帶有選擇性的阻擋構件的微粒收集器的製作方法
2023-05-26 11:11:31 4
專利名稱：帶有選擇性的阻擋構件的微粒收集器的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及微粒收集器，尤其涉及帶有選擇性的阻擋構件的微粒收集器。
背景技術：
包括柴油發動機、汽油發動機、天然氣發動機和在該領域內已知的其它發動機的內燃發動機可以排出空氣汙染物的複雜的混合物。空氣汙染物可以包括氣體化合物和可以包括稱為碳黑的未燃燒的碳微粒的固體微粒物質。
由於對環境不斷增加的注意，廢氣排放標準變得更加嚴格。可以按照發動機的類型、發動機的尺寸和/或發動機的等級限制從一臺發動機排放的微粒的數量。發動機製造商採用的與排放到環境的微粒物質的條例相一致的方法是使用微粒收集器從發動機的廢氣流去除微粒物質。微粒收集器是被設計成在例如金屬絲網過濾介質中收集微粒物質的過濾器。長時期使用微粒收集器可能使微粒物質積聚在金屬絲網過濾介質中，從而使過濾器功能和發動機功能下降。
可以採用許多恢復技術解決微粒物質積聚的後果。例如授予Howe等人的、於1991年4月23日發布的美國專利號5,009,065(065專利)敘述了使用廢氣處理器，以從燃燒產物過濾微粒物質。065專利的廢氣處理器被設計成用在柴油發動機中和包括用於從廢氣流去除微粒物質的一主基體和一輔助基體。在正常的廢氣處理器工作期間，引導廢氣流進入包含主基體的一第一區。在恢復期間，將可樞轉地連接於處理器殼體的閥從一第一位置運動到一第二位置，在第一位置廢氣流入第一區，在第二位置阻止廢氣進入第一區和允許廢氣流過具有輔助基體的一第二區。由專用致動器使可樞轉連接的閥從第一位置運動到第二位置。激發一燃燒器，對該基體加熱和對收集的微粒物質氧化，從而恢復該基體。在完成恢復工作之後，使可樞轉的閥返回到第一位置。065專利還敘述了另一實施例，它包括用於將廢氣流從主基體轉向到輔助基體和反過來的可滑動的閥。
雖然065專利的廢氣處理器可以減少排放到環境的微粒物質和減少在廢氣處理器中微粒物質的積聚，但是該廢氣處理器可能是較大的和花錢多的。例如，為了防止在連接於廢氣處理器的發動機系統內的過高背壓，該廢氣處理器的主區和輔助區必須充分地大，以處理整個廢氣流。這尺寸要求增加廢氣處理器的成本。此外，樞轉閥和滑動閥被構造成僅僅阻擋兩個基體，使065專利的廢氣處理器擴大受到限制。
所揭示的微粒收集器用於克服上述一個或多個問題。
發明內容
一方面，本發明涉及具有帶入口和出口的殼體的微粒收集器。微粒收集器還具有堆置於殼體內、在入口和出口之間的許多流體隔離的過濾器。多個過濾器具有堆置方向和橫向方向。微粒收集器被構造成引導廢氣流沿橫向方向通過多個過濾器。微粒收集器還具有帶阻擋部分的致動器，致動器被構造成直線運動，以有選擇地阻擋廢氣流通過多個過濾器的各過濾器。
另方面，本發明涉及操作微粒收集器的方法。該方法包括用在堆置方向堆置在一起的多個流體隔離的過濾器從廢氣流過濾微粒。廢氣在相對於堆置方向的橫向方向流動。該方法還包括測量微粒收集器的工作參數和在堆置方向直線移動阻擋部分，在測得的工作參數滿足預定的條件時有選擇地阻擋廢氣流通過多個過濾器的各過濾器。該方法還包括當阻擋通過多個過濾器的各過濾器的廢氣流時對多個過濾器的各過濾器有選擇地施加電流。
附圖簡述
圖1是具有按照揭示的示例性實施例的微粒收集器的一發動機的示意圖；圖2a是按照所揭示的示例性實施例的微粒收集器的前剖視示意圖；圖2b是按照所揭示的示例性實施例的微粒收集器的側視示意圖；圖3是按照所揭示的示例性實施例的微粒收集器的俯剖視示意圖；圖4是按照所揭示的示例性實施例的微粒收集器的俯剖視示意圖；圖5是用於按照所揭示的示例性實施例的微粒收集器的子過濾單元的前剖視示意圖；圖6是用於按照所揭示的示例性實施例的微粒收集器的子過濾單元的前剖視示意圖；以及圖7是用於按照所揭示的示例性實施例的微粒收集器的子過濾單元的前剖視示意圖。
具體實施例方式
圖1示出了具有示例性微粒收集器12的發動機10。發動機10可以包括連接於發動機10的廢氣流的廢氣總管14和微粒收集器12。控制器16通過通訊線路18與微粒收集器12連通和通過通訊線路22與電動機20連通。如圖2a和2b所示，微粒收集器12可以包括殼體24、消音件26、一個或多個製成標準組件的和可單獨調換的過濾器28和致動器30。
殼體24可以具有連接於廢氣總管14的入口32、主腔室34和出口36。殼體24可以具有沿著長度方向的基本橢圓形橫剖面和可以包括弄圓的外表面42。還考慮了殼體42可以具有除了橢圓形之外的其它橫剖面形狀，例如圓柱形、方形、矩形或任何合適的形狀。入口32和出口36的至少一部分可以具有基本圓形橫剖面。還考慮了入口32和出口36可以具有不同形狀的橫剖面，例如方形、矩形、三角形或其它合適的橫剖面。入口32和出口36通常可以與殼體24的長度方向對齊和可以設置在主腔室34的相反兩側。入口32和出口36可以延伸主腔室34的整個長度，以平行地對各過濾器28提供廢氣流和從各過濾器平行地離開。入口32可以延伸通過主腔室和在殼體24的長度方向從微粒收集器12的一第一端38突出。出口36可以延伸通過主腔室34和從微粒收集器12的一第二端40突出。
消音件26可以包括位於入口32和主腔室34之間的穿孔板，從而與外表面42一起形成諧振腔室43。由於離開消音件26和外表面42的聲波反射，通過相位抵消，可以衰減發動機燃燒噪音，同時消音件26中的孔44允許來自發動機10的廢氣流動通過微粒收集器12。雖然將消音件26敘述為反作用件，但是也考慮了消音件26可以包括消散件、吸收件或用於降低發動機10的燃燒噪音的任何其它結構。還考慮了消音件26或者可以位於主腔室34和出口36之間。
通過分隔件46和密封墊48可以將各過濾器28與其它過濾器隔離和密封。可以由不導電的材料形成分隔件46，使過濾器28與相鄰的過濾器28電絕緣。密封件48可受壓地被夾在兩分隔件46之間，以充填分隔件46之間的空間，從而使一過濾器28與相鄰的過濾器28流體隔離。可以包括鋼支持板50，以在結構上支持分隔件46和/或密封墊48。可以替換地由鋼以外的其它材料、例如陶瓷材料、塑料材料或其它合適的材料製成支持板50。但是，也考慮了在兩過濾器28之間可以放置一單體，滿足微粒收集器12的電絕緣要求、流體隔離要求和結構支持要求。
各過濾器28可以包括諸子過濾單元52，子過濾單元具有通過附加的電絕緣分隔件56與相鄰堆置的子過濾單元52的金屬纖維介質54分開的一個或多個彎彎曲曲形狀的金屬纖維介質54。或者，各子過濾單元52可以包括導電陶瓷過濾介質或者具有交織的或設置在陶瓷過濾介質內的導電纖維的不導電陶瓷過濾介質。雖然在圖2-7中畫出了堆置在多層內的諸子過濾單元52的一單列，應該注意微粒收集器12可以包括帶有諸子過濾單元52的多行和/或列的諸過濾器28。
諸絕緣分隔件56與殼體24一起可以形成帶有入口58和出口60的通過各子過濾單元52的諸單獨的流體通道。可以引導廢氣流從入口58橫向越過子過濾單元52的彎彎曲曲形狀的金屬纖維介質54到達出口60。或者，過濾器28可以相對於殼體24轉動，以致可以引導廢氣流縱向越過金屬纖維介質54。
圖2B和3示出了各子過濾單元包括從金屬纖維介質54的一第一端64延伸的一第一電連接件62和從金屬纖維介質54的一第二端70延伸的一第二電連接件68。第一端64和第二端70可以被定向成與從入口58通過出口60的廢氣流基本上正交。第一第二電連接件62、68可以在某時間將一個或多個子過濾單元52連接於電源(未示出)，以形成電流。第一和第二電連接件62、68可以延伸通過殼體24和通過永久的或迅速脫開的連接件可以連接於電源。此外，諸第一電連接件62可以通過公用母線74相互連接。還考慮了通過夾持的連接件、環形接線端或在該領域內已知的任何其它方式，諸第一連接件62可以相互連接。還考慮了相應地通過公用母線諸第二電連接件68可以相互連接。
如圖4所示，當在單個子過濾單元52內包含多個金屬纖維介質54時，在同一子過濾單元52內一公用電連接件72可以電互連各金屬纖維介質54。第一電連接件62和公用電連接件72可以在某時間將一個或多個子過濾單元52連接至電源，以形成電流。公用電連接件72還可以延伸通過殼體24和可以通過永久的或快速脫開的連接件連接於電源。還考慮了通過公用母線諸公用電連接件72可以相互連接。
如圖5所示，致動器30可以包括連接於發動機20(參閱圖1)和阻攔部分78的傳動裝置76。傳動裝置76可以包括將發動機20的轉動轉換成阻擋部分78的直線運動的引導螺杆80、例如滾珠螺杆、行星滾柱螺杆、摩擦滾柱螺杆或任何其它類型的螺杆。傳動裝置76可以可轉動地連接於微粒收集器12的第一端38和延伸通過它的第二端，以與發動機20連接。致動器30可以設置在主腔室34和出口之間(參閱圖2A)。考慮了致動器30可以替換地設置在入口32和主腔室34之間。
阻擋部分78可以被構造成依靠通過與各子過濾單元52相連的一個或多個出口60的直線運動有選擇地阻擋廢氣流通過各子過濾單元52。阻擋部分78可以基本上為矩形，並帶有長度、寬度和厚度方向。阻擋部分78可以包括相對於阻擋部分78的長度和寬度方向居中的內螺紋86。內螺紋86可以圍繞中心通孔周向設置。還考慮了可以沒有螺紋86和可以包括軸承或關於嚙合引導螺杆80的螺紋的任何其它結構。阻擋部分78可以包括關於當引導螺杆80轉動時相對於子過濾單元52保持阻擋部分的恆定方向的結構，以引起阻擋部分78的直線平移。這些結構可以包括、例如，在阻擋部分78的相對端上被構造成嚙合在殼體24內的通道的凸起、被構造成在連接於殼體24的軌道內運動的軸承、連接於殼體24的和被構造成結合在阻擋部分78內的支承套筒的一個或多個引導杆、被構造成嚙合在阻擋部分78內的附加內螺紋的一第二引導螺杆。或者在該領域內已知的任何其它結構。即使當阻擋部分78相對於子過濾單元52處於阻擋位置時，在絕緣分隔件56和阻擋部分78之間可以保持間隙114，以提供某些廢氣流動。為了這揭示目的，阻擋術語可以涉及任何數量的空氣流動限制，從部分限制到安全限制。
在圖6所示的示例性實施例中，致動器30可以包括具有一第一轉盤96、一第二轉盤98和帶有連接於傳動帶100的阻擋部分102的轉動帶100。第一和第二轉盤96、98可以包括用於將發動機20連接於傳動帶100的任何結構，例如皮帶盤、鏈輪、輪齒或諸領域已知的任何其它構件。第一轉盤96可以朝向微粒收集器12的第一端38設置和可工作地連接於發動機20。第二轉盤98可以朝向微粒收集器12的第二端40設置。傳動帶100可以是用於將發動機20的轉動轉換成阻擋部分102的直線運動的、在該領域已知的任何構件，例如柔性的增強聚合物、鏈條、金屬纜索或者在該領域中已知的任何其它構件。傳動帶100可以是繞過第一和第二轉盤96、98的循環帶。但是，還考慮了傳動帶100可以具有包繞第一轉盤96的一第一端和包繞第二轉盤98的一第二端。第一轉盤96可以與電動機20接合，當發動機20轉動時引起傳動帶100運動和第二轉盤98從動轉動。還考慮了第二轉盤98可以由發動機20直接傳動和第一轉盤96可以作為從動轉盤工作。還考慮了第一和第二轉盤都由發動機20或由兩單獨的電動機直接傳動。
阻擋部分102可以具有帶長度方向、寬度方向和厚度方向的基本矩形。連接於傳動帶100的阻擋部分102可以與傳動帶100一起沿著長度直線運動，以有選擇地阻擋子過濾單元52的廢氣流出口60。阻擋部分可以或可以不具有用於將阻擋部分102與子過濾單元52的出口60對齊的和保持在絕緣分隔件56和阻擋部分102之間的間隙114的對齊結構。這些對齊結構例如可以包括在阻擋部分78的相對端上被構造成嚙合殼體24內的通道的凸起、被構造成在連接於殼體24的軌道內運行的支承或該領域內已知的任何其它結構。
在圖7的示例性實施例中，致動器30可以包括具有連接於傳動帶100的兩個阻擋部分106的傳動裝置104。在這實施例中，致動器30還可以包括與各子過濾單元52相連的和具有一第一位置和一第二位置的鉸接部分108。在第一位置，可以允許廢氣流過各相應的子過濾單元52。在第二位置，可以阻擋廢氣。與圖5和6的阻擋部分78和102比較，圖7的阻擋部分106不直接阻擋廢氣通過各子過濾單元52。但是，阻擋部分106可以被構造成將各鉸鏈部分108從第一位置運動到第二位置，從而間接地阻擋廢氣流。類似於圖5和6的實施例，在絕緣分隔件56和鉸鏈部分108之間可以保持間隙114。
各阻擋部分106可以被構造成在各鉸接部分108從第一位置運動到第二位置運動期間減少在鉸接部分108上引起的應力。尤其，阻擋部分106可以具有面對阻擋部分106的運動方向的一第一傾斜表面110和與第一傾斜部分110相反設置的一第二傾斜表面。當阻擋部分106接合和脫離鉸接部分108時，第一和第二傾斜表面110和112可以減少在鉸接部分108上產生的應力。還考慮了阻擋部分106可以具較多或較少數量的傾斜表面或者該表面可以是除傾斜以外的其它形狀。例如弄圓。各阻擋部分106沿著傳動帶100可以相互分開預定的距離，以及可以被構造成引起同時阻擋廢氣通過一個或多個子過濾單元52。
控制器16(參閱圖1)可以包括操作微粒收集器12的許多部分，例如存儲器、一第二存儲裝置和處理器。許多電路可以與控制器16連接，例如電源電路、信號調節電路、電磁線圈驅動電路和其它適當的電路。
發動機20(參閱圖1)可以連接於圖2a、3、4和5的引導螺杆80或者圖6和7的第一轉盤96和/或第二轉盤98，以引起阻擋部分78、102和106在微粒收集器長度方向、在端部38和40之間直線運動。發動機20可以電驅動、機械驅動、液壓驅動、氣動驅動或以該領域內已知的任何其它方式驅動。電動機20可以直接連接於引導螺杆80、第一轉盤96和/或第二轉盤98，或者可以通過棘輪裝置、皮帶輪系統、齒輪系統或任何其它適當方式進行連接。
還考慮了可以不用發動機20和採用例如包括液壓裝置、電磁線圈裝置、壓電裝置或用於驅動的另一裝置的一不同的致動器。不同的致動器可以通過棘輪機構、齒條和齒輪機構、螺杆和齒條機械或該領域內已知的任何其它方式連接於傳動裝置76、94或104。
工業適用性該揭示的微粒收集器可以應用於任何燃燒設備，例如發動機、熔爐或其中希望從廢氣流去除微粒物質的該領域內已知的任何其它設備。微粒收集器12可以是為減少排放到環境中的微粒物質的簡單的、花錢不多的和緊湊的裝置。因為它的製成標準組件的設計和公用的傳動裝置和阻擋部分，微粒收集器12可以易於擴展成適應過濾要求的一個範圍。此外，因為過濾器28是單獨可調換的，所以被阻塞、被損壞或者不可使用的過濾器28可以比要求調換整個微粒收集器12以較低的成本易於和單獨地調換。單獨地可恢復的子過濾單元52為恢復具有較低的功率要求，為低成本動力電子設備和高發動機效率創造了條件。此外，因為所揭示的微粒收集器不要求集中的閥組件，所以微粒收集器12可以具有設計的高度活性。現在將詳細說明微粒收集器12的操作。
按照微粒收集器12的示例性實施例，如圖2a所示，可以通過入口32將廢氣流引入微粒收集器12的諧振腔室43。如以上所述，諧振腔室43由於離開消音件26和外表面42的聲波反射可以通過相位抵消減少發動機10的燃燒噪音輸出。然後可以引導廢氣流通過消音件26的孔44、通過設置在主腔室34內的過濾器28、通過出口36從微粒收集器12流出。
隨著廢氣流過過濾器28，子過濾單元52的金屬纖維介質54可以從廢氣中去除微粒物質。時間一長，在金屬纖維介質54中可以積聚微粒物質。如果讓其繼續積聚，微粒物質的積聚能夠顯著地足以部分地或甚至完全限制廢氣通過金屬纖維介質54的流動，造成在發動機10的廢氣系統內壓力上升。發動機10的背壓上升能夠下降發動機吸取新鮮空氣的能力，造成發動機10的性能下降。
為了防止在微粒收集器12內微粒物質的不希望有的積聚，可以單獨地恢復微粒收集器28內的諸個別的子過濾單元52。恢復工作可以是周期的或在觸發狀態的基礎上。觸發狀態例如可以是發動機操作的延時時間、越過微粒收集器12所測量的壓差或者在該領域內已知的任何其它狀態。
控制器16可以被構造成產生子過濾單元52的恢復工作。當圖2a-5的控制器確定要求恢復時(例如當發動機已工作了預定的時期、或者當超過微粒收集器12所測量到的壓差大於預定值時)，控制器16可以引起引導螺杆80相對於殼體24轉動。當引導螺杆80轉動時，阻擋部分78將直線位移，以與至少一子過濾單元52的出口60對齊，阻擋廢氣流過該至少一子過濾單元52。當被阻擋時，流過各子過濾單元52的廢氣例如可以被限制到流過未阻擋的子過濾單元52的約0.5％-2％。為了關於在子過濾單元52內所收集的微粒物質的燃燒提供充分的氧氣，因此通過被阻擋的子過濾單元52的某些廢氣流可能是必需的。
同樣，當圖6和7的控制器確定要求進行恢復操作時，控制器16可以引起傳動帶100圍繞第一和第二轉盤96、98運動。當傳動帶100圍繞第一和第二轉盤96、98運動時，圖6的阻擋部分102將與至少一子過濾單元52的出口60對齊，以阻擋廢氣通過子過濾單元52。類似地，當傳動帶100圍繞圖7的第一和第二轉盤96、98運動時，阻擋部分106將接合鉸接的部分108，以使鉸接的部分108從第一位置運動到第二位置，從而阻擋廢氣流過至少一子過濾單元52。
當阻擋廢氣通過子過濾單元52時，控制器16可以通過第一和第二電連接件62、68和/或公用電連接件72將電源連接到被阻擋的子過濾單元52。來自電源的電流可以引起被阻擋的子過濾單元52電阻加熱到被收集在至少一個被阻擋的子過濾單元52內的微粒物質的燃燒溫度之上，從而燒去積聚的微粒物質。
因為比恢復溫度較冷的廢氣流可以在恢復過程中帶走熱量，所以阻擋離開正恢復的子過濾單元52的廢氣流可以減少為恢復而要求的能量。此外，因為經歷了恢復操作的子過濾單元52基本與相同微粒收集器12內的其它子過濾單元52流體隔離，所以流過未恢復的子過濾單元52的廢氣不影響為恢復流體被隔離的子過濾單元52所要求的能量。此外，因為在某時間可以阻擋單個子過濾單元52，所以背壓的增加可以忽略和微粒收集器12的總尺寸可以縮小。
對於該領域的那些熟練人員將會明顯的是對於所揭示的微粒收集器可以作出許多修改和變化。考慮了所揭示的微粒收集器的說明書和實踐，其它實施例對於該領域的那些熟練人員將也是很明顯的。本說明書和例子被認為僅是示例性的，以下權利要求書和它們的等價物指出了真正範圍。
權利要求
1.一微粒收集器，它包括具有入口和出口的殼體；堆置在殼體內、在入口和出口之間的多個基本上流體隔離的過濾器，其中過濾器具有堆置方向和橫向方向，該微粒收集器被構造成引導廢氣流沿橫向方向通過多個過濾器；以及具有阻擋部分的致動器，阻擋部分被構造成直線運動，以有選擇地阻擋廢氣流通過多個過濾器的各過濾器。
2.如權利要求1所述的微粒收集器，其特徵在於多個過濾器的各過濾器包括多個子過濾單元，阻擋部分被構造成阻擋廢氣流通過多個子過濾單元的各子過濾單元。
3.如權利要求1所述的微粒收集器，其特徵在於致動器還包括引導螺杆，阻擋部分被構造成嚙合引導螺杆，以致當轉動螺杆時引起阻擋部分在堆置方向沿著引導螺杆運動。
4.如權利要求1所述的微粒收集器，其特徵在於；致動器還包括可工作地朝多個過濾器的第一端設置的第一轉盤；可工作地朝與堆置方向的第一端相反的多個過濾器的第二端設置的第二轉盤；以及可工作地連接於第一和第二轉盤的傳動帶，其中，阻擋部分連接於傳送帶和被構造成在轉動第一和第二轉盤的至少一轉盤時運動。
5.如權利要求1所述的微粒收集器，其特徵在於致動器還包括與多個過濾器相關聯的多個鉸接部分，鉸接部分具有其中流體通過多個過濾器的一第一位置和其中流體被阻擋的一第二位置，以及阻擋部分被構造成使鉸接部分從第一位置運動到第二位置。
6.一種操作微粒收集器的方法，該方法包括用在堆置方向堆置在一起的多個基本上流體隔離的過濾器從廢氣流過濾微粒，廢氣在相對於堆置方向的橫向方向流動；測量微粒收集器的工作參數；當測量的工作參數滿足預定狀態時在堆置方向直線地移動阻擋部分，以有選擇地阻擋廢氣流通過多個過濾器的各個過濾器；以及當阻擋廢氣流通過多個過濾器的各過濾器時，對多個過濾器的各過濾器有選擇地施加電流。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於；阻擋部分包括被構造成嚙合引導螺杆的有內螺紋的部分，以及直線移動阻擋部分包括轉動引導螺杆，以致引起阻擋部分在堆置方向沿著引導螺杆移動。
8.如權利要求6所述的方法，其特徵在於阻擋部分連接於設置在一第一轉盤和第二轉盤之間的傳動帶，以及直線移動阻擋部分包括轉動第一和第二轉盤的至少一個，以致引起傳動帶在堆置方向移動。
9.如權利要求6所述的方法，其特徵在於；阻擋部分接合多個鉸接部分，以有選擇地運動多個鉸接部分的各鉸接部分從其中允許廢氣相對於各鉸接部分流動的一第一位置到達其中阻擋廢氣的一第二位置。
10.一動力系統，它包括可操作地產生廢氣流的動力源；以及如權利要求1-5的任一項中所述的微粒收集器。
全文摘要
具有帶入口和出口的殼體的微粒收集器。微粒收集器還具有在入口和出口之間在殼體中堆置的多個流體隔離的過濾器。堆置的多個過濾器具有堆置方向和橫向方向，以橫向方向引導廢氣流通過多個過濾器。微粒收集器還具有帶阻擋部分的致動器，阻擋部分被構造成直線移動，以有選擇地阻擋廢氣流通過多個過濾器的各過濾器。
文檔編號B01D46/24GK1727648SQ20051008847
公開日2006年2月1日 申請日期2005年7月28日 優先權日2004年7月30日
發明者J·L·科思圖爾, J·J·德裡斯科, M·T·凱瑟, R·L·邁耶, C·N·奧普瑞斯, D·M·泰勒, M·E·威廉士 申請人:卡特彼勒公司