УСТРОЙСТВО ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ВЫБРАСЫВАЕМЫХ ЧАСТИЦ САЖИ ДЛЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2000 года по МПК F01N3/02 

Настоящее изобретение относится к устройству нейтрализации отработанных в тепловом двигателе газов и более конкретно - к устройству для уменьшения количества выбрасываемых частиц сажи для тепловых двигателей, в частности для дизельных двигателей в транспортных средствах, в аварийных генераторных агрегатах, строительных машинах и дизельных локомотивах, у которых выбрасываемые с отработанным газом частицы сажи дожигаются (подвергаются нейтрализации) с целью уменьшения их количества.

Устройства для снижения количества частиц сажи путем последующей обработки отработанных газов с помощью керамических фильтров уже известны из уровня техники. Известна также очистка отработанных газов от содержащихся в них частиц сажи дожиганием их на фильтрующем материале с добавлением в применяемое топливо незначительных количеств определенной катализирующей присадки. Эта присадка способствует экзотермической химической реакции с частицами сажи, что практически приводит к снижению точки воспламенения этих частиц.

Использовавшиеся ранее для этой цели монолитные керамические фильтры показали себя как не очень предпочтительные в отношении продолжительности эксплуатации, поскольку уже после кратковременной эксплуатации они разрушались вследствие термических напряжений, возникающих в результате перегрева.

Более пригодными для этого оказались так называемые тканевые фильтры, которые в принципе состоят из множества соединенных друг с другом керамических нитей. Фильтры такого типа по своим общим характеристикам эластичнее и поэтому лучше выдерживают возникающие термические напряжения. Выбрасываемые двигателем частицы сажи вместе с отработанным газом улавливаются керамической плетеной структурой фильтра и вследствие снижения температуры сжигания за счет добавления присадки процесс регенерации фильтра осуществляется уже при температуре приблизительно 320^oC, которая достигается в фильтре практически сразу после запуска двигателя. Таким образом, для регенерации фильтра нет необходимости в принятии дополнительных мер или использовании дополнительного устройства для достижения температуры воспламенения. Дополнительные устройства для регенерации фильтра сравнительно дороги и, кроме того, требуют значительных затрат на подвод энергии, что делает всю установку по дожиганию частиц сажи неэкономичной.

Наиболее существенный недостаток известных керамических фильтров, имеющих тканые или вязаные по типу трикотажа из керамических нитей фильтры, состоит в том, что при продолжительной эксплуатации изначальная плотность материала в полом фильтрующем элементе нарушается из-за нарушения структуры плетеного материала. Попытки придать тканой структуре фильтра определенную стабильность за счет введения стальной сетки в ткань имели только сравнительно средний успех, т. к. соответствующие сроки службы фильтра оказались недостаточны для продолжительной эксплуатации.

Исходя из указанного выше уровня техники, в основу изобретения была положена задача создать такое устройство для уменьшения количества выбрасываемых частиц сажи для тепловых двигателей, которое позволило бы обеспечить внутреннюю механическую прочность при высоких механических нагрузках.

Эта задача решается с помощью предложенного устройства для уменьшения количества выбрасываемых частиц сажи для тепловых двигателей, в частности для дизельных двигателей, включающего емкость с впускным и выпускным штуцерами для газа и полый элемент, частично заполненный фильтрующим материалом. Согласно изобретению фильтрующий материал имеет множество плетеных керамических пакетов в виде свернутых в кольцо плетеных рукавов из керамических нитей, вдоль которых пропущена термостойкая проволока, причем большая ширина петли рукава имеет определенный размер, а термостойкая проволока проходит по каждой отдельной петле плетеной структуры.

При этом емкость и полый элемент выполнены каждый с возможностью придания им любой необходимой формы для размещения керамических пакетов, но впускной штуцер для газа должен быть расположен концентрично емкости.

Целесообразно в устройстве по изобретению свернутые в кольцо керамические пакеты сплющить в стопке под определенным давлением до соответствующего размера.

Согласно изобретению применяемые для плетения керамические нити выполнены из тончайших (6 мкм) филаментов, а керамическая нить имеет диаметр примерно 1 мм, текстурирована и скручена.

Используемый в устройстве по изобретению полый элемент имеет множество отверстий.

Следует отметить, что плетеный рукав керамического пакета выполнен методом одинарного переплетения при ширине петли примерно 4,5 мм с шагом примерно 5 мм.

Особенно предпочтителен для использования в предложенном устройстве фильтрующий материал, имеющий химический состав
SiO≥93,5%,
Al₂O₃ = 4,0%,
Na₂O ≤0,8%.

Также предпочтительно выполнить термостойкую проволоку из нержавеющей стали марки V4A.

При отмеченных выше особенностях термостойкость жаропрочной плетеной керамической структуры составляет 1200^oC.

В одном из вариантов реализации изобретения полый элемент с двойными стенками может быть закрыт на конце.

При этом плотность упаковки керамических пакетов выбрана в зависимости от расхода газа в единицу времени.

Также целесообразно к используемому для работы двигателя топливу перед его подачей в двигатель добавлять каталитическую присадку, содержащую железо и снижающую точку воспламенения частиц сажи до 300-350^oC.

Присадку желательно подавать в топливо насосом, имеющим электронное управление.

Желательно также в предложенном устройстве по изобретению фильтр выполнить съемным.

Ниже изобретение более подробно поясняется описанием примеров выполнения со ссылкой на чертежи, на которых показаны:
на фиг. 1 - блок-схема предложенного устройства для уменьшения выброса частиц сажи из выпускного трубопровода теплового двигателя,
на фиг. 2 - принципиальная конструкция емкости с размещенными в ней полым элементом и керамическими пакетами согласно изобретению,
на фиг. 3 - упрощенное изображение в сечении части полого элемента с уплотненными сплющиванием и неуплотненными керамическими пакетами согласно изобретению,
на фиг. 4 - участок плетеной структуры с керамической нитью согласно изобретению вместе с металлической проволокой согласно изобретению,
на фиг. 5 - аксонометрическое изображение в сечении части керамической нити с металлической проволокой согласно изобретению,
на фиг. 6 - схематичное изображение инструмента для изготовления керамического пакета,
на фиг. 7 - схематичное изображение полого элемента с устройством согласно изобретению для установки керамического пакета.

На фиг. 1 представлена блок-схема предложенного устройства для снижения выброса частиц сажи из теплового двигателя 2. Такое устройство предпочтительно и эффективно, в частности, для дизельных двигателей, поскольку у них выброс частиц сажи сравнительно большой. Выбрасываемые тепловым двигателем 2 частицы сажи через трубопровод 2a попадают в емкость 3 согласно изобретению, которая размещена вместо обычно принятого глушителя в системе для отработанных газов. В емкости 3 выбрасываемые частицы сажи осаждаются на короткое время, пока они не достигнут температуры сгорания.

В простейшем случае каталитическая присадка для снижения температуры воспламенения частиц сажи находится уже в топливе, заполняющем топливный бак 11. В качестве присадок можно было бы использовать тяжелые металлы такие, как медь, никель и кобальт, которые наиболее эффективно снижают точку воспламенения. Однако эти металлы изначально неприемлемы по экологическим причинам. Далее, в качестве каталитически действующих металлов известно применение редкоземельных металлов, воздействие которых на окружающую среду, однако, еще до сих пор не исследовано в полном объеме. В противоположность этому железо, которое также заметно снижает точку воспламенения частиц сажи примерно до 320- 350^oC и, кроме того, рассматривается как не опасное для окружающей среды, является пригодной активной субстанцией для соответствующей присадки. Для соблюдения специальных норм по составу дизельного топлива для тепловых двигателей было разработано органическое соединение железа в аналогичном дизельному топливу растворителе, которое прошло успешную апробацию в качестве присадки. Концентрации присадки являются очень незначительными и составляют для автомобиля среднего класса около 3-4 литров на 100000 км пробега. Это свидетельствует о том, что необходимые для регенерирования частиц сажи в фильтре количества присадок чрезвычайно малы.

Присадка с помощью дозирующего устройства 14 отбирается из бака 16 и подается в топливный бак 11. Затем с помощью используемого в дизельных двигателях топливного насоса 19 высокого давления (ТНВД) смесь из дизельного топлива и присадки подается в камеру сгорания двигателя 2.

В принципе присадку можно подавать также по байпасной линии 14' непосредственно перед ТНВД 19 в подводящий топливопровод. Дозирующее устройство 14 снабжено на чертеже не показанным дозирующим клапаном с электронным управлением.

При сгорании топлива в тепловом двигателе 2 образуются сравнительно большие количества частиц сажи, которые необходимо снижать при выбросе в окружающее пространство в любом случае, т.к. они предположительно оказывают сильное канцерогенное действие на живые организмы.

Как указано выше, частицы сажи попадают из двигателя 2 по выпускному трубопроводу 2a в емкость 3, в которой размещен фильтр для частиц сажи согласно изобретению.

На фиг. 2 показана принципиальная конструкция емкости 3 с размещенным в ней согласно изобретению полым элементом 4. Выходящие из двигателя 2 частицы сажи попадают с отработанным газом через впускной штуцер 5 в емкость 3. Впускной штуцер 5 расположен предпочтительно концентрично емкости 3, если эта емкость 3 цилиндрической формы. Торцевые поверхности 16 и 16' выполнены, как правило, плоскими, однако они могут иметь также конически сужающуюся переходную форму.

Емкость 3 устанавливается вместо обычного глушителя в системе отработанных газов теплового двигателя 2. В предложенном на фиг. 2 варианте выполнения полый элемент 4 расположен концентрично емкости 3 и впускному штуцеру 5. Полый элемент 4 представляет собой цилиндр, стенка 7 которого имеет множество отверстий 8. Полый элемент 4 с обоих концов закрыт плоскими крышками 20 и 21, причем крышка 21 имеет отверстие для впускного штуцера 5.

Содержащий частицы сажи отработанный газ через впускной штуцер 5 поступает внутрь полого элемента 4 и под действием создаваемого им давления проходит сквозь фильтрующий материал, при этом отфильтровывается свыше 90% находящихся в отработанном газе частиц сажи.

С целью не допустить значительного непропорционального увеличения перепада давления внутри полого элемента 4, необходимо соответствующим образом подбирать характеристики фильтрующего материала. В этом заключается собственно трудность и задача данного изобретения, а именно, предложить фильтрующий материал, который обеспечил бы как сравнительно низкий перепад давления, так и эффективное фильтрующее действие для частиц сажи.

На левом конце полого элемента 4 схематично изображены керамические пакеты 9 согласно изобретению. Также схематично показана металлическая проволока 13 согласно изобретению, которая пропущена через всю плетеную структуру. Строение керамических пакетов 9 согласно изобретению более подробно поясняется ниже. Полый цилиндр 4 содержит множество таких керамических пакетов 9, которые уплотняют сплющиванием до заранее заданной плотности, прикладывая механическое давление.

Отфильтрованные на поверхности керамических нитей пакетов 9 частицы сажи уже вскоре после пуска двигателя 2 достигают требуемой температуры воспламенения примерно в 320-350^oC так, что быстрое сгорание частиц сажи происходит уже при низких температурах, чем обусловлена необходимая регенерация фильтра по всему его объему.

На фиг. 3 в сечении с вырезами показана часть полого элемента 4. Это изображение поясняет, каким образом керамические пакеты 9 согласно изобретению расположены в собранном виде в полом элементе 4 и удерживаются в нем. Далее, на этом чертеже видно, что отдельный керамический пакет 9, 10 выполнен в виде свернутого в кольцо плетеного рукава 22 из специальной керамической нити. В первоначальном состоянии керамический пакет 10 представляет собой неспрессованный, недеформированный (несплющенный) и тем самым неуплотненный фильтрующий материал.

Как указано выше, керамический пакет 9, 10 согласно изобретению представляет собой свернутый в кольцо удлиненный рукав 22, который сплетен в виде цилиндра определенным типом плетения. Эта плетеная структура представляет собой одинарное переплетение с шириной петли (a) от 4,5 до 7,5 мм и шагом около 5 мм, как это показано на фиг. 4. Принятая структура с таким типом плетения и такой шириной петли оказалась оптимальной при продолжительных испытаниях, поскольку этот тип плетения обеспечивает необходимый перепад давления в системе отработанных газов при соответствующем уплотнении. Этому в значительной степени способствует пропущенная через каждую отдельную петлю металлическая проволока 13, которая, с одной стороны, позволяет достигнуть необходимой эластичности всего керамического пакета 9, а с другой стороны, препятствует постепенному уплотнению плетеной структуры, чем обеспечивается продолжительный срок службы фильтра для сажи.

Применяемая для плетения рукава керамическая нить 12, как показано на фиг. 5, состоит из тончайших керамических филаментов 12' со средним диаметром около 6 мкм, которые известны на рынке под обычным названием "Hakotherm-1200". Химический состав этих керамических филаментов включает следующие компоненты:
93,5% ≤SiO₂
4% = Al₂O₃
0,8% ≥Na₂O.

Этот керамический материал имеет особенно высокую и длительную термостойкость свыше 1000^oC. Кроме того, этот материал устойчив к действию многих химикатов, за исключением фтористоводородной и фосфорной кислот и сильных щелочей. Эти керамические филаменты, кроме того, безопасны для кожи и здоровья.

Нить 12 состоит, таким образом, из множества тонких керамических филаментов 12', которые текстурированы и скручены. Рядом или внутри нити 12 пропущена металлическая проволока 13, которая проходит через каждую отдельную петлю плетеного рукава, как это видно на фиг. 4. В предлагаемом примере выполнения металлическая проволока выполнена из нержавеющей стали марки V4A, которая, с одной стороны, термостойка, а с другой стороны, обладает достаточным пружинящим действием.

На фиг. 6 показано устройство для изготовления керамического пакета 9, 10, согласно изобретению, в виде удлиненного плетеного рукава 22. Устройство включает проволоку 15 толщиной около 4 мм, которая на конце (от 10 до 15 см) имеет крючки 19, закрепленные с помощью так называемого гибкого шарнира 25 на проволоке 15. Конец проволоки с крючками вплетается на одном конце керамического плетеного рукава по всему его периметру и затем с помощью приводного механизма 24, подробно не показанного, приводится во вращение. Под действием своей центробежной силы крючки 19, которые только на одном конце с помощью гибкого шарнира 25 соединены с проволокой 15, зацепляются за плетеную структуру и полностью свертывают таким образом рукав 22 в утолщенное кольцо, в так называемый керамический пакет 9.

Затем готовый пакет 9 или 10 с помощью показанного на фиг. 7 устройства вставляется в полый элемент 4. На внешний край полого элемента 4 с его открытого конца насаживается кольцо 17, которое в продольном сечении имеет форму воронки. В середине полого элемента 4 размещается стержень 18 с диаметром, примерно равным внутреннему диаметру описанных выше керамических пакетов 9, 10. Предварительно изготовленные керамические пакеты 9, 10 могут быть вставлены в полый элемент 4 вручную или механическим способом. После размещения определенного числа керамических пакетов 9, 10 осуществляется упомянутое выше уплотнение фильтрующего материала сплющиванием этих пакетов с помощью поршня 23 до соответствующего размера в соответствии с целями применения. Механическое давление составляет примерно 2 кг/см² для фильтра с наружным диаметром 38 мм. Чистый вес керамики составляет примерно 850 г при длине стопки пакетов 500 мм.

Изобретение относится к устройствам для уменьшения количества выбрасываемых частиц сажи из системы отработавших газов теплового двигателя. За счет добавки в топливо каталитической присадки точка воспламенения частиц сажи при их дожигании снижается примерно до 300 - 350°С, так что нормальная работа емкости значительно снижена, вследствие чего процесс регенерации фильтра в емкости начинается сравнительно рано. В соответствии с изобретением фильтрующий материал состоит из множества свернутых в кольцо плетеных рукавов из тончайших керамических нитей, вдоль которых пропущена термостойкая проволока. Проволока проходит через каждую отдельную петлю плетеной структуры параллельно керамической нити. Конструкция согласно изобретению обеспечивает удовлетворяющий требованиям срок службы сажевого фильтра, который выдерживает вибрационные и механические нагрузки. 15 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для уменьшения количества выбрасываемых частиц сажи для тепловых двигателей (2), в частности для дизельных двигателей, включающее емкость (3) с впускным и выпускным штуцерами (5, 6) для газа и полый элемент (4), частично заполненный фильтрующим материалом, отличающееся тем, что фильтрующий материал имеет множество плетеных керамических пакетов (9), выполненных в виде свернутых в кольцо плетеных рукавов (22) из керамических нитей (12), вдоль которых пропущена термостойкая проволока, причем большая ширина петли рукава (22) имеет определенный размер, а термостойкая проволока (13) проходит по каждой отдельной петле плетеной структуры. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что емкость (3) и полый элемент (4) выполнены каждый с возможностью придания им любой необходимой формы для размещения керамических пакетов (9). 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что впускной штуцер (5) для газа расположен концентрично емкости (3). 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что свернутые в кольцо керамические пакеты (9) сплющены в стопке под действием определенного давления до соответствующего размера. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что применяемые для плетения керамические нити (12) выполнены из тончайших (6 мкм) керамических филаментов (12'), при этом керамическая нить (12) имеет диаметр примерно 1 мм, текстурирована и скручена. 6. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что стенки (7) полого элемента (4) имеют множество отверстий (8). 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плетеный рукав (22) выполнен методом одинарного переплетения при ширине (а) петли примерно 4,5 мм с шагом примерно 5 мм. 8. Устройство по п.1 или 5, отличающееся тем, что фильтрующий материал имеет следующий химический состав: SiO₂ ≥ 93,5%, Al₂O₃ = 4,0%, Na₂O ≤ 0,8%. 9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что термостойкая проволока выполнена из нержавеющей стали марки V4A. 10. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что термостойкость жаропрочной плетеной керамической структуры составляет до 1200^oC. 11. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что полый элемент (4) с двойными стенками закрыт на конце (20). 12. Устройство по п.1 или 4, отличающееся тем, что плотность упаковки керамических пакетов (9) выбрана в зависимости от расхода газа в единицу времени. 13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что к используемому для работы двигателя топливу перед его подачей в двигатель (2) добавлена каталитическая присадка, содержащая железо и снижающая точку воспламенения частиц сажи до 300 - 350^oC. 14. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что присадка подается в (дизельное) топливо насосом (19). 15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что насос (19) выполнен с электронным управлением. 16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фильтр выполнен в виде съемного фильтра.