RU2008447C1

RU2008447C1 - Catalytic converter

Info

Publication number: RU2008447C1
Authority: RU
Inventors: Н.М. Данченко; В.Н. Кощенко
Original assignee: Уральский электрохимический комбинат
Priority date: 1990-11-20
Filing date: 1990-11-20
Publication date: 1994-02-28

Abstract

FIELD: cleaning of exhaust gases. SUBSTANCE: exhaust gas catalytic converter has several catalytic units with gas permeable channels installed in housing with interjacent clearances. Housing has inlet and outlet connections, widening part, diffuser and converging tube. Unit at side of diffuser has various density of channels being maximum in area on extension of inlet connection axis and decreasing towards outer surface. All following units have uniform density of channels. EFFECT: enhanced cleaning of exhaust gases. 4 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройствам, снижающим содержание вредных веществ в выхлопных газах автомобилей. The invention relates to the field of engineering, and in particular to devices that reduce the content of harmful substances in the exhaust gases of automobiles.

Известно устройство для очистки выхлопных газов, состоящее из корпуса, имеющего входной и выходной патрубки, в который помещен гранулированный керамический катализатор [1] . A device for cleaning exhaust gases, consisting of a housing having an inlet and outlet nozzles, in which a granular ceramic catalyst is placed [1].

Такой нейтрализатор обладает большим гидравлическим сопротивлением, а удельная поверхность его катализатора мала. Such a converter has a large hydraulic resistance, and the specific surface area of its catalyst is small.

Известен нейтрализатор отработавших газов, содержащий ряд каталитических блоков, выполненных из гофрированных и плоских полос, свернутых в рулон или уложенных в пакет таким образом, что образуются прямые газопроницаемые каналы [2] . Рядом установленные блоки отличаются размерами каналов, т. е. получается ячеистая структура, каналы которой имеют переменное сечение по длине. Это способствует турбулизации потока газов и повышению эффективности нейтрализации. Known exhaust gas catalyst containing a number of catalytic units made of corrugated and flat strips, rolled up or laid in a package so that direct gas-permeable channels are formed [2]. Nearby installed blocks differ in the size of the channels, i.e., a cellular structure is obtained, the channels of which have a variable cross-section along the length. This contributes to the turbulization of the gas flow and increase the efficiency of neutralization.

Недостатком данной конструкции является неравномерность использования поверхности катализатора, а также дезактивация катализатора и выгорание материала подложки в центральной части блоков. Это происходит вследствие разности распределения скоростей в потоке отработавших газов перед блоками и в каталитической ячеистой структуре блоков, т. к. при входе из выхлопной трубы в корпус нейтрализатора идущие с большой скоростью газы, расход которых для легкового автомобиля доходит до 200 м³/ч, не успевают рассеяться и стpемятся пройти через центр каталитических блоков, в то время как области, расположенные по периферии, используются недостаточно. При работе двигателя на богатой топливной смеси в результате экзотермических реакций в центре каталитической ячеистой структуры температура может достигать 1400^оС, а на периферии она не превышает 1000^оС.The disadvantage of this design is the uneven use of the catalyst surface, as well as catalyst deactivation and burnout of the substrate material in the central part of the blocks. This is due to the difference in the distribution of velocities in the exhaust gas flow in front of the blocks and in the catalytic cellular structure of the blocks, because when entering the exhaust pipe into the converter housing, gases flowing at high speed, the flow rate of which for a passenger car reaches 200 m ³ / h, do not have time to dissipate and tend to go through the center of the catalytic blocks, while the areas located on the periphery are not used enough. When the engine is running on a rich fuel mixture as a result of exothermic reactions in the center of the catalytic cellular structure, the temperature can reach 1400 ^о С, and on the periphery it does not exceed 1000 ^о С.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому нейтрализатору является нейтрализатор, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, диффузором и конфузором и несколькими каталитическими блоками, размещенными в центральной части корпуса [3] . Блоки выполнены из гофрированных полос металлического каталитического материала, свернутых в спиральный рулон цилиндрической формы. Между каждой парой рядом расположенных блоков установлены элементы, рассеивающие потоки. Необходимость установки таких элементов вызвана выгоранием ячеистой структуры блоков, которое начинается с их центральной части. The closest in technical essence to the claimed converter is a converter containing a housing with inlet and outlet pipes, a diffuser and a confuser, and several catalytic units located in the central part of the housing [3]. The blocks are made of corrugated strips of metal catalytic material, rolled into a spiral roll of cylindrical shape. Between each pair of adjacent blocks are installed elements that disperse flows. The need to install such elements is caused by the burning out of the cellular structure of the blocks, which begins with their central part.

Одним из недостатков устройства является то, что рассеивающие элементы занимают большой объем, который в зависимости от количества блоков составляет 25-40% объема нейтрализатора. Кроме того, вследствие причин, описанных выше, конструкция не позволяет равномерно использовать всю каталитическую поверхность первого блока. One of the disadvantages of the device is that the scattering elements occupy a large volume, which, depending on the number of blocks, is 25-40% of the volume of the converter. In addition, due to the reasons described above, the design does not allow uniform use of the entire catalytic surface of the first block.

Заявляемый нейтрализатор отработавших газов позволяет решить задачу повышения эффективности очистки отработавших газов за счет более равномерного использования всей каталитической поверхности. Для решения данной задачи в отличие от известного ранее нейтрализатора, содержащего корпус с входным и выходным патрубками, диффузором и конфузором, установленными в корпусе соответственно со стороны входного и выходного патрубков с образованием центральной полости, и каталитические блоки с газопроницаемыми каналами, размещенные в центральной полости последовательно вдоль оси корпуса с зазором один относительно другого, в заявляемом нейтрализаторе блок, размещенный непосредственно за диффузором, выполнен с плотностью газопроницаемых каналов, уменьшающейся от центра к периферии блока, а последующие блоки выполнены с постоянной плотностью газопроницаемых каналов. The inventive exhaust gas catalyst allows to solve the problem of increasing the efficiency of purification of exhaust gases due to a more uniform use of the entire catalytic surface. To solve this problem, in contrast to the previously known converter containing a housing with inlet and outlet nozzles, a diffuser and a confuser installed in the housing respectively from the inlet and outlet nozzles with the formation of a central cavity, and catalytic units with gas-permeable channels placed in series in the central cavity along the axis of the housing with a gap of one relative to the other, in the inventive converter, the block located directly behind the diffuser is made with gas-tight density channels, decreasing from the center to the periphery of the block, and subsequent blocks are made with a constant density of gas-permeable channels.

На фиг. 1, 2 представлен вариант нейтрализатора с симметричным расположением входного патрубка; на фиг. 3, 4 - вариант нейтрализатора с асимметричным расположением входного патрубка. In FIG. 1, 2, an embodiment of a converter with a symmetrical arrangement of the inlet pipe is shown; in FIG. 3, 4 - version of the converter with an asymmetric arrangement of the inlet pipe.

Нейтрализатор содержит корпус, состоящий из входного патрубка 1, диффузора 2, центральной полости 3, конфузора 4 и выходного патрубка 5. В центральной полости корпуса установлены каталитические блоки К₁, К₂, К₃. Количество блоков определяется из расчета требуемой активной поверхности, необходимой для достижения степени очистки, соответствующей установленным стандартам. Носители каталитических блоков имеют ячеистую газопроницаемую структуру и могут быть металлическими или керамическими. Металлоносители могут быть образованы гофрированными и плоскими или только гофрированными стальными лентами, свернутыми в спиральный рулон таким образом, что образуются газовые каналы треугольной, синусоидальной или трапецеидальной формы. Каналы могут быть пересекающимися между собой и непересекающимися.The catalyst contains a housing consisting of an inlet pipe 1, a diffuser 2, a central cavity 3, a confuser 4 and an outlet pipe 5. In the central cavity of the housing, catalytic units K ₁ , K ₂ , K _{3 are} installed. The number of blocks is determined from the calculation of the required active surface, necessary to achieve a degree of cleaning that meets established standards. Carriers of catalytic blocks have a cellular gas permeable structure and can be metal or ceramic. Metal carriers can be formed by corrugated and flat or only corrugated steel tapes, rolled into a spiral roll so that gas channels are formed of a triangular, sinusoidal or trapezoidal shape. Channels can be intersecting with each other and disjoint.

Керамические носители могут быть монолитными, изготовленными из жаропрочной керамики методом экструзии с каналами в форме треугольников, прямоугольников или шестигранников. Ceramic carriers can be monolithic, made of heat-resistant ceramics by extrusion with channels in the form of triangles, rectangles or hexagons.

Блок К₁, размещенный за диффузором, выполнен с разной плотностью каналов, имеющей максимальное значение в области S₁, расположенной на продолжении оси О входного патрубка 1 и уменьшающейся к наружной поверхности блока. В случае симметричного расположения входного патрубка относительно центральной части корпуса ось О совпадает с осью симметрии блока.Block K ₁ located behind the diffuser is made with a different density of channels having a maximum value in the region S ₁ located on the continuation of the axis O of the inlet pipe 1 and decreasing to the outer surface of the block. In the case of a symmetrical arrangement of the inlet pipe relative to the central part of the housing, the O axis coincides with the axis of symmetry of the block.

Уменьшение плотности каналов может осуществляться по зонам S₁, S₂, S₃, S₄. Количество зон, их площадь и конфигурация определяются в зависимости от конкретных условий применения, создаваемого диффузором распределения скоростей в потоке газов, формы и размеров блока.The decrease in channel density can be carried out in zones S ₁ , S ₂ , S ₃ , S ₄ . The number of zones, their area and configuration are determined depending on the specific application conditions created by the diffuser of the velocity distribution in the gas stream, the shape and size of the block.

Уменьшение плотности каналов от оси О к наружной поверхности блока может происходить непрерывно, т. е. каналы в каком-то определенном направлении, перпендикулярном оси О, располагаются в порядке с постоянно увеличивающимся сечением, характер изменения которого также зависит от конкретных условий применения, создаваемого диффузором распределения скоростей в потоке газов, формы и размеров блока. The decrease in the density of channels from the O axis to the outer surface of the block can occur continuously, i.e., the channels in a certain direction perpendicular to the O axis are arranged in order with a constantly increasing cross section, the nature of the change of which also depends on the specific application conditions created by the diffuser velocity distribution in the gas stream, the shape and size of the block.

Блоки К₂, К₃ выполнены с равномерной плотностью каналов, которая на практике приблизительно равна средней плотности каналов блока К₁.Blocks K ₂ , K _{3 are} made with a uniform channel density, which in practice is approximately equal to the average channel density of the block K ₁ .

Блоки покрыты катализатором, который может быть благородным металлом Pt, Pd, Ir, Rh или сплавом из этих элементов. Блоки в нейтрализаторе, в части покрытия, могут быть различными. The blocks are coated with a catalyst, which can be a noble metal Pt, Pd, Ir, Rh or an alloy of these elements. The blocks in the converter, in terms of coverage, may be different.

Катализатор может быть нанесен на окись металла, например окись алюминия. The catalyst may be supported on a metal oxide, for example alumina.

Корпус нейтрализатора выполнен из коррозионно-стойкой стали. The converter housing is made of stainless steel.

Отработавшие газы поступают через входной патрубок 1 в корпус нейтрализатора. При прохождении через диффузор 2 происходит некоторое изменение параболического характера распределения скоростей в потоке, появляются области вихревого неупорядоченного движения. Далее газы поступают в каналы блока К₁, где за счет разного сечения каналов происходит выравнивание профиля скоростей потока. Выравненный по сечению поток газов поступает в каналы блока К₂, а затем - блока К₃. Проходя по каналам, газы контактируют с каталитическим слоем, после чего, очищенные от вредных компонентов, поступают через конфузор 4 и выходной патрубок 5.The exhaust gases flow through the inlet pipe 1 into the converter housing. When passing through the diffuser 2, there is a certain change in the parabolic nature of the velocity distribution in the flow, areas of vortex disordered movement appear. Then the gases enter the channels of block K ₁ , where due to the different cross-sections of the channels, the profile of the flow velocities is equalized. The gas flow equalized in cross section enters the channels of block K ₂ and then of block K ₃ . Passing through the channels, the gases are in contact with the catalytic layer, after which, purified from harmful components, they enter through the confuser 4 and the outlet pipe 5.

Использование изобретения, по сравнению с прототипом, исключит применение дополнительных деталей, позволит уменьшить на 25-40% длину нейтрализатора и снизить его массу, сохранив при этом термоустойчивость. Равномерное распределение потока отработавших газов по сечению блоков позволит рационально использовать каталитическую поверхность, что, в свою очередь, повысит эффективность очистки. Вследствие исключения рассеивающих элементов, которые создают дополнительные потери напора газов, предложенный нейтрализатор имеет меньшее гидравлическое сопротивление, влияющее на устойчивость работы двигателя автомобиля в режиме холостого хода и на его КПД. (56) 1. Патент США N 4106913, кл. F 01 N 3/15, 7/14, опублик. 1978. The use of the invention, in comparison with the prototype, eliminates the use of additional parts, will reduce by 25-40% the length of the converter and reduce its weight, while maintaining thermal stability. A uniform distribution of the exhaust gas flow over the cross section of the blocks will allow rational use of the catalytic surface, which, in turn, will increase the cleaning efficiency. Due to the exclusion of scattering elements, which create additional loss of gas pressure, the proposed Converter has a lower hydraulic resistance, affecting the stability of the engine in idle mode and its efficiency. (56) 1. US Patent N 4106913, CL. F 01 N 3/15, 7/14, published. 1978.

2. Патент США N 3785781, кл. B 01 J 9/04, опублик. 1974. 2. US patent N 3785781, CL. B 01 J 9/04, published. 1974.

3. Патент США N 3953176, кл. F 01 N 3/15, опублик. 1976. 3. US patent N 3953176, CL. F 01 N 3/15, published. 1976.

Claims

EXHAUST GAS NEUTRALIZER, comprising a housing with inlet and outlet nozzles, a diffuser and a confuser installed in the housing respectively from the side of the inlet and outlet nozzles and with the formation of the Central cavity, and catalytic blocks with gas-permeable channels placed in the Central cavity sequentially along the axis of the housing and with a gap one relative to the other, characterized in that, in order to increase efficiency, the catalytic unit, located directly behind the diffuser, is made with a gas permeability density s channels decreasing from the center to the periphery of the block and the subsequent blocks are made with a constant density of gas-permeable channels.