PL203485B1 - Element filtruj acy, w szczególno sci do filtra cz astek sta lych z gazów spalinowych z silnika spalinowego i odpowiedni filtr cz astek sta lych - Google Patents

Description

Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest element filtruj acy, w szczególno sci do filtra cz astek sta lych z ga- zów spalinowych z silnika spalinowego pojazdu samochodowego, takiego rodzaju, ze zawiera wiele bloków filtruj acych polaczonych za pomoc a co najmniej jednego zlacza znajduj acego si e mi edzy tymi blokami filtruj acymi, uniemo zliwiaj acymi przep lyw wy zej wspomnianych gazów spalinowych pomi edzy blokami filtruj acymi. Przed usuni eciem do atmosfery, gazy spalinowe mog a by c oczyszczane za pomoc a filtra cz a- stek sta lych, takiego jak przedstawiony na fig. 1 i 2, znanego z dotychczas stosowanych technologii. Filtr cz astek sta lych 1 przedstawiony jest na fig. 1 w przekroju poprzecznym, wykonanym w p laszczy znie B-B z fig. 2, i na fig. 2, w przekroju pod luznym wykonanym w p laszczy znie A-A z fig. 1. Filtr cz astek sta lych zawiera tradycyjnie co najmniej jeden element filtruj acy 3 w lo zony do meta- lowej os lony 5, tak, zeby wymusi c przep lyw gazów spalinowych przez ten element od powierzchni wlo- tu 7 a z do powierzchni wylotu 9. Przedstawione strza lki wskazuj a kierunek ruchu gazów spalinowych. Element filtruj acy 3 sk lada si e zwykle z wielu bloków filtruj acych 11a - 11i utworzonych z poro- watych struktur w kszta lcie plastra miodu, tradycyjnie z materia lów ceramicznych (kordieryt, w eglik krzemu,...), polaczonych mi edzy sob a przez klejenie za pomoc a z laczy 12 z cementu ceramicznego. Zlacza 12 maj a zwyczajowo grubo sc oko lo 1 mm. Cement ceramiczny, zwykle wykonany z krzemionki i/lub w eglika krzemu i/lub azotku glinu, ma modu l spr ezysto sci oko lo 5000 Mpa po spiekaniu. Utworzony w ten sposób zestaw mo ze by c nast epnie obrabiany przez skrawanie, aby nada c mu wymagany przekrój, na przyk lad okr ag ly lub jajowaty. Blok filtruj acy 11a - 11i zawiera liczne kanaliki 13, które mog a mie c, w przekroju poprzecznym, ró zne kszta lty i srednice. Ka zdy kanalik 13 jest zatkany na jednej lub drugiej ko ncówce. Gazy spali- nowe s a w ten sposób zmuszone do przechodzenia poprzez scianki kanalików podczas gdy cz astki stale do przefiltrowania s a zatrzymywane. Po pewnym czasie u zytkowania, cz astki sta le, lub „sadze”, nagromadzone w kanalikach ele- mentu filtruj acego 3, zw laszcza na powierzchni wlotu 7, zwi ekszaj a strat e ci snienia powodowan a przez element filtruj acy 3 i pogarszaj a w ten sposób parametry silnika. Z tego powodu, element filtru- jacy musi by c regularnie regenerowany, na przyk lad co 500 kilometrów. Regeneracja, lub „odtykanie”, polega na utlenianiu sadzy. Aby to zrobi c, konieczne jest pod- grzewanie a z do temperatury zap lonu. W trakcie dzia lanie filtra cz astek sta lych 1 wyst epuje ró zne rozgrzanie w ró znych strefach ele- mentu filtruj acego 3, zw laszcza podczas faz regeneracji. Podczas tych faz, strefy elementu filtruj acego 3 usytuowane w pobli zu powierzchni wylotowej 9 s a bardziej gor ace ni z strefy w pobli zu powierzchni wlotowej 1, poniewa z gazy spalinowe przenosz a do ty lu ca la energi e ciepln a wydzielan a przez spalanie sadzy. Ponadto, z uwagi na kszta lt filtra cz astek sta lych 1 i wynikaj acym z niego ci agiem gazów spali- nowych, sadze nie gromadz a si e w sposób jednorodny, lecz gromadz a si e najcz esciej w strefie filtra w pobli zu jego osi pod lu znej C-C, zwanej „sercem” elementu filtruj acego 3. Spalanie sadzy powoduje wi ec wiekszy wzrost temperatury w sercu elementu filtruj acego 3 ni z w strefach na obrze zach. Ci ag gor acych spalin i ch lodzenie metalowej os lony 5 przez otaczaj ace powietrze, równie z po- woduj a, ale w mniejszym stopniu, wy zsze temperatury w sercu elementu filtruj acego 3 gdy nie ma spalania sadzy. Niejednorodno sc temperatur wewn atrz elementu filtruj acego 3 i ewentualne ró znice rodzaju ma- teria lów zastosowanych do bloków filtruj acych 11a - 11i powoduj a powstawanie lokalnych dylatacji o ró znych amplitudach. Powierzchnie graniczne pomi edzy elementem filtruj acym 3 i os lon a 5, i mi edzy elementem filtru- jacym 3 i z laczami 12 musz a jednak pozosta c nieprzepuszczalne dla gazów, tak, aby uniknac wszel- kiego ruchu gazów pomi edzy powierzchniami wlotu 7 i wylotu 9, bez przefiltrowania. Ponadto filtr cz astek sta lych 1 zamontowany jest w linii wylotu spalin, nie powinien wi ec od- kszta lca c si e nadmiernie, gdy z szkodzi to prawid lowemu dzia laniu tej linii, na przyk lad przez wytwo- rzenie przecieków. W wyniku tego powstaj a silne napr ezenia termomechaniczne, które mog a by c przyczyn a p ek- ni ec z laczy i/lub bloków filtruj acych 11a - 11i, zmniejszaj ac trwa lo sc filtra cz astek sta lych 1. Aby ograniczy c ryzyko wyst epowania tych p ekniec, znanym sposobem jest dobór cementu na z lacza 12 w zale zno sci od jego zdolno sci do zapewnienia spójno sci bloków filtruj acych 11a - 11i i jegoPL 203 485 B1 3 przewodno sci cieplnej. Na przyk lad, w zg loszeniu patentowym 01/23069 firmy Ibiden proponuje si e zastosowanie z lacza, którego grubo sc jest dobrana w zakresie od 0,3 do 3 mm i utworzonego z ce- mentu o przewodno sci cieplnej zawartej pomi edzy 0,1 i 10 W/m.K. Takie z lacze nie umo zliwia jednak ca lkowitego usuni ecia ryzyka pojawiania si e p ekni ec. Celem wynalazku jest dostarczenie nowego sposobu laczenia bloków filtruj acych, który mo ze jeszcze zmniejszy c to ryzyko. Element filtruj acy wed lug wynalazku, w szczególno sci dla filtra cz astek sta lych z gazów spali- nowych z silnika spalinowego pojazdu samochodowego, sk lada si e z wielu bloków filtruj acych pola- czonych za pomoc a co najmniej jednego z lacza znajduj acego si e mi edzy tymi blokami filtruj acymi i zbudowanego tak, aby uniemo zliwi c przep lyw gazów spalinowych pomi edzy blokami filtruj acymi. Element filtruj acy wed lug wynalazku charakteryzuje si e tym, ze wy zej wspomniane z lacze za- wiera wiele cz esci, z których co najmniej dwie zawieraj a materia ly ró zni ace si e mi edzy sob a sk ladem i/lub struktur a i/lub grubo scia, i/lub takie, ze co najmniej jedna cz esc z lacza zawiera szczelin e. Korzystnie, materia ly cz esci z lacza maj a modu ly sprezysto sci ró zni ace si e mi edzy sob a o war- tosc wieksz a lub równ a 10%. Równie z korzystnie, co najmniej jedna z cz esci zlacza wykazuje w la sciwo sci spr ezysto sci ani- zotropowej. Ewentualnie, co najmniej jedna z cz esci zawiera tkanin e krzemionkow a impregnowan a cementem. Grubo sci co najmniej dwóch cz esci zlacza korzystnie ró zni a si e od siebie w stosunku co naj- mniej jeden do dwóch. Wy zej wspomniana szczelina korzystnie dochodzi do powierzchni elementu filtruj acego, przez które gazy spalinowe wlatuj a lub do powierzchni, przez które gazy wylatuj a do/z elementu filtruj acego. Szczelina mo ze dochodzi c do powierzchni elementu filtruj acego, przez któr a gazy spalinowe wylatuj a z elementu filtruj acego. Ewentualnie, szczelina utworzona jest w p laszczy znie zasadniczo równoleg lej do powierzchni bloków filtruj acych po laczonych wy zej wspomnian a czesci a z lacza. Korzystnie, d lugo sc szczeliny zawarta jest pomi edzy 0,1 i 0,9 d lugo sci ca lkowitej L elementu fil- truj acego. Szczelina korzystnie w zasadzie przylega do boku jednego z bloków filtruj acych. Równie z korzystnie szczelina wype lniona jest, co najmniej cz esciowo, materia lem wype lniaj a- cym, który nie przylega ani do bloku filtruj acego, ani do cementu tej cz esci z lacza, w którym jest ona wykonana. Materia lem wype lniaj acym jest korzystnie azotek boru lub krzemionka. Filtr cz astek sta lych wed lug wynalazku, przeznaczony w szczególno sci do filtrowania gazów spalinowych z silnika spalinowego pojazdu samochodowego, zawieraj acy os lon e i element filtruj acy, otrzymany przez po laczenie wielu bloków filtruj acych za pomoc a zlacza, wed lug wynalazku charakte- ryzuje si e tym, ze zawiera wspomniany element filtruj acy wed lug wynalazku. Przedmiot wynalazku przedstawiono w przyk ladach wykonania z odniesieniem do zalaczonego rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny, w p laszczy znie B-B z fig. 2, filtra cz astek stalych wed lug stanu techniki, fig. 2 - przekrój pod lu zny tego samego filtra w p laszczy znie A-A z fig. 1, fig. 3 i 4 przekroje poprzeczne elementów filtruj acych wed lug pierwszego i drugiego sposobu realizacji niniejszego wynalazku, fig. 5 - widok boczny lewy, z widoczna powierzchni a wylotu 9, elementu filtru- jacego wed lug trzeciego sposobu realizacji wynalazku, fig. 6 - przekrój pod lu zny, w p laszczy znie D-D z fig. 5, detalu elementu filtruj acego z fig. 5, fig. 7 - przekrój pod lu zny detalu elementu filtruj acego we- d lug czwartego sposobu realizacji wynalazku. Na ró znych figurach do oznaczenia elementów identycznych lub podobnych zastosowano takie same odno sniki. Dla uproszczenia, kanaliki 13 nie s a pokazane na fig. 3, 4, 5. Figury 1 i 2 zosta ly opisane we wst epie. W dalszym ci agu opisu odró znia si e „cz esci z lacza” od z lacza 12. „Cz escia z lacza” nazywa si e cz esc ci ag la z lacza 12, o wyra znie sta lych w la sciwo sciach. Dla tego samego elementu filtruj acego 3, ró zne przylegaj ace cz esci z lacza tworz a jedno z lacze 12. Wed lug pierwszego sposobu realizacji wynalazku przedstawionego na fig. 3, stosuje si e dwa ró zne cementy po laczeniowe do sklejenia bloków filtruj acych 11a - 11i elementu filtruj acego 3. Oba zastosowane cementy ró zni a si e modu lem sprezysto sci, zwanym modu lem Younga. Uwa za si e, ze ró znica warto sci modu lu spr ezysto sci równa lub wi eksza 10% jest znacz aca, to znaczy wywo lujePL 203 485 B1 4 ró zne w la sciwo sci i nie jest zwi azana z wahaniami dok ladno sci pomiaru lub z wahaniami „normalnymi" spowodowanymi niejednorodno scia materia lu, W strefach poddawanych najwy zszym napr ezeniom termomechanicznym, stosuje si e cz esci z lacza 12a 1 , 12a 2 , 12a 3 , 12a 4 , 12a 5 i 12a 6 , zawieraj ace pierwszy cement o module sprezysto sci mniej- szym ni z 1000 Mpa. W innych strefach, stosuje si e cz esc z lacza 12b, zawieraj acy drugi cement o module spr ezysto sci oko lo 5000 Mpa i tradycyjnie stosowany w dawnej technologii. Pierwszy cement zachowuje si e w sposób bardziej spr ezysty ni z drugi i mo ze wi ec lepiej przej- mowa c, bez tworzenia p ekni ec, wahania obj eto sci oddzielanych przez niego bloków filtruj acych. Pierwszy cement ogranicza równie z przekazywanie napi ec pomi edzy blokami filtruj acymi 11a - 11i i w ten sposób korzystnie przyczynia si e do ograniczenia pojawiania si e p ekni ec w blokach. Mo zliwe jest zmniejszenie modu lu spr ezysto sci cementu na przyk lad przez zwi ekszenie jego porowato sci ca lkowitej przez dodanie srodków spieniaj acych. Drugi cement ma lepsze w lasciwo sci przylegania, w warunkach funkcjonowania filtra, ni z pierw- szy cement. Kombinacja cz esci z lacza zawieraj acych pierwszy cement z drugimi cz esciami z lacza zawieraj acymi pierwszy cement umo zliwia w ten sposób uzyskanie elementu filtrujacego 3 mocnego i przystosowanego do silnych napi ec termomechanicznych. Korzystnie, bloki filtruj ace 11a - 11i, w szczególno sci bloki filtruj ace 11a - 11i umieszczone na obrze zu elementu filtruj acego 3, s a ukszta ltowane i u lo zone w taki sposób, zeby oddzielaj ace je cz e- sci z lacza 12a 1-6 by ly u lozone promieniowo. Takie ustawienie poprawia rzeczywi scie przejmowanie napiec promieniowych przez cz esci z lacza 12a 1-6 . Wed lug innego sposobu realizacji wynalazku, cement w co najmniej jednym fragmencie zlacza ma modu l spr ezysto sci o w la sciwo sciach anizotropowych. Mo zna, na przyk lad, zastosowa c tkanin e krzemionkow a impregnowan a tradycyjnym cementem. Element tkany ma struktur e i w la sciwo sci ani- zotropowe, a impregnuj acy go cement spe lnia tradycyjne funkcje po laczenia. W la sciwo sci anizotropowe umo zliwiaj a uzyskanie spr ezysto sci w jednym lub kilku kierunkach. Korzystnie, umieszcza si e tkanin e krzemionkow a w tak, zeby modu l sprezysto sci cz esci zlacza by l s labszy w kierunku pod lu znym. Wed lug innego sposobu realizacji wynalazku, przedstawionego na fig. 4, stosuje si e zmienn a grubosc z lacza w zale zno sci od amplitudy napr eze n termomechanicznych, którym mo ze by c podda- wane. Uwa za si e, ze grubo sc e1 cz esci z lacza 12c usytuowanego w strefie poddawanej maksymal- nym naprezeniom termomechanicznym musi by c co najmniej dwa razy wi eksza od grubo sci e2 cz esci z lacza 12d stosowanego w strefie poddanej minimalnym napr ezeniom termomechanicznym. Cementy tworz ace cz esci z lacza, nawet te stosowane do wykonania cz esci tradycyjnego z la- cza 12b, maj a modu ly spr ezysto sci znacznie mniejsze, rz edu mno znika 10, od modu lu bloków filtruj a- cych 11a - 11i. Oznacza to, ze ich zdolno sc do przejmowania napr eze n jest znacznie wi eksza ni z tych bloków. Przez zwi ekszanie grubo sci materia lów najbardziej spr ezystych, osi aga si e wi ec zmniejszenie napr eze n. Wed lug innego sposobu realizacji przedstawionego na fig. 5 i 6, cz es c z lacza 12e zawiera szczelin e 14 o d lugo sci L', usytuowan a tak, aby ograniczy c przekazywanie napr eze n poprzez cz esc z lacza 12e. Korzystnie, szczelina 14 dochodzi do jednej z powierzchni wlotowej 7 lub wylotowej 9. Poniewa z powierzchnia wylotowa 9 poddawana jest najwi ekszym napr ezeniom termomecha- nicznym podczas regeneracji, szczelina 14, jeszcze korzystniej, wykonana jest na powierzchni wylo- towej 9. Oczywi scie, szczelina 14 nie dochodzi do obu powierzchni wlotowej 7 i, wylotowej 9 aby unik- n ac przep lywu gazów poprzez filtr bez ich przefiltrowania. Za to szczelina 14 nie musi dochodzi c do zadnego z otworów. Korzystnie, szczelina 14 wykonana jest na ca lej szeroko sci l' cz esc zlacza 12e, tak jak przed- stawiono na fig. 5. Korzystniej jeszcze, szczelina 14 jest usytuowana centrycznie na p laszczy znie srodkowej P równolegle do przyleg lych powierzchni bloków filtruj acych 11a i 11h, 11b i 11i, i 11c i 11d, które cz es c 12e z lacza kolejno laczy ze sob a. Korzystnie, d lugo sc L' (lub „gleboko sc") szczeliny 14 zawarta jest pomi edzy 0,1 i 0,9 d lugo sci ca lkowitej L elementu filtruj acego 3. Stwierdza si e, ze dla stosunków L'/L mniejszych od 1/10, zadenPL 203 485 B1 5 efekt nie jest widoczny, i ze, dla stosunków L'/L wi ekszych od 9/10, spójno sc mechaniczna elementu filtruj acego 3 jest niewystarczaj aca. Aby wykona c szczelin e 14, mo zna, na przyk lad, wprowadzi c kartk e papieru w grubosc czesci 12e zlacza przed etapem spiekania. Kartka papieru zostanie spalona podczas ogrzewania, pozosta- wiaj ac w ten sposób miejsce na szczelin e 14. Aby wykona c szczelin e 14, mo zna równie z, tak jak w sposobie wykonania przedstawionym na fig. 7, na lozy c na powierzchni bloku filtruj acego 11i materia l, który nie przywiera do tego bloku, lub który nie przywiera ani do cementu cz esci 12e lub jeszcze taki, który nie przywiera ani do jednego ani do drugiego. Tym materia lem mo ze by c na przyk lad azotek boru na lo zony za pomoc a aerozolu, lub filc ogniotrwa ly, na przyk lad przek ladka z w lókien. Materia l ten nak lada si e na blok filtruj acy 11i przed umieszczeniem cementu cz esci z lacza 12e i etapem spiekania. Szczelina 14, która powsta la w ten sposób, przylega do bloku filtruj acego 11i. Korzystnie, wype lnianie szczeliny 14 materia lem takim jak azotek boru poprawia przewodno sc i energi e ciepln a mi edzy blokiem filtruj acym 11i i cz escia 12e z lacza. Z powodów przedstawionych uprzednio, d lugo sc L szczeliny 14 równie z musi by c zawarta po- mi edzy 0,1 i 0,9 ca lkowitej d lugo sci L elementu filtruj acego 3. Oczywi scie, niniejszy wynalazek nie jest ograniczony do przedstawionych powy zej sposobów realizacji, dostarczonych tytu lem przyk ladu. Taki sam element filtruj acy 3 mo ze wykazywa c w la sciwo sci pochodz ace z kilku ró znych warian- tów przedstawionych powy zej. Na przyk lad, element filtruj acy 3 mo ze zawiera c kilka cz esci zlacza ró znych rodzajów, zawiera c naci ete cz esci z lacza, itd. PL PL PL PL PL

Claims (13)

1. Zastrze zenia patentowe 1. Element filtruj acy, w szczególno sci do filtra cz astek sta lych (1) z gazów spalinowych z silnika spalinowego pojazdu samochodowego, zawieraj acy wiele bloków filtruj acych (11a - 11i) po la- czonych za pomoc a co najmniej jednego z lacza (12) znajduj acego si e mi edzy tymi blokami filtruj acymi (11a - 11i) i zbudowanego tak, aby uniemo zliwi c przep lyw gazów spalinowych pomi edzy blokami filtru- jacymi (11a - 11i), znamienny tym, ze wy zej wspomniane z lacze zawiera wiele cz esci (12a - 12e), z których co najmniej dwie (12a, 12b; 12c, 12d) zawieraj a materia ly ró zni ace si e mi edzy sob a sk la- dem i/lub struktur a i/lub grubo sci a, i/lub takie, ze co najmniej jedna cz esc z lacza (12e) zawiera szczelin e (14).

2. Element filtruj acy wed lug zastrz. 1, znamienny tym, ze materia ly czesci zlacza (12a, 12b) maja modu ly spr ezystosci ró zni ace si e mi edzy sob a o warto sc wi eksz a lub równ a 10%.

3. Element filtruj acy wed lug zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, ze co najmniej jedna z cz esci (12a - 12e) zlacza wykazuje w la sciwo sci sprezysto sci anizotropowej.

4. Element filtruj acy wed lug zastrz. 3, znamienny tym, ze wy zej wspomniana co najmniej jed- na z cz esci (12a - 12e) zawiera tkanin e krzemionkow a impregnowan a cementem.

5. Element filtruj acy wed lug zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, ze grubo sci co najmniej dwóch cz esci z lacza ró zni a si e od siebie w stosunku co najmniej jeden do dwóch.

6. Element filtruj acy wed lug zastrz. 1, znamienny tym, ze wy zej wspomniana szczelina (14) dochodzi do powierzchni elementu filtruj acego (3), przez które gazy spalinowe wlatuj a lub do po- wierzchni, przez które gazy wylatuj a do/z elementu filtruj acego.

7. Element filtruj acy wed lug zastrz. 6, znamienny tym, ze szczelina (14) dochodzi do po- wierzchni (9) elementu filtruj acego (3), przez któr a gazy spalinowe wylatuj a z elementu filtruj acego (3).

8. Element filtruj acy wed lug któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienny tym, ze szcze- lina (14) utworzona jest w p laszczy znie (P) zasadniczo równoleg lej do powierzchni bloków filtruj a- cych (11b, 11i) po laczonych wy zej wspomnian a cz escia z lacza (12e).

9. Element filtruj acy wed lug któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienny tym, ze d lugo sc L' szczeliny (14) zawarta jest pomi edzy 0,1 i 0,9 d lugo sci ca lkowitej L elementu filtruj acego (3).

10. Element filtruj acy wed lug któregokolwiek z poprzednich zastrz., znamienny tym, ze szcze- lina (14) w zasadzie przylega do boku jednego z bloków filtruj acych (11i).PL 203 485 B1 6

11. Element filtruj acy wed lug zastrz. 9, znamienny tym, ze szczelina (14) wype lniona jest, co najmniej cz esciowo, materia lem wype lniaj acym, który nie przylega ani do bloku filtruj acego (11i), ani do cementu tej cz esci zlacza (12e) w którym jest ona wykonana.

12. Element filtruj acy wed lug zastrz. 11, znamienny tym, ze materia lem wype lniaj acym jest azotek boru lub krzemionka.

13. Filtr cz astek sta lych, przeznaczony w szczególno sci do filtrowania gazów spalinowych z sil- nika spalinowego pojazdu samochodowego, zawieraj acy os lon e (5) i element filtruj acy (3), otrzymany przez polaczenie wielu bloków filtruj acych (11a - 11i) za pomoc a z lacza (12), znamienny tym, ze wy zej wspomniany element filtruj acy (3) jest okre slony w którymkolwiek z poprzednich zastrze ze n. Rysunki Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,00 z l. PL PL PL PL PL