САЖЕВЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 2003 года по МПК F01N3/21 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для очистки отработавших газов дизелей от твердых частиц, включая сажу.

Известен сажевый фильтр, в верхней части вертикально установленного цилиндрического разборного корпуса которого расположен фильтрующий элемент в виде набивки из стальной проволоки. Частично набивка помещена в металлической трубке, приваренной к входному патрубку, расположенной центрально в фильтрующем элементе корпуса фильтра. Набивка внутри трубки смачивается маслом, а фильтрующий элемент между трубкой и боковой стенкой корпуса сухой. Предварительная очистка отработанных газов производится в увлажненной набивке, окончательная - в сухой. Очищенные отработанные газы удаляются из фильтра через выходной патрубок в верхней части боковой стенки корпуса. Масло, подаваемое периодически под давлением форсункой, установленной во входном патрубке фильтра, стекает в поддон корпуса. При этом осуществляется эффективная регенерация фильтрующего элемента. Для предотвращения попадания масла в сухую часть фильтрующего элемента в корпусе установлены отражатели. Фильтр оборудован перепускным клапаном, исключающим чрезмерное возрастание сопротивления выпускного тракта двигателя внутреннего сгорания (см. заявку ФРГ 3606080, МКИ F 01 N 3/02).

К недостаткам этого сажевого фильтра относятся высокий расход масла и низкий срок службы, так как масло может образовывать твердые частицы, что приводит к дополнительному загрязнению фильтрующего элемента.

Известен сажевый фильтр, представляющий собой ротационный очиститель с центростремительным движением отработавших газов. В цилиндрическом корпусе фильтра установлены концентрические внешний и внутренний цилиндры с перфорацией, фильтрующий элемент в виде гранулированного наполнителя кварцевого песка с размером гранул 0,5-2 мм или волокнистой набивки, сборник сажи. Цилиндры закрыты торцевыми непроницаемыми крышками. Привод цилиндров снабжен электродвигателем. При работе электродвигателя наполнитель равномерно плотным слоем покрывает наружный цилиндр. При загрязнении наполнителя производится регенерация, для чего уменьшается число оборотов цилиндра, в результате осуществляется перемешивание наполнителя, частицы сажи отбрасываются к стенкам корпуса и собираются в предусмотренном для этого сборнике сажи (см. заявку ФРГ 3606079, МКИ F 01 N 3/04).

Описанный сажевый фильтр имеет следующие недостатки:
1. Кварцевый песок с размером гранул 0,5...2 мм при любой укладке не обеспечивает улавливание частиц сажи в полном объеме, так как их размер гранул более чем наполовину по массе составляет 1...10 мкм;
2. Цилиндры с фильтрующим элементом в виде гранулированного наполнителя не подлежат качественной балансировке, что приводит к созданию колебательных явлений, воздействующих непосредственно как на корпус фильтра, так и на объем установки фильтра, например транспортная машина, судно и так далее, и снижению срока службы объекта;
3. Гранулы кварцевого песка постоянно истираются, продукты истирания выносятся отработавшими газами и появляются сквозные "свищи", через которые свободно проходят частицы сажи, что также не обеспечивает улавливания этих частиц в полном объеме;
4. Вариант выполнения фильтра с волокнистой набивкой неудачен, так как при высоких частотах вращения фильтра волокнистая набивка уплотняется вдоль внутренней поверхности наружного цилиндра, что создает излишнее противодавление на выпуске, а неравномерное уплотнение приводит к дисбалансу и уменьшению срока службы сажевого фильтра;
5. Электродвигатель привода цилиндров несет ряд неудобств, например, связанных с погружением электродвигателя в воду и грязь при преодолении препятствий, что также приводит к уменьшению срока службы сажевого фильтра.

Известен сажевый фильтр, содержащий цилиндрический корпус с патрубками входа и выхода, соосно установленные концентрические внешний и внутренний цилиндры, причем внешний имеет отверстия в боковой поверхности, торцевые непроницаемые крышки, сборник сажи, газовую турбину, использующую энергию отработавших газов, которая установлена с возможностью вращения на валу, закрепленном в торцевых крышках на опорах, выведенных за пределы внутренней полости цилиндров. Внешний цилиндр жестко связан с корпусом, а внутренний цилиндр выполнен в виде фильтрующего элемента, жестко закрепленного на валу с возможностью вращения. Поверхности внешнего цилиндра выполнены из стальной сетки. Частицы сажи отбрасываются к стенкам корпуса и собираются в предусмотренном для этого сборнике сажи, который установлен под внешним цилиндром. Фильтрующий элемент изготовлен из алюминиевых прутьев, объединенных в цилиндр (см. патент США 5083435, F 01 N 3/02). Как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату этот сажевый фильтр принят за прототип.

Описанный сажевый фильтр имеет следующие недостатки:
1. Фильтрующий элемент имеет зазоры между образующими его прутьями и происходит задержание твердых частиц только определенных зазором размеров; не существует извилистости проходных сечений, шероховатости. Это приводит к улавливанию частиц сажи не в полном объеме.

2. Внешний цилиндр с прямыми цилиндрическими или другими отверстиями обеспечивает проскок в них твердых частиц, однако не обеспечивает необходимой защиты от обратного оттока сажевых частиц, что приводит к низкой эффективности очистки отработавших газов.

Сущность изобретения состоит в том, что сажевом фильтре, содержащем цилиндрический корпус с патрубками входа и выхода, соосно установленные концентрические внешний и внутренний цилиндры, причем внешний имеет отверстия в боковой поверхности, торцевые непроницаемые крышки, сборник сажи, газовую турбину, использующую энергию отработавших газов, которая установлена с возможностью вращения на торцевой крышке на опоре, выведенной за пределы внутренней полости цилиндров, патрубок входа выполнен в виде улитки, внешний цилиндр жестко связан с газовой турбиной и корпусом, а внутренний выполнен в виде металлокерамического пористого каталитического фильтрующего элемента, жестко закрепленного с одной стороны на турбине, а с другой - установленного с возможностью вращения в торцевой крышке, при этом отверстия в боковой поверхности внешнего цилиндра выполнены коническими, сужающимися от внутренней к наружной части боковой поверхности этого цилиндра.

Металлокерамический пористый каталитический фильтрующий элемент может быть изготовлен методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-технологий) с введением в структуру катализаторов горения частиц сажи, например церия. Пористый фильтр имеет высокую однородность структуры, что позволяет производить балансировку цилиндра с турбиной.

Техническим результатом является обеспечение улавливания частиц сажи в полном объеме и повышение эффективности сажевого фильтра за счет выполнения внутреннего цилиндра в виде металлокерамического пористого каталитического элемента и обеспечение полноты выгорания частиц сажи на фильтре за счет наличия катализаторов в фильтрующем элементе. Кроме того, применение во внешнем цилиндре отверстий в виде обратного конуса или сопла Лаваля позволяет улучшить расходные характеристики через отверстия с одной стороны и снизить обратный отток частиц сажи в процессе очистки.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где изображен продольный разрез сажевого фильтра.

Сажевый фильтр содержит цилиндрический корпус 1 с патрубками входа 2, выполненным в виде улитки, с фланцем 3 и выхода 4 с фланцем 5 и внешний цилиндр 6 с коническими отверстиями 7 в боковой поверхности, сужающимися от внутренней поверхности 8 к внешней поверхности 9 цилиндра 6; внутренний цилиндр, выполненный в виде металлокерамического пористого каталитического фильтрующего элемента 10. Внутренний цилиндр размещен соосно концентрично внешнему цилиндру 6. Фильтрующий элемент 10 жестко соосно скреплен крепежной деталью 11 с колесом 12 газовой турбины, использующей энергию отработавших газов, со стороны входа газов и с другой базируется на валу 13. Подшипник 14 опоры 15 и опора 15 турбины вынесен за пределы полости фильтра, образуемой внутренней поверхностью корпуса 1 и торцевыми непроницаемыми крышками 16 и 17, закрепленными на фланцах 18 и 19, и зафиксирован в крышке 20. С другой стороны вал 13 закреплен одним концом в крестообразной вставке 21 в фильтрующем элементе 10, а другим в вынесенным за пределы полости фильтра подшипнике 22, зафиксированном в крышке 23 на торцевой крышке 17. Весь фильтрующий элемент 10 уплотнен от цилиндра 6 в стенке 24 подшипника скольжения 25. В нижней части сажевого фильтра расположен сборник сажи 26 со съемной крышкой 27. Со сторон турбины цилиндр 6 запрессован в стенку 28 турбины. Колесо 12 газовой турбины установлено с возможностью вращения на торцевой крышке 20. Для выхода газов между внешним и внутренними цилиндрами имеется кольцевое окно 29.

Фильтрующий элемент 10, цилиндр 6, поперечная стенка 24 и стенки 28 турбины делят внутреннюю полость сажевого фильтра на полость 30 отфильтрованных газов, полость 31 турбулизированных газов, полость выхода 32, полость 33 сбора сажи.

Такое выполнение сажевого фильтра позволяет наиболее качественно очистить поток отработавших газов дизеля от твердых частиц и их частично дожечь на поверхности фильтрующего элемента 10. Сочетание вращающегося внутреннего цилиндра с неподвижным внешним цилиндром позволяет использовать центробежные силы для отвода твердых частиц с поверхности фильтра и направить их в сборник сажи 26.

На чертеже дополнительно обозначено стрелками движение отработавших газов.

Работа сажевого фильтра осуществляется следующим образом. Отработавшие газы дизеля поступают по патрубку входа 2 и направляются в турбину. Колесо 12 раскручивает фильтрующий элемент 10 до 40...80 об/мин. Поскольку объем полости 33 сбора сажи заперт, то газы направляются через фильтрующий элемент 10 в турбулизированном состоянии. При этом центробежными силами твердые частицы сажи отбрасываются на внешний цилиндр 6, проходят через конические отверстия 7, попадают в полость 33 сбора сажи и осыпаются по внутренним стенкам корпуса 1 в сборник сажи 26, откуда периодически удаляются путем снятия крышки 27. Отфильтрованные газы попадают во внутреннюю полость фильтрующего элемента 10, проходят вдоль стенок, выходят в полость 32 и через патрубок 4 отводятся из сажевого фильтра.

По сравнению с сажевым фильтром-прототипом предложенный сажевый фильтр для дизеля обеспечивает повышение на 15...20% эффективности очистки отработавших газов. Опыт применения лопаточных машин, турбин говорит о том, что наиболее эффективной работы можно добиться предварительным сжатием струи газов в улитках.

Изобретение относится к системе очистки отработавших газов (ОГ) дизелей от твердых частиц, включая сажу. В цилиндрическом корпусе размещены патрубок входа, выполненный в виде улитки, патрубок выхода, соосно установленные концентрические внешний и внутренний цилиндры, торцевые непроницаемые крышки, сборник сажи, газовая турбина, использующая энергию отработавших газов. Эта турбина установлена с возможностью вращения на торцевой крышке на опоре, выведенной за пределы внутренней полости цилиндров. Внешний цилиндр имеет отверстия в боковой поверхности и жестко связан с газовой турбиной и корпусом. Внутренний цилиндр выполнен в виде металлокерамического пористого каталитического фильтрующего элемента, жестко закрепленного с одной стороны на колесе турбины, а с другой - установленного с возможностью вращения в торцевой крышке. Отверстия в боковой поверхности цилиндра выполнены коническими, сужающимися от внутренней к наружной части боковой поверхности этого цилиндра. В нижней части сажевого фильтра расположен сборник сажи. Технический результат: обеспечение улавливания частиц сажи в полном объеме, повышение эффективности очистки на 15-20%, обеспечение полноты выгорания частиц сажи, снижение противодавления на выпуске. 1 ил.

Сажевый фильтр, содержащий цилиндрический корпус с патрубками входа и выхода, соосно установленные концентрические внешний и внутренний цилиндры, причем внешний имеет отверстия в боковой поверхности, торцевые непроницаемые крышки, сборник сажи, газовую турбину, использующую энергию отработавших газов, которая установлена с возможностью вращения на торцевой крышке на опоре, выведенной за пределы внутренней полости цилиндров, отличающийся тем, что патрубок входа выполнен в виде улитки, внешний цилиндр жестко связан с газовой турбиной и корпусом, а внутренний выполнен в виде металлокерамического пористого каталитического фильтрующего элемента, жестко закрепленного с одной стороны на турбине, а с другой - установленного с возможностью вращения в торцевой крышке, при этом отверстия в боковой поверхности внешнего цилиндра выполнены коническими, сужающимися от внутренней к наружной части боковой поверхности этого цилиндра.