RU2121064C1

RU2121064C1 - Device for cleaning exhaust gases of internal combustion engine and utilization of their heat

Info

Publication number: RU2121064C1
Application number: RU96103781A
Authority: RU
Inventors: С.А. Яковлев; В.В. Шульгин; А.Н. Агафонов; В.О. Сайданов
Original assignee: Яковлев Сергей Анатольевич
Priority date: 1996-02-26
Filing date: 1996-02-26
Publication date: 1998-10-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines. SUBSTANCE: device has housing accommodating catalytic reactor filled with catalyst and phase transition heat accumulator being space formed between housing of device and reactor, limited at end faces by screen partitions to pass exhaust gases and filled with heat accumulating substance undergoing phase transition "melting-crystallization" at contact with exhaust gases of engine. Liquid heat exchanger for prestarting heating of engine is placed inside heat accumulating substance. Device provides efficient cleaning of engine exhaust gases and utilization of their heat by maintaining high temperature level in catalytic reactor with engine idling and at partial loads owing to heat accumulated in phase transition accumulator when engine operates at nominal or close to nominal loads and owing to intensification of heat exchange in heat accumulator. EFFECT: enhanced cleaning of exhaust gases. 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к устройствам для нейтрализации отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и утилизации их теплоты. The invention relates to mechanical engineering, in particular to engine building, and in particular to devices for neutralizing exhaust gases (exhaust) of internal combustion engines (ICE) and utilizing their heat.

Известны устройства для нейтрализации ОГ ДВС, состоящие из внешнего корпуса, внутри которого размещается каталитический реактор для нейтрализации ОГ [1]. Known devices for neutralizing exhaust gas from an internal combustion engine, consisting of an external casing, inside which a catalytic reactor for neutralizing exhaust gas is located [1].

Недостатком известных устройств является низкая эффективность при работе ДВС на холостом ходу и долевых нагрузках, а также при пуске ДВС, обусловленная тем обстоятельством, что для получения эффективной очистки ОГ от CO, C_xH_y и RCHO необходимо, чтобы процесс каталитической очистки проходил в области внешней диффузии, т.е. при температуре ОГ выше 300^oC, однако температурный уровень ОГ на этих режимах работы ДВС существенно ниже, поэтому для определения оптимального теплового режима каталитической очистки с нейтрализацией ОГ имеют место дополнительные затраты энергии (например, электронагрев катализатора).A disadvantage of the known devices is the low efficiency when the internal combustion engine is idling and at shared loads, as well as when starting the internal combustion engine, due to the fact that in order to obtain effective exhaust gas cleaning from CO, C _x H _y and RCHO, it is necessary that the catalytic cleaning process takes place in the region external diffusion, i.e. when the exhaust gas temperature is above 300 ^o C, however, the temperature level of exhaust gas in these internal combustion engine operating modes is much lower, therefore, to determine the optimal thermal regime of catalytic treatment with exhaust gas neutralization, additional energy costs (e.g., electric heating of the catalyst) take place.

Известна также конструкция теплового аккумулятора фазового перехода плавление-кристаллизация с водогазовым теплообменником, включенным в систему предпусковой тепловой подготовки ДВС [2]. Also known is the design of a heat accumulator of the melting-crystallization phase transition with a water-gas heat exchanger included in the engine pre-heat treatment system of an internal combustion engine [2].

Недостатком такого аккумулятора является низкая эффективность теплообмена между ОГ и теплоаккумулирующим веществом (ТАВ) из-за недостаточного температурного напора, а также невозможность использования ТАВ с высокой удельной энергоемкостью из-за значительного увеличения массогабаритных показателей аккумулятора. The disadvantage of such a battery is the low efficiency of heat transfer between the exhaust gas and the heat storage substance (TAB) due to insufficient temperature pressure, as well as the inability to use TAV with a high specific energy consumption due to a significant increase in the overall dimensions of the battery.

Наиболее близким к заявляемому является устройство, состоящее из внешнего корпуса, внутри которого размещены каталитический реактор для нейтрализации ОГ и утилизационный водогазовый теплообменник, установленный за реактором и подключенный к нему, и теплового аккумулятора фазового перехода [3]. Closest to the claimed one is a device consisting of an external casing, inside of which there is a catalytic reactor for neutralizing exhaust gas and a utilizing water-gas heat exchanger installed behind the reactor and connected to it, and a phase transition heat accumulator [3].

Задачей изобретения является повышение эффективности работы каталитического реактора на холостом ходу, долевых нагрузках и при пусках ДВС. The objective of the invention is to increase the efficiency of the catalytic reactor at idle, shared loads and when starting the engine.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания и утилизации их теплоты, состоящем из корпуса, внутри которого размещен каталитический реактор, заполненный катализатором, и теплового аккумулятора фазового перехода, корпус выполнен цилиндрическим, реактор снабжен сетчатыми перегородками для прохода отработавших газов, тепловой аккумулятор фазового перехода представляет собой полость, образованную корпусами устройства и реактора, ограниченную с торцов сетчатыми перегородками и заполненную теплоаккумулирующим веществом, претерпевающим фазовый переход плавление - кристаллизация при взаимодействии с отработавшими газами двигателя, при этом внутри теплоаккумулирующего вещества расположен жидкостный теплообменник системы предпусковой тепловой подготовки двигателя. The problem is solved in that in the device for cleaning exhaust gases of an internal combustion engine and utilizing their heat, consisting of a housing inside which a catalytic reactor filled with a catalyst is placed, and a phase-transfer heat accumulator, the housing is cylindrical, the reactor is equipped with mesh baffles for passing exhaust gases, the thermal accumulator of the phase transition is a cavity formed by the bodies of the device and the reactor, limited from the ends by mesh and filled with a heat-accumulating substance, which undergoes a melting - crystallization phase transition when interacting with the exhaust gases of the engine, while inside the heat-accumulating substance there is a liquid heat exchanger of the engine pre-heat preparation system.

Изобретение поясняется чертежом, где схематично представлено устройство для очистки отработавших газов ДВС и утилизации их теплоты. The invention is illustrated in the drawing, which schematically shows a device for cleaning exhaust gases of internal combustion engines and the utilization of their heat.

Устройство состоит из цилиндрического корпуса 1, внутри которого размещен каталитический реактор 2 отработавших газов (ОГ) ДВС. Реактор заполнен катализатором 3 и снабжен сетчатыми перегородками 4 для прохода газов. The device consists of a cylindrical body 1, inside of which there is a catalytic reactor 2 of exhaust gases (OG) of the internal combustion engine. The reactor is filled with catalyst 3 and equipped with mesh walls 4 for the passage of gases.

Между корпусом 1 и реактором 2 размещен тепловой аккумулятор фазового перехода плавление-кристаллизация, представляющий собой слой ТАВ высокой энергоемкости 5, в качестве которого используют, например, эвтектическую смесь 28,7% KCl - 45% MnCl₂ - 26,3% NaCl -(молярные доли) с температурой фазового перехода 350^oC. Слой ТАВ высокой энергоемкости окружает корпус реактора 2 и ограничен с торцов сетчатыми перегородками 6 для прохода отработавших газов. Внутри ТАВ расположен жидкостный теплообменник 7 системы предпусковой тепловой подготовки ДВС.Between the vessel 1 and the reactor 2, a heat accumulator of the melting-crystallization phase transition is placed, which is a high energy-intensity TAV layer 5, for example, a eutectic mixture of 28.7% KCl - 45% MnCl ₂ - 26.3% NaCl - ( molar fractions) with a phase transition temperature of 350 ^o C. A high-energy-grade TAS layer surrounds the reactor vessel 2 and is bounded at the ends by mesh walls 6 for the passage of exhaust gases. Inside the TAB is a liquid heat exchanger 7 of the engine pre-heat treatment system.

Работа устройства осуществляется следующим образом. При работе ДВС на номинальной и близкой к номинальной нагрузках температурный уровень ОГ достаточен для устойчивой эффективной работы каталитического реактора 2, в котором происходит каталитическая очистка ОГ от CO, C_xH₄ и RCHO, в результате чего температура ОГ повышается. Вышедшие из сетчатых перегородок 4 реактора 2 ОГ поступают в тепловой аккумулятор, в котором нагревают и плавят ТАВ 5 с поглощение скрытой теплоты фазового перехода. Повышенный температурный уровень ОГ на выходе из каталитического реактора 2 позволяет повысить эффективность работы теплового аккумулятора и уменьшить его массогабаритные показатели.The operation of the device is as follows. When the internal combustion engine operates at nominal and near nominal loads, the temperature level of the exhaust gas is sufficient for stable effective operation of the catalytic reactor 2, in which the exhaust gas is catalytically cleaned of CO, C _x H ₄ and RCHO, as a result of which the temperature of the exhaust gas rises. Coming out of the mesh walls 4 of the reactor 2 exhaust gas enters the heat accumulator, in which they are heated and melted TAV 5 with the absorption of the latent heat of the phase transition. The increased temperature level of the exhaust gas at the outlet of the catalytic reactor 2 can improve the efficiency of the heat accumulator and reduce its overall dimensions.

При уменьшении нагрузки ДВС температурный уровень ОГ явно недостаточен для поддержания устойчивого теплового режима каталитического реактора 2. Однако в силу того, что температура ОГ, поступающих в тепловой аккумулятор, ниже температуры фазового перехода, происходит кристаллизация ТАВ 5 с выделением скрытой теплоты фазового перехода, которая выделяется при постоянной температуре выше 300^oC, тем самым поддерживая тепловой режим каталитического реактора.With a decrease in the ICE load, the temperature level of the exhaust gas is clearly insufficient to maintain a stable thermal regime of catalytic reactor 2. However, due to the fact that the temperature of the exhaust gas entering the heat accumulator is lower than the phase transition temperature, TAV 5 crystallizes with the release of the latent heat of the phase transition, which is released at a constant temperature above 300 ^o C, thereby maintaining the thermal regime of the catalytic reactor.

Таким образом в реакторе поддерживается постоянный температурный уровень выше 300^oC за счет теплоты, накопленной в тепловом аккумуляторе при работе ДВС на других режимах.Thus, the reactor maintains a constant temperature level above 300 ^o C due to the heat accumulated in the heat accumulator during the operation of the internal combustion engine in other modes.

В свою очередь, каталитический реактор, осуществляя процесс каталитической нейтрализации ОГ, повышает их температуру и тем самым оказывает положительное влияние на тепловой аккумулятор - интенсифицирует теплообмен и снижает массогабаритные показатели последнего. In turn, the catalytic reactor, carrying out the process of catalytic neutralization of exhaust gases, increases their temperature and thereby has a positive effect on the heat accumulator - intensifies heat transfer and reduces the overall dimensions of the latter.

Подтверждением решения поставленной задачи является следующее: расположение каталитического реактора-нейтрализатора ОГ внутри теплового аккумулятора фазового перехода таким образом, что корпус реактора окружен слоем ТАВ, которое взаимодействуя с ОГ ДВС претерпевает фазовый переход плавление - кристаллизация и позволяет поддерживать температурный режим реактора при работе ДВС на холостом ходу, долевых нагрузках и при пусках. Такая конструкция устройства также оптимизирует параметры теплового аккумулятора. Confirmation of the solution of this problem is the following: the location of the catalytic reactor-exhaust catalyst inside the phase-transfer heat accumulator in such a way that the reactor vessel is surrounded by a TAV layer, which, when interacting with the internal combustion engine exhaust gas, undergoes a melting-crystallization phase transition and allows the reactor to maintain temperature conditions when the engine is idling running, shared loads and starts. This device design also optimizes the parameters of the heat accumulator.

Источники информации:
1. Лиханов В.А. и др. Снижение токсичности автотракторных дизелей. -М.: ВО Агропромиздат, 1991, с.120-121.Sources of information:
1. Likhanov V.A. and others. Reducing the toxicity of automotive diesel engines. -M .: VO Agropromizdat, 1991, p. 120-121.

2. Карнаухов Н.Н. Приспособление строительных машин к условиям Российского Севера и Сибири. -М.: Недра, 1994, 351 с, ил.126. 2. Karnaukhov N.N. Adaptation of construction vehicles to the conditions of the Russian North and Siberia. -M .: Nedra, 1994, 351 s, ill. 126.

3. Груданов В.Я. Физико-химические и теплообменные процессы в каталитических нейтрализаторах с утилизацией теплоты отработавших газов. Двигателестроение, 1991, N 1, с.47-49. 3. Grudanov V.Ya. Physicochemical and heat transfer processes in catalytic converters with heat recovery from exhaust gases. Engine building, 1991, N 1, p. 47-49.

Claims

A device for cleaning the exhaust gases of an internal combustion engine and utilizing their heat, consisting of a housing inside which there is a catalytic reactor filled with a catalyst, and a phase transition heat accumulator, characterized in that the housing is cylindrical, the reactor is equipped with mesh baffles for exhaust gas passage, thermal the phase transition accumulator is a cavity formed by the device and reactor bodies, bounded from the ends by mesh partitions and filled hydrochloric heat accumulating substance having undergone a phase transition melting - crystallization in the interaction with the exhaust gases of the engine, wherein the substance is located inside the heat-accumulating liquid heat exchanger system prestart preparation motor.