ФИЛЬТРУЮЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ, В ЧАСТНОСТИ ФИЛЬТР-УЛАВЛИВАТЕЛЬ ЧАСТИЦ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СОЕДИНЕННЫЙ С НИМ ВЫПУСКНОЙ КОЛЛЕКТОР
FILTERING CONSTRUCTION, NAMELY FILTER-CATCHER OF PARTICLES FOR CLEANING EXHAUST GAS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE, AND OUTLET HEADER CONNECTED TO IT

Настоящее изобретение относится к фильтрующей конструкции, в частности к фильтру-улавливателю частиц для очистки выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащему:
- по меньшей мере, первый и второй фильтрующие элементы, при этом каждый фильтрующий элемент имеет впускную сторону для впуска газов и выпускную сторону для выпуска газов, соединенные между собой, по меньшей мере, двумя боковыми сторонами, при этом указанные первый и второй фильтрующие элементы содержат соответственно первую и вторую боковые стороны, расположенные друг против друга; и
- соединительную прокладку, соединяющую указанные стороны и установленную между указанными сторонами;
при этом первая боковая сторона содержит в своей передней половине первую область слабого или нулевого сцепления с указанной прокладкой, ограниченную спереди в продольном направлении передней областью сильного сцепления с указанной прокладкой;
при этом каждая область слабого или нулевого сцепления с указанной прокладкой первой стороны расположена по существу напротив области сильного сцепления с указанной прокладкой второй стороны, и каждая область сильного сцепления с указанной прокладкой первой стороны расположена по существу напротив области слабого или нулевого сцепления с указанной прокладкой второй стороны.
Такие конструкции применяют, в частности, в устройствах для очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. Эти устройства содержат глушитель, содержащий последовательно установленные орган каталитической очистки и фильтр-улавливатель частиц. Элемент каталитической очистки выполнен с возможностью обработки загрязняющих выхлопов газообразной фазы, тогда как фильтр-улавливатель частиц выполнен с возможностью задержания частиц сажи, выходящих из двигателя.
В известной конструкции указанного типа (FR-A-2853256) фильтрующие элементы содержат совокупность смежных каналов с параллельными осями, разделенных пористыми фильтрующими стенками. Эти каналы выполнены между стороной впуска подлежащих фильтрованию выхлопных газов и стороной выпуска отфильтрованных выхлопных газов. Кроме того, эти каналы закрыты с одного или другого конца, ограничивая входные камеры, открывающиеся на впускной стороне, и выходные камеры, открывающиеся на выпускной стороне.
Эти конструкции работают на принципе последовательности фаз фильтрования и регенерации. Во время фаз фильтрования частицы сажи, выходящие из двигателя, осаждаются на стенках входных камер. Пропускная способность фильтра постепенно снижается. За пределами заранее определенного значения этого снижения пропускной способности происходит фаза регенерации.
Во время фазы регенерации частицы сажи, главным образом, содержащие углерод, сгорают на стенках входных камер за счет наличия дополнительных средств нагрева, что способствует восстановлению первоначальных характеристик конструкции. Вместе с тем сгорание сажи в фильтре происходит неравномерно. Сгорание начинается в передней части и в центре фильтра, затем распространяется дальше. Во время фаз регенерации в фильтре возникают температурные градиенты.
Температурные градиенты внутри фильтрующей конструкции приводят к локальным расширениям разной амплитуды и в дальнейшем к продольным и поперечным напряжениям внутри и/или между различными фильтрующими элементами.
Эти сильные термомеханические напряжения становятся причиной появления трещин в фильтрующих элементах и/или в соединительных прокладках между этими фильтрующими элементами.
Для ограничения появления трещин в вышеуказанной заявке FR-A-2853256 предложено создавать на указанной первой и второй сторонах области слабого или нулевого сцепления с прокладкой, в частности, посредством нанесения в этой области покрытия, препятствующего прилипанию. Наличие этих областей позволяет ослабить термомеханические напряжения в прокладке, а если напряжения являются слишком сильными, - направить распространение возможных трещин в прокладке вдоль этих областей.
Кроме того, наличие областей слабого или нулевого сцепления с прокладкой позволяет удерживать фильтрующие элементы, когда прокладка треснула, преодолевая давление выхлопных газов, действующее на впускные стороны фильтрующих элементов.
Основной задачей настоящего изобретения является улучшение удержания фильтрующих элементов с преодолением давления, действующего на одну или несколько деталей фильтра во время этапов установки фильтра-улавливателя частиц в выхлопной коллектор, или давления выхлопных газов во время использования фильтра.
В этой связи объектом настоящего изобретения является фильтрующая конструкция вышеуказанного типа, характеризующаяся тем, что передняя область сильного сцепления ограничена в продольном направлении спереди второй областью слабого или нулевого сцепления с указанной прокладкой. Фильтрующая конструкция в соответствии с настоящим изобретением может содержать один или несколько следующих отличительных признаков, взятых отдельно или в любых технически возможных комбинациях:
- вторая область слабого или нулевого сцепления с указанной прокладкой выполнена до впускной стороны;
- максимальная длина передней области сильного сцепления с указанной прокладкой меньше или по существу равна минимальной длине смежных областей слабого или нулевого сцепления с указанной прокладкой;
- максимальная длина передней области меньше одной пятой общей длины первого фильтрующего элемента;
- одна из первой и второй боковых сторон содержит в своей задней половине заднюю область сильного сцепления с указанной прокладкой, ограниченную спереди и сзади соответствующими областями слабого или нулевого сцепления с указанной прокладкой;
- область слабого или нулевого сцепления с указанной прокладкой, смежная сзади с задней областью, выполнена до выпускной стороны;
- максимальная длина задней области сильного сцепления с указанной прокладкой меньше или по существу равна минимальной длине смежных областей слабого или нулевого сцепления с указанной прокладкой;
- указанная задняя область выполнена на указанной первой стороне;
- одна из первой и второй боковых сторон между своей передней областью и задней областью содержит, по меньшей мере, одну промежуточную область сильного сцепления с указанной прокладкой и смежные области слабого или нулевого сцепления с указанной прокладкой, расположенные соответственно спереди и сзади промежуточной области; и
- длины задней области, передней области и промежуточной области являются по существу идентичными.
Объектом настоящего изобретения является также выпускной коллектор, характеризующийся тем, что содержит конструкцию, описанную выше. Настоящее изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг.1 - вид в перспективе первой фильтрующей конструкции в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 - детальный вид в перспективе фильтрующей конструкции, показанной на фиг.1;
фиг.3 - вид в плане находящихся друг против друга двух сторон фильтрующих элементов, показанных на фиг.2;
фиг.4 - разрез в продольной плоскости по линии IV-IV на фиг.1 первой фильтрующей конструкции после нескольких циклов регенерации фильтрующей конструкции;
фиг.5 - вид, аналогичный фиг.3, второй фильтрующей конструкции в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.6 - вид, аналогичный фиг.4, второй фильтрующей конструкции в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.7 - вид, аналогичный фиг.3, третьей фильтрующей конструкции в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.8 - вид, аналогичный фиг.4, третьей фильтрующей конструкции в соответствии с настоящим изобретением.
Показанный на фиг.1 фильтр-улавливатель частиц 11 расположен в выхлопном коллекторе 13 газов дизельного двигателя автомобиля, при этом коллектор показан только частично.
Этот выпускной коллектор 13 продолжен за концы фильтра-улавливателя частиц 11 и ограничивает канал циркуляции выхлопных газов.
Фильтр-улавливатель частиц 11 расположен вдоль продольного направления Х-Х' циркуляции выхлопных газов. Он содержит множество фильтрующих блоков 15, соединенных между собой соединительными прокладками 17.
Каждый фильтрующий блок 15 по существу  имеет форму прямоугольного параллелепипеда, удлиненного в продольном направлении Х-Х'.
Термин "фильтрующий блок" в целом обозначает узел, содержащий впускную сторону, выпускную сторону и, по меньшей мере, две боковые стороны (в представленном примере четыре боковые стороны), соединяющие впускную сторону и выпускную сторону.
Как показано на фиг.2, каждый фильтрующий блок, выполненный в виде фильтрующего элемента 15А, 15В, содержит пористую фильтрующую конструкцию 19, впускную сторону 21 для впуска предназначенных для фильтрования выхлопных газов, выпускную сторону 23 для отфильтрованных выхлопных газов и четыре боковые стороны 24.
Пористую фильтрующую конструкцию 19 выполняют из фильтрационного материала, имеющего монолитную структуру, в частности из керамики (кордиерита, карбида кремния и т.д.).
Эта конструкция 19 обладает достаточной пористостью, чтобы пропускать выхлопные газы. Однако, как известно, диаметр пор выбирают достаточно малым, чтобы обеспечивать задержание частиц сажи (диаметр пор находится в пределах от 5 до 100 микрон).
Пористая конструкция 19 содержит совокупность смежных каналов с осями, параллельными продольному направлению Х-Х'. Эти каналы разделены пористыми фильтрующими стенками 25. В примере, показанном на фиг.2, эти стенки 25 имеют постоянную толщину и выполнены в продольном направлении в фильтрующей конструкции 19 от впускной стороны 21 до выпускной стороны 23.
Каналы распределены в виде первой группы входных каналов 27 и второй группы выходных каналов 29. Входные каналы 27 и выходные каналы 29 расположены валетом.
Входные каналы 27 закрыты с одного конца на уровне выпускной стороны 23 фильтрующего блока в виде фильтрующего элемента 15А, 15В и открыты с другого конца.
Выходные каналы 29, наоборот, закрыты на уровне впускной стороны 21 фильтрующего блока в виде фильтрующего элемента 15А, 15В и выходят на его выпускную сторону 23.
В примере, показанном на фиг.1, входные каналы 27 и выходные каналы 29 имеют постоянные сечения по всей своей длине.
Как показано на фиг.2, находящиеся друг против друга боковые стороны 24А и 24В блоков 15А и 15В выполнены плоскими.
Как показано на фиг.2 и 3, каждая плоская сторона 24А и 24В одного фильтрующего блока, находящаяся напротив другого фильтрующего блока, содержит, по меньшей мере, одну область 33, жестко связанную с прокладкой 17, и, по меньшей мере, одну область 35, на которую во время изготовления конструкции 19 наносят покрытие, препятствующее прилипанию. Это покрытие выполняют, например, на основе бумаги, политетрафторэтилена, полиэтилена, полипропилена, графита или нитрида бора.
Сцепление между соединительной прокладкой 17 и плоскими сторонами 24 фильтрующих блоков 15 в областях 33 сильного сцепления с прокладкой, по меньшей мере, в 10 раз выше, чем сцепление в областях 35 слабого или нулевого сцепления с прокладкой 17. Сцепление областей 35 слабого или нулевого сцепления с прокладкой 17 находится в пределах от 0 до 50 МПа.
В дальнейшем под «областью сильного сцепления» следует понимать область 33 сильного сцепления с прокладкой 17, а под «областью слабого сцепления» - область 35 слабого или нулевого сцепления с прокладкой 17.
Расположение областей 33 и областей 35 на плоских сторонах 24 фильтрующих блоков 15 показано на фиг.2 и 3.
Первая плоская сторона 24А первого фильтрующего блока, выполненного в виде фильтрующего элемента 15А, содержит в своей передней половине 36А, находящейся перед срединной поперечной плоскостью Р, переднюю область 33А сильного сцепления, ограниченную сзади, справа на чертеже, первой областью 35С слабого сцепления, выполненной по обе стороны от плоскости Р.
Кроме того, передняя область 33А ограничена спереди, слева на чертеже, второй областью 35А слабого сцепления, выполненной до кромки 37, общей для впускной стороны 21 и первой стороны 24А.
Кроме того, первая сторона 24А содержит в своей задней половине 36В область 33Е сильного сцепления, ограниченную спереди первой областью 35С слабого сцепления и ограниченную сзади третьей областью слабого сцепления 35G, выполненной до кромки 39, общей для выпускной стороны 23 и первой стороны 24А.
Области 33 сильного сцепления и области 35 слабого сцепления имеют по существу прямоугольную форму и выполнены поперечно по всей ширине первой стороны 24А.
В дальнейшем длина будет браться параллельно продольному направлению Х-Х'.
Длина передней области 33А по существу меньше четверти общей длины первого фильтрующего блока, выполненного в виде фильтрующего элемента 15А. В представленном примере отношение длины передней области 33А к общей длине блока в виде фильтрующего элемента 15А находится в пределах от 0,10 до 0,15.
В этом примере длина передней области 33А меньше длины первой области 35С слабого сцепления и по существу равна длине второй области 35А слабого сцепления.
Таким образом, расстояние между задним краем 41 передней области 33А и кромкой 37 меньше половины общей длины блока, выполненного в виде фильтрующего элемента 15А. Таким образом, передняя область 33А находится вблизи впускной стороны 21.
Общая длина первой области 35С слабого сцепления больше половины общей длины блока, выполненного в виде фильтрующего элемента 15А, поэтому расстояние между задним краем 41 передней области 33А и передним краем 43 задней области 33Е превышает половину общей длины блока, выполненного в виде фильтрующего элемента 15А.
Длина задней области 33Е по существу равна длине передней области 33А и длине третьей области 35G слабого сцепления.
Каждая область 33А, 33Е сильного сцепления первой стороны 24А расположена по существу напротив области 35В, 35F слабого сцепления по существу идентичной формы на второй стороне 24В.
Кроме того, каждая область 35А, 35С, 35G слабого сцепления первой стороны 24А расположена напротив области 33В, 33D, 33Н сильного сцепления по существу идентичной формы на второй стороне 24В.
Далее следует описание работы первой фильтрующей конструкции в соответствии с настоящим изобретением.
Во время фазы фильтрования (фиг.1) выхлопные газы, содержащие частицы, направляются до входных сторон 21 фильтрующих блоков 15 по выпускному коллектору 13. Как показано стрелками на фиг.2, после этого они проникают во входные каналы 27 и проходят через стенки 25 пористой конструкции 19. Во время этого прохождения сажа осаждается на стенках 25 входных каналов 27. Эта сажа предпочтительно осаждается в области центральной оси фильтра-улавливателя частиц 11 и в направлении к выпускной стороне 23 фильтрующих блоков 15 (на чертеже справа).
Отфильтрованные выхлопные газы выходят через выходные каналы 29 и направляются к выходу глушителя.
После того, как автомобиль пробежит примерно 500 км, пропускная способность фильтра 11 существенно снижается. В это время осуществляется фаза регенерации.
Во время этой фазы сажа окисляется путем повышения температуры фильтра 11. Это окисление является экзотермическим и начинается в центре и на входе фильтра. В результате между передней и задней частями, а также между периферией и центром фильтра возникает температурный градиент.
Кроме того, фильтрующие блоки 15 и прокладки 17 под действием температуры расширяются. Локальная амплитуда этого расширения зависит от температуры.
Эти изменения амплитуды расширения под действием температурных градиентов создают сильные термомеханические напряжения. Наличие областей 35 слабого сцепления позволяет ослабить напряжения и избежать образования трещин в фильтрующих блоках 15 или в соединительных прокладках 17.
Кроме того, как показано на фиг.4, если термомеханические напряжения являются для конструкции слишком сильными, прокладка 17 может треснуть в продольном направлении. Вместе с тем области 35 слабого сцепления и области 33 сильного сцепления выполнены таким образом, чтобы трещинообразование происходило в специальных зонах.
Таким образом, как показано на фиг.4, распространение трещин в прокладках 17 направляется вдоль областей 35 слабого сцепления на плоских сторонах 24 фильтрующих блоков 15 и поперечно между этими областями.
В дальнейшем, даже если прокладка 17 треснула полностью, часть 51А прокладки 17, находящаяся напротив передней области 33А, образует передний выступ в виде параллелепипеда, неподвижно соединенный с первым блоком, выполненным в виде фильтрующего элемента 15А. Кроме того, части 53А и 53В прокладки, расположенные соответственно напротив областей 35А и 35С слабого сцепления, остаются неподвижно соединенными со вторым блоком, выполненным в виде фильтрующего элемента 15В. Эти части 53А и 53В ограничивают переднюю зубчатую впадину 55А, в которую заходит выступ 51А.
Таким образом, даже если прокладка 17 треснула полностью, взаимодействие между передним выступом 51А и передней впадиной 55А препятствует перемещению назад блоков, выполненных в виде фильтрующих элементов 15А и 15В, преодолевая давление выхлопных газов, действующее на впускные стороны 21.
Передний выступ 51А и передняя впадина 55А расположены вблизи впускной стороны 21 напротив передних частей блоков, выполненных в виде фильтрующих элементов 15А, 15В, в которых термические напряжения являются относительно слабыми. В дальнейшем, удержание фильтрующих блоков в виде фильтрующих элементов 15А, 15В эффективно обеспечивается, даже если передние части этих блоков в виде фильтрующих элементов 15А, 15В, подверженные воздействию сильных термических напряжений, оказываются разрушенными.
Кроме того, часть 51В, расположенная напротив задней области 33Е первой стороны 24А, образует задний выступ, неподвижно соединенный с первым блоком, выполненным в виде фильтрующего элемента 15А. Задний выступ 51В взаимодействует с задней зубчатой впадиной 55В, ограниченной частями 53В, 53С прокладок, выполненными напротив областей 35С и 35G слабого сцепления, при этом части 53В и 53С остаются неподвижно соединенными со второй стороной 24В.
В дальнейшем, если задние части блоков, выполненных в виде фильтрующих элементов 15А, 15В не разрушаются, взаимодействие между задним выступом 51В и задней впадиной 55В также способствует удержанию блоков, выполненных в виде фильтрующих элементов 15А и 15В.
Фильтр 11, показанный на фиг.5 и 6, отличается от фильтра, показанного на фиг.2, следующими признаками.
Первая сторона 24А содержит промежуточную область 33J сильного сцепления, расположенную по существу на половине длины первой стороны 24А.
Эта область 33J имеет длину, по существу равную длине передней области 33А и задней области 33Е. Кроме того, длина области 33J меньше длины смежных областей 35С и 35К слабого сцепления.
Во время работы, если в прокладке 17 появляется трещина, часть 51C прокладки, находящаяся напротив промежуточной области 33J, образует промежуточный выступ. Этот выступ 51C взаимодействует с промежуточной зубчатой впадиной 55С, ограниченной частями 53В и 53D блоков, неподвижно соединенными со второй стороной 24В и расположенными соответственно напротив областей 35С, 35К слабого сцепления, смежных с промежуточной областью 33J.
Фильтр 11, показанный на фиг.7 и 8, отличается от фильтра, показанного на фиг.5 и 6 тем, что соотношение между длиной передней области 33А и длиной второй области 35С слабого сцепления превышает 0,6. В этом примере соотношение по существу равно 0,75.
В варианте заднюю сторону 33Е сильного сцепления, имеющую длину, по существу равную передней области 33А, выполняют на второй стороне 24В.