УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ФИЛЬТРОВ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F01N3/02 

Изобретение относится к конструкциям устройств для очистки от сажи фильтров с помощью СВЧ-энергии и может быть использовано для очистки фильтров выхлопных газов ДВС от сажи непосредственно при их эксплуатации на транспортных средствах путем воспламенения и сгорания сажи в потоке воздуха.

Известно устройство для очистки фильтров выхлопных газов ДВС от сажи с помощью СВЧ-энергии. Это устройство содержит сажевый фильтр, цилиндрический резонатор с осевыми отверстиями в его торцевых поверхностях, СВЧ-генератор и возбудитель резонатора. Фильтр расположен в резонаторе соосно ему. Входной и выходной патрубки выхлопной трубы ДВС герметично присоединены к краям осевых отверстий резонатора. Поле в резонаторе неоднородно, поэтому для полной очистки фильтра требуется повышенная мощность СВЧ-генератора, кроме того, очистка фильтра может происходить только при выключенном ДВС.

Также известно устройство для удаления сажи из фильтров с помощью СВЧ-энергии. Это устройство содержит два сажевых фильтра, СВЧ-генератор, возбудители резонаторов, разветвитель выхлопной трубы на два канала, дроссельные заслонки и блок управления. Дроссельные заслонки установлены в разветвителе выхлопной трубы. Это устройство обеспечивает очистку фильтров от сажи при работающем ДВС. Поле в резонаторах неоднородно, поэтому это устройство для полной очистки фильтров от сажи требует повышенной мощности СВЧ-генератора.

Целью изобретения является увеличение КПД устройства и улучшение качества очистки путем нагрева фильтра и сажи СВЧ-энергией до температуры воспламенения сажи (650-700^оС) и ее сгорания в струе воздуха за счет экзотермической реакции горения сажи при отключенном СВЧ генераторе.

Это достигается благодаря тому, что устройство содержит два сажевых фильтра, воздуховод, разветвитель выхлопной трубы на два канала, два СВЧ-устройства нагрева фильтров и сажи и блок управления. Сажевые фильтры выполнены из диэлектрического материала с электрическими потерями.

Воздуховод содержит источник воздуха с избыточным давлением, вентиль, привод вентиля, разветвитель воздуховода на два канала, дроссельную заслонку, установленную в разветвителе с возможностью перекрытия последовательно любого из двух каналов, и два датчика давления, каждый из которых соединен с одним из каналов.

Разветвитель выхлопной трубы содержит дроссельную заслонку, установленную в разветвителе с возможностью перекрытия любого из каналов по очереди, привод дроссельных заслонок, закрепленных неподвижно на одной оси с перекрытием противоположных каналов разветвителей, кроме того, в каждом канале имеются отверстия, края которых соединены с выходами каналов воздуховода герметично.

Каждое СВЧ-устройство содержит замедляющую структуру, устройство возбуждения структуры, СВЧ-генератор и термопару (либо один СВЧ-генератор на все устройство с переключателем).

Блок управления содержит два субблока: субблок, управляемый током термопар, и субблок, управляемый датчиками давления выхлопных газов.

Субблок термопар для каждой термопары содержит усилитель тока термопары (УТП), два компаратора, вырабатывающих сигналы управления приводом вентиля, третий компаратор, вырабатывающий сигналы управления для отключения СВЧ-генераторов и реле, коммутирующее привод вентиля. Выход УТП соединен с входами всех компараторов. НО контакт компаратора включения привода вентиля (КВВ) соединен параллельно С НО блок-контактом реле, которые последовательно включены в сеть с катушкой реле и НЗ контактом компаратора отключения привода вентиля (КОВ). Силовой НО контакт реле включен в сеть последовательно с обмоткой сердечника привода вентиля.

Субблок датчиков давления содержит два реле коммутации СВЧ-генераторов (левого и правого каналов ГЛ и ГП) и два реле коммутации привода дроссельных заслонок (ПДЗ). Датчики давления имеют по одной паре НО и НЗ контактов. НО контакты включают реле привода дроссельных заслонок, а НЗ отключают их. Кроме того, НО контакты включают СВЧ-генераторы, а НЗ контакт третьего компаратора (КОГ) отключает их.

Отличительными признаками изобретения являются воздуховод, термопара, датчики давления, выполнение фильтров из материала с диэлектрическими (электрическими) потерями и выполнение блок управления из двух субблоков: субблока термопары и субблока датчиков давления.

На фиг.1 изображен разветвитель выхлопной трубы с присоединенными к его каналам СВЧ-устройствами нагрева фильтров и сажи, вид сверху; на фиг.2 воздуховод, вид сверху; на фиг.3 осевой разрез СВЧ-устройства с фильтром; на фиг.4 принципиальная электрическая схема субблока датчиков давления выхлопных газов; на фиг.5 принципиальная электрическая схема субблока термопары, для одного канала; на фиг.6 графики давления в выхлопной трубе и температуры фильтра при его очистке в зависимости от времени, указаны времена коммутирования приводов дроссельных заслонок, вентиля и СВЧ-генератора:
t₁ момент времени, когда давление выхлопных газов в канале, включенном для их очистки, превышает допустимое; срабатывает датчик давления, который включает привод дроссельных заслонок и СВЧ-генератор; заслонка закрывает работавший канал и СВЧ-энергия генератора начинает разогревать фильтр этого канала;
t₂ момент времени, когда фильтр с сажей прогрелся до температуры 650-700^оС воспламенения сажи и когда по сигналу УТП срабатывает НО контакт КВВ, открывается вентиль и воздух начинает поступать на разогретый фильтр с сажей;
t₃ момент времени, когда началась устойчивая экзотермическая реакция горения сажи и когда по сигналу КОГ отключается СВЧ-генератор;
t₄ момент времени, когда по сигналу КОВ закрывается вентиль, конец одного цикла работы устройства; следующий цикл начнется после засорения соседнего фильтра, о чем даст знать датчик давления выхлопных газов; на фиг.7 переключатель СВЧ-энергии.

На чертежах приняты следующие обозначения:
1 выхлопная труба;
2 разветвитель выхлопной трубы (РВТ);
3 воздуховод (ВВ);
4 разветвитель воздуховода (РВ);
5 дроссельная заслонка РВТ;
6 дроссельная заслонка РВ;
7 привод дроссельных заслонок (ПДЗ);
8 вентиль воздуховода (В);
9 привод открытия и закрытия В (ПВ);
10 датчики давления (ДД) выхлопных газов;
11 СВЧ-устройство нагрева фильтра;
12 термопара (ТП);
13 фильтр сажевый;
14 замедляющая структура устройства нагрева фильтра;
15 возбудитель замедляющей структуры;
16 СВЧ-генератор;
17 усилитель постоянного тока ТП (УТП);
18 компаратор включения привода вентиля (КВВ);
19 компаратор отключения привода вентиля (КОВ);
20 компаратор отключения СВЧ-генераторов (КОГ);
21 реле коммутации ПВ;
22 реле включения СВЧ-генераторов;
23 реле коммутации ПДЗ;
24 СВЧ-разрядник;
25 СВЧ-переключатель.

Выхлопная труба 1 это выхлопная труба ДВС.

Разветвитель 2 выхлопной трубы выполняется на два канала из металла. В каждом канале имеются отверстия, к краям которых подсоединяются концы каналов разветвителя воздуховода.

Воздуховод 3 выполняется из металлических труб диаметром меньше диаметра выхлопной трубы.

Разветвитель 4 воздуховода выполняется на два канала из металлических труб диаметра воздуховода. В каждом канале имеется сквозное отверстие, к краям которого присоединяется датчик давления, концы каналов разветвителя воздуховода соединены с отверстиями в каналах разветвителя выхлопной трубы герметично. Давление воздуха в воздуховоде не может превышать давление, при котором срабатывают датчики давления.

Дроссельные заслонки 5 и 6 выхлопной трубы и воздуховода выполняются из металла, крепятся на одной оси неподвижно с разных ее сторон и сдвинуты вдоль ее на расстояние, равное расстоянию между центрами разветвителей, и установлены в них так, что когда одна из них закрывает правый канал одного разветвителя, другая закрывает левый канал другого разветвителя.

Привод 7 ДЗ может быть выполнен в виде Ш-образного магнитного сердечника с закрепленным на среднем сердечнике якоре с возможностью углового перемещения на его оси от одного крайнего сердечника до другого. Ось сердечника является и осью ДЗ. На крайних сердечниках имеются обмотки, которые при их подключении к сети приводят в движение якорь, а с ним и ДЗ. Вентиль 8 воздуховода может быть выполнен самоварного типа.

Привод 9 вентиля может быть выполнен в виде П-образного магнитного сердечника с подвижным якорем, ось которого является продолжением оси крана вентиля. На сердечнике имеется обмотка, при включении которой в сеть якорь приводится в движение и открывает кран. В закрытое положение кран возвращает пружина. Датчик давления 10 может быть выполнен мембранного типа с парой НО и парой НЗ контактов.

СВЧ-устройство 11 нагрева фильтров содержит металлическую замедляющую структуру, устройство, возбуждающее структуру и СВЧ генератор (либо один СВЧ-генератор на все устройство и СВЧ-переключатель).

Термопара 12 может быть выполнена хромель-никелевой.

Фильтр 13 выполняется из пористой керамики с электрическими потерями, тангенс угла потерь которой соизмерим с тангенсом угла потерь сажи в фильтре, что достигается введением в керамику частиц вольфрама.

Замедляющая структура 14 выполняется из металла цилиндрической формы и содержит многопроводную линию, ряды индуктивных диафрагм и связок, соединяющие проводники многопроводной линии. Ряды диафрагм соединяют каждый проводник линии, а ряды связок соединяют проводники через один. Проводники линии имеют диаметр много меньше длины волны генератора, расстояние между проводниками также много меньше длины волны. Ряды диафрагм и связок чередуются между собой и расположены на равных расстояниях друг от друга, которое меньше 1/4 длины волны.

Возбудитель 15 замедляющей структуры выполнен из отрезка волновода, закороченного с одной стороны. На расстоянии 1/4 длины волны от закороченного конца волновода закреплен вибратор, который одним концом входит в волновод, а другим контачит с одной из крайних связок замедляющей структуры.

СВЧ-генератор 16 может быть выполнен магнетронным.

Усилитель 17 тока термопары представляет собой усилитель постоянного тока и может быть собран на транзисторах по известным схемам.

Компаратор 18 имеет исполнительный орган в виде НО контакта. Компаратор собирается по известным схемам, его опорное напряжение равном напряжению на выходе УТП в момент времени t₂ (см.фиг.6).

Компараторы 19 и 20 выполнены аналогично, но они имеют по паре НЗ контактов и срабатывают когда напряжения на выходе УТП соответственно равны в моменты времени t₄ и t₃.

Реле 21, 22 и 23 могут быть выполнены электромагнитными с двумя парами НО контактами. Одна пара используется как блок-контакты, а другая как силовые для коммутации приводов вентиля, заслонок и СВЧ-генератора. СВЧ-разрядник 24 выполнен в виде антенного переключателя, СВЧ-переключатель 25 выполнен на волноводном разветвителе.

Устройство для очистки фильтров выхлопных газов ДВС от сажи содержит два сажевых фильтра 13, воздуховод 3, разветвитель выхлопной трубы 2, два СВЧ-устройства 11 нагрева фильтров 13 и блок управления (см.фиг.4 и 5). Сажевые фильтры размещены внутри устройств 11.

Воздуховод 3 содержит источник воздуха, вентиль 8, разветвитель 4 воздуховода, дроссельную заслонку 6 и два датчика давления 10, установленных на каналах разветвителя 4.

Разветвитель 2 выхлопной трубы содержит дроссельную заслонку 5, установленную в разветвителе, привод дроссельной заслонки 7, кроме того, в каждом канале имеются отверстия, края которых соединены с выходами каналов разветвителя 4 герметично.

Каждое СВЧ-устройство 11 содержит замедляющую структуру 14, возбудитель 15, СВЧ-генератор 16 и термопару 12. К одному концу возбудителя присоединен выход генеpатора, а к другому замедляющая структура.

Блок управления содержит субблок термопары (см.фиг.5) и субблок датчиков давления (см.фиг.4).

При выполнении устройства для очистки сажи с одним СВЧ-генератором 16 устройство будет включать СВЧ-переключатель, вход которого соединен с выходом генератора, а выходы с входами возбудителей замедляющих структур.

Устройство работает следующим образом (см. фиг.6).

По мере засорения фильтра 13 сажей в открытом канале разветвителя выхлопной трубы увеличивается давление и в момент времени t₁ срабатывает датчик давления 10, контакты которого включают привод 7 дроссельных заслонок, который переключает выхлопные газы в соседний канал, и СВЧ-генератор канала, закрытого заслонкой. СВЧ-энергия генератора 16 начинает разогревать фильтр 13 с сажей. При достижении температуры фильтра 650-700^оС (момент времени t₂) срабатывает компаратор 18 от тока термопары 12, который открывает вентиль 8, после чего к фильтру подается воздух, сажа воспламеняется, температура фильтра увеличивается. Начинается экзотермический процесс горения сажи. Энергия СВЧ-генератор в этот момент уже не нужна, поэтому в момент времени t₃ компаратор по сигналу термопары 12 отключает генератор 16. После полного выгорания сажи, о чем свидетельствует резкое уменьшение температуры фильтра, компаратор 19 с помощью ПВ 9 закрывает вентиль 8. Один цикл очистки фильтра закончен. Фильтр готов к очистке выхлопных газов в новом цикле после засорения соседнего фильтра, который будет очищен так же.

В случае выполнения устройства для очистки фильтров с одним СВЧ-генератором реле 22 коммутируют СВЧ-разрядники 24 и анодное напряжение СВЧ-генератора.

Использование: в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), в частности в устройствах для очистки фильтров ДВС, содержащее выхлопную трубу, двухканальный газовый разветвитель с установленной в нем дроссельной заслонкой, жестко связанные с выхлопной трубой два фильтра, размещенные попарно в каналах газового разветвителя, два источника СВЧ-энергии и блок управления, дополнительно включает два датчика давления, две термопары, две замедляющие структуры, электрически соединенные с выходами источников СВЧ-энергии, двухканальный воздушный разветвитель с воздушной заслонкой. Последняя установлена с возможностью последовательного перекрытия воздушных каналов. Кроме того, имеется воздуховод с приводным вентилем и коммутатором вентиля, подключенный с одной стороны к источнику сжатого воздуха, а с другой через двухканальный разветвитель к двухканальному газовому разветвителю. Датчики сообщены с каналами газового разветвителя, а термопары установлены в фильтрах. Блок управления выполнен в виде субблока термопар и субблока давления, входы обоих субблоков подключены соответственно к выходам термопар и выходам датчиков давления, а выходы субблоков соединены с коммутатором приводного вентиля и коммутаторами источников СВЧ-энергии. 7 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ФИЛЬТРОВ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащее выхлопную трубу, двухканальный газовый разветвитель с установленной в нем дроссельной заслонкой, жестко связанный с выхлопной трубой, два фильтра, размещенные попарно в каналах газового разветвителя, два источника СВЧ с коммутаторами, входами и выходами и блок управления, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит два датчика давления, две термопары, две замедляющие структуры, электрически соединенные с выходами источников СВЧ, двухканальный воздушный разветвитель с воздушной заслонкой, установленной с возможностью последовательного перекрытия воздушных каналов, и воздуховод с приводным вентилем и коммутатором, подключенный с одной стороны к источнику сжатого воздуха, а с другой через двухканальный воздушный разветвитель к двухканальному газовому разветвителю, датчики сообщены с каналами газового разветвителя, термопары установлены в фильтрах, а блок управления выполнен в виде субблока термопар и субблока датчика давления, входы обоих субблоков подключены соответственно к выходам термопар и выходам датчиков давления, а выходы субблоков соединены с коммутатором приводного вентиля и коммутаторами источников СВЧ.