PL198744B1

PL198744B1 - Filtr o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin

Info

Publication number: PL198744B1
Application number: PL357337A
Authority: PL
Inventors: Toshiyuki Hamanaka; Takashi Harada
Original assignee: Ngk Insulators Ltd
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2002-03-01
Publication date: 2008-07-31
Also published as: EP1283067B1; DE60205828T2; US6942712B2; EP1283067A1; US20030140608A1; JP4408183B2; PL357337A1; EP1283067A4; JP2002273124A; DE60205828D1; ZA200208981B; WO2002074417A1

Abstract

1. Filtr o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin, posiadaj acy struktur e plastra pszczelego z wieloma przelotowymi otworami, które s a oddzielone od siebie poro- watymi przegrodami i na przemian zatkane na powierzchni wlotu spalin i na powierzchni wylo- tu spalin, znamienny tym, ze struktura (1) plastra pszczelego ma rozci ecie (5) posiadaj a- ce otwór przynajmniej na powierzchni (2) wlotu spalin, przy czym rozci ecie (5) to jest cz escio- wo wype lnione wype lniaczem (6) do gleboko sci 3-25 szeroko sci rozci ecia (5) od powierzchni (2) wlotu spalin w kierunku przep lywu spalin, a wewn atrz cz esci rozci ecia (5) wype lnionej wype lniaczem (6) jest utworzona szczelina (5e). PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotowy wynalazek dotyczy filtru o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin. Wynalazek dotyczy zwłaszcza filtru o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin, który ma dużą odporność na wstrząs termiczny i może być wykorzystywany w sposób ciągły przez długi czas, a jednak ma du żą zdolność oczyszczania, by przechwytywać i usuwać cząstki materiał u stał ego zawarte w płynie, takim jak spaliny itp.

Ostatnio traktuje się poważnie wpływ cząstek materiału stałego, emitowanych z silnika wysokoprężnego itp., na środowisko. Jako ważny środek przechwytywania i usuwania takich cząstek materiału stałego stosowany jest przy oczyszczaniu spalin filtr o strukturze plastra pszczelego.

Filtr o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin zasadniczo ma konstrukcję posiadającą wiele przelotowych otworów oddzielonych od siebie porowatymi przegrodami i zatkanych na przemian przy swej powierzchni wlotu spalin i przy swej powierzchni wylotu spalin. Filtr o strukturze plastra pszczelego zatrzymuje i usuwa cząstki materiałów stałych zawarte w spalinach przechodzących przez przegrody w filtrze w sposób wymuszony z jego otwartych otworów przelotowych po stronie wlotu spalin.

W takim filtrze o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin konieczne jest wypalanie i usuwanie w celu zregenerowania filtru cząstek materiału stałego osadzonych w przelotowych otworach (które tworzą drogę przepływu spalin) okresowo lub w sposób przerywany, aby zapewnić ciągłą eksploatację filtru.

Jednakże takie spalanie małych cząstek węgla powoduje miejscowe grzanie (do wysokiej temperatury) filtru o strukturze plastra pszczelego i występuje różnica rozszerzalności cieplnej pomiędzy miejscami nagrzanymi do wysokiej temperatury a innymi miejscami. W rezultacie w filtrze o strukturze plastra pszczelego pojawiają się naprężenia cieplne i powstają pęknięcia itd., w związku z czym ciągła eksploatacja filtru o strukturze plastra pszczelego jest utrudniona, co stanowi problem.

Jako środki zmniejszania naprężeń w celu wyeliminowania powyższego problemu JP-A-59-199586 opisuje strukturę plastra pszczelego posiadającą dużą liczbę przelotowych otworów otoczonych przez przegrody, przy czym rozwiązanie to charakteryzuje się tym, że otwory przelotowe z co najmniej jednym rozcięciem w przegrodach otaczających te otwory są rozmieszczone zasadniczo równomiernie w określonych częściach struktury plastra pszczelego.

W takiej strukturze plastra pszczelego niewielkie rozcięcia są równomiernie rozmieszczone w celu uniknięcia odkształcenia i zmniejszenia naprężeń cieplnych. Jednakże ponieważ nie uwzględniono tego, że naprężenia cieplne występują nierównomiernie w różnych miejscach struktury plastra pszczelego, powyższe środki są niewystarczające do zmniejszania naprężenia w strukturze plastra pszczelego używanej w trudnych warunkach, gdzie występuje duża nierównomierność rozkładu temperatury w strukturze plastra pszczelego.

JP-A-8-28246 opisuje ceramiczny filtr o strukturze plastra pszczelego o ulepszonej trwałości, otrzymany przez podzielenie struktury plastra pszczelego na wiele członów, by zapewnić zmniejszenie naprężeń cieplnych i skleić poszczególne człony plastra pszczelego elastycznym materiałem uszczelniającym otrzymanym przez spojenie przynajmniej trójwymiarowo splecionych włókien nieorganicznych i cząstek nieorganicznych ze sobą za pomocą nieorganicznego spoiwa i organicznego spoiwa.

Jednakże w tym filtrze o strukturze plastra pszczelego, ponieważ wszystkie boki każdego członu struktury plastra pszczelego są sklejone materiałem uszczelniającym o zwiększonej trwałości, zmniejszenie naprężeń cieplnych na skutek podzielenia struktury plastra pszczelego na wiele członów jest znacznie osłabione, a w ciągłej eksploatacji przez długi czas nie została wykazana wystarczająca odporność na wstrząs termiczny.

Niniejszy wynalazek powstał ze względu na powyższe problemy, a jego celem jest opracowanie filtru o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin, który ma dużą zdolność oczyszczania, a jednak posiada dużą odporność na wstrząs termiczny i może być używany w sposób ciągły przez długi czas.

Wynalazca przeprowadził badania w celu rozwiązania powyższych problemów. W rezultacie wynalazca stwierdził, że powyższy cel można osiągnąć przez wykonanie rozcięcia w strukturze plastra pszczelego przynajmniej przy powierzchni wlotu spalin i wypełnienie wypełniaczem części tego rozcięcia, obejmującej jego otwór przy powierzchni wlotu spalin, aż do określonej głębokości. Przedmiotowy wynalazek został zrealizowany w oparciu o powyższe stwierdzenie.

PL 198 744 B1

Według przedmiotowego wynalazku opracowano filtr o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin posiadający strukturę plastra pszczelego z wieloma przelotowymi otworami, które są oddzielone od siebie przez porowate przegrody i są na przemian zatkane przy powierzchni wlotu spalin oraz przy powierzchni wylotu spalin, przy czym rozwiązanie to charakteryzuje się tym, że struktura plastra pszczelego ma rozcięcie posiadające otwór przynajmniej przy powierzchni wlotu spalin, a rozcięcie to jest częściowo napełnione wypełniaczem do głębokości 3-25 szerokości rozcięcia od powierzchni wlotu spalin w kierunku przepływu spalin, zaś po stronie wewnętrznej części rozcięcia wypełnionej wypełniaczem utworzona jest szczelina.

Według wynalazku rozcięcie jest korzystnie wypełnione wypełniaczem do głębokości 6-25 szerokości rozcięcia. Korzystnie struktura plastra pszczelego ma ponadto rozcięcie posiadające otwór przy powierzchni wylotu spalin i/lub z boku struktury plastra pszczelego. W takim przypadku rozcięcie posiadające otwór przy powierzchni wylotu spalin i/lub z boku może być wypełnione wypełniaczem przynajmniej częściowo.

Według przedmiotowego wynalazku korzystnie struktura plastra pszczelego jest utworzona przez spojenie wielu członów struktury plastra pszczelego materiałem spajającym przy każdej części dwóch przeciwległych stron, a rozcięcie jest utworzone pomiędzy poszczególnymi członami struktury plastra pszczelego. W takim przypadku korzystnie materiał spajający jest złożony zasadniczo z takiego samego materiału jak podstawowy korpus członu struktury plastra pszczelego lub też materiał spajający jest złożony z materiału o wytrzymałości mniejszej niż wytrzymałość materiału podstawowego korpusu członu struktury plastra pszczelego. Korzystne jest również, że człony struktury plastra pszczelego są zetknięte ze sobą przynajmniej w części każdej części dwóch przeciwległych stron nie spojonych ze sobą materiałem spajającym.

Według przedmiotowego wynalazku wypełniacz jest korzystnie złożony z materiału, którego wytrzymałość i moduł sprężystości są mniejsze niż w przypadku materiału podstawowego korpusu filtru o strukturze plastra pszczelego i jest korzystnie uzyskany przez spojenie przynajmniej trójwymiarowo splecionych włókien nieorganicznych oraz cząstek nieorganicznych ze sobą za pomocą nieorganicznego spoiwa i/lub organicznego spoiwa.

Również według przedmiotowego wynalazku podstawowy korpus filtru o strukturze plastra pszczelego korzystnie zawiera jako swą główną fazę krystaliczną jeden materiał wybrany z grupy złożonej z kordierytu, węglika krzemu, metalicznego krzemu, azotku krzemu, tlenku glinu, mullitu, tytanianu glinu i glinokrzemianu litu.

Krótki opis wynalazku

Figury 1(a) i (b) schematycznie przedstawiają przykład wykonania filtru o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin według przedmiotowego wynalazku. Fig. 1(a) jest widokiem perspektywicznym, a fig. 1(b) jest widokiem z góry wobec fig. 1(a).

Figura 2 jest widokiem perspektywicznym, przedstawiającym schematycznie przykład wzoru rozcięcia w filtrze o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin według przedmiotowego wynalazku.

Figura 3 jest widokiem perspektywicznym, przedstawiającym schematycznie inny przykład wzoru rozcięcia w filtrze o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin według przedmiotowego wynalazku.

Figura 4 jest widokiem perspektywicznym, przedstawiającym schematycznie inny przykład wzoru rozcięcia w filtrze o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin według przedmiotowego wynalazku.

Figura 5 jest widokiem perspektywicznym, przedstawiającym schematycznie inny przykład wzoru rozcięcia w filtrze o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin według przedmiotowego wynalazku.

Figura 6 jest widokiem perspektywicznym, przedstawiającym schematycznie inny przykład wzoru rozcięcia w filtrze o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin według przedmiotowego wynalazku.

Figura 7 jest widokiem perspektywicznym, przedstawiającym schematycznie inny przykład wzoru rozcięcia w filtrze o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin według przedmiotowego wynalazku.

Najlepszy tryb realizacji wynalazku

W filtrze o strukturze plastra pszczelego wedł ug przedmiotowego wynalazku wykonane jest rozcięcie posiadające otwór przynajmniej przy powierzchni wlotu spalin, gdzie pojawia się największe

PL 198 744 B1 naprężenie cieplne podczas regeneracji filtru, a rozcięcie to jest wypełnione tylko częściowo wypełniaczem, by utworzyć szczelinę. Dzięki temu uzyskuje się duże zmniejszenie naprężenia cieplnego, można w znacznym stopniu zapobiec powstawaniu pęknięć, nawet kiedy pojawi się nierównomierny rozkład temperatury w różnych miejscach filtru podczas regenerowania filtru itd., a ponadto można uzyskać bardzo dużą odporność na wstrząs termiczny.

Ponadto w takim filtrze o strukturze plastra pszczelego wypełniacz wypełnia część rozcięcia zawierającą otwór istniejący przy powierzchni wlotu spalin do filtru. Dzięki temu nie ma przecieku spalin w to rozcięcie, uzyskuje się wymienioną wyżej dużą odporność na wstrząs termiczny, a jednak można utrzymać na wysokim poziomie zdolność oczyszczania spalin.

Przykłady realizacji przedmiotowego wynalazku są opisane dokładniej poniżej. Jednakże przedmiotowy wynalazek nie jest ograniczony do tych przykładów.

Filtr o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin według przedmiotowego wynalazku ma strukturę plastra pszczelego z wieloma przelotowymi otworami, które są oddzielone od siebie porowatymi przegrodami i zatkane na przemian przy powierzchni wlotu spalin oraz przy powierzchni wylotu spalin, na skutek czego spaliny, które dostały się do wnętrza filtru, są w sposób wymuszony przeprowadzane przez przegrody, a cząstki ciał stałych zawarte w spalinach mogą być wychwytywane i usuwane.

Nie ma żadnego szczególnego ograniczenia kształtu struktury plastra pszczelego. Jednakże, jeśli chodzi o kształt przekroju struktury plastra pszczelego, można wymienić przykładowo koło, elipsę i koł o gą sienicowe. Nie ma również ż adnego szczególnego ograniczenia, jeś li chodzi o kształ t otworów przelotowych (kształt komórek) struktury plastra pszczelego. Jednakże przekrój ma kształt korzystnie trójkąta lub czworokąta, aby zapewnić pole powierzchni przechwytywania. Gęstość komórek przelotowych otworów wynosi korzystnie 0,9-311 komórek na cm² (6-2000 komórek na cal²), korzystniej 7,8-62 komórki na cm² (50-400 komórek na cal²).

W strukturze plastra pszczelego wedł ug przedmiotowego wynalazku przegrody korzystnie są obciążone metalem aktywnym katalitycznie, aby przy stosowaniu struktury do oczyszczania spalin w silniku spalinowym lub palniku przyspieszać spalanie i usuwanie czą stek przechwyconych i skuteczne regenerowanie filtru. Jako metal aktywny katalitycznie można przykładowo wspomnieć Pt, Pd i Rh. Metale te mogą być stosowane oddzielnie lub w połączeniu dwóch lub więcej metali ze sobą.

Jako materiał na podstawowy korpus struktury plastra pszczelego można wspomnieć przykładowo materiały ceramiczne, z których każdy zawiera jako swą główną fazę krystaliczną jeden materiał wybrany z grupy zawierającej kordieryt, węglik krzemu, metaliczny krzem, azotek krzemu, tlenek glinu, mullit, tytanian glinu i krzemian litowo-glinowy.

Wśród innych korzystne są te materiały ceramiczne, z których każdy zawiera jako swą główną fazę krystaliczną węglik krzemu lub metaliczny krzem i węglik krzemu, ze względu na ich większą odporność na wysoką temperaturę i większą przewodność cieplną.

Kiedy materiał ceramiczny zawiera metaliczny krzem i węglik krzemu jako główną fazę krystaliczną, zawartość Si określona przez Si/(Si+SiC) wynosi korzystnie 5-50% mas., korzystniej 10-40% mas.

W powyższym zakresie spajanie za pomocą Si jest wystarczające, dzięki czemu można otrzymać dużą przewodność cieplną i dużą wytrzymałość, a pory można tworzyć w przegrodach struktury plastra pszczelego tak, aby otrzymać porowatość i średnicę porów, które nadają się do zatrzymywania i usuwania cząstek ciał stałych.

W filtrze o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin według przedmiotowego wynalazku, taka struktura plastra pszczelego ma rozcięcie, posiadające otwór przynajmniej na powierzchni wlotu spalin. Dzięki temu otrzymuje się większe odciążenie od naprężeń cieplnych na powierzchni wlotu spalin, gdzie występuje największe naprężenie cieplne podczas regeneracji filtru i można skutecznie unikać powstawania pęknięć itd. Przy okazji rozcięcie używane według przedmiotowego wynalazku jest blokowane, jak opisano dalej, wypełniaczem przy otworze istniejącym na powierzchni wlotu spalin.

Różne przykłady realizacji rozcięcia według przedmiotowego wynalazku są szczegółowo opisane poniżej w odniesieniu do załączonych rysunków.

Figury 1(a) i (b) przedstawiają schematycznie przykład wykonania przedmiotowego wynalazku. Fig. 1(a) jest widokiem perspektywicznym, a fig. 1(b) jest widokiem z góry. Fig. 2-5 są widokami perspektywicznymi przedstawiającymi schematycznie przykład kształtu rozcięcia w filtrze o strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku, przy czym nie pokazano tu wypełniacza.

W przypadku rozcięcia według przedmiotowego wynalazku można przykładowo wspomnieć rodzaj posiadający otwory tylko na powierzchni 2 wlotu spalin i na boku 4 struktury 1 plastra pszczelego,

PL 198 744 B1 jak pokazano na fig. 2 lub 3; oraz rodzaj posiadający otwory na powierzchni 2 wlotu spalin, na powierzchni 3 wylotu spalin i na boku 4 struktury 1 plastra pszczelego, jak pokazano na fig. 1(a), 1(b), 4 i 5.

Jako pierwszy rodzaj można wspomnieć przykładowo rodzaj pokazany na fig. 3, gdzie rozcięcie 5 ma otwór na boku struktury 1 plastra pszczelego na całej długości osiowego kierunku 10 i jest wykonane tak, że długość rozcięcia 5 w kierunku 11 przebiegającym do środka struktury 1 plastra pszczelego stopniowo staje się coraz krótsza; oraz rodzaj pokazany na fig. 2, gdzie rozcięcie 5 ma otwór na boku struktury 1 plastra pszczelego w części całej długości osiowego kierunku 10 zawierającej część, w której bok 4 i powierzchnia 2 wlotu spalin spotykają się ze sobą, i jest wykonane tak, ż e długość rozcięcia 5 w kierunku przechodzącym przez środek struktury 1 plastra pszczelego staje się stała w kierunku osiowym struktury 1 plastra pszczelego.

Jako ostatni rodzaj można przykładowo wspomnieć rodzaj pokazany na fig. 5, gdzie rozcięcie ma otwór na boku 4 na całej długości osiowego kierunku 10 i jest wykonane tak, że długość rozcięcia 5 w kierunku 11 przebiegająca do środka struktury 1 plastra pszczelego staje się stała w kierunku osiowym 10 struktury 1 plastra pszczelego; oraz rodzaj pokazany na fig. 4, gdzie rozcięcie 5 ma otwór na boku struktury 1 plastra pszczelego w części całej długości osiowego kierunku 10 zawierającej część, w której bok 4 i powierzchnia 2 wlotu spalin spotykają się ze sobą , jak również w części cał ej dł ugoś ci osiowego kierunku 10 zawierającej część, w której bok 4 i powierzchnia 3 wylotu spalin spotykają się ze sobą i jest wykonane tak, że długość rozcięcia w kierunku 11 przebiegający do środka struktury 1 plastra pszczelego staje się stała w kierunku osiowym struktury 1 plastra pszczelego.

Powyższe rodzaje można wykonać przykładowo w taki sposób, jak pokazano na fig. 2 albo 4, przy czym rozcięcie 5 ma na powierzchni 2 wlotu spalin do struktury 1 plastra pszczelego ciągły otwór, obejmujący dwa punkty (A i B lub C i D) obwodu 2a powierzchni wlotu, a otwory 5a rozcięć przecinają się ze sobą w środku 2b powierzchni 2 wlotu spalin, albo, jak pokazano na fig. 3 lub 5, każde rozcięcie ma otwór przebiegający od obwodu 2a powierzchni 2 wlotu spalin w przybliżeniu do środka 2b powierzchni 2 wlotu, zaś poszczególne rozcięcia 5 nie mają otworów przy środku 2b każdej powierzchni i istnieją niezależ nie od siebie.

Według przedmiotowego wynalazku z tych rozcięć, jeśli chodzi o dużą skuteczność zmniejszenia naprężeń cieplnych, korzystny jest rodzaj pokazany na fig. 1(a) i (b), fig. 4 lub fig. 5, gdzie rozcięcie 5 ma otwory na powierzchni 2 wlotu spalin, powierzchni 3 wylotu spalin i na boku 4 struktury 1 plastra pszczelego. Szczególnie korzystny jest rodzaj pokazany na fig. 1(a) i (b).

Jak pokazano na fig. 1(a) i (b) do fig. 5, rozcięcia według przedmiotowego wynalazku są korzystnie usytuowane w takich miejscach, aby podzielić strukturę 1 plastra pszczelego na przynajmniej trzy równe części przykładowo w kierunku osiowym 10, z punktu widzenia zwiększonej odporności na wstrząs cieplny.

Korzystne jest, że przynajmniej część rozcięcia 5 według przedmiotowego wynalazku przebiega od otworu na boku struktury 1 plastra pszczelego w kierunku 11 do jej środka na jednej czwartej całej szerokości struktury 1 plastra pszczelego w powyższym kierunku 11 z punktu widzenia zwiększonej odporności na wstrząs termiczny. Podobnie korzystne jest, że przynajmniej część rozcięcia 5 przebiega od otworu na powierzchni 2 wlotu spalin struktury 1 plastra pszczelego w kierunku 10 przepływu spalin na jednej czwartej całej długości struktury 1 plastra pszczelego w kierunku 10.

Szerokość rozcięcia 5 wynosi korzystnie 1-3 mm z punktu widzenia zmniejszenia naprężeń i skutecznoś ci filtrowania.

Szerokość rozcięcia 5 nie musi być stała, a kiedy rozcięcia 5 są wykonane w wielu miejscach, każde rozcięcie 5 może mieć inną szerokość. Albo też przykładowo rozcięcie 5 posiadające otwór z boku 4 struktury 1 plastra pszczelego na cał ej jej dł ugoś ci w kierunku osiowym 10 moż e mie ć taką szerokość, że jest duże wokół powierzchni 2 wlotu spalin lub powierzchni 3 wylotu spalin, a małe pośrodku pomiędzy nimi. Rozcięcie 5 może mieć zatem różne szerokości zależnie od położenia rozcięcia 5.

Jeśli chodzi o sposób wykonywania rozcięcia 5, można wspomnieć przykładowo następujące sposoby.

Pierwszy sposób, według którego przeprowadza się wytłaczanie, by wytworzyć wytłoczkę struktury plastra pszczelego posiadającą przelotowe otwory 8 i rozcięcie 5.

Drugi sposób, według którego przeprowadza się wytłaczanie, by wytworzyć wytłoczkę struktury plastra pszczelego posiadającą przelotowe otwory 8, a następnie wytłoczkę tę poddaje się operacji cięcia, by w żądanych miejscach wykonać rozcięcie 5.

Trzeci sposób, według którego przeprowadza się wytłaczanie, by wytworzyć wiele wytłoczek członu plastra pszczelego, z których każda ma taki kształt, że może utworzyć końcową strukturę 1

PL 198 744 B1 plastra pszczelego po połączeniu wytłoczek, a takie wytłoczki członów plastra pszczelego łączy się za pomocą materiału spajającego w części każdych ich dwóch przeciwległych boków, aby utworzyć rozcięcie 5 pomiędzy wytłoczkami członów plastra pszczelego.

Według przedmiotowego wynalazku korzystne jest wytwarzanie rozcięcia 5 trzecim sposobem, ponieważ wytwarzanie rozcięcia 5 jest łatwe i uzyskuje się duże zmniejszenie naprężeń cieplnych.

Ponadto według trzeciego sposobu, aby zwiększyć przewodność cieplną całej części struktury 1 plastra pszczelego i zmniejszyć mocowanie pomiędzy poszczególnymi członami 12 plastra pszczelego w celu uzyskania lepszego zmniejszania naprężeń cieplnych, korzystne jest (1) użycie materiału spajającego 9, złożonego zasadniczo z takiego samego materiału jak materiał podstawowego korpusu członu 12 plastra pszczelego, albo (2) użycie materiału spajającego 9 o wytrzymałości mniejszej niż wytrzymałość podstawowego korpusu członu 12 plastra pszczelego i ponadto skontaktowanie członów 12 plastra pszczelego ze sobą przynajmniej w części każdej nie spajanej części dwóch przeciwległych boków członów 12 plastra pszczelego.

W powyższym przypadku (2) kontakt oznacza stan, w którym istnieje przewodzenie cieplne pomiędzy członami plastra pszczelego, a kiedy występuje odkształcenie na skutek rozszerzalności cieplnej, wówczas położenie kontaktowych boków segmentów plastra pszczelego może ulec zmianie; a wytrzymałość oznacza wartość uzyskaną przez pomiar wytrzymałości na zginanie w czterech miejscach przy użyciu maszyny do badania materiału.

Materiał spajający 9, użyty w przypadku (2) powyżej, podobnie do wypełniacza 6 opisanego dalej, jest korzystnie dla odporności na wysoką temperaturę, odporności na wstrząsy termiczne itd. jednego rodzaju lub połączeniem co najmniej dwóch rodzajów, wybranych spośród materiału włóknistego lub proszku złożonego głównie z ceramiki, użytej w podstawowym korpusie struktury 1 plastra pszczelego, kleju itd.

Według przedmiotowego wynalazku, kiedy podstawowy korpus członu 12 plastra pszczelego jest wykonany z metalicznego krzemu i z węglika krzemu, zawartość krzemu określona przez Si/Si+SiC) wynosi 5-50% mas., wówczas jest również korzystne, że materiał spajający 6 jest złożony z metalicznego krzemu i węglika krzemu, a jego zawartość krzemu, określona przez Si/(Si+SiC) jest taka sama lub większa niż w podstawowym korpusie członów 12 plastra pszczelego do spojenia ze sobą i wynosi 10-80% mas. W tym zakresie wytrzymałość spojenia można utrzymywać na wystarczającym poziomie i można otrzymać wystarczającą odporność na utlenianie w wysokiej temperaturze. Według przedmiotowego wynalazku rozcięcie takie wypełnia się wypełniaczem przynajmniej w części obejmującej otwór na powierzchni wlotu spalin i tworzy się wewnątrz szczelinę od części wypełnionej wypełniaczem. Można dzięki temu otrzymać filtr o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin o dużej zdolności oczyszczania, a jednak zachowujący dużą odporność na wstrząs termiczny.

Według wynalazku rozcięcie wypełnia się wypełniaczem od strony powierzchni wlotu spalin w kierunku przepływu spalin na głębokość 3-25 razy szerokość rozcięcia, korzystnie na głębokość 6-25 razy szerokość rozcięcia, jeszcze korzystniej na głębokość 5-25 razy szerokość rozcięcia.

Kiedy głębokość napełniania wypełniaczem jest mniejsza niż 3 razy szerokość rozcięcia, wytrzymałość spojenia pomiędzy wypełniaczem a strukturą plastra pszczelego jest mała, a wypełniacz jest odwarstwiany na skutek drgań i ciepła wytwarzanego podczas eksploatacji. Kiedy głębokość jest większa niż 25 razy szerokość rozcięcia, zmniejszenie naprężenia cieplnego powodowane przez rozcięcie jest niewystarczające i następuje pęknięcie struktury plastra pszczelego na skutek wytworzonego naprężenia cieplnego.

Szerokość rozcięcia w stosunku do głębokości napełnienia wypełniaczem oznacza, jak pokazano na fig. 1(b) długość 5d w kierunku prostopadłym do kierunku długości rozcięcia w każdym otworze (na fig. 1 (b) pokazano tylko otwór 5a na powierzchni 2 wlotu spalin) rozcięcia 5 przy każdej powierzchni (na fig. 1(b) pokazano tylko powierzchnię 2 wlotu spalin). Kiedy długość ta jest inna w zależności od punktu pomiaru, szerokość rozcięcia odnosi się do średniej długości (średnia długość, kiedy pomiar jest wykonywany w co najmniej dziesięciu punktach jednakowo odległych). Ponieważ pole powierzchni wypełniacza 6 (umieszczonego w rozcięciu 5) przyjmującego ciśnienie spalin jest związane z szerokością 5d rozcięcia, wytrzymałość spojenia wypełniacza 6 umieszczonego w rozcięciu 5 musi zwiększać się, kiedy zwiększa się szerokość 5d rozcięcia. Ważna jest zatem zależność pomiędzy szerokością 5d rozcięcia a głębokością napełnienia wypełniaczem 6.

Głębokość napełnienia wypełniaczem 6 niekoniecznie jest taka sama w całej części rozcięcia 5 napełnionej wypełniaczem 6. Korzystne jest przykładowo, gdy ze wszystkich rozcięć 5 rozcięcia 5 wykonane na powierzchni 2 wlotu spalin są wypełnione do większej głębokości zależnie od ciśnienia spalin.

PL 198 744 B1

Jeśli chodzi o formę napełniania wypełniaczem 6 korzystna jest przykładowo taka forma, w której, jak pokazano na fig. 1(a) i (b), wypełniacz 6 jest wprowadzany tylko w otwór 5a rozcięcia 5 przy powierzchni 2 wlotu spalin, a w pozostałej części rozcięcia 5 tworzona jest szczelina 5e; forma, w której, jak pokazano na fig. 6, wypełniaczem 6 napełniany jest otwór 5a każdego rozcięcia 5 przy powierzchni 2 wlotu spalin i otwór 5b rozcięcia 5 przy powierzchni 3 wylotu spalin, a w pozostałej części rozcięcia 5 tworzona jest szczelina 5e; oraz forma, w której, jak pokazano na fig. 7, wypełniaczem 6 napełniany jest otwór 5a rozcięcia 5 przy powierzchni 2 wlotu spalin, otwór 5b rozcięcia 5 przy powierzchni 3 wylotu spalin i otwór 5c rozcięcia 5 z boku 4, a w innych częściach rozcięcia 5 tworzona jest szczelina 5e.

Wypełniacz 6 użyty według przedmiotowego wynalazku korzystnie ma zarówno wytrzymałość jak i moduł sprężystości mniejsze niż w przypadku podstawowego korpusu członu 12 struktury plastra pszczelego, aby otrzymać strukturę plastra pszczelego o lepszym zmniejszaniu naprężeń cieplnych. Kiedy weźmie się pod uwagę środowisko, w którym filtr o strukturze plastra pszczelego jest eksploatowany, wypełniacz 6 ma jednak korzystnie lepszy opór cieplny, odporność na wstrząsy cieplne itd. i jest korzystnie jednego rodzaju lub mieszaniną np. kleju i materiału złożonego głównie z ceramiki, zawierający jako główną fazę krystaliczną jeden rodzaj wybrany z grupy złożonej z kordierytu, węglika krzemu, metalicznego krzemu, azotku krzemu, tlenku glinu, mullitu, tytanianu glinu i glinokrzemianu litu.

Korzystny jest z tego materiał włóknisty złożony głównie z wymienionej wyżej ceramiki, ponieważ ma on duży moduł sprężystości i może osiągać większe zmniejszenie naprężenia cieplnego. Korzystniejszy jest materiał otrzymany przez spojenie nieorganicznych włókien i nieorganicznych cząstek, w obu przypadkach głównie z wymienionej wyżej ceramiki, ze sobą za pomocą nieorganicznego spoiwa i/lub organicznego spoiwa, ponieważ materiał taki może dawać strukturę plastra pszczelego o zwiększonej trwałości.

Poniżej opisano przykłady filtru o strukturze plastra pszczelego według przedmiotowego wynalazku. Jednakże nie ogranicza to w żaden sposób przedmiotowego wynalazku.

P r z y k ł a d 1

Jako materiał ceramiczny zastosowano proszek otrzymany przez zmieszanie 75% mas. sproszkowanego węglika krzemu (SiC) i 25% mas. sproszkowanego metalicznego krzemu (Si). Do takiego proszku dodano metylocelulozę, hydroksypropoksylometylocelulozę, środek powierzchniowo czynny i wodę , a nastę pnie zagniatano w celu uzyskania plastycznego ciasta.

Następnie z takiego ciasta wytłaczano człony o strukturze plastra pszczelego, które miały grubość przegrody 0,3 mm, gęstość komórek 31 komórek na cm², kształt cylindryczny, pokazany na fig. 7, po zmontowaniu oraz wachlarzowy kształt przekroju poprzecznego.

Następnie wiele takich wytłoczek w postaci członu plastra pszczelego wysuszono za pomocą mikrofal i gorącego powietrza. Następnie przelotowe otwory zatkano na przemian przy powierzchni wlotu spalin do wytłoczki, a nie zatkane otwory zatkano po stronie wylotu spalin z wytłoczki, aby utworzyć wysuszone człony struktury plastra pszczelego.

Następnie każdy wysuszony człon struktury plastra pszczelego powleczono w częściach przeznaczonych do spojenia po wypalaniu zawiesiną materiału spajającego o takim samym składzie jak zagnieciony materiał. Następnie wysuszone człony struktury plastra pszczelego spojono ze sobą w jednolity korpus, po czym przeprowadzono suszenie.

Następnie wysuszony jednolity korpus poddawano rozspojeniu w atmosferze azotu przy temperaturze około 400°C, po czym wypalano w obojętnej atmosferze argonu w temperaturze około 1550°C. Po wypalaniu każdy otwór w powierzchni wlotu spalin rozcięć wykonanych pomiędzy członami struktury plastra pszczelego wypełniono zawiesiną wypełniacza, zawierającą włókna na bazie krzemianu glinu, proszek węglika krzemu (SiC), sproszkowany metaliczny krzem (Si), organiczne spoiwo, nieorganiczne spoiwo i wodę na głębokość 15 mm od powierzchni wlotu spalin w kierunku przepływu spalin. Każdy otwór istniejący w powierzchni wylotu spalin i z boku wysuszonego jednolitego korpusu wypełniono taką samą zawiesiną wypełniacza do głębokości mniejszej niż głębokość wypełnienia każdego otworu w powierzchni wlotu spalin.

Wreszcie jednolity korpus wypełniony zawiesiną wypełniacza suszono w temperaturze około 100°C, przez co wytworzono filtr o strukturze plastra pszczelego, pokazanej na fig. 7.

Otrzymany filtr o strukturze plastra pszczelego miał grubość przegrody 0,3 mm, gęstość komórek 31 komórek na cm² oraz wymiary 144 mm (średnica) x 152 mm (długość). Rozcięcia filtru o strukturze plastra pszczelego były następujące. Szerokość rozcięcia: 2 mm (wszystkie rozcięcia), głębokość rozcięcia od otworu z boku w kierunku do środka struktury plastra pszczelego: 40 mm, głębokość

PL 198 744 B1 rozcięcia od otworu w powierzchni wlotu spalin w kierunku osiowym struktury plastra pszczelego: 50 mm, a głębokość rozcięcia od otworu w powierzchni wylotu spalin w kierunku osiowym struktury plastra pszczelego: 50 mm.

Po wysuszeniu zmierzono wytrzymałość wypełniacza za pomocą urządzenia do prób materiałowych w czteropunktowym badaniu wytrzymałości na zginanie. Uzyskana wytrzymałość była mniejsza niż wytrzymałość (mierzona w taki sam sposób) materiału tworzącego podstawowy korpus struktury plastra pszczelego. (Przykłady 2-4 i przykłady porównawcze 1-2).

Filtry o strukturze plastra pszczelego otrzymano w taki sam sposób jak w przykładzie 1 z tym wyjątkiem, że każdy wypełniacz wprowadzano do głębokości podanej w tabeli 1.

Sposób oceniania

Sposobem opisanym powyżej przeprowadzono test regeneracji filtru, aby zbadać odporność filtru o strukturze plastra pszczelego z każdego przykładu oraz z każdego przykładu porównawczego na wstrząs termiczny.

Najpierw ceramiczną matę nieprzeciwogniową jako materiał przytrzymujący owinięto wokół zewnętrznej powierzchni filtru o strukturze plastra pszczelego z każdego przykładu lub każdego przykładu porównawczego. Każdy wynikowy filtr o strukturze plastra pszczelego wtłoczono w puszkową obudowę SUS 409, by otrzymać konstrukcje puszkowe.

Następnie zawierające sadze spaliny wytwarzano przez spalanie oleju napędowego (paliwa do silników wysokoprężnych) i umożliwiono przepływ tych spalin do konstrukcji puszkowej z otworów przelotowych otwartych na powierzchni wlotu spalin, przy czym sadza zawarta w spalinach była zatrzymywana wewnątrz filtru o strukturze plastra pszczelego.

Następnie każdy filtr o strukturze plastra pszczelego pozostawiano do ochłodzenia do temperatury pokojowej, po czym umożliwiano, by spaliny zawierające pewną ilość tlenu mogły wchodzić przy temperaturze 800°C od strony otworów przelotowych w powierzchni wlotu spalin filtru.

W tym teś cie regeneracji filtru czas zmiany przy zwię kszaniu temperatury wlotu gazu do 800°C i ciężar przechwyconej sadzy ustawiano na dwóch poziomach (czas zmiany: normalny (300 s) i czas krótki (240 s), ilość przechwyconej sadzy: normalna (10 g/l) i duża ilość (14 g/l)) oraz przeprowadzano regenerację filtru. Następnie badano powstawanie pęknięć na powierzchni wlotu spalin i odwarstwianie wypełniacza. Wyniki zestawiono w tabeli 1.

W tabeli 1 kółko oznacza brak pęknięć, a trójkąt oznacza powstawanie pęknięć (obejmuje nawet bardzo małe pęknięcia).

T a b e l a 1

Ilość przechwyconej sadzy			Duża	Normalna
Czas zmiany			Krótki	Normalny
	Szerokość rozcięcia (mm)	Szerokość wypełnienia (mm)	Pęknięcia	Odwarstwienie wypełniacza	Pęknięcia	Odwarstwienie wypełniacza
Przykład 1	2	15	O	nie	O	nie
Przykład 2	2	6	O	tak	O	nie
Przykład 3	2	12	O	nie	O	nie
Przykład 4	2	50	O	nie	O	nie
Przykład porównawczy 1	2	4	O	tak	O	tak
Przykład porównawczy 2	2	80	Δ	nie	Δ	nie

PL 198 744 B1

Ocena

Jak podano w tabeli 1, w warunkach normalnych odwarstwianie się filtru pojawiło się w filtrze o strukturze plastra pszczelego według porównawczego przykładu 1, gdzie wypełniacz wypełniał każdy otwór rozcięcia na powierzchni wlotu spalin do głębokości mniejszej niż 3 szerokości rozcięcia; oraz w filtrze o strukturze plastra pszczelego według porównawczego przykładu 2, gdzie głębokość wypełnienia była większa niż 25 szerokości rozcięcia, nie występowało odwarstwienie wypełniacza, ale pojawiły się pęknięcia na powierzchni wlotu spalin. Natomiast w żadnym z filtrów o strukturze plastra pszczelego z przykładów 1-4, gdzie głębokość wypełnienia wypełniaczem wynosiła 3-25 szerokości rozcięcia, ani nie następowało odwarstwienie wypełniacza, ani nie powstawały pęknięcia na powierzchni wlotu spalin.

Kiedy czas zmiany był krótki (240 s), a ilość przechwyconej sadzy była duża (14 g/l), zwiększając naprężenia cieplne w różnych miejscach filtru o strukturze plastra pszczelego, odwarstwienie wypełniacza pojawiło się w filtrze o strukturze plastra pszczelego według przykładu 2, gdzie głębokość napełnienia wypełniaczem wynosiła 3 szerokości rozcięcia; natomiast w żadnym z filtrów o strukturze plastra pszczelego z przykładów 1, 3 i 4, gdzie głębokość napełnienia wypełniaczem wynosiła 6-25 szerokości rozcięcia, ani nie wystąpiło odwarstwienie wypełniacza, ani nie pojawiły się pęknięcia na powierzchni wlotu spalin.

Zastosowanie przemysłowe

Jak opisano powyżej, przedmiotowy wynalazek może stanowić filtr o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin, mający dużą zdolność oczyszczania, a jednak charakteryzujący się dużą odpornością na wstrząs termiczny, przy czym filtr taki nadaje się do ciągłej eksploatacji przez długi czas.

Claims

1. Filtr o strukturze plastra pszczelego do oczyszczania spalin, posiadający strukturę plastra pszczelego z wieloma przelotowymi otworami, które są oddzielone od siebie porowatymi przegrodami i na przemian zatkane na powierzchni wlotu spalin i na powierzchni wylotu spalin, znamienny tym, że struktura (1) plastra pszczelego ma rozcięcie (5) posiadające otwór przynajmniej na powierzchni (2) wlotu spalin, przy czym rozcięcie (5) to jest częściowo wypełnione wypełniaczem (6) do głębokości 3-25 szerokości rozcięcia (5) od powierzchni (2) wlotu spalin w kierunku przepływu spalin, a wewnątrz części rozcięcia (5) wypełnionej wypełniaczem (6) jest utworzona szczelina (5e).

2. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że rozcięcie (5) jest wypełnione wypełniaczem (6) do głębokości 6-25 szerokości rozcięcia (5) od strony powierzchni (2) wlotu spalin w kierunku przepływu spalin.

3. Filtr według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że struktura (1) plastra pszczelego ma ponadto rozcięcie (5) posiadające otwór na powierzchni (3) wylotu spalin i/lub z boku (4) struktury (1) plastra pszczelego.

4. Filtr według zastrz. 3, znamienny tym, że rozcięcie (5) posiadające otwór na powierzchni (3) wylotu spalin i/lub z boku (4) jest wypełnione wypełniaczem (6) przynajmniej częściowo.

5. Filtr według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wypełniacz (6) otrzymany jest przez spojenie przynajmniej trójwymiarowo splecionych włókien nieorganicznych i cząstek nieorganicznych ze sobą za pomocą spoiwa nieorganicznego i/lub organicznego.

6. Filtr według zastrz. 4, znamienny tym, że wypełniacz (6) otrzymany jest przez spojenie przynajmniej trójwymiarowo splecionych włókien nieorganicznych i cząstek nieorganicznych ze sobą za pomocą spoiwa nieorganicznego i/lub organicznego.

7. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że struktura (1) plastra pszczelego jest utworzona przez spojenie wielu członów (12) struktury (1) plastra pszczelego materiałem spajającym (9) w każdej części dwóch przeciwległych stron, a ponadto pomiędzy poszczególnymi członami (12) struktury (1) plastra pszczelego wykonane jest rozcięcie (5).

8. Filtr według zastrz. 3, znamienny tym, że struktura (1) plastra pszczelego jest utworzona przez spojenie wielu członów (12) struktury (1) plastra pszczelego materiałem spajającym w każdej części dwóch przeciwległych stron, a ponadto pomiędzy poszczególnymi członami (12) struktury (1) plastra pszczelego wykonane jest rozcięcie (5).

9. Filtr według zastrz. 6, znamienny tym, że materiał spajający (9) jest wykonany zasadniczo z tego samego materiał u co podstawowy korpus cz ł onu (12) struktury (1) plastra pszczelego.

PL 198 744 B1

10. Filtr według zastrz. 6, znamienny tym, że materiał spajający (9) złożony jest z materiału o wytrzymałości mniejszej niż wytrzymałość materiału podstawowego korpusu członu (12) struktury (1) plastra pszczelego, a człony (12) struktury (1) plastra pszczelego są skontaktowane ze sobą przynajmniej w części każdej części dwóch przeciwległych boków nie spojonych ze sobą materiałem spajającym (9).