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 утилизационной стирлинг-электрической установки 13. Утилизационная стирлинг-электрическая установка 13 электрическим проводом 14 соединена с устройством регулирования температуры 15, подключенным к датчику температуры 16, размещенному в окислительной зоне 9 и к датчику температуры 17, размещенному в восстановительной зоне 7 и питающим электрические нагревательные элементы 11 и 12. 1 с.п. ф-лы, 1 илл.

Известен каталитический нейтрализатор (Каталитический нейтрализатор / Кукис B.C., Султанов Т.Ф. и др. Патент на полезную модель RU 56480 U1 F01N 3/28. Опубл. 19.09.06 Бюл. 25), содержащий корпус с наружной теплоизоляцией, входным и выходным патрубками, входным и выходным клапанами с пружинами. Внутренняя полость корпуса разделена на три зоны - фильтрационную, окислительную и восстановительную. В фильтрационной зоне размещены два кольцевых сажевых пористых керамических элемента, расположенные между тремя кольцевыми элементами с теплоаккумулирующим веществом. В окислительной зоне размещены два кольцевых пористых каталитических элемента окислительного типа, расположенные между тремя кольцевыми элементами с теплоаккумулирующим веществом. В восстановительной зоне размещены два кольцевых пористых элемента восстановительного типа, расположенные между тремя кольцевыми элементами с теплоаккумулирующим веществом.

Недостатками этого каталитического нейтрализатора являются:

1. Относительно невысокая эффективность процессов каталитической нейтрализации вредных веществ, обусловленная не оптимальной температурой каталитических процессов, протекающих в восстановительной и окислительной зонах каталитического нейтрализатора (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, а в окислительной зоне - 500-750°С).

2. Высокая температура уходящих из каталитического нейтрализатора газов, и, соответственно, значительные потери энергии с ними.

Данная конструкции двигателя является наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и принята за прототип.

Задачей предложения является повышение эффективности работы каталитического нейтрализатора за счет обеспечения в восстановительной и окислительной зонах оптимальной температуры для протекания процессов восстановления и окисления токсичных компонентов отработавших газов независимо от режима работы поршневого ДВС, а также использования энергии уходящих из нейтрализатора газов для выработки электрической энергии.

Решение поставленной задачи достигается тем, что на выходе уходящих из каталитического нейтрализатора газов устанавливается утилизационная стирлинг-электрическая установка, вырабатывающая электроэнергию за счет теплоты уходящих газов. Часть этой электроэнергии используется для поддержания температуры, оптимальной для протекания каталитических процессов в восстановительной и окислительной зонах каталитического нейтрализатора, а оставшаяся передается другим потребителям.

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 утилизационной стирлинг-электрической установки 13. Утилизационная стирлинг-электрическая установка 13 электрическим проводом 14 соединена с устройством регулирования температуры 15, подключенным к датчику температуры 16, размещенному в окислительной зоне 9 и к датчику температуры 17, размещенному в восстановительной зоне 7 и питающим электрические нагревательные элементы 11 и 12.

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 17, расположенный в восстановительной зоне 7, отслеживает температуру в этой зоне и при необходимости ее изменения передает сигнал в устройство регулирования температуры 15, которое изменяет интенсивность нагрева восстановительной зоны 7 электрическим нагревательным элементом 11, 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 16, устройством регулирования температуры 15 и электрическим нагревательным элементом 12. Обеспечение электроэнергией электрических нагревательных элементов 11 и 12 осуществляется от утилизационной стирлинг-электрической установки, работающей за счет теплоты уходящих из каталитического нейтрализатора горячих газов, по электрическому проводу 14. Не использованная электрическими нагревателями 11 и 12 электроэнергия может быть использована бортовыми потребителям транспортного средства.

По сравнению с прототипом в предлагаемом каталитическом нейтрализаторе с регулируемой температурой каталитических процессов и утилизацией теплоты отработавших газов повышается эффективность процессов каталитической нейтрализации вредных веществ в связи с обеспечением оптимальной температуры в зонах протекания химических реакций (суммарный индекс концентрации вредных веществ по расчетам снижается на 8,4%), а также утилизируется теплота уходящих из нейтрализатора газов. Последнее позволяет обеспечивать поддержание оптимальной температуры в зонах протекания химических реакций за счет утилизируемой теплоты уходящих из нейтрализатора газов и приводить в действие необходимые потребителю устройства и приборы (что снижает удельный эффективный расход топлива двигателем внутреннего сгорания ориентировочно на 1,3%).

Каталитический нейтрализатор, состоящий из корпуса с теплоизоляционным материалом, входного и выходного патрубков, пористых фильтрационного, окислительного и восстановительного элементов, размещенных в фильтрационной, окислительной и восстановительной зонах, отличающийся тем, что на выходе из восстановительной зоны размещена утилизационная стирлинг-электрическая установка, а каталитический нейтрализатор оборудован двумя электрическими нагревательными элементами, двумя датчиками температуры и устройством регулирования температуры, связанным с электрическими нагревательными элементами.