Фильтр для очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания

 

Использование: в фильтрах для очистки отходящих газов дизельных двигателей. Сущность изобретения: фильтр содержит фильтрующий пакет, выполненный из зигзагообразно сложенной сетки, между складками которой размещены гофрированные пластины, образующие на торцах фильтра соответственно входные и выходные промежутки. При течении газ попадает во входные промежутки и сажевые частицы осаждаются на нижней и верхней поверхностях гофрированных пластин. Газ перетекает через открытые ячейки сетчатых слоев в соседние выходные промежутки, где оставшаяся часть сажевых частиц также осаждается на нижней и верхней поверхностях гофрированных пластин. На холодных режимах работы фильтр работает как сажесборник с большой внутренней поверхностью фильтрующего пакета. На горячих режимах накопившаяся сажа каталитически окисляется за счет каталитически активного слоя, нанесенного на обе поверхности гофрированных входных и выходных пластин, а каталитическая обработка токсичных газообразных компонентов осуществляется на каталитически активном слое, нанесенным на поверхностях сетчатых слоев пакета. Для разогрева катализатора в складках сетчатых слоев зигзагообразно размещается электронагреватель, периодически включающийся от аккумулятора или генератора тока на холодных режимах. Для выравнивания расхода газа через фильтрующий пакет и для минимизации перепада давления через фильтр гофрированные пластины могут размещаться взаимно поперечно, иметь различную высоту и шаг между гофрами, выполняться из металлически плотных, сетчатых и волокновых спеченных материалов. Изобретение позволяет варьировать формой, размерами и гидравлическими характеристиками фильтра. 4 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам снижения токсичности отработавших газов дизельных двигателей путем очистки их от твердых сажевых частиц и от газообразных токсичных компонентов.

Наиболее близким к предлагаемому фильтру для очистки отработавших газов дизельных двигателей является фильтр, содержащий корпус с впускным и выпускным патрубками, в котором размещен фильтрующий элемент, выполненный в виде пакета из чередующихся пористых плоских и пористых гофрированных пластин, полученных из минеральных волокон на основе алюминия, алюмосиликатов или силикатов, скрепленных огнеупорной глиной. Входной торец каждой гофрированной пластины перекрыт только по торцам самих гофр так, что каналы между гофрами оставлены свободными, а выходной торец пластины, наоборот, перекрыт только между гофрами, а сами гофры с торцов открыты. Таким образом, собранный пакет имеет сотовую структуру с множеством параллельных каналов треугольной формы. Отработавшие газы поступают на входную торцовую поверхность пакета, протекают по треугольным каналам вдоль гофр вглубь пакета, фильтруются через порыстые стенки плоских пластин и самих гофр внутрь соседних гофр и выходят через их открытые торцы с противоположного торца пакета. В известном фильтре обеспечивается большая площадь фильтрации в сравнении с кордиеритовыми сотовыми фильтрами и вследствие этого небольшой рост гидравлического сопротивления, что позволяет изготавливать фильтры цилиндрической формы путем наматывания исходной сырой заготовки в рулон с ее последующим спеканием.

Недостатки известного фильтра заключаются в следующем.

Как показано в примерах, толщина пористых стенок плоских и гофр составляет ≈1 мм, что в 2-3 раза больше, чем у кордиеритовых блоков, выдавливаемых зацело методом экструзии. Поэтому для обеспечения небольшого перепада давления при фильтрации газа через такие стенки в известном фильтре приходится увеличивать общую пористость стенок, уменьшая их прочность, а также увеличивать размеры гофр и габариты пакета. Однако термопрочность толстостенных пластин снижается и при регенерации сажи с нагревом выше 600^оС, возникает опасность растрескивания пакета. Операции формирования торцовых частей гофрированных пластин также являются сложными, поскольку если при дальнейшем спекании пластин в пакете образуется трещина в какой-либо торцовой части гофра, то в этом месте возможно образование сквозного канала. Кроме того, склеивание пластин в пакете с помощью огнеупорной глины с добавками выгорающих компонентов, не гарантирует сплошности в местах контакта вершин гофр с плоскими пластинами, а также возможны существенные изменения пористости стенок, снижающие их проницаемость по газу.

Анализ уровня техники в области сажевых фильтров для двигателей внутреннего сгорания показывает, что большинство из них сложны в изготовлении и нетехнологичны, что затрудняет их массовое производство. Фильтры, набираемые из отдельных пластин, требуют последующих операций склеивания, спекания и сушки, изменяющих их гидравлические характеристики. Для всех известных конструкций сложной является проблема введения различных по составу каталитически активных компонентов в пористую структуру фильтра с учетом необходимости каталитического сжигания сажи (твердофазной составляющей потока) и каталитической бифункциональной очистки от токсичных газовых компонентов. В известных фильтрах возможности для избирательного введения таких катализаторов в те или иные части фильтра не предусмотрены. Также сложной является проблема размещения в известных фильтрах электронагревателей для периодического выжигания сажи. Основным недостатком известных сажевых фильтров является то, что они достаточно быстро (в течение нескольких минут) быстро забиваются сажей на холодных режимах запуска и разогрева двигателя, после чего, вплоть до начала выжигания накопленной в фильтре сажи, двигатель работает на повышенной мощности или глохнет, что экономически невыгодно.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы фильтра и упрощение технологии его изготовления.

Для решения поставленной задачи предлагается фильтр для очистки отходящих газов дизельных двигателей, содержащий корпус с впускным и выпускным патрубками, в котором размещен фильтрующий элемент, выполненный в виде пакета из чередующихся плоских и гофрированных слоев, с нанесенным на них каталитическим покрытием, образующих между собой входные и выходные промежутки для прохода газа, в котором плоские слои образованы из сетки, зигзагообразно сплошной с поочередным формированием при этом входных и выходных промежутков, обращенных соответственно к впускному и выпускному патрубкам, поверхностях волокон сетки и гофрированных слоев образовано каталитическое покрытие, которое на входных и выходных гофрированных слоях выполнено преимущественно с компонентами окислительной обработки сажевых частиц, а на сетчатых слоях преимущественно с компонентами окислительно-восстановительной обработки газового потока, а каталитическое покрытие гофрированных слоев преимущественно с компонентами окислительной обработки сажевых частиц. Кроме того, в предлагаемом фильтре гофрированные слои могут быть выполнены из металлических плотных, сетчатых или волоконных материалов.

При этом входные и выходные гофрированные слои могут быть размещены взаимно поперечно. Расстояние между складками ячеистой сетки и толщина размещенных в них гофрированных слоев выполнены увеличивающимися от центра пакета к его периферии.

В изгибах сетчатых складок могут быть дополнительно размещены электронагревательные элементы, зигзагообразно пропущенные через изгибы, один с входного, а другой с выходного торцов пакета.

Известно, что частицы сажи, несгоревшего топлива, масла, капли влаги, взвешенные в холодном потоке отходящих газов дизельных двигателей, обладают высокими адгезивными свойствами и легко налипают даже на гладкие, полированные поверхности выхлопной системы глушителя и др. детали газового тракта, образуя тонкий "жирный" слой, на который активно высаживаются новые частицы, быстро увеличивающие его толщину. Поэтому попытки фильтрации сажевых частиц из холодных отходящих газов путем их пропускания через мелкопористые стенки приводит к чрезвычайно быстрому поверхностному забиванию стенок слоем микроскопических частиц и росту гидравлического сопротивления фильтра до недопустимых величин уже через несколько минут после холодного запуска дизельного двигателя. В предлагаемом фильтре улавливание частиц на холодных режимах работы двигателя обеспечивается за счет создания в объеме фильтрующего пакета возможно большей площади поверхности для оседания на нее частиц за счет обеспечения условий для их столкновения друг с другом, конгломерации в более крупные частицы и выпадения их из газового потока, скорость которого в объеме пакета резко уменьшается. При этом частицы, находящиеся в потоке, испытывают множество столкновений друг с другом из-за перетечек через верхний и нижний сетчатые слои в соответствующие выходные промежутки пакета.

В предлагаемом фильтре абсолютно все поверхности гофр и сетчатых слоев служат для сбора дисперсных частиц. В сравнении с известными сотовыми керамическими или пластинчатыми фильтрами из пористой керамики, пенокерамики или войлока, где сажа улавливается объемно, с забиванием одной стороны пористой стенки, а противоположная сторона стенки остается чистой даже при недопустимом росте противодавления на фильтре, в предлагаемом фильтре улавливание осуществляется не в объеме пористой стенки, а на двух сторонах гофрированных (преимущественно плотных) и сетчатых слоев. Площадь оседания сажи в данном случае оказывается в несколько раз большей, чем в аналогах, толщина осаждаемого слоя существенно уменьшается, соответственно почти не уменьшаются микроскопические проходные сечения гофрированных каналов (размерами 1-3 мм) и ячеек сетки (размерами 100-500 мкм). При одинаковых габаритах предлагаемого и известных фильтров время витания частиц в объеме пакета возрастает в 3-5 раз и вероятность их налипания на поверхности гофр и сетки возрастает.

На холодных режимах отходящие газы попадают во входные промежутки пакета, тормозятся и сажа начинает осаждаться на поверхностях входных гофрированных пластин, а сетчатые плоские слои с крупными ячейками, размерами в десятки-сотни микрон, обеспечивают свободное пролетание через них самых крупных инерционных частиц сажи, хотя при этом некоторое их количество налипает на поверхности между ячейками сетки, но сетка не забивается. Пролетая из входных промежутков пакета через ячейки сетчатых слоев, частицы попадают в соседние выходные промежутки, где между гофрами в осевом направлении протекает часть потока, прошедшая через сетчатые торцы складок. При взаимном столкновении потоков, прошедших через ячейки сетки с потоками, текущими вдоль обоих поверхностей гофрированных слоев, частицы, оставшиеся в потоках, конгломерируются, укрупняются, скорость их витания и уноса уменьшается и они легко налипают на нижнюю и верхнюю поверхности гофрированных слоев, расположенных в выходных промежутках между сетчатыми складками.

Таким образом, на холодных режимах фильтр работает как сажесборник, в котором частицы распределяются в основном на обоих сторонах всех имеющихся в пакете гофрированных слоев, а сетчатые крупноячеистые слои, также осаждая на себе некоторое количество частиц, обеспечивают беспрепятственное пропускание газа из входных промежутков в выходные, практически без увеличения общего гидравлического сопротивления фильтра в целом и нейтрализацию газовых токсичных компонентов на каталитическом слое сетки.

Поскольку в предлагаемом фильтре поверхность, на которую налипают частицы, оказывается в несколько раз больше, а сетчатые слои вызывают дробление и перемешивание газового потока, сопровождающееся падением скорости внутри фильтрующего пакета, то сажа более равномерно распределяется внутри пакета, сажеемкость и степень улавливания фильтра возрастают при сохранении допустимого перепада давления на нем в течение времени, достаточном для разогрева двигателя и выхода его на режим каталитического сжигания как накопившейся, так и проходящей через фильтр сажи.

Оптимальный подбор размеров ячеек и гофр позволяет одновременно использовать предлагаемый фильтр в качестве глушителя с низким уровнем противодавления.

Известно, что улавливание сажи и выход NO_х являются взаимосвязанными процессами. Так, например, при 100% улавливании сажи, наблюдается максимальный выход NO_х. Поэтому возникает проблема улавливания и сжигания сажи так, чтобы продукты сгорания, содержащие углеводороды, могли быть использованы для восстановления NO_х и снижения их концентрации в выхлопе дизеля.

В предлагаемом фильтре эта проблема решается за счет избирательного нанесения каталитических покрытий на соответствующие элементы фильтра.

Составы таких покрытий и способы их формирования на металлических подложках фильтров являются стандартными, но применительно к конструкции предлагаемого фильтра легко обеспечивают раздельное формирование требуемых различных по составу каталитических покрытий отдельно на сетку, отдельно на входные гофрированные пластины и отдельно на выходные гофрированные пластины (возможны самые различные варианты составов), после чего все эти элементы легко собираются в единый фильтрующий пакет без каких-либо дополнительных его пропиток, сушек и термообработок. Такая технология позволяет достаточно легко осуществлять массовое производство предлагаемого фильтра, базируясь на высокопроизводительных процессах получения сеток и металлической фольги для различных областей фильтровальной и машиностроительной техники.

Каталитические покрытия, снижающие температуру горения сажи до 300-400^оС (вместо 600^оС в случае непосредственного сжигания с помощью горелки или электрической спирали), в предлагаемом фильтре наносятся на входные и выходные гофрированные слои, что позволяет газифицировать накопившуюся на них сажу и использовать продукты каталитического окисления для последующей каталитической нейтрализации газовых компонентов, в том числе и NO_х. Продукты окисления сажи хорошо перемешиваются с остальными газовыми компонентами потока, проходя через ячейки сетчатых слоев и одновременно с этим омывая каталитические покрытия на поверхностях сетки.

Состав каталитически активных компонентов выбран из условия бифункциональной окислительно-восстановительной обработки токсичных газовых компонентов, как это осуществляется, например, с помощью металлов платиновой группы в каталитических нейтрализаторах выхлопов карбюраторных двигателей. По достижении температуры каталитического сжигания сажи каталитические поверхности гофр очищаются от слоя сажи, насыщаются кислородом из проходящего потока и обеспечивают каталитическое сжигание сажи непосредственно из поступающего потока.

На этом режиме предлагаемый фильтр работает как дожигатель сажи и нейтрализатор газовых токсичных компонентов.

В предлагаемом фильтре сетка и гофрированные слои выполняются из металлических металлов, что обеспечивает высокие прочностные характеристики фильтра, а также быстрый прогрев каталитических покрытий, нанесенных на металлические поверхности. Исключаются трещинообразования в процессе термоциклических нагружений пакета, предотвращается взаимная подвижность деталей, способная вызвать резонансное разрушение всей конструкции. Выполнение гофр из тонкой фольги, сетки или спеченного волоконного листа придает геометрическую стабильность промежуткам между сетчатыми складками, податливость которых, в свою очередь, позволяет учесть все неточности изготовления гофр, выбрать технологические зазоры и, не применяя никаких сварочных или термодиффузионных процессов, плотно разместить собранный пакет в корпусе фильтра, одновременно обеспечив возможность терморасширения пакета по всем направлениям.

В сравнении с известными керамическими сотовыми фильтрами или фильтрами, спекаемыми из пористых металлических пластин, предлагаемый фильтр более прост и удобен как при поэлементном изготовлении, так и при сборке.

Возможность применения в фильтре гофрированных слоев из металлической фольги или из спеченных металлических волокон, позволяет применять фильтр для двух крайних случаев. Соответственно, когда сажевых частиц в выхлопе очень мало, тогда гофрированные сетчатые слои обеспечивают хорошее перемешивание потоков между соседними каналами в пакете и высокую степень контакта газов с каталитическими поверхностями. В этом случае предлагаемый фильтр может служить как каталитический блочный дожигатель для карбюраторных двигателей.

Наоборот, когда используется плохо очищенное дизельное топливо с большим выходом сажи, то целесообразно делать гофрированные слои с шероховатой, как бы волосяной поверхностью и обеспечить тем самым более лучшие условия для улавливания сажевых частиц в такой дендритной структуре. Однако при этом общее гидравлическое сопротивление больше, чем с гладкими гофрами, поэтому такой вариант целесообразно использовать, например, в мощных карьерных самосвалах, дизель-генераторных, буровых установках, тягачах, тепловозах и т. д.

Конструкция предлагаемого фильтра позволяет при необходимости производить замену гофрированных пластин, исходя из вышеназванных условий или по мере выгорания каталитических покрытий и др. причинам, подстраивая тем самым характеристики по сажеемкости, перепаду давления к конкретным параметрам двигателя и маркам топлива.

В общем случае входные и выходные гофрированные слои размещаются в пакете вдоль по потоку газа. Также возможен вариант их взаимно поперечного размещения. Это позволяет осуществлять подвод и отвод газов с двух сторон пакета и может быть использовано в конструкциях двигателей с газоотводящими трактами от отдельных поршней или камер сгорания.

Выполнение входных и выходных щелевых пpомежутков и соответственно размещенных в них гофрированных слоев с увеличенной высотой в направлении от центра к периферии пакета, позволяет учесть профиль распределения скоростей набегающего потока из подводящего патрубка. Поскольку профиль обычно имеет параболическую форму с максимумом скорости в центре потока и минимумом в пристеночном слое, то постепенное увеличение проходных сечений в направлении от центра пакета к его периферии позволяет более равномерно распределить расход газа по каналам и тем самым обеспечить более равномерное распределение сажи на внутренних поверхностях пакета, избежать локальных забиваний в центральной части пакета и быстрого роста его противодавления.

Поскольку в предлагаемом фильтре осуществляется каталитическое сжигание сажи, то отпадает необходимость в использовании мощных источников тепла для ее термодинамического сжигания, требующего больших затрат энергии (топливо для специальных горелок или электрогенератор для резисторных нагревателей, встраиваемых в низкотеплопроводный керамический блок). Роль электронагревателя в предлагаемом фильтре сводится к нагреву каталитического покрытия на гофрах до 300-400^оС, когда начинается эффективное каталитическое окисление сажи. Электронагреватель проволочного или ленточного типа, зигзагообразно пропущенный через изгибы сетчатых складок с входного и выходного торцев пакета, является как бы "поджигателем" катализатора, после чего он отключается и далее процесс сжигания сажи идет в каталитическом режиме. Металлическая основа гофрированных слоев и сетки за счет высокой теплопроводности обеспечивает быстрый прогрев всех каталитических поверхностей в объеме пакета.

Размещение электронагревателей в изгибах сетчатых складок, кроме того, создает повышенное гидравлическое сопротивление потоку, направляя большую его часть в открытые входные и выходные промежутки между складками сетки, при этом поверхность электронагревателей также может иметь каталитическое покрытие и служить для улавливания некоторого количества сажевых частиц.

Из этого следует, что использование изобретения позволяет решить поставленную задачу и достичь цель изобретения, т.е. получить фильтр, обладающий высокой эффективностью на всех режимах работы двигателя при небольшом увеличении его сопротивления между циклами регенерации, а также отличающийся простотой изготовления и сборки и позволяющий широко варьировать практически всеми геометрическими параметрами сетчатых и гофрированных элементов, расширяя тем самым возможности оптимизации и привязки к различным типам двигателей от автомобильных до мощных стационарных установок без ограничений со стороны технологического оборудования.

На фиг.1 приведен фильтр прямоугольной формы, общий вид с частичным разрезом; на фиг.2 укрупненно изображен многослойный фильтрующий пакет с частичным разрезом; на фиг.3 ячейки сетчатого слоя пакета, вид сверху; на фиг.4 щелевые промежутки между сетчатыми слоями пакета, поперечное сечение; на фиг.5 часть многослойного пакета с взаимно поперечным расположением гофрированных слоев; на фиг.6 вид на входной торец пакета с различными по высоте щавелевыми промежутками.

Фильтр содержит корпус 1 коробчатой формы с впускным 2 и выпускным 3 патрубками, соединенными с торцами корпуса коническими переходниками. В корпусе размещен многослойный фильтрующий пакет 4 прямоугольной формы, выполненный из чередующихся плоских слоев непрерывной сетки 5, зигзагообразно огибающей гофрированные слои пластины 6, выполненные из плотного, сетчатого из волоконного спеченного материала и образующие в совокупности с сетчатыми складками входные 7 и выходные 8 щелевые промежутки. Между стенкой коробчатого корпуса 1 и наружными боковыми стенками пакета 4 размещен слой теплоизоляции 9. На волокнах 10 сетчатых слоев и на обеих сторонах всех гофрированных пластин образован слой каталитического покрытия 11. Причем ячейки 12 между покрытыми волокнами сетки оставлены сквозными на просвет и их проходное сечение существенно по меньшей мере на порядок больше, чем максимальный размер сажевых частиц, который обычно составляет около 1 мкм, редко 3-5 мкм.

Как показано на фиг.5, гофрированные пластины 6 между сетчатыми слоями могут быть размещены во входных 7 и выходных 8 щелевых промежутках взаимно поперечно. Это позволяет осуществлять подвод и отвод отходящих газов с двух сторон пакета; подвод с одной, а отвод с двух сторон; подвод с двух сторон, а отвод с одной стороны пакета. Такие возможности позволяют более оптимально размещать фильтр в двигательной установке, подсоединять его непосредственно к газоотводящему тракту отдельного поршня, минимизировать сопротивление фильтра и т.д. расширяя тем самым возможности конструирования фильтра при его привязке к конкретному двигателю.

В изгибах сетчатых складок, образованных на входном и выходном торцах пакета, размещены электронагреватели 12 и 13 проволочного или ленточного типа, зигзагообразно пропущенные через складки и имеющие концевые токовыводы для подсоединения к источнику тока (аккумуляторной батарее или генератору).

Для обеспечения более равномерного распределения расхода газов через поперечное сечение пакета щелевые промежутки 7, 8 и соответствующие им гофрированные пластины 6 выполнены с увеличенной высотой в направлении от центра к периферии пакета, т. е. (фиг. 6) высота щелей h₁ < h₂ < h₃ и т.д. Конкретные значения высот определяются по результатам продувок фильтра при его привязке к заданному типу двигателя и его системе выхлопа.

Направление течения отходящих газов через фильтр и его элементы обозначено на чертежах стрелками.

Предлагаемый фильтр работает следующим образом.

На холодном режиме при запуске двигателя отходящие газы с низкой температурой проходят через впускной патрубок 2, расширяются в его конусной части и поступают на торец пакета 4. Находящиеся в холодном газовом потоке частицы сажи несгоревшего топлива, капли масла и влаги осаждаются в некотором количестве на сетчатых торцах выходных щелей 8, на торцовых кромках гофрированных пластин 6, расположенных во входных щелях 7 и на обеих сторонах этих пластин. Поскольку в задних сетчатых торцах входных щелей как и в передних проложен электронагреватель, то эти торцы быстро забиваются частицами и поток из каждой входной щели проходит в соседние верхнюю и нижнюю выходные щели через ячейки верхнего и нижнего сетчатых слоев, т.е. при этом газ меняет направление на 90^о и перемешивается с меньшей частью потока, фильтруемого в осевом направлении через выходные щели 8. В результате смешения большого расхода, проходящего через сетки, с малым расходом, проходящим вдоль выходных гофр, происходит столкновение частиц, они слипают в более крупные конгломераты и вследствие уменьшения скорости потока выпадают из него и налипают на поверхности гофр. Кроме того, часть сажи налипает и на волокна плоских сетчатых слоев.

Таким образом, на холодном режиме фильтр работает как сажесборник, оставаясь при этом полностью проницаемым для газовой фазы потока благодаря крупным размерам ячеек сетки и гофрированных каналов. При необходимости нейтрализации газовых токсичных компонентов за фильтром может быть установлен специально подогреваемый бифункциональный каталитический нейтрализатор, аналогичный для карбюраторных двигателей.

Однако нейтрализация газовых токсичных компонентов может происходить в предлагаемом фильтре и на холодном режиме работы двигателя. Для этого осуществляется предварительный прогрев пакета с помощью размещенных на его торцах электронагревателей, подключенных к аккумулятору на время, необходимое только для "поджига" каталитического слоя, а не для того, чтобы нагревать весь холодный поток газов, проходящих через фильтр. Температура нагрева трех компонентов каталитического слоя, включающего платину, палладий и родий до 130-150^оС, достаточна для эффективной нейтрализации CO.

На горячем режиме при выходе дизельного двигателя на номинальный режим, когда температура отходящих газов повышается до 300^оС и выше, начинается процесс каталитического сжигания сажи, скопившейся на всех внутренних поверхностях пакета и в первую очередь на входных и выходных гофрированных пластинах. Каталитическая поверхность очищается от слоя сажи, обогащается кислородом из газовой фазы и активно дожигает сажевые частицы, находящиеся в потоке. Вследствие окисления окиси углерода и частично углеводородов происходит восстановление оксидов азота на поверхностях окислительно-восстановительного каталитического слоя, образованного на поверхности сетки, содержащей стандартный, например, платиново-палладиво-родиевый катализатор.

При сжигании налипшей сажи все проходные сечения в фильтрующем пакете увеличиваются до своих исходных размеров, в результате чего перепад давления через фильтр снижается и двигатель работает на более высокой мощности. Слой эффективной теплоизоляции 9, размещенный между стенками кожуха 1 и пакетом, обеспечивает сохранение необходимой температуры для катализа в случае непродолжительного выключения двигателя.

Конструкция фильтра, как отмечалось выше, позволяет варьировать структуру гофрированных слоев, изготавливая их из плотной или перфорированной фольги, из сеток или из волоконных тонкостенных пластин, т.е. от беспористых до высокопористых структур. Кроме того, гофрированные пластины могут на входе быть плотными, а на выходе пористыми, и наоборот. Они могут быть установлены взаимно поперечно и тем самым организовать двусторонний подвод и отвод газов в фильтре. Подбор высоты входных и выходных щелей позволяет более эффективно распределять газовый поток в объеме фильтра и более равномерно высаживать сажу на всех его внутренних поверхностях. Все эти варианты свидетельствуют о высоких функциональных и технологических возможностях предлагаемого фильтра.

В качестве материалов сетчатых слоев и гофрированных пластин могут использоваться высоколегированные хромом и алюминием нержавеющие жаростойкие стали, хорошо зарекомендовавшие себя в качестве металлических носителей каталитических нейтрализаторов карбюраторных двигателей. Они выдерживают температуру эксплуатации до 1100-1200^оС, на них освоена промышленная технология нанесения керамических подложек на основе оксидов алюминия с промоторами из редкоземельных элементов и с введением в них солей благородных металлов платиновой группы.

В качестве каталитически активных компонентов для окислительной обработки сажевых частиц, снижающих температуру их воспламенения, могут использоваться составы, включающие калий и медь; калий, церий и медь; оксид ванадия и один или несколько металлов из группы: платина, родий, палладий, иридий; оксиды ванадия и меди с металлами платиновой группы и т.д. Кроме снижения температуры воспламенения сажи до 350-400^оС (вместо 550-600^оС без катализатора), некоторые составы обеспечивают также одновременное снижение содержания NO_х (см. например, статью: Снижение эмиссии окислов азота и частиц дизельных двигателей. Экспресс-информация "Экологические проблемы на транспорте", N 40, 1991, с.4-13).

Такие составы наносятся на длинномерную гофрированную полосу с двух сторон, которая затем разрезается на пластины с требуемыми размерами, размещаемые во входных и выходных промежутках между складками тканой или нетканой сетки.

Использование ленточных и фольговых материалов с их гофрированием и нарезкой на требуемые отрезки существенно упрощает изготовление сетчатых и гофрированных слоев, образование на них каталитических покрытий и обеспечивает простую сборку их в пакет по конвейерной технологии. При этом габариты и форма фильтра не имеют жестких ограничений со стороны технологической оснастки, как например, экструдеры для получения кордиеритовых сотовых блоков или фильеры для выдавливания пористых пластин.

Характерные размеры сетчатых слоев составляют: толщина 0,05-0,5 мм, длина не ограничена, ширина до нескольких метров в зависимости от типа ткацкого оборудования; толщина стенки гофрированных пластин 0,05-0,2 мм, высота и шаг гофр 1-3 мм. Сетчатые слои могут быть образованы также из нескольких тонких слоев сетки и прокатаны в более жесткий пакет, но размеры ячеек выбираются из условия, чтобы после нанесения каталитического покрытия на волокнах сетки, ячейки оставались сквозными на просвет. Характерная толщина покрытия составляет 30-60 мкм, поэтому исходный размер "голой" ячейки должен в несколько раз превышать толщину покрытия и составлять, например, 150-250 мкм.

При наборе сетчатого слоя из нескольких сеток со взаимно пересекающимися ячейками или с промежуточными армирующими волокнами, исходные размеры ячеек могут достигать 400-500 мкм.

При производстве предлагаемого фильтра с гофрированными пластинами из сеток используется единая технология получения сетчатой полосы, нанесения на нее каталитического покрытия, изгибания и гофрирования.

При производстве предлагаемого фильтра с гофрированными пластинами из волоконного спеченного материала используется высокопроизводительная технология получения прокаткой с последующим спеканием листов из дискретных стальных волокон, в том числе шероховатых. Пористость листов может составлять 30-90% средний размер по 20-60 мкм, диаметр волокон 5-15 мкм, длина волокон 1-10 мм. Каталитически активные компоненты могут быть введены непосредственно в волокнистую структуру гофрированной пластины.

П р и м е р. Изготавливался фильтр для автомобильного дизельного двигателя типа ЗИЛ₁₃₀, рассчитанный на максимальный расход отходящих газов 725 кг/ч (200 г/с) при среднемассовой температуре 610^оС.

Фильтрующий пакет имеет размеры: ширина 200 мм, высота 200 мм, длина 300 мм. Сетчатые и гофрированные слои выполнены из хромисто-алюминиевой стали типа Х23Ю5, толщиной 0,1 и 0,05 мм соответственно, обладающей коррозионной стойкостью в потоках отходящих газов при температуре до 1200^оС и обычно используемой в качестве носителя катализаторов для нейтрализаторов выхлопов карбюраторных двигателей. Размер ячеек сетки 150 мкм. Из сетчатой полосы шириной 200 мм путем попеременного складывания формируют зигзагообразные складки в количестве 200 шт. образующие плоские слои, огибающие попеременно все 200 гофрированных пластин так, что на торцах пакета образуются соответственно 100 входных и 100 выходных щелевых промежутков глубиной по 300 мм, в которые вставлены гофрированные пластины с высотой гофр 1 мм и шагом между гофрами 1,5 мм. На поверхности сетки предварительно образуют слой керамической подложки из оксида алюминия толщиной 50 мкм, вводят в него из растворов промоторы на основе редкоземельных элементов и каталитически активные компоненты (платину, палладий, родий), сушат и восстанавливают соли благородных металлов в среде водорода. Полученное покрытие имеет удельную поверхность до 100 м²/г, пористость ≈30% объемную пористость ≈0,5 см³/г.

На гофрированной фольге аналогичным образом формируют с обеих сторон 50 мкм слой каталитического бесплатиноидного покрытия на основе оксида ванадия. Затем сетку с покрытием складывают зигзагообразно, размещают между складками гофрированные пластины шириной 200 мм, длиной 300 мм и получают фильтрующий пакет в сборе.

В изгибах сетчатых складок с обеих торцов пакета пропускают проволочные нагреватели из стали Х235Ю мощностью по 500 Вт каждый, с токовыводами для подсоединения к низковольтному источнику тока. Собранный пакет со слоем наружной теплоизоляции, выполненный на основе войлока из оксида алюминия, размещают в кожухе фильтра, выполненном из нержавеющей стали типа 12Х18Н10Т, толщиной 1 мм и присоединяют к нему конусные части с впускным и выпускным патрубками диаметром по 95 мм. Площадь поверхности с одной стороны сетчатых слоев в пакете ≈12 м², площадь поверхности с одной стороны гофрированных пластин ≈18 м². Если учесть, что в фильтре осаждение сажи осуществляется практически на обе стороны сетчатых и гофрированных слоев, то суммарная поверхность поверхностей, омываемых газом в данном фильтре, ≈60 м², что более чем в 10 раз превышает площадь фильтрации лучших зарубежных керамических фильтров сотового типа. В данном фильтре обеспечивается удельный расход газа ≈0,0005 г/с˙см² и вследствие этого рост противодавления на нем по мере выхода двигателя на горячий режим в течение 1 ч не превышает 2-3% Обеспечение столь низкого удельного расхода газа позволяет сажевым частицам более длительное время контактировать с каталитическими поверхностями на горячих режимах и полностью сгорать в заданном объеме фильтра.

При предварительном прогреве фильтра питание электронагревателей осуществляется от аккумуляторной батареи напряжением 12 В. На режиме холостого хода или работы с малой нагрузкой питание электронагревателей осуществляется от электрогенератора.

Конструктивные возможности предлагаемого фильтра также позволяют применять сетчатые и гофрированные слои из одной и той же фольги хромисто-алюминиевой стали (Х23Ю5) толщиной 40-50 мкм, в которой ячейки выполняются высокопроизводительным лазерным, электроискровым или иглопробивным способами. При таком выполнении гидравлическое сопротивление фильтра может быть дополнительно снижено, что позволяет устанавливать фильтр на легковых дизельных двигателях без опасения существенного снижения их мощности и экономичности.

Обеспечивается простая поэлементная технология изготовления фильтр и его промышленная сборка на существующем оборудовании. Отсутствие ограничений на форму и габариты предлагаемого фильтра позволяет использовать его на всех видах дизельных транспортных и стационарных установок.

Формула изобретения

1. ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, преимущественно дизельных, содержащий корпус с впускным и выпускным патрубками и размещенный в корпусе фильтрующий элемент, выполненный в виде пакета чередующихся между собой плоских и гофрированных слоев с нанесенным на них каталитическим покрытием, образующих входные и выходные промежутки для прохода газа, отличающийся тем, что плоские слои выполнены в виде сплошной зигзагообразно сложенной ячеистой сетки с образованием складок и с поочередным формированием при этом входных и выходных промежутков, обращенных соответственно к впускному и выпускному патрубкам, гофрированные слои размещены в складках зигзагообразной сложенной сетки, размер ячеек которых превышает размер сажевых частиц, при этом каталитическое покрытие плоских слоев выполнено преимущественно с компонентами окислительно-восстановительной обработки газового потока, а каталитическое покрытие гофрированных слоев - преимущественно с компонентами окислительной обработки сажевых частиц.

2. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что гофрированные слои выполнены металлическими в виде листовых, или сетчатых, или волокнистых материалов.

3. Фильтр по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что соседние гофрированные слои размещены взаимно поперечно.

4. Фильтр по пп. 1 3, отличающийся тем, что расстояние между складками ячеистой сетки и толщина размещенных в них гофрированных слоев выполнены увеличивающимися от центра пакета к его периферии.

5. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что он снабжен электронагревательными элементами, размещенными в листах изгибов ячеистой сетки и зигзагообразно пропущенными через ее ячейки соответственно со стороны входного и выходного патрубков.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6