RU2459091C2

RU2459091C2 - Combined device for decreasing diesel exhaust gas toxicity

Info

Publication number: RU2459091C2
Application number: RU2010143617/06A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Чернецов (RU); Дмитрий Александрович Чернецов; Василий Петрович Капустин (RU); Василий Петрович Капустин; Александр Владимирович Гончаров (RU); Александр Владимирович Гончаров
Priority date: 2010-10-25
Filing date: 2010-10-25
Publication date: 2012-08-20
Also published as: RU2010143617A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: proposed device comprises cylindrical casing housing catalyst layer, said casing being made of top and bottom parts. Casing bottom part communicates with engine exhaust system. Diffuser shaped to truncated cone diverging in off gas direction is arranged at casing bottom part inlet. Ejector shaped to truncated cone converging in off gas direction is arranged in inlet branch pipe. Gravitation filter is screwed on casing bottom end and sealed by fireproof gasket while spanner nut is secured to filter bottom. Electric coil with separate ceramic case is arranged between said top and bottom parts of the case. Catalyst layer consisting of granules is confined by inlet and outlet grates. Inlet grate may displace. Compensation element from bimetallic helical spring is arranged between catalyst inlet grate and coil case. Confuser is arranged at case top. Said confuser has two branch pipes, one communicated with atmosphere and another one with inlet branch pipe chamber. All structural elements are made from thin-wall metal.

EFFECT: higher efficiency, decreased metal consumption.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройствам снижения токсичности отработавших газов (ОГ) дизелей.The invention relates to the field of engineering, and in particular to devices for reducing the toxicity of exhaust gases (OG) of diesel engines.

Известен нейтрализатор ОГ дизеля (европейский патент EP №0233860, кл. F01 №3/02, опубл. 1987), содержащий корпус с размещенным в нем слоем катализатора, причем корпус имеет двойные стенки со слоем теплоизолятора (минеральная вата) между ними, часть корпуса, соединенная непосредственно с выпускным патрубком системы выпуска дизеля, имеет форму усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения ОГ и образует диффузор, при этом часть корпуса в конце устройства имеет форму усеченного конуса, сужающегося в направлении движения ОГ и образует конфузор. В средней части корпуса установлена электрическая спираль, связанная с блоком управления и датчиком температуры ОГ. Слой катализатора нанесен на поверхность металлических нитей или проволочных элементов, которые совместно с междоузлиями образуют тело фильтра. Катализаторный материал основан на металлах платиновой группы. Электрическая спираль находится в электропатроне, состоящем из чехла и защитного слоя.Known diesel exhaust gas catalyst (European patent EP No. 0233860, class F01 No. 3/02, publ. 1987), comprising a housing with a catalyst layer disposed therein, the housing having double walls with a layer of heat insulator (mineral wool) between them, part of the housing connected directly to the exhaust pipe of the diesel exhaust system, has the shape of a truncated cone, expanding in the direction of motion of the exhaust gas and forms a diffuser, while part of the body at the end of the device has the shape of a truncated cone, tapering in the direction of movement of the exhaust gas and forms an embarrassment p. An electric spiral is installed in the middle part of the body, connected with the control unit and the exhaust gas temperature sensor. The catalyst layer is deposited on the surface of metal threads or wire elements, which together with the internodes form the filter body. The catalyst material is based on platinum group metals. The electric spiral is located in the electrons, consisting of a cover and a protective layer.

Недостатками этого устройства являются небольшой срок службы, так как дожигание сажевых частиц происходит непосредственно на металлических нитях с нанесенным слоем катализатора, который быстро выходит из строя при забивании сажевыми частицами его пор, значительное местное газодинамическое сопротивление, создаваемое электропатроном, невозможность разборки устройства и соответственно периодической замены каталитических элементов фильтра и регулирования длины слоя катализатора.The disadvantages of this device are its short service life, since the burning of soot particles occurs directly on metal threads with a deposited catalyst layer, which quickly fails when soot particles clog its pores, significant local gas-dynamic resistance created by the electron cartridge, the impossibility of disassembling the device and, accordingly, periodic replacement catalytic filter elements and control the length of the catalyst layer.

Прототипом предлагаемого устройства является нейтрализатор ОГ дизеля (патент РФ №2174184), содержащий корпус с размещенным в нем слоем катализатора, причем корпус имеет двойные стенки со слоем теплоизолятора (минеральная вата) между ними, часть корпуса, соединенная непосредственно с выпускным патрубком системы выпуска двигателя, имеет форму усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения ОГ, и образует диффузор, при этом часть корпуса в конце нейтрализатора имеет форму усеченного конуса, сужающегося в направлении движения ОГ, и образует конфузор, внутри корпуса установлена электрическая спираль, связанная с блоком управления и датчиком температуры ОГ, корпус выполнен разъемным, электрическая спираль расположена в месте болтового соединения диффузора с основной частью корпуса в плоскости, перпендикулярной направлению движения потока ОГ, слой катализатора ограничен входной и выходной решетками, одна из которых установлена с возможностью перемещения, за слоем катализатора установлен компенсирующий элемент, а между спиралью и слоем катализатора установлен блок концентрических теплоотражающих экранов. Степень нейтрализации (очистки) устройства составила в среднем: CO - 50…60%, NO_x - 30…40%, caжa - 30…40%.The prototype of the proposed device is a diesel exhaust gas neutralizer (RF patent No. 2174184), comprising a housing with a catalyst layer located therein, the housing having double walls with a layer of heat insulator (mineral wool) between them, a part of the housing connected directly to the exhaust pipe of the engine exhaust system, has the shape of a truncated cone, expanding in the direction of the exhaust gas, and forms a diffuser, while part of the housing at the end of the converter has the shape of a truncated cone, tapering in the direction of the exhaust gas, and a confuser develops, an electric spiral is installed inside the housing, connected to the control unit and the exhaust gas temperature sensor, the housing is detachable, the electrical spiral is located at the bolt connection of the diffuser to the main part of the housing in a plane perpendicular to the direction of the exhaust gas flow, the catalyst layer is limited by the input and output gratings , one of which is installed with the possibility of movement, a compensating element is installed behind the catalyst layer, and a block is installed between the spiral and the catalyst layer concentric heat-reflecting screens. The degree of neutralization (cleaning) of the device averaged: CO - 50 ... 60%, NO _x - 30 ... 40%, sozha - 30 ... 40%.

Недостатками данного устройства являются недостаточно эффективная очистка ОГ, отсутствие очистки от тяжелых фракций ОГ на входе, что приводит к быстрому забиванию катализатора сажевыми частицами, малое пятно контакта компенсирующего элемента, что может привести к перекосу выходной решетки, металлоемкость конструкции.The disadvantages of this device are insufficiently effective exhaust gas cleaning, lack of cleaning of heavy exhaust gas fractions at the inlet, which leads to rapid clogging of the catalyst with soot particles, a small contact patch of the compensating element, which can lead to a distortion of the output lattice, and the metal consumption of the structure.

Технической задачей изобретения является: повышение эффективности очистки ОГ; обеспечение очистки ОГ от тяжелых фракций на входе в устройство; увеличение пятна контакта компенсирующего элемента и выходной решетки, снижение металлоемкости.An object of the invention is: increasing the efficiency of exhaust gas cleaning; providing exhaust gas cleaning from heavy fractions at the inlet to the device; an increase in the contact spot of the compensating element and the output lattice, a decrease in metal consumption.

Эта задача решается в комбинированном устройстве снижения токсичности (КУСТ) ОГ дизеля, содержащем корпус с размещенным в нем слоем катализатора, причем корпус состоит из верхней и нижней частей, нижняя часть корпуса соединена через патрубок с системой выпуска двигателя, в патрубке установлен эжектор, имеющий форму усеченного конуса, сужающийся в направлении движения ОГ, на входе в нижнюю часть корпуса установлен диффузор, имеющий форму усеченного конуса, расширяющегося в направлении движения ОГ, на нижний конец корпуса навинчивается фильтр-отстойник с металлической сеткой и герметизируется несгораемой прокладкой, между верхней и нижней частями корпуса установлена электрическая спираль, имеющая отдельный керамический корпус, установленный в месте болтового соединения нижней и верхней частей корпуса через паронитовые прокладки, слой катализатора ограничен входной и выходной решетками, входная решетка установлена с возможностью перемещения, между входной решеткой катализатора и корпусом электрической спирали установлен компенсирующий элемент в виде цилиндрической пружины из биметаллического материала, в верхней части корпуса имеется конфузор, имеющий форму усеченного конуса, сужающегося в направлении движения ОГ, конфузор имеет два патрубка, один из которых связан с атмосферой, а другой - с полостью входного патрубка устройства. Все элементы конструкции выполнены из тонкостенного металла.This problem is solved in a combined diesel exhaust toxicity (CUST) device containing a casing with a catalyst layer located in it, the casing consisting of upper and lower parts, the lower part of the casing connected through a pipe to the engine exhaust system, an ejector having the form a truncated cone, tapering in the direction of the exhaust gas movement, a diffuser is installed at the entrance to the lower part of the body, having the shape of a truncated cone expanding in the direction of the exhaust gas, a phi is screwed onto the lower end of the housing the litter-settler with a metal mesh is sealed with a fireproof gasket, an electric spiral is installed between the upper and lower parts of the casing, which has a separate ceramic casing installed in the place of bolt connection of the lower and upper parts of the casing through paronite gaskets, the catalyst layer is limited by the input and output gratings, the input grate installed with the possibility of movement, between the input grate of the catalyst and the casing of the electric spiral is installed a compensating element in the form of a cylindrical minutes of the bimetallic spring material, the top of the housing has a converging tube having a truncated cone shape tapering towards the exhaust gas movement converger has two pipes, one of which is connected with the atmosphere and the other - with the cavity inlet nozzle device. All structural elements are made of thin-walled metal.

Оригинальность изобретения заключается в том, что часть ОГ, прошедших цикл очистки, поступает на вторичный цикл, что приводит к повышению эффективности очистки ОГ, устройство имеет фильтр-отстойник с металлической сеткой, в котором осаждаются тяжелые фракции ОГ, что значительно снижает степень забивания активной поверхности катализатора сажевыми частицами, компенсирующий элемент выполнен в виде цилиндрической пружины из биметаллического материала, что предотвращает перекосы входной решетки катализатора, все элементы конструкции выполнены из тонкостенного металла, что значительно снижает металлоемкость конструкции.The originality of the invention lies in the fact that part of the exhaust gas that has passed the cleaning cycle enters the secondary cycle, which leads to an increase in the efficiency of exhaust gas cleaning, the device has a filter sump with a metal mesh in which heavy exhaust fractions are deposited, which significantly reduces the degree of clogging of the active surface catalyst with soot particles, the compensating element is made in the form of a cylindrical spring of bimetallic material, which prevents distortions of the catalyst inlet grate, all structural elements are They are made of thin-walled metal, which significantly reduces the metal consumption of the structure.

Техническое решение поясняется чертежами.The technical solution is illustrated by drawings.

На фиг.1 изображен общий вид комбинированного устройства снижения токсичности дизеля в разрезе; на фиг.2 - сечение устройства по плоскости электрической спирали.Figure 1 shows a General view of a combined device for reducing diesel toxicity in the context; figure 2 is a cross section of the device along the plane of the electric spiral.

Комбинированное устройство снижения токсичности отработавших газов дизеля, элементы которого выполнены из тонкостенного металла, содержит цилиндрический корпус с размещенным в нем слоем катализатора 1, корпус состоит из верхней 2 и нижней 3 частей, нижняя часть корпуса соединена через патрубок 4 с системой выпуска двигателя, в патрубке установлен эжектор 5, имеющий форму усеченного конуса, сужающийся в направлении движения ОГ, на входе в нижнюю часть корпуса установлен диффузор 6, имеющий форму усеченного конуса, расширяющийся в направлении движения ОГ, на нижний конец корпуса навинчивается фильтр-отстойник 7 с металлической сеткой 8 и герметизируется несгораемой прокладкой 9, к днищу фильтра-отстойника прикреплена гайка 10 под ключ, между верхней и нижней частями корпуса установлена электрическая спираль 11, имеющая отдельный керамический корпус, установленный в месте болтового соединения нижней и верхней частей корпуса через уплотнительные прокладки 12, электрическая спираль соединена с блоком управления 13 с помощью электрических проводов 14. Слой катализатора 1 (возможно применение корпусных катализаторов), состоящий из засыпанных гранул (например, сферической или цилиндрической формы) ограничен входной 15 и выходной 16 решетками. Входная решетка 15 установлена с возможностью перемещения, между входной решеткой катализатора и корпусом электрической спирали установлен компенсирующий элемент 17 в виде цилиндрической пружины из биметалла. Верхняя 1 и нижняя 2 части корпуса соединены болтовым соединением. В верхней части корпуса имеется конфузор 18, имеющий форму усеченного конуса, сужающегося в направлении движения ОГ, конфузор имеет два патрубка, один из которых - выходной 19, связанный с атмосферой, а другой - Г-образный 20 связан с полостью входного патрубка 4.The combined diesel exhaust toxicity reduction device, the elements of which are made of thin-walled metal, contains a cylindrical housing with a catalyst layer 1 placed in it, the housing consists of upper 2 and lower 3 parts, the lower part of the housing is connected through the pipe 4 to the engine exhaust system, in the pipe an ejector 5 having a shape of a truncated cone, tapering in the direction of movement of the exhaust gas is installed, at the entrance to the lower part of the body there is a diffuser 6 having the shape of a truncated cone, expanding in the direction and the exhaust gas movement, a filter sump 7 with a metal mesh 8 is screwed onto the lower end of the housing and sealed with a fireproof gasket 9, a turnkey nut 10 is attached to the bottom of the filter sump, an electric spiral 11 is installed between the upper and lower parts of the housing, which has a separate ceramic case, installed in place of the bolt connection of the lower and upper parts of the housing through the gaskets 12, the electric spiral is connected to the control unit 13 using electric wires 14. The catalyst layer 1 (possibly the use of housing catalysts), consisting of filled granules (for example, spherical or cylindrical in shape) is limited to input 15 and output 16 gratings. The input grate 15 is mounted for movement, between the input grate of the catalyst and the casing of the electric spiral, a compensating element 17 is installed in the form of a cylindrical spring from bimetal. The upper 1 and lower 2 parts of the housing are bolted. In the upper part of the case there is a confuser 18, having the shape of a truncated cone, tapering in the direction of the exhaust gas, the confuser has two nozzles, one of which is the outlet 19, connected with the atmosphere, and the other is L-shaped 20 is connected with the cavity of the inlet 4.

Устройство работает следующим образом. При работе двигателя отработавшие газы по выпускной системе поступают во входной патрубок 4 устройства и при прохождении через эжектор 5 ускоряются, тем самым создавая разрежение в полости конфузора 18, далее поступают в диффузор 6, в котором распределяются по всему пространству нижней части корпуса 3, благодаря конусообразной конструкции диффузора 6. Тяжелые фракции ОГ оседают в фильтре-отстойнике 7. Поток газов проходит сквозь электрическую спираль 10 перпендикулярно плоскости, в которой расположена спираль. Электрическая спираль позволяет повысить температуру ОГ, способствуя тем самым дожиганию сажевых частиц, присутствующих в ОГ дизеля. Очищенные от сажи ОГ проникают сквозь ограничительную входную решетку 15 в слой гранулированного катализатора 1, в котором вследствие химических реакций окисления происходит превращение продуктов неполного сгорания, содержащихся в ОГ, а именно CO, C_xH_y, NO_x до конечных безопасных по токсичности компонентов (CO₂, H₂O, N₂). Очищенные отработавшие газы направляются сквозь выходную решетку 16 в конфузор 18, благодаря конусообразной форме которого и разрежению, создаваемому в полости конфузора 18, часть ОГ поступает в Г-образный патрубок 20 и попадает во входной патрубок 4, где смешивается с вновь поступившими ОГ и проходит вторичный цикл очистки. Остальная часть ОГ поступает через выходной патрубок 19 в атмосферу.The device operates as follows. When the engine is running, the exhaust gases through the exhaust system enter the inlet pipe 4 of the device and accelerate when passing through the ejector 5, thereby creating a vacuum in the cavity of the confuser 18, then enter the diffuser 6, which are distributed throughout the entire space of the lower part of the housing 3, due to the cone-shaped diffuser structures 6. Heavy fractions of the exhaust gas settle in the filter-sump 7. The gas flow passes through the electric spiral 10 perpendicular to the plane in which the spiral is located. The electric spiral allows increasing the temperature of the exhaust gas, thereby contributing to the afterburning of the soot particles present in the diesel exhaust gas. Exhaust gas cleaned from soot penetrates through the restriction inlet grating 15 into the granular catalyst layer 1, in which, as a result of chemical oxidation reactions, the products of incomplete combustion contained in the exhaust gas, namely CO, C _x H _y , NO _x, are converted to the final toxic components ( CO ₂ , H ₂ O, N ₂ ). The cleaned exhaust gases are directed through the outlet grill 16 to the confuser 18, due to the conical shape and the vacuum created in the cavity of the confuser 18, part of the exhaust gas enters the L-shaped pipe 20 and enters the inlet pipe 4, where it is mixed with the newly received exhaust gas and passes the secondary cleaning cycle. The rest of the exhaust gas enters through the outlet pipe 19 into the atmosphere.

В результате теплового расширения, под воздействием высоких температур ОГ, в корпусе устройства, объем гранул слоя катализатора 1 увеличивается, заставляя входную решетку смещаться в направлении, противоположном движению потока ОГ. При этом цилиндрическая пружина 17, выполненная из биметаллического материала, благодаря своей упругости, реагируя на повышение температуры, принимает такое положение, что не допускает появления свободного объема в зоне слоя катализатора 1, и одновременно, не позволяя входной решетке чрезмерно сжать гранулы во избежание их спекания и разрушения.As a result of thermal expansion, under the influence of high temperatures of the exhaust gas in the device housing, the volume of the granules of the catalyst layer 1 increases, causing the input grating to shift in the opposite direction to the exhaust gas flow. Moreover, the cylindrical spring 17, made of bimetallic material, due to its elasticity, reacting to an increase in temperature, takes such a position that it does not allow the appearance of free volume in the zone of the catalyst layer 1, and at the same time, not allowing the input grate to compress the granules excessively to avoid sintering and destruction.

Использование изобретения позволит повысить эффективность очистки ОГ за счет вторичного дожига очищенных отработавших газов. Использование фильтра-отстойника позволит добиться увеличения срока эффективной работы катализатора, который не может эффективно работать при осаждении сажевых частиц на гранулах, выводящих из строя химически активную поверхность гранул катализатора. Использование биметаллической цилиндрической пружины в качестве компенсирующего элемента предотвратит перекосы входной решетки слоя катализатора, за счет большого пятна контакта с поверхностью входной решетки. Применение тонкостенного металла в элементах конструкции устройства позволит значительно снизить металлоемкость.The use of the invention will improve the efficiency of exhaust gas cleaning due to the secondary afterburn of purified exhaust gases. The use of a filter settler will allow to increase the effective life of the catalyst, which cannot work effectively when the soot particles are deposited on granules that damage the chemically active surface of the catalyst granules. The use of a bimetallic coil spring as a compensating element will prevent distortions of the inlet grating of the catalyst layer due to the large contact spot with the surface of the inlet grating. The use of thin-walled metal in the structural elements of the device will significantly reduce the metal consumption.

Claims

1. A combined device for reducing the toxicity of exhaust gas (DG) of a diesel engine, comprising a housing with a catalyst layer disposed therein, the housing consisting of upper and lower parts, the lower part of the housing connected through a pipe to the engine exhaust system, a diffuser installed at the entrance to the lower housing having the shape of a truncated cone, expanding in the direction of the exhaust gas movement, between the upper and lower parts of the housing there is an electric spiral connected to the control unit, there is a confuser in the upper part of the housing, and having the shape of a truncated cone, tapering in the direction of movement of the exhaust gas, characterized in that all structural elements are made of thin-walled metal, an ejector is installed in the inlet pipe, having the shape of a truncated cone, tapering in the direction of movement of the exhaust gas, a filter sump with metal mesh and sealed with a fireproof gasket, a turnkey nut is attached to the bottom of the filter settler, the electric spiral is placed in a separate ceramic case, installed in place of the bolted the length of the lower and upper parts of the casing through the gaskets, the catalyst layer is limited by the inlet and outlet gratings, the inlet grate is movable, a compensating element is installed between the inlet grate of the catalyst and the casing of the electric spiral, the confuser has two nozzles, one of which is connected to the atmosphere, and the other with the cavity of the inlet pipe of the device.

2. The combined device according to claim 1, characterized in that the compensating element is made in the form of a cylindrical spring of bimetallic material.