ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ САЖЕВОГО ФИЛЬТРА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к двигателестроению и может быть использована для очистки от твердых сажевых частиц выхлопных газов дизельных двигателей при помощи фильтров с каталитически активным покрытием.
Известен фильтрующий элемент сажевого фильтра для очистки выхлопных газов дизельных двигателей, содержащий пакет гофрированных лент из жаропрочной стали с нанесенным на них каталитически активным покрытием, включающим в качестве драгоценного металла платину, наложенных друг на друга с образованием ячеистой структуры (см. заявку РФ на изобретение №93042477/06, МПК F01N 3/02, публ. 10.03.1996). К недостаткам известного фильтрующего элемента можно отнести недостаточную эффективность очистки, обусловленную тем, что удаление твердых частиц в нем осуществляется по принципу действия малоэффективного инерционного пылеуловителя, в котором имеет место конгломерация твердых частиц в газовом потоке и их инерционное осаждение или налипание на непроницаемые стенки, которые сами по себе не отфильтровывают твердые частицы. Кроме того, в известном фильтрующем элементе имеет место перемешивание выхлопных газов в объеме только каналов, образованных гофрами смежных гофрированных лент, без перетоков между каналами в объеме всего фильтропакета, что затрудняет конгломерацию твердых частиц, а, соответственно, уменьшает эффективность очистки. Также известный фильтр имеет сложную конструкцию из-за наличия дополнительных к гофрированной ленте сетчатых слоев или, в случае взаимно поперечного расположения гофрированных лент, необходимости выполнения двух впускных и двух выпускных патрубков.
Наиболее близким к предлагаемому является фильтрующий элемент сажевого фильтра для очистки выхлопных газов дизельных двигателей, содержащий пакет гофрированных лент из жаропрочной стали с нанесенным на них каталитически активным покрытием, включающим в качестве драгоценного металла платину, наложенных друг на друга с образованием ячеистой структуры (см. патент РФ на изобретение №2059841, МПК F01N 3/02, публ. 10.05.1996). К недостаткам известного фильтрующего элемента также можно отнести недостаточную эффективность очистки, обусловленную тем, что удаление твердых частиц в нем осуществляется по принципу действия малоэффективного инерционного пылеуловителя, в котором имеет место конгломерация твердых частиц в газовом потоке и их инерционное осаждение или налипание на непроницаемые стенки, которые сами по себе не отфильтровывают твердые частицы. Кроме того, в известном фильтрующем элемента имеет место перемешивание выхлопных газов в объеме только каналов, образованных гофрами смежных гофрированных лент, без перетоков между каналами в объеме всего фильтропакета, что затрудняет конгломерацию твердых частиц, а, соответственно, уменьшает эффективность очистки. Также известный фильтр имеет сложную конструкцию из-за наличия дополнительных к гофрированной ленте сетчатых слоев или, в случае взаимно поперечного расположения гофрированных лент, необходимости выполнения двух впускных и двух выпускных патрубков.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение задачи состоящей в повышении эффективности очистки за счет дополнительной фильтрации через стенки гофр и интенсификации перемешивания газового потока в объеме всего фильтропакета, а также в упрощении конструкции фильтрующего элемента.
Данная задача решается тем, что в фильтрующем элементе сажевого фильтра для очистки выхлопных газов дизельных двигателей, содержащем пакет гофрированных лент из жаропрочной стали с нанесенным на них каталитически активным покрытием, включающим в качестве драгоценного металла платину, наложенных друг на друга с образованием ячеистой структуры, гофрированные ленты выполнены перфорированными, а гофры смежных гофрированных лент размещены взаимно под острым углом друг к другу в направлении выхода фильтрующего элемента, плотность отверстий перфорации составляет 1200-2600 отверстий на квадратный сантиметр поверхности перфорированной ленты, удельное содержание общего количества драгоценных металлов каталитически активного покрытия в объеме ячеистой структуры составляет 0,25-0,45 г/дм3.
При этом, предпочтительно, чтобы количество гофр в пакете гофрированных лент составляло 20-30 гофр на квадратный сантиметр поперечного сечения ячеистой структуры.
Выполнение гофрированных лент перфорированными обеспечивает возможность перетекания выхлопных газов через стенки лент и осаждения при этом твердых частиц на них путем фильтрации. Кроме того, при таком перетекании выхлопных газов через стенки лент имеет место перемешивание газового потока в объеме всего фильтропакета, что улучшает конгломерацию твердых частиц, а, соответственно, интенсифицирует их осаждение из газового потока на поверхности гофр. Это повышает эффективность очистки выхлопных газов от твердых частиц.
Размещение гофр смежных гофрированных лент взаимно под острым углом друг к другу в направлении выхода фильтрующего элемента также позволяет интенсифицировать перемешивание выхлопных газов за счет взаимодействия перекрещивающихся потоков в смежных каналах гофр, причем при перетекании выхлопных газов через перфорацию гофр во всем объеме фильтропакета создается благоприятная для конгломерации твердых частиц газодинамическая обстановка. Это повышает эффективность очистки выхлопных газов от твердых частиц. Кроме того, такое размещение гофр смежных гофрированных лент позволяет упростить конструкцию фильтрующего элемента за счет того, что, по сравнению с параллельным размещением гофр смежных гофрированных лент, смежные гофрированные ленты можно наложить друг на друга без промежуточного слоя между лентами для исключения провала гофр смежных лент друг в друга. По сравнению же с поперечным размещением гофр смежных гофрированных лент, такое размещение гофр смежных гофрированных лент позволяет обойтись без двух впускных и двух выпускных патрубков для протекания выхлопных газов через гофры смежных лент, так как легко возможен подвод и отвод выхлопных газов во все гофрированные ленты через один впускной и один выпускной патрубки.
Удельное содержание общего количества драгоценных металлов каталитически активного покрытия в объеме ячеистой структуры в пределах 0,25-0,45 г/дм3 обусловлено тем, что, как показали наши экспериментальные исследования, при удельном содержании общего количества драгоценных металлов в объеме ячеистой структуры сажевого фильтра менее 0,25 г/дм3 наблюдается резкое ухудшение степени очистки, а при удельном содержании более 0,45 г/дм3 снижения токсичности выхлопных газов не наблюдается, в то время как имеет место бесполезное повышение себестоимости фильтрующего элемента.
Оптимальность выбора плотности отверстий перфорации в пределах 1200-2600 отверстий на квадратный сантиметр поверхности перфорированной ленты обусловлен тем, что при плотности отверстий менее 1200 отверстий имеет место резкое ухудшение фильтрационных процессов через перфорацию гофр, так как гофры удерживают только твердые частицы большого размера и перфорации недостаточно для отделения большого количества твердых частиц различного размера, а при плотности отверстий более 2600 отверстий перфорация гофр быстро забивается твердыми частицами и фильтрация практически прекращается.
Выбор количества гофр в пакете гофрированных лент в пределах 20-30 гофр на квадратный сантиметр поперечного сечения ячеистой структуры обусловлен тем, что при количестве гофр в пакете гофрированных лент менее 20 гофр на квадратный сантиметр поперечного сечения ячеистой структуры ухудшается эффективность очистки в виду того, что при этом недостаточно интенсивно протекают процессы инерционного отделения твердых частиц из газового потока, а при количестве гофр более 30 гофр имеет место значительное гидросопротивление фильтропакета без улучшения эффективности очистки.
На чертеже представлен фрагмент фильтрующего элемента сажевого фильтра для очистки выхлопных газов дизельных двигателей, а именно, две смежные гофрированные ленты.
Фильтрующий элемент сажевого фильтра для очистки выхлопных газов дизельных двигателей, содержит пакет, состоящий гофрированных лент 1, гофры 2 и 3 смежных лент которых размещены взаимно под острым углом (предпочтителен угол 20-60 градусов) друг к другу в направлении выхода фильтрующего элемента. Сам по себе пакет имеет ячеистую структуру и может формироваться, например, путем простого наложения гофрированных лент друг на друга, как показано на чертеже фрагмента, с образованием прямоугольного проходного сечения фильтропакета, или путем сворачивания нескольких лент по спирали с образованием круглого проходного сечения и т.п., как это делается в фильтрах подобного типа. Каждая гофрированная лента 1 выполнена из жаропрочной стали с нанесенным на нее каталитически активным покрытием, включающим в качестве драгоценного металла платину, при удельном содержании общего количества драгоценных металлов каталитически активного покрытия в объеме ячеистой структуры фильтропакета в пределах 0,25-0,45 г/дм3. Также гофрированные ленты имеют перфорацию 4 с плотностью отверстий перфорации 1200-2600 отверстий на квадратный сантиметр поверхности перфорированной ленты. Предпочтительная площадь отдельного отверстия перфорации составляет 0,01-0,08 мм2. Также предпочтительно, чтобы количество гофр в пакете гофрированных лент составляло 20-30 гофр на квадратный сантиметр поперечного сечения ячеистой структуры.
Предлагаемый фильтрующий элемент сажевого фильтра для очистки выхлопных газов дизельных двигателей работает следующим образом.
Очевидно, что фильтрующий элемент устанавливается в корпусе, снабженном впускным и выпускным патрубками, которые не показаны на чертеже. Выхлопные газы поступают на вход фильтрующего элемента в каналы, образованные гофрами перфорированных лент 1. При прохождении выхлопных газов по этим каналам происходит интенсивное перемешивание выхлопных газов за счет взаимодействия перекрещивающихся потоков в смежных каналах гофр, что приводит к интенсивной конгломерации твердых частиц и их осаждению на стенки ленты 1. При этом при перетекании выхлопных газов через перфорацию гофр во всем объеме фильтропакета создается благоприятная для конгломерации твердых частиц газодинамическая обстановка, а также имеет место осаждение твердых частиц на стенках лент путем фильтрации газового потока этими перфорированными стенками. Каталитические процессы сжигания скопившейся на всех внутренних поверхностях фильтропакета сажи осуществляется обычным для подобного типа сажевых фильтров образом. При выходе дизельного двигателя на номинальный режим, когда температура выхлопных газов повышается до 300 градусов и выше происходит процесс каталитического сжигания сажи, каталитическая поверхность очищается от слоя сажи, обогащается кислородом из газовой фазы и активно дожигает сажевые частицы, находящиеся в газовом потоке.
Предлагаемый фильтрующий элемент сажевого фильтра обеспечивает высокую эффективность очистки выхлопных газов дизельных двигателей и имеет простую и надежную конструкцию.