RU2200851C2

RU2200851C2 - Soot filter

Info

Publication number: RU2200851C2
Application number: RU2000130455/06A
Authority: RU
Inventors: А.Л. Новоселов; А.А. Мельберт; Н.А. Гулак; А.В. Коробов
Original assignee: Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2000-12-04
Publication date: 2003-03-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: invention relates to diesel engine exhaust gas cleaning system designed for cleaning exhaust gases from hard particles, including soot. Said filter contains cylindrical housing accommodating inlet branch pipe in form of volute, outlet branch pipe, coaxially installed concentric outer and inner cylinders, end face tight covers, soot collector, has turbine using for its operation exhaust gas energy. Said turbine is installed for rotation on end face cover on support brought out of limits of cylinder inner space. Outer cylinder is provided with holes in its side surface and is rigidly coupled with gas turbine and housing. Inner cylinder is made in form of cermet porous catalytic filtering element rigidly secured at one side on turbine wheel, and at other side installed for rotation in end face cover. Conical holes in side surface of cylinder are made narrowing from inner to outer part of side surface of said cylinder. Soot collector is located in lower part of soot filter. Said filter entraps soot particles in full volume, provides complete burning out of soot particles and reduced backpressure at discharge. EFFECT: increased efficiency of cleaning by 15-20%. 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для очистки отработавших газов дизелей от твердых частиц, включая сажу. The invention relates to mechanical engineering, namely to engine building, and can be used to clean exhaust gases of diesel engines from solid particles, including soot.

Известен сажевый фильтр, в верхней части вертикально установленного цилиндрического разборного корпуса которого расположен фильтрующий элемент в виде набивки из стальной проволоки. Частично набивка помещена в металлической трубке, приваренной к входному патрубку, расположенной центрально в фильтрующем элементе корпуса фильтра. Набивка внутри трубки смачивается маслом, а фильтрующий элемент между трубкой и боковой стенкой корпуса сухой. Предварительная очистка отработанных газов производится в увлажненной набивке, окончательная - в сухой. Очищенные отработанные газы удаляются из фильтра через выходной патрубок в верхней части боковой стенки корпуса. Масло, подаваемое периодически под давлением форсункой, установленной во входном патрубке фильтра, стекает в поддон корпуса. При этом осуществляется эффективная регенерация фильтрующего элемента. Для предотвращения попадания масла в сухую часть фильтрующего элемента в корпусе установлены отражатели. Фильтр оборудован перепускным клапаном, исключающим чрезмерное возрастание сопротивления выпускного тракта двигателя внутреннего сгорания (см. заявку ФРГ 3606080, МКИ F 01 N 3/02). A particulate filter is known, in the upper part of a vertically mounted cylindrical collapsible housing of which there is a filter element in the form of a packing of steel wire. Partially, the packing is placed in a metal tube welded to the inlet pipe located centrally in the filter element of the filter housing. The packing inside the tube is wetted with oil, and the filter element between the tube and the side wall of the housing is dry. Preliminary treatment of exhaust gases is carried out in a humidified packing, the final - in dry. The purified exhaust gases are removed from the filter through the outlet pipe in the upper part of the side wall of the housing. Oil supplied periodically under pressure by a nozzle installed in the inlet of the filter flows into the housing pan. In this case, an effective regeneration of the filter element is carried out. Reflectors are installed in the housing to prevent oil from entering the dry part of the filter element. The filter is equipped with a bypass valve, which excludes an excessive increase in the resistance of the exhaust tract of the internal combustion engine (see application FRG 3606080, MKI F 01 N 3/02).

К недостаткам этого сажевого фильтра относятся высокий расход масла и низкий срок службы, так как масло может образовывать твердые частицы, что приводит к дополнительному загрязнению фильтрующего элемента. The disadvantages of this particulate filter are its high oil consumption and low service life, since the oil can form solid particles, which leads to additional contamination of the filter element.

Известен сажевый фильтр, представляющий собой ротационный очиститель с центростремительным движением отработавших газов. В цилиндрическом корпусе фильтра установлены концентрические внешний и внутренний цилиндры с перфорацией, фильтрующий элемент в виде гранулированного наполнителя кварцевого песка с размером гранул 0,5-2 мм или волокнистой набивки, сборник сажи. Цилиндры закрыты торцевыми непроницаемыми крышками. Привод цилиндров снабжен электродвигателем. При работе электродвигателя наполнитель равномерно плотным слоем покрывает наружный цилиндр. При загрязнении наполнителя производится регенерация, для чего уменьшается число оборотов цилиндра, в результате осуществляется перемешивание наполнителя, частицы сажи отбрасываются к стенкам корпуса и собираются в предусмотренном для этого сборнике сажи (см. заявку ФРГ 3606079, МКИ F 01 N 3/04). Known particulate filter, which is a rotary cleaner with centripetal movement of exhaust gases. Concentric outer and inner cylinders with perforation, a filter element in the form of a granular silica sand filler with a grain size of 0.5-2 mm or a fibrous packing, and a soot collector are installed in the cylindrical filter housing. The cylinders are closed by end-tight covers. The cylinder drive is equipped with an electric motor. During operation of the electric motor, the filler uniformly dense layer covers the outer cylinder. If the filler is contaminated, regeneration is performed, for which the number of cylinder revolutions is reduced, as a result, the filler is mixed, soot particles are discarded to the walls of the casing and collected in the soot collector provided for this (see German application 3606079, MKI F 01 N 3/04).

Описанный сажевый фильтр имеет следующие недостатки:
1. Кварцевый песок с размером гранул 0,5...2 мм при любой укладке не обеспечивает улавливание частиц сажи в полном объеме, так как их размер гранул более чем наполовину по массе составляет 1...10 мкм;
2. Цилиндры с фильтрующим элементом в виде гранулированного наполнителя не подлежат качественной балансировке, что приводит к созданию колебательных явлений, воздействующих непосредственно как на корпус фильтра, так и на объем установки фильтра, например транспортная машина, судно и так далее, и снижению срока службы объекта;
3. Гранулы кварцевого песка постоянно истираются, продукты истирания выносятся отработавшими газами и появляются сквозные "свищи", через которые свободно проходят частицы сажи, что также не обеспечивает улавливания этих частиц в полном объеме;
4. Вариант выполнения фильтра с волокнистой набивкой неудачен, так как при высоких частотах вращения фильтра волокнистая набивка уплотняется вдоль внутренней поверхности наружного цилиндра, что создает излишнее противодавление на выпуске, а неравномерное уплотнение приводит к дисбалансу и уменьшению срока службы сажевого фильтра;
5. Электродвигатель привода цилиндров несет ряд неудобств, например, связанных с погружением электродвигателя в воду и грязь при преодолении препятствий, что также приводит к уменьшению срока службы сажевого фильтра.The particulate filter described has the following disadvantages:
1. Quartz sand with a granule size of 0.5 ... 2 mm for any installation does not ensure the capture of soot particles in full, since their granule size is more than half by weight of 1 ... 10 microns;
2. Cylinders with a filter element in the form of a granular filler are not subject to high-quality balancing, which leads to the creation of oscillatory effects that directly affect both the filter housing and the filter installation volume, for example, a transport vehicle, a ship, and so on, and reduce the service life of an object ;
3. Granules of silica sand are constantly abraded, abrasion products are carried out by the exhaust gases and through "fistulas" appear, through which soot particles freely pass, which also does not ensure the capture of these particles in full;
4. The embodiment of the filter with a fibrous packing is unsuccessful, since at high frequencies of rotation of the filter, the fibrous packing is compacted along the inner surface of the outer cylinder, which creates excessive back pressure at the outlet, and uneven sealing leads to an imbalance and a decrease in the service life of the particulate filter;
5. The electric motor of the cylinder drive has a number of inconveniences, for example, associated with immersion of the electric motor in water and dirt when overcoming obstacles, which also leads to a decrease in the service life of the particulate filter.

Известен сажевый фильтр, содержащий цилиндрический корпус с патрубками входа и выхода, соосно установленные концентрические внешний и внутренний цилиндры, причем внешний имеет отверстия в боковой поверхности, торцевые непроницаемые крышки, сборник сажи, газовую турбину, использующую энергию отработавших газов, которая установлена с возможностью вращения на валу, закрепленном в торцевых крышках на опорах, выведенных за пределы внутренней полости цилиндров. Внешний цилиндр жестко связан с корпусом, а внутренний цилиндр выполнен в виде фильтрующего элемента, жестко закрепленного на валу с возможностью вращения. Поверхности внешнего цилиндра выполнены из стальной сетки. Частицы сажи отбрасываются к стенкам корпуса и собираются в предусмотренном для этого сборнике сажи, который установлен под внешним цилиндром. Фильтрующий элемент изготовлен из алюминиевых прутьев, объединенных в цилиндр (см. патент США 5083435, F 01 N 3/02). Как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату этот сажевый фильтр принят за прототип. A particulate filter is known, comprising a cylindrical housing with inlet and outlet nozzles, coaxially mounted concentric outer and inner cylinders, the outer one having openings in the side surface, end tight covers, a soot collector, a gas turbine using exhaust gas energy that is rotatably mounted on the shaft mounted in the end caps on the bearings brought outside the internal cavity of the cylinders. The outer cylinder is rigidly connected to the housing, and the inner cylinder is made in the form of a filter element, rigidly mounted on the shaft with the possibility of rotation. The surfaces of the outer cylinder are made of steel mesh. Soot particles are discarded to the walls of the housing and are collected in the soot collector provided for this, which is mounted under the outer cylinder. The filter element is made of aluminum rods integrated into a cylinder (see US patent 5083435, F 01 N 3/02). As the closest in technical essence and the achieved result, this particulate filter is adopted as a prototype.

Описанный сажевый фильтр имеет следующие недостатки:
1. Фильтрующий элемент имеет зазоры между образующими его прутьями и происходит задержание твердых частиц только определенных зазором размеров; не существует извилистости проходных сечений, шероховатости. Это приводит к улавливанию частиц сажи не в полном объеме.The particulate filter described has the following disadvantages:
1. The filter element has gaps between the rods forming it and there is a retention of solid particles only defined by the gap size; there is no tortuosity of passage sections, roughness. This leads to the capture of soot particles not in full.

2. Внешний цилиндр с прямыми цилиндрическими или другими отверстиями обеспечивает проскок в них твердых частиц, однако не обеспечивает необходимой защиты от обратного оттока сажевых частиц, что приводит к низкой эффективности очистки отработавших газов. 2. An external cylinder with straight cylindrical or other openings provides a breakthrough in them of solid particles, but does not provide the necessary protection against the backflow of soot particles, which leads to low efficiency of exhaust gas cleaning.

Сущность изобретения состоит в том, что сажевом фильтре, содержащем цилиндрический корпус с патрубками входа и выхода, соосно установленные концентрические внешний и внутренний цилиндры, причем внешний имеет отверстия в боковой поверхности, торцевые непроницаемые крышки, сборник сажи, газовую турбину, использующую энергию отработавших газов, которая установлена с возможностью вращения на торцевой крышке на опоре, выведенной за пределы внутренней полости цилиндров, патрубок входа выполнен в виде улитки, внешний цилиндр жестко связан с газовой турбиной и корпусом, а внутренний выполнен в виде металлокерамического пористого каталитического фильтрующего элемента, жестко закрепленного с одной стороны на турбине, а с другой - установленного с возможностью вращения в торцевой крышке, при этом отверстия в боковой поверхности внешнего цилиндра выполнены коническими, сужающимися от внутренней к наружной части боковой поверхности этого цилиндра. The essence of the invention lies in the fact that the particulate filter containing a cylindrical housing with inlet and outlet nozzles, coaxially mounted concentric outer and inner cylinders, the outer one having openings in the side surface, end tight covers, a soot collector, a gas turbine using exhaust gas energy, which is mounted to rotate on the end cap on a support extended outside the inner cavity of the cylinders, the inlet pipe is made in the form of a cochlea, the outer cylinder is rigidly connected to a gas turbine and a housing, and the inner one is made in the form of a ceramic-metal porous catalytic filter element rigidly fixed on one side to the turbine and, on the other, mounted rotatably in the end cap, while the holes in the side surface of the outer cylinder are conical, tapering from the inner to the outside of the side surface of this cylinder.

Металлокерамический пористый каталитический фильтрующий элемент может быть изготовлен методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-технологий) с введением в структуру катализаторов горения частиц сажи, например церия. Пористый фильтр имеет высокую однородность структуры, что позволяет производить балансировку цилиндра с турбиной. The ceramic-metal porous catalytic filter element can be manufactured by the method of self-propagating high-temperature synthesis (SHS technologies) with the introduction of soot particles, for example, cerium, into the structure of combustion catalysts. The porous filter has a high uniformity of structure, which allows balancing of the cylinder with the turbine.

Техническим результатом является обеспечение улавливания частиц сажи в полном объеме и повышение эффективности сажевого фильтра за счет выполнения внутреннего цилиндра в виде металлокерамического пористого каталитического элемента и обеспечение полноты выгорания частиц сажи на фильтре за счет наличия катализаторов в фильтрующем элементе. Кроме того, применение во внешнем цилиндре отверстий в виде обратного конуса или сопла Лаваля позволяет улучшить расходные характеристики через отверстия с одной стороны и снизить обратный отток частиц сажи в процессе очистки. The technical result is to ensure the capture of soot particles in full and to increase the efficiency of the particulate filter by performing an inner cylinder in the form of a ceramic-metal porous catalytic element and to ensure the completeness of burnout of soot particles on the filter due to the presence of catalysts in the filter element. In addition, the use of holes in the outer cylinder in the form of a return cone or Laval nozzle can improve the flow characteristics through the holes on one side and reduce the return flow of soot particles during cleaning.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где изображен продольный разрез сажевого фильтра. The invention is illustrated in the drawing, which shows a longitudinal section of a particulate filter.

Сажевый фильтр содержит цилиндрический корпус 1 с патрубками входа 2, выполненным в виде улитки, с фланцем 3 и выхода 4 с фланцем 5 и внешний цилиндр 6 с коническими отверстиями 7 в боковой поверхности, сужающимися от внутренней поверхности 8 к внешней поверхности 9 цилиндра 6; внутренний цилиндр, выполненный в виде металлокерамического пористого каталитического фильтрующего элемента 10. Внутренний цилиндр размещен соосно концентрично внешнему цилиндру 6. Фильтрующий элемент 10 жестко соосно скреплен крепежной деталью 11 с колесом 12 газовой турбины, использующей энергию отработавших газов, со стороны входа газов и с другой базируется на валу 13. Подшипник 14 опоры 15 и опора 15 турбины вынесен за пределы полости фильтра, образуемой внутренней поверхностью корпуса 1 и торцевыми непроницаемыми крышками 16 и 17, закрепленными на фланцах 18 и 19, и зафиксирован в крышке 20. С другой стороны вал 13 закреплен одним концом в крестообразной вставке 21 в фильтрующем элементе 10, а другим в вынесенным за пределы полости фильтра подшипнике 22, зафиксированном в крышке 23 на торцевой крышке 17. Весь фильтрующий элемент 10 уплотнен от цилиндра 6 в стенке 24 подшипника скольжения 25. В нижней части сажевого фильтра расположен сборник сажи 26 со съемной крышкой 27. Со сторон турбины цилиндр 6 запрессован в стенку 28 турбины. Колесо 12 газовой турбины установлено с возможностью вращения на торцевой крышке 20. Для выхода газов между внешним и внутренними цилиндрами имеется кольцевое окно 29. The particulate filter comprises a cylindrical housing 1 with inlet nozzles 2 made in the form of a cochlea, with a flange 3 and an outlet 4 with a flange 5, and an outer cylinder 6 with conical holes 7 in the side surface, tapering from the inner surface 8 to the outer surface 9 of the cylinder 6; the inner cylinder, made in the form of a ceramic-metal porous catalytic filter element 10. The inner cylinder is placed coaxially concentrically to the outer cylinder 6. The filter element 10 is rigidly coaxially fastened by the fastener 11 to the wheel 12 of the gas turbine using exhaust gas energy from the gas inlet side and the other on the shaft 13. The bearing 14 of the support 15 and the support 15 of the turbine is moved outside the filter cavity, formed by the inner surface of the housing 1 and the end impenetrable covers 16 and 17, fixed on the flanges 18 and 19, and is fixed in the cover 20. On the other hand, the shaft 13 is fixed at one end in a cross-shaped insert 21 in the filter element 10, and the other in the bearing 22 extended outside the filter cavity, fixed in the cover 23 on the end cover 17. The entire filter element 10 is sealed from the cylinder 6 in the wall 24 of the sliding bearing 25. In the lower part of the diesel particulate filter there is a soot collector 26 with a removable cover 27. From the sides of the turbine cylinder 6 is pressed into the wall of the turbine 28. The wheel 12 of the gas turbine is mounted for rotation on the end cap 20. For the exit of gases between the outer and inner cylinders there is an annular window 29.

Фильтрующий элемент 10, цилиндр 6, поперечная стенка 24 и стенки 28 турбины делят внутреннюю полость сажевого фильтра на полость 30 отфильтрованных газов, полость 31 турбулизированных газов, полость выхода 32, полость 33 сбора сажи. The filter element 10, cylinder 6, the transverse wall 24 and the turbine wall 28 divide the inner cavity of the particulate filter into a cavity 30 of filtered gases, a cavity 31 of turbulent gases, an exit cavity 32, a soot collection cavity 33.

Такое выполнение сажевого фильтра позволяет наиболее качественно очистить поток отработавших газов дизеля от твердых частиц и их частично дожечь на поверхности фильтрующего элемента 10. Сочетание вращающегося внутреннего цилиндра с неподвижным внешним цилиндром позволяет использовать центробежные силы для отвода твердых частиц с поверхности фильтра и направить их в сборник сажи 26. This embodiment of the particulate filter allows for the best possible cleaning of the diesel exhaust gas stream from solid particles and partially burn them on the surface of the filter element 10. The combination of a rotating inner cylinder with a fixed outer cylinder allows the use of centrifugal forces to remove solid particles from the filter surface and direct them to the soot collector 26.

На чертеже дополнительно обозначено стрелками движение отработавших газов. In the drawing, the arrows indicate the movement of exhaust gases.

Работа сажевого фильтра осуществляется следующим образом. Отработавшие газы дизеля поступают по патрубку входа 2 и направляются в турбину. Колесо 12 раскручивает фильтрующий элемент 10 до 40...80 об/мин. Поскольку объем полости 33 сбора сажи заперт, то газы направляются через фильтрующий элемент 10 в турбулизированном состоянии. При этом центробежными силами твердые частицы сажи отбрасываются на внешний цилиндр 6, проходят через конические отверстия 7, попадают в полость 33 сбора сажи и осыпаются по внутренним стенкам корпуса 1 в сборник сажи 26, откуда периодически удаляются путем снятия крышки 27. Отфильтрованные газы попадают во внутреннюю полость фильтрующего элемента 10, проходят вдоль стенок, выходят в полость 32 и через патрубок 4 отводятся из сажевого фильтра. The particulate filter is as follows. Diesel exhaust gas flows through the inlet pipe 2 and is sent to the turbine. Wheel 12 spins the filter element 10 to 40 ... 80 rpm. Since the volume of the soot collecting cavity 33 is locked, the gases are directed through the filter element 10 in a turbulent state. In this case, the solid particles of carbon black are discarded to the outer cylinder 6 by centrifugal forces, pass through the conical openings 7, enter the soot collection cavity 33 and are scattered along the inner walls of the housing 1 into the soot collector 26, from where they are periodically removed by removing the cover 27. The filtered gases enter the the cavity of the filter element 10, pass along the walls, exit into the cavity 32 and are discharged from the particulate filter through the pipe 4.

По сравнению с сажевым фильтром-прототипом предложенный сажевый фильтр для дизеля обеспечивает повышение на 15...20% эффективности очистки отработавших газов. Опыт применения лопаточных машин, турбин говорит о том, что наиболее эффективной работы можно добиться предварительным сжатием струи газов в улитках. Compared with the particulate filter prototype, the proposed diesel particulate filter provides an increase of 15 ... 20% in the efficiency of exhaust gas cleaning. The experience of using blade machines and turbines suggests that the most efficient operation can be achieved by preliminary compression of the gas stream in the cochlea.

Claims

A diesel particulate filter comprising a cylindrical housing with inlet and outlet nozzles, coaxially mounted concentric outer and inner cylinders, the outer one having openings in the side surface, end tight covers, a soot collector, a gas turbine using exhaust gas energy that is mounted to rotate at the end a cover on a support extended outside the inner cavity of the cylinders, characterized in that the inlet pipe is made in the form of a cochlea, the outer cylinder is rigidly connected to the gas turbine and housing, and the inside is made in the form of a ceramic-metal porous catalytic filter element rigidly fixed on one side to the turbine, and on the other, mounted rotatably in the end cap, while the holes in the side surface of the outer cylinder are conical, tapering from the inner to the outer part lateral surface of this cylinder.