фильтр очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, содержащий керамические воспламенители локального нагрева

Формула изобретения

1. Фильтр очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, в особенности дизельных двигателей, содержащий тело и нагревательные средства для нагрева указанного тела, отличающийся тем, что указанные средства представляют собой по меньшей мере один керамический воспламенитель (3) локального нагрева.

2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что содержит множество воспламенителей.

3. Фильтр по п.1 или 2, отличающийся тем, что поверхность нагрева по меньшей мере одного из воспламенителей находится в прямом контакте с телом фильтра или с сажей, осевшей на теле фильтра.

4. Фильтр по п.2 или 3, отличающийся тем, что воспламенители расположены вблизи обращенной к входу поверхности тела фильтра.

5. Фильтр по п.2 или 3, отличающийся тем, что воспламенители расположены вблизи обращенной к выходу поверхности тела фильтра.

6. Фильтр по п.2 или 3, отличающийся тем, что поверхности нагрева воспламенителей расположены внутри тела фильтра.

7. Фильтр по п.5, отличающийся тем, что воспламенители расположены перпендикулярно каналам в теле фильтра.

8. Фильтр по п.5, отличающийся тем, что воспламенители расположены внутри каналов в теле фильтра.

9. Фильтр по любому из пунктов 1 - 8, отличающийся тем, что указанное тело (1) фильтра содержит фильтрующие блоки (7), собранные с образованием по меньшей мере одного стыка (6), причем по меньшей мере один из указанных воспламенителей (3) расположен в пределах толщины указанного стыка.

10. Способ ослабления термомеханических напряжений в фильтре, охарактеризованном в любом из пунктов 1 - 9, отличающийся тем, что холодные области указанного фильтра выборочно нагревают для уменьшения температурных градиентов, вызывающих указанные напряжения.

11. Устройство для ослабления термомеханических напряжений в фильтре, выполненном согласно любому из пп.1-9, отличающееся тем, что содержит воспламенители (3а, 3b, 3с), выполненные для нагрева, по меньшей мере, одной из указанных областей, компьютер (18) для управления указанными воспламенителями (3а, 3b, 3с), и средства (22) для оценки указанных напряжений, выполненные с возможностью передачи информации к указанному компьютеру (18), причем указанный компьютер (18) запрограммирован для управления выборочным нагревом указанных воспламенителей (3а, 3b, 3с), когда указанные напряжения превышают заданный порог.

Приоритет по пунктам:

31.10.2000 - по пп.1-9;

23.10.2001 - по пп.10, 11.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к использованию керамических воспламенителей для регенерации фильтров очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, в особенности дизельных двигателей для автотранспортных средств.

В качестве тела фильтра для фильтрации частиц, содержащихся в выхлопных газах дизельных двигателей, используют ячеистые пористые структуры. Тело фильтра обычно изготавливают из керамики (кордиерит, карбид кремния и т.п.). Оно может быть выполнено монолитным или может быть собрано из блоков. В последнем случае блоки связаны вместе с помощью керамического связующего вещества. Собранный пакет затем обрабатывается до требуемой формы поперечного сечения, обычно в форме окружности или овала. Тело фильтра может содержать множество каналов, закрытых с одной или с другой стороны, оно может быть выполнено в различных формах и с разными диаметрами поперечного сечения, и оно устанавливается в металлическом корпусе, например, как описано в патенте FR-A 2789327.

После эксплуатации в течение некоторого времени в каналах тела фильтра накапливается сажа, особенно со стороны входа, что увеличивает потерю напора в теле фильтра и таким образом уменьшает мощность двигателя. По этой причине тело фильтра должно подвергаться регулярной регенерации (например, каждые 500 км).

Регенерация представляет собой окисление сажи. Это требует нагрева, потому что температура самовоспламенения сажи составляет порядка 600°С в обычных условиях эксплуатации, тогда как температура выхлопных газов составляет лишь порядка 300°С. Однако в топливо могут быть добавлены присадки для катализа реакции окисления сажи и снижения температуры самовоспламенения приблизительно на 150°С. Выхлопные газы, тело фильтра или сажа могут подогреваться. Разработаны различные способы для выполнения такого подогрева, но они связаны с большим энергопотреблением и очень часто трудно управляемы.

Недавно разработанная и имеющая преимущества технология состоит из локального подогрева на входе в тело фильтра для инициализации сгорания, которое прогрессивно распространяется на все тело фильтра. Этот тип технологии описан, например, в патентах FR-A-2771449 и DE-A-19530749.

Средства для подогрева частиц, оседающих в теле фильтра, связаны с источником электропитания транспортного средства и содержат, например, свечи предпускового подогрева предварительного подогревателя дизельного двигателя.

Такие средства подогрева имеют ряд недостатков. Прежде всего, они громоздки, что делает трудным их установку рядом с телом фильтра. В описании патента FR-A-2771449 на фиг.2 ясно показано, что нагревательные средства невозможно расположить с непосредственным контактом с сажей и тем более с центральной частью тела фильтра. Кроме того, установлено, что наличие нагревательных средств препятствует доступу выхлопных газов к части каналов тела фильтра, при этом существенно снижается производительность. Кроме того, потребляется большое количество энергии, и система регенерации имеет невысокий показатель времени отклика, так как температура повышается относительно медленно.

Другие нагревательные средства, например простые электрические элементы, не подходят, потому что температура в фильтре во время сгорания сажи может достигать более чем 1000°С, и немногие материалы могут быть использованы при таких температурах и условиях окисления, так как возникает серьезная проблема быстрого износа вследствие коррозии.

Таким образом, существует потребность в нагревательных средствах для фильтров очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, в особенности дизельных двигателей, которые были бы свободны от вышеуказанных недостатков.

Изобретение направлено на удовлетворение указанной потребности.

Более конкретно, в изобретении предложен фильтр очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, в особенности дизельных двигателей, содержащий тело фильтра и нагревательные средства для нагрева указанного тела фильтра, отличающийся тем, что указанные средства представляют собой по меньшей мере один керамический воспламенитель локального нагрева.

Керамические воспламенители локального нагрева широко известны и доступны, они имеют небольшие размеры, и, когда электрический ток протекает через них, они локально нагреваются до очень высокой температуры (1200-1400°С), при которой они могут воспламенять газы. Эти устройства используются в некоторых изделиях бытовой техники, например, в газовых плитах для розжига горелок. Керамические воспламенители локального нагрева обычно изготавливаются из керамического материала с высоким удельным сопротивлением, например, из карбида кремния, иногда из сплава с другими керамическими материалами.

Зависимости электрических сопротивлений этих устройств от их геометрий хорошо известны; керамические воспламенители могут быть выполнены во многих различных формах, что облегчает их использование. Например, серия воспламенителей NORTON MINI-IGNITER® имеет ширину несколько миллиметров и длину от 2 до 4 сантиметров.

Подробную информацию относительно конструкции и изготовления керамических воспламенителей можно найти в принадлежащих компании NORTON патентах США №5191508, 5085804, 5045237, 4429003 и 3974106.

Керамические воспламенители локального нагрева имеют много преимуществ. Прежде всего, они компактны, что позволяет устанавливать их в новые и более подходящие места в фильтре. Эти нагревательные средства расположены ближе к саже и, таким образом, передают тепло с минимальными потерями.

Кроме того, керамические воспламенители локального нагрева потребляют небольшое количество энергии, так как они имеют небольшую площадь поверхности нагрева и используют специальные керамические материалы. Они могут, таким образом, получать питание от системы энергоснабжения транспортного средства, на котором установлен фильтр.

Наиболее важным является то, что при использовании керамических воспламенителей локального нагрева достигается очень короткое время отклика. В то время как для свечей предпускового подогрева требуется от 10 до 40 секунд для достижения температуры 1000°С, керамические воспламенители могут достигать этой температуры всего лишь за 3-6 секунд. Этот показатель является определяющим, потому что если нагрев протекает недостаточно быстро, возникает тенденция к спеканию сажи, а не к ее воспламенению; это создает своего рода барьер, препятствующий распространению горения. Кроме того, регенерация фильтра является управляемым процессом, и она обычно начинается только при оптимальных условиях работы двигателя. Очень малое время отклика существенно уменьшает риск значительных изменений условий работы двигателя между моментом начала процесса регенерации и моментом, когда сажа фактически воспламенилась.

Опыты показали, что низкое энергопотребление каждого воспламенителя позволяет одновременно использовать несколько воспламенителей. Количество воспламенителей может быть больше или меньше в зависимости от их характеристик и типа фильтра, в котором они используются.

Небольшие размеры воспламенителей позволяют устанавливать их с точным позиционированием. Это может быть особенно важно для достижения хорошего покрытия тех зон, о которых известно, что в обычных системах регенерация там происходит плохо, обычно по периферии тела фильтра. Малые размеры этих источников тепла также подразумевают, что они могут быть расположены максимально близко к телу фильтра; может быть даже обеспечен точечный контакт между поверхностью нагрева воспламенителя и либо телом фильтра, либо сажей, осевшей на его поверхности.

Указанное тело фильтра предпочтительно содержит несколько фильтрующих блоков, собранных таким образом, что они образуют по меньшей мере один «сборочный стык», причем по меньшей мере один из указанных воспламенителей располагается в пределах толщины указанного стыка.

В изобретении дополнительно предлагается способ ослабления термомеханических напряжений в фильтре, отличающийся тем, что относительно холодные области указанного фильтра выборочно нагревают для уменьшения температурных градиентов, вызывающих указанные напряжения.

В изобретении также предлагается устройство для осуществления предложенного согласно изобретению способа ослабления термомеханических напряжений в фильтре, отличающееся тем, что оно содержит воспламенители, выполненные для нагрева по меньшей мере одной из указанных областей, компьютер для управления воспламенителями и средства для оценки напряжений, выполненные с возможностью передачи информации к компьютеру, причем указанный компьютер запрограммирован для управления выборочным включением воспламенителей, когда указанные напряжения превышают заданный порог.

Преимущества изобретения будут лучше понятны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи.

На чертежах:

Фиг.1а и 1b изображают схематично в продольном разрезе два варианта выполнения фильтра согласно изобретению, в котором керамические воспламенители локального нагрева установлены на входе в фильтр через отверстия в металлическом корпусе, окружающем тело фильтра.

Фиг.2а изображает схематично в продольном разрезе еще один вариант выполнения, в котором керамические воспламенители локального нагрева прикреплены к кольцу, находящемуся в контакте с передней поверхностью тела фильтра.

Фиг.2b изображает схематично поперечный разрез по линии II-II фиг.2а.

Фиг.3а изображает схематично в продольном разрезе еще один вариант выполнения, в котором керамические воспламенители локального нагрева расположены в каналах в теле фильтра.

Фиг.3b изображает схематично поперечный разрез по линии III-III фиг.3а.

Фиг.4 изображает схематично в поперечном разрезе еще один вариант выполнения, в котором керамические воспламенители локального нагрева расположены в контакте с входной поверхностью тела фильтра.

Фиг.5 изображает схематично в продольном осевом разрезе дополнительный вариант выполнения, в котором керамические воспламенители локального нагрева расположены в теле фильтра и проходят через отверстия в металлическом корпусе.

Фиг.6 изображает схематично в продольном осевом разрезе дополнительный вариант выполнения, в котором керамические воспламенители локального нагрева расположены на выходе из тела фильтра.

Фиг.7 изображает схематично устройство для осуществления предложенного согласно изобретению способа ослабления термомеханических напряжений в фильтре и фильтр в поперечном сечении.

На фиг.1а и 1b изображен фильтр, содержащий тело 1 фильтра, расположенное в металлическом корпусе 2. Тело 1 фильтра выполнено из состыкованных блоков, в которых выполнены каналы, как показано более ясно на фиг.2b. Выхлопные газы поступают через входную трубу 4. В двух показанных вариантах выполнения четыре керамических воспламенителя 3 локального нагрева (из которых только два показаны на фиг. 1а и 1b) проходят через отверстия в металлическом корпусе 2. Они расположены парами во взаимно перпендикулярных плоскостях и наклонно к продольной оси фильтра (фиг.1а) или перпендикулярно к этой оси (фиг.1b), так что поверхность нагрева 3' каждого воспламенителя находится в непосредственной близости от входной поверхности тела фильтра. Таким образом, излучается тепло, и тепловое излучение воспламеняет сажу и инициирует ее сгорание путем распространения пламени по всему телу фильтра.

Фиг.2а и 2b изображают вариант выполнения, в котором воспламенители закреплены на кольце 5, установленном в металлическом корпусе 2 прямо на входе в тело 1 фильтра. Для очень точной установки кольца относительно тела фильтра кольцо может быть закреплено с помощью керамического связующего вещества того же типа, что использовано для соединения блоков с выполненными в них каналами, образующих тело фильтра.

Кольцо 5 может быть выполнено из того же материала, что и тело фильтра, и иметь тот же диаметр. В этом примере сечение имеет форму окружности, как ясно показано на фиг.2b. Четыре керамических воспламенителя 3 расположены через равные угловые расстояния по внутреннему периметру кольца 5, например, как показано ясно на фиг.2b. На этом чертеже показаны на заднем плане (тонкими линиями) стыки 6 между блоками 7 с выполненными в них каналами, образующими тело фильтра. Для упрощения чертежа каналы показаны только на одном блоке, их количество уменьшено, а их сечение и расстояния между стенками двух смежных каналов увеличены. Кольцо 5 позиционировано таким образом, что воспламенители 3 расположены прямо перед стыками.

Этот вариант выполнения имеет несколько преимуществ по сравнению с вариантами, изображенными на фиг.1а и 1b.

Он избавляет от необходимости устанавливать воспламенители через отверстия в металлическом корпусе, что важно для автоматизированных сборочных линий, используемых в автомобильной промышленности.

Обеспечен тесный контакт между поверхностью нагрева воспламенителей и телом фильтра либо сажей, накопившейся на теле фильтра, и тепло передается от воспламенителя за счет теплопроводности, а не только путем излучения. Быстрое повышение температуры воспламенителей и тесный контакт с указанными либо фильтром, либо сажей существенно улучшают время отклика устройства по сравнению с известными решениями.

Кроме того, такой вариант выполнения имеет дополнительное преимущество в том, что он никаким образом не влияет на работу фильтра. Так как воспламенители расположены в одну линию со стыками 6, они не перекрывают каналы.

Этот вариант выполнения относится к фильтру, у которого тело фильтра выполнено путем сборки из блоков квадратного сечения, но принцип установки воспламенителей на опоре отдельно от тела фильтра, так чтобы они соприкасались с ним, может быть использован в других конструкциях тела фильтра.

На. фиг.3а и 3b изображен вариант выполнения, в котором кольцо 5" установлено в металлическом корпусе 2 перед телом 1 фильтра. Кольцо охватывает несущую решетку 8, выполненную из того же материала, что и кольцо и образующую единый элемент с кольцом. Четыре керамических воспламенителя 3, расположенных перпендикулярно решетке и вставленных в каналы тела фильтра, закреплены у узлов 9 решетки. Как и в предыдущем варианте выполнения, на заднем плане изображены несколько каналов 7.

Очевидно, что такая компоновка возможна благодаря малым размерам воспламенителей.

Этот вариант выполнения описан применительно к фильтру, тело которого выполнено путем сборки из блоков квадратного сечения, но принцип установки воспламенителей в каналах тела фильтра, очевидно, может быть использован и в других фильтрах с иной формой тела.

На фиг.4 изображена обращенная к входу поверхность тела 1 фильтра, установленного в металлическом корпусе 2. Тело фильтра выполнено из блоков, соединенных в стыках 6. Чертеж упрощен таким же образом, как на фиг.2b и 3b. В этом варианте выполнения на обращенной к входу поверхности тела фильтра в стыках 6 способом механической обработки выполнены углубления, в которых расположены керамические воспламенители 3. Воспламенители могут быть прикреплены к поверхности тела фильтра.

В разновидности этого варианта для упрощения его исполнения воспламенители могут быть прикреплены к обращенной к входу поверхности тела фильтра, без его обработки.

Эти варианты выполнения имеют преимущество в том, что не нужно устанавливать какие-либо элементы через отверстия в металлическом корпусе, и не требуется установка дополнительного элемента, например, кольца. Кроме того, не оказывается влияния на поток выхлопных газов, так как воспламенители не перекрывают ни один канал.

Этот вариант выполнения описан применительно к фильтру, у которого тело фильтра выполнено путем сборки из блоков квадратного сечения, но принцип установки воспламенителей непосредственно на теле фильтра или в углублениях, выполненных на поверхности фильтра, может быть использован и в других конструкциях тела фильтра.

На фиг.5 изображен вариант выполнения, в котором в корпусе и в теле фильтра выполнены каналы, в которые вставлены керамические воспламенители 3. В этом варианте выполнения нет подогрева выхлопных газов, и вся тепловая энергия передается к саже.

Удивительно, но керамические воспламенители работают в этих эксплуатационных условиях. Они обычно используются для воспламенения окружающего их газа, тогда как в новой области применения они обычно находятся в контакте с частицами, которые требуется поджечь, или в контакте с керамическим фильтром, как непосредственно, так и через прослойку связующего вещества. Этот контакт приводит к изменению режима работы воспламенителей - при подаче равного количества энергии рабочая температура будет ниже. При таком применении температура будет порядка 1000°С, тогда как воспламенители, используемые в обычных условиях, нагреваются до температур порядка 1200-1400°С. Однако при необходимости подача энергии может быть увеличена и могут быть достигнуты более высокие температуры. При таких температурах тепло передается главным образом с помощью излучения. Таким образом, может также рассматриваться размещение воспламенителей на стороне фильтра, обращенной к выходу, где имеется большое количество сажи, как показано на фиг.6, где изображено расположенное со стороны поверхности фильтра 1, обращенной к выходу, кольцо 5, несущее воспламенители, аналогичные тем, которые показаны на фиг.2а и 2b. Замена некоторых заглушек, закрывающих некоторые каналы со стороны выходной поверхности тела фильтра, воспламенителями также может рассматриваться.

Работа фильтра в нормальном режиме вызывает различный нагрев различных областей фильтра, особенно во время фаз регенерации. Во время фаз регенерации области тела 1 фильтра вблизи поверхности, обращенной к выходу, имеют более высокую температуру, чем области вблизи поверхности, обращенной к входу, потому что газы переносят в направлении от входа к выходу всю тепловую энергию, выделяемую при сгорании сажи.

Более того, принимая во внимание форму фильтра и результирующий путь прохождения выхлопных газов, сажа не обязательно будет накапливаться равномерно, например, большее количество сажи будет накапливаться в области тела фильтра вблизи его продольной оси. Сгорание сажи, таким образом, приведет к большему подъему температуры в середине тела 1 фильтра, чем в периферийных зонах.

Прохождение горячих выхлопных газов, с одной стороны, и охлаждение металлического корпуса 2 окружающим воздухом, с другой стороны, также приводит, хотя и в меньшей степени, к более высоким температурам в середине тела 1 фильтра в отсутствие горения сажи.

Перепады температур в теле 1 фильтра вызывают высокие термомеханические напряжения, которые могут вызывать трещины, уменьшающие срок службы фильтра.

Фильтр, выполненный согласно изобретению, имеет преимущество в том, что в нем устанавливается и поддерживается по существу одинаковая температура в теле 1 фильтра.

С этой целью устройство, показанное на фиг.7, содержит воспламенители 3а, 3b и 3с, соединенные с компьютером 18, предназначенным для управления этими воспламенителями с помощью соответствующих электрических проводов 20а, 20b и 20с, и средства 22 для оценки термомеханических напряжений в теле 1 фильтра. Средства 22 для оценки выполнены с возможностью передачи информации к компьютеру 18.

Средства 22 для оценки могут содержать средства для измерения температурных градиентов в теле 1 фильтра, например, температурные датчики, расположенные в теле 1 фильтра, и средства для получения на основе этих показаний значений термомеханических напряжений. Они могут также содержать моделирующие средства для оценки этих градиентов и/или термомеханических напряжений, например, как функцию времени, в течение которого транспортное средство находится в пути.

По получении информации i, оповещающей о наличии и местонахождении неприемлемых локальных термомеханических напряжений, например, если эти напряжения превышают допустимый порог, компьютер 18, запрограммированный для управления выборочным нагревом указанных воспламенителей, посылает сигнал воспламенения к одному или большему количеству воспламенителей 3а - 3с для нагрева относительно холодных областей, подверженных воздействию напряжений. Нагрев уменьшает температурный градиент и, таким образом, интенсивность термомеханических напряжений.

Керамические воспламенители локального нагрева 3а-3с предпочтительно могут быть установлены в толщине самих стыков.

Варианты выполнения, описанные выше, предназначены только для иллюстрации изобретения и ни в какой степени не ограничивают изобретение. В частности, воспламенители могут располагаться на теле фильтра и/или вблизи тела фильтра множеством иных способов благодаря небольшим размерам керамических воспламенителей, используемых в изобретении. Кроме того, для простоты были показаны воспламенители только в форме стержней, но можно также использовать воспламенители различных иных форм и размеров, подходящих для их использования для регенерации фильтров, выполненных в соответствии с изобретением.