ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ФИЛЬТРАЦИИ ЧАСТИЦ, СОДЕРЖАЩИХСЯ В ВЫХЛОПНЫХ ГАЗАХ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК B01D46/24 F01N3/22 

Изобретение относится к фильтрующему элементу, предназначенному для фильтрации частиц, присутствующих в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания (в частности, в двигателях дизельного типа). Также изобретение относится к фильтрующему узлу, содержащему по меньшей мере один указанный фильтрующий элемент.

При создании фильтрующих узлов, предназначенных для фильтрации частиц, испускаемых дизельными автомобилями, используют сотовые пористые структуры. Как правило, такие фильтрующие узлы изготавливают из керамических материалов (кордиерита, карбида кремния и пр.). Они могут быть выполнены монолитными или состоять из отдельных элементов. В последнем случае элементы соединяют друг с другом путем их склеивания вяжущим веществом. Затем полученное изделие подвергают механической обработке для придания его поперечному сечению нужной формы - как правило, круглой или овальной. Фильтрующий узел имеет множество каналов и вставлен в металлический корпус. Каждый канал закрывают с одного или другого его концов, получая таким образом впускные и выпускные каналы. Согласно такой конструкции выхлопные газы поступают в выпускные каналы, предварительно проходя через боковые стенки впускных каналов, вследствие чего частицы и сажа осаждаются внутри этого фильтрующего узла.

По мере эксплуатации фильтрующего узла в его каналах накапливается сажа, в результате чего растут потери напора, обусловленные именно работой фильтра. Такие потери приводят к ухудшению рабочих характеристик двигателя. По этой причине необходимо периодически проводить восстановление фильтрующего узла, например, по прошествии 7-10 часов работы, когда потеря напора достигает значения около 150 дПа (для двигателя с рабочим объемом порядка 2 литров, действующего на автостраде и оснащенного фильтрующим узлом емкостью порядка 4 литров).

Процесс восстановления заключается в окислении сажи. Для его осуществления сажу необходимо нагревать, поскольку температура выхлопных газов составляет около 300°С, тогда как точка возгорания сажи в обычном рабочем режиме превышает 600°С. Тем не менее, несмотря на проведение восстановления, в фильтрующем узле по-прежнему остаются продукты сгорания. В результате потеря напора, обусловленная фильтрующим узлом после его восстановления, всегда превышает потерю напора, которую он вызывает до восстановления. Этот эффект засорения повторяется при каждой операции восстановления, так что становится необходимо производить полную очистку фильтрующего элемента, например, через каждые 80000 км пробега. Понятно, что необходимость такой очистки является существенным недостатком фильтрующего узла.

В патентном документе FR 2473113 предложен фильтрующий узел, который можно изготовить методом экструзии. Поперечное сечение впускных каналов этого узла превышает поперечное сечение его выпускных каналов. Разработчики этого фильтрующего узла указывают, что коэффициент отношения площади зоны фильтрации фильтрующего элемента к объему составляет 7,89 см²/см³ (т.е. 0,789 м²/л) при постоянном поперечном сечении впускных каналов менее 12,9 мм² и толщине стенок, не превышающей 0,7 мм.

Тем не менее, фильтрующий узел, описанный в FR 2473113, также создает значительную потерю напора, из чего следует, что его надо часто восстанавливать. Принимая во внимание вышесказанное, можно предположить, что эксплуатация подобных фильтрующих узлов сопряжена с разными трудностями.

Таким образом, ощущается потребность в фильтрующем узле, создающем меньшую потерю напора на протяжении всего срока его службы, что позволило бы реже прибегать к его очистке. Цель данного изобретения заключается в создании такого фильтрующего узла.

Если говорить более конкретно, изобретение относится к фильтрующему элементу, предназначенному для фильтрации частиц, присутствующих в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания, и содержащему чередующиеся смежные впускные и выпускные каналы, причем указанные впускные и выпускные каналы сообщаются друг с другом с возможностью пропускания текучей среды через боковые стенки, поперечному сечению которых придана волнистость, обеспечивающая увеличение общего объема впускных каналов за счет общего объема выпускных каналов, при этом общий объем впускных каналов превышает общий объем выпускных каналов. Предложенный фильтрующий элемент характеризуется тем, что:

- гидравлический диаметр указанных выпускных каналов составляет от 0,9 до 1,4 мм, предпочтительно 0,95 мм;

- отношение r общего объема впускных каналов к общему объему выпускных каналов составляет от 1,15 до 4, предпочтительно больше 1,35 и/или меньше 3;

- площадь зоны фильтрации составляет от 0,825 до 1,4 м² на литр объема указанного фильтрующего элемента, предпочтительно больше 0,92 м²;

- коэффициент асимметрии указанной волнистости менее 20%.

Как более подробно показано ниже, указанные характеристики позволяют существенно уменьшить потерю напора, создаваемую фильтрующим элементом, и, следовательно, позволяют уменьшить частоту проведения операций восстановления фильтрующего узла, в состав которого он входит.

В соответствии с другими особенностями изобретения:

- выпускные каналы имеют поперечное сечение постоянной площади по всей длине указанного фильтрующего элемента;

- впускные и выпускные каналы выполнены прямолинейными и параллельными;

- впускные и выпускные каналы расположены относительно друг друга таким образом, что весь газ, отфильтрованный в каком-либо впускном канале, в полном объеме поступает в выпускные каналы, смежные с этим впускным каналом;

- волнистость имеет в поперечном сечении синусоидальную форму, причем коэффициент асимметрии указанной волнистости менее 15%, предпочтительно менее 12%, и/или более 5%, предпочтительно более 6%;

- волнистость является периодической, причем на ширину одного из указанных каналов приходится один полупериод этой волнистости;

- впускные и выпускные каналы расположены с чередованием вдоль горизонтальных или вертикальных рядов указанного элемента, образуя таким образом шахматную структуру на передней или задней стороне элемента.

Изобретение также относится к фильтрующему узлу, используемому в фильтре для фильтрации частиц и характеризующемуся тем, что он содержит по меньшей мере один предложенный фильтрующий элемент.

Ниже особенности и преимущества данного изобретения изложены более подробно со ссылкой на сопутствующие чертежи, на которых:

фиг.1а изображает фрагмент передней стороны известного фильтрующего элемента (т.е. стороны, куда поступают выхлопные газы), фиг.1b изображает этот элемент в разрезе по показанной на фиг.1а линии АА и фиг.1с изображает поперечное сечение экструзионной матрицы, используемой для изготовления такого фильтрующего элемента;

фиг.2а-2с представляют собой виды первого варианта предложенного фильтрующего узла, аналогичные тем, что показаны на фиг.1а-1с;

фиг.3 изображает фрагмент передней стороны фильтрующего элемента, соответствующего второму варианту выполнения изобретения;

фиг.4 изображает график зависимости потери напора от времени эксплуатации для различных тестированных новых, или «чистых», фильтрующих узлов;

фиг.5 изображает график зависимости потери напора от времени эксплуатации для различных тестированных фильтрующих узлов, в которых продукты сгорания занимают объем, соответствующий 50% объема впускных каналов эталонного фильтра, что равнозначно пробегу автомобиля порядка 80000 км. Такие фильтрующие узлы считаются «засоренными». Продукты сгорания скапливаются обычно в дальнем конце впускного канала.

Фиг.1-3 изображают фрагменты фильтрующих элементов, которые могут представлять собой как фрагменты монолитного фильтрующего узла, так и узла, образованного путем соединения отдельных фильтрующих элементов.

Хотя на чертежах толщина стенок, разделяющих собою отдельные каналы, показана не в масштабе, данное обстоятельство не следует рассматривать как искажение сущности изобретения или ограничение объема его правовой охраны.

Фиг.1а схематически изображает переднюю сторону известного фильтрующего элемента, используемого для улавливания частиц, содержащихся в выхлопных газах автомобилей с дизельным двигателем. Этот фильтрующий элемент содержит одинаковые каналы квадратного поперечного сечения, имеющего постоянный размер по всей длине фильтрующего узла. С этой передней стороны каждый из двух каналов является закрытым. Каналы 1 и 2 открыты и поэтому представляют собой «впускные» каналы. Каналы 3 и 4 закрыты и поэтому представляют собой «выпускные» каналы. Фиг.1b изображает продольный разрез известного фильтрующего элемента, выполненный по показанной на фиг.1а линии АА. Поток F выхлопных газов поступает в фильтрующий элемент по впускным каналам, а затем через боковые стенки каналов проходит в выпускные каналы. Фиг.1с изображает поперечное сечение экструзионной матрицы, используемой для изготовления известных фильтрующих элементов, показанных на фиг.1а. На этом чертеже сплошными линиями показаны спрофилированные отверстия, через которые поступает керамическая масса.

Фиг.2а упрощенно изображает переднюю сторону фильтрующего элемента, соответствующего первому варианту выполнения изобретения. Каналы 10 и 11 являются открытыми и представляют собой впускные каналы. Каналы 12 и 13 являются закрытыми и представляют собой выпускные каналы. Указанные каналы образуют сеть каналов, при этом они имеют треугольное поперечное сечение, измененное с обеспечением увеличения общего объема впускных каналов за счет общего объема выпускных каналов. Согласно такой конструкции неплоская промежуточная стенка между впускным и выпускным каналами может быть выполнена вогнутой со стороны впускного канала, как показано на фиг.2а, и выпуклой со стороны выпускного канала.

Фиг.2b изображает разрез фильтрующего узла, выполненный по показанной на фиг.2а линии АА. Поток F выхлопных газов поступает в фильтрующий узел по впускным каналам и затем через стенки каналов проходит в выпускные каналы. Ввиду упомянутого выше увеличения общего объема впускных каналов площадь поверхности стенок впускных каналов, другими словами площадь «зоны фильтрации», является увеличенной (за счет площади поверхности стенок выпускных каналов) по сравнению с аналогичным показателем фильтрующего узла известной конструкции, показанного на фиг.1.

Для фильтрации выхлопных газов целесообразно использовать всю площадь поверхности впускных каналов, поскольку впускные каналы не имеют каких-либо частей, сообщающихся с другими впускными каналами. Такие части были бы не пригодны для фильтрации, так как выхлопные газы могут проходить через них в обоих направлениях.

В предпочтительном случае впускные и выпускные каналы выполнены параллельными и прямолинейными. Благодаря этому предложенный фильтрующий элемент можно изготавливать методом экструдирования, что является весьма выгодным с экономической точки зрения.

Фиг.2с изображает поперечное сечение экструзионной матрицы, используемой при изготовлении показанного на фиг.3а фильтрующего элемента. Здесь сплошными линиями показаны спрофилированные отверстия, по которым поступает керамическая масса. Такая матрица предназначена для изготовления каналов, поперечное сечение которых является постоянным по всей длине фильтрующего элемента, что облегчает процесс экструдирования.

Каналы выполнены прямолинейными по длине фильтрующего узла. Таким образом, в продольном разрезе (см. фиг.2b) они имеют постоянное сечение по всей своей длине L. Данное обстоятельство облегчает процесс изготовления фильтрующих элементов.

Поперечное сечение впускных каналов превышает поперечное сечение выпускных каналов, в результате чего объем для накопления сажи также является увеличенным. Впускные и выпускные каналы расположены относительно друг друга таким образом, что газ, отфильтрованный в каком-либо впускном канале, в полном объеме поступает в выпускные каналы, смежные с этим впускным каналом. Такая конструкция обеспечивает оптимальную площадь зоны фильтрации для данного конкретного объема фильтрующего элемента.

Фиг.3 схематически изображает переднюю сторону фильтрующего элемента, соответствующего другому варианту выполнения изобретения. Каналы 10 и 11 являются открытыми и представляют собой впускные каналы. Каналы 12 и 13 являются закрытыми и представляют собой выпускные каналы. Указанные каналы образуют сеть каналов, при этом они имеют квадратное поперечное сечение, измененное с обеспечением увеличения общего объема впускных каналов за счет общего объема выпускных каналов. Впускные и выпускные каналы расположены с чередованием как по горизонтальным рядам (x), так и по вертикальным рядам (y), образуя таким образом шахматную структуру. Боковая стенка 14 впускного канала 11 образована четырьмя участками 14a-14d, отделяющими внутреннее пространство этого канала от внутренних пространств четырех соответствующих смежных выпускных каналов.

В предпочтительном случае неплоская промежуточная стенка 15, разделяющая два горизонтальных ряда R₁ и R₂ и/или два вертикальных ряда каналов (и, следовательно, образованная участками боковых стенок 16₁-16₈ этих каналов) является вогнутой со стороны впускных каналов и выпуклой со стороны выпускных каналов.

В предпочтительном случае промежуточная стенка 15, проходящая вдоль горизонтального (по оси x) или вертикального (по оси y) ряда каналов, имеет волнообразное или "извилистое" сечение, причем ее волнистость такова, что на ширину одного канала приходится по существу половина длины волнистого изгиба.

Под «длиной» волнистого изгиба здесь понимается расстояние между двумя точками этого изгиба, расположенными на одной высоте при одном и том же направлении изменения наклона. В случае с периодической волнистостью «длину» волнистого изгиба называют «периодом».

В предпочтительном случае волнистость является периодической, однако амплитуда волн может быть как постоянной, так и изменяющейся. Предпочтительнее использовать постоянную амплитуду. Еще предпочтительнее, чтобы волнистость имела синусоидальную форму, а ее полупериод равнялся шагу «p» чередования каналов в сети, показанной на фиг.3.

В предпочтительном случае все вертикальные или горизонтальные промежуточные стенки 15 данного элемента имеют сечения одинаковой волнистости.

Под термином «коэффициент асимметрии» понимается соотношение между амплитудой «h» и половинной длины волнистого изгиба (или между амплитудой «h» и полупериодом в случае периодической волнистости). Конкретные примеры, иллюстрирующие сущность данного изобретения, приведены в таблице. Эти примеры не следует рассматривать как ограничивающие объем правовой охраны заявленного изобретения. Фиг.4 и 5 изображают графики увеличения потери напора в зависимости от времени, соответствующие примерам из таблицы, приведенным в отношении чистых и засоренных фильтров.

Указанное тестирование проводилось в отношении фильтрующих узлов, составленных из 16 фильтрующих элементов, скрепленных посредством шва толщиной 1 мм. Использовали цилиндрические фильтрующие узлы диаметром 144 мм и длиной 9 дюймов (228,6 мм). Каналы имели вид, показанный на фиг.4, при этом стенки были выполнены с по существу синусоидальным профилем, а выпускные и впускные каналы имели поперечное сечение постоянной площади по всей длине L фильтрующего узла.

Для удобства расчетов выхлопные газы вводили во впускные каналы тестируемых фильтрующих узлов при температуре 250°С с расходом 320 м³/ч. Концентрация частиц в выхлопных газах составляла 2,2·10^-5 кг/м³.

При испытании засоренных фильтрующих узлов концентрация продуктов сгорания во впускных каналах была равна 1,8·10^-9 м³/м³ выхлопных газов.

Эталонный пример «Эт» соответствует фильтру, образованному из 16 фильтрующих элементов, скрепленных посредством шва толщиной 1 мм. Этот фильтр является цилиндрическим, с диаметром 144 мм и длиной 9 дюймов (228,6 мм). Его каналы имеют вид, показанный на фиг.1, т.е. поперечное сечение выпускных и впускных каналов является квадратным и выполнено с постоянной площадью по всей длине L фильтрующего узла. Шаг чередования каналов в сети каналов составляет 1,8 мм, а толщина стенок - 350 мкм.

Расчеты фильтрующих поверхностей, объемов каналов и потерь напора осуществлялись Институтом механики текучих сред г.Тулуза (Франция).

Под параметром «гидравлический диаметр» (относящимся к характеристикам поперечного сечения канала) понимают отношение четырехкратного значения площади сечения канала к периметру этого сечения.

Плотность расположения каналов измеряют как количество каналов на квадратный дюйм (единица измерения - янкд (ячеек на квадратный дюйм)).

Символами Ve обозначают общий объем впускных каналов, а символами Vs - общий объем выпускных каналов. Величина г представляет собой величину, рассчитанную по формуле r=Ve/Vs.

Под «зоной фильтрации» понимают поверхность стенок впускных каналов, через которые может проходить фильтруемый поток газа. Зону фильтрации измеряют в квадратных метрах на литр объема фильтрующего элемента.

Пропускную способность фильтрующего узла оценивают на основании времени «t» в минутах, необходимому для достижения определенной потери напора «dP», и на основании начальной потери напора (dP при t=0). Измеренное время «t» в минутах, необходимое для достижения потери напора «dP», равной x мбар, обозначают как t_/x.

Считается предпочтительным, если фильтрующий узел отвечает следующим требованиям:

- начальная потеря напора менее 50 мбар;

- t_/100≥300 для чистого фильтра;

- t_/150≥500 для чистого фильтра;

- t_/150≥200 для засоренного фильтра.

 Плотность каналов (янкд)Толщина стенки (мкм)Коэффициент асимметрииr=Ve/VsГидравл. диаметр вып. каналов (мм)Площадь зоны фильтрации на литр объема фильтр. элемента (м²/л)t (мин.) при dP=150 мбар (чистый фильтрующий элемент)t (мин.) при dP=100 мбар (чистый фильтрующий элемент)t (мин.) при dP=150 мбар (засоренный фильтр. элемент)dP (мбар) при t=0 (чистый фильтр. элемент)Эт.200350011,450,91848131913426,7Пр1250350011,260,997495341НД28,7Пр225035010%1,9861,031,149>60044327933,9Пр325035020%4,8060,741,283522100НД89,6Пр425030010%1,8671,091,183>60050833727,8Пр525030015%2,660,971,25>600514НД36,8Пр625030020%4,0610,821,314>600376НД60,5Пр725040010%2,0990,971,115>600372НД41,8Пр820035010%1,8831,21,05>60041226429,7Пр920035015%2,7231,061,111>60041130938,7Ex1020035020%4,2230,891,168>60028128463,8Пр1130035010%2,0540,91,233>600446НД39,5Пр122003502%1,1321,40,94651634216026,3Пр132003505%1,3651,330,98756637420026,6Пр1410050010%1,3671,880,69630718012135,7Пр1515040010%1,3631,540,85644128820028,8

Буквы НД означают «нет данных».

С учетом таблицы и фиг.4 и 5 можно сделать следующие выводы.

Что касается новых фильтрующих узлов, то чем больше площадь зоны фильтрации, тем медленнее увеличивается потеря напора с течением времени. Иначе говоря, крутизна характеристики засорения фильтра тем меньше, чем больше зона фильтрации. Однако площадь зоны фильтрации не единственный определяющий признак, в чем можно убедиться, сравнивая пример 15 с эталонным примером. Из этого сравнения следует, что изобретение позволяет устранить недостаток, заключающийся в меньшей площади зоны фильтрации в случае засоренных фильтров, благодаря большему отношению r.

Не вдаваясь в излишние теоретические подробности, заявитель объясняет рассмотренное выше явление следующим образом.

Высокое значение отношения r соответствует большему объему впускных каналов для скапливания продуктов сгорания. При данных величинах площади зоны фильтрации и объема продуктов сгорания (т.е. количества операций восстановления) доля площади зоны фильтрации, неэффективной из-за того, что она перекрыта продуктами сгорания, оказывается меньшей. В результате меньшей оказывается и создаваемая потеря напора. Таким образом, в период между двумя операциями восстановления потеря напора, создаваемая фильтрующим узлом, увеличивается медленнее.

Кроме этого, благодаря большему объему впускных каналов в них может скапливаться большее количество продуктов сгорания. Таким образом, можно увеличить количество операций восстановления перед снятием/повторной установкой фильтра.

При постоянной толщине стенки увеличение коэффициента асимметрии означает увеличение вместимости впускных каналов и площади зоны фильтрации элемента.

Однако не следует чрезмерно увеличивать коэффициент асимметрии, поскольку это может привести к такому уменьшению сечения выпускных каналов, которое обусловит недопустимое увеличение потери напора.

Следовательно, необходимо найти какое-то компромиссное решение. Целесообразно, чтобы коэффициент асимметрии был менее 20%, предпочтительно менее 15%, еще предпочтительнее менее 12%, но при этом - более 5%, предпочтительно более 6%.

Данное изобретение позволяет увеличить время между двумя операциями снятия/очистки фильтрующего узла, причем увеличить не только за счет снижения остаточного засорения зоны фильтрации продуктами сгорания после каждой операции восстановления (что обеспечивает более медленное засорение фильтра сажей между двумя операциями восстановления), но и за счет того, что становится возможным осуществлять большее число операций восстановления, и более значителен объем для скапливания продуктов сгорания.

Таким образом, автомобилист сможет проехать большее расстояние без техобслуживания фильтра.

Согласно изобретению оптимальными считаются следующие значения параметров фильтра:

- отношение r должно быть больше или равно 1,15 (предпочтительно больше 1,35), но при этом меньше 4, предпочтительно меньше 3;

- площадь зоны фильтрации должна составлять по меньшей мере 0,825 м² на литр объема фильтрующего элемента, а в предпочтительном случае быть больше или равной 0,92 м² на литр объема фильтрующего элемента.

Поскольку выпускные и впускные каналы имеют постоянное поперечное сечение по всей длине фильтрующего элемента, увеличение отношения г происходит благодаря увеличению гидравлического диаметра впускных каналов и/или уменьшению гидравлического диаметра выпускных каналов. Как следует из таблицы (см., в частности, примеры 3, 6 и 10), при очень малом гидравлическом диаметре выпускных каналов потеря напора, создаваемая чистым фильтрующим узлом, оказывается слишком большой. Это может оказаться неприемлемым, так как при определении допустимой мощности двигателя учитывают и линию выхлопа.

Согласно изобретению гидравлический диаметр выпускных каналов должен быть больше или равным 0,9 мм, предпочтительно от 0,95 до 1,4 мм.

Совершенно очевидно, что объем правовой охраны изобретения не ограничен описанными выше со ссылкой на чертежи вариантами осуществления, которые приведены лишь в качестве иллюстративных примеров, не имеющих ограничительного характера.

Поэтому под объем притязаний данного изобретения подпадает также монолитный фильтрующий узел. Кроме того, фильтрующий узел может иметь любую форму и любое расположение каналов.

Наконец, выбор поперечного сечения каналов не ограничен описанными выше вариантами.

Изобретение предназначено для фильтрации. Фильтрующий элемент содержит смежные чередующиеся впускные и выпускные каналы, сообщающиеся друг с другом с возможностью пропускания текучей среды через их боковые стенки. Элемент содержит участки боковых стенок, которые образуют промежуточную стенку между впускными каналами и выпускными каналами и имеют в поперечном сечении волнистость, обеспечивающую увеличение общего объема впускных каналов, причем общий объем впускных каналов превышает общий объем выпускных каналов. Гидравлический диаметр выпускных каналов составляет от 0,9 до 1,4 мм. Отношение общего объема впускных каналов к общему объему выпускных каналов составляет от 1,15 до 4. Площадь зоны фильтрации составляет от 0,825 до 1,4 м² на литр объема фильтрующего элемента. Коэффициент асимметрии указанной волнистости менее 20%. Технический результат: обеспечение меньших потерь напора на протяжении срока службы фильтрующего элемента. 2 н.и 19 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Фильтрующий элемент, предназначенный для фильтрации частиц, присутствующих в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания, и содержащий смежные чередующиеся впускные (10, 11) и выпускные (12, 13) каналы, сообщающиеся друг с другом с возможностью пропускания текучей среды через их боковые стенки, при этом указанный элемент содержит участки (16₁-16₈) боковых стенок, которые образуют промежуточную стенку (15) между впускными каналами (10, 11) и выпускными каналами (12, 13) и имеют в поперечном сечении волнистость, обеспечивающую увеличение общего объема впускных каналов (10, 11) за счет общего объема выпускных каналов (12, 13), причем общий объем (Ve) впускных каналов (10, 11) превышает общий объем (Vs) выпускных каналов (12, 13), отличающийся тем, что

гидравлический диаметр выпускных каналов (12, 13) составляет от 0,9 до 1,4 мм;

отношение r общего объема (Ve) впускных каналов (10, 11) к общему объему (Vs) выпускных каналов (12, 13) составляет от 1,15 до 4;

площадь зоны фильтрации составляет от 0,825 до 1,4 м² на литр объема фильтрующего элемента;

коэффициент асимметрии указанной волнистости менее 20%.