РЕГЕНЕРИРУЕМЫЙ САЖЕВЫЙ ФИЛЬТР ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ Российский патент 1997 года по МПК F01N3/02 

Изобретение относится к автомобильной, авиационной, судоходной промышленностям и другим, в которых возможно использование двигателей внутреннего сгорания и может быть применено для защиты окружающей среды от загрязнения транспортом при очистке выхлопных газов дизельных двигателей автомобилей от сажи.

Известны устройства для улавливания сажевых частиц в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания, использующие пористые вставки, помещенные внутрь трубчатого корпуса, присоединенного к выхлопной трубе двигателя. В качестве вставки используются пенокерамические материалы или фильтры сотовой конструкции [1]
При работе двигателя фильтры забиваются сажевыми частицами, их эффективность уменьшается, а к. п.д. двигателя снижается. Такие фильтры должны проходить регенерацию непосредственно на двигателе. Для этого к выхлопным газам двигателя на входе в фильтр примешивается воздух, а сажевый фильтр нагревается до температуры 500 600^oC для начала сжигания сажевых частиц в потоке газов, обогащенном кислородом воздуха.

Известен фильтр, использующий в качестве устройства подачи дополнительного воздуха эжектор выхлопных газов [2] С помощью катализатора, нанесенного на пористый фильтр, воздух окисляет продукты неполного сгорания топлива. Однако сажевые частицы при этом остаются в порах фильтра.

Известен ряд регенерируемых фильтров сажевых частиц, в том числе скомбинированных с каталитическими покрытиями, в которых регенерация осуществляется путем подачи дополнительного воздуха в фильтр и нагрева этого фильтра электрической печкой (как это сделано, например, в фильтрах фирмы HUSS, Германия, г. Бремен), или же для нагрева используется СВЧ-излучение, которое обычно применяется для нагрева керамических фильтрующих вставок до температуры начала сгорания твердых сажевых частиц и образования углекислого газа [3] В этих устройствах воздух для обеспечения сгорания подается с помощью эжектора или специального нагревателя, приводимого в движение от самого двигателя. В качестве прототипа взят регенерируемый фильтр, описанный в [3]
Недостатком указанных выше конструкций фильтров является относительно долгое выгорание частиц сажи в фильтрах. Обычно заполнение фильтра твердыми частицами при тяжелых режимах работы дизельного транспорта длится около 8 часов, а для регенерации необходимо 8 10 часов выжигания сажи. Столь длительная очистка связана как с относительно небольшой скоростью сгорания сажевых частиц, так и с неоднородностью их сгорания по объему фильтра из-за неоднородного насыщения потока окисляющего воздуха продуктами сгорания сажи.

Техническим результатом предложенного устройства является сокращение времени регенерации фильтра (не менее чем вдвое) и улучшение качества регенерации. Выгорание сажи по объему фильтра получается практически однородным.

Технический результат достигается тем, что в регенерируемом сажевом фильтре выхлопных газов, состоящем из корпуса, сотовой фильтрующей вставки, эжектора отработанных газов, патрубка наддува воздуха и нагревателя, в промежутке между эжектором и корпусом фильтра установлена пара фигурных колец, образующих щель для прохождения воздуха, причем на кольцах выполнено по одной круговой выточке, которые расположены друг против друга, а в патрубке наддува установлена воздушная заслонка.

Предложенное устройство иллюстрируется чертежом, на котором изображен корпус устройства 1, фильтр 2, нагреватель 3, эжектор 4, воздушный патрубок 5, воздушная заслонка 6, внешнее кольцо 7, внутреннее кольцо 8.

Устройство работает следующим образом. В рабочем режиме двигателя заслонка 6 закрыта, и выхлопные газы выходят из эжектора 4, проходят через сотовый фильтр 2 и очищаются от твердых частиц сажи. После заполнения фильтра сажей, что фиксируется по повышению давления в полости над фильтром (схема измерения давления на чертеже не показана), или же после определенного времени наработки двигателя он переводится в режим регенерации фильтра. Для этого включается нагреватель 3 фильтра и открывается заслонка 6, пропускающая воздух из атмосферы, который всасывается в корпус 1 фильтра струей выхлопных газов, выходящей из эжектора 4. В случае, если фильтр забит очень плотно и давление внутри корпуса 1 значительно повышается, возможно принудительное поступление воздуха через патрубок 5 из атмосферы с помощью воздуходувки, работающей от двигателя в режиме холостого хода. Воздух проходит через щель, образованную кольцами 7 и 8. Кольцевые полоски в кольцах 7 и 8, расположенные напротив друг друга, образуют резонатор, и в проходящем через щель воздухе возбуждаются колебания с частотой около 20 кГц. Далее воздух смешивается с горячими выхлопными газами эжектора, проходит через сотовый фильтр, заполненный сажей и нагретый включенной для регенерации фильтра печкой и вступает в реакцию горения с углеродом сажи. Благодаря высокочастотным колебаниям потока воздуха процесс горения интенсифицируется, скорость массообмена в ультразвуковом акустическом поле увеличивается, что приводит к разрушению слоя вблизи реагирующей поверхности и за счет создания в потоке воздуха, прошедшем через щель между кольцами 7 и 8, высокочастотных колебаний увеличивается скорость сгорания частиц сажи в сотовом фильтре.

Действие ультразвука способствует перемещению воздуха в сотах фильтра и таким образом делает процесс сгорания сажевых частиц однородным по объему фильтра. В результате время регенерации сажевого фильтра уменьшается как минимум в 2 раза и скорость массообмена в ультразвуковом акустическом поле увеличивается в 2 3 и более раз, что приводит к разрушению диффузионного слоя вблизи реагирующей поверхности и за счет создания в потоке воздуха, прошедшем через щель между кольцами 7 и 8, высокочастотных колебаний увеличивается скорость сгорания частиц сажи в сотовом фильтре.

Использование: изобретение может быть использовано в автомобильной, авиационной, судоходной промышленности и др., в которых возможно использование двигателей внутреннего сгорания. Регенерируемый сажевый фильтр выхлопных газов для дизельных двигателей содержит корпус 1, сотовую фильтрующую вставку 2, эжектор 4, воздушный патрубок 5 с заслонкой 6, нагреватель 3. Между корпусом 1 и эжектором 4 установлена с зазором пара колец 7, 8. Внешнее кольцо 7 закреплено на корпусе 1, а внутреннее 8 - на эжекторе. В кольцах выполнены расположенные друг напротив друга кольцевые полоски, образующие резонатор. 1 ил.

Регенерируемый сажевый фильтр выхлопных газов для дизельных двигателей, состоящий из корпуса, сотовой фильтрующей вставки, эжектора отработанных газов, патрубка наддува воздуха и нагревателя, отличающийся тем, что в промежутке между эжектором и корпусом фильтра установлена с зазором пара колец, внешнее, закрепленное на корпусе фильтра, и внутреннее, закрепленное на эжекторе, в которых выполнены кольцевые полоски, расположенные одна напротив другой, а в патрубке наддува установлена воздушная заслонка.