RU2183751C1

RU2183751C1 - Diesel engine exhaust gas filter

Info

Publication number: RU2183751C1
Application number: RU2000131037/06A
Authority: RU
Inventors: В.И. Цыпцын; С.В. Истомин; С.А. Гиевой
Original assignee: Цыпцын Валерий Иванович; Истомин Сергей Викторович; Гиевой Сергей Александрович
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2002-06-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; exhaust gas systems of diesel engines. SUBSTANCE: proposed exhaust gas filter has rotary chamber with inlet and outlet branch pipes which accommodates swirler, soot trap and filtering element arranged length wise the chamber. Soot trap being heat insulator is made of ceramic maze with fitted-in electric heater. Ceramic maze is limited by wall of filter housing and perforated cylinder. Filtering element is made in form of pack consisting of alternating corrugated and flat layers with catalytic coating, flat layers being made of metal wire maze limited by heat resistant gauze. Moreover, filtering element is limited in its front part by heat resistant gauze and in rear part by disk with holes opposite to flat layers. Invention makes it possible to materially reduced heat and gas dynamic losses owing to arrangement of soot trap lengthwise the rotary chamber and thus increase efficiency of catalytic afterburning of incompletely combusted products in filtering element. Use of electric heater supplied from 220 V circuit makes it possible to periodically recover soot accumulated in soot trap without disassembling the filter. EFFECT: improved cleaning of exhaust gases. 2 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к машиностроению и может быть использовано для очистки отработавших газов (ОГ) дизелей от токсичных компонентов. The proposed device relates to mechanical engineering and can be used for cleaning exhaust gases (DG) of diesel engines from toxic components.

Известен фильтр для очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (патент РФ 2059841, опубликованный 10.05.96), содержащий фильтрующий пакет, выполненный из зигзагообразно сложенной сетки, между складками которой размещены гофрированные пластины, образующие на торцах фильтра соответственно входные и выходные промежутки. Для разогрева катализатора в складках сетчатых слоев зигзагообразно размещается электронагреватель, периодически включающийся от аккумулятора или генератора тока на холодных режимах. A known filter for cleaning exhaust gases of internal combustion engines (RF patent 2059841, published 05/10/96), containing a filter bag made of a zigzag folded mesh, between the folds of which are placed corrugated plates forming respectively the input and output gaps on the ends of the filter. To heat the catalyst in the folds of the mesh layers, an electric heater is placed in a zigzag fashion, periodically turning on from the battery or current generator in cold conditions.

Устройство позволяет варьировать формой, размерами и гидравлическими характеристиками фильтра. The device allows you to vary the shape, size and hydraulic characteristics of the filter.

Недостатками этого устройства является его низкая эффективность и отсутствие предварительной очистки ОГ от сажи. The disadvantages of this device is its low efficiency and the lack of preliminary cleaning of exhaust from soot.

Прототипом предлагаемого устройства является устройство очистки отходящих газов дизельного двигателя от твердых частиц (патент РФ 2065980 от 27.08.96), содержащее ротационную камеру сгорания, внутри которой расположен завихритель, выполненный в виде крыльчатки. В выходной части камеры сгорания расположен сажесборник, внутри которого коаксиально размещено каталитическое дожигающее устройство. Каталитическое дожигающее устройство представляет собой металлический цилиндр, внутри которого выполнены сквозные продольные каналы. На поверхности каналов нанесен каталитический слой. Между завихрителем и сажесборником имеется цилиндрическая сепарирующая полость. Камера сгорания снабжена входным и выходным патрубком. The prototype of the proposed device is a device for cleaning exhaust gases of a diesel engine from solid particles (RF patent 2065980 from 08/27/96), containing a rotational combustion chamber, inside of which there is a swirl made in the form of an impeller. In the output part of the combustion chamber there is a soot collector, inside of which a catalytic afterburning device is coaxially placed. The catalytic afterburning device is a metal cylinder, inside of which through longitudinal channels are made. A catalytic layer is deposited on the surface of the channels. Between the swirler and the carbon black there is a cylindrical separating cavity. The combustion chamber is equipped with an inlet and outlet pipe.

Устройство позволяет очистить ОГ от твердых частиц, при этом генерировать моноокись углерода, которая является восстановителем оксидов азота. The device allows you to clean the exhaust gas from solid particles, while generating carbon monoxide, which is a reducing agent of nitrogen oxides.

Недостатками этого устройства являются большие теплопотери в окружающую среду из-за отсутствия слоя теплоизолятора, быстрый рост перепада давления в фильтре за счет забивания сажесборника, трудоемкость процесса очистки сажесборника от твердых частиц и связанная с этим нерешенность вопроса утилизации сажи. Технической задачей изобретения является обеспечение более эффективной очистки ОГ от сажевых частиц и утилизации сажи из устройства. The disadvantages of this device are the large heat loss to the environment due to the absence of a heat insulator layer, the rapid increase in pressure drop in the filter due to clogging of the soot collector, the complexity of the process of cleaning the soot collector from solid particles and the unresolved issue of soot utilization. An object of the invention is to provide more efficient purification of exhaust gas from soot particles and the disposal of soot from the device.

Эта задача решается в фильтре для очистки отработавших газов дизеля, содержащем ротационную камеру с входным и выходным патрубками, в которой размещен завихритель, сажесборник и фильтрующий элемент, где согласно изобретению сажесборник расположен по длине ротационной камеры, являясь теплоизолятором, и выполнен из керамической путанки с уложенным в нее электронагревателем, при этом керамическая путанка ограничена стенкой корпуса и перфорированным цилиндром, фильтрующий элемент выполнен в виде пакета из чередующихся гофрированных и плоских слоев с нанесенным на них каталитическим покрытием, плоские слои образованы путанкой из металлической проволоки, ограниченной жаропрочной сеткой, кроме того, сам фильтрующий элемент ограничен в передней части жаропрочной сеткой, а в задней части - диском с отверстиями напротив плоских слоев. This problem is solved in a diesel exhaust gas filter containing a rotary chamber with inlet and outlet nozzles, in which a swirler, a carbon black and a filter element are placed, where according to the invention the carbon black is located along the length of the rotary chamber, being a heat insulator, and is made of ceramic trowel with into it by an electric heater, while the ceramic putty is limited by the wall of the housing and the perforated cylinder, the filter element is made in the form of a packet of alternating corrugated and oskih layers applied with the catalytic coating, flat layers are formed from metal wire thread waste, limited heat resistant mesh, in addition, the filter element itself is limited in front of the refractory grid, and in the rear part - drive apertured opposite flat layers.

В отличие от прототипа, сажесборник расположен по длине ротационной камеры и выполняет дополнительно функцию теплоизолятора, тем самым значительно снижая потери тепла в окружающую среду. Сажесборник выполнен из керамической путанки, в которой по спирали размещен электронагреватель, работающий от электрической сети напряжением 220 В. Сажесборник ограничен наружной стенкой устройства и перфорированным цилиндром. Фильтрующий элемент выполнен в виде пакета из чередующихся гофрированных и плоских слоев с нанесенным на них каталитическим покрытием на основе оксида алюминия гаммамодификации с добавлением оксидов Cu, Cr, Ni, Co и оксидов редкоземельных металлов. Плоские слои образованы путанкой из металлической проволоки, ограниченной с обеих сторон мелкоячеистой жаропрочной сеткой. Металлическая основа гофрированных слоев, путанки и сетки за счет высокой теплопроводности обеспечивает быстрый прогрев всех каталитических поверхностей в объеме пакета. Фильтрующий элемент ограничен в передней торцевой части жаропрочной сеткой, а в задней части - диском с отверстиями напротив плоских слоев пакета. Unlike the prototype, the carbon black is located along the length of the rotary chamber and additionally serves as a heat insulator, thereby significantly reducing heat loss to the environment. The soot collector is made of ceramic trowel, in which an electric heater is placed in a spiral, operating from an electric network with a voltage of 220 V. The soot collector is limited by the outer wall of the device and the perforated cylinder. The filter element is made in the form of a package of alternating corrugated and flat layers with a catalytic coating based on gamma-modified alumina with the addition of oxides of Cu, Cr, Ni, Co and rare earth oxides. The flat layers are formed by a tangle of metal wire bounded on both sides by a fine-mesh heat-resistant mesh. Due to the high thermal conductivity, the metal base of the corrugated layers, trowels and nets provides fast heating of all catalytic surfaces in the bulk of the package. The filter element is bounded in the front end part by a heat-resistant mesh, and in the back part by a disk with holes opposite the flat layers of the bag.

Техническое решение поясняется чертежами. The technical solution is illustrated by drawings.

На фиг.1 изображен общий вид фильтра для очистки ОГ дизеля. Figure 1 shows a General view of the filter for cleaning the exhaust gas of a diesel engine.

На фиг. 2 изображено сечение фильтра по плоскости фильтрирующего элемента. In FIG. 2 shows a cross-section of the filter along the plane of the filter element.

Фильтр для очистки ОГ дизеля содержит цилиндрическую ротационную камеру 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, представляющие собой соответственно диффузор и конфузор. Внутри входного патрубка 2 установлен завихритель 4, выполненный в виде крыльчатки. По длине ротационной камеры 1 располагается сажесборник 5, представляющий собой путанку из керамических микроволокон диаметром 10 мкм, ограниченную внешней стенкой ротационной камеры 6 и перфорированным цилиндром 7. Внутри сажесборника 5 установлен электронагреватель 8, представляющий собой нихромовую спираль, работающую от сети переменного тока 220 В. В выходной части ротационной камеры расположен фильтрирующий элемент 9, упирающийся в ограничители 10. Фильтрующий элемент 9 выполнен в виде пакета из чередующихся гофрированных 11 и плоских 12 слоев с нанесенным на них каталитическим покрытием, плоские слои 12 образованы путанкой из металлической проволоки, ограниченной жаропрочной сеткой 13. Кроме того, фильтрующий элемент 9 ограничен в передней торцевой части жаропрочной сеткой 14, а в задней части - диском 15 с отверстиями напротив плоских слоев пакета. The filter for cleaning the exhaust gas of a diesel engine contains a cylindrical rotary chamber 1 with an inlet 2 and an outlet 3 nozzles, which are respectively a diffuser and a confuser. Inside the inlet pipe 2, a swirler 4 is installed, made in the form of an impeller. A carbon black 5 is located along the length of the rotary chamber 1, which is a tangle of ceramic microfibers with a diameter of 10 μm, bounded by the outer wall of the rotary chamber 6 and a perforated cylinder 7. An electric heater 8 is installed inside the carbon black 5, which is a nichrome spiral operating from 220 V. In the output part of the rotary chamber there is a filter element 9, abutting against the stops 10. The filter element 9 is made in the form of a packet of alternating corrugated 11 and flat 12 layers coated with a catalytic coating, the flat layers 12 are formed by a tangle of metal wire bounded by a heat-resistant mesh 13. In addition, the filter element 9 is limited in the front end part by a heat-resistant mesh 14, and in the back by a disk 15 with holes opposite the flat layers of the bag .

Устройство работает следующим образом. При работе дизеля поток ОГ поступает во входной патрубок 2 фильтра, затем, проходя через завихритель 4, поток приобретает вращательное движение. Под действием центробежных сил происходит сепарация крупных частиц сажи диаметром более 1 мкм. Они транспортируются потоком газов в сажесборник 5, где происходит осаждение частиц на шероховатую поверхность керамических волокон. Основной поток отработавших газов равномерно распределяется по всей ротационной камере 1 фильтра и проходит основную очистку в фильтрующем элементе 9, выполненном в виде пакета из гофрированных 11 и плоских 12 слоев, далее несгоревшие частицы сажи осаждаются в некотором количестве на жаропрочной сетке 13, металлической путанке плоских слоев 12 и гофрированных слоях 11 с каталитическим покрытием, способствующих равномерному распределению потока ОГ в фильтрующем элементе 9. Поскольку задняя часть гофрированных слоев 11 закрыта диском 15 с отверстиями напротив плоских слоев пакета, то ОГ меняют свое направление на 90^o и перемешиваются с меньшей частью потока, фильтруемого в осевом направлении через плоские слои, образованные металлической путанкой 12 и жаропрочной сеткой 13. В результате смешивания потоков происходит столкновение частиц, они слипаются в более крупные конгломераты и вследствие уменьшения скорости потока налипают на поверхность путанки 12 и жаропрочной сетки 13. Благодаря предварительной очистке ОГ от сажевых частиц этот процесс накопления сажи кратковременен. Далее происходит каталитическое окисление сажи за счет снижения температуры окисления сажи от 600^o до 300 - 400^oС. На этом режиме предлагаемый фильтр работает как дожигатель сажи и нейтрализатор газовых токсичных компонентов (СО, СН и т.д.). В результате выгорания сажи проходные сечения в фильтрующем элементе 9 увеличиваются до своих исходных размеров, вследствие чего снижается газодинамическое сопротивление фильтра.The device operates as follows. When the engine is running, the exhaust gas flows into the inlet pipe 2 of the filter, then, passing through the swirl 4, the flow acquires a rotational motion. Under the action of centrifugal forces, large soot particles are separated with a diameter of more than 1 μm. They are transported by a stream of gases in a carbon black 5, where particles are deposited on the rough surface of ceramic fibers. The main stream of exhaust gases is evenly distributed throughout the rotary chamber 1 of the filter and undergoes main cleaning in the filter element 9, made in the form of a packet of corrugated 11 and flat 12 layers, then unburned soot particles are deposited in a certain amount on a heat-resistant mesh 13, a metal layer of flat layers 12 and corrugated layers 11 with a catalytic coating, contributing to a uniform distribution of the exhaust gas flow in the filter element 9. Since the back of the corrugated layers 11 is closed by a disk 15 with a hole In contrast to the flat layers of the packet, the exhaust gases change their direction by 90 ^° and mix with a smaller part of the flow that is axially filtered through the flat layers formed by the metal trowel 12 and the heat-resistant mesh 13. As a result of the mixing of the flows, particles collide, they stick together in more large conglomerates, and due to a decrease in the flow rate, adhere to the surface of the trowel 12 and the heat-resistant mesh 13. Due to the preliminary cleaning of the exhaust from soot particles, this process of soot accumulation is short-lived. Next, the catalytic oxidation of soot occurs by reducing the temperature of soot oxidation from 600 ^o to 300 - 400 ^o C. In this mode, the proposed filter works as a soot afterburner and a neutralizer of toxic gas components (CO, CH, etc.). As a result of soot burnout, the cross-sections in the filter element 9 increase to their original size, as a result of which the gas-dynamic resistance of the filter is reduced.

Керамические микроволокна, составляющие сажесборник 5, обладают низкой теплопроводностью и позволяют сохранять оптимальную температуру в фильтре на режимах холостого хода и малой нагрузки двигателя. The ceramic microfibers that make up the carbon black 5 have a low thermal conductivity and allow you to maintain the optimum temperature in the filter at idle and low engine load.

В конце рабочей смены электронагреватель 8 подключается к электрической сети 220 В и в течение 2-3 часов происходит выжигание сажевых частиц в сажесборнике 5. Таким образом осуществляется стационарная регенерация сажесборника фильтра для очистки ОГ дизеля. Периодичность регенерации зависит от емкости сажесборника. At the end of the work shift, the electric heater 8 is connected to the 220 V electric network and soot particles are burned out in the soot collector 5 for 2-3 hours. Thus, stationary regeneration of the soot collector of the filter for cleaning the diesel exhaust gas is carried out. The frequency of regeneration depends on the capacity of the carbon black.

Оптимальный подбор размеров ячеек сетки и гофр позволяет одновременно использовать предлагаемое устройство в качестве глушителя с низким уровнем противодавления. The optimal selection of mesh and corrugation mesh sizes allows you to simultaneously use the proposed device as a silencer with a low level of backpressure.

Использование изобретения позволит существенно снизить тепловые и газодинамические потери за счет расположения сажесборника 5 по длине ротационной камеры 1 и тем самым повысить эффективность каталетического дожигания продуктов неполного сгорания в фильтрующем элементе 9. Использование электронагревателя 8, работающего от электросети 220 В, позволит периодически утилизировать сажу, накопившуюся в объеме сажесборника, не производя разборку фильтра. The use of the invention will significantly reduce thermal and gas-dynamic losses due to the location of the carbon black 5 along the length of the rotary chamber 1 and thereby increase the efficiency of catalytic afterburning of products of incomplete combustion in the filter element 9. Using an electric heater 8 operating from a 220 V power supply will allow periodically to utilize the soot accumulated in the volume of the carbon black, without disassembling the filter.

Claims

Фильтр для очистки отработавших газов дизеля, содержащий ротационную камеру с входным и выходным патрубками, в которой размещен завихритель, сажесборник и фильтрующий элемент, отличающийся тем, что сажесборник расположен по длине ротационной камеры, являясь теплоизолятором, и выполнен из керамической путанки с уложенным в нее электронагревателем, при этом керамическая путанка ограничена стенкой корпуса и перфорированным цилиндром, фильтрующий элемент выполнен в виде пакета из чередующихся гофрированных и плоских слоев с нанесенным на них каталитическим покрытием, плоские слои образованы путанкой из металлической проволоки, ограниченной жаропрочной сеткой, кроме того, сам фильтрующий элемент ограничен в передней части жаропрочной сеткой, а в задней части - диском с отверстиями напротив плоских слоев. A diesel exhaust gas filter containing a rotary chamber with inlet and outlet nozzles, in which a swirler, a carbon black and a filter element are located, characterized in that the carbon black is located along the length of the rotational chamber, being a heat insulator, and is made of ceramic trowel with an electric heater placed in it moreover, the ceramic putty is limited by the wall of the housing and the perforated cylinder, the filter element is made in the form of a package of alternating corrugated and flat layers coated with n of them with a catalytic coating, the flat layers are formed by a tangle of metal wire bounded by a heat-resistant mesh, in addition, the filter element itself is bounded in the front by a heat-resistant mesh, and in the back by a disk with holes opposite the flat layers.