Изобретение относится к автомобильной, авиационной, судоходной промышленностям и другим, в которых возможно использование двигателей внутреннего сгорания и может быть применено для защиты окружающей среды от загрязнения транспортом при очистке выхлопных газов дизельных двигателей автомобилей от сажи. The invention relates to the automotive, aviation, shipping industries and others, in which it is possible to use internal combustion engines and can be used to protect the environment from pollution by transport when cleaning the exhaust gases of diesel engines of cars from soot.
Известны устройства для улавливания сажевых частиц в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания, использующие пористые вставки, помещенные внутрь трубчатого корпуса, присоединенного к выхлопной трубе двигателя. В качестве вставки используются пенокерамические материалы или фильтры сотовой конструкции [1]
При работе двигателя фильтры забиваются сажевыми частицами, их эффективность уменьшается, а к. п.д. двигателя снижается. Такие фильтры должны проходить регенерацию непосредственно на двигателе. Для этого к выхлопным газам двигателя на входе в фильтр примешивается воздух, а сажевый фильтр нагревается до температуры 500 600oC для начала сжигания сажевых частиц в потоке газов, обогащенном кислородом воздуха.Known devices for trapping soot particles in the exhaust gases of internal combustion engines using porous inserts placed inside a tubular body attached to the exhaust pipe of the engine. As an insert, ceramic foam materials or honeycomb filters are used [1]
When the engine is running, the filters are clogged with soot particles, their efficiency decreases, and the efficiency engine is reduced. Such filters must undergo regeneration directly on the engine. To do this, air is mixed into the exhaust gases of the engine at the inlet of the filter, and the particulate filter is heated to a temperature of 500 600 o C to start burning soot particles in a gas stream enriched with oxygen.
Известен фильтр, использующий в качестве устройства подачи дополнительного воздуха эжектор выхлопных газов [2] С помощью катализатора, нанесенного на пористый фильтр, воздух окисляет продукты неполного сгорания топлива. Однако сажевые частицы при этом остаются в порах фильтра. A known filter that uses an ejector of exhaust gases as a device for supplying additional air [2] Using a catalyst deposited on a porous filter, the air oxidizes products of incomplete combustion of fuel. However, soot particles remain in the pores of the filter.
Известен ряд регенерируемых фильтров сажевых частиц, в том числе скомбинированных с каталитическими покрытиями, в которых регенерация осуществляется путем подачи дополнительного воздуха в фильтр и нагрева этого фильтра электрической печкой (как это сделано, например, в фильтрах фирмы HUSS, Германия, г. Бремен), или же для нагрева используется СВЧ-излучение, которое обычно применяется для нагрева керамических фильтрующих вставок до температуры начала сгорания твердых сажевых частиц и образования углекислого газа [3] В этих устройствах воздух для обеспечения сгорания подается с помощью эжектора или специального нагревателя, приводимого в движение от самого двигателя. В качестве прототипа взят регенерируемый фильтр, описанный в [3]
Недостатком указанных выше конструкций фильтров является относительно долгое выгорание частиц сажи в фильтрах. Обычно заполнение фильтра твердыми частицами при тяжелых режимах работы дизельного транспорта длится около 8 часов, а для регенерации необходимо 8 10 часов выжигания сажи. Столь длительная очистка связана как с относительно небольшой скоростью сгорания сажевых частиц, так и с неоднородностью их сгорания по объему фильтра из-за неоднородного насыщения потока окисляющего воздуха продуктами сгорания сажи.A number of regenerated soot particle filters are known, including those combined with catalytic coatings, in which regeneration is carried out by supplying additional air to the filter and heating this filter with an electric stove (as was done, for example, in filters from HUSS, Germany, Bremen), or microwave radiation is used for heating, which is usually used to heat ceramic filter inserts to the temperature at which the combustion of solid soot particles and the formation of carbon dioxide begin [3] to ensure combustion, it is supplied by means of an ejector or a special heater, driven by the engine itself. As a prototype taken regenerated filter described in [3]
The disadvantage of the above filter designs is the relatively long burnout of soot particles in the filters. Typically, filling the filter with solid particles during heavy duty diesel vehicles lasts about 8 hours, and for regeneration, 8 10 hours of soot burning are needed. Such a long cleaning is associated both with the relatively low rate of combustion of soot particles and with the inhomogeneity of their combustion over the filter volume due to the inhomogeneous saturation of the flow of oxidizing air with soot combustion products.
Техническим результатом предложенного устройства является сокращение времени регенерации фильтра (не менее чем вдвое) и улучшение качества регенерации. Выгорание сажи по объему фильтра получается практически однородным. The technical result of the proposed device is to reduce the filter regeneration time (not less than half) and improve the quality of regeneration. Soot burnout over the filter volume is almost uniform.
Технический результат достигается тем, что в регенерируемом сажевом фильтре выхлопных газов, состоящем из корпуса, сотовой фильтрующей вставки, эжектора отработанных газов, патрубка наддува воздуха и нагревателя, в промежутке между эжектором и корпусом фильтра установлена пара фигурных колец, образующих щель для прохождения воздуха, причем на кольцах выполнено по одной круговой выточке, которые расположены друг против друга, а в патрубке наддува установлена воздушная заслонка. The technical result is achieved by the fact that in the regenerated particulate filter of exhaust gases, consisting of a housing, a honeycomb filter insert, an ejector of exhaust gases, a nozzle of a boost of air and a heater, a pair of figured rings are formed in the gap between the ejector and the filter housing, forming a gap for air passage, and on the rings one circular recess is made, which are located opposite each other, and an air damper is installed in the boost pipe.
Предложенное устройство иллюстрируется чертежом, на котором изображен корпус устройства 1, фильтр 2, нагреватель 3, эжектор 4, воздушный патрубок 5, воздушная заслонка 6, внешнее кольцо 7, внутреннее кольцо 8. The proposed device is illustrated in the drawing, which shows the housing of the device 1, filter 2, heater 3, ejector 4, air pipe 5, air damper 6, outer ring 7, inner ring 8.
Устройство работает следующим образом. В рабочем режиме двигателя заслонка 6 закрыта, и выхлопные газы выходят из эжектора 4, проходят через сотовый фильтр 2 и очищаются от твердых частиц сажи. После заполнения фильтра сажей, что фиксируется по повышению давления в полости над фильтром (схема измерения давления на чертеже не показана), или же после определенного времени наработки двигателя он переводится в режим регенерации фильтра. Для этого включается нагреватель 3 фильтра и открывается заслонка 6, пропускающая воздух из атмосферы, который всасывается в корпус 1 фильтра струей выхлопных газов, выходящей из эжектора 4. В случае, если фильтр забит очень плотно и давление внутри корпуса 1 значительно повышается, возможно принудительное поступление воздуха через патрубок 5 из атмосферы с помощью воздуходувки, работающей от двигателя в режиме холостого хода. Воздух проходит через щель, образованную кольцами 7 и 8. Кольцевые полоски в кольцах 7 и 8, расположенные напротив друг друга, образуют резонатор, и в проходящем через щель воздухе возбуждаются колебания с частотой около 20 кГц. Далее воздух смешивается с горячими выхлопными газами эжектора, проходит через сотовый фильтр, заполненный сажей и нагретый включенной для регенерации фильтра печкой и вступает в реакцию горения с углеродом сажи. Благодаря высокочастотным колебаниям потока воздуха процесс горения интенсифицируется, скорость массообмена в ультразвуковом акустическом поле увеличивается, что приводит к разрушению слоя вблизи реагирующей поверхности и за счет создания в потоке воздуха, прошедшем через щель между кольцами 7 и 8, высокочастотных колебаний увеличивается скорость сгорания частиц сажи в сотовом фильтре. The device operates as follows. In the operating mode of the engine, the shutter 6 is closed, and the exhaust gases exit the ejector 4, pass through the honeycomb filter 2 and are cleaned of soot solid particles. After filling the filter with soot, which is fixed by increasing the pressure in the cavity above the filter (the pressure measurement diagram is not shown in the drawing), or after a certain time the engine has been running, it is transferred to the filter regeneration mode. To do this, the filter heater 3 is turned on and the damper 6 opens, passing air from the atmosphere, which is sucked into the filter housing 1 by a stream of exhaust gases coming out of the ejector 4. If the filter is clogged very tightly and the pressure inside the housing 1 rises significantly, forced flow is possible air through the pipe 5 from the atmosphere using a blower operating from the engine in idle mode. Air passes through a slit formed by rings 7 and 8. The annular strips in rings 7 and 8, located opposite each other, form a resonator, and vibrations with a frequency of about 20 kHz are excited in the air passing through the slit. Further, the air is mixed with the hot exhaust gases of the ejector, passes through a honeycomb filter filled with soot and heated by the stove included in the regeneration of the filter, and enters a combustion reaction with carbon black. Due to the high-frequency oscillations of the air flow, the combustion process is intensified, the mass transfer rate in the ultrasonic acoustic field increases, which leads to the destruction of the layer near the reacting surface and, due to the creation of high-frequency oscillations in the air stream passing through the gap between rings 7 and 8, the combustion rate of soot particles increases honeycomb filter.
Действие ультразвука способствует перемещению воздуха в сотах фильтра и таким образом делает процесс сгорания сажевых частиц однородным по объему фильтра. В результате время регенерации сажевого фильтра уменьшается как минимум в 2 раза и скорость массообмена в ультразвуковом акустическом поле увеличивается в 2 3 и более раз, что приводит к разрушению диффузионного слоя вблизи реагирующей поверхности и за счет создания в потоке воздуха, прошедшем через щель между кольцами 7 и 8, высокочастотных колебаний увеличивается скорость сгорания частиц сажи в сотовом фильтре. The action of ultrasound promotes the movement of air in the filter cells and thus makes the combustion process of soot particles uniform in volume of the filter. As a result, the regeneration time of the particulate filter is reduced by at least 2 times and the mass transfer rate in the ultrasonic acoustic field increases by 2 3 or more times, which leads to the destruction of the diffusion layer near the reacting surface and due to the creation of air in the stream passing through the gap between the rings 7 and 8, high-frequency oscillations increases the rate of combustion of soot particles in a honeycomb filter.