RU2727283C1

RU2727283C1 - Multi-stage catalytic converter of diesel exhaust gases

Info

Publication number: RU2727283C1
Application number: RU2019145651A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Валериевич Медведев; Нина Николаевна Горлова
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2020-07-21

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: multistage catalytic neutralizer of exhaust gases of diesel engine is intended for use in realization of cleaning of exhaust gases of internal combustion engines with compression ignition. Device comprises casing with outer and inner walls and heat insulation between them, end covers, housing with filtration unit of solid particles, porous permeable cermet catalytic oxidative, redox and redox blocks, transverse partitions with through and blind openings. Blocks are installed in series in pairs into through and blind openings of transverse partition walls to form cartridges. Oxidation-reduction and reduction units are installed in series by a pair. Oxidation unit and the solid particles filtration unit are also installed in series by a pair. Each next baffle is turned relative to longitudinal axis of neutralizer compared to previous baffle by angle equal to angle between axes of through and blind windows. Each unit is placed in through and blind openings of partitions of its cartridge. Transverse partitions of each cassette are connected by fasteners with threaded connection. In casing cavity between end cover and cassette with porous permeable cermet catalytic oxidative unit and solid particles filtration unit there installed is additional transverse partition wall with hollow cone element built in direction of cassettes. On the extension towards the inner cavity of the inlet branch pipe equipped with the exhaust gas swirler, there is a hollow cone-shaped nozzle forming a slotted ejector with a hollow cone element. Nozzles are arranged between additional transverse web and cassette with porous permeable cermet catalytic oxidation unit and solid particles filtration unit and between both cassettes. Cavity of the annular flange installed between the additional crosswise partition and the end cover is connected by concentric holes to the slotted cavity formed between the case and the case.EFFECT: considerably higher efficiency of exhaust gases cleaning, durability and manufacturability of neutralizer production.1 cl, 1 dwg

Description

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

Известен многоступенчатый каталитический нейтрализатор дизеля, содержащий корпус с входным и выходным патрубками с фланцами, торцевые крышки, пористые металлокерамические каталитические окислительно-восстановительные блоки и коаксиально установленные им пористые металлокерамические окислительный блок и восстановительный блок, фильтры из многослойной перекрестной намотки на сетчатых каркасах нитей композитного углеродистого материала, оссиметрично размещенные внутри пористых металлокерамических окислительного и восстановительных блоков, патрубок для подвода вспомогательного газа, соединенный с сообщающимися полостями, образованными между внутренней поверхностью корпуса и наружными поверхностями пористых металлокерамических каталитических окислительно-восстановительных блоков, поперечную перегородку со сквозным окном. Пористые металлокерамические каталитические окислительно-восстановительные блоки, а также пористые металлокерамические окислительный и восстановительный блок размещены на установочных буртах торцевых крышек и буртах внутренней перегородки (патент RU 2166104, МПК F01N 3/28 (2000.01)).Known is a multi-stage diesel catalytic converter containing a housing with inlet and outlet pipes with flanges, end caps, porous cermet catalytic redox units and coaxially installed porous cermet oxidation unit and reduction unit, filters made of multilayer cross winding on mesh carbon fiber carcasses , axially placed inside the porous sintered oxidation and reduction blocks, a branch pipe for supplying an auxiliary gas connected to the communicating cavities formed between the inner surface of the housing and the outer surfaces of the porous sintered catalytic redox blocks, a transverse baffle with a through window. Porous metal-ceramic catalytic redox blocks, as well as porous metal-ceramic oxidation and reduction blocks are placed on the mounting collars of the end caps and the collars of the internal partition (patent RU 2166104, IPC F01N 3/28 (2000.01)).

Основными недостатками известного многоступенчатого каталитического нейтрализатора дизеля является низкая эффективность очистки отработавших газов, так как площадь цилиндрических блоков недостаточна для осуществления каталитической очистки, и вспомогательный газ не подогревается, и увеличение массы автомобиля, так как подача вспомогательного газа должна осуществляться или от источника сжатого газа, или компрессором, что требует с одной стороны затрат энергии, и с другой стороны ухудшает топливную экономичность двигателя.The main disadvantages of the known multi-stage diesel catalytic converter are the low efficiency of exhaust gas cleaning, since the area of the cylindrical blocks is insufficient for catalytic cleaning, and the auxiliary gas is not heated, and an increase in the mass of the vehicle, since the auxiliary gas must be supplied either from a compressed gas source, or compressor, which requires, on the one hand, energy consumption, and on the other hand, worsens the fuel efficiency of the engine.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является кассетный каталитический нейтрализатор, содержащий корпус с внешними и внутренними стенками, теплоизоляцией между ними, блок фильтрации твердых частиц, пористые проницаемые металлокерамические каталитические окислительный, окислительно-восстановительный и восстановительный блоки, поперечные перегородки со сквозными и глухими окнами, входной и выходной патрубки. Пористый блок фильтрации твердых частиц и пористый проницаемый металлокерамический каталитический окислительный блок установлены последовательно парой в сквозные и глухие окна поперечных перегородок с образованием кассеты. Пористые проницаемые металлокерамические каталитические окислительно-восстановительный и восстановительный блоки установлены последовательно попарно в сквозные и глухие окна поперечных перегородок с образованием кассеты. Каждая последующая перегородка развернута относительно продольной оси нейтрализатора по сравнению с предыдущей перегородкой на угол, равный углу между осями сквозного и глухого окон, и каждый блок размещен в сквозном и глухом окнах перегородок своей кассеты (патент RU 2267014, МПК F01N 3/28 (2000.01).The closest to the claimed invention in terms of the technical essence and the achieved result (prototype) is a cassette catalytic converter containing a housing with external and internal walls, thermal insulation between them, a solid particle filtration unit, porous permeable metal-ceramic catalytic oxidation, redox and reduction blocks, transverse partitions with through and blind windows, inlet and outlet pipes. A porous block for filtration of solid particles and a porous permeable sintered catalytic oxidation block are installed in series in pairs in through and blind windows of the transverse partitions to form a cassette. Porous permeable metal-ceramic catalytic redox and reduction blocks are installed sequentially in pairs in through and blind windows of transverse partitions to form a cassette. Each subsequent partition is deployed relative to the longitudinal axis of the neutralizer compared to the previous partition at an angle equal to the angle between the axes of the through and blind windows, and each block is located in the through and blind windows of the partitions of its cassette (patent RU 2267014, IPC F01N 3/28 (2000.01) ...

Основными недостатками такого нейтрализатора являются сниженная эффективность очистки отработавших газов от продуктов неполного сгорания вследствие отсутствия использования завихрителя отработавших газов и устройств для подачи газа, а именно воздуха, в полость корпуса, пониженные долговечность и технологичность изготовления, обусловленные сложностью установки кассет в сборе с блоками внутрь корпуса и извлечения при необходимости замены одного из блоков.The main disadvantages of such a neutralizer are the reduced efficiency of cleaning the exhaust gases from the products of incomplete combustion due to the lack of use of an exhaust gas swirler and devices for supplying gas, namely air, to the body cavity, reduced durability and manufacturability, due to the complexity of installing cassettes assembled with blocks inside the body and removing, if necessary, replacing one of the blocks.

Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании многоступенчатого каталитического нейтрализатора отработавших газов дизеля с повышенной эффективностью очистки отработавших газов, повышенной долговечностью и технологичностью изготовления.The technical problem, the solution of which is provided in the implementation of the invention, is to create a multi-stage catalytic converter for diesel exhaust gases with increased efficiency of cleaning exhaust gases, increased durability and manufacturability.

Решение этой технической проблемы достигается тем, что в многоступенчатом каталитическом нейтрализаторе отработавших газов дизеля, содержащем корпус, внешние и внутренние стенки, теплоизоляцию между ними, торцевые крышки, блок фильтрации твердых частиц, пористые проницаемые металлокерамические каталитические окислительный, окислительно-восстановительный и восстановительный блоки, поперечные перегородки со сквозными и глухими окнами, входной и выходной патрубки, при этом блоки установлены последовательно попарно в сквозные и глухие окна поперечных перегородок с образованием кассет, причем пористые проницаемые металлокерамические каталитические окислительно-восстановительный и восстановительный блоки установлены последовательно парой, каждая последующая перегородка развернута относительно продольной оси нейтрализатора по сравнению с предыдущей перегородкой на угол, равный углу между осями сквозного и глухого окон, а каждый блок помещен в сквозном и глухом окнах перегородок своей кассеты, согласно изобретению последовательно парой в сквозные и глухие окна поперечных перегородок установлены пористый проницаемый металлокерамический каталитический окислительный блок и блок фильтрации твердых частиц. Поперечные перегородки каждой кассеты связаны крепежными элементами с резьбовым соединением. В полости корпуса между торцевой крышкой и кассетой с пористым проницаемым металлокерамическим каталитическим окислительным блоком и блоком фильтрации твердых частиц установлена дополнительная поперечная перегородка со встроенным в направлении кассет полым конусным элементом. На продолжении в сторону внутренней полости корпуса входного патрубка, снабженного завихрителем отработавших газов, выполнен полый конусообразный насадок, образующий с полым конусным элементом щелевой эжектор. Между дополнительной поперечной перегородкой и кассетой с пористым проницаемым металлокерамическим каталитическим окислительным блоком и блоком фильтрации твердых частиц и между обеими кассетами установлены форсунки. Полость кольцевой полки, установленной между дополнительной поперечной перегородкой и торцевой крышкой, соединена концентрическими отверстиями со щелевой полостью, образованной между корпусом и кожухом, оснащенным внешней и внутренней стенками и теплоизоляцией между ними.The solution to this technical problem is achieved by the fact that in a multistage catalytic converter of diesel exhaust gases containing a housing, external and internal walls, thermal insulation between them, end caps, a block for filtering solid particles, porous permeable sintered catalytic oxidizing, redox and reduction blocks, transverse partitions with through and blind windows, inlet and outlet nozzles, while the blocks are installed in series in pairs in through and blind windows of transverse partitions with the formation of cassettes, moreover, porous permeable cermet catalytic redox and reduction blocks are installed in series in pairs, each subsequent partition is deployed relative to the longitudinal the axis of the neutralizer in comparison with the previous partition by an angle equal to the angle between the axes of the through and blind windows, and each block is placed in the through and blind windows of the partitions of its cassette, According to the invention, a porous permeable sintered catalytic oxidation unit and a solid particle filtration unit are installed in series in a pair of through and blind windows of the transverse partitions. The transverse partitions of each cassette are connected by fasteners with a threaded connection. An additional transverse baffle with a hollow conical element integrated in the direction of the cassettes is installed in the cavity of the body between the end cover and the cassette with a porous permeable sintered catalytic oxidation unit and a block for filtering solid particles. On the continuation towards the inner cavity of the inlet nozzle body, equipped with an exhaust gas swirler, a hollow cone-shaped nozzle is made, which forms a slot ejector with the hollow conical element. Nozzles are installed between the additional transverse baffle and the cassette with the porous permeable sintered catalytic oxidation unit and the particulate filtration unit and between both cassettes. The cavity of the annular shelf installed between the additional transverse partition and the end cover is connected by concentric holes to the slotted cavity formed between the body and the casing equipped with the outer and inner walls and thermal insulation between them.

Повышение эффективности очистки отработавших газов достигается подачей за счет эжекции подогретого в контакте с горячей стенкой корпуса воздуха в зону окислительных реакций, также предусмотренной подачей вспомогательной жидкости перед окислительным и восстановительным блоками, и введением завихрителя отработавших газов на впуске в нейтрализатор, установленным до блока фильтрации твердых частиц.An increase in the efficiency of exhaust gas cleaning is achieved by supplying, due to the ejection of air heated in contact with the hot wall of the housing, to the zone of oxidative reactions, also providing for the supply of auxiliary fluid before the oxidizing and reducing units, and introducing an exhaust gas swirler at the inlet to the neutralizer installed before the block for filtering solid particles ...

Повышение долговечности и технологичности изготовления многоступенчатого каталитического нейтрализатора отработавших газов дизеля обусловлены выполнением кассет с возможностью сборки и разборки путем соединения поперечных перегородок каждой кассеты крепежными элементами.Improving the durability and manufacturability of manufacturing a multistage catalytic converter for diesel exhaust gases is due to the implementation of cassettes with the possibility of assembly and disassembly by connecting the transverse partitions of each cassette with fasteners.

Предлагаемое выполнение каталитического нейтрализатора относит его к классу многоступенчатых, так как в нейтрализаторе существует несколько ступеней очистки отработавших газов, к разряду комбинированных, так как в качестве степеней очистки используются пористые проницаемые металлокерамические каталитические блоки и пористые блоки фильтрации твердых частиц из металла.The proposed implementation of the catalytic converter classifies it as a multistage one, since there are several stages of exhaust gas purification in the converter, to the category of combined ones, since porous permeable metal-ceramic catalytic blocks and porous blocks for filtering solid particles from metal are used as purification degrees.

Предлагаемое изобретение поясняется фиг. 1, на которой изображен разрез многоступенчатого каталитического нейтрализатора отработавших газов дизеля.The invention is illustrated in FIG. 1, which shows a cross-sectional view of a multi-stage diesel exhaust gas catalytic converter.

Многоступенчатый каталитический нейтрализатор отработавших газов дизеля содержит корпус 1, внешние стенки 2 и внутренние стенки 3, теплоизоляцию 4 между ними, установленные в корпусе блок 5 фильтрации твердых частиц, пористый проницаемый металлокерамический каталитический окислительный блок 6, пористый проницаемый металлокерамический каталитический восстановительный блок 7, пористый проницаемый металлокерамический каталитический окислительно-восстановительный блок 8, поперечные перегородки 9 с глухими 10 окнами и сквозными 11 окнами.The multistage catalytic converter of diesel exhaust gases contains a housing 1, external walls 2 and internal walls 3, thermal insulation 4 between them, a block 5 for filtering solid particles installed in the housing, a porous permeable sintered catalytic oxidation unit 6, a porous permeable sintered catalytic reduction unit 7, porous permeable sintered catalytic redox unit 8, transverse partitions 9 with blind 10 windows and 11 through windows.

Пористый проницаемый металлокерамический каталитический окислительно-восстановительный блок 8 и пористый проницаемый металлокерамический каталитический восстановительный блок 7 установлены последовательно по движению отработавших газов парой, а также пористый проницаемый металлокерамический каталитический окислительный блок 6 и блок 5 фильтрации твердых частиц установлены последовательно по движению отработавших газов парой в сквозные 11 и глухие 10 окна поперечных перегородок 9 с образованием кассет 12.A porous permeable cermet catalytic redox unit 8 and a porous permeable cermet catalytic reduction unit 7 are installed sequentially along the movement of exhaust gases by steam, as well as a porous permeable cermet catalytic oxidation unit 6 and a block 5 for filtering solid particles are installed in series along the movement of exhaust gases by steam into through 11 and blind 10 windows of transverse partitions 9 to form cassettes 12.

Блоки 6, 5, 8, 7 расположены таким образом, что в каждой кассете 12 осуществляются две ступени очистки. При этом в кассетах одна половина блоков имеет сквозные окна 11 со стороны подвода газов, а другая половина блоков имеет сквозные окна 11 в сторону отвода газов, то есть пористый проницаемый металлокерамический каталитический окислительный блок 6 помещен в сквозном 11 и глухом 10 окнах и блок 5 фильтрации твердых частиц помещен в глухом 10 и сквозном 11 окнах своей кассеты 12, а пористый проницаемый металлокерамический каталитический окислительно-восстановительный блок 8 помещен в сквозном 11 и глухом 10 окнах и пористый проницаемый металлокерамический каталитический восстановительный блок 7 помещен в глухом 10 и сквозном 11 окнах своей кассеты 12.Blocks 6, 5, 8, 7 are arranged in such a way that two cleaning stages are carried out in each cassette 12. In this case, in the cassettes, one half of the blocks has through windows 11 from the gas supply side, and the other half of the blocks have through windows 11 towards the gas outlet, that is, a porous permeable sintered catalytic oxidation block 6 is placed in through 11 and blind 10 windows and a filtration unit 5 solid particles are placed in blind 10 and through 11 windows of its cassette 12, and porous permeable sintered catalytic redox unit 8 is placed in through 11 and blind 10 windows and porous permeable sintered catalytic reduction unit 7 is placed in blind 10 and through 11 windows of its cassette 12.

Каждая последующая поперечная перегородка развернута относительно продольной оси нейтрализатора по сравнению с предыдущей поперечной перегородкой на угол, составляющий 180°, равный углу между осями сквозного и глухого окон, то есть поперечные перегородки одной кассеты 12 развернуты относительно оси нейтрализатора на угол, равный углу между осями сквозного 11 и глухого 10 окон.Each subsequent transverse partition is deployed relative to the longitudinal axis of the neutralizer compared to the previous transverse partition by an angle of 180 °, equal to the angle between the axes of the through and blind windows, that is, the transverse partitions of one cassette 12 are deployed relative to the neutralizer axis by an angle equal to the angle between the axes of the through 11 and 10 blind windows.

Во внутренней полости 13 корпуса 1 установлена дополнительная поперечная перегородка 14, ограничивающая корпус 1 со стороны торцевой крышки 15, между торцевой крышкой 15 на входе в устройство и кассетой 12 с пористым проницаемым металлокерамическим каталитическим окислительным блоком 6 и блоком 5 фильтрации твердых частиц. Перегородка 14 выполнена со встроенным в направлении касет 12 полым конусным элементом 16.An additional transverse baffle 14 is installed in the inner cavity 13 of the housing 1, which delimits the housing 1 from the side of the end cover 15, between the end cover 15 at the inlet to the device and the cassette 12 with a porous permeable sintered catalytic oxidation unit 6 and a block 5 for filtering solid particles. The partition 14 is made with a hollow conical element 16 integrated in the direction of the cassettes 12.

На продолжении в сторону внутренней полости корпуса 1 входного патрубка 17, снабженного завихрителем отработавших газов 18, выполнен полый конусообразный насадок 19, образующий с полым конусным элементом 16 щелевой эжектор 20.On the continuation towards the inner cavity of the housing 1 of the inlet pipe 17, equipped with an exhaust gas swirler 18, a hollow cone-shaped nozzle 19 is made, forming a slotted ejector 20 with a hollow conical element 16.

Дополнительная поперечная перегородка 14 снабжена кольцевой полкой 21, размещенной между корпусом 1 и торцевой крышкой 15.An additional transverse partition 14 is provided with an annular shelf 21 located between the housing 1 and the end cover 15.

Полость 22 кольцевой полки 21 между перегородкой 14 и торцевой крышкой 15 соединена концентрическими отверстиями 23 со щелевой полостью 24, образованной стенкой корпуса 1 и внутренней стенкой 3 кожуха 25, имеющей на входе кольцевую полость 26.The cavity 22 of the annular shelf 21 between the partition 14 and the end cover 15 is connected by concentric holes 23 with the slotted cavity 24 formed by the wall of the housing 1 and the inner wall 3 of the casing 25, having an annular cavity 26 at the inlet.

Для выхода газов служит патрубок 27.A branch pipe 27 serves for the outlet of gases.

Для подачи вспомогательных жидкостей предназначены форсунка 28, установленная между дополнительной поперечной перегородкой 14 и кассетой 12 с пористым проницаемым металлокерамическим каталитическим окислительным блоком 6 и блоком 5 фильтрации твердых частиц, и форсунка 27, установленная между обеими кассетами 12.To supply auxiliary fluids, a nozzle 28 is installed between an additional transverse partition 14 and a cassette 12 with a porous permeable sintered catalytic oxidation unit 6 and a block 5 for filtering solid particles, and a nozzle 27 installed between both cassettes 12.

Поперечные перегородки 9 каждой кассеты связаны крепежными элементами 30 с резьбовым соединением.The transverse partitions 9 of each cassette are connected by fasteners 30 with a threaded connection.

Многоступенчатый каталитический нейтрализатор отработавших газов дизеля работает следующим образом. Отработавшие газы по входному патрубку 18, турбулизируясь в завихрителе 18, поступают во внутреннюю полость 13 корпуса 1. При этом, за счет эжекции по щели эжектора 20 из полости 22 поступают нагретые при движении вдоль горячего корпуса газы, а именно воздух, протянутые через кольцевую полость 26 и щелевую полость 24. Далее отработавшие газы фильтруются в блоке 5 фильтрации твердых частиц, продукты неполного сгорания доокисляются в пористом проницаемом металлокерамическом каталитическом окислительном блоке 6, в пористом проницаемом металлокерамическом каталитическом восстановительном блоке 7 происходит восстановление оксидов азота, а завершение процессов окисления и восстановления происходит в пористом проницаемом металлокерамическом каталитическом окислительно-восстановительном блоке 8, причем для увеличения эффективности очистки отработавших газов и скоростей окислительно-восстановительных реакций через форсунки 28 и 29 осуществляется подача вспомогательных жидкостей. Затем газы удаляются из нейтрализатора через выходной патрубок 27.The multistage catalytic converter of diesel exhaust gases works as follows. Exhaust gases through the inlet pipe 18, being turbulized in the swirler 18, enter the inner cavity 13 of the housing 1. At the same time, due to ejection along the slit of the ejector 20, the gases heated when moving along the hot housing are supplied from the cavity 22, namely air drawn through the annular cavity 26 and a slotted cavity 24. Further, the exhaust gases are filtered in the block 5 for filtration of solid particles, the products of incomplete combustion are additionally oxidized in a porous permeable cermet catalytic oxidation unit 6, in a porous permeable cermet catalytic reduction unit 7, reduction of nitrogen oxides occurs, and the completion of the oxidation and reduction processes occurs in a porous permeable metal-ceramic catalytic redox unit 8, and to increase the efficiency of cleaning exhaust gases and the rates of redox reactions, auxiliary fluids are supplied through the nozzles 28 and 29. Then the gases are removed from the neutralizer through the outlet pipe 27.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить эффективность очистки отработавших газов от продуктов неполного сгорания и долговечность многоступенчатого каталитического нейтрализатора отработавших газов дизеля, а также обеспечить технологичность сборки и разборки устройства.Thus, the use of the invention makes it possible to increase the efficiency of cleaning exhaust gases from incomplete combustion products and the durability of a multistage catalytic converter for diesel exhaust gases, as well as to ensure manufacturability of assembly and disassembly of the device.

Claims

A multistage catalytic converter for diesel exhaust gases, containing a housing, external and internal walls, thermal insulation between them, end caps, a solid particle filtration unit, porous permeable sintered catalytic oxidation, redox and reduction units, transverse partitions with through and blind windows, inlet and outlet nozzles, while the blocks are installed in series in pairs in through and blind windows of transverse partitions with the formation of cassettes, and the porous permeable sintered catalytic redox and reduction blocks are installed in series in pairs, each subsequent partition is deployed relative to the longitudinal axis of the neutralizer in comparison with the previous partition at an angle , equal to the angle between the axes of the through and blind windows, and each block is placed in the through and blind windows of the partitions of its cassette, characterized in that it is sequentially a pair of through and Blind windows of the transverse partitions are fitted with a porous permeable sintered catalytic oxidation unit and a solid particle filtration unit, the transverse partitions of each cassette are connected by fasteners with a threaded connection, in the body cavity between the end cover and the cassette with a porous permeable sintered catalytic oxidation unit and a solid particle filtration unit, an additional a transverse partition with a hollow conical element built in the direction of the cassettes, on the continuation towards the inner cavity of the inlet housing equipped with an exhaust gas swirler, a hollow cone-shaped nozzle is made, forming a slotted ejector with a hollow conical element, between an additional transverse partition and a cassette with a porous permeable metal-ceramic catalytic oxidation block and a block for filtration of solid particles and nozzles are installed between both cassettes, the cavity of the annular shelf installed between an additional transverse partition and an end cover, connected by concentric openings with a slotted cavity formed between the body and the casing, equipped with outer and inner walls and thermal insulation between them.