柴油機廢氣微粒過濾裝置的製作方法
2023-05-28 10:51:56
專利名稱：柴油機廢氣微粒過濾裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及對柴油發動機排放的廢氣中的微粒物質進行收集並對其加熱燃燒、使廢氣淨化的柴油機廢氣微粒過濾(dieselparticulate filer)裝置。
過去，對發動機排放的廢氣進行淨化用的排放氣體處理裝置是，把收集微粒物質的過濾器的通路面積擴大，使碳等微粒物質堆積在過濾器的前面部分，收集起來。為了對堆集在過濾器內的微粒物質進行燃燒，在過濾器的一部分上安裝加熱器，使加熱器通電對微粒物質進行加熱燃燒，以此來淨化和回收過濾器。
例如，實開平1-44427號公報所公開的柴油微粒過濾裝置就是把排放的氣體通入到過濾器主體內，由該過濾器主體來收集排氣中的碳、煙等微粒物質，當過濾器主體被其上面堆積的微粒物質堵塞時，進行氣流切換，即切斷進入該過濾器主體內的排放氣流，使其流入到另外的過濾器主體內，從被堵塞的過濾器主體的下流一側送入空氣，對過濾器主體進行加熱，使堵塞的微粒物質進行燃燒。
在從柴油發動機中排放的氣體中包含碳、煙、HCl、SOx等微粒物質。微粒物質是碳和碳氫化合物的合成物，其顆粒尺寸有很大的，也有很小的，具體的粒徑範圍是40μM-0.1μM，其中20μM左右的較多，這些微粒分散在排放氣體中。現存的問題是在這些微粒物質中尤其是0.25μM以下的小微粒對人體喘息等造成不良影響。
然而，直徑小的微粒物質能通過過濾器，所以很難用過濾器進行捕集。因此，如何捕集這些尺寸小的微粒物質已成為防止大氣汙染方面的重大課題。
但是，從燃燒室通過排氣管而排放出的廢氣中所包含的微粒物質，具有在通過排氣管時與排氣管壁面相接觸而帶電的特性。已帶電的微粒物質的顆粒，其特點是在排放氣體的高溫氣氛中進行活躍的顆粒運動，釋放出所帶動電子，傾向於以微粒狀態進行運動。
然而，當排氣溫度降低時，出現微粒分別開始帶電進行凝聚，粒徑增大的現象。在排氣溫度低的環境中，粒徑增大的微粒物質如果帶電，那麼，帶電的微粒就會附著到具有不同極性的構件材料上。
再者，由過濾器捕集的微粒物質，如果有氧氣存在並被加熱到約600℃以上，那麼就能與氧氣進行反應，容易被燃燒掉。因此，柴油微粒過濾裝置必須對過濾器主體上所收集的微粒物質進行加熱燃燒，使過濾器主體淨化，以便重新回收使用。為了再生利用過濾器主體，可以一邊使排放氣體流入到過濾器主體內，一邊向金屬網通電，把溫度提高到微粒物質燃燒的狀態。
再者，在利用陶瓷纖維製作過濾器的情況下，堆積在纖維之間的微粒物質，當其溫度上升到約600℃以上時，就會著火燃燒，被燒掉。由於堆積在陶瓷纖維之間的微顆物質是以三維空間形式進行堆積的，所以在微粒物質之間容易形成間隙，排放氣體容易進入微粒物質之間，利用排放氣體中所含有的空氣來使微粒物質著火燃燒。
本發明的目的是為了解決上述問題，提供這樣一種柴油機廢氣微粒過濾裝置，即在結構上從兩側用金屬網來對由陶瓷纖維等材料構成的過濾器主體進行夾持，根據微粒物質在低溫時通常帶負電的特性，使排氣溫度下降，在排氣流的上流側的帶電器上加負電極，在下流側的金屬網上加正電極，同時將其作為加熱器使用，使通過過濾器的排放氣體中所包含的微粒物質顆粒在通過上流的金屬網時帶負電，使濾波器主體未能捕集到而被漏掉的微粒物質附著到下流側的加有正電極的金屬網上被收集起來。
本發明涉及這樣一種柴油機廢氣微粒過濾裝置，即其構成部分包括排氣管，用於排放從發動機中排出的廢氣；冷卻器，用於冷卻上述廢氣，位於上述排氣管上；外殼，它被連結在上述冷卻器上；過濾器主體，它位於上述外殼內，並且用於收集從上述冷卻器中送出的廢氣中所包含的微粒物質；帶電器，它具有位於上述過濾器主體的上流側，而且使上述微粒物質帶負電的負電極；以及金屬網，它具有位於上述過濾器主體的上述廢氣的下流側的面上而且能吸附帶負電的上述微粒物質的正電極。
上述冷卻器由下述內筒和外筒構成，內筒與上述排氣管相連通，其上形成了許多通孔；外筒位於上述內筒的外周，其上形成了波紋狀冷卻片結構。上述廢氣從上述內筒通過上述通孔而衝向上述外筒的壁面，通過上述內筒和上述外筒之間的冷卻通路，被送入到上述過濾器主體內。
上述過濾器主體，其帶有彎曲褶子部的構件整體形成筒狀，上述廢氣從上述過濾器主體的外周一側被送到內周一側。並且，上述過濾器主體由陶瓷纖維材料的無紡布構成。
上述帶電器由格子狀帶電器構成，該格子狀帶電器由布置在上述過濾器主體的上流側的上述褶子部分之間的格子狀電極構成。或者，上述帶電器由金屬網式帶電器構成，該金屬網式帶電器由布置在上述過濾器主體上的上流側金屬網和下流側金屬網構成。
在上述過濾器主體上收集到的上述微粒物質超過預定規定的量之後，就進行響應，使上述下流側金屬網或上述上流側金屬網通電，對在上述過濾器主體上所收集的上述微粒物質進行加熱燃燒，對上述過濾器進行淨化和回收利用。
該柴油機廢氣微粒過濾裝置，由於採用了以上構成，所以，從柴油發動機中排出的廢氣從排氣管通過冷卻器進行冷卻，廢氣中的微粒物質的顆粒進行帶電，微粒分別進行凝聚，使粒徑增大，使微粒物質成為到用過濾器主體能夠捕集到的尺寸，同時使微粒物質通過加有負電極的金屬網，很容易使微粒物質帶負電，即使微粒物質未能被過濾器主體捕捉住而通過去時，也能附著到加有正電極的下流側金屬網上而被捕集起來，使廢氣變成清潔後的氣體而排放到大氣中，並且，當對過濾器主體進行淨化回收時，如果把上流側金屬網或下流側金屬網作為加熱器使用，對被捕集到的微粒物質進行加熱燃燒，那麼，可以使過濾器主體被回收再利用。
所以，若採用該柴油機廢氣微粒過濾裝置，則能捕集到問題尤為突出的0.25μM以下的小粒徑微粒物質，能對排放的氣體進行淨化，因此不會引起環境汙染問題。
附圖的簡單說明
圖1是表示採用本發明的柴油機廢氣微粒過濾裝置的一個實施例的概要剖面圖。
圖2是表示相當於圖1的Ⅰ-Ⅰ剖面的部分的一個實施例的剖面圖，是表示帶電器的一個實施例同時表示加熱器的說明圖。
圖3是對圖1的柴油機廢氣微粒過濾裝置中的過濾器主體和金屬網的關係的概要剖面圖。
圖4是表示相當於圖1的Ⅰ-Ⅰ剖面的部分的另一實施例的剖面圖，是表示帶電器的另一實施例的說明圖。
以下參照附圖，詳細說明本發明的柴油機廢氣微粒過濾裝置的該柴油機廢氣微粒過濾裝置被連接到用於排放構成發動機的燃燒室20的廢氣的排氣管19上，捕集廢氣中所包含的微粒物質，對被捕集的微粒物質進行加熱燃燒，對廢氣進行淨化。該柴油機廢氣微粒過濾裝置由連接在排氣管19上的冷卻器3、以及被布置在冷卻器3的廢氣流G的後流上的過濾器1構成。過濾器1被安裝在外殼2內，它由能捕集柴油發動機廢氣中所包含的碳、煙、HC和SOx等微粒物質、耐熱性能良好的陶瓷纖維等材料構成。
該柴油機廢氣微粒過濾裝置，其主要構成部分有排氣管19，用於排出從燃燒室20來的廢氣；冷卻器3，它與排氣管19相連結，用於冷卻廢氣；外殼2，用於構成與冷卻器3相連接的過濾器1；過濾器主體11，用於捕集外殼2內的廢氣中所包含的微粒物質；上流側金屬網12，它具有位於過濾器主體11的廢氣流G的上流側的面上而且通過線路18使微粒物質帶負電的負電極；以及下流側金屬網13，它具有位於過濾器主體11的廢氣流G的上流側的面上，而且通過線路18來吸附帶負電的微粒物質。
再者，控制器10在使廢氣流入到過濾器1內時，利用直流電源17把電壓加到金屬網式帶電器或格子狀帶電器上。
金屬網式帶電器示於圖2和圖3，在金屬網式帶電器中，通過線路18和端子21在上流側金屬網12上加負電極；通過線路18和端子22在下流側金屬網13上加正電極。
或者，如圖4所示的格子狀帶電器，其控制方法是通過線路18和端子21在格子狀電極27上加負電極；通過線路18和端子22在下流側金屬網13上加正電極。
冷卻器3由以下波紋管4和內筒5構成，該波紋管4，其一端上設有法蘭23，而且在另一端上連接用於構成過濾器1的外殼2；該內筒5位于波紋管4的內側，而且用於在內外分別形成廢氣通路7和6。
內筒5位于波紋管4內，並且二者的中心位置相同，在內側形成了內側廢氣通路7；在內筒5和波紋管4之間形成了外側廢氣通路6。在波紋管4上形成了與外部大氣相接觸的冷卻葉片25，並且在內筒5上形成了使廢氣通過的通孔8。
波紋管4，在與內筒5之間所形成的外側廢氣通路6的一端由法蘭23封閉，廢氣通路6的另一端與在外殼2內所形成的入口側廢氣通路9相連通，過濾器1側的端部由屏蔽板14進行封閉。所以，從排氣管19送入到冷卻器3內的廢氣從內筒5的內側廢氣通路7通過通孔8而流入到外側廢氣通路6內，從外側廢氣通路6流入到過濾器1的入口側廢氣通路9內。已流入到冷卻器3內的廢氣被冷卻器3進行冷卻，使微粒物質凝聚，粒徑增大。
過濾器1，其結構是在入口側中央部由端部屏蔽板15封閉，在出口側中央部16被打開，外側由外殼2進行封閉。過濾器1由過濾器主體11、以及從兩側對過濾器主體11進行夾持的上流側金屬網12和下流側金屬網13構成。
上流側金屬網12位於過濾器主體11的上流側表面上，利用控制器10的控制，從電池17等直流電源中通過線路18和端子21而加上負電。並且，下流側金屬網13位於過濾器主體11的下流側表面上，利用控制器10的控制，從電池17等直流電源中通過線路18和端子22而加上正電。
再者，當過濾器主體11上所捕集的微粒物質超過規定量時，為了對過濾器主體11進行回收處理，通過線路28和端子31和32使上流側金屬網12或下流側金屬網13通電，把上流側金屬網12或下流側金屬網13中的某一個作為加熱器使用，能對微粒物質進行加熱使其燃燒。
過濾器1的製作方法是例如對陶瓷纖維進行疊層，形成氈狀的過濾器主體11，在其兩側用包含耐熱性Ni、Cr等在內的金屬網12、13進行按壓，使其形成規定的形狀。在圖中，過濾器1是把陶瓷纖維材料的過濾器主體11製成筒狀並彎曲成褶子狀，形成褶子部分30，該形狀使過濾器的表面面積增大，但是也可以製成圓筒形、平板形和波紋形等其他形狀。過濾器主體11由耐熱性良好的陶瓷纖維無紡布等材料構成。構成過濾器主體11的材料可用這樣一種無紡布來形成，例如對表面上被覆SiC的Si3N4和/或SiC(Si-C-O、Si-Ti-C-O、Si-C)陶瓷纖維無定向地進行疊層而製成，陶瓷纖維的纖維直徑例如為5-15μm，長度為30-150mm。並且，疊層成氈狀的陶瓷纖維材料，其厚度為3-5mm。
控制器10這樣進行控制當過濾器主體11上捕集到的微粒物質超過規定量時即作出反應，通過線路28和端子31、32來使上流側金屬網12或下流側金屬網13進行通電，把上流側金屬網12或下流側金屬網13作為加熱器使用，對過濾器主體11進行回收再利用。過濾器主體11上的微粒物質捕集量可以利用對廢氣壓力進行推測的壓力傳感器或者對過濾器流動阻力進行推測的傳感器等來進行推測。
該柴油機廢氣微粒過濾裝置，其構成如上所述，其動作可按以下方式進行。
從排氣管19流入到冷卻器3內的廢氣，從內筒5的內側廢氣通路7通過通孔8流入到外側廢氣通路6內，在外側廢氣通路6的冷卻葉片25中通過時被冷卻，由於被冷卻而使廢氣中的微粒物質一邊進行凝聚，一邊增大粒徑，從外側廢氣通路6中流入到過濾器1的入口側廢氣通路9內。在過濾器1中廢氣從外殼2和過濾器1之間所形成的入口側廢氣通路9中通過過濾器1，廢氣中所包含的微粒物質被捕集在上流側金屬網12，過濾器主體11和下流側金屬網13上，廢氣變成清潔的氣體，從中央部16排出到廢氣通路24內。
控制器10如圖2所示，通過線路18和端子21把負電從直流電源17加到上流側金屬網12上；通過線路18和端子22把正電加到下流側金屬網13上。所以，通過過濾器1的已被冷卻廢氣在通過上流側金屬網12時，廢氣中的微粒物質帶負電，然後大的微粒物質被過濾器主體11捕集，但是由於已通過3過濾器主體11的微粒物質帶負電，所以這些微粒物質被吸附到帶正電的下流側金屬網13上，收集在一起。
控制器10對在過濾器1上已捕集到規定量的微粒物質進行響應，通過線路28和端子31或32來使上流側金屬網12或下流側金屬網13通電，將其作為加熱器使用，對被捕集的微粒物質進行加熱使其燃燒，對過濾器1進行回收利用。
如圖4所示，為使微粒物質帶電的帶電器也可以構成格子形狀。格子狀帶電器由位於過濾器主體11周圍的環形線路26、以及分別從環形線路26布置到褶子部30和褶子部30之間的格子狀電極27構成。格子狀電極27形成了沿著過濾器主體1的褶子部30之間進行延伸的金屬網形狀，通過格子狀電極27的微粒物質將帶電。格子狀帶電器的功能與上述由上流金屬網12和下流金屬網13構成的金屬網狀帶電器相同。
權利要求
1．一種柴油機廢氣微粒過濾裝置，其構成部分如下排氣管，用於排放從發動機中排出的廢氣；冷卻器，用於冷卻上述排氣管排放的上述廢氣；外殼，它被連結在上述冷卻器上；過濾器主體，它位於上述外殼內並且用於捕集從上述冷卻器中流出的上述廢氣中所包含的微粒物質；帶電器，它具有位於上述過濾器主體的上流側、而且能使上述微粒物質帶負電的負電極；以及金屬網，它具有位於上述過濾器主體的上述廢氣的下流側的面上、而且能吸附帶負電的上述微粒物質的正電極。
2．如權利要求1所述的柴油機廢氣微粒過濾裝置，其中，上述冷卻器由下述內筒和外筒構成，該內筒與上述排氣管相連通而且其上面形成了許多通孔；該外筒形成了位於上述內筒外周的波紋冷卻葉片結構，上述廢氣從上述內筒中通過上述通孔，衝向上述外筒的壁面，通過上述內筒和上述外筒的之間的冷卻通路，流入到上述過濾器主體內。
3．如權利要求1所述的柴油機廢氣微粒過濾裝置，上述過濾器主體帶有被彎曲的褶子部的構件材料，整體形成筒狀，上述廢氣從上述過濾器主體的外周側流入到內周側。
4．如權利要求3所述的柴油機廢氣微粒過濾裝置，其上述帶電器由下述格子狀帶電器構成，該格子狀帶電器由位於上述過濾器主體的上流側的上述波紋部之間的格子電極構成。
5．如權利要求1所述的柴油機廢氣微粒過濾裝置，其上述帶電器由下述金屬網式帶電器構成，該金屬網式帶電器由位於上述過濾器主體內的上流側金屬網和下流側金屬網構成。
6．如權利要求1所述的柴油機廢氣微粒過濾裝置，其上述過濾器主體由陶瓷纖維材料的無紡布構成。
7．如權利要求1所述的柴油機廢氣微粒過濾裝置，其中，在上述過濾器主體上所捕集到的上述微粒物質超過預先規定的量時產生響應，使上述下流側金屬網和上述上流側金屬網通電，將其作為加熱器使用，對在上述過濾器主體上已捕集到的上述微粒物質進行加熱使其燃燒，對上述過濾器主體進行回收利用。
8．如權利要求1所述的柴油機廢氣微粒過濾裝置，上述廢氣被上述冷卻器冷卻，使上述微粒物質進行凝聚，使粒徑增大。
全文摘要
該柴油機廢氣微粒過濾裝置利用下流側金屬網來捕集經過上流側金屬網而帶負電的微粒物質,把冷卻廢氣的冷卻器連結到排出發動機廢氣的排氣管上,在冷卻器的下流設置過濾器。過濾器的構成部分有:對外殼內的廢氣中的微粒物質進行捕集的過濾器主體,具有位於過濾器主體上流側面上使微粒物質帶負電的負電極的上流側金屬網、以及具有位於過濾器主體下流側面上並吸附帶負電的微粒物質的正電極的下流側金屬網。
文檔編號F01N3/022GK1309232SQ0010085
公開日2001年8月22日 申請日期2000年2月15日 優先權日2000年2月15日
發明者河村英男 申請人:株式會社五十鈴矽酸鹽研究所