Каталитический нейтрализатор с регулируемой температурой каталитических процессов и утилизацией теплоты отработавших газов

Авторы патента:

Предложение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для повышения эффективности очистки отработавших газов ДВС и получения дополнительной мощности. Предлагаемый каталитический нейтрализатор с регулируемой температурой каталитических процессов и утилизацией теплоты отработавших газов содержит корпус 1 с теплоизоляционным материалом 2, входным 3 и выходным 4 патрубками. Внутренняя полость корпуса разделена на три зоны: фильтрационную 5 с сажевым фильтром 6, восстановительную 7 с пористым восстановительным элементом 8 и окислительную 9 с пористым окислительным элементом 10. Восстановительная зона 7 окружена электрическим нагревательным элементом 11, окислительная зона 9 - электрическим нагревательным элементом 12. На выходе из окислительной зоны размещен нагреватель 14 утилизационной стирлинг-электрической установки 13, расположенный рубашке 15, заполненной теплоаккумулирующим веществом 16, находящимся в состоянии фазового перехода. Утилизационная стирлинг-электрическая установка 13 электрическим проводом 17 соединена с устройством регулирования температуры 18, подключенным к датчику температуры 19, размещенному в окислительной зоне 9 и к датчику температуры 20, размещенному в восстановительной зоне 7 и питающим электрические нагревательные элементы 11 и 12. Устройство регулирования температуры 18 соединено электрическим проводом 21 с нагнетателем воздуха 22, из которого воздух по воздухопроводу 23 поступает во входной патрубок 3 корпуса 1 каталитического нейтрализатора. 1 с.п. ф-лы, 1 илл.

Известен каталитический нейтрализатор с регулируемой температурой каталитических процессов и утилизацией теплоты отработавших газов (Каталитический нейтрализатор с регулируемой температурой каталитических процессов и утилизацией теплоты отработавших газов. (Патент на полезную модель RU 95359 U1 F01N 3/28. Опубл. 27.06.10 Бюл. 18), содержащий корпус с теплоизоляционным материалом, входным и выходным патрубками. Внутренняя полость корпуса разделена на три зоны: фильтрационную, восстановительную и окислительную. Восстановительная и окислительные зоны окружены электрическими нагревательными. На выходе из окислительной зоны размещен нагреватель утилизационной стирлинг-электрической установки, которая электрическим проводом соединена с устройством регулирования температуры, подключенным к датчикам температуры, размещенным в окислительной и восстановительной зонах, и питающим электрические нагревательные элементы.

Недостатками этого каталитического нейтрализатора с регулируемой температурой каталитических процессов и утилизацией теплоты отработавших газов являются:

1. Невозможность обеспечения оптимальной температурой каталитических процессов, протекающих в восстановительной зоне каталитического нейтрализатора при работе двигателя внутреннего сгорания на больших нагрузках, при которых температура отработавших газов составляет 600-750°С (известно [Некрасов, В.Г. Экологически чистый и экономичный автомобильный двигатель / В.Г.Некрасов. - Алматы, 2005. - 327 с.], что для эффективного протекания каталитических процессов в восстановительной зоне необходима температура 200-250°С).

2. Невозможность нормального функционирования утилизационной стирлинг-электрической установки, обусловленная существенными колебаниями температуры отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (от 150 до 700°С) и, соответственно, частоты вращения коленчатого вала двигателя Стирлинга, при работе двигателя внутреннего сгорания на различных режимах во время эксплуатации, при том, что для работы электрогенератора необходима неизменная частота вращения ротора, связанного с коленчатым валом двигателя Стирлинга.

Указанный каталитический нейтрализатор с регулируемой температурой каталитических процессов и утилизацией теплоты отработавших газов является наиболее близкой к предлагаемому по технической сущности и принят за прототип.

Задачей предложения является обеспечение возможности понижения температуры в восстановительной зоне каталитического нейтрализатора и стабилизации теплового потока, передаваемого от отработавших газов утилизационному двигателю Стирлинга, что соответственно, обеспечит неизменную частоту вращения его коленчатого вала независимо от режима работы двигателя внутреннего сгорания.

Решение поставленной задачи достигается тем, что каталитический нейтрализатор оборудован нагнетателем воздуха, регулирование количества которого позволяет при необходимости понижать температуру в восстановительной зоне, а нагреватель утилизационной стирлинг-электрической установки оборудован рубашкой, заполненной теплоаккумулирующим веществом, находящимся в состоянии фазового перехода, что обеспечивает стабилизацию температуры процесса передачи теплоты от отработавших газов к рабочему телу двигателя Стирлинга.

Анализ предлагаемого решения и известных позволяет сделать вывод о его соответствии условиям патентоспособности полезной модели.

Предложение поясняется рисунком (фиг.1), где изображено принципиальное устройство предлагаемого каталитического нейтрализатора с регулируемой температурой каталитических процессов и утилизацией теплоты отработавших газов.

Предлагаемый каталитический нейтрализатор с регулируемой температурой каталитических процессов и утилизацией теплоты отработавших газов содержит корпус 1 с теплоизоляционным материалом 2, входным 3 и выходным 4 патрубками. Внутренняя полость корпуса разделена на три зоны: фильтрационную 5 с сажевым фильтром 6, восстановительную 7 с пористым восстановительным элементом 8 и окислительную 9 с пористым окислительным элементом 10. Восстановительная зона 7 окружена электрическим нагревательным элементом 11, окислительная зона 9 -электрическим нагревательным элементом 12. На выходе из окислительной зоны размещен нагреватель 14 утилизационной стирлинг-электрической установки 13, расположенный рубашке 15, заполненной теплоаккумулирующим веществом 16, находящимся в состоянии фазового перехода. Утилизационная стирлинг-электрическая установка 13 электрическим проводом 17 соединена с устройством регулирования температуры 18, подключенным к датчику температуры 19, размещенному в окислительной зоне 9 и к датчику температуры 20, размещенному в восстановительной зоне 7 и питающим электрические нагревательные элементы 11 и 12. Устройство регулирования температуры 18 соединено электрическим проводом 21 с нагнетателем воздуха 22, из которого воздух по воздухопроводу 23 поступает во входной патрубок 3 корпуса 1 каталитического нейтрализатора.

Предлагаемый каталитический нейтрализатор с регулируемой температурой каталитических процессов и утилизацией теплоты отработавших газов работает следующим образом. Отработавшие газы ДВС через входной патрубок 3 попадают в фильтрационную зону 5 и проходят через сажевый фильтр 6. При этом газы частично очищаются от нерастворимых твердых частиц. Далее отработавшие газы попадают во внутреннюю полость восстановительной зоны 7 и проходят через пористый восстановительный элемент 8 в наружную полость восстановительной зоны 7. Датчик температуры 20, расположенный в восстановительной зоне 7, отслеживает температуру в этой зоне и при необходимости ее изменения передает сигнал в устройство регулирования температуры 18, которое изменяет интенсивность нагрева восстановительной зоны 7 электрическим нагревательным элементом 11, или подавая в восстановительную зону 7 атмосферный воздух с помощью нагнетателя воздуха 22, обеспечивая в этой зоне оптимальную температуру для процесса разложения оксидов азота на кислород и азот. После восстановительной зоны 7 отработавшие газы через отверстие в стенке, разделяющей восстановительную 7 и окислительную 9 зоны попадает в наружную, а затем через пористый восстановительный элемент 8 и внутреннюю полость окислительной зоны 9. Здесь происходит доокисление оксида углерода, несгоревших в цилиндре двигателя углеводородов и оставшихся твердых частиц (сажи). При этом оптимальная температура процессов доокисления обеспечивается совместной работой датчика температуры 19, устройством регулирования температуры 18 и электрическим нагревательным элементом 12. Обеспечение электроэнергией электрических нагревательных элементов 11, 12 и нагнетателя воздуха 22 осуществляется от утилизационной стирлинг-электрической установки 13, работающей за счет теплоты уходящих из каталитического нейтрализатора горячих отработавших газов, по электрическому проводу 17. Не использованная электрическими нагревателями 11, 12 и нагнетателем воздуха 22 электроэнергия может быть использована бортовыми потребителям транспортного средства. Неизменная частота вращения коленчатого вала двигателя Стирлинга и ротора генератора утилизационной стирлинг-электрической установки 13 обеспечивается стабилизацией температуры процесса передачи теплоты от отработавших газов к нагревателю 14 двигателя Стирлинга с помощью промежуточного теплоносителя - теплоаккумулирующего вещества 16, находящегося в состоянии фазового перехода в рубашке 15.

По сравнению с прототипом в предлагаемом каталитическом нейтрализаторе с регулируемой температурой каталитических процессов и утилизацией теплоты отработавших газов повышается эффективность восстановительных каталитических процессов в связи с обеспечением оптимальной температуры в восстановительной зоне протекания химических реакций (концентрация оксидов азота по расчетам снижается на 12,3%), а также стабилизируется тепловой поток, передаваемый от отработавших газов к рабочему телу утилизационного двигателя Стирлинга, что обеспечивает неизменную частоту вращения его коленчатого вала и ротора электрогенератора независимо от режима работы двигателя внутреннего сгорания.

Каталитический нейтрализатор с регулируемой температурой каталитических процессов и утилизацией теплоты отработавших газов, состоящий из корпуса с теплоизоляционным материалом, входного и выходного патрубков, пористых фильтрационного, окислительного и восстановительного элементов, размещенных в фильтрационной, окислительной и восстановительной зонах, с двумя электрическими нагревательными элементами, двумя датчиками температуры, устройством регулирования температуры и содержащий утилизационную стирлинг-электрическую установку, отличающийся тем, что он оборудован нагнетателем воздуха, а нагреватель утилизационной стирлинг-электрической установки размещен в рубашке, заполненной теплоаккумулирующим веществом, находящимся в состоянии фазового перехода.