Глушитель-нейтрализатор выхлопа отработавших газов двигателя внутреннего сгорания

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к глушителям тепловых двигателей с интегрированными средствами очистки и обезвреживания выхлопных газов каталитическим превращением токсичных компонентов выхлопа. Наиболее предпочтительно его использование на грузовых автомобилях и автобусах. Сущность полезной модели: глушитель-нейтрализатор выхлопа отработавших газов ДВС, состоящий из коробчатого корпуса, разделенного двумя перегородками на полости, передней и задней торцевых стенок, впускного патрубка, снабжен нейтрализующим блоком, состоящим из установленных соосно катализатора и сажевых фильтров равного диаметра, перегородки выполнены перфорированными, в передней стенке выполнено выпускное окно, ось которого параллельна оси впускного патрубка, в нутрии корпуса нейтрализующий блок зафиксирован в отверстиях перегородок. Нейтрализующий блок, имеющий объем 1022 л, содержит каталитический нейтрализатор выполненный диаметром 200270 мм длиной 80120 мм с загрузкой драгоценных металлов 1040 гр/фут³ и сажевые фильтры выполненные диаметром 200270 мм общей длиной 250300 мм. Нейтрализующий блок имеет ячеистую структуру с количеством ячеек 200600 cpsi. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к глушителям тепловых двигателей с интегрированными средствами очистки и обезвреживания выхлопных газов каталитическим превращением токсичных компонентов выхлопа. Наиболее предпочтительно его использование на грузовых автомобилях и автобусах.

В настоящее время для обеспечения нормируемого уровня загрязненности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств необходимо применение элементов очистки, представляющих собой всевозможные каталитические нейтрализаторы. Кроме этого, для дизельных ДВС, в отработавших газах которых присутствуют сажевые частицы, актуальным является применение сажевых фильтров. Вместе с этим, внедрение дополнительных элементов очистки в существующие конструкции систем выпуска отработавших газов ДВС транспортных средств, влечет за собой изменение их геометрии с увеличением габаритных размеров, что в отдельных случаях неприемлемо. Предлагаемое техническое решение позволяет скомбинировать систему нейтрализации вредных веществ отработавших газов и систему глушения шума выхлопа ДВС.

Известен нейтрализатор отработавших газов дизеля, (патент RU 2297544, МПК F01N 3/00, опубл. 24.06.04.), который состоит из цилиндрического корпуса с входным и выходным патрубками, в котором последовательно размещены уловитель твердых частиц, каталитический нейтрализатор и глушитель. Уловитель твердых частиц образован съемным пакетом без сквозных ячеек из сетчатых металлических пластин и установлен после диффузора со стороны входного патрубка. Между корпусом и каталитически нейтрализатором размещена теплоизоляционная прокладка, обеспечивающая ускоренный прогрев нейтрализатора до рабочей температуры. После нейтрализатора установлен конффузор, выходной канал которого размещен в корпусе и выполнен в виде глушителя. Основным недостатком указанного глушителя-нейтрализатора является то, что уловитель твердых частиц регенерируется при техническом обслуживании механическим способом горячим потоком пара или с помощью термической обработки в вакуумной печи, предварительно демонтированный.

Известен глушитель-нейтрализатор, корпус которого состоит из проходной торцовой стенки, которая имеет отверстия для прохода газов, глухой торцовой стенки и цилиндрической периферийной стенки (Euro 4/5 - Emissionsgesetzgebung. Welchen Weg geht MAN, MAN Nutzfahrzeuge Group, Geschaftsbereich Motoren, Abteilung MVFT, 22.07.2004, Рекламный проспект ф-MAN, стр.35,). В корпусе установлены впускной и выпускной патрубки, проходная перегородка, поддерживающая перегородка, глухая перегородка, раструб и нейтрализующий блок. Нейтрализующий блок состоит из каталитического нейтрализатора и сажевого фильтра, которые соединены конусом. Нейтрализующий блок соединен с раструбом и с поддерживающей перегородкой. Раструб также соединен с выпускным патрубком, который, в свою очередь, соединен с проходной перегородкой и проходной торцовой стенкой. Входной патрубок соединен с проходной перегородкой и проходной торцовой перегородкой. Поддерживающая перегородка расположена между проходной перегородкой и глухой перегородкой. Проходная торцовая стенка, проходная перегородка, поддерживающая перегородка, глухая перегородка и глухая торцовая стенка соединены с цилиндрической периферийной стенкой. На поверхности поддерживающей перегородки имеются отверстия для прохода газов. Цилиндрическая периферийная стенка выполнена из одного куска листового металла, концы которого соединены при помощи шва. Недостатком данного глушителя-нейтрализатора является то, что габаритный объем, в который вписывается корпус глушителя-нейтрализатора, используется не в полной степени. В сравнении с цилиндрической формой, форма параллелепипеда имеет больший объем при равных габаритах, позволяя размещать больший объем нейтрализующих блоков и обеспечивать лучшее шумозаглушение.

Известен глушитель-нейтрализатор стенки (Euro 4/5 Emissionsgesetzgebung. Welchen Weg geht MAN, MAN Nutzfahrzeuge Group, Geschaftsbereich Motoren, Abteilung MVFT, 22.07.2004, Рекламный проспект ф-MAN, стр.36), состоящий из проходной торцовой стенки, которая имеет отверстие для прохода газов, глухой торцовой стенки, внутренней периферийной стенки, внешней периферийной стенки, впускного патрубка, проходной перегородки, двух поддерживающих перегородок, глухой перегородки, пяти нейтрализующих блоков и выхлопной трубы. Каждый нейтрализующий блок состоит из каталитического нейтрализатора и сажевого фильтра, которые соединены между собой при помощи сварки. Проходная перегородка, две поддерживающие перегородки и глухая перегородка установлены во внутренней периферийной стенке. Пространство между проходной торцовой стенкой и проходной перегородкой, пространство между глухой торцовой стенкой и глухой перегородкой и пространство между внутренней периферийной стенкой и внешней периферийной стенки заполнено волокнистым материалом, который выполняет функции термической и звуковой изоляции. Внутренняя периферийная стенка и внешняя периферийная стенка имеют четырехгранную форму в поперечном сечении, при этом грани стенок выполнены по радиусу. Внешняя периферийная стенка состоит из двух частей, соединенных между собою двумя продольными швами. Очевидным недостатком является то, что стоимость пяти нейтрализующих блоков дороже стоимости одного нейтрализующего блока равного объема.

Известен глушитель-нейтрализатор, корпус которого состоит из проходной торцовой стенки, которая имеет отверстие для прохода газов, глухой торцовой стенки и периферийной стенки (Заявка US 2004/0202591 А1, МПК B01D 53/34, опубл. 14.10.2004.,). В корпусе установлены впускной и выпускной патрубки, две внутренние перегородки и нейтрализующий блок. Поперечное сечение глушителя-нейтрализатора имеет прямоугольную или квадратную форму. Удлиненный впускной патрубок, который проходит в зоне расположения нейтрализующего блока, и удлиненный выпускной патрубок предопределяют пропорции корпуса, при которых длина глушителя-нейтрализатора примерно равна его высоте. Практика применения подобных конструкций на автомобилях MAN показывает, что производство таких глушителей трудоемко и требует значительных затрат материалов.

В качестве прототипа использована конструкция глушителя-нейтрализатора отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (патент RU 2297544, МПК F01N 1/00, опубл. 20.03.06), который состоит из периферийной стенки, проходной торцовой стенки, глухой торцовой стенки. В глушителе-нейтрализаторе установлены внутренняя перегородка, нейтрализующий блок, впускной патрубок и выпускной патрубок. В нейтрализующем блоке установлено два каталитических блока. Впускной патрубок и выпускной патрубок расположены на проходной торцовой стенке. Нейтрализующий блок соединен с внутренней перегородкой. В глушителе-нейтрализаторе установлена проходная перегородка и глухая перегородка. На поверхности проходной перегородки и глухой перегородки имеется перфорация. Проходная перегородка совместно с периферийной стенкой и проходной торцовой стенкой ограничивает полость, которая заполнена звукопоглощающим материалом. Глухая перегородка совместно с периферийной стенкой и глухой торцовой стенкой ограничивает полость, которая заполнена звукопоглощающим материалом. Связанная с нейтрализующим блоком внутренняя перегородка выполнена с отверстиями для прохода газов. Впускной патрубок связан с нейтрализующим блоком при помощи раструба. На проходной торцовой стенке установлены резьбовые шпильки для присоединения трубопроводов. Периферийная стенка выполнена четырехгранной с закругленными углами.

Обладая достаточно высокими термостойкими и звукопоглощающими характеристиками, волокнисто-пористая звукопоглощающая набивка, как правило из базальтового волокна, применяемая в конструкциях представленных для сравнения глушителей-нейтрализаторов в большинстве случаев, ослабляет нежелательные дефектные резонансные высокочастотные "свисты" глушителя, в первую очередь, на "малогабаритных" 4-ой продольной и 2-ой радиальной собственных модах колебаний воздушного объема камеры. Однако, такая конструкция имеет и ряд существенных недостатков, основные из которых следующие:

- пористая набивка из волокнистого базальтового волокна активно впитывает и накапливает в полости химически агрессивный конденсат, содержащийся в выхлопных газах, что вызывает ускоренную внутреннюю коррозию стенок и перегородок корпуса глушителя, существенно сокращая срок его эксплуатации. Следует здесь же отметить, что именно внутренняя коррозия, а не механические нагрузки являются основной причиной разрушения глушителей автомобильных ДВС;

использование волокнистого базальтового волокна, вследствие вышеуказанной причины, вынуждает, в свою очередь, применять дорогостоящие нержавеющие хром-никелевые стали, использовать дополнительные устройства принудительного отсоса накопившегося конденсата из полости камеры различными диффузорными приемниками, что дополнительно усложняет конструкцию и делает ее более дорогой;

- в процессе эксплуатации транспортного средства базальтовые волокна частично выдуваются потоком выхлопных газов из полости глушителя в окружающую среду, что ведет к вредному и опасному для здоровья человека засорению воздушной среды мелкими частицами базальтовых волокон;

заполнение расширительных камер глушителя волокнистой шумопоглощающей набивкой вызывает некоторую потерю эффективности заглушения низкочастотного шума, вследствие частичной потери объема полости расширительной камеры, заполняющей набивкой (как правило - на частоте низшей нулевой собственной моды полости камеры);

- в процессе длительной эксплуатации устройства уменьшается пористость волокнистой набивки камеры из-за накапливающегося воздействия частиц углерода (сажи) и жидкого конденсата ("закоксовывание" пор), что влечет ухудшение звукопоглощающих характеристик волокнистой набивки и соответствующее снижение шумозаглушающей способности глушителя в целом;

- применение базальтовых волокон в технологии производства глушителей связано с вредными условиями производства, вследствие возможного попадания мелких частиц волокон через органы дыхания в организм человека.

В связи с изложенными выше техническими, стоимостными и экологическими недостатками и проблемами, предлагается конструкция глушителя-нейтрализатора, лишенная в той или иной мере многих недостатков присущих рассмотренным аналогам.

В основу полезной модели поставлена задача повысить эффективность глушителя-нейтрализатора.

Сущность решается за счет того, что в глушителе-нейтрализаторе выхлопа отработавших газов ДВС, состоящим из коробчатого корпуса, разделенного двумя перегородками на полости, передней и задней торцевых стенок, впускного патрубка, согласно полезной модели, он снабжен нейтрализующим блоком, состоящим из установленных соосно катализатора и сажевых фильтров равного диаметра, перегородки выполнены перфорированными, в передней стенке выполнено выпускное окно, ось которого параллельна оси впускного патрубка, в нутрии корпуса нейтрализующий блок зафиксирован в отверстиях перегородок.

Кроме того, нейтрализующий блок, имеющий объем 1022 л, содержит каталитический нейтрализатор выполненный диаметром 200270 мм длиной 80120 мм с загрузкой драгоценных металлов 1040 гр/фут³ и сажевые фильтры выполненные диаметром 200270 мм общей длиной 250300 мм.

Впускной патрубок выполнен конусообразным, стенки которого оптимизированы с учетом расхода отработавших газов для обеспечения плавного раскрытия газового потока без образования зон пристеночной турбулизации и максимально-равномерного распределения скорости и давления отработавших газов.

Глушитель-нейтрализатор содержит не менее одного сажевого фильтра.

Отверстия для размещения выпускного окна и впускного патрубка снабжены единой установочной пластиной с резьбовыми крепежными элементами для обеспечения надежного герметичного соединения глушителя-нейтрализатора с фланцами трубопроводов системы выпуска отработавших газов.

Часть поверхности задней торцевой стенки выполнена сферической, периферийные стенки выполнены двухслойными из разнотолщинных листов металла с сухим кулоновским трением между ними, либо трехслойными из листов металла и термошумоизоляционной прокладки между ними, обеспечивая снижение виброактивности и температуры внешней поверхности корпуса.

Дистанционно на кронштейнах закреплен термошумоизоляционный экран.

Суть заявляемого технического решения поясняется чертежами где:

на фиг.1 - изображен общий вид глушителя-нейтрализатора,

на фиг.2 - показан сферический торец глушителя-нейтрализатора,

на фиг.3 - представлена схема глушителя-нейтрализатора.

Глушитель-нейтрализатор выхлопа отработавших газов ДВС имеет коробчатую форму корпуса, состоящий из периферийных стенок, образованных свернутым металлическим листом 1 по периметру передней 2 и задней 3 стенки. В передней стенке расположены отверстия для прохода отработавших газов через впускной патрубок 4 и выпускное окно 5. Впускной патрубок, выполненный конусообразным со сложным профилем и переменным сечением, форма которых оптимизирована с учетом расхода отработавших газов для обеспечения плавного раскрытия газового потока без образования зон пристеночной турбулизации и максимально-равномерного распределения скорости и давления отработавших газов на входе в ячеистую структуру нейтрализующего блока, повышая эффективность его работы, соединяет входное отверстие с нейтрализующим блоком объемом 1022 л, состоящим из последовательно соединенных цилиндрического каталитического нейтрализатора 6 диаметром 200270 мм длиной 80120 мм с загрузкой драгоценных металлов 1040 гр/фут³ и одного или нескольких сажевых фильтров 7, 8 диаметром 200270 мм равным диаметру каталитического нейтрализатора общей длиной 250300 мм, имеющих ячеистую структуру для нейтрализатора соответственно типа LS и для сажевого фильтра соответственно типа РМ, образованную металлической матрицей.. Внутри корпуса нейтрализующий блок фиксируется в отверстиях первой 9 и второй 10 перфорированных перегородок, разделяющих внутренне пространство корпуса на полости первой 11, второй 12 и третьей 13 расширительных камер, которые сообщаются посредством отверстий перфорации 14 первой перегородки и отверстий перфорации 15 второй перегородки. Для обеспечения надежного герметичного соединения глушителя-нейтрализатора с фланцами трубопроводов системы выпуска отработавших газов используется единая установочная пластина 16 с резьбовыми крепежными элементами 17.

Ввиду большой площади поверхности корпуса глушителя он также является источником излучения звуковой энергии вибрирующими вследствие пульсаций выхлопных газов корпусными элементами. В качестве мер для снижения излучения звуковой энергии часть задней стенки выполнена сферической 18, корпус может быть выполнен двухслойным из разнотолщинных листов металла с сухим кулоновским трением между ними, либо трехслойным из листов металла и термошумоизоляционной прокладки между ними, обеспечивая двойной эффект, снижая виброактивность и температуру внешней поверхности корпуса. Возможно применение термошумоизоляционного экрана закрепляемого дистанционно на кронштейнах 19(на чертеже не показан).

Работает заявляемый глушитель-нейтрализатор выхлопа отработавших газов ДВС следующим образом. Неочищенные отработавшие газы через конусообразный впускной патрубок поступают в ячеистую структуру каталитического нейтрализатора, где происходит окислительно-восстановительная реакция. Каталитический нейтрализатор окисляет моноазот отработавших газов N0 в присутствии катализатора, как правило, драгоценного металла, например платины Pt, до диоксида азота NO₂. Затем отработавшие газы поступают в ячеистую структуру сажевых фильтров, где происходит адсорбция твердых частиц. Регенерация адсорбируемых частиц сажи (углерода С) в сажевых фильтрах происходит химическим способом за счет реакции окисления NO₂+CCO₂+N₂, образуя при этом безвредные углекислый газ и азот. После этого, очищенные отработавшие газы поступают в первую расширительную камеру, откуда, замедлившийся за счет расширения поток отработавших газов, изменив направление движения на обратное, через множество отверстий первой перфорированной проточной перегородки перетекает во вторую расширительную камеру. Затем, через множество отверстий второй перфорированной проточной перегородки отработавшие газы перетекают в третью расширительную камеру и через выпускное окно в трубопровод системы выпуска. Реактивное глушение уровней шума выхлопа происходит, используя отражения звуковых волн за счет перепада проходных сечений и поворотов потока. Активное (абсорбционное) глушение уровней шума выхлопа происходит, используя преобразования звуковой энергии в тепловую в результате трения в ячеистой структуре нейтрализующего блока и вследствие нелинейных эффектов в местах изменения проходных сечений. За счет разницы длин расширительных камер обеспечивается настройка на различные частоты низших форм колебаний замкнутого объема отработавших газов. Нейтрализующий элемент, омываемый отработавшими газами во второй расширительной камере, находится в подогреваемом термостатическом состоянии, обеспечивающим наилучший режим его работы.

1. Глушитель-нейтрализатор выхлопа отработавших газов ДВС, состоящий из коробчатого корпуса, разделенного двумя перегородками на полости, передней и задней торцевых стенок, впускного патрубка, отличающийся тем, что он снабжен нейтрализующим блоком, состоящим из установленных соосно катализатора и сажевых фильтров равного диаметра, перегородки выполнены перфорированными, в передней стенке выполнено выпускное окно, ось которого параллельна оси впускного патрубка, внутри корпуса нейтрализующий блок зафиксирован в отверстиях перегородок.

2. Глушитель-нейтрализатор по п.1, отличающийся тем, что нейтрализующий блок, имеющий объем 1022 л, содержит каталитический нейтрализатор, выполненный диаметром 200270 мм длиной 80120 мм с загрузкой драгоценных металлов 1040 г/фут³ и сажевые фильтры выполненные диаметром 200270 мм общей длиной 250300 мм.

3. Глушитель-нейтрализатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что впускной патрубок выполнен конусообразным, стенки которого оптимизированы с учетом расхода отработавших газов для обеспечения плавного раскрытия газового потока без образования зон пристеночной турбулизации и максимально-равномерного распределения скорости и давления отработавших газов.

4. Глушитель-нейтрализатор по п.1, отличающийся тем, что содержит не менее одного сажевого фильтра.

5. Глушитель-нейтрализатор по п.1, отличающийся тем, что отверстия для размещения выпускного окна и впускного патрубка снабжены единой установочной пластиной с резьбовыми крепежными элементами для обеспечения надежного герметичного соединения глушителя-нейтрализатора с фланцами трубопроводов системы выпуска отработавших газов.

6. Глушитель-нейтрализатор по п.1, отличающийся тем, что часть поверхности задней торцевой стенки выполнена сферической, периферийные стенки выполнены двухслойными из разнотолщинных листов металла с сухим кулоновским трением между ними, либо трехслойными из листов металла и термошумоизоляционной прокладки между ними, обеспечивая снижение виброактивности и температуры внешней поверхности корпуса.

7. Глушитель-нейтрализатор по п.1, отличающийся тем, что дистанционно на кронштейнах закреплен термошумоизоляционный экран.