ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ
FILTERING ELEMENT FOR SOLID PARTICLES TRAP

Техническое решение относится к двигателям внутреннего сгорания, к их выхлопным устройствам, снабженным средствами очистки отработавших газов. Оно касается фильтрующих элементов, предназначенных для улавливания в отработавших газах твердых частиц, в частности сажи.
Известны различные фильтрующие элементы для улавливания в отработавших газов твердых частиц, показанные, например, в патентах №№2094623, 2467180, выданных в РФ, в заявках №№2156658, 2488734, опубликованных Европейским патентным ведомством, в заявках №№20100269491, 20130074476, опубликованных в США.
В качестве более близкого аналога принят фильтрующий элемент для улавливания твердых частиц, изображенный в патенте №2338896, МПК F01N 3/022, выданном в РФ. Этот фильтрующий элемент содержит стопку параллельно расположенных листов, разделенных перегородками. Он представляет собой керамический блок, изготовленный из тугоплавкого материала с высокой открытой пористостью. Фильтрующую поверхность образуют стенки каналов, которые с торцов заглушены в шахматном порядке. Причем порядок заглушки входных и выходных каналов смещен на одну позицию (на один канал). В этом фильтрующем элементе сформирована структура, состоящая из входных и выходных заглушенных с одной стороны каналов с общими пористыми стенками, через которые перетекают отработавшие газы дизеля. При этом дисперсные частицы, осаждаются на внутренних стенках входного канала, образуя слой дисперсных частиц. При продолжительной работе толщина слоя возрастает, однако увеличение толщины происходит неравномерно. Максимальная толщина слоя фиксируется со стороны заглушки канала, а минимальная - во входном участке. Наращивание слоя сажи на поверхности фильтра приводит к повышению аэродинамического сопротивления фильтрующего элемента. Поэтому накапливаемая сажа периодически или непрерывно удаляется путем окисления кислородом (термическая регенерация при температурах свыше 650-700°С) или двуокисью азота (каталитическая регенерация при 350-400°С). Неравномерное осаждение дисперсных частиц на фильтрующей поверхности канала создает ряд нежелательных последствий при длительной эксплуатации фильтрующего элемента. Так, накопление больших количеств сажи в конце канала приводит к повышенному газодинамическому сопротивлению этого участка, к ухудшенному массообмену и перераспределению течения газового потока в сторону входного участка. Результатом этих явлений является ухудшение регенерации фильтра, в особенности при каталитической регенерации. Так, доставка основного окислителя - диоксида азота к торцевому участку, заполненному дисперсными частицами, оказывается затрудненным и мало результативным, поскольку часть окислителя проходит через фильтрующую стенку во входном участке канала и далее попадает в выходной канал, не принимая участия в регенерации. Проблемы возникают и при термической регенерации фильтров с неравномерным слоем дисперсных частиц. Основной из них является повышенное тепловыделение в зоне с большой массой дисперсных частиц за счет экзотермической реакции окисления материала дисперсных частиц (углерода и органических фракций), что может вызвать разрушение (расплавление) фильтра или привести к повышенному износу фильтрующего материала.
Задачей является улучшение условий регенерации, снижение газодинамического сопротивления и повышение ресурса фильтрующего элемента путем обеспечения более равномерного осаждения дисперсных частиц на фильтрующей поверхности.
Решение задачи повышения эффективности фильтрующего элемента для улавливания твердых частиц в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания обеспечено тем, что в этом фильтрующем элементе, содержащем стопку пористых пластин разделенных перегородками, расположенными в шахматном порядке, соседние пластины расположены наклонно относительно друг друга, образуя каналы переменной высоты для прохода отработавших газов, расширяющиеся в сторону перегородок.
При такой форме каналов для прохода отработавших газов двигателя обеспечено равномерное осаждение дисперсных частиц на фильтрующей поверхности, снижен темп нарастания аэродинамического сопротивления. При этом стало возможным применять только каталитическую схему регенерации фильтра.
Фильтрующий элемент для улавливания в дизельных двигателях внутреннего сгорания твердых частиц в отработавших газах содержит стопку пористых пластин 1-5, выполненных из керамического материала. Пластины разделены перегородками 6 и 7, расположенными в шахматном порядке. Соседние пластины, например 1 и 2, 2 и 3, расположены наклонно относительно друг друга. Они образуют канал 8 переменной высоты для прохода отработавших газов дизельного двигателя, расширяющиеся в сторону перегородок 7, и каналы 9 тоже переменной высоты, расширяющиеся в сторону перегородок 6. Угол между соседними наклонными пластинами, например между пластинами 2 и 3, находится в пределах 15°-20°.
При работе фильтрующего элемента отработавший газ двигателя проходит между перегородками 6 и входит в расширяющиеся каналы 8, откуда через поры в пластинах 1-5 проходит в сужающиеся каналы 9, При этом в порах пластин 1-5 вдоль их длины происходит равномерное осаждение твердых частиц, в частности сажи.
Выполненный цикл испытаний показал, что при равных с традиционной схемой фильтра условиях у созданного фильтра при осаждении на нем твердых частиц, в частности сажи, значительно меньший на 20% темп нарастания аэродинамического сопротивления. При этом обеспечена возможность использовать только каталитическую схему регенерации фильтра, исключив термическую схему, что упрощает конструкцию узла обработки отработавших газов и удешевляет двигатель в целом.