуса через торцевую крышку со стороны выходного патрубка с образованием кольцевого канала с внутренней поверхностью каталитического блока, при этом теплообменник, предназначенный для охлаждения рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты, установлен вне корпуса и соединен с нагнетателем воздуха, подключенным к двигателю с внешним подводом теплоты и к воздушному патрубку в корпусе. A catalytic converter for utilizing the heat of exhaust gases of an internal combustion engine, comprising a housing with double walls, heat insulation, end caps, inlet and outlet pipes with flanges, an air pipe, catalytic units, an air blower, a heat exchanger, characterized in that it is equipped with an external engine heater heat supply built into the housing through the end cap on the side of the outlet pipe with the formation of an annular channel with the inner surface of the catalytic unit, while a heat exchanger designed to cool the working fluid of the engine with an external heat supply is installed outside the housing and connected to an air blower connected to the engine with an external heat supply and to an air pipe in the housing.