PL202338B1

PL202338B1 - Sposób usuwania cząstek sadzy z układu wydechowego silnika spalinowego, układ wydechowy pojazdu silnikowego oraz zastosowanie elementu wychwytującego w rurze wydechowej silnika spalinowego

Info

Publication number: PL202338B1
Application number: PL358689A
Authority: PL
Inventors: Jan Hodgson; Rolf Brück; Meike Reizig
Original assignee: Emitec Emissionstechnologie
Priority date: 2000-04-25
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2009-06-30
Also published as: AU2001273955A1; US7727498B2; DE10020170C1; JP4639024B2; RU2270052C2; WO2001080978A1; EP1276549A1; CN1429130A; JP5060577B2; US8066952B2; US20100189616A1; US20030072694A1; JP2010203451A; PL358689A1; DE50106523D1; US8066951B2; EP1276549B1; CN1199714C; KR20030001454A; PL209073B1

Abstract

Wynalazek dotyczy sposobu usuwania cz a- stek sadzy z uk ladu wydechowego silnika spa- linowego (1), a zw laszcza silnika Diesla, w któ- rym to sposobie spaliny przepuszcza si e przez element wychwytuj acy (5) zawieraj acy przelo- towe kana ly dla przep lywu spalin i zaopatrzony w liczne elementy (15, 16, 25, 26) odchylaj ace kierunek przep lywu spalin i/lub strefy zawiro- wania i zalegania cz astek sadzy. Ponadto, wy- nalazek dotyczy równie z uk ladu wydechowego pojazdu silnikowego i zastosowania elementu wychwytuj acego w rurze wydechowej silnika spalinowego. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy sposobu usuwania cząstek sadzy z układu wydechowego silnika spalinowego, a zwłaszcza silnika Diesla, jak również układu wydechowego pojazdu silnikowego oraz zastosowania elementu wychwytującego w rurze wydechowej silnika spalinowego.

Gaz pochodzący z silnika spalinowego zawiera oprócz składników gazowych również cząstki stałe. Wydostają się one wraz z spalinami do otaczającego środowiska, co jest niepożądane, względnie też często osadzają się w pewnych obszarach układu wydechowego, w związku z czym w konsekwencji np. zmian obciążenia silnika wyrzucane są do otoczenia w postaci chmury cząstek stałych.

Uprzednio stosowane były filtry, które wychwytywały cząstki stałe. Zastosowanie zamkniętych układów filtrów kryje za sobą jednak dwie istotne wady: po pierwsze filtry te mogą ulegać zatykaniu, oraz poza tym przyczyniają się one do nie pożądanych spadków ciśnień. Gdy nie stosuje się filtrów, możliwe jest osadzanie się cząstek, które nie docierają na zewnątrz, na powłoce katalizatora wbudowanego w układ wydechowy służący do oczyszczania spalin z innych szkodliwych składników oraz prowadzi to do jego zatruwania lub co najmniej do ograniczenia działania aktywnej katalitycznie powierzchni. W ślad za wprowadzanymi coraz bardziej rygorystycznymi przepisami z zakresu ochrony środowiska emisja szkodliwych substancji i cząstek stałych powinna być dalej ograniczana. Oprócz usuwania cząstek stałych przy oczyszczaniu gazów spalinowych ważną rolę odgrywa także redukowanie zawartości tlenków azotu. Z treści DE 42 03 807 znane jest urządzenie, w którym środek utleniający jest wtryskiwany i mieszany ze spalinami.

W próbach z zastosowaniem elementów mieszających, opisanych w WO91/01807 lub WO91/01178 oraz wypróbowanych w celu lepszego wymieszania substancji dodatkowych wtryskiwanych do układów gazów spalinowych, nieoczekiwanie okazało się, że mieszalniki te przyczyniać się mogą również do zmniejszania zawartości cząstek sadzy. Cząstki te, przypuszczalnie w wyniku zawirowań wewnątrz elementów mieszających, występujących w strefach zmiany kierunku strumienia spalin są zatrzymywane lub nanoszone na wewnętrzne powierzchnie mieszalnika (co jest porównywalne z osadzaniem pod działaniem siły ciężkości) oraz tworzą trwałe osady na tych powierzchniach. W przyleganiu cząstek pewną rolę odgrywa mogące występować oddziaływanie wzajemne pomiędzy sadzą i powierzchnią metalu i/lub gradient temperatury w obszarze styku spalin z powierzchnią kanału. Obserwuje się również silną aglomerację cząstek, szczególnie w obszarze ścianek metalowych nie pokrytych powłoką. Stwierdzenia te wykorzystano przy opracowaniu przedmiotowego wynalazku.

Celem przedmiotowego wynalazku było zapewnienie sposobu usuwania cząstek sadzy z gazów spalinowych, jak również opracowanie konstrukcji elementu wychwytującego cząstki sadzy ze strumienia gazów spalinowych.

Przedmiotem wynalazku jest sposób usuwania cząstek sadzy z układu wydechowego silnika spalinowego, a zwłaszcza silnika Diesla, w którym to sposobie spaliny przepuszcza się przez element wychwytujący zawierający przelotowe kanały dla przepływu spalin i zaopatrzony w liczne elementy odchylające kierunek przepływu spalin i/lub strefy zawirowania i zalegania cząstek sadzy, charakteryzujący się tym, że cząstki sadzy wprowadza się w zawirowanie za pomocą elementów odchylających kierunek przepływu spalin względem ścianek elementu wychwytującego, gdzie cząstki sadzy osadzają się i/lub ulegają aglomeracji z innymi cząstkami, oraz co najmniej część cząstek sadzy zatrzymuje się lub utrzymuje w stanie zawirowania tak, że reakcja dwutlenku azotu ze spalin z cząstkami sadzy zachodzi aż do uwolnienia i dalszego przemieszczenia większości tych zatrzymanych cząstek, a następnie za pomocą każdego z elementów odchylających kierunek przepływu spalin od 2 do 15% cząstek wciąż zawartych w spalinach poddaje się zawirowaniu przez uderzanie o ścianki elementu wychwytującego, zaś wzajemne mieszanie strumieni spalin w sąsiadujących ze sobą kanałach uzyskuje się poprzez otwory w elementach odchylających kierunek przepływu spalin.

W jednym z korzystnych wariantów realizacji sposobu wedł ug wynalazku element wychwytuj ący jest równocześnie elementem mieszającym zapewniającym równomierny rozkład środka redukującego, a zwłaszcza mocznika, zaś środek redukujący wprowadza się do strumienia spalin przed skierowaniem go do elementu wychwytującego.

Przedmiotem wynalazku jest również układ wydechowy pojazdu silnikowego charakteryzujący się tym, że zawiera co najmniej jeden kolektor wydechowy, rurę wydechową i element wychwytujący cząstki sadzy ze spalin przepuszczanych przez ten element, przy czym element wychwytujący posiada przelotowe kanały dla przepływu spalin, gdzie każdy z kanałów zawiera liczne elementy odchylające kierunek przepływu spalin i/lub strefy powodujące zawirowania i zaleganie cząstek sadzy, a także

PL 202 338 B1 otwory i szczeliny do wzajemnego mieszania strumieni spalin w sąsiadujących ze sobą kanałach, przy czym przed co najmniej jednym z elementów wychwytujących zamontowany jest co najmniej jeden z katalizatorów wybranych spośród katalizatora utleniania, katalizatora hydrolizy oraz katalizatora wytwarzającego ciepło, który, jeśli jest to konieczne, zawiera dysk ogrzewający umieszczony przed lub za katalizatorem.

W jednym z korzystnych wariantów realizacji ukł adu wydechowego wedł ug wynalazku element wychwytujący zawiera co najmniej jeden metalowy korpus o strukturze plastra miodu złożony z warstw blach, przy czym warstwy blach są uformowane z utworzeniem kanałów dla swobodnego przepływu spalin, przy czym kanały te posiadają przeszkody lub elementy odchylające kierunek przepływu spalin. W szczególnie korzystnym wariancie realizacji układu wydechowego według wynalazku przeszkody lub elementy odchylające kierunek przepływu spalin są tak ukształtowane, że od 2 do 15% cząstek zawartych w gazie spalinowym ulega zawirowaniu przez uderzanie o ścianki elementu wychwytującego.

W innym korzystnym wariancie realizacji ukł adu wydechowego wedł ug wynalazku co najmniej część ścianek kanałów elementu wychwytującego pokryta jest powłoką, w szczególności warstwą pośrednią typu washcoat, wytworzoną z tlenku glinu. W jeszcze innym korzystnym wariancie realizacji układu wydechowego według wynalazku element wychwytujący ma kształt stożkowy. W kolejnym korzystnym wariancie realizacji układu wydechowego według wynalazku ścianki kanałów mają grubość w zakresie od 0,02 do 0,11 mm, korzystnie od 0,04 do 0,08 mm. W następnym korzystnym wariancie realizacji układu wydechowego według wynalazku gęstość komórkowa kanałów w elemencie wychwytującym wynosi od 3,875 do 155 komórek/cm², korzystnie od 31 do 62 komórek/cm². W dalszym korzystnym wariancie realizacji układu wydechowego według wynalazku w przypadku zastosowania w silniku Diesla objętość elementu wychwytującego wynosi od około 0,5 do 0,8 litra na 100 kW silnika Diesla. W innym korzystnym wariancie realizacji ukł adu wydechowego według wynalazku przed lub za co najmniej jednym elementem wychwytującym umieszczona jest turbosprężarka doładowująca. W jeszcze innym korzystnym wariancie realizacji układu wydechowego według wynalazku przed lub za co najmniej jednym elementem wychwytującym umieszczony jest filtr cząstek sadzy posiadający porowate ścianki. W kolejnym korzystnym wariancie realizacji układu wydechowego według wynalazku przed lub za co najmniej jednym elementem wychwytującym umieszczony jest element dostarczający środki pomocnicze.

Przedmiotem wynalazku jest również zastosowanie co najmniej jednego elementu wychwytującego w rurze wydechowej silnika spalinowego, a zwłaszcza silnika Diesla, do usuwania cząstek sadzy ze spalin przepuszczanych przez element wychwytujący, który posiada przelotowe kanały dla przepływu spalin, gdzie każdy z kanałów zawiera liczne elementy odchylające kierunek przepływu spalin i/lub strefy powodujące zawirowania i zaleganie cząstek sadzy, a także otwory i szczeliny do wzajemnego mieszania strumieni spalin w sąsiadujących ze sobą kanałach.

W jednym z korzystnych wariantów realizacji zastosowanie według wynalazku realizuje się w połączeniu z co najmniej jednym elementem dostarczającym środki pomocnicze, umieszczonym przed lub za elementem wychwytującym. W innym korzystnym wariancie realizacji zastosowanie według wynalazku realizuje się w połączeniu z co najmniej jednym katalizatorem. W jeszcze innym korzystnym wariancie realizacji zastosowanie według wynalazku realizuje się w połączeniu z co najmniej jednym katalizatorem utleniania, umieszczonym przed lub za elementem wychwytującym, przy czym ten katalizator utleniania utlenia tlenki azotu NOx do NO2. W kolejnym korzystnym wariancie realizacji zastosowanie według wynalazku realizuje się w połączeniu z co najmniej jedną turbosprężarką doładowującą, umieszczoną przed lub za elementem wychwytującym, zamontowanym w pobliżu silnika i/lub w położeniu pod płytą dolną. W następnym korzystnym wariancie realizacji zastosowanie według wynalazku w układzie wydechowym silnika Diesla w kombinacji z umieszczoną przed elementem wychwytującym turbosprężarką doładowującą, przed którą z kolei umieszczony jest katalizator utleniania.

Jak określono powyżej, w rozwiązaniu według wynalazku zamiast typowej procedury, polegającej na odfiltrowywaniu całości cząstek sadzy przy zastosowaniu porowatych ścianek lub podobnych rozwiązań, poprzez odpowiednie ukształtowanie elementu wychwytującego w sposób umożliwiający przedłużenie czasu przebywania cząstek sadzy w elemencie wychwytującym, co z kolei zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia reakcji cząstek sadzy z dwutlenkiem azotu znajdującym się w gazach spalinowych.

Odbywa się to przy zastosowaniu samoistnie swobodnych kanałów przepływu dzięki wystarczającej liczbie stref zawirowań i obszarów gromadzenia się cząstek i/lub zastosowanie zmian kierunku przepływu, sprzyjających osadzaniu się cząstek na powierzchni ścianek. O ile cząstka przenoszona

PL 202 338 B1 w strumieniu gazów spalinowych ma tylko niewielkie szanse na udział w reakcji z innymi składnikami gazu spalinowego, to szanse te zwiększają się znacząco wówczas, gdy cząstka przetrzymywana jest w strefie zawirowań względnie osadzi się na ściance. Wszystkie cząsteczki przepływającego dwutlenku azotu mogą brać udział w reakcji oraz powodują szybką konwersję cząstek sadzy. W związku z tym element wychwytujący nie może ulec zapchaniu, lecz podlega ciągłej regeneracji.

Jako obszar spoczynkowy definiowany jest obszar w kanale z małą prędkością przepływu oraz jako strefa martwa - strefa, w której nie występuje ruch fluidalny cząstek stałych w fazie gazowej.

Dlatego element wychwytujący w przeciwieństwie do układu zamkniętego umożliwia przepływ swobodny, ponieważ nie przewidziano w nim tworzenia nieprzelotowych kanałów przepływowych. W związku z tym element wychwytujący nie może ulec zatkaniu, tak, jak stosowany wcześniej układ filtrujący, w którym mogą zostać zatkane pory, ponieważ przepływający strumień spalin porywa ze sobą cząstki stałe.

Przez użycie sformułowania „cząstki jeszcze zawarte w środowisku gazowym” uwzględniono fakt, że masa cząstek w kierunku przepływu oraz przy częstych zmianach tego kierunku w strumieniu gazów odlotowych maleje. Liczbę zmian kierunku należy przy tym w szczególności dobierać w ten sposób tak, aby, co najmniej statystycznie, cała masa gazu skierowywana była na ścianki elementu wychwytującego. Ograniczanie ilości występujących cząstek stałych względnie odchylonych strumieni gazów spalinowych ma tę zaletę, że przy przepływie przez element wychwytujący następuje w związku z tym jedynie bardzo mały spadek ciśnienia.

W celu uwzględnienia różnorodnych (dynamicznych) zmian obciążeń układu napędowego samochodu ciężarowego preferowane jest stosowanie układu o przekroju stożkowym. Układy takie, jak np. układ opisany w WO93/20339, mają rozszerzające się kanały, w związku z czym przy każdej wielkości przepływu masowego w jakimś miejscu kanału, o ile jest on wyposażony w odpowiednie struktury zmieniające kierunek oraz powodujące zawirowania, muszą zaistnieć szczególnie korzystne warunki dla wychwytywania cząstek stałych.

Jako materiał, z którego wykonany jest elementu wychwytujący, preferowany jest metal, jakkolwiek może to być również tworzywo sztuczne nieorganiczne (ceramika, materiał włóknisty), organiczne względnie metaloorganiczne oraz/lub materiał spiekany. Ponadto, ścianki elementu wychwytującego mogą być wykonane bez dodatkowej powłoki lub z wytworzoną na nich powłoką typu washcoat (powłoką samooczyszczającą) i/lub z powłoką wykonaną z materiału aktywnego katalitycznie.

Grubość ścianek korzystnie wynosi od 0,02 do 0,11 mm, a w szczególności od 0,04 do 0,08 mm.

Gęstość rozmieszczenia komórek (liczba kanałów przypadających na powierzchnię przekroju) zawiera się korzystnie w przedziale od 3,8 do 153 komórek na cm², korzystnie od 30 do 60 komórek na cm².

Typowy element wychwytujący ma np. 30 komórek na cm², tj. odpowiada objętości przystosowanej do silnika Diesla, wynoszącej 0,5 do 0,8 litra na 100 kW, względnie powierzchni geometrycznej wynoszącej od 1 do 2 m² na 100 kW, przy czym struktury powodujące zmiany kierunku przepływu względnie powodujące powstawanie zawirowań rozmieszczone są na kanałach przepływowych w odstępach od 3 do 20 mm.

Element wychwytujący ma zdolność regenerowania się w sposób ciągły względnie cyklicznie, przy czym w przypadku układu wydechowego silnika Diesla regeneracja może odbywać się przez utlenianie sadzy lub przy udziale dwutlenku azotu (NO2) w temp. powyżej około 250°C względnie w środowisku powietrza lub tlenu w temp. > 500°C oraz/lub przez wtryskiwanie substancji dodatkowej (np. ceru).

Utlenianie sadzy za pomocą NO2, przykładowo na zasadzie mechanizmu regeneracji ciągłej [continuous regeneration traps (CRT)] przebiega według reakcji

C + 2NO2 CO2 + 2NO w związku z czym przed elementem wychwytującym w układzie wydechowym umieszczany jest katalizator utleniania, który umożliwia utlenienie NO do NO2 z wystarczającą wydajnością. Przeprowadzone badania wykazały, że dla całkowitego utlenienia sadzy w elemencie wychwytującym wymagane jest doprowadzenie NO2 w ilości podwójnej, a korzystnie 1,2 - krotnej względem ilości stechiometrycznej (co odpowiada 2,4 mola). Proporcje ilościowe składników reakcji zależą jednak również istotnie od dokładności wymieszania fazy fluidalnej, w związku z czym powinny być dobierane także z uwzględnieniem ukształtowania elementu wychwytującego.

Element wychwytujący, zastosowany przykładowo w układzie wydechowym samochodu ciężarowego, odpowiednio do różnych wariantów jego wykonania dawać może jeszcze wiele pożądanych korzyści dodatkowych.

PL 202 338 B1

Według przyjętego wariantu wykonania element wychwytujący oprócz wychwytywania cząstek ma również za zadanie mieszanie gazów spalinowych z innym płynem, jak np. mieszanie gazów spalinowych z silnika Diesla z amoniakiem względnie z roztworem mocznika w celu redukcji, jak przykładowo z zastosowaniem metody selektywnej redukcji katalitycznej SCR (selective catalytic reduction). W tym celu element wychwytujący stosuje się razem z co najmniej jednym środkiem pomocniczym.

Dzięki korzystnemu ukształtowaniu elementu wychwytującego zoptymalizowany zostaje również rozkład strumienia przepływającego płynu, np. z punktu widzenia doprowadzania go następnie do katalizatora redukcji. Zgodnie z zastosowanym rozwiązaniem element wychwytujący stosowany jest w zestawieniu z zespołem do uprzedniego doprowadzania środka pomocniczego

Według zastosowanego rozwiązania konstrukcyjnego element wychwytujący stosowany jest w zespole z co najmniej jednym katalizatorem. Jako katalizatory oraz/lub katalizatory wstępne kwalifikują się tu w szczególności: katalizatory utleniania, katalizatory grzewcze w połączeniu z usytuowaną na początku lub na końcu tarczą grzejną, katalizator hydrolizy oraz/lub katalizator redukcji. Jako katalizatory utleniania stosowane są również takie, które powodują utlenianie związków typu NOx (gazów nitrozowych) do postaci typu dwutlenku azotu (NO2) a ponadto działające na zasadzie utleniania węglowodorów i tlenku węgla z wytworzeniem jako produktu reakcji dwutlenku węgla.

Korzystne jest również zestawienie elementu wychwytującego z co najmniej jednym katalizatorem oraz turbosprężarką doładowującą względnie zestawienie elementu wychwytującego z turbosprężarką. W tym przypadku element wychwytujący umieszczony za turbosprężarką może być usytuowany w bezpośrednim sąsiedztwie silnika lub pod silnikiem.

Element wychwytujący może być zastosowany w zestawieniu z filtrem sadzy umieszczonym przed lub też za tym elementem, przy czym filtr sadzy umieszczony za elementem wychwytującym może być znacznie mniejszy niż filtry stosowane dotychczas, ponieważ zapewniać on powinien jedynie dodatkową ochronę, dzięki której emisja cząsteczek zostałaby całkowicie wyeliminowana. Przykładowo wystarczający jest tu filtr o powierzchni 0,5 do 1 m² dla silnika Diesla o mocy 100 kW, podczas gdy bez elementu wychwytującego dla silnika Diesla o mocy 100 kW niezbędne jest zastosowanie filtra o powierzchni czynnej ok. 4 m².

Poniższe przykłady przedstawiają rozwiązania obejmujące liczne możliwe warianty konstrukcyjne elementów wychwytujących stosowanych w zestawieniu z katalizatorami, turbosprzężarkami, filtrami sadzy oraz z elementami do doprowadzania środków pomocniczych, rozmieszczonymi wzdłuż układu odprowadzania gazów spalinowych pojazdów mechanicznych.

A) Katalizator utleniania - turbosprężarka - element wychwytujący, przy czym element wychwytujący może być usytuowany w bezpośrednim sąsiedztwie silnika lub położeniu pod silnikiem.

B) Katalizator wstępny - element wychwytujący - turbosprzężarka.

C) Katalizator utleniania - turbosprzężarka - katalizator utleniania - element wychwytujący.

D) Katalizator grzewczy - element wychwytujący 1 - element wychwytujący 2 (przy czym element wychwytujący 1 i 2 mogą być takie same lub mogą się różnić między sobą).

E) Element wychwytujący 1 - odcinek przewodu o przekroju stożkowym - element wychwytujący 2.

F) Element do dodawania środka pomocniczego - element wychwytujący - katalizator hydrolizy katalizator redukcji.

G) Katalizator wstępny - katalizator utleniania - element do dodawania środka pomocniczego (opcjonalnie filtr sadzy) - element wychwytujący np. o kształcie stożkowym, w konkretnym przypadku z powłoką hydrolizującą - (opcjonalnie filtr sadzy) - (opcjonalnie stożek dla zwiększenia przekroju rury) - katalizator redukcji.

Odpowiednio do zastosowanego rozwiązania element wychwytujący może mieć zastosowane różne powłoki, warunkujące odpowiednio jego funkcjonalność. Przykładowo element wychwytujący może spełniać oprócz funkcji gromadzenia, mieszania, rozdziału strumienia gazów również funkcję katalizatora hydrolizy.

Przedmiot wynalazku w przekładach realizacji przedstawiono na rysunku, na którym:

Figura 1 przedstawia schematycznie układ wydechowy silnika spalinowego.

Figura 2 przedstawia mały fragment wycinka wybranego rozwiązania konstrukcyjnego elementu wychwytującego według wynalazku.

Figura 3 przedstawia mały fragment wycinka innego rozwiązania konstrukcyjnego elementu wychwytującego według wynalazku.

Na fig. 1 pokazano silnik spalinowy 1, w szczególności silnik Diesla, z którego gazy spalinowe kierowane są do rury wydechowej 2. Układ wydechowy wyposażony jest co najmniej w katalizator

PL 202 338 B1 utleniania 3, przed którym może być umieszczony usytuowany bardzo blisko wylotu z silnika również nie pokazany katalizator wstępny. W tej części układu może być poza tym zainstalowana również nie pokazana turbosprzężarka. W skład układu wydechowego wchodzi poza tym element 4 dostarczający środki pomocnicze, a zwłaszcza mocznik. Za wspomnianym elementem 4 dostarczającym środki pomocnicze, zgodnie z kierunkiem przepływu strumienia spalin umieszczony jest element wychwytujący 5 według wynalazku, za którym z kolei przyłączony jest katalizator SCR 6.

Figura 2 przedstawia mały wycinek rozwiązania konstrukcyjnego elementu wychwytującego 5 według wynalazku. Element wychwytujący 5 zbudowany jest z kształtowanych warstw blachy tworzących ścianki 11 oraz płaskich warstw blachy tworzących ścianki 12, przy czym pomiędzy ściankami znajdują się kanały przepływowe 13 dla swobodnego strumienia gazów spalinowych, które ponadto umożliwiają zmiany kierunku przepływu spalin dzięki specjalnemu uformowaniu kształtowanych warstw blach tworzących ścianki 11, przejawiającemu się w obecności elementów 15, 16 odchylających kierunek przepływu spalin. Wspomniane elementy 15, 16 odchylające kierunek przepływu spalin względem ścianek 11, 12 elementu wychwytującego 5 powodują zawirowania strumienia gazu, wskutek czego cząstki stałe dłużej przebywają w elemencie wychwytującym 5 i łatwiej mogą reagować z innymi składnikami gazu spalinowego. Odpowiednio do zastosowanego dokładnego uformowania elementów 15, 16 odchylających kierunek przepływu spalin cząstki stałe zderzają się ze ściankami 11, 12 kanału przepływowego 13. Elementy 15, 16 odchylające kierunek przepływu spalin mają kąt rozwarcia lub kąt odchylenia wynoszący przykładowo od 20 do 90°. Im większy jest kąt odchylenia względem kierunku strumienia, tym większe jest uzyskane odchylenie oraz zawirowanie, jednak przy rosnącym wykładniczo spadku ciśnienia. Optimum wartości tego kąta zawiera się w zakresie od 40 do 50°, bo w tym zakresie uzyskuje się dobre zawirowanie strumienia gazów bez nadmiernego spadku ciśnienia. Korzystnie elementy 15, 16 odchylające kierunek przepływu spalin łączone są z otworami 17 wykonywanymi w kształtowanych warstwach blach tworzących ścianki 11, wskutek czego tworzą się intensywniejsze zawirowania oraz następuje przemieszanie strumieni w sąsiadujących ze sobą kanałach przepływowych 13.

Inny przykład rozwiązania konstrukcyjnego przedstawiono na fig. 3, również tylko w postaci małego wycinka elementu wychwytującego. Element wychwytujący zbudowany jest z kształtowanych warstw blachy tworzących ścianki 21 oraz płaskich warstw blachy tworzących ścianki 22 ze szczelinami przelotowymi 28 oraz tworzy kanały przepływu 23 dla strumienia gazów. Elementy 25, 26 odchylające kierunek przepływu spalin w postaci skrzydełkowych wygięć w połączeniu z otworami przepływowymi 27 o obrysie krzywoliniowym przyczyniają się do uzyskania takiego samego efektu, jaki opisano powyżej. Szczeliny przelotowe 28 wykonane w warstwach gładkich blach tworzących ścianki 22 wspomagają zjawisko zawirowania oraz mieszania gazów spalinowych w elemencie wychwytującym. Stwierdzono, że osadzanie się cząstek ma miejsce w szczególności w obszarze przekrojów wlotowych oraz wylotowych elementu wychwytującego. Dlatego też, zgodnie z przyjętym rozwiązaniem konstrukcyjnym zastosowano element wychwytujący składający się z licznych umieszczonych kolejno po sobie wąskich obszarów struktur komórkowych utworzonych z elementów płytkowych. Uzyskuje się przy tym odpowiednio odchylenia kierunku oraz/lub zawirowania przy wlocie oraz wylocie z każdego obszaru. Jako korzystne przyjmuje się przy tym zastosowanie do 10 elementów.

Układ wychwytywania cząstek sadzy zastosowany w układzie wydechowym według wynalazku może zastępować stosowane dotychczas układami filtrów oraz przynosi poważne korzyści w porównaniu z tymi układami. Po pierwsze nie ulega on zatkaniu a spadki ciśnienia powodowane przy jego stosowaniu nie występują tak szybko, jak przy układach filtracyjnych znanych w stanie techniki, ponieważ cząstki stałe wychwytywane są poza strumieniem płynu, zaś ponadto spadki ciśnienia występujące w przypadku zastosowania tego układu są stosunkowo małe, ponieważ jest to układ otwarty.

Wykaz zastosowanych oznaczeń

Silnik spalinowy

Rura wydechowa

Katalizator utleniania

Element dostarczający środek pomocniczy

Element wychwytujący

Katalizator SCR

Ścianka elementu wychwytującego wykonana z blachy kształtowanej

Ścianka elementu wychwytującego wykonana z blachy gładkiej

PL 202 338 B1

Kanał przepływowy

15 Element odchylający kierunek przepływu spalin 16 Element odchylający kierunek przepływu spalin 17 Otwór przepł ywowy

Ścianka elementu wychwytującego wykonana z blachy kształtowanej

Ścianka elementu wychwytującego wykonana z blachy gładkiej

Kanał przepływowy

25 Element odchylający kierunek przepływu spalin

Element odchylający kierunek przepływu spalin

Otwór przepływowy

Szczelina przelotowa

Claims

1. Sposób usuwania cząstek sadzy z układu wydechowego silnika spalinowego (1), a zwłaszcza silnika Diesla, w którym to sposobie spaliny przepuszcza się przez element wychwytujący (5) zawierający przelotowe kanały dla przepływu spalin i zaopatrzony w liczne elementy (15, 16, 25, 26) odchylające kierunek przepływu spalin i/lub strefy zawirowania i zalegania cząstek sadzy, znamienny tym, że cząstki sadzy wprowadza się w zawirowanie za pomocą elementów (15, 16, 25, 26) odchylających kierunek przepływu spalin względem ścianek (11, 12, 21, 22) elementu wychwytującego (5), gdzie cząstki sadzy osadzają się i/lub ulegają aglomeracji z innymi cząstkami, oraz co najmniej część cząstek sadzy zatrzymuje się lub utrzymuje w stanie zawirowania tak, że reakcja dwutlenku azotu ze spalin z cząstkami sadzy zachodzi aż do uwolnienia i dalszego przemieszczenia większości tych zatrzymanych cząstek, a następnie za pomocą każdego z elementów (15, 16, 25, 26) odchylających kierunek przepływu spalin od 2 do 15% cząstek wciąż zawartych w spalinach poddaje się zawirowaniu przez uderzanie o ścianki (11, 12, 21, 22) elementu wychwytującego (5), zaś wzajemne mieszanie strumieni spalin w sąsiadujących ze sobą kanałach (13) uzyskuje się poprzez otwory (17, 27) w elementach (15, 16, 25, 26) odchylających kierunek przepływu spalin.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że element wychwytujący (5) jest równocześnie elementem mieszającym zapewniającym równomierny rozkład środka redukującego, a zwłaszcza mocznika, zaś środek redukujący wprowadza się do strumienia spalin przed skierowaniem go do elementu wychwytującego (5).

3. Układ wydechowy pojazdu silnikowego, znamienny tym, że zawiera co najmniej jeden kolektor wydechowy, rurę wydechową (2) i element wychwytujący (5) cząstki sadzy ze spalin przepuszczanych przez ten element, przy czym element wychwytujący (5) posiada przelotowe kanały (13, 23) dla przepływu spalin, gdzie każdy z kanałów (13, 23) zawiera liczne elementy (15, 16, 25, 26) odchylające kierunek przepływu spalin i/lub strefy powodujące zawirowania i zaleganie cząstek sadzy, a także otwory (17, 27) i szczeliny (28) do wzajemnego mieszania strumieni spalin w sąsiadujących ze sobą kanałach (13, 23), przy czym przed co najmniej jednym z elementów wychwytujących (5) zamontowany jest co najmniej jeden z katalizatorów wybranych spośród katalizatora utleniania, katalizatora hydrolizy oraz katalizatora wytwarzającego ciepło, który, jeśli jest o konieczne, zawiera dysk ogrzewający umieszczony przed lub za katalizatorem.

4. Układ wydechowy według zastrz. 3, znamienny tym, że element wychwytujący (5) zawiera co najmniej jeden metalowy korpus o strukturze plastra miodu złożony z warstw blach (11, 12, 21, 22), przy czym warstwy blach (11, 12, 21, 22) są uformowane utworzeniem kanałów (13, 23) dla swobodnego przepływu spalin, przy czym kanały te posiadają przeszkody lub elementy (15, 16, 25, 26) odchylające kierunek przepływu spalin.

5. Układ wydechowy według zastrz. 4, znamienny tym, że przeszkody lub elementy (15, 16, 25, 26) odchylające kierunek przepływu spalin są tak ukształtowane, że od 2 do 15% cząstek zawartych w gazie spalinowym ulega zawirowaniu przez uderzanie o ścianki (11, 12, 21, 22) elementu wychwytującego (5).

PL 202 338 B1

6. Układ wydechowy według zastrz. 3 albo 4, albo 5, znamienny tym, że co najmniej część ścianek (11, 12, 21, 22) kanałów (13, 23) elementu wychwytującego (5) pokryta jest powłoką, w szczególności warstwą pośrednią typu washcoat, wytworzoną z tlenku glinu.

7. Układ wydechowy według zastrz. 3 albo 4, albo 5, znamienny tym, że element wychwytujący (5) ma kształt stożkowy.

8. Układ wydechowy według zastrz. 3, znamienny tym, że ścianki (11, 12, 21, 22) kanałów (13, 23) mają grubość w zakresie od 0,02 do 0,11 mm, korzystnie od 0,04 do 0,08 mm.

9. Układ wydechowy według zastrz. 3, znamienny tym, że gęstość komórkowa kanałów (13, 23) w elemencie wychwytującym (5) wynosi od 3,875 do 155 komórek/cm², korzystnie od 31 do 62 komórek/cm².

10. Układ wydechowy według zastrz. 3, znamienny tym, że w przypadku zastosowania w silniku Diesla objętość elementu wychwytującego (5) wynosi od około 0,5 do 0,8 litra na 100 kW silnika Diesla.

11. Układ wydechowy według zastrz. 3 albo 10, znamienny tym, że przed lub za co najmniej jednym elementem wychwytującym (5) umieszczona jest turbosprężarka doładowująca.

12. Układ wydechowy według zastrz. 3, znamienny tym, że przed lub za co najmniej jednym elementem wychwytującym (5) umieszczony jest filtr cząstek sadzy posiadający porowate ścianki.

13. Układ wydechowy według zastrz. 3, znamienny tym, że przed lub za co najmniej jednym elementem wychwytującym (5) umieszczony jest element (4) dostarczający środki pomocnicze.

14. Zastosowanie co najmniej jednego elementu wychwytującego (5) w rurze wydechowej (2) siInika spalinowego (1), a zwłaszcza silnika Diesla, do usuwania cząstek sadzy ze spalin przepuszczanych przez element wychwytujący (5), który posiada przelotowe kanały (13, 23) dla przepływu spalin, gdzie każdy z kanałów (13, 23) zawiera liczne elementy (15, 16, 25, 26) odchylające kierunek przepływu spalin i/lub strefy powodujące zawirowania i zaleganie cząstek sadzy, a także otwory (17, 27) i szczeliny (28) do wzajemnego mieszania strumieni spalin w sąsiadujących ze sobą kanałach (13, 23).

15. Zastosowanie według zastrz. 14, w połączeniu z co najmniej jednym elementem (4) dostarczającym środki pomocnicze, umieszczonym przed lub za elementem wychwytującym (5).

16. Zastosowanie według zastrz. 14 albo 15, w połączeniu z co najmniej jednym katalizatorem (3, 6).

17. Zastosowanie według zastrz. 14 albo 15, w połączeniu z co najmniej jednym katalizatorem utleniania, umieszczonym przed lub za elementem wychwytującym (5), przy czym ten katalizator utleniania utlenia tlenki azotu NO_x do NO₂.

18. Zastosowanie według zastrz. 14 albo 15, w połączeniu z co najmniej jedną turbosprężarką doładowującą, umieszczoną przed lub za elementem wychwytującym (5), zamontowanym w pobliżu silnika i/lub w położeniu pod płytą dolną.

19. Zastosowanie według zastrz. 14 albo 15 w układzie wydechowym silnika Diesla w kombinacji z umieszczoną przed elementem wychwytującym (5) turbosprężarką doładowującą, przed którą z kolei umieszczony jest katalizator utleniania.