Настоящее изобретение относится к фильтрующему многослойному элементу, который выполнен проточным для текучей среды, соответственно к изготовленному с использованием такого предлагаемого в изобретении фильтрующего многослойного элемента фильтру для очистки отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Изобретение относится также к способу изготовления указанного фильтрующего многослойного элемента.
По статистике около трети от всего количества вновь зарегистрированных в Германии в 2000 году новых автомобилей оснащено дизельными двигателями. При этом доля таких автомобилей в Германии традиционно значительно выше по сравнению с другими странами, такими, например, как Франция и Австрия.
Повышенный интерес к автомобилям с дизельным двигателем обусловлен, например, сравнительно малым расходом потребляемого ими топлива, относительно низкими в настоящее время ценами на дизельное топливо, а также улучшенными динамическими качествами подобных автомобилей. Эксплуатация автомобиля с дизельным двигателем представляет особый интерес и с экологической точки зрения, поскольку в выбрасываемых им в атмосферу ОГ содержится гораздо меньшее количество СО2 по сравнению с автомобилями, оснащенными бензиновым двигателем. Вместе с тем следует констатировать и тот факт, что при сгорании дизельного топлива образуется значительно большее количество частиц сажи, чем при сгорании горючей смеси в бензиновых двигателях.
Для нейтрализации ОГ, прежде всего ОГ дизельных двигателей, присутствующие в ОГ углеводороды (НС), а также моноксид углерода (СО) можно известным образом окислять, например, их введением в контакт с каталитически активной поверхностью. Однако восстановление оксидов азота (NOx) в условиях, для которых характерно высокое содержание кислорода, является более сложной задачей. Использование для этой цели трехкомпонентного каталитического нейтрализатора ОГ, который применяется, например, для нейтрализации ОГ двигателей с принудительным воспламенением рабочей смеси, не дает требуемого эффекта. По этой причине был разработан метод селективного каталитического восстановления (СКВ). Помимо этого на пригодность для восстановления оксидов азота испытывались также адсорберы NOx.
Дискуссия о том, какой из компонентов выбрасываемых в атмосферу ОГ - твердые частицы или углеводороды с длинной цепью - оказывает вредное воздействие на здоровье человека, длится уже достаточно длительное время, однако до настоящего времени окончательный ответ на этот вопрос не получен. Несмотря на это наблюдается стремление ограничить выброс в атмосферу подобных вредных веществ определенными допустимыми пределами. В этом отношении возникает вопрос, какой эффективностью фактически должен обладать фильтр, чтобы и в будущем обеспечивать соблюдение известных в настоящее время законодательно установленных норм на токсичность выбросов. Если проанализировать параметры ОГ, выбрасываемых в атмосферу автомобилями, которые в настоящее время эксплуатируются в Федеративной Республике Германии, то можно со всей очевидностью утверждать, что большинство легковых автомобилей, сертифицированных в 1999 г. на соответствие показателей токсичности ОГ нормам Евро-III, может удовлетворять и нормам Евро-IV при условии их оснащения фильтром, эффективность которого составляет по меньшей мере 30-40%.
Для уменьшения количества выбрасываемых в атмосферу твердых частиц известно применение их улавливателей, основу которых составляет керамическая подложка. Такие улавливатели твердых частиц имеют каналы, через которые в них может втекать поток подвергаемых нейтрализации ОГ. Соседние каналы у такого улавливателя твердых частиц попеременно закрыты с его противоположных сторон, т.е. выполнены глухими, и поэтому поток ОГ, поступающий в один из каналов улавливателя твердых частиц, открытый с его входной стороны, проходит сквозь керамическую стенку и вновь выходит из улавливателя твердых частиц через соседний канал, открытый с его выходной стороны. Эффективность подобных фильтров достигает порядка 95% во всем интервале встречающихся на практике значений крупности твердых частиц.
В дополнение к проблеме химических взаимодействий с добавками и специальными покрытиями все еще не решенной остается проблема надежной регенерации фильтра в системе выпуска ОГ автомобиля. Необходимость в регенерации улавливателя твердых частиц обусловлена тем, что пропорционально увеличению количества твердых частиц, скапливающихся в стенке канала, через которую проходит поток ОГ, возрастает потеря давления на уловителе, что отрицательно сказывается на развиваемой двигателем мощности. Процесс регенерации улавливателя твердых частиц заключается в основном в кратковременном его нагреве, соответственно нагреве скопившихся в нем частиц сажи, которые в результате превращаются в газообразные компоненты. Однако подобная высокая термическая нагрузка, которой подвергается улавливатель твердых частиц, снижает срок его службы.
В качестве альтернативы такой проводимой в периодическом режиме и способствующей интенсивному термическому износу улавливателя регенерации была разработана система для непрерывной регенерации фильтров ("непрерывно регенерируемый улавливатель", НРУ). В такой системе частицы дожигаются уже при температурах чуть выше 200°С в результате их окисления диоксидом азота (NO2). Образование необходимого для этого NO2 обычно обеспечивают с помощью катализатора окисления, располагаемого по ходу потока перед улавливателем твердых частиц. Однако в этом случае именно с учетом применения улавливателей твердых частиц в автомобилях, работающих на дизельном топливе, возникает проблема, связанная с недостаточным содержанием в ОГ моноксида азота (NO), который можно превратить в требуемый диоксид азота (NO2). По этой причине до настоящего времени не удается обеспечить непрерывное протекание процесса регенерации улавливателя твердых частиц в системе выпуска ОГ.
Следует далее учитывать и тот факт, что наряду с не дожигаемыми, соответственно не превращаемыми в газообразные компоненты твердыми частицами в их улавливателе накапливаются также масла либо дополнительные остатки добавок, которые не столь просто регенерировать. По этой причине известные фильтры необходимо регулярно заменять и/или промывать. В попытке решить эту проблему были разработаны фильтровальные системы пластинчатого типа, которые допускают возможность их приведения в схожее с вибрационным движение, сопровождающееся механическим удалением указанных выше компонентов из фильтра. Очевидно, однако, что в этом случае некоторая часть не регенерируемых твердых частиц без их последующей обработки непосредственно попадает в атмосферу.
Дополнительно к обеспечению минимальной температуры реакции и определенной продолжительности пребывания твердых частиц в их улавливателе для непрерывной регенерации твердых частиц их взаимодействием с NO2 необходимо обеспечивать также поступление оксида азота в достаточном для такой регенерации количестве. Данные тестов, цель которых состояла в определении количества выбросов моноксида азота (NO) и твердых частиц в динамическом режиме, наглядно свидетельствуют о том, что выброс твердых частиц в атмосферу происходит именно при отсутствии или при исключительно малом содержании в ОГ моноксида азота и наоборот. Отсюда следует, что фильтр для фактически непрерывной его регенерации по существу должен выполнять функцию компенсатора или накопителя, чтобы обеспечивать присутствие в нем обоих реагентов в заданный момент в требуемых количествах. Помимо этого фильтр для его максимально быстрого нагрева до как можно более высоких температур уже непосредственно после пуска холодного двигателя следует располагать максимально близко к ДВС. Перед фильтром с целью обеспечить поступление в него необходимого количества диоксида азота следует устанавливать катализатор окисления, который обеспечивает химическое превращение моноксида углерода (СО) и углеводородов (НС), но прежде всего превращение моноксида азота (NO) в диоксид азота (NO2). Местом, пригодным для размещения этой состоящей из катализатора окисления и фильтра системы вблизи двигателя, является прежде всего положение перед турбонагнетателем, который часто используется в дизельных автомобилях для повышения давления наддува в камере сгорания.
Исходя из рассмотренных выше принципиальных положений, касательно фактического применения подобного фильтра в автомобилестроении возникает вопрос о том, какую конструкцию должен иметь такой фильтр, чтобы он при его размещении в указанном выше положении и при наличии исключительно высоких термических и динамических нагрузок обладал удовлетворительной эффективностью. При этом при разработке новых конструкций фильтров следует прежде всего учитывать наличие и геометрию свободного пространства в предполагаемом месте его установки. В отличие от классических фильтров, расположение которых под днищем кузова автомобиля позволяло придавать им максимально большой объем с целью обеспечить длительное пребывание в фильтре еще не прореагировавших твердых частиц и тем самым достичь высокой его эффективности, для размещения фильтра вблизи двигателя не имеется достаточного свободного места, соответственно пространства.
Для решения этой проблемы была разработана новая концепция, ставшая известной в основном под названием "открытая фильтровальная система". Характерная особенность таких открытых фильтровальных систем состоит в возможности отказаться от конструктивного, попеременного выполнения глухими каналов фильтра с противоположных его сторон. Вместо этого стенки каналов предлагается по меньшей мере частично выполнять из пористого или высокопористого материала, а сами проточные каналы открытого фильтра снабжать расположенными в них отклоняющими или направляющими профильными структурами или элементами. Такие встроенные элементы обеспечивают принудительное отклонение или перенаправление потока, соответственно содержащихся в нем твердых частиц в сторону участков, выполненных из пористого или высокопористого материала. При этом неожиданно было установлено, что твердые частицы в результате замедления их движения и/или соударений налипают на пористую стенку канала и/или остаются в ее толще. Подобный эффект обусловлен перепадами давлений по профилю потока ОГ. В результате отклонения потока в нем, поскольку указанные выше перепады давления стремятся взаимно компенсироваться, дополнительно может возникать локальное пониженное или повышенное давление, вследствие которого возникает эффект фильтрации потока сквозь пористую стенку.
В отличие от известных закрытых фильтровальных систем улавливатель твердых частиц при этом представляет собой открытую систему, поскольку у него не имеется непроточных, глухих каналов. Это свойство тем самым может также рассматриваться как характеристика подобных фильтров твердых частиц и его можно описать, например, параметром "свободная проходимость потока". Так, в частности, "свободная проходимость потока", равная 20%, означает, что в плоскости поперечного сечения по меньшей мере 20% от всей его площади приходится на площадь просматриваемого насквозь участка. У фильтра твердых частиц с плотностью расположения каналов, равной примерно 600 каналов на кв.дюйм поперечного сечения, и гидравлическим диаметром, равным 0,8 мм, величина такой свободной проходимости потока соответствовала бы площади более 0,1 мм.
В патенте US 5298046 раскрыт фильтрующий многослойный элемент, который выполнен проточным для текучей среды и состоит по меньшей мере из одного наружного слоя, выполненного из по меньшей мере частично пористого материала и имеющего по меньшей мере один краевой участок, и по меньшей мере из одного волокнистого слоя, выполненного из волокнистой ткани. По меньшей мере один такой наружный слой образует оболочку, охватывающую волокнистый слой, который благодаря этому надежно удерживается в полости, образованной этим наружным слоем. Согласно патенту US 5298046 толщина наружного слоя (сетки) должна составлять примерно от 1/20 до 1/4 толщины используемых ячеистых материалов, что в абсолютном измерении соответствует 0,1-2,5 мм.
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать пригодный в том числе и для реализации подобной открытой фильтровальной системы фильтрующий материал с гораздо более тонким наружным слоем, который был бы наиболее пригоден для применения именно в соответствии с концепцией непрерывной регенерации и в полной мере отвечал бы обусловленным такой регенерацией требованиям. В этом отношении фильтровальная система должна выдерживать высокие термические и динамические нагрузки, которые возникают в системе выпуска ОГ легкового автомобиля и которые обусловлены носящим импульсный характер выпуском исключительно горячих ОГ. Еще одна задача изобретения состояла в разработке соответствующего фильтра, пригодного для значительного сокращения количества твердых частиц в системе выпуска ОГ. Помимо этого задача изобретения состояла в разработке способа изготовления такого фильтрующего материала.
Указанные задачи решаются с помощью фильтрующего многослойного элемента, выполненного проточным для текучей среды и состоящего по меньшей мере из одного наружного слоя, выполненного из по меньшей мере частично пористого материала и имеющего по меньшей мере один краевой участок, и по меньшей мере из одного волокнистого слоя, выполненного из волокнистой ткани, причем по меньшей мере один наружный слой образует оболочку, охватывающую волокнистый слой, который благодаря этому надежно удерживается в полости, образованной этим по меньшей мере одним наружным слоем.
Отличие предлагаемого в изобретении фильтрующего многослойного элемента от известного из US 5298046 заключается в том, что по меньшей мере один наружный слой образован фольгой толщиной менее 0,04 мм, прежде всего менее 0,03 мм или даже менее 0,02 мм. Изготовление наружного слоя из фольги связано с особыми преимуществами. Так, например, фольга благодаря ее высокой теплопроводности обеспечивает быстрый подвод тепла от контактирующей с потоком ОГ поверхности наружного слоя к волокнистому материалу, что и в этом случае обеспечивает возможность быстрого начала процесса регенерации (например непосредственно после пуска ДВС) задержанных волокнистым материалом и/или внедрившихся в него твердых частиц. Поскольку фольга обладает лишь исключительно малой удельной поверхностной теплоемкостью, еще одно преимущество, связанное с выполнением наружного слоя указанной выше толщины, также состоит в быстром достижении фильтрующим многослойным элементом рабочего состояния, соответственно в быстром его прогреве до минимально необходимой для начала процесса регенерации частиц сажи температуры. Помимо этого с точки зрения особого подхода к выбору материала подобной фольги можно использовать опыт, уже накопленный в области разработки располагаемых вблизи двигателя металлических сотовых элементов, используемых в качестве носителей каталитического нейтрализатора.
Как указано выше, предлагаемый в изобретении фильтрующий многослойный элемент выполнен проточным для текучей среды и состоит по меньшей мере из одного наружного слоя, выполненного из по меньшей мере частично пористого материала, и по меньшей мере из одного волокнистого слоя, выполненного из волокнистой ткани. Наружный слой имеет, кроме того, по меньшей мере один краевой участок. Такой фильтрующий многослойный элемент отличается тем, что по меньшей мере один его наружный слой образует оболочку, охватывающую волокнистый слой, который благодаря этому надежно удерживается в полости, образованной этим по меньшей мере одним наружным слоем. Под оболочкой в данном контексте имеется в виду такое расположение по меньшей мере одного наружного слоя, при котором этот по меньшей мере один наружный слой по меньшей мере частично выходит и за пределы волокнистого слоя, прежде всего полностью окружает или охватывает его. В соответствии с подобной трактовкой наружный слой по меньшей мере частично образует оболочку по всему периметру волокнистого слоя. Подобный охват наружным слоем волокнистого слоя по его краю предотвращает за счет геометрического замыкания перемещение волокнистого слоя относительно по меньшей мере одного наружного слоя по меньшей мере в одном направлении.
Фильтрующий многослойный элемент при таком его конструктивном исполнении объединяет в себе несколько преимуществ, имеющих важное значение прежде всего с учетом его размещения вблизи двигателя. Так, в частности, по меньшей мере один наружный слой представляет собой своего рода защитную оболочку, которая защищает расположенный под ней волокнистый слой от ударной нагрузки, обусловленной возникающими в системе выпуска ОГ скачками давления, соответственно от термической нагрузки, обусловленной повышением температуры до максимальных значений. В отличие от наружного слоя волокнистый слой представляет собой гораздо более рыхлый многослойный материал из волокон. В этом отношении следует отметить, что в понятие "волокнистая ткань" включены все волокнистые структуры с любым возможным расположением волокон в виде нетканых материалов, трикотажных изделий или иных аналогичных материалов. Помимо этого и в качестве волокнистого материала могут использоваться самые разнообразные материалы, например керамические волокна, металлические волокна, спеченные материалы или иные аналогичные материалы. Волокнистый слой может при этом иметь очень высокую пористость, поскольку при расчете его параметров из-за наличия защищающего его наружного слоя нет необходимости учитывать его прочность. В этом отношении в волокнистом слое можно предусмотреть особо крупные полости, поры или иные аналогичные пустоты. Подобная возможность обеспечивается прежде всего благодаря тому, что по меньшей мере один наружный слой имеет форму полосы или пленки, т.е. образует для волокнистого слоя опорную поверхность сравнительно большой площади. Поэтому в предлагаемом в изобретении фильтрующем многослойном элементе можно использовать гораздо менее плотные, т.е. более рыхлые волокнистые материалы по сравнению, например, с известными проволочными сетками, применявшимися до настоящего времени для придания формоустойчивости слоям фильтра.
При изготовлении подобных многослойных структур (сэндвич-структур) с обеих сторон фильтрующего материала располагали по опорной структуре (прежде всего проволочные плетеные сетки) и затем этой сэндвич-структуре гибкой, соответственно пластической деформацией придавали требуемую форму. При этом такие сэндвич-структуры располагали в потоке ОГ в таком положении, в котором края (соответственно торец) фильтрующего материала без всякой их защиты подвергались воздействию пульсирующего потока ОГ. В результате именно на этих торцовых участках происходило "разлохмачивание" фильтрующего материала. С целью надежно зафиксировать волокнистый материал между проволочными ткаными сетками на более длительный срок всю эту сэндвич-структуру необходимо было спрессовывать с приложением высокого усилия, что из-за происходившего в результате значительного уменьшения размеров пор, соответственно свободных полостей, доступных для скапливания в них твердых частиц, приводило к ощутимому снижению эффективности фильтрующего материала. В предлагаемом в изобретении фильтрующем многослойном элементе этой проблемы удается избежать простым путем благодаря тому, что охват наружным слоем волокнистого слоя по всему его краю непосредственно обеспечивает надежную фиксацию волокнистого слоя в полости, образованной этим по меньшей мере одним наружным слоем.
В одном варианте выполнения предлагаемого в изобретении фильтрующего многослойного элемента его защищающая волокнистый слой оболочка может быть образована одним наружным слоем, который имеет по меньшей мере один краевой участок и один расположенный напротив него образованный пластической деформацией участок и на этом по меньшей мере одном краевом участке неразъемно соединен с самим собой. В соответствии с этим наружный слой имеет такие размеры, которые позволяют один раз сложить его пополам, "обернув" его вокруг волокнистого слоя, для чего наружный слой вблизи края волокнистого слоя пластически деформируют (подвергают гибке, фальцовке или деформации иным аналогичным методом) и с противоположной стороны соединяют на краевом участке с самим собой, например, пайкой или сваркой. Такой фильтрующий многослойный элемент предпочтительно при этом располагать в потоке ОГ ДВС в таком положении, чтобы поток набегающих на фильтрующий многослойный элемент ОГ натекал либо на его краевой участок, на котором выполнено неразъемное соединение, либо на его образованный пластической деформацией участок. В результате на указанных участках за счет геометрического замыкания образуется своего рода барьер, который препятствует смещению, соответственно перемещению волокнистого слоя относительно наружного слоя в направлении потока ОГ. В направлении же, перпендикулярном направлению потока ОГ, фиксация фильтрующего многослойного элемента охватывающим его наружным слоем в принципе не требуется, поскольку в этом направлении на него действуют сравнительно небольшие усилия. Более того, наличие у фильтрующего многослойного элемента некоторой подвижности в направлении, перпендикулярном направлению потока ОГ, позволяет, например, компенсировать различия в величине теплового расширения наружного слоя и волокнистого слоя.
В другом варианте, альтернативном описанному выше, у предлагаемого в изобретении фильтрующего многослойного элемента его оболочка может быть образована по меньшей мере двумя наружными слоями, которые по меньшей мере на одном их краевом участке неразъемно соединены между собой, а волокнистый слой расположен и надежно удерживается между этими соединенными друг с другом наружными слоями. В соответствии с этим вариантом предлагаемый в изобретении фильтрующий многослойный элемент имеет сэндвич-структуру, в которой волокнистый слой расположен между по меньшей мере двумя наружными слоями. В этом случае, таким образом, оболочка образована наружными слоями, каждый из которых имеет по выходящему за пределы волокнистого слоя краевому участку, которые неразъемно соединены между собой (пайкой, сваркой, спеканием, склеиванием). Каждый их этих краевых участков располагается при этом вблизи одной из двух расположенных друг напротив друга кромок наружного слоя. Несмотря на то, что и в этом варианте краевой участок с неразъемным соединением предпочтительно располагать в основном за пределами участка расположения волокнистого слоя, при определенных условиях может оказаться целесообразным выполнять один из двух наружных слоев удлиненным с таким расчетом, чтобы его можно было загнуть вокруг края волокнистого слоя и соединить с другим наружным слоем на участке расположения волокнистого слоя. Сформированная таким путем защитная оболочка также способствует надежному удержанию волокнистого слоя внутри нее.
В любых вариантах, рассмотренных выше, по меньшей мере один наружный слой предлагаемого в изобретении фильтрующего многослойного элемента по меньшей мере на одном краевом участке может иметь уменьшенную по сравнению с остальной его частью пористость или не иметь пористости на этом участке. Сказанное означает, что наружный слой имеет по меньшей мере два участка, характеризующихся различной проницаемостью для ОГ. Если непосредственно в зоне контакта с волокнистым слоем наружный слой имеет относительно высокую проницаемость или пористость из-за наличия в этом месте сверленых отверстий, пробитых отверстий, окошек, проходов или иных аналогичных сквозных отверстий, то на краевом участке наружный слой предпочтительно выполнять из по существу не проницаемого для текучей среды материала. Сказанное относится прежде всего к используемому для выполнения неразъемного соединения присадочному материалу, прежде всего припою или свариваемому металлу. При соблюдении указанного условия обеспечивается долговечное соединение соединяемых между собой наружных слоев даже в среде с высокой коррозионной активностью, преобладающей, например, в системе выпуска ОГ.
Согласно следующему варианту выполнения предлагаемого в изобретении фильтрующего многослойного элемента предпочтительно, чтобы его средняя пористость составляла более 70%, прежде всего даже более 90%. Значение средней пористости указывается при этом в основном для фактически пористого участка, т.е. без учета краевых участков, для которых характерна пониженная пористость. Хотя для волокнистого слоя, как очевидно, часто и характерна пористость, которая значительно превышает 70% или 90%, тем не менее окружающий волокнистый слой наружный слой несколько уменьшает пористость всего фильтрующего многослойного элемента в целом. Пористость наружного слоя определяется, например, размером и/или количеством имеющихся в нем проходов, отверстий или иных аналогичных сквозных элементов. Так, например, в наружном слое можно предусматривать сравнительно крупные отверстия (диаметром, например, от 2 до 6 мм), но в относительно небольшом количестве на единицу площади. Если, например, перепад давления на фильтрующем многослойном элементе имеет лишь второстепенное значение, то такие отверстия можно также выполнять гораздо меньших размеров (существенно менее 1 мм), но в большом количестве на единицу площади. В целом же конкретные размеры отверстий и их количество, которые обеспечивают получение требуемой пористости, зависят от множества параметров, в качестве примера которых при этом можно назвать состав ОГ (размеры содержащихся в них твердых частиц, колебания давления и т.д.), используемый волокнистый материал и/или прочностные свойства наружного слоя.
В соответствии со следующим вариантом выполнения предлагаемого в изобретении фильтрующего многослойного элемента по меньшей мере один краевой участок начинается от кромки наружного слоя и проходит на ширину, которая составляет от 3 до 15 мм, при этом такой краевой участок предпочтительно предусмотрен со стороны по меньшей мере двух расположенных друг против друга кромок наружного слоя. Указанная ширина краевого участка обеспечивает долговечное соединение между собой соседних наружных слоев. Размеры указанного участка согласованы прежде всего с известными методами пайки и, например, роликовой сварки. В этом отношении необходимо также отметить, что волокнистый материал можно полностью, по всему его периметру заключить в кожух, соответственно в оболочку, и в этом случае паяное соединение, соответственно сварной шов выполняют полностью замкнутым по всему периметру наружных слоев вдоль их кромок.
Как уже упоминалось выше, неразъемное соединение наиболее предпочтительно выполнять с использованием припоя. Применение припоя уже достаточно хорошо зарекомендовало себя для выполнения обладающих особо высокой коррозионной стойкостью и теплостойкостью соединений при изготовлении носителей каталитического нейтрализатора из фольги. Очевидно, однако, что при определенных условиях можно использовать и различные известные методы сварки, спекания или склеивания.
Согласно следующему варианту выполнения предлагаемого в изобретении фильтрующего многослойного элемента волокнистый слой имеет первую длину и первую ширину, а по меньшей мере один наружный слой имеет вторую длину и вторую ширину, при этом первая длина и/или первая ширина меньше второй длины и/или второй ширины. Сказанное означает, что наружные слои при их концентричном расположении с волокнистым слоем по меньшей мере частично выступают за края волокнистого слоя. В результате у наружных слоев образуются взаимно перекрывающиеся участки, которые предпочтительно использовать для выполнения на них описанного выше неразъемного соединения.
Что касается геометрических параметров волокнистого слоя, то его поперечная протяженность или толщина составляет от 0,01 до 1 мм. Предпочтительны при этом волокнистые слои, собственная пористость которых составляет более 85%. Вполне удовлетворительные результаты касательно эффективности фильтрации были получены в ходе испытаний, в которых использовали волокна диаметром от 0,008 до 0,015 мм.
В качестве меры, способствующей более эффективному отклонению потока в заданном направлении, у подобного фильтрующего многослойного элемента именно с точки зрения его использования применительно к так называемому открытому фильтру по меньшей мере один наружный слой предлагается снабдить по меньшей мере одной направляющей поверхностью для потока. Сказанное означает, что наружный слой выполнен не полностью ровным, а имеет на его поверхности профильную структуру, соответственно профильную микроструктуру, образующую направляющие поверхности, изменяющие направление потока. Так, например, предпочтительна профильная структура, ориентированная поперечно направлению потока ОГ, причем в этом случае для достижения необходимого эффекта такую профильную структуру при определенных условиях достаточно выполнить высотой несколько миллиметров (менее 2 мм, прежде всего менее 1 мм). Такие направляющие поверхности для потока способствуют целенаправленному изменению направления потока ОГ, повышая эффективность фильтра в целом.
Следующим объектом настоящего изобретения является предлагаемый в нем фильтр, который может использоваться для очистки потока отработавших газов, образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания. Подобный фильтр имеет по меньшей мере один описанный выше фильтрующий многослойный элемент, который по меньшей мере частично расположен в кожухе фильтра с образованием каналов, прежде всего по типу сотовой структуры, которые предпочтительно по меньшей мере частично сужены. Сказанное означает, что предлагаемый в изобретении фильтрующий многослойный элемент может использоваться и в фильтровальных системах с попеременно закрытыми или глухими каналами, и для изготовления открытых фильтров со свободной проходимостью потока более 20%, прежде всего более 40%.
При выполнении предлагаемого в изобретении фильтра в виде открытого фильтра его можно изготавливать из гофрированных листов фольги и практически плоских фильтрующих многослойных элементов, которые сначала попеременно набирают в пакет и затем в таком виде совместно сворачивают в рулон и/или скручивают. При этом гофрированный лист фольги снабжен отклоняющими поток профильными структурами, которыми проходящий через фильтр поток ОГ по меньшей мере частично отклоняется в сторону пористого фильтрующего многослойного элемента. Тем самым поток ОГ по меньшей мере частично проходит через фильтрующий многослойный элемент, который задерживает прежде всего те присутствующие в потоке ОГ твердые частицы, размер которых составляет от 20 до 200 нм. В зависимости от периодичности, с которой частичный поток газа отклоняется подобными отклоняющими приспособлениями в сторону такой стенки, образованной материалом фильтрующего многослойного элемента, и проходит сквозь нее, при осевом прохождении потока через фильтр наблюдается нарастающий эффект фильтрации.
В соответствии еще с одним вариантом выполнения предлагаемого в изобретении фильтра по меньшей мере одному наружному слою по меньшей мере частично придана рельефная или профильная структура, которая в основном ограничивает каналы. Иными словами, сказанное означает, что такой рельефной или профильной структурой по существу определяется живое сечение канала. Наружные слои, соответственно волокнистый слой предпочтительно совместно снабжать подобной рельефной или профильной структурой, в качестве которой целесообразно использовать прежде всего гофрированную структуру.
Еще одним объектом настоящего изобретения является способ изготовления предлагаемого в изобретении фильтрующего многослойного элемента, подробно рассмотренному выше, заключающийся в том, что по меньшей мере одному наружному слою, за исключением по меньшей мере одного его краевого участка, придают пористость, на наружном слое располагают волокнистый слой, по меньшей мере из одного наружного слоя формируют оболочку и по меньшей мере на одном краевом участке наружного слоя выполняют неразъемное соединение, надежно фиксируя таким путем волокнистый слой в полости, образованной этим по меньшей мере одним наружным слоем.
Придавать пористость наружному слою можно, например, уже в процессе получения его материала. Очевидно, однако, что пористость наружному слою можно также придавать выполнением сверленых отверстий, окошек, проходов или иных аналогичных сквозных отверстий в уже изготовленном непроницаемом для текучей среды материале. Для этой цели могут использоваться прежде всего основанные на удалении материала технологические методы (резание, вырубка, пробивка, сверление и т.д.), методы травления или термическая обработка, прежде всего лазерная. Для формирования волокнистого слоя могут использоваться все уже известные методы, позволяющие изготавливать из волокнистого материала трикотажные изделия, тканые изделия или иные аналогичные изделия.
В соответствии с одним из вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа оболочку, входящую в состав фильтрующего многослойного элемента, формируют путем пластической деформации наружного слоя, прежде всего путем гибки, перегиба или фальцовки наружного слоя на его пластически деформируемом участке. Этот вариант осуществления предлагаемого в изобретении способа наиболее целесообразно использовать прежде всего для изготовления предлагаемого в изобретении фильтрующего многослойного элемента, который имеет только один наружный слой. При этом с учетом высокой термической и динамической нагрузки, которой наружный слой подвергается в процессе эксплуатации фильтрующего многослойного элемента, расположенные рядом друг с другом участки этого одного наружного слоя предпочтительно дополнительно соединять между собой в зоне пластически деформируемого участка неразъемным соединением. Наличие подобного соединения и в этой зоне гарантирует сохранение надежной фиксации волокнистого слоя даже в случае растрескивания или разрыва наружного слоя на участке его сгиба.
В следующем варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа оболочку, входящую в состав фильтрующего многослойного элемента, формируют из двух наружных слоев, между которыми при этом располагают по меньшей мере один волокнистый слой с таким расчетом, чтобы краевые участки наружных слоев выступали за пределы этого волокнистого слоя и тем самым по меньшей мере частично непосредственно накладывались один на другой. Сказанное означает, что между расположенными рядом друг с другом и наложенными один на другой краевыми участками наружных слоев волокнистый материал отсутствует, и поэтому повреждение волокнистого слоя неразъемным соединением на этом краевом участке исключается. Помимо этого благодаря отсутствию волокнистого материала в месте расположения неразъемного соединения на краевых участках наружных слоев это соединение способно в течение длительного периода времени выдерживать воздействие на него среды с высокой коррозионной активностью в условиях, преобладающих в системе выпуска ОГ двигателя внутреннего сгорания.
В соответствии со следующим вариантом осуществления предлагаемого в изобретении способа перед размещением волокнистого слоя на наружном слое по меньшей мере одному наружному слою предлагается придавать рельефную или профильную структуру. При формировании оболочки фильтрующего многослойного элемента из двух наружных слоев каждому из них рельефную или профильную структуру предпочтительно придавать путем их последовательной во времени обработки и каждому из них предпочтительно придавать рельефную или профильную структуру, отличную от рельефной или профильной структуры, придаваемой соответственно другому наружному слою. Подобный подход позволяет, например, изготовить фильтр с различной плотностью расположения каналов по его поперечному сечению, что обеспечивает целенаправленное согласование конкретной формы поперечного сечения каналов, соответственно плотности их расположения с профилем набегающего потока ОГ.
Неразъемное соединение наружных слоев между собой можно выполнять различными методами и, в частности, согласно еще одному варианту осуществления предлагаемого в изобретении способа такое неразъемное соединение можно выполнять либо сваркой, либо пайкой. Соединения подобного типа являются наиболее предпочтительными, что, однако, при определенных условиях не исключает возможности выполнения неразъемного соединения спеканием или склеиванием.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления предлагаемого в изобретении способа по меньшей мере один наружный слой снабжают задерживающим припой средством, располагаемым за пределами по меньшей мере одного краевого участка. В качестве такого задерживающего припой средства можно использовать известные масла, лаки, воски, керамические слои или иные аналогичные материалы, которые предотвращают проникновение припоя во внутреннюю часть оболочки, в которой расположен волокнистый слой. Тем самым, во-первых, исключается уменьшение пористости волокнистого слоя из-за попадания в него припоя, а во-вторых, обеспечивается также наличие необходимого для образования паяного соединения расчетного количества припоя непосредственно в месте образования неразъемного соединения.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере предпочтительных и наиболее предпочтительных вариантов выполнения фильтрующего многослойного элемента, соответственно фильтра со ссылкой на прилагаемые чертежи. Эти чертежи служат также для иллюстрации предлагаемого в изобретении способа, рассмотренного выше. Вместе с тем следует особо отметить, что изобретение не ограничено показанными на этих чертежах вариантами его осуществления. На прилагаемых к описанию чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - первый вариант выполнения фильтрующего многослойного элемента, изображенного схематично в аксонометрической проекции,
на фиг.2 - другой вариант выполнения фильтрующего многослойного элемента, изображенного в разрезе,
на фиг.3 - фрагмент изображенного в разрезе предлагаемого в изобретении фильтра, выполненного по одному из вариантов,
на фиг.4 - детальное увеличенное изображение заключенного на фиг.3 в окружность участка фильтра,
на фиг.5 - схема системы выпуска ОГ,
на фиг.6 - другой вариант выполнения фильтра, фрагмент которого изображен схематично в аксонометрической проекции,
на фиг.7 - следующий вариант выполнения фильтра, изображенного схематично в аксонометрической проекции, и
на фиг.8 - еще один вариант выполнения предлагаемого в изобретении фильтра, изображенного схематично в аксонометрической проекции.
На фиг.1 в аксонометрической проекции схематично показан предлагаемый в изобретении фильтрующий многослойный элемент (комбинированный фильтрующий элемент) 1 с двумя наружными слоями 2, выполненный по одному из вариантов. Наружные слои 2 по меньшей мере частично выполнены из пористого материала (что на чертеже условно показано точками на участке их поверхности) и имеют по два краевых участка 3 с противоположных сторон. Фильтрующий многослойный элемент 1 имеет также волокнистый слой 4 из волокнистой ткани. Оба наружных слоя 2 образуют оболочку 31, охватывающую волокнистый слой 4, который благодаря этому надежно удерживается в полости между обоими наружными слоями 2. Оба наружных слоя 2 на их краевых участках 3 вблизи их кромки 6 неразъемно соединены между собой (соединение 22), прежде всего пайкой или сваркой.
Волокнистый слой 4 имеет первую длину 9 и первую ширину 10. Наружные слои 2 имеют соответственно вторую длину 11 и вторую ширину 12, которые в показанном на чертеже варианте равны между собой (т.е. длина равна ширине). В принципе наружные слои 2, используемые для образования фильтрующего многослойного элемента 1, соответственно его оболочки 31, могут также иметь отличающиеся друг от друга по величине вторую длину 11 и вторую ширину 12. Помимо этого согласно показанному на чертеже варианту вторая длина 11, которую имеют наружные слои 2, по величине превышает первую длину 9, которую имеет волокнистый слой 4. В соответствии с этим наружные слои 2 по длине выступают за пределы волокнистого слоя 4, и поэтому их краевые участки 3 могут непосредственно накладываться один на другой. Подобное непосредственное наложение краевых участков один на другой способствует получению долговечных соединений 22.
На фиг.2 в разрезе схематично показан выполненный по другому варианту фильтрующий многослойный элемент 1, оболочка 31 которого в этом случае образована лишь одним наружным слоем 2. Наружный слой 2 имеет по меньшей мере один краевой участок 3 и расположенный напротив него образованный пластической деформацией участок 32 и на краевом участке 3 неразъемно соединен с самим собой. В этом случае такое неразъемное соединение обеспечивается припоем 8, при этом за пределами краевого участка 3 предусмотрено задерживающее припой средство 23, которое в процессе термической обработки предотвращает попадание припоя 8 в зону вблизи волокнистого слоя 4. В показанном на чертеже варианте внутри складки, образованной пластически деформированным участком 32, находится припой 8, для задерживания которого и в этом месте при необходимости можно предусмотреть задерживающее припой средство 23. Краевой участок 3 начинается от кромки 6 наружного слоя 2 и проходит на ширину 7, которая предпочтительно составляет от 3 до 15 мм.
В показанном на фиг.2 варианте материал, из которого выполнен наружный слой 2, например фольга, имеет толщину 5, которая составляет менее 0,04 мм. На этом чертеже обозначена также поперечная протяженность или толщина 13 волокнистого слоя 4, которая предпочтительно составляет от 0,01 до 1 мм.
Показанный на фиг.2 наружный слой 2 на некотором его участке снабжен также направляющими поверхностями 15 для потока. Такие направляющие поверхности образованы прежде всего микропрофильными структурами. В рассматриваемом варианте подобные микропрофильные структуры, соответственно направляющие поверхности выполняют две функции. С одной стороны, они изменяют направление движущегося вдоль них (от краевого участка 3 к образованному пластической деформацией участку 32 или в обратном направлении) потока ОГ, соответственно завихряют его, что обеспечивает отклонение частичных потоков газа в сторону соседней пористой стенки, прежде всего в сторону предлагаемого в изобретении фильтрующего многослойного элемента, соответственно их проникновение сквозь нее. С другой стороны, подобные микропрофильные структуры, как очевидно, оказывают также зажимное или защемляющее действие на расположенный внутри волокнистый слой 4. Благодаря этому повышается устойчивость фильтрующего многослойного элемента 1. Помимо этого наличие таких микропрофильных структур позволяет увеличить пористость наружного слоя 2, поскольку создаваемые ими, дополнительно прикладываемые к волокнистому слою 4 зажимные усилия уже достаточно надежно предотвращают возможное его "разлахмачивание" или расплетание.
На фиг.3 детально показан фрагмент схематично изображенного предлагаемого в изобретении фильтра, выполненного по одному из вариантов. Такой фильтр 16 состоит из перегородок 14, между которыми расположен по меньшей мере один фильтрующий многослойный элемент 1. Фильтрующий многослойный элемент 1, равно как и перегородки 14 показаны на этом чертеже в разрезе, при этом оба наружных слоя 2 и в этом случае образуют оболочку 31 (не показана) вокруг волокнистого слоя 4. В показанном на чертеже варианте фильтрующему многослойному элементу 1 придана профильная структура 21, основная функция которой состоит в отделении друг от друга гладких перегородок 14 и в образовании совместно с ними каналов 19. Площадь поперечного сечения канала 19 в основном определяется геометрией этой профильной структуры 21, которую имеет фильтрующий многослойный элемент 1.
На фиг.4 в упрощенном виде и в увеличенном масштабе показан фрагмент фильтра, обозначенный на фиг.3 позицией IV. В соответствии с приведенным на этом чертеже изображением волокнистый слой 4 ограничен наружным слоем 2. Наружный слой 2 имеет множество отверстий 24, диаметр которых обозначен позицией 25. Диаметр 25 отверстий в зависимости от цели применения фильтра варьируется в широких пределах и предпочтительно составляет от 2 до 6 мм. Однако при определенных условиях подобные отверстия можно выполнять и диаметром менее 1 мм или даже менее 0,1 мм. Волокнистый слой 4 состоит, как это также показано в упрощенном виде, из множества волокон 33, которые образуют трикотаж, ткань или иной аналогичный материал. В другом варианте этот слой может быть также образован металлическими волокнами, спеченными материалами либо проволочной тканой сеткой. В показанном на чертеже варианте в волокнистый слой 4 интегрированы дополнительные элементы или компоненты, прежде всего катализаторы 34, которые способствуют регенерации внедрившихся в волокнистый слой частиц сажи или иных аналогичных включений уже при низких температурах (например, при температуре от 200 до 300°С).
На фиг.5 показана схема системы 27 выпуска ОГ, которой оснащен ДВС 17. Подобным ДВС 17 предпочтительно является дизельный двигатель. Система 27 выпуска ОГ имеет следующие, расположенные последовательно в направлении 35 потока ОГ компоненты:
- расположенный первым по ходу потока катализатор 40 окисления,
- предлагаемый в изобретении фильтр 16,
- турбонагнетатель 39 и
- еще один каталитический преобразователь или нейтрализатор 29.
Каждый из отдельных компонентов системы выпуска ОГ может размещаться в отдельном корпусе либо несколько таких компонентов могут совместно размещаться в одном общем корпусе, и все они соединены между собой выпускным трубопроводом 28. Как уже упоминалось в начале описания, фильтр 16 наиболее предпочтительно располагать максимально близко к ДВС 17. При этом фильтр наиболее предпочтительно располагать на расстоянии 26 от ДВС 17, составляющем менее 0,7 м, прежде всего даже менее 30 см. При таком расположении отдельных компонентов системы выпуска ОГ сначала катализатор 40 окисления обеспечивает образование достаточного количества диоксида азота, который в непосредственно установленном за катализатором окисления фильтре 16 обеспечивает (непрерывную) регенерацию скопившихся в нем частиц сажи. Последующий каталитический преобразователь 29 может быть выполнен, например, и в виде комбинированного каталитического нейтрализатора, который имеет отдельные участки с различной теплоемкостью. При этом подобный комбинированный каталитический преобразователь должен иметь такую компоновку, чтобы его теплоемкость повышалась в направлении потока ОГ.
На фиг.6 в аксонометрической проекции схематично показан предлагаемый в изобретении фильтр 16, выполненный по другому варианту. В этом варианте фильтр 16 также имеет перегородки 14, между которыми расположено по предлагаемому в изобретении фильтрующему многослойному элементу 1. В показанном на чертеже варианте фильтрующий многослойный элемент 1 состоит из двух наружных слоев 2 и расположенного между ними волокнистого слоя 4, при этом неразъемное соединение, которым оба наружных слоя соединены между собой на их краевых участках, лежит вне плоскости показанного на чертеже сечения и поэтому не изображено на нем. В этом варианте профильная структура придана перегородкам 14, тогда как фильтрующий многослойный элемент 1 имеет в основном ровную поверхность. За счет придания перегородкам 14 такой профильной структуры образуются проточные каналы 19, через которые в направлении 35 может проходить поток ОГ. В этом случае образованные перегородками 14 каналы 19 согласованы с характеристиками набегающего потока ОГ за счет выполнения различных перегородок с различной по высоте 30 профильной структурой.
Показанный на этом чертеже фильтр по своему исполнению в основном соответствует открытому фильтру. Подобное свойство определяется величиной свободной проходимости потока, которая составляет по меньшей мере 20%. Свободная проходимость потока в данном контексте означает, что в любом произвольном поперечном сечении по меньшей мере 20% от всей его площади приходится на площадь просматриваемого насквозь прямого участка, т.е. на площадь сквозного участка, не закрытого или не перекрытого выступающими в него встроенными элементами, такими, например, как отклоняющие поверхности 37 или иные аналогичные элементы. Иными словами, сказанное означает, что сквозь каналы подобного фильтра твердых частиц можно, если смотреть со стороны одного его торца, по меньшей мере частично увидеть расположенное со стороны противоположного его торца пространство при условии, что все встроенные элементы занимают примерно одинаковое положение, т.е. расположены один позади другого на одной линии. Подобная конструкция, как правило, типична для сотовых элементов, состоящих из слоев по меньшей мере частично структурированных или профилированных металлических листов. Вместе с тем, однако, в случае не расположенных на одной линии встроенных элементов свободная проходимость потока не обязательно должна означать, что такой сотовый элемент фактически частично просматривается насквозь. Перегородки 14 снабжены сквозными отверстиями 36 и отклоняющими поверхностями 37, обеспечивающими отклонение потока ОГ в сторону фильтрующего многослойного элемента 1. При этом в потоке ОГ возникают перепады давления, под действием которых образующиеся частичные потоки газа проникают сквозь фильтрующий многослойный элемент 1, что сопровождается задерживанием, соответственно накоплением частиц сажи или иных присутствующих в ОГ компонентов в волокнистом слое 4.
На фиг.7 показан несколько модифицированный вариант выполнения предлагаемого в изобретении фильтра. Каналы 19 и в этом случае образованы в основном за счет придания перегородкам 14 соответствующей рельефной или профильной структуры. Перегородки 14 снабжены, кроме того, отклоняющими поверхностями 37, которые в показанном на чертеже варианте полностью перекрывают все поперечное сечение каналов 19. В результате направление 35 потока отработавших газов изменяется таким образом, что они вместе с присутствующими в них частицами принудительно отклоняются в сторону фильтрующего многослойного элемента 1 и проходят сквозь него. Фильтр подобного исполнения пригоден преимущественно для применения в тех случаях, когда потеря на нем давления не имеет существенного значения. Согласно накопленному на сегодняшний день опыту в автомобильных системах выпуска ОГ предпочтительно использовать открытый фильтр лишь с суженными и не закрытыми каналами 19. Даже при использовании открытого фильтра 16 типа того, который показан на фиг.6, в зависимости от количества имеющихся у него обтекаемых потоком ОГ отклоняющих поверхностей 37, соответственно от условий прохождения потока ОГ сквозь имеющийся у него фильтрующий многослойный элемент 1 в конечном итоге обеспечивается фильтрация и очистка в основном всего потока ОГ.
На фиг.8 в аксонометрической проекции схематично показан фильтр 16 с фильтрующим многослойным элементом 1 и перегородкой 14, которые в спирально свернутом состоянии образуют сотовый элемент, помещенный в кожух 18. При этом перегородка 14 за счет придания ей рельефной или профильной структуры 21 образует проточные для потока ОГ в направлении 35 каналы 19. Входящий в фильтр 16 через его торец 20 поток ОГ благодаря изменяющим его направление отклоняющим элементам проходит внутри открытого фильтра путь, длина которого предпочтительно превышает протяженность каналов 19 в направлении оси 38.
Представленный в настоящем описании фильтрующий многослойный элемент, соответственно изготовленный с его использованием фильтр пригоден прежде всего для встраивания в автомобильные системы выпуска ОГ вблизи двигателя. Предлагаемый в изобретении фильтрующий многослойный элемент способен длительно выдерживать возникающую в этом месте из-за близости к камере сгорания нагрузку, обусловленную значительными импульсами давления, соответственно высокой температурой, достигающей 700°С, а иногда достигающей даже 1000°С, поскольку волокнистый слой по меньшей мере частично с геометрическим замыканием заключен в образованную по меньшей мере одним наружным слоем защитную оболочку. Благодаря такому закреплению волокнистого слоя предотвращается его "разлохмачивание" уже по истечении непродолжительного периода с момента начала его эксплуатации. Предлагаемый в изобретении способ является исключительно простым в осуществлении и позволяет без особых технических проблем использовать его и в крупносерийном и массовом производстве, которое обычно характерно для автомобилестроения, с обеспечением высокой надежности технологического процесса.
Изобретения относятся к системам выпуска двигателей внутреннего сгорания. Фильтрующий многослойный элемент выполнен проточным для текучей среды и состоит по меньшей мере из одного наружного слоя, выполненного из по меньшей мере частично пористого материала и имеющего по меньшей мере один краевой участок, и по меньшей мере из одного волокнистого слоя, выполненного из волокнистой ткани, по меньшей мере один наружный слой образует оболочку, охватывающую волокнистый слой, который благодаря этому надежно удерживается в полости, образованной этим по меньшей мере одним наружным слоем. Такой фильтрующий многослойный элемент может использоваться для изготовления фильтра, который можно применять прежде всего для очистки отработавших газов, образующихся при работе автомобильных двигателей внутреннего сгорания. Приведен способ изготовления фильтрующего элемента. Изобретение позволяет выдержать высокие термические и динамические нагрузки в системе выпуска отработавших газов (ОГ) автомобиля и сократить количество твердых частиц в системе выпуска ОГ. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.
| US 5298046 A, 29.03.1994 | |||
| US 4600420 А, 15.07.1986 | |||
| АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЗАТВОР | 0 |
|
SU239125A1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ | 1992 |
|
RU2038124C1 |
| ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА | 1997 |
|
RU2134801C1 |
