RU2391522C2

RU2391522C2 - Catalytic converter of waste gases with gas-distributing mechanism

Info

Publication number: RU2391522C2
Application number: RU2008118702/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Леонидович Новосёлов (RU); Александр Леонидович Новосёлов; Любовь Сергеевна Шуцкая (RU); Любовь Сергеевна Шуцкая
Priority date: 2008-05-12
Filing date: 2008-05-12
Publication date: 2010-06-10
Also published as: RU2008118702A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention can be used for cleaning of waste gases (WG) of internal combustion engines (ICE) with ignition due to compression. Catalytic converter includes housing with outer and inner sides, heat insulation between them, transverse and longitudinal partitions, porous permeable metal-ceramic catalytic (PPMC) units, inlet and outlet connection pipes, and gas-distributing mechanism. The latter has external fixed pipe with opening and internal movable pipe with openings; at that, openings in internal pipe are made so that they can coincide with openings in external pipe by means of rotary lever rigidly attached to internal pipe. Inner cavity of housing is divided with longitudinal partitions at least into three sectors. PPMC units are installed in each sector in blind and through openings of transverse partitions dividing each sector. Gas-distributing mechanism is located on end wall of housing from the side of inlet connection pipe and equipped with gas branches as per the number of sectors.

EFFECT: protection of units against contamination with coking products in low load conditions, and increasing cleaning degree.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия.The invention relates to mechanical engineering, namely to engine building, and can be used for purification of exhaust gases of internal combustion engines with compression ignition.

Известен каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с коаксиально установленными с образованием полости между ними пористыми металлокерамическими окислительными и восстановительными каталитическими блоками, входным и выходным патрубками с фланцами, канал для подвода вспомогательного газа. Канал для подвода вспомогательного газа соединен с сообщающимися полостями, образованными между внутренней поверхностью корпуса и наружными поверхностями окислительных пористых металлокерамических каталитических блоков (см. патент РФ N 2120554, МПК 6 F01N 3/28).Known catalytic converter for exhaust gases of an internal combustion engine, comprising a housing with coaxially installed with the formation of a cavity between them porous metal-ceramic oxidizing and reducing catalytic blocks, inlet and outlet pipes with flanges, a channel for supplying auxiliary gas. The auxiliary gas supply channel is connected to interconnected cavities formed between the inner surface of the housing and the outer surfaces of the oxidative porous cermet catalytic blocks (see RF patent N 2120554, IPC 6 F01N 3/28).

Недостатками известного нейтрализатора являются, во-первых, снижение эффективности очистки и срока службы каталитических блоков, так как, не имея предварительной очистки от твердых частиц, отработавшие газы поступают непосредственно на каталитические блоки, вызывая их засорение и (или) дезактивацию, а, также, так как каталитические блоки, как правило, имеют средний размер пор в пределах от 100 до 200 мкм для обеспечения приемлемых габаритов и допустимых противодавлений, а при таком конструктивном исполнении часть твердых частиц, включая сажу с размерами 1…30 мкм, имеет возможность проникать через пористые стенки блоков нейтрализатора; во-вторых, снижение эффективной мощности двигателя и увеличение удельного расхода топлива, что приводит в конечном итоге значительному снижению топливной экономичности, поскольку раздельная, последовательная установка каталитических блоков очистки от различных компонентов приводит к повышению суммарного гидравлического сопротивления нейтрализатора.The disadvantages of the known catalyst are, firstly, the decrease in the cleaning efficiency and the service life of the catalytic blocks, since, without preliminary purification from solid particles, the exhaust gases flow directly to the catalytic blocks, causing them to become clogged and (or) deactivated, and also since the catalytic blocks, as a rule, have an average pore size in the range from 100 to 200 microns to ensure acceptable dimensions and allowable backpressures, and with this design, part of the solid particles, including soot with sizes of 1 ... 30 microns, it has the ability to penetrate through the porous walls of the neutralizer blocks; secondly, a decrease in the effective engine power and an increase in specific fuel consumption, which ultimately leads to a significant decrease in fuel economy, since the separate, sequential installation of catalytic units for cleaning various components leads to an increase in the total hydraulic resistance of the converter.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности (прототипом) является кассетный каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус с двойными стенками и теплоизоляцией между ними, внутренние продольные и поперечные перегородки, торцевые крышки, впускной и выпускной патрубки, фланцы, каталитические фильтры, реактор, разделенный перегородками на несколько полостей: распределения потока газов, осуществления очистки газов через фильтры, объединения потока очищенных газов. В перегородке между полостями распределения потока газов установлена труба, являющаяся продолжением впускного патрубка, в торцевой части которой установлен подпружиненный клапан с выходом в пропускной сквозной патрубок, размещенный в продольной перегородке. Кроме того, нейтрализатор снабжен бонками, на которых закреплены металлокерамические фильтры, одна часть которых выполнена с содержанием высокотемпературных катализаторов, а другая - низкотемпературных. Металлокерамические фильтры могут быть выполнены в виде полых стаканов с днищами, представляющими в сечении сегменты. В трубе, установленной в перегородке между полостями распределения потока газов, размещен по всей ее длине поворотный трубчатый сектор с окном, труба снабжена окном (см. патент Российской Федерации N2105166, МПК 6 F01N 3/28).Closest to the proposed invention in technical essence (prototype) is a cassette catalytic converter of exhaust gases of an internal combustion engine, comprising a housing with double walls and thermal insulation between them, internal longitudinal and transverse partitions, end caps, inlet and outlet pipes, flanges, catalytic filters, a reactor divided by partitions into several cavities: distributing the gas stream, performing gas purification through filters, combining the stream of purified g call. A pipe is installed in the partition between the cavities of the gas flow distribution, which is a continuation of the inlet pipe, in the end part of which a spring-loaded valve is installed with an outlet in the through passage pipe located in the longitudinal partition. In addition, the converter is equipped with bonnets, on which ceramic-metal filters are fixed, one part of which is made with high-temperature catalysts and the other low-temperature ones. Ceramic-metal filters can be made in the form of hollow glasses with bottoms representing segments in section. In the pipe installed in the partition between the cavities of the gas flow distribution, a rotary tubular sector with a window is placed along its entire length, the pipe is equipped with a window (see patent of the Russian Federation N2105166, IPC 6 F01N 3/28).

Последняя конструкция кассетного каталитического нейтрализатора является наиболее близкой по технической сущности и принята за прототип.The latest design of the cassette catalytic converter is the closest in technical essence and adopted as a prototype.

Однако при использовании известного каталитического нейтрализатора не обеспечивается эффективная очистка отработавших газов от твердых частиц на различных режимах работы двигателя, поскольку пористые проницаемые каталитические блоки имеют ограниченную удельную поверхность и проходное сечение пор, а при открытии предохранительного клапана, не обеспечивается топливная экономичность, так как эти блоки создают достаточно высокое противодавление на выпуске дизеля; каталитический нейтрализатор имеет низкий срок службы, поскольку при периодической регенерации термическому или термохимическому воздействию подвергаются все фильтры и каталитические блоки независимо от их состояния, в результате воздействия происходит дезактивация блоков, что приводит к необходимости замены блоков и простою дизеля.However, when using the known catalytic converter, it is not possible to efficiently clean exhaust gases from solid particles at various engine operating modes, since porous permeable catalytic blocks have a limited specific surface area and a pore cross section, and when the safety valve is opened, fuel economy is not ensured, since these blocks create a fairly high backpressure at the diesel engine; the catalytic converter has a low service life, because during periodic regeneration, all filters and catalytic blocks are exposed to thermal or thermochemical influence, regardless of their condition, as a result of the action, the blocks are deactivated, which leads to the need to replace the blocks and the engine is idle.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности очистки отработавших газов на различных режимах работы двигателя и топливной экономичности двигателя, повышения сроков службы каталитических блоков нейтрализатора до их регенерации.The present invention solves the problem of improving the efficiency of purification of exhaust gases at various engine operating modes and fuel efficiency of the engine, increasing the service life of the catalytic converter blocks before regenerating them.

Для достижения этого технического результата в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов с механизмом газораспределения, содержащем корпус с внешними и внутренними стенками, теплоизоляцией между ними, поперечными и продольными перегородками, пористыми проницаемыми металлокерамическими блоками, входным и выходными патрубками, и механизм газораспределения, имеющий внешнюю неподвижную трубу с окнами, внутреннюю подвижную трубу с окнами, окна во внутрнней подвижной трубе установлены с возможностью совмещения с окнами во внешней неподвижной трубе посредством поворотного рычага, жестко связанного с внутренней подвижной трубой, согласно изобретению внутренняя полость корпуса разделена продольными перегородками как минимум на три сектора, пористые проницаемые металлокерамические каталитические блоки установлены в каждом секторе, механизм газораспределения расположен на торцевой стенке корпуса со стороны входного патрубка и оборудован отводами газов по числу секторов, а во внешней неподвижной трубе выполнен сквозной паз для перемещения в нем рычага.To achieve this technical result in an exhaust gas catalytic converter with a gas distribution mechanism comprising a housing with external and internal walls, heat insulation between them, transverse and longitudinal partitions, porous permeable cermet blocks, inlet and outlet pipes, and a gas distribution mechanism having an external fixed pipe with windows, the inner movable pipe with windows, the windows in the inner movable pipe are installed with the possibility of combining with the windows in the outer the fixed tube by means of a pivot arm rigidly connected with the internal movable pipe, according to the invention, the internal cavity of the housing is divided by longitudinal partitions into at least three sectors, porous permeable cermet catalytic units are installed in each sector, the gas distribution mechanism is located on the end wall of the housing from the inlet it is equipped with gas vents according to the number of sectors, and a through groove is made in the external stationary tube for moving the lever in it.

Кроме того, поперечные перегородки имеют сквозные и глухие окна, а пористые проницаемые металлокерамические каталитические блоки установлены попарно в глухие и сквозные окна поперечных перегородок.In addition, the transverse partitions have through and blind windows, and porous permeable cermet catalytic blocks are installed in pairs in the blind and through windows of the transverse partitions.

Предлагаемое выполнение каталитического нейтрализатора относит его к классу многоступенчатых, так как в нейтрализаторе присутствуют несколько ступеней очистки, используются: очистка газов от твердых частиц, доокисление продуктов неполного сгорания, восстановление оксидов азота.The proposed implementation of the catalytic converter classifies it as a multi-stage one, since there are several stages of purification in the catalyst, the following are used: purification of gases from solid particles, additional oxidation of products of incomplete combustion, reduction of nitrogen oxides.

Наличие разграничительных секторов во внутренней полости реактора позволяет осуществлять эффективную очистку отработавших газов на различных режимах работы двигателя, поскольку дает возможность разделить реактор на любое количество секторов и устанавливать соответственно в каждом секторе пористые проницаемые каталитические блоки с различной удельной поверхностью и проходным сечением пор, а также направлять поток отработавших газов в нужный сектор.The presence of demarcation sectors in the inner cavity of the reactor allows for efficient purification of exhaust gases at various engine operating modes, since it makes it possible to divide the reactor into any number of sectors and install porous permeable catalytic blocks with different specific surface areas and passage pores in each sector, as well as direct exhaust gas flow to the desired sector.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображен продольный по оси разрез каталитического нейтрализатора с механизмом газораспределения.The invention is illustrated in the drawing, which shows a longitudinal along the axis section of a catalytic converter with a gas distribution mechanism.

Стрелками на чертеже показано направление движения отработавших газов по внутренним полостям каталитического нейтрализатора отработавших газов с механизмом газораспределения.The arrows in the drawing show the direction of movement of the exhaust gases through the internal cavities of the catalytic converter with the gas distribution mechanism.

Каталитический нейтрализатор отработавших газов с механизмом газораспределения содержит корпус 1, с торцевыми стенками 2 и 3, входным патрубком 4 и выходными патрубками 5.The exhaust gas catalytic converter with a gas distribution mechanism comprises a housing 1, with end walls 2 and 3, an inlet pipe 4 and an outlet pipe 5.

Полость реактора образована внутренними поверхностями торцевой стенки 2, внутренней стенки 7 и торцевой стенки 3. В полости реактора размещены поперечные перегородки 9, 10, 11 со сквозными окнами 12 и глухими окнами 13.The cavity of the reactor is formed by the inner surfaces of the end wall 2, the inner wall 7 and the end wall 3. In the cavity of the reactor there are transverse partitions 9, 10, 11 with through windows 12 and blind windows 13.

В глухие окна установлены с образованием кассет пористые проницаемые металлокерамические блоки 14 доокисления продуктов неполного сгорания и угарного газа.Porous permeable cermet blocks 14 for the oxidation of products of incomplete combustion and carbon monoxide are installed in the blind windows with the formation of cassettes.

Продольными перегородками 15 и 16 полость делится на очистные секторы.The longitudinal partitions 15 and 16, the cavity is divided into treatment sectors.

Продольные перегородки 17 и 18 образуют окна для впуска отработавших газов в очистной сектор.The longitudinal partitions 17 and 18 form the windows for the exhaust gas inlet to the treatment sector.

Поперечными перегородками 2, 3, 9, 10 и 11 полость реактора делится на отдельные секции: 19 - распределения отработавших газов; 20 - сбора очищенных газов; 21 - очистки отработавших газов от твердых частиц; 22 - окисления продуктов неполного сгорания и восстановления оксидов азота.Transverse partitions 2, 3, 9, 10 and 11 the reactor cavity is divided into separate sections: 19 - distribution of exhaust gases; 20 - collection of purified gases; 21 - purification of exhaust gases from particulate matter; 22 - oxidation of products of incomplete combustion and reduction of nitrogen oxides.

В секции 21 очистки отработавших газов от твердых частиц находятся блоки: 23 - фильтрации отработавших газов от твердых частиц, заглушенные с выходного торца, и блоки 14 до окисления продуктов неполного сгорания и угарного газа; в состав блоков 14 и 23 входит катализатор - платина.In the section 21 for cleaning exhaust gases from solid particles, there are blocks: 23 - filtering exhaust gases from solid particles, plugged from the outlet end, and blocks 14 until the products of incomplete combustion and carbon monoxide are oxidized; blocks 14 and 23 include a catalyst - platinum.

В секции 22 окисления продуктов неполного сгорания и восстановления оксидов азота установлены блоки 24 - восстановление оксидов азота и окисления продуктов неполного сгорания и 25 - восстановление оксидов азота и окисления продуктов неполного сгорания, в состав блоков 24 и 25 входят катализаторы - родий и палладий; блоки 24 заглушены с выходного торца, блоки 25 заглушены с входного торца, а с выходного открыты.In section 22, oxidation of products of incomplete combustion and reduction of nitrogen oxides, blocks 24 are installed — reduction of nitrogen oxides and oxidation of products of incomplete combustion and 25 — reduction of nitrogen oxides and oxidation of products of incomplete combustion; blocks 24 and 25 include catalysts — rhodium and palladium; blocks 24 are muffled from the output end, blocks 25 are muffled from the input end, and open from the output.

Поворотный механизм узла 26 газораспределения имеет внешнюю неподвижную трубу 29, присоединенную к торцевой стенке 2 со стороны входного патрубка 4, и внутреннюю - подвижную 31, связанную с поворотным рычагом 33. Во внутренней подвижной трубе 31 выполнены окна 32, предназначенные для отвода излишнего потока отработавших газов к другим очистным секторам и снижения, тем самым противодавления на выпуске дизеля. Отвод излишнего потока отработавших газов осуществляется при совмещении окон 32 в трубе 31 с такими же окнами 28 в трубе 29.The rotary mechanism of the gas distribution unit 26 has an external fixed pipe 29 connected to the end wall 2 from the inlet pipe 4 side and an internal movable pipe 31 connected to the rotary lever 33. Windows 32 are made in the internal movable pipe 31 for removing the excess exhaust gas flow to other treatment sectors and decrease, thereby backpressure on the release of diesel. Excessive exhaust gas is vented by combining windows 32 in pipe 31 with the same windows 28 in pipe 29.

Совмещение окон 28 и 32 осуществляется посредством поворотного рычага 33, расположенного с возможностью перемещения в сквозном пазу 34 трубы 29 и жестко прикрепленного к трубе 31. Окна 28 соединяются с отводами 27, выполненными в виде прорезей, отработавших газов к окнам 30, выполненным в виде прорезей, во внутренней части торцевой стенки 2 корпуса в каждом из очистных секторов. Торец трубы 29 выполнен со стенкой 35 и окном 36, а торец трубы 31 выполнен со стенкой 37 и окном 38 в стенке 37 и является окном прямого подвода газов. Поворотный рычаг предполагается приводить в действие при помощи устройства управления, обозначенного в прототипе (см. патент Российской Федерации N 2105166, МПК 6 F01N 3/28).The combination of windows 28 and 32 is carried out by means of a rotary lever 33, which can be moved in the through groove 34 of the pipe 29 and rigidly attached to the pipe 31. The windows 28 are connected to the bends 27 made in the form of slots, exhaust gases to the windows 30 made in the form of slots , in the inner part of the end wall 2 of the housing in each of the treatment sectors. The end of the pipe 29 is made with a wall 35 and a window 36, and the end of the pipe 31 is made with a wall 37 and a window 38 in the wall 37 and is a window for direct gas supply. The rotary lever is supposed to be actuated using the control device indicated in the prototype (see patent of the Russian Federation N 2105166, IPC 6 F01N 3/28).

Предлагаемый каталитический нейтрализатор отработавших газов с механизмом газораспределения работает следующим образом. На режимах пуска, прогрева и холостого хода дизеля поворотный рычаг 33 находится в крайнем положении и при этом окно 38 прямого подвода газов открыто. Отработавшие газы дизеля направляются через входной патрубок 4, попадают через механизм узла 26 газораспределения, окна 36 и 38 в секцию 19 распределения отработавших газов, через открытые окна 12 входят в блоки 23 фильтрации отработавших газов от твердых частиц, проходят через пористые проницаемые стенки, попадают в полость секции 21 очистки отработавших газов от твердых частиц, проходят через пористые проницаемые стенки фильтрующих блоков 14 с закрытыми торцами глухими окнами 13, в этих же блоках 13 и 23 происходит доокисление углеводородов и угарного газа. Далее газы входят в блоки с открытыми входными и закрытыми выходными окнами 24, находящимися в секции 22 окисления продуктов неполного сгорания и восстановления оксидов азота, поступают в полость секции 22, проходят через пористые проницаемые стенки блоков с открытыми задними окнами 25, выходят в секцию 20 сбора очищенных газов и выбрасываются через одну из труб 5.The proposed catalytic converter with a gas distribution mechanism operates as follows. In the modes of starting, warming up and idling of the diesel engine, the rotary lever 33 is in the extreme position and the window 38 of the direct gas supply is open. Diesel exhaust gases are directed through the inlet pipe 4, enter through the mechanism of the gas distribution unit 26, windows 36 and 38 into the exhaust gas distribution section 19, through the open windows 12 enter the exhaust gas filtering blocks from solid particles, pass through porous permeable walls, enter the cavity of the section 21 for cleaning exhaust gases from solid particles passes through the porous permeable walls of the filter blocks 14 with the blind windows 13 closed at their ends, in the same blocks 13 and 23, the oxidation of hydrocarbons and coal gas. Next, the gases enter the blocks with open inlet and closed outlet windows 24 located in the section 22 for oxidation of products of incomplete combustion and reduction of nitrogen oxides, enter the cavity of section 22, pass through the porous permeable walls of the blocks with open rear windows 25, and exit to the collection section 20 purified gases and are discharged through one of the pipes 5.

При переходе на режим 25% нагрузки рычаг 33 переводит внутреннюю трубу 31 в положение, когда окно 36, расположенное внутри корпуса, закрыто, а газ направляется через окно 32 во внутренней трубе по отводу 27 газов в окно 30 в другие секторы нейтрализации. При прохождении газов через отдельные секции газы очищаются от твердых частиц, продуктов неполного сгорания и оксидов азота и выбрасываются через одну из труб 5.When switching to the 25% load mode, the lever 33 transfers the inner pipe 31 to the position where the window 36 located inside the housing is closed and the gas is directed through the window 32 in the inner pipe to exhaust gases 27 to the window 30 to other neutralization sectors. With the passage of gases through separate sections, the gases are cleaned of solid particles, products of incomplete combustion and nitrogen oxides and are emitted through one of the pipes 5.

Таким образом, в отличие от прототипа обеспечивается сохранение каталитических блоков от загрязнения продуктами коксования на режимах малых нагрузок, повышается степень очистки газов дизелей и обеспечивается наличие качеств безостановочной работы.Thus, in contrast to the prototype, the catalytic units are protected from contamination by coking products at low load conditions, the degree of purification of diesel gases is increased, and the availability of non-stop operation qualities is ensured.

Claims

1. Каталитический нейтрализатор отработавших газов с механизмом газораспределения, содержащий корпус с внешними и внутренними стенками, теплоизоляцией между ними, поперечными и продольными перегородками, пористыми проницаемыми металлокерамическими блоками, входным и выходными патрубками, и механизм газораспределения, имеющий внешнюю неподвижную трубу с окнами, внутреннюю подвижную трубу с окнами, окна во внутренней подвижной трубе установлены с возможностью совмещения с окнами во внешней неподвижной трубе посредством поворотного рычага, жестко связанного с внутренней подвижной трубой, отличающийся тем, что внутренняя полость корпуса разделена продольными перегородками, как минимум, на три сектора, пористые проницаемые металлокерамические каталитические блоки установлены в каждом секторе, механизм газораспределения расположен на торцевой стенке корпуса со стороны входного патрубка и оборудован отводами газов по числу секторов, а во внешней неподвижной трубе выполнен сквозной паз для перемещения в нем рычага.1. A catalytic converter with a gas distribution mechanism, comprising a housing with external and internal walls, thermal insulation between them, transverse and longitudinal walls, porous permeable cermet blocks, inlet and outlet pipes, and a gas distribution mechanism having an external fixed pipe with windows, an internal movable a pipe with windows, windows in the inner movable pipe are mounted with the possibility of combining with windows in the outer stationary pipe by means of a rotary a lever rigidly connected to the inner movable pipe, characterized in that the inner cavity of the housing is divided by longitudinal partitions into at least three sectors, porous permeable metal-ceramic catalytic units are installed in each sector, the gas distribution mechanism is located on the end wall of the housing from the inlet pipe side and is equipped gas vents according to the number of sectors, and in the external stationary pipe a through groove is made for moving the lever in it.

2. Каталитический нейтрализатор по п.1, отличающийся тем, что поперечные перегородки имеют сквозные и глухие окна, а пористые проницаемые металлокерамические каталитические блоки установлены попарно в глухие и сквозные окна поперечных перегородок. 2. The catalytic converter according to claim 1, characterized in that the transverse partitions have through and blind windows, and porous permeable cermet catalytic blocks are installed in pairs in the blind and through windows of the transverse partitions.