用於處理柴油廢氣微粒物質的柴油微粒轉換器的製作方法
2023-06-22 10:26:06 2
專利名稱：用於處理柴油廢氣微粒物質的柴油微粒轉換器的製作方法
技術領域：
本實用新型總體上涉及用於柴油發動機和天然氣發動機的後處理設
備。更具體地，本實用新型涉及微粒物質在復^r屬絲網過濾芯中的附聚 和滯留。更具體地，本實用新型還涉及通過可靠且受控的過程進行焚化。
背景技術：
柴油發動機度氣的微粒捕集器已經被廣泛地接受，並且用於ifi洛柴油 發動機的排放以與各種i^規定相符合。在柴油發動機中裝備微粒捕集器
也公知用於在^物質以及細小的^物質方面——當前為PM 10和PM 2.5標準的USEPA規定一一提高環境空氣品質，微粒捕集器能夠實現, 的顯著減少，其能夠達到卯％至95%。傳統的微粒捕集器(例如直通式捕 集器和金屬絲網#^捕集器)必須被進行處理以燃燒掉積聚的微粒物質並 使設備恢復到初始狀態。再生是燃燒積聚的煤煙並且使陶瓷或金屬絲網的 過濾器恢復到初始狀態以開始另一煤煙加栽循環等的過程。
共同受讓的美國專利No. 7,266,943描述了稱為焚化過程的再生過程的 替代方式。在此通過參引的方式將美國專利No. 7,266,943的全文結合入本 文中。雖然已經證明美國專利No. 7，266，943對於銜險物質焚化的教示4^ 功的，但是該技術仍需jm出繼續的改進。
實用新型內容
復*屬絲網介質收集、附聚並且^^放大尺寸的附聚微粒，這些#^ 過濾在滯留網上而形成煤煙結塊。滯留網連接到脈衝直流電源，並在達到 特定煤煙積塊密度(累積)一一其由滯留網和上M地網之間的電阻表示 ——時電源接通。通it^復^T屬絲網介質前方結合入傳統的柴油氧化催 化劑，或者通iti復^T屬絲網前方一體形成催化網，部分的NO轉換成 N02。當引發了對焚化的需要時，焚化過程開始並繼續。
程。應當有足夠的煤煙滯留在復^T屬絲網介質上以確保高的,還原效率。所產生的氧化熱被廢氣稀釋，由此廢氣中沒有明顯的或可檢測到的溫
度增加。另一方面，再生是這樣的一個過程其中所有積聚在過濾^h質上 的煤煙都被燃燒並且通常伴隨著達到700 'C或更高的明顯的溫度升高。
本實用新型涉及一種用於焚化來自於柴油廢氣的附聚微粒物質的有效 的、高效的以及可靠的方法。焚化器的設計依賴於將附聚的煤煙物質捕集 在例如密紋網(Dutch-screen)的滯留網上，從而在上遊側形成結塊。密 紋網附接到脈衝直流電源，而配合網是接地的。通過插入呈線或網形式的 陶瓷基的隔離裝置，這兩個網之間的間隙保持恆定。間隙中的空間保持為 最小的^:尺寸。大小在0.010至0.025英寸(0.25至0.62亳米)之間的 間隙間隔是有利的，優選為小範圍的間隙，因為減小了待焚化的,尺寸。 已經發現，來自12v或更高的電源的脈衝直流電流和適量的N02、高於 200'C的廢氣溫度、以及嵌在焚化器間隙中的賤金屬催化劑的組合對於焚化 煤煙是有效的。當廢氣溫度升高到300至375'C的範圍時，焚化過程加速， 且煤煙快速焚化。但是本文所定義的焚化仍然比再生過程要艮得多。結果， 不會觀察到焚化副產物中的明顯溫度升高，且焚化網(密紋網)處的最大 溫度低於500°C。這主要是由於廢氣冷卻了由焚化產生的熱量。 一旦結塊 的尺寸由於煤煙氧化而降低，則焚化器電阻的增加使得供電停止，直到另 一煤煙層重新形成以進行新的循環。
本實用新型的另一特徵是氧化催化劑與微粒轉換器一體形成。這通過 將貴金屬塗層網結合在複合金屬絲網介質的上遊側來實現。這種網包括一 些繞設備芯部的繞層，以允許廢氣和貴金屬部位之間的大量碰撞和相互作 用。但是，在某些發動機操作狀態下，這種網的存在可產生某些火花或者 過熱區，其將點燃捕集在複合金屬絲網中的煤煙。雖然這種事件是低概率 事件，但是其可破壞金屬絲網介質。因此，用作火花熄滅器的密紋不鏽鋼 網繞在貴金屬網周圍，以防止煤煙點燃的可能。
由於釆用了貴金屬催化劑， 一些S02被轉變成硫酸鹽(微粒)，並且部 分的一氧化氮(NO)轉變成二氧化氮(N02)。疏酸鹽和N02是不期望的 汙染物。但是，由於系統設置，低廢氣速度與厚料層結構的結合導致廢氣 的長停留時間、從而與捕集煤煙相互作用(從陶瓷壁到微粒捕集裝置估計 平均100次)。總體效應是硫酸鹽實際上還原到二氧化硫(so2)、複合金 屬絲網中的一些煤煙被焚化、以及實際上從N02轉變至NO和氮。N02和 金屬絲網中煤煙之間的大量相互作用也可導致N02中的02全部釋放，致NOx還原，其取決於溫度估計達到10-15%。總體效應是不期望的疏酸 鹽和二氧化氮汙染的排放程度提高。根據一個特別的方面，本實用新型提 供一種用於收集和焚化微粒物質以清潔柴油發動機的廢氣的系統。此系統 包括柴油微粒轉換器(DPC)，其具有殼體和至少一個位於殼體中的過濾 芯。廢氣通路從柴油發動機延伸穿過DPC。柴油氧化催化劑(DOC)i殳 置於廢氣通路中。設置至少一個廢氣冷卻設備以用於控制廢氣溫度。反饋 控制系統基於如下因素控制廢氣溫度，所述因素包括DPC的壓降、DPC 前方的溫度和發動機RPM。
根據本實用新型的另一特別的方面，本實用新型提供了一種銜險物質 的N02焚化以清潔柴油發動機的廢氣的方法。本方法包括i殳置柴油微粒轉 換器(DPC)，其具有殼體和至少一個位於殼體中的過濾芯。柴油發動機 廢氣經由從柴油發動機延伸穿過DPC的廢氣通路，並由置於廢氣通路中 的柴油氧化催化器(DOC)處理。反饋控制系統根據DPC的壓降、DPC 前方的溫度和發動機RPM通過選擇性地控制廢氣冷卻設備來控制廢氣溫 度。根據另一特別的方面，本實用新型提供一種柴油微粒轉換器，其用於 焚化來自柴油發動機廢氣的微粒物質，所述柴油微粒轉換器限定了從柴油 發動機延伸穿過DPC的廢氣通路，並且包括殼體、至少一個位於殼體中 的過濾芯以及電焚化系統，所述電焚化系統適於電連接至脈衝電源以用於 焚化收集在過濾芯中的煤煙。
根據本實用新型的另一特別的方面，本實用新型提供一種電焚化^i 物質以清潔柴油發動機的廢氣的方法。本方法包括提供柴油微粒轉換器 (DPC)，其具有殼體和至少一個位於殼體中的過濾芯，以及^f吏柴油發動 機廢氣經由從柴油發動機延伸穿過DPC的廢氣通路。附聚的煤煙收集在 至少 一個過濾芯中。附聚的煤煙通過電連接到脈衝電源的電焚化系統焚 化。
本文的附圖僅用於描述的目的，在任意情況下都並不意圖限制本實用 新型的範圍。
圖l是根據本實用新型用於焚化柴油發動機廢氣微粒物質的微粒轉換 器的縱向截面圖，所示微粒轉換器包括單個過濾芯。
8圖2是沿圖1的線2-2剖取的截面圖。
圖3是本實用新型微粒轉換器的焚化器的一部分的詳細截面圖。
圖4是用於本實用新型 轉換器的直流供電系統的控制設置的示意圖。
圖5是用於本實用新型微粒轉換器的脈衝直流電源的操作循環的示意 圖，該微粒轉換器包括多個過濾芯。
圖6是與圖l類似的縱向截面圖，其示出根據本實用新型的包括多個 過濾芯的微粒轉換器。
圖7是沿圖6的線7-7剖取的截面圖。
圖8是示出在典型的柴油發動機搮作循環中發生有效焚化的概率的示 意圖。
圖9是示出在300'C-330'C焚化時的典型結果以及背壓隨時間相應降 低的示意圖。
圖10是用於柴油發動機的廢氣後處理系統的示意圖，該系統示出柴油 微粒與柴油發動機工作地互聯。
具體實施方式
以下描述的性質僅是示例性的，並非意在限制本實用新型、應用或用 途。應當了解，在所有附圖中，相應的附圖標記用以表示相同的或相應的 部件和特徵。本文的說明和任意的具體示例雖然描述了本實用新型的實施 方式，但是它們僅是為了說明的目的而並非意在限制本實用新型的範圍。 此外，對於具有所描述的特徵的多個實施方式的描述並非意在排除具有其 它特徵的其它實施方式或結合有所述特徵的不同組合的其它實施方式。
總體地參見附圖——其中所有視圖中附圖標記表示相同或相應的部 件，棉^據本實用新型構造的、所述系統的柴油微粒轉換器(DPC)總體上 用附圖標記10示出和標示。本實用新型的微粒轉換器10可用於具有大量 的亞微米或納米尺寸微粒的內燃發動機一一例如柴油發動機、壓縮天燃氣 發動機或液化天然氣發動機。微粒轉換器10可包括至少一個過濾芯12。 例如，圖1示出了具有單個過濾芯12的,轉換器10。圖6示出了具有 多個過濾芯12的微粒轉換器10。A.過濾芯
具體參照圖1和圖2，示出微粒轉換器10的過濾芯12安裝在殼體14 中，並且通常可將^的廢氣均勻地分配到由管狀構件26限定的過濾芯的 內芯。就本實用新型來說，應當了解殼體14以及過濾芯12在殼體14內的 安裝是常規的，因而在此不再另外描述。
圖1示出過濾芯12與電源16工作地互聯。該系統可包括排氣通路中 的柴油氧化催化器(DOC)。如圖所示，過濾芯12可結合有DOC。另夕卜， 過濾芯12通常可包括火花熄滅網20、複合金屬絲網附聚器22以及電焚化 器24。 DOC與發動機廢氣溫度分布配合以產生充足的N02，用於焚化復 合金屬絲網附聚器22、焚化器間隙45以及滯留屏42上遊側的煤煙結塊上 的煤煙。
過濾芯12可包括限定入口 28和出口 30的大致管狀構件26。例如來 自柴油發動機的未處理廢氣沿箭頭A的方向通it^v口 28引入過濾芯12。 過濾芯12可與流量分配器32互聯。流量分配器32可安裝在構件26中並 且4iMt以引導未處理廢氣均勻地徑向流動。流量分配器32可具有大致錐形 或柱形的形狀。
管狀構件26沿其長度方向的主要部分上可設置有孔以便於廢氣沿徑 向流動。這種布置4吏得廢氣流速降低，可通過適當地選擇有效的過濾芯穿 孔長度來調節廢氣流速。
如能在過濾芯12的圖2的截面圖中最能具體地示出的，柴油氧化催化 器可以是過濾芯12的一體部件，並且可構造成一層或多層過濾網18。本 領域中所^^P—種適當的過濾網18為密紋網。但是也可^f吏用其它網。在本 說明書的其餘部分中，應當了解，在本實用新型的範圍內，對密紋網的任 意引用均可替代以本領域所4^的其它網材料。
徑向多層的密紋網18可包括開口 ，設置開口的大小以將煤煙結塊的積 聚限制到最小、並形成彎曲的流動路徑以阻止和冷卻高溫的未燃燒燃料以 防止過濾芯12中的自燃。雖然可使用任意數量的徑向設置的層，但是在特 定實施方式中，密紋網的層數可包括2到5個繞層。網18可塗lt有鉑以加 強氣體和網的催化部位之間的碰撞和交換。所述網還可具有例如鋁的基面 塗層以增大催化表面積。替代地，貴金屬催化劑能夠通過電鍍直接地施加 到金屬網上。因此催化密紋網18用作柴油氧化催化器。但是，其一體地形成在同一過濾芯結構中。另外，網可通過燒結、銅焊或製造為限定出一個 剛性的金屬絲網基體。
用剛性的金屬絲網基體(編織的金屬絲或切削的金屬絲)製造的DOC 進一步增強了催化反應並且改善了性能。傳統的DOC由金屬或陶瓷直流 通道構成，其能夠達到每平方英寸200個通道或更多d這種小尺寸的流動 通道將廢氣流從湍流轉換成層流狀態。對於廢氣和催化部位之間的反應而 言，層流狀態不是有效的。另一方面，剛性金屬絲網基體加強了湍流並且 增加了局部湍流。這可增加催化作用、降低貴金屬的施加量並且改善催化 性能。
催化網18可有利地通過減去零件以及在一些應用中解決空間限制來 降低成本。取決於廢氣溫度，網18進一步提供了 HC和CO還原，以及將 NO緩速地轉化為N02。 一體形成該網的最不利的影響涉及降低廢氣的溫 度以防止過濾芯中的煤煙自燃，這降低了催化活性的效率。但是，降低峰 值溫度可延長催化劑的壽命。
過濾芯12可另外包括呈中間網20形式的第二徑向層。中間網可插在 密紋網18之後用作火花熄滅器。火花熄滅網20可與熱穩定器互換地使用。 網20可選擇成具有寬的開口以使煤煙積聚最小化並具有彎曲的流動通路 以冷卻由催化反應產生的任意過熱區。在某種程度上，火花熄滅器20可用 作貴金屬網18和複合金屬絲網或金屬絲網附聚器22之間的緩衝器，以明 顯降低煤煙自燃的可能性。複合金屬絲網介質22可位於火花熄滅器20之 後。在這方面，過濾芯12包括呈金屬絲網附聚器22形式的第三徑向層。
過濾芯12可另外包括徑向地位於金屬絲網介質22外側的接地網36。 接地網36可限定較大的開口。例如接地網36可包括以複合金屬絲網22 為中心巻繞的40x40平紋網。 一個或多個繞層是可接受的.網36可允許 附聚的微粒通過但又為捕集在焚化器24中的煤煙提供足夠的接地電接觸。
過濾芯12可另外包括陶瓷基隔離器40，其後是密紋網42。焚化器24 可由接地網36、隔離器40和密紋網42限定。賤金屬催化劑44可也嵌入 在焚化器24內。陶瓷隔離器40的功能是通過建立固定間隙45來提供最外 面的密紋網42和接地網40之間的電絕緣。陶瓷隔離器40可採用陶瓷線或 陶瓷網的形式，並且應當提供寬的開口區域以允許在焚化器間隙45中形成 煤煙結塊。焚化器間隙45可定義為網36和網42之間的徑向距離。間隙45的尺寸可選擇成儘量小。在這個方面，最小的尺寸受到可能導 致電流短路的制itA寸公差的限制。最小間隙尺寸可大約為0.01英寸(0.25 亳米)，儘管如果達到了更嚴格的製造^S差則可採用更小的間隙。雖然增 大的間隙可能是不期望的，但是高達大約0.02英寸(0.5毫米)或更大的 尺寸間隙在一些應用中可能是可接受的。
密紋網42可選擇成具有小的開口。在這個方面，這些開口可為大約 70微米的開口，以有效地捕獲附聚的微粒並形成結塊。來自複合金屬絲網 介質22的附聚煤煙微粒的尺寸可達到100微米或更大。能夠在密玟網的上 遊側容易地捕獲這些大微粒。反覆的試驗證明煤煙積塊的積聚厚度達到超 過0.5毫米。焚化器中低的廢氣速度有助於積塊的形成。可選擇導致不同
煤煙結塊的正確捕獲。始,持小的結塊厚度有利於增加煤煙過濾效率。
隨著煤煙結塊的繼續積聚，其厚度增大，直到煤煙積塊填滿焚化器間 隙。雖然煤煙沉積並不完全均一，但是煤煙積塊的密度隨煤煙積聚而增加。 一旦煤煙積塊接觸接地網36，則會在兩個配合網之間形成電阻。取決於煤 煙的填塞密度，電阻隨著煤煙填塞的增加而降低。例如，在十八英寸長和 三英寸的焚化器直徑的過濾芯12上的電阻達到一或二歐姆。另外發現所測 得的相同煤煙積塊的電阻隨著廢氣溫度增加而明顯地減小，導致更快的焚 化。金屬絲網附聚器22、焚化器間隙和滯留網42配合以限定一個用於收 集長時停留的煤煙的厚料層。
緩慢焚化。^吏用直流和交流電源兩者進行試驗，發現交流電源對開始和繼 續焚化過程更為有效。發現對於小的焚化器間隙和高於20(TC的溫度而言 低電壓是有效的。主要目標是使電源以普遍用於大多數汽車情形的12伏直 流電為基礎。這導致脈衝電源的;OL但是更高的電源電壓也是可接受的， 儘管超過60伏的電壓可能是不期望的。
圖6和7示出才艮據本實用新型的另一種微粒轉換器10.圖6和7的實 施方式與前述實施方式的不同之處在於其結合有多個過濾芯12。類似的附 圖標記用以表示實施方式之間的類似元件。如圖所示， 轉換器10可包 括三個過濾芯12。但M當了解，在本實用新型的範圍內可使用更多或更 少數量的過濾芯12。對於大的柴油發動機一一例如柴油發電機、機車和海 上設備等，過濾芯的數量根據需要可以是大的。B. 電源
轉到圖3和4，用於微粒轉換器10的電源可是直流電源16。直流電源 16可是12或24伏的直流電源。直流電源16可供給到斷路器50。斷路器 50可以是可變頻率和佔空比的斷路器50，其輸出供給到大電流輸出裝置 52。大電流輸出裝置52可電連接到焚化器密紋網42。
微粒轉換器10可另外包括用於控制施加焚化電源的被動控制系統或 裝置60。控制裝置16可包括用於連續地監測焚化器24電阻的控制邏輯。 當焚化器電源切斷時，另一包括大小為400至500歐姆的電阻的電路可與 焚化器電路串聯接合。此電路可用12伏直流電源供電，並且電量消耗可非 常小(例如接近O.l瓦特)。焚化器24電壓的測量表示焚化器的電阻。高 的焚化器電壓表示高的焚化器電阻，反之亦然。當焚化器24電阻降到低於 預定值或設定閾值時，大電流輸出裝置52可觸發以^焚化器24。供應 脈衝直流電，並且高達大約30至40安培的電流可湧到焚化器24，焚化煤 煙積塊。供電循環可持續預選的時間長度。預選的時間長度可以是小的， 例如約5分鐘。在循環結束時，重新測量焚化器24的電阻，並且當其低於 設定的閾值時，立即開始另一供電循環，直到煤煙被焚化一一其通過焚化 器24的電阻增大到高於閾值來表示。儘管閾值取決於焚化器表面積，但典 型的電阻是0.5至1.0歐姆。大的表面積具有低的閾值，反之亦然。
電源可升級以用於多個過濾芯的情形一一其在大的柴油發動機中是典 型的。圖5示出用於多濾芯銜^轉換器10 (如圖6和7中所示)的供電循 環。電源可以預定的時間(例如10分鐘)順序掩^過濾芯12，然後測量 一個過濾芯12處的電阻並且繼續以啟動新的供電循環或否。
C. 焚化過程和操作
在此所限定的焚化過程是一個緩慢的過程，其中所收集和存儲在複合 金屬絲網22、焚化器間隙45內和滯留網42上遊側上的煤煙都可氧化成無 毒物質，主要地是C02和H20。由於煤煙氧化放出的熱量M氣稀釋。存 在四個可有助於焚化過程順利完成的因素。這些因素可包括l)適中的廢
氣溫度；2)微量N02的產生；3)在焚化器中採用賤金屬催化劑；以及4) 脈衝直流輔助電源。所述四個因素的組合可有助於在柴油發動機的幾乎所 有驅動/操作循環中都實現高統計概率的有效焚化。總體效應是實現所收集 和所焚化的煤煙之間的平衡。過量煤煙收集或過量煤煙焚化這兩種情況都是不期望的。應當了解，本實用新型可用於多種不包括所有這四種因素的
系統。在低達200。C的溫度時，發生焚化但是焚化速度低得多。在接近350'C 的溫度時，完全的焚化通過存在賤金屬催化劑和N02實現。當廢氣溫度達 到350'C時，不需要電焚化，並且因此電源斷路器自動切斷。在一些於轉 換器入口處常常具有350。C的廢氣溫度讀數的應用中，這可有效地將燃料 消耗降低到一個低的程度一一估計為0.1%,
雖然電源可提供充分的熱量以維持焚化，但是低的廢氣溫度(例如大 約IOO'C )使得焚化非常慢並且不充分。這種長時間的一一例如30至50 小時一一發動機操作情況的發生概率很低。在實際生活中，由於長時間的 低廢氣溫度引起的有效焚化不足可導致過濾芯背壓的增加。如果這種情況 進一步延長，則焚化器上大的煤煙微粒通過焚化器密紋網祐^釋放到大氣中 以^^放一部分高的背壓。這些辨，放的微粒的尺寸大，並且落在PM 10和 PM2.5的限定範圍之外，這樣，它們不構成限定的微粒汙染。另外，在這 種低概率事件下微粒轉換器不會干擾發動機操作，在大多數過濾介質中也 不會導致堵塞。
複合金屬絲網介質22和焚化器24的微粒存儲量是大的。這使得與陶 瓷捕集器相比，過分不正常的發動;MSHt情況一一例如長時間空轉或低發 動機栽荷一一對發動機性能的影響較不嚴重。 一旦發動機栽荷增加且廢氣 溫度超過300。C，則改正到正常的背壓。
應當注意，呈脈沖直流形式的電量消耗專門地用於加熱煤煙，並且在 存在02和N02的情況下，其使得焚化機制有效。但是，可能^it遇電熱 損失，因為1)廢氣流冷卻效應以及2)焚化器局部的電阻相對較高，所導 致的電流是低的、並且進而焚化變慢。通過持續地監測焚化器電阻，當焚 化概率高時脈衝電源自動地接通。這將電量消耗限制到非常低的程度，在 大多數汽車情形下，估計的燃料消耗為約0.1%。當在轉換器入口處廢氣溫 度達到300'C、最大高達375'C時一一這在大多數汽車情形中是4艮常見的， 用N02來氧化煤煙就足以連續地清潔所積聚的煤煙而無需電力輔助。通常 假設在10-20%的時間中會出現這種300-375。C的溫度。在低於300'C的驅 動循環中，隨著需求升高，電源將自動地輔助焚化。
賤金屬催化劑以金屬絲或網的形式實施，並可應用例如鐵、銅、釩、 鈣、鎂等單種元素或其化合物。催化劑可呈繞線的形式，或者呈繞在陶資 線或網(未圖示)上遊的網的形式。賤金屬催化劑的選擇是其能夠在這種
14操作環境中iSii4地氧化。因此，催化劑網的厚度應當非常小以使焚化器間 隙的總厚度最小化。此標準使得金屬催化劑的厚度最優選為約0.005英寸 (O.l毫米)。賤金屬催化劑對於降低煤煙點燃溫JU1有效的，從而非常有 助於焚化過程。
轉到圖10的示意圖，示出的是用於根據本實用新型構造的柴油發動機 的後處理系統IOO。示出系統100與柴油發動機102工作地互聯。柴油發 動機102可是任意類型的，但特別地可包括具有高廢氣溫度分布的柴油發 動機。
柴油發動機廢氣可通過冷卻管103引入到系統100。輻射冷卻管103 可設計成將最大溫度限制到一個中等的程度。在這個方面，約700°C-750°C 的廢氣溫度可降低到例如大約400。C。
經歷瞬態操作模式的發動機一 一例如汽車的情形一一可結合具有高熱 慣性的熱穩定器。在這個方面，熱穩定器104可設置用於調平廢氣溫度波 動。這種穩定器可由具有足夠重量的燒結編織金屬線構成以提供高的熱慣 性、高的透過性以減小壓降，以及提供良好的導熱性以減小溫度波動。編 織的金屬絲能夠以加熱和冷卻兩種方式快速地與廢氣交換熱量。結果，波 動和瞬態的廢氣溫度峰值和谷值變平並平均化。這導致對焚化更有利的廢 氣溫度分布，因為峰值溫度可導致焚化失控而低溫則不能提供焚化。在本 文沒有另外說明的情況下，熱穩定器104將被理解為傳統的熱穩定器。
系統100可包括至少一個冷卻i殳備，該冷卻設備選自用於將環境空 氣注入廢氣中的鼓風機、用於將水注入廢氣中的泵、以及通過調製空氣風 扇搮作的廢勺外界空氣熱交換器。在這個方面，可設置鼓風機105以將外 部冷空氣注入到柴油氧化催化器107的前方。鼓風機105可用下述方式控 制以有效地焚化和有效地操作發動機。簡言之，根據需要，在需要煤煙積 聚循環時，鼓風機105可由電控模塊106致動.如下面將描述的，鼓風機 105可根據柴油微粒轉換器110的壓力以及轉換器110的進氣溫度由電控 模塊106控制。
一些柴油發動機的特徵在於具有高溫廢氣分布，其在與高度活性的柴 油氧化催化劑(DOC)耦聯時能夠提供高效、持續但間歇的焚化。例如， 某些氧化催化劑能夠在150'C至175。C的廢氣溫度時提供25%的NO至 N02的轉化效率。這種轉化效率能夠提供足夠的焚化。在更高的廢氣溫度時，轉換率更高並且焚化率更高。過度的焚化可導致聚積效率的降低。因 此，期望提供控制焚化過程的裝置以確保對於操作於瞬態及穩態務降下的 發動機而言煤煙聚積效率和相關的背壓維持在最優的狀態下。
如所述的，系統100可包括用於控制廢氣溫度的反饋控制系統。及^饋 控制系統可包括基於在給定的發動機RPM以及轉換器入口溫度下將背壓 維持在最優水平的閉環控制邏輯。在這個方面，反饋控制系統可基於包括 DPC的壓降、DPC前方的溫度和發動機RPM等的因素來控制廢氣溫度。 反饋控制系統可以操作以監測廢氣溫度並響應於預定的4H^提供冷卻。在 給定發動機^Mt條件一一例如轉換器前方的溫度和發動機RPM——下測 量到的壓降需要轉換成參考壓降數據。這種參考壓降數據可提供於特定溫 度和發動機RPM下的查閱表中。為了評估的目的，將所計算的壓降與參 考條件下的等效壓降相比較。
最優轉換器條件是以最佳的煤煙減少效率和合理的壓降為基礎的，其 可通過映射來建立。廢氣冷卻控制的幾種替代方案也是可接受的。例如， 注入例如外界空氣或水等冷的流體可以是有效的。替代地，通過提供廢氣 對流冷卻的調製空氣風扇來操作的廢^/外界空氣熱交換器也是有效的。
ECU (電子控制單元)106可響應於第一信號^Mt，以控制用於引入 冷卻空氣的鼓風機105。笫一信號可響應於預定壓力而產生。通過壓力傳 感器109在柴油 轉換器110的兩側測量這個壓力。柴油微粒轉換器可 與上述的類似。如果背壓低於目標壓力，則柴油微粒轉換器允許煤煙積聚。 這通過啟動冷卻模式來限制焚化而實現。另一方面，如果背壓高於目標壓 力，則通過停止冷卻模式來允許焚化，直到背壓達到目標背壓。實際背壓 與目標背壓的高達10。/。的波動是允許的。這樣，這種控制過程類似於恆溫 控制功能。
目標控制功能通過允許焚化發生或將焚化抑制/限制到最小來實現。這 通過將廢氣冷卻到最低水平以使得煤煙積聚來實現。替代地，可增加廢氣 溫度以提供最大的焚化。 一種有效、簡單的方法是用鼓風機105將外界空 氣在DOC 107前方注入到廢氣中。可調製所注入的空氣以獲得最大的效 率。當使用熱穩定器時，鼓風機的響應時間變得較不重要，因為廢氣溫度 的波動是小的。注入空氣的量佔廢氣的一小部分，例如通常小於10%。
系統100可包括用於測量DPC 110前方的廢氣溫度的安全特徵，以確保在任意發動機操作條件下的最高廢氣溫度都不超過特定的閾值一一該 閾值會導致不受控的焚化。在這個方面，監測轉換器前方的溫度，並將之
與預設的溫度相比較。信號可通過位於DPC 110進口處的溫度傳感器108 響應於預定的入口溫度來產生。當廢氣溫度高、並且所導致的因煤煙焚化 而釋放的熱量為高時，綜合效果有可能導致加速的或失控的焚化(相當於 失控的再生)。當這種溫度M出現時，不論轉換器110的背壓如何，總是 通過鼓風機注入最大的空氣以降低溫度，直到轉換器110前方的廢氣溫度 達到安全閾值.
在操作中，可通過監測DPC的壓降、監測DPC前方的溫度信號和發 動機RPM來操作反饋控制系統以提供有效的焚化。反饋控制系統可計算 在給定發動機操作條件下的具體壓降並且將其與閾值數據比較。例如，閾 值數據可從查閱表中獲得。在這個方面，當監測的具體壓降低於預定的具 體壓降時、以及當監測的溫度高於預定的溫度閾值時，反饋控制系統可以 操作以控制廢氣冷卻功能。
在多個示例中，本實用新型提供了一種DPC，其為一種被動i殳備，在 發動機廢氣系統附近沒有主動部件、傳感器和電子部件.整個系統的操作 可完全獨立於發動機操作。該系統對亞微米和納米 可具有達到95至 99%的非常高的附聚效率。大部分這些附聚,被焚化成無毒的副產物。 如同本領域類似設備的情形， 一些微粒逸出到尾管。在它們的尺寸對於PM 10標準而言超過10微米、對於PM 2.5標準而言超過2.5微米的情況下， 這種微粒的尺寸是大的，並且不構成微粒汙染。結果，轉換器具有兩組微 粒減少效率，即測量效率(基於總逸出微粒)和認可效率(基於PM10/PM2.5 標準)。
在此描述的系統可進一步包括將離開DPC的廢氣流體連接到柴油發 動機的廢氣再循環(EGR)系統、以及一個閥，以選擇性地將廢氣從DPC 轉向EGR系統，其中注入到發動機進氣口中的廢氣已被低溫冷卻並且基 本上清除了任意易逸出的微粒.增加這種系統稱作低壓EGR系統。與高 壓EGR系統相比，這種系統提供非常好的性能，因為低壓EGR系統提供 對氣體的清潔和低溫冷卻，而高壓系統則不能實現這些功能。EGR系統可 基本上類似於美國專利No. 7,266,943中所述的ERG系統。在此通過參引 的方式將美國專利No. 7,266,943在的全文結合入本文中。
雖然已經在說明書中描述了具體的示例並示於附圖中，但是本領域的技術人員應當了解可作出多種改變，並且可使用等同元件來^^替其元件而 不背離由權利要求限定的本實用新型的範圍。另外，在此可清楚地想到各 示例之間的特徵、元件和/或功能的混合和配合，使得本領域的技術人員將 通過本實用新型了解到一個示例的特徵、元件和/或功能可適當地結合到另 一個示例中，除非上文另外地說明。此外，可作出許多改型以使具體的情 況或材料適於本實用新型而不背離本實用新型的實質性範圍的情況下。因 此，本實用新型不被附圖中所示、說明書所述、作為目前想到的執行本實 用新型的最佳實施方式的具體示例所限制，相反地，本實用新型的範圍將 包括任意落在上文的描述或任意所附的權利要求的範疇內的實施方式。
權利要求1.一種柴油微粒轉換器(DPC)，其用於收集和焚化來自柴油發動機廢氣的微粒物質，所述DPC包括廢氣通路，其從柴油發動機延伸穿過所述DPC；殼體；以及至少一個過濾芯，其位於所述殼體中，所述DPC的特徵在於還包括電焚化器；以及脈衝電源，其連接到所述電焚化器以焚化所收集的煤煙。
2. 如權利要求1所述的DPC，進一步包括位於所M氣通路中的柴 油氣化催化器(DOC)。
3. 如權利要求2所述的DPC，其中所述DOC由燒結的金屬絲網基 體構造，以提供廢氣的低壓降、髙混合和湍流條件，從而能夠施加少量的 責金屬。
4.如權利要求1所述的DPC，其中所述過濾芯包括至少一個徑向的 復^T屬絲網層，所述復^r屬絲網層的厚度為15毫米至25毫米、限定 附聚器。
5.如權利要求1所述的DPC，其中所述電焚化器包括兩個徑向包繞所述復^r屬絲網附聚器的不鏽鋼密紋網。
6.如權利要求4所述的DPC，其中所述過濾芯進一步包括火花熄滅 網，所述火花熄滅網由多層大口徑的密紋網構成，所述多層密紋網設置為 所述過濾芯的上遊一體內部部件。
7.如權利要求4所述的DPC，其中所述過濾芯進一步包括呈網狀的 氣化催化器，其用作所述過濾芯的位於火花熄滅網之後的內部部件。
8.如權利要求1所述的DPC，其中所述電焚化器包括 電接地的內側大口徑密紋網； 連接到脈衝電源的外側小口徑密紋網； 賤金屬催化刑網；以及陶瓷隔離器，其位於所述內側兩和所述外側網之間以提供0.25毫米到 0.50毫米的電絕緣間咪。
9.如權利要求8所述的DPC，進一步包括電源，用於提供通過捕集 於所述焚化器間味內的煤煙的脈衝電能以進行焚化。
10.如權利要求8所述的DPC ，其中所述賤金屬催化器選自纏繞金屬 絲和平網之一。
11. 如權利要求8所述的DPC，其中所^卜側網限定多個直徑為70 微米或更小的開口以用作濾器，從而保持住呈結塊形式的附聚煤煙微粒， 並允許過量煤煙的壓力釋，it從而防止廢氣通路的堵塞。
12. 如權利要求1所述的DPC，其中所述電焚化器的脈衝電源在12 伏特至48伏特直流電的範圍內，並且以100赫茲至IO，OOO赫茲的頻率、 以及10%至30%的低佔空比施加。
13. 如權利要求1所述的DPC，進一步包括熱穩定器，所述熱穗定器 位於所述DOC前方的廢氣通路中，用於將廢氣溫度降到低於400'C以及增 加N02焚化機構的耐用性；所述熱穗定器由具有高導熱性、高熱慣性和高 透過性的燒結金屬絲網差^體構成。
14.如權利要求1所述的DPC，進一步包括^U^的廢氣再循環系統 (EGR)，所M氣再循環系統將離開所述DPC的廢氣通過閥流體連接到 所述柴油發動機的進氣口，以選擇性地將廢氣從所述DPC轉向所迷發動 機，其中所述EGR流被低溫冷卻並且基本上清除了任意易逸出的汙染物。
15.如權利要求1所述的DPC,其中所述過濾芯包括: 至少一個徑向層，其限定復^r屬絲網附聚器；以及 電焚化器，其徑向地包繞所述金屬絲網附聚器。
16. 如權利要求1所述的DPC，進一步包拾沒置為所述過濾芯的一體 內部部件的火花熄滅網。
17. 如權利要求1所述的DPC，進一步包括作為所述過濾芯的一體內 部部件的氣化催化劑網。
18. 如權利要求16所述的DPC,其中所述火花熄滅網由多層帶有開 口的密紋網構成，所述開口的尺寸用以將煤煙積聚限制到最小，並構造有 彎曲的流動路徑以捕獲和冷卻高溫的未燃燒燃料以防止過濾芯中的自燃。
19. 如權利要求1所述的DPC，其中所述焚化器包括 內側接地網；外側網；賤金屬催化器；以及陶瓷隔離器，其位於所述內側網和所述外側網之間以形成兩者之間的 間咪，所述間隙由所收集的煤煙導電地橋接。
20.如權利要求19所述的DPC，其中所述陶瓷隔離器限定0,25毫米 至0.5毫米的固定間隙。
21.如權利要求19所述的DPC,其中所述外側網限定多個直徑為70 微米或更小的開口。
22.如權利要求1所述的DPC，進一步包M動控制裝置，用於監測 所述焚化器的電阻並響應於預定的閾值電阻致動所述焚化器。
23.如權利要求1所述的DPC，其中所述復^T屬絲網附聚器和所述 外側網配合以提供具有長停留時間的厚料層。
24.如權利要求1所述的DPC，進一步包括將離開所述^^轉換器的 廢氣流體連接到所述柴油發動機的廢氣再循環系統(EGR)和閥，以選擇 性地將廢氣從所述Jb^轉換器轉向所述EGR系統，其中注入到發動機進 氣口的廢氣被低溫冷卻並M本上清除了任意易逸出的汙染物。
專利摘要本實用新型提供一種用於處理柴油廢氣微粒物質的柴油微粒轉換器，其涉及柴油發動機的後處理設備領域。該轉換器用於收集和焚化來自柴油發動機廢氣的微粒物質，旨在解決現有技術中此類微粒物質的收集和焚化效率低下的問題。該轉換器包括從柴油發動機延伸穿過所述微粒轉換器的廢氣通路；殼體；至少一個位於所述殼體中的過濾芯；電焚化器；以及連接到所述電焚化器以焚化所收集的煤煙的脈衝電源。
文檔編號F01N3/023GK201277081SQ20082011532
公開日2009年7月22日 申請日期2008年5月26日 優先權日2007年5月25日
發明者裡法特·卡梅爾 申請人:裡法特·卡梅爾