ЛОВУШКА ДЛЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ И СПОСОБ ОТДЕЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ ОТ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ

Настоящее изобретение относится к ловушке для твердых частиц, предназначенной для их отделения от потока текучей среды и имеющей по меньшей мере один проточный для текучей среды канал. Изобретение относится далее к способу отделения твердых частиц от потока текучей среды, а также к применению указанной ловушки для твердых частиц.

Ловушка указанного выше типа используется для отделения твердых частиц от потока содержащей их текучей среды. На практике подобные ловушки для твердых частиц преимущественно используются в системах нейтрализации отработавших газов (ОГ), образующихся при работе дизельных двигателей автотранспортных средств. При этом такая ловушка для твердых частиц должна допускать возможность ее регенерации за счет окисления твердых частиц. Эта ловушка обычно встраивается в трубопровод, например в выпускной трубопровод автотранспортного средства.

Твердые частицы, присутствующие в потоке ОГ, образующихся при работе двигателя автотранспортного средства, часто оседают, например, на каталитически активном покрытии и/или на стенках каталитического нейтрализатора, встроенного в выпускной трубопровод автотранспортного средства. В этом случае при изменении нагрузки двигателя такие твердые частицы выбрасываются в атмосферу в виде "облака", например "облака" сажи.

Обычно для улавливания твердых частиц используются сетки с мелкими отверстиями, иногда называемые также фильтрами. Хотя подобные сетки в принципе и позволяют достаточно эффективно улавливать присутствующие в проходящем сквозь них потоке текучей среды твердые частицы, тем не менее они обладают двумя существенными недостатками, один из которых состоит в возможности их забивания твердыми частицами, а другой заключается в том, что они приводят к нежелательному падению на них давления. Если же подобные сетки не использовать, то возникает опасность забивания сотового элемента каталитического нейтрализатора, т.е. закупоривания пор его каталитически активного покрытия, выполняемого из благородных металлов, в результате чего ни вредные вещества, ни кислород не могут диффундировать в выполненное на основе благородных металлов каталитическое покрытие в местах, покрытых твердыми частицами. Помимо этого без уменьшения количества твердых частиц в ОГ практически невозможно соблюсти законодательно установленные нормы на выброс вредных веществ автотранспортными средствами. По этой причине в данной области существует необходимость в разработке таких устройств для улавливания присутствующих в ОГ твердых частиц, которые были бы лишены недостатков, присущих сеткам и фильтрам, и которые не оказывали бы отрицательного влияния на эффективность каталитических нейтрализаторов.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать ловушку для твердых частиц и способ указанных в начале описания типов, которые позволяли бы с максимально высокой эффективностью отделять твердые частицы от потока текучей среды, при этом должна быть предусмотрена возможность последующего удаления уловленных твердых частиц путем их окисления и тем самым регенерации ловушки для твердых частиц.

В отношении ловушки для твердых частиц указанного в начале описания типа эта задача решается с помощью отличительных признаков, представленных в п.1 формулы изобретения. Таким образом, в соответствии с предлагаемым в изобретении решением стенка проточного канала имеет по меньшей мере отдельные участки из пористого или высокопористого материала, а в проточном канале имеются выполняющие функцию отклоняющей или направляющей структуры встроенные элементы, расположение и конфигурация которых обеспечивают отклонение присутствующих в потоке твердых частиц в сторону указанных участков из пористого или высокопористого материала.

В отношении способа указанного в начале описания типа поставленная в изобретении задача решается с помощью представленного в п.11 способа отделения твердых частиц от потока текучей среды, образующихся при работе двигателя автотранспортного средства, с помощью ловушки для твердых частиц, заключающегося в том, что с помощью по меньшей мере одной отклоняющей или направляющей структуры, предусмотренной по меньшей мере в одном проточном канале ловушки для твердых частиц, обеспечивают отбрасывание или отклонение этих твердых частиц, присутствующих в проходящем через указанную ловушку потоке текучей среды, в сторону пористой или высокопористой стенки канала.

При создании изобретения неожиданно было установлено, что твердые частицы, которые отклоняются в потоке текучей среды встроенными элементами в сторону участков из пористого или высокопористого материала, в результате их задерживания пористой стенкой канала и/или соударения с ней прилипают к ней. Для достижения подобного эффекта особое значение имеет перепад давлений по профилю потока текучей среды. При наличии отклоняющих элементов в потоке возможно образование дополнительных локальных зон пониженного или повышенного давления, чем обусловлен фильтрующий эффект пористой стенки, поскольку при наличии перепада давлений давление, как очевидно, стремится к его уравниванию.

В отличие от замкнутых сетчатых или фильтрационных систем ловушка для твердых частиц является открытой (незамкнутой) системой, поскольку в ней не имеется не проходных для потока текучей среды участков ("тупиковых" участков). В этом случае подобные свойства ловушки для твердых частиц можно также использовать для ее характеристики, т.е., например, просвет, составляющий 20%, свидетельствует о том, что примерно 20% площади поперечного сечения занимает проходное отверстие. В носителе с плотностью расположения каналов 600 каналов на квадратный дюйм, внутренний (гидравлический) диаметр d каждого из которых составляет 0,8 мм, указанная в процентном выражении величина соответствовала бы площади проходного отверстия более 0,1 мм.

В качестве материала для изготовления ловушки для твердых частиц могут использоваться металл, пластмасса, керамика и т.д., при этом при выполнении проточных каналов по меньшей мере ту часть стенки канала, которая расположена примерно диаметрально напротив встроенных элементов, выполняют пористой.

В качестве пористого материала можно использовать любой пористый или высокопористый спеченный и/или волокнистый материал, при этом помимо таких свойств пористого или высокопористого материала, как эффективность улавливания частиц сажи и надежность удержания прилипших частиц сажи (что обеспечивается, например, за счет большой геометрической площади поверхности, большой площади поверхности, на которую набегает поток текучей среды, согласованной высоты встроенных элементов, образующих отклоняющую структуру), определенную роль играют также такие факторы, как способность подобного материала сохранять приданную ему форму, его прочность и коррозионная стойкость.

Наиболее важной областью применения предлагаемых в изобретении ловушки для твердых частиц и способа являются сотовые элементы, известные по их использованию в каталитических нейтрализаторах автотранспортных средств. В этом случае придать стенке канала требуемую пористость можно, например, за счет изготовления всего сотового элемента из пористого материала.

При изготовлении сотового элемента целиком из пористого или высокопористого материала интерес представляет также проницаемость пористого материала, т.е. его способность пропускать поток текучей среды, поскольку при наличии полностью пористых стенок каналов поток текучей среды может двигаться и в радиальном направлении ловушки для твердых частиц.

В контексте настоящего изобретения под стенкой канала подразумевается стенка, длина которой соответствует всей протяженности проточного канала, или только часть от всей стенки канала.

Наличие отклоняющей или направляющей структуры, т.е. встроенных элементов, обеспечивает отклонение твердых частиц в движущемся с определенной скоростью потоке текучей среды в сторону пористой стенки, к которой они прилипают. В предлагаемой в изобретении ловушке для твердых 10 частиц процесс их отделения от потока текучей среды основан на принципе "подающий-принимающий", где роль "подающего" играет отклоняющая структура, которой твердые частицы как бы отбрасываются или "отбиваются" в сторону "принимающего", функцию которого выполняет пористая стенка канала или промежуточный слой, соответственно прослойка. Отклоняющие структуры внутри одного проточного канала могут быть идентичными или различными и могут также придавать различную конфигурацию проточным каналам внутри одной и той же ловушки для твердых частиц.

Размеры поперечного сечения проточного канала подобраны с таким расчетом, чтобы твердые частицы средних размеров могли проходить даже сквозь самое узкое место проточного канала. Площадь такого поперечного сечения определяется формой и размером отклоняющих или направляющих структур и может быть постоянной или переменной по длине проточного канала.

В одном из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемой в изобретении ловушки для твердых частиц участок из пористого или высокопористого материала образован дополнительным слоем или прослойкой, нанесенным, соответственно нанесенной, на непористую стенку канала. Тем самым обеспечивается большая свобода в выборе материалов для изготовления стенки проточного канала.

Особо предпочтительным с практической точки зрения является такой вариант выполнения предлагаемой в изобретении ловушки для твердых частиц, в котором встроенные элементы образованы по меньшей мере одним выступом, выпуклостью, утолщением или аналогичным элементом, который, выступая из стенки канала, расположен диаметрально напротив ее участка из пористого или высокопористого материала и необязательно смещен в осевом направлении относительно этого участка. Преимущество этого варианта состоит в возможности технологически простого выполнения встроенных элементов и их размещения в оптимальных местах.

При этом согласно еще одному предпочтительному варианту в направлении потока текучей среды целесообразно последовательно располагать несколько выступов, выпуклостей, утолщений или аналогичных элементов, выступающих из стенки проточного канала внутрь него на одинаковую величину. Согласно альтернативному предпочтительному варианту в направлении потока текучей среды предлагается последовательно располагать несколько выступов, выпуклостей, утолщений или аналогичных элементов, которые выступают из стенки проточного канала внутрь него на величину, непрерывно возрастающую в направлении потока (т.е. величина, на которую каждый последующий в направлении потока элемент выступает внутрь проточного канала, больше величины, на которую внутрь проточного канала выступает предыдущий элемент). В обоих последних случаях согласно еще одному предпочтительному варианту можно также предусмотреть сгруппированное расположение выступов, выпуклостей, утолщений или аналогичных элементов, характеризующихся определенной протяженностью на отдельных участках и в окружном направлении стенки канала.

При определенном согласовании между собой отклоняющих или направляющих структур и при придании проточным каналам определенной конфигурации можно, например, достичь определенного эффекта, при котором внутри ловушки для твердых частиц на последовательно расположенных отдельных участках в сторону пористой стенки канала указанными структурами сначала будут отклоняться твердые частицы, переносимые потоком, движущимся с некоторой первой скоростью, затем в сторону пористой стенки будут отклоняться твердые частицы, переносимые потоком, движущимся с некоторой второй, например более высокой, скоростью, и не отклоненные структурами меньших размеров, и т.д. В этом случае ловушка для твердых частиц обеспечивает в зависимости от конкретного режима работы двигателя автотранспортного средства отделение твердых частиц от потока ОГ при любой его скорости.

Равным образом варьированием геометрии отклоняющих или направляющих структур можно влиять на скорость и давление проходящего через ловушку для твердых частиц потока текучей среды и тем самым оптимизировать степень улавливания твердых частиц. Так, например, за счет постепенного увеличения радиальной протяженности выступов, выпуклостей, утолщений или аналогичных элементов, т.е. величины, на которую каждый последующий элемент выступает из стенки проточного канала внутрь него, удается дополнительно обеспечить отклонение в сторону пористой стенки не только тех твердых частиц, которые движутся с более высокой скоростью, но и тех твердых частиц, которые движутся в потоке текучей среды достаточно близко к пористой стенке. Тем самым расстояние, которое должна пройти твердая частица поперек потока до участка стенки из пористого или высокопористого материала, постепенно сокращается по ходу потока.

При этом было установлено, что наиболее предпочтительной является ловушка для твердых частиц, у которой выполняющие функцию отклоняющей или направляющей структуры встроенные элементы выполнены таким образом, что каждая из них позволяет отклонять в сторону участков из пористого или высокопористого материала от 2 до 15%, прежде всего от 4 до 8%, все еще присутствующих в потоке ОГ твердых частиц. Результаты соответствующих практических испытаний свидетельствуют о том, что выполненная подобным образом ловушка для твердых частиц характеризуется лишь незначительным падением давления по ее длине и вместе с тем при наличии достаточного количества отклоняющих или направляющих структур, расположенных последовательно в направлении потока и/или со смещением друг относительно друга, обеспечивает высокоэффективное улавливание твердых частиц. При необходимости несколько подобных ловушек для твердых частиц с небольшим количеством отклоняющих или направляющих структур в каждой из них можно также установить последовательно в ряд, необязательно с их опорой одна на другую. Количество отклоняющих или направляющих структур следует подбирать прежде всего с таким расчетом, чтобы обеспечить по меньшей мере статистически достоверное отклонение в сторону пористого материала всего газового потока, соответственно его прохождение сквозь пористый материал. По результатам практических испытаний было установлено, что при последовательном в направлении потока расположении уже 10-15 подобных отклоняющих структур эффективность улавливания присутствующих в потоке твердых частиц превышает 90%, а в некоторых случаях даже превышает 95%.

При этом предпочтительно, чтобы условия отклонения все еще присутствующих в потоке ОГ твердых частиц определялись соответствующими характеристиками пористости пористого или высокопористого материала и/или размерами отклоняющей или направляющей структуры. Сказанное означает, например, что поток требуется отклонять на меньшую величину, используя для этой цели меньшие по размеру отклоняющие структуры, если стенка канала обладает достаточно высокой пористостью. При этом, в частности, в соседних путях движения потока вблизи отклоняющей структуры непосредственно за ней образуются зоны пониженного давления, под действием которого твердые частицы всасываются в пористый материал. При соответствующем согласовании параметров ловушки для твердых частиц с преобладающими в потоке ОГ условиями его набегания на ловушку обеспечивается высокоэффективное улавливание твердых частиц при исключительно малой потере давления.

С учетом практического применения предлагаемой в изобретении ловушки для твердых частиц особое значение имеет ее использование в качестве компонента сотового элемента, имеющего множество проточных каналов. В этом отношении такая ловушка для твердых частиц наиболее пригодна для ее применения в автомобильной технике. С целью охватить весь (динамический) диапазон изменения нагрузки силового агрегата автотранспортного средства, т.е. обеспечить эффективное улавливание твердых частиц при работе силового агрегата автотранспортного средства в любом из возможных режимов, предпочтительно использовать коническую систему или элемент конической формы. Подобные системы типа, например, тех, которые описаны в заявке WO 93/20339, имеют расширяющиеся каналы, благодаря чему при любом массовом расходе проходящего через них потока ОГ в каком-либо их месте при условии, что они снабжены соответствующими отклоняющими или завихряющими структурами, создаются наиболее благоприятные условия для улавливания твердых частиц.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа отделения твердых частиц от потока текучей среды пористую или высокопористую стенку канала целесообразно подвергать непрерывной или периодической регенерации. При этом используются различные вспомогательные средства в сочетании между собой или индивидуально. Такими вспомогательными средствами являются, с одной стороны, различные расположенные перед ловушкой катализаторы, которые обеспечивают поступление в поток ОГ достаточного количества NO₂, и/или примешиваемые к потоку ОГ до его поступления в ловушку добавки, которые способствуют окислению твердых частиц и тем самым регенерации ловушки для твердых частиц.

Дополнительно можно также предусмотреть NO₂-накопитель или -аккумулятор, сообщающийся с ловушкой для твердых частиц, например накопитель из перовскита, такого как BaSnO₃ или иной бариево-оловянный перовскит, либо NO₂-накопитель из алюмината бария и/или из бариевого цеолита.

Если при осуществлении предлагаемого в изобретении способа согласно одному из предпочтительных вариантов предусмотрено использование вспомогательных средств, высвобождающихся в зависимости от степени заполнения ловушки твердыми частицами, то процесс регенерации можно инициировать при падении давления до определенного уровня, определяемого потерей давления в ловушке для твердых частиц.

Предлагаемую в изобретении ловушку для твердых частиц наиболее предпочтительно применять в выпускном трубопроводе двигателя внутреннего сгорания, прежде всего дизельного двигателя. При этом ловушку для твердых частиц более предпочтительно применять в сочетании с сажевым фильтром. Очевидно, что в этом случае сажевый фильтр будет иметь существенно меньшие размеры по сравнению с его размерами при его установке в выпускных трубопроводах, не оборудованных ловушками для твердых частиц.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схема, поясняющая основной принцип работы предлагаемой в изобретении ловушки для твердых частиц и предлагаемый в изобретении способ улавливания твердых частиц,

на фиг.2 - один из вариантов выполнения предлагаемой в изобретении ловушки для твердых частиц, в которой участок из пористого или высокопористого материала образован промежуточным слоем или прослойкой,

на фиг.3 - вариант выполнения предлагаемой в изобретении ловушки со встроенными элементами, каждый последующий из которых в направлении потока выступает из стенки проточного канала внутрь него на большую величину по сравнению с предыдущим элементом,

на фиг.4 - вариант выполнения ловушки для твердых частиц с последовательно расположенными встроенными элементами, выступающими внутрь проточного канала на одинаковую величину, и

на фиг.5 - конструкция, образованная носителем каталитического нейтрализатора и расположенной перед этим носителем с опорой на него ловушкой для твердых частиц.

На фиг.1 схематично показан проточный канал 1, по которому в направлении 8 (указанном стрелкой) движется поток текучей среды, содержащей твердые частицы. В этом случае ограничивающая этот канал стенка 2 полностью является пористой. Диаметрально напротив этой стенки канала расположены встроенные элементы в виде выступов, выпуклостей или утолщений 3. В этом месте ограничивающая канал стенка 4 является непористой. При небольшой скорости потока присутствующие в текучей среде твердые частицы улавливаются или задерживаются указанными выступами, выпуклостями или утолщениями 3 или аналогичными элементами и отклоняются ими в сторону пористой стенки 2 канала. В результате твердые частицы прилипают к этой стенке канала. Удалить прилипшие к пористой стенке канала твердые частицы можно в процессе регенерации ловушки для твердых частиц, например путем окисления кислородом при высокой температуре или путем окисления диоксидом азота при пониженной температуре.

На фиг.2 также показан проточный канал 1, по которому в направлении 8 (указанном стрелкой) движется поток текучей среды, содержащей твердые частицы. В этом случае вся ограничивающая этот канал стенка 4 является непористой. Однако на этой стенке предусмотрен промежуточный слой или прослойка 2а из пористого материала. Диаметрально напротив этой прослойки 2а с некоторым смещением относительно нее расположены выступы, выпуклости, утолщения 3 или аналогичные элементы, которые и в этом случае отклоняют присутствующие в потоке текучей среды твердые частицы в сторону пористой прослойки 2а, к которой они прилипают.

На фиг.3 показана в принципе та же самая конструкция, что и на фиг.1, однако в этом случае последовательно расположенные в направлении 8 потока выступы, выпуклости или утолщения 3а, 3b, 3с, 3d, 3е выполнены таким образом, что радиальная протяженность каждого последующего такого элемента, т.е. величина, на которую такой элемент выступает в радиальном направлении вглубь потока текучей среды, перекрывая часть его поперечного сечения, больше по сравнению с предыдущим элементом. Подобная конструкция обеспечивает отклонение твердых частиц в сторону стенки канала даже при более высокой скорости их переноса потоком текучей среды, при этом благодаря постепенно увеличивающемуся радиальному размеру выступающих внутрь потока элементов просвет между их вершиной и тем участком стенки, который выполнен пористым или высокопористым, постепенно уменьшается, в результате чего постепенно сокращается и расстояние, проходимое твердыми частицами до места их оседания на стенке канала.

В представленном на фиг.4 варианте весь показанный на этом чертеже участок проточного канала 1, т.е. выступы, выпуклости или утолщения 3, а также обе стенки 2 канала, выполнен из пористого или высокопористого материала. В этом случае выступы, выпуклости, утолщения или аналогичные элементы имеют одинаковую радиальную протяженность, т.е. выступают внутрь проточного канала на одинаковую величину. При этом на всем этом участке проточного канала для изготовления его стенок и встроенных в него элементов можно использовать один и тот же пористый материал, что, однако, не является обязательным.

На фиг.5 схематично показано размещение выполненной по одному из вариантов ловушки 5 для твердых частиц в выпускном тракте или выпускном трубопроводе 6 ДВС 7, причем в этом случае такая ловушка 5 для твердых частиц опирается непосредственно на расположенный по направлению 8 потока за ней носитель 9 каталитического нейтрализатора. Для крепления ловушки 5 для твердых частиц при этом используются опорные штифты 10, которые расположены в проточных каналах 1 и предпочтительно равномерно распределены по поперечному сечению носителя 9 каталитического нейтрализатора, соответственно ловушки 5. При этом под ДВС 7 помимо ДВС с принудительным воспламенением рабочей смеси подразумеваются прежде всего дизельные двигатели легковых автомобилей и/или мотоциклов. В рассматриваемом варианте опорные штифты 10 имеют примерно такие же размеры и форму поперечного сечения, что и проточные каналы 1, и по меньшей мере частично входят внутрь них. Вместо каталитического нейтрализатора, имеющего носитель 9, в системе выпуска ОГ может использоваться и иное устройство для нейтрализации ОГ, например сажевый фильтр.