RU2189466C1 - Catalyst converter with utilization of heat of exhaust gases of internal combustion engine - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines; exhaust systems. SUBSTANCE: housing of proposed catalyst converter has outer and inner walls, end face covers, inlet and outlet branch pipes and convective heat exchanger. Inner wall of converter is formed by series arranged catalytic elements, namely, coaxial porous cermet reduction-oxidation catalytic blocks. Convective heat exchanger made in form of coil is placed in space formed between coaxial porous cermet reduction-oxidation catalytic blocks and coaxial porous cermet soot, and porous cermet reduction catalytic blocks concentric relative to reduction-oxidation blocks. EFFECT: improved efficiency of catalytic cleaning of exhaust gases of internal combustion engine and increased service life of catalyst converter. 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, например дизелей автобусов большой пассажировместимости, сельскохозяйственных тракторов 4,5 тяговых классов, грузовиков большой грузоподъемности, танкетов геологов, тепловозов, для обогрева салонов, термокузовов, мини-ТЭЦ и т.д. The invention relates to mechanical engineering, namely to engine building, and can be used for purification of exhaust gases of internal combustion engines, for example, diesel buses of large passenger capacity, agricultural tractors of 4.5 traction classes, heavy trucks, tankers of geologists, diesel locomotives, for heating salons, thermal bodies , mini-CHP, etc.

Известен каталитический нейтрализатор, содержащий корпус с торцевой крышкой, входным н выходным патрубками, тепловой изоляцией, реакционной камерой, каналом для подвода газов. Внутри реактора коаксиально установлены с образованием полости между ними последовательно расположены пористые металлокерамические окислительно-разделительные каталитические блоки и последовательно расположенные пористый металлокерамический сажевый блок, пористый металлокерамический восстановительный каталитический блок. Канал для подвода газа разделен на полости, одна из которых предназначена для подачи окислителя в зону окисления между внутренней поверхностью окислительно-разделительного каталитического блока и внешней поверхностью сажевого блока, а другая - для подачи вспомогательного газа в зону восстановления между внутренней поверхностью окислительно-разделительного каталитического блока и внешней поверхностью восстановительного каталитического блока (см. патент RU 2115002, МПК⁶ F 01 N 3/28).Known catalytic converter containing a housing with an end cap, inlet and outlet pipes, thermal insulation, a reaction chamber, a channel for supplying gases. Inside the reactor, porous metal-ceramic oxidation-separation catalyst blocks and successively arranged porous metal-ceramic soot blocks, porous metal-ceramic reduction catalytic blocks are successively arranged inside the reactor to form a cavity between them. The gas supply channel is divided into cavities, one of which is for supplying an oxidizing agent to the oxidation zone between the inner surface of the oxidation-separation catalytic unit and the other surface for supplying auxiliary gas to the recovery zone between the inner surface of the oxidation-separation catalyst block and the outer surface of the reducing catalytic unit (see patent RU 2115002, IPC ⁶ F 01 N 3/28).

Основным недостатком каталитического нейтрализатора является низкий срок службы, так как в результате реакции окисления очищенные отработавшие газы имеют на выходе из нейтрализатора температуру выше, чем на входе (верхний предел температур может достигать 1373 К), выбрасываются в атмосферу с высокими температурами, что означает выброс свободной энергии и разрушение пористых металлокерамических каталитических фильтров. Срок службы нейтрализатора дополнительно снижается вследствие спекания и слипания блоков при высоких температурах. The main disadvantage of the catalytic converter is its low service life, since the purified exhaust gases have a higher temperature at the outlet of the catalyst than at the inlet (the upper temperature limit can reach 1373 K), they are emitted into the atmosphere with high temperatures, which means emission of free energy and destruction of porous cermet catalytic filters. The service life of the converter is further reduced due to sintering and blocking of the blocks at high temperatures.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является каталитический нейтрализатор отработавших газов с утилизацией теплоты, содержащий корпус с торцевыми крышками, входным и выходным патрубками, тепловой изоляцией, реактором и конвективный теплообменник. Корпус последовательно соединен входным патрубком с конвективным теплообменником и нагнетателем воздуха, а входным патрубком - с насосом прокачки жидкости - теплоносителя, подключенным к двигателю внутреннего сгорания или аккумуляторным батареям. Конвективный теплообменник выполнен в виде змеевика и снабжен входным и выходным штуцерами. Внутри змеевика расположены каталитические элементы насыпного типа, выполненные в виде шарикового катализатора. Утилизируемое тепло используется для отопления кабины водителя (см. Груданов В.Я. Физико-химические и теплообменные процессы в каталитических нейтрализаторах с утилизацией теплоты отработавших газов // Двигателестроение. - 1991 - 1, - с.47-49). The closest to the proposed invention in terms of technical nature and the achieved result (prototype) is a catalytic exhaust gas heat recovery catalyst containing a housing with end caps, inlet and outlet pipes, thermal insulation, a reactor and a convective heat exchanger. The housing is connected in series with the inlet pipe to a convective heat exchanger and an air blower, and the inlet pipe is connected to a liquid-coolant pump that is connected to an internal combustion engine or batteries. The convective heat exchanger is made in the form of a coil and is equipped with inlet and outlet fittings. Inside the coil are catalytic elements of the bulk type, made in the form of a ball catalyst. Utilized heat is used to heat the driver's cab (see V. Grudanov. Physicochemical and heat transfer processes in catalytic converters with heat recovery from exhaust gases // Dvigatelestroyeniye. - 1991 - 1, - p. 47-49).

Основными недостатками вышеописанного каталитического нейтрализатора являются низкие эффективность очистки отработавших газов и срок службы каталитического нейтрализатора, обусловленные использованием каталитических элементов насыпного типа. Так, шариковый катализатор засыпается внутрь змеевика и при работе двигателя или в целом транспортного средства измельчается, получает степень подвижности и истирается в потоке газов, остатки попадают между витками змеевика, запирают поток газов, а в укладке шарикового катализатора появляются свищи, что приводит к недостаточной долговечности теплообменника и срока службы нейтрализатора в целом. Установка конвективного теплообменника последовательно с корпусом каталитического нейтрализатора обуславливает ламинарное течение потока отработавших газов, что не повышает эффективность их очистки. The main disadvantages of the above-described catalytic converter are the low exhaust gas purification efficiency and the service life of the catalytic converter due to the use of bulk type catalytic elements. So, the ball catalyst is poured into the coil and when the engine or the vehicle as a whole is crushed, gains mobility and is abraded in the gas stream, residues fall between the coil turns, block the gas flow, and fistulas appear in the laying of the ball catalyst, which leads to insufficient durability heat exchanger and catalyst service life in general. The installation of a convective heat exchanger in series with the casing of the catalytic converter determines the laminar flow of the exhaust gas flow, which does not increase the efficiency of their cleaning.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения эффективности очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания и срока службы каталитического нейтрализатора. The present invention solves the problem of improving the efficiency of the exhaust gas purification of the internal combustion engine and the service life of the catalytic converter.

Технический результат достигается тем, что в известном каталитическом нейтрализаторе с утилизацией тепла отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащем корпус с торцевыми крышками, входным и выходным патрубками, каталитические элементы, конвективный теплообменник, выполненный в виде змеевика, с входным и выходным штуцерами, указанный теплообменник размещен в полости, образованной соосными концентричными пористыми металлокерамическими каталитическими блоками и пористым металлокерамическим сажевым блоком. The technical result is achieved by the fact that in the known catalytic converter with heat recovery of exhaust gases of an internal combustion engine comprising a housing with end caps, inlet and outlet pipes, catalytic elements, a convective heat exchanger made in the form of a coil, with inlet and outlet fittings, said heat exchanger is located in the cavity formed by coaxial concentric porous cermet catalytic blocks and a porous cermet soot block.

Повышение эффективности каталитической очистки обеспечивается за счет установки теплообменника в полости между пористыми соосными блоками, что приводит к турбулизации потока отработавших газов. Improving the efficiency of catalytic cleaning is ensured by installing a heat exchanger in the cavity between the porous coaxial blocks, which leads to turbulization of the exhaust stream.

Срок службы каталитического нейтрализатора повышается за счет увеличения долговечности теплообменника, так как ослабевает воздействие на него отработавших газов, предварительно прошедших пористый металлический сажевый блок. The service life of the catalytic converter is increased by increasing the durability of the heat exchanger, as it reduces the impact on it of exhaust gases, previously passed through a porous metal soot block.

При таком выполнении каталитического нейтрализатора с утилизацией тепла теплообменник находится в среде предварительно очищенных от сажи и твердых частиц газов, не подвержен отложениям нагара, утилизация происходит после доокисления продуктов неполного сгорания. Предложенная установка теплообменника в виде змеевика способствует при движении газов их мелкомасштабной турбулизации, что, в свою очередь, приводит к повышению коэффициента диффузии и качества очистки в каталитических блоках. With this embodiment of a catalytic converter with heat recovery, the heat exchanger is in a medium previously purified from soot and solid particles of gases, is not subject to deposits of carbon deposits, disposal occurs after the oxidation of products of incomplete combustion. The proposed installation of a heat exchanger in the form of a coil contributes to the movement of gases of their small-scale turbulization, which, in turn, leads to an increase in the diffusion coefficient and the quality of cleaning in the catalytic units.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое выполнение каталитического нейтрализатора отличается расположением конвективного теплообменника в виде змеевика в трехступенчатом нейтрализаторе в полости между пористыми металлокерамическими каталитическими блоками и сажевым блоком таким образом, что сажевый блок и восстановительный блок находятся внутри змеевика, а окислительно-восстановительные блоки - снаружи змеевика. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна". Comparative analysis with the prototype shows that the claimed embodiment of the catalytic converter differs by the location of the convective heat exchanger in the form of a coil in a three-stage converter in the cavity between the porous cermet catalytic blocks and the soot block so that the soot block and the reduction block are located inside the coil, and the redox blocks outside the coil. Thus, the claimed device meets the criterion of "novelty."

В известных технических решениях не обнаружено совокупности отличительных признаков, характеризующих предлагаемое техническое решение и решающих аналогичную задачу, поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень". In the known technical solutions, no combination of distinctive features was found characterizing the proposed technical solution and solving a similar problem, therefore, the claimed technical solution meets the criterion of "inventive step".

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображен продольный разрез каталитического нейтрализатора с утилизацией тепла отработавших газов внутреннего сгорания. Кроме того, одинарными стрелками на чертеже показаны направления движения отработавших газов и двойными - направления движения охлаждающей жидкости. The invention is illustrated in the drawing, which shows a longitudinal section of a catalytic converter with heat recovery from exhaust gases of internal combustion. In addition, the single arrows in the drawing show the directions of movement of the exhaust gases and the double arrows show the directions of movement of the coolant.

Каталитический нейтрализатор с утилизацией тепла отработавших газов содержит корпус 1 с двойными стенками: внешней 2 и внутренней, образованной последовательно расположенными каталитическими элементами, а именно соосными пористыми металлокерамическими окислительно-восстановительными каталитическими блоками 3. Между внешней 2 и внутренней стенками расположен тепловой зазор 4. Корпус имеет фланцы 5 и 6 торцевых крышек 7 и 8 с фланцами 9 и 10. На крышке 7 закреплен патрубок 11 с фланцем 12, а на крышке 8 - патрубок 13 выхода газов с фланцем 14. Блоки 3 образуют с торцевыми крышками 7 и 8 полость реактора. В реакторе на бонках 15 и 16, являющихся продолжением патрубков 11 и 13, и бонках 17 и 18 на поперечной перегородке 19 установлены соосные пористый металлокерамический сажевый блок 20 и каталитический элемент, а именно пористый металлокерамический восстановительный каталитический блок 21. Блоки 3 размешены концентрично блокам 20 и 21 на выступах 22 в поперечной перегородке 19 и выступах 23 па внешней стенке 2. Полость реактора каталитического нейтрализатора разделена стенками блоков 3,20,21 на отдельные полости: полость входа 24, промежуточные полости 25 и 26, полость выхода 27. Полости 25 и 26 образованы между соосными блоками 3 и концентричными им блоками 20, 21. В реакторе между окислительно-восстановительными блоками 3, сажевым блоком 20 и восстановительным блоком 21 встроен конвективный теплообменник 28, выполненный в виде змеевика, с входным 29 и выходным 30 штуцерами. The catalytic converter with heat recovery of the exhaust gases contains a housing 1 with double walls: external 2 and internal, formed by sequentially located catalytic elements, namely coaxial porous cermet redox catalyst units 3. There is a thermal gap 4 between the external 2 and internal walls 4. The housing has flanges 5 and 6 of the end caps 7 and 8 with flanges 9 and 10. A pipe 11 with a flange 12 is fixed to the cover 7, and a gas outlet pipe 13 with a flange 14 is fixed to the cover 8. Blocks 3 Braz with end caps 7 and 8 of the reactor cavity. Coaxial porous metal-ceramic soot block 20 and a catalytic element, namely, porous metal-ceramic reduction catalytic block 21, are installed in the reactor on bonks 15 and 16, which are a continuation of the nozzles 11 and 13, and bonks 17 and 18 on the transverse baffle 19; blocks 3 are placed concentrically to blocks 20 and 21 on the protrusions 22 in the transverse partition 19 and the protrusions 23 on the outer wall 2. The cavity of the reactor of the catalytic converter is divided by the walls of the blocks 3,20,21 into separate cavities: the inlet cavity 24, the intermediate cavities 25 and 26 , exit cavity 27. Cavities 25 and 26 are formed between the coaxial blocks 3 and the concentric blocks 20, 21. In the reactor between the redox blocks 3, the soot block 20 and the recovery block 21, a convective heat exchanger 28 is constructed in the form of a coil with an inlet 29 and output 30 fittings.

Такое выполнение каталитического нейтрализатора позволяет избегать перегрева каталитических блоков, утилизировать тепло отработавших газов двигателя, более качественно очищать отработавшие газы от продуктов неполного сгорания каталитическими элементами, работающими в диапазоне температур 350. ..450^oС, осуществлять утилизацию тепла.This embodiment of the catalytic converter allows to avoid overheating of the catalytic units, to utilize the heat of the exhaust gases of the engine, to better clean the exhaust gases from products of incomplete combustion by the catalytic elements operating in the temperature range 350 ... 450 ^o C, to utilize heat.

Работа предлагаемого нейтрализатора осуществляется следующим образом. Отработавшие газы от двигателя внутреннего сгорания входят в реактор нейтрализатора по патрубку 11, попадают в полость входа 24, проходят через сажевый блок 20 и попадают в промежуточную полость 25, отдают часть тепла в теплообменник 28, турбулизуясь при этом, что приводит к активации процессов окисления продуктов неполного сгорания на блоках 3. При дальнейшем движении газы, продолжая турбулентное движение, попадают в полость 26, проходят через стенку восстановительного блока 21, попадают в полость выхода 27 и удаляются из нейтрализатора очищенными через патрубки 13. The work of the proposed Converter is as follows. The exhaust gases from the internal combustion engine enter the neutralizer reactor through the pipe 11, enter the inlet cavity 24, pass through the soot block 20 and enter the intermediate cavity 25, transfer part of the heat to the heat exchanger 28, turbulizing at the same time, which leads to the activation of products oxidation processes incomplete combustion on the blocks 3. With further movement, the gases, continuing the turbulent movement, enter the cavity 26, pass through the wall of the recovery unit 21, enter the exit cavity 27 and are removed from the neutralizer E through pipes 13.

Предложенный каталитический нейтрализатор отработавших газов обеспечивает повышение эффективности очистки газов на 15...20%, утилизацию тепла отработавших газов, понижение температурных напряжений и увеличение срока службы. The proposed catalytic converter of exhaust gases provides an increase in the efficiency of gas purification by 15 ... 20%, heat recovery of exhaust gases, lower temperature stresses and an increase in service life.

Claims (1)

Каталитический нейтрализатор с утилизацией тепла отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с торцевыми крышками, входным и выходным патрубками, каталитические элементы, конвективный теплообменник, выполненный в виде змеевика, с входным и выходным штуцерами, отличающийся тем, что теплообменник размещен в полости, образованной соосными концентричными пористыми металлокерамическими каталитическими блоками и пористым сажевым металлокерамическим блоком. A catalytic converter with heat recovery of exhaust gases of an internal combustion engine, comprising a housing with end caps, inlet and outlet pipes, catalytic elements, a convective heat exchanger made in the form of a coil, with inlet and outlet fittings, characterized in that the heat exchanger is placed in a cavity formed by coaxial concentric porous cermet catalytic blocks and a porous carbon black cermet block.