CN100356041C - 一种柴油车碳烟过滤－电直热再生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种柴油车碳烟过滤-电直热再生装置，包括电控部分、电直热发热体、泡沫陶瓷主过滤器，电直热发热体与泡沫陶瓷主过滤器一起安装于与排气管相连的净化器封装外壳内。电直热发热体由一个或多个泡沫陶瓷电直热单元构成，采用集中加热或分散式加热方式组合，泡沫陶瓷主过滤器主要材料采用碳化硅泡沫陶瓷，采用壁流式或相互啮合的“王”字形或“锯齿”形结构。本发明装置具有良好、可控的导电性能，能实现对柴油车颗粒和碳烟排放的有效过滤，并可以由车载电源供电，在行驶状态下进行原位再生，使柴油车在较长的行驶里程内都能满足严格的排放净化标准，具有效果好、柴油车改造简单、成本低、原位再生、寿命长的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种电直热柴油车碳烟过滤系统，具体地说是一种以泡沫碳化硅陶瓷为过滤装置载体和电加热体、能有效降低柴油车微粒排放，并能快速原位再生、重复利用的柴油车过滤净化装置。
背景技术
柴油车排放控制的主要对象是HC、CO、NOx以及微粒物。其中，HC、CO、NOx的排放量与汽油机相比要少很多，而微粒物排放却是汽油机的几十倍甚至更多，因此柴油车的排烟净化一直是柴油车排污治理的重点，也是治理的难点。
改进燃烧室设计等机内净化技术可以大幅度降低柴油车的微粒物排放，但随着排放净化法规的进一步严格，单靠机内净化技术已很难满足法规的要求。实践证明，安装排气后处理装置是降低微粒物排放、满足高标准排放法规的必要措施。
目前正在研究中的柴油车微粒后处理技术主要有静电消除、等离子消除、超声波消除、微粒捕集器(DPF，Diesel Particulate Filter)等几种。其中，微粒捕集器以其捕集效率高(≥90％)、成本低廉、原理简单等优点成为最接近于实用、被研究最多的技术。作为DPF的过滤材料，可以是陶瓷蜂窝或多孔载体、陶瓷纤维编织物和金属纤维编织物等。通过调整过滤体的孔径、堆积密度、纤维直径等参数可以将碳烟的过滤效率达到90％以上。然而，随着过滤下来的微粒的积存，过滤孔逐渐堵塞，使排气背压增加，导致发动机动力性和经济性恶化。因此必须及时除去过滤器中的微粒，以便能继续工作。这个过程称为微粒捕集器的再生，是微粒捕集器实用化中的关键技术，也是目前该领域研究的热点。
柴油车排气微粒的主要成分是碳烟，在适当条件下可以通过燃烧的方式消除，根据这个原理发展了电加热式再生法、燃烧器加热再生法等微粒捕集器的再生方法。但当前的再生技术往往需要额外增加电阻丝、燃烧器、空气喷射器等附属设备，使捕集器结构复杂化，难以全面推广。
合理的再生技术必须满足以下要求：(1)控制合理的再生频率，保持捕集器上有较低的微粒负载；(2)副作用小，例如，不能造成微粒捕集器熔融或热应力破损；(3)结构简单，有良好的可控性；(4)成本低廉。本发明即为针对上述要求所做的一种新型柴油车碳烟过滤-电直热再生装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的柴油车碳烟过滤-电直热再生装置。其特点在于使用该装置能有效过滤发动机排放的碳烟，在过滤达到一定程度后可以用车载蓄电池作电源在行车状态下进行原位再生，并且安装该装置不会造成发动机功率的明显损失。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种柴油车碳烟过滤-电直热再生装置，包括电控部分、碳化硅泡沫陶瓷主过滤器，碳化硅泡沫陶瓷主过滤器安装于与柴油发动机排气管相连的净化器封装外壳内，还包括碳化硅泡沫陶瓷主过滤器电直热发热体，其中电直热发热体与碳化硅泡沫陶瓷主过滤器一起安装于与柴油发动机排气管相连的净化器封装外壳内，由泡沫陶瓷电直热单元构成，泡沫陶瓷电直热单元由导电碳化硅泡沫陶瓷载体、安装于导电碳化硅泡沫陶瓷载体两端的石墨电极基座、与二个石墨电极基座分别相连的金属电极构成，电控部分的电源通过金属电极与导电碳化硅泡沫陶瓷载体构成回路，为导电碳化硅泡沫陶瓷载体供电；电控部分与电直热发热体电极相连。所述泡沫陶瓷主过滤器由多个过滤器单元构成，各单元均采用泡沫碳化硅陶瓷为原料，经机械加工而成。泡沫陶瓷主过滤器的内部结构为壁流式或相互啮合的“王”字形或“锯齿”形结构。
所述电直热发热体为一个或至少二个泡沫陶瓷电直热单元组成，当发热体由二个或二个以上单元构成时，各单元之间为并联关系，通过电极之间焊接的方式连成一个整体，电直热发热体的体积控制在50～400ml之间，厚度控制在10～50mm范围内。
所述碳化硅泡沫陶瓷电直热发热体采用导电碳化硅泡沫陶瓷作为发热体。
在碳化硅泡沫陶瓷电直热发热体的导电碳化硅泡沫陶瓷载体两端有用作金属电极基座的石墨与之相连。所述金属电极通过钎焊方式连接在石墨基座上。
所述碳化硅泡沫陶瓷电直热发热体可采用集中式加热结构或分散式加热结构。
以碳化硅泡沫陶瓷电直热发热体和泡沫陶瓷主过滤器以碳化硅泡沫陶瓷为载体，在其上制备活性氧化铝涂层，并担载催化剂，涂层含量在80～130g/L载体，涂层中各物质的重量比为：Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO＝(55～80)∶(25～35)∶(1～5)∶(2～10)；负载催化剂以Pt、Pd或K4V2O7作为活性组元；负载Pt或Pd，Pt或Pd含量为1～5g/L载体；负载K4V2O7，K4V2O7含量为10～50g/L载体。
所述电控部分由控制单元和功率组件组成，所述控制单元由电源处理单元供电，包括频率信号处理单元、水温信号处理单元、压力信号处理单元、主控电路，其中：频率信号处理单元以单稳态触发器为核心，输入端接汽车转速传感器产生的频率信号，其输出信号接至主控电路的一个输入端；水温信号处理单元以第一三极管为核心，其基极接汽车水温传感器产生的水温信号，集电极至主控电路的另一个输入端；压力信号处理单元采用压力传感器，压力传感器接收的压力信号接至主控电路的另一个输入端；所述主控电路由第一～三比较器、第一与非门电路、定时器、第二与非门电路组成，第一～三比较器分别为频率信号处理单元处理的线性电压信号、水温信号处理单元的放大电压信号、压力信号，第一～二比较器输出端分别将频率信号处理单元处理的线性电压信号、水温信号处理单元的放大电压信号经第一与非门电路、第二与非门电路、第二三极管与定时器相连，压力传感器输出端将压力信号经第二与非门电路与定时器相连，定时器输出端接至功率组件；所述功率组件为二级推动结构，其输出端与负载的电极相连；另外，功率组件的第一接触器的输出端与主控电路的第二比较器的输出端相连，并作为第一与非门电路的输入信号。
所述功率组件由第三三极管、第一接触器和第二接触器组成，其中第三三极管输入信号为定时器输出端信号，其发射极接有二级接触器，最后一级接触器接负载；其集电级和二级接触器均与12V相连。所述负载为碳化硅泡沫陶瓷电直热发热体。所述电源处理单元采用三端稳压模块给主控电路提供9V电源，三端稳压模块输入端经车锁开关接12V。
所述泡沫碳化硅陶瓷按重量分数计，其成份由90％～98％的碳化硅和10％～2％的硅组成；所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；构成多边形封闭环单元的陶瓷筋的相对致密度≥99％，平均晶粒尺寸在50nm～10μm。
所述在泡沫陶瓷电直热发热体和泡沫陶瓷主过滤器上制备催化剂的具体过程如下：
a、将碳化硅泡沫陶瓷在浓度为2～5M的NaOH或KOH溶液中浸泡5～10分钟，去除其表面的油污等杂质，之后用水清洗，再于100～150℃空气气氛中1～4小时烘干；
b、取γ-A12O3 110～160份、CeO2 50～70份、La2O3 2～10份、BaO 4～20份，混合后加水500份，球磨2～4小时得到涂层浆料；
c、将泡沫陶瓷在浆料中浸渍2～5分钟，以压缩空气吹去多余浆料，然后置于100～150℃空气气氛中干燥20～30分钟，冷却后再次浸渍料浆，如此重复多次，直至使涂层含量达到80～130g/L载体，最后于450～500℃焙烧4～5小时，涂层制备完毕；
d、以Pt为催化活性组分时，则取H2PtCl6 10～15份，加水500份配制成混合溶液，然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10～15分钟，之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱温度100～150℃，时间20～30分钟；烘干后的样品在氢气气氛中450～500℃还原2～4小时，得到以碳化硅泡沫陶瓷为载体、以Pt为催化活性组分的具有催化功能的碳化硅泡沫陶瓷电直热发热体或泡沫陶瓷主过滤器；
e、以Pd为催化活性组分时，则取PdCl2 5～20份，加水500份配制成混合溶液，然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10～15分钟，之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱温度100～150℃，时间20～30分钟；烘干后的样品在氢气气氛中450～500℃还原2～4小时，得到以碳化硅泡沫陶瓷为载体、以Pd为催化活性组分的具有催化功能的碳化硅泡沫陶瓷电直热发热体或泡沫陶瓷主过滤器；
f、以K4V2O7为催化活性组分时，则取K4V2O720～100份，加水500份配制成混合溶液，然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10～15分钟，之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱温度100～150℃，时间60～120分钟，得到以碳化硅泡沫陶瓷为载体、以K4V2O7为催化活性组分的具有催化功能的碳化硅泡沫陶瓷电直热发热体或泡沫陶瓷主过滤器。
与现有技术相比，本发明更具有如下有益效果：
①碳烟过滤体由碳化硅泡沫陶瓷构成，该过滤体具有如下特点：a、热传导性良好，保证过滤体温度分布均匀，避免过大热应力的产生并减少再生死角的存在；b、抗热冲击性好，可承受再生时微粒氧化燃烧造成的温度剧变；c、熔点高，在2000℃以上，确保在高温下有较长的使用寿命。
②电直热发热体采用泡沫碳化硅陶瓷，实现了加热、过滤功能一体化，结构简单，且电阻可根据实际需要灵活调整。另外碳化硅陶瓷具有良好的抗氧化、抗高温、抗酸碱性能，与金属电阻丝发热体相比，更适合在汽车尾气环境中使用；
③采用小面积电直热发热体，实现集中式加热，在相同能量供给的条件下提高了再生效率；
④过滤体采用的迷宫式结构，既可增加微粒物与过滤体的碰撞几率，又能增加过滤面积，提高了过滤效率。另外，与纤维填充式和蜂窝陶瓷壁流式相比，这种结构能避免完全堵塞的发生；
⑤碳化硅泡沫陶瓷碳烟过滤器具有自洁能力，在维持一定碳烟过滤效率的同时使部分吸附在过滤器上的碳烟氧化脱除。
⑥该装置采用车载蓄电池作为电源，无须增加第二电源，汽车改造范围小，成本低；
⑦控制系统智能化，可根据水温、发动机转速以及背压等条件适时调整加热状态；
⑧采用钎焊的方式制备金属电极，使接触电阻降至最低，提高了能量利用效率；
⑨采用碳烟过滤-电直热再生智能控制单元，该单元能够从控制单元中接收门锁开关信号、发动机转速背压和冷却水水温信号，并根据上述信号自主控制电直热系统通电与否的状态。
附图说明
图1为柴油车碳烟过滤-电直热再生装置工作示意图。
图2为一个泡沫陶瓷电直热单元的示意图。
图3a～c为柴油车碳烟过滤-电直热再生装置的主过滤器结构示意图。其中，图3a为壁流式结构；图3b为“王”字形结构；图3c为“锯齿”形结构。
图4a～b为柴油车碳烟过滤-电直热再生装置装配示意图。其中，图4a为集中加热结构；图4b为分散加热结构。
图5为本发明电控部分电路原理图。
图中，1柴油发动机；2水温传感器；3转速传感器；4控制单元；5功率组件；6车载蓄电池；7电缆；8净化器封装外壳；9泡沫陶瓷主过滤器；10金属电极；11金属电极；12电直热发热体；13排气管；14压力传感器；15石墨电极基座；16石墨电极基座；17导电碳化硅泡沫陶瓷载体；18泡沫陶瓷板。
具体实施方式
柴油车碳烟过滤-电直热再生装置的制备过程具体如下：
①采用按照《一种高强度致密的泡沫碳化硅陶瓷材料及其制备方法》(中国科学院金属研究所申请，申请号03134039.3，申请日：030922)所做的导电碳化硅泡沫陶瓷为柴油车碳烟过滤-电直热再生装置的过滤体(泡沫陶瓷主过滤器)和加热体(电直热发热体)材料。
②将泡沫陶瓷材料加工成为如图3a-c所示的壁流式结构、“王”字形或“锯齿”形，作为泡柴油车碳烟过滤-电直热再生装置的主过滤器。主过滤器具有数个曲折贯通的气流通道，主过滤器体积和通道的数目、宽度可根据过滤器体积及尾气流量进行调整。
③根据电阻的需求，选择一个或多个合适的泡沫碳化硅陶瓷电直热单元，如采用多个单元，则各单元之间为并联关系，并通过在金属电极上焊接金属板的方式连接成一个整体。
④在泡沫陶瓷电直热发热体和泡沫陶瓷主过滤器表面担载催化剂，催化剂的担载按如下步骤进行：
a、将碳化硅泡沫陶瓷在浓度为2～5M的NaOH或KOH溶液中浸泡5～10分钟，去除其表面的油污等杂质，之后用水清洗、再于100～150℃空气气氛中1～4小时烘干；
b、取γ-Al2O3110～160份、CeO2 50～70份、La2O3 2～10份、BaO 4～20份，混合后加水500份，球磨2～4小时得到涂层浆料；
c、将泡沫陶瓷在浆料中浸渍2～5分钟，以压缩空气吹去多余浆料，然后置于100～150℃空气气氛中干燥20～30分钟，冷却后再次浸渍料浆。如此重复多次，直至使涂层含量达到80～130g/L载体，最后于450～500℃焙烧4～5小时，涂层制备完毕；
d、如以Pt为催化活性组分，则取H2PtCl6 10～15份，加水500份配制成混合溶液，然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10～15分钟，之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱温度100～150℃，时间20～30分钟；烘干后的样品在氢气气氛中450～500℃还原2～4小时，可得到以碳化硅泡沫陶瓷为载体、以Pt为催化活性组分的具有催化功能的柴油车碳烟过滤器。
e、如以Pd为催化活性组分，则取PdCl2 5～20份，加水500份配制成混合溶液，然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10～15分钟，之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱温度100～150℃，时间20～30分钟；烘干后的样品在氢气气氛中450～500℃还原2～4小时，可得到以碳化硅泡沫陶瓷为载体、以Pd为催化活性组分的具有催化功能的柴油车碳烟过滤器。
f、如以K4V2O7为催化活性组分，则取K4V2O720～100份，加水500份配制成混合溶液，然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10～15分钟，之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱温度100～150℃，时间60～120分钟，可得到以碳化硅泡沫陶瓷为载体、以K4V2O7为催化活性组分的具有催化功能的柴油车碳烟过滤器。
⑤将电直热发热体和主过滤器按照图4a-b所示的嵌入式或分体式组合，一起封装于过滤器外壳内，过滤器外壳由2毫米厚的不锈钢板焊接而成，过滤器外壳与泡沫陶瓷电直热发热体及主过滤器之间有防震隔层。封装后的过滤器在进气端与柴油发动机排气管相连。
如图1～2所示，柴油车碳烟过滤-电直热再生装置包括泡沫陶瓷主过滤器9、电直热发热体12及电控部分，其中电直热发热体12与泡沫陶瓷主过滤器9一起安装于与柴油发动机排气管相连的净化器封装外壳8内，电直热发热体12由泡沫陶瓷电直热单元构成，泡沫陶瓷电直热单元为以导电碳化硅泡沫陶瓷载体17为主体、安装于导电碳化硅泡沫陶瓷载体17两端的石墨电极基座15、16、以及与二个石墨电极基座15、16分别相连的金属电极10、11构成，电源通过金属电极10、11与导电碳化硅泡沫陶瓷载体17构成回路，为导电碳化硅泡沫陶瓷17供电；电控部分与电直热发热体12电极相连。
汽车启动后，含碳烟颗粒的汽车尾气由柴油发动机1排出，经由排气管13到达泡沫陶瓷电直热发热体12和泡沫陶瓷过滤器9，发热体和过滤器将尾气中的碳烟截留。由发动机冷却水水温传感器2和转速传感器3以及压力传感器14监测到的冷却水水温、转速和背压信号被电控单元4接收，然后再将信号传送至功率组件5。当背压高于设定值时，在冷却水水温和发动机转速均达到指定数值的情况下，功率组件5接通电路，车载蓄电池6即开始通过电缆7给电直热发热体12供电，通电时间可由控制单元设定；10和11为电直热发热体12的两个电极，一端被钎焊到导电碳化硅泡沫陶瓷载体17上，另一端与电缆相连；在通电情况下，电直热发热体迅速升温，其上被过滤的部分碳烟开始燃烧。流经发热体的尾气得到电直热发热体传导过来的热量以及碳烟燃烧释放的热量，温度升高。升温后的尾气在经过主过滤器9时引燃主过滤器中过滤的碳烟，使过滤器得到净化。
图2中17为导电碳化硅泡沫陶瓷载体；15、16为石墨电极基座，其作用是在金属电极和泡沫陶瓷之间起到过渡作用；10、11为金属电极，通过钎焊方式与石墨基座连接。一个完整的电直热再生-过滤器可由一个或多个泡沫陶瓷电直热单元组合而成。在组合情况下，各单元通过电极之间焊接的方式连成将一个整体。电直热再生-过滤器的体积控制在50～400ml之间，厚度控制在10～50mm范围内。
图3a-c所示为泡沫陶瓷主过滤器9的三种结构方式，分别为：图3a壁流式结构、图3b“王”字形结构和图3c“锯齿”形结构。图3a中黑色方块为实心材料，它的作用是迫使尾气穿过泡沫陶瓷进入相邻通道。主过滤器体积和通道的数目、宽度可根据过滤器体积及尾气流量进行调整。
如图4a-b为柴油车碳烟过滤-电直热再生装置装配示意图(图1中净化器封装外壳8以内的横向截面图)为两种加热方式，分别为集中式加热和分散式加热。所谓集中式加热即为采用一个电直热发热体，分散式加热方式采用多个电直热发热体并联同时通电加热。在本发明实施例中，分散式加热采用三个电直热发热体并联。图中12为电直热发热体，电流方向垂直于纸面；18为与电直热发热体等厚度的大孔泡沫陶瓷板(其孔径为2-3mm)，其上负载催化剂；9为主过滤器。
本发明电控部分由控制单元4和功率组件5组成，如图5所示本发明的控制单元4，所述控制单元4由电源处理单元供电，包括频率信号处理单元、水温信号处理单元、压力信号处理单元、主控电路，其中：频率信号处理单元以单稳态触发器U1为核心，输入端(4脚)接汽车转速传感器3产生的频率信号，并将其转化成线性电压信号，其输出信号(经6脚)接至主控电路的一个输入端；水温信号处理单元以第一三极管T1为核心，对水温信号进行放大，其基极接汽车水温传感器2产生的水温信号，其集电极将放大的电压信号输入到主控电路的另一个输入端；压力信号处理单元采用压力传感器14，压力传感器14接收的压力信号接至主控电路的另一个输入端；所述主控电路由第一～三比较器U3、U4、U8、第一与非门电路U5、定时器U6、第二与非门电路U7组成，第一～三比较器U3、U4、U8分别对频率信号、水温信号、压力信号进行判断处理(其中第一比较器U3同相端接经频率信号处理单元处理的线性电压信号，第二比较器U4负相端接由水温信号处理单元处理的放大电压信号，第三比较器U8同相端接压力信号，经第一比较器U3处理后的线性电压信号、第二比较器U4处理后的放大电压信号经第一与非门电路U5、第二与非门电路U7进行逻辑与操作后，再经第二三极管T2进行功率放大，然后接至定时器U6进行信号延时处理，最后将延时处理后的信号送至功率组件5；第三比较器U8将处理后的压力信号经第二与非门电路U7与定时器U6相连，再经第二三极管T2进行功率放大，然后接至定时器U6进行信号延时处理，最后将延时处理后的信号送至功率组件5；所述功率组件5由第三三极管T3、第一接触器J1和第二接触器J2组成，以二级推动结构接负载R1；具体为：所述第三三极管T3输入信号为定时器U6输出端信号，其发射极接有二级接触器，最后一级接触器接负载R1的两个电极10和11上；第三三极管T3集电级和二级接触器均与车载蓄电池12V相连；所述负载R1为电直热发热体12；电源处理单元采用三端稳压模块U2给主控电路提供9V电源，三端稳压模块U2输入端经车锁开关K接车载蓄电池12V；另外，第一接触器J1的输出端与第二比较器U4的输出端相连，用以维持第二比较器U4工作过程中的高电平，本发明所述负载R1为电直热发热体12。
本实施例中，单稳态触发器U1采用CD4098芯片；第一～三三极管T1～T3采用芯片BU406；三端稳压模块U2采用芯片7809；第一～三比较器U3、U4、U8采用芯片LM339；第一～二与非门电路U5、U7采用CD4011芯片；定时器U6采用555芯片；第一接触器J1(9V)和第二接触器J2(400A)负责给负载R1供电。
其工作原理如下：当车锁开关K打开时，控制单元4识别汽车的各种信号；当转速、冷却水水温、背压等上述三个条件同时满足预设条件时，功率组件5接通，通过汽车车载蓄电池给电直热发热体12通电加热，同时控制单元4开始记时；当时间等于预设时间或转速、冷却水水温、背压等三个信号中的任意一个及一个以上低于设定值时，控制单元4使功率组件5断开，停止车载蓄电池给电直热发热体加热。
本发明尾气净化装置主要由上述泡沫陶瓷碳烟过滤-电直热再生净化器和智能控制单元两部分构成，净化器中的电直热发热体以导电碳化硅泡沫陶瓷载体为功能主体，具有良好、可控的导电性能；主过滤器由泡沫陶瓷为组成材料，具有多孔、表面粗糙、耐高温及热冲击的特点，可实现对柴油车排放微粒的有效过滤；在电直热发热体和主过滤器上可负载催化剂；智能控制单元能够接收来自控制单元平台的冷却水水温、背压和发动机转速信号，并根据信号自主控制碳烟过滤-电直热再生净化系统通电与否的状态。在车载电源供电的情况下，即可实现泡沫陶瓷碳烟过滤-电直热再生系统的原位再生。该方法具有效果好、汽车改造简单、成本低的特点。
实施例和相关比较例
各实施例和相关比较例均在南京跃进汽车集团公司汽车研究所进行，发动机型号为SOFIM8140.43，测试方式采用柴油机13工况。
实施例1
①取导电碳化硅泡沫陶瓷100×40×20mm，在浓度为3M的NaOH溶液中浸泡8分钟，去除其表面的油污等杂质，之后用水清洗、再于120℃空气气氛中2小时烘干；
②取石墨10×40×20mm两个，采用钎焊方式焊接在①中所述泡沫碳化硅陶瓷的两端，作为金属电极的基座；
③在石墨基座上钎焊两个直径6mm的不锈钢柱作为与导线相连的电极；
④如图3a，将导电碳化硅泡沫陶瓷组装成壁流式结构主过滤器，体积为2升；
⑤将电直热发热体和主过滤器按照图4a的方式封装成集中加热式的柴油车碳烟过滤-电直热再生装置；
⑥测试使用的发动机型号为SOFIM8 140.43，测试方式采用柴油机13工况；测试过程中不通电。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
在测试前将柴油车碳烟过滤-电直热再生装置安装于柴油发动机排气通路的指定位置，保持发动机转速为2160rpm、扭矩为188Nm、功率为42.5kW运行5小时，使柴油车碳烟过滤-电直热再生装置充分积聚碳烟，然后接通电直热加热电路，用车载12V蓄电池供电进行电直热再生。再生后再进行同实施例1的柴油机13工况测试。
实施例3
与实施例1不同之处在于：
电直热发热体采用如图4b所示的分散式加热。
实施例4
与实施例2不同之处在于：
电直热发热体采用如图4b所示的分散式加热。
实施例5
与实施例1不同之处在于：
主过滤器结构为图3b所示的“王”字形结构。
实施例6
与实施例2不同之处在于：
主过滤器结构为图3b所示的“王”字形结构。
实施例7
与实施例1不同之处在于：
主过滤器结构为图3c所示的“锯齿”形结构。
实施例8
与实施例2不同之处在于：
主过滤器结构为图3c所示的“锯齿”形结构。
实施例9
与实施例1不同之处在于：
以电直热发热体和泡沫陶瓷主过滤器为载体，在其上制备活性涂层并浸渍催化剂，制备过程如下：
①取γ-Al2O3 120克、CeO2 60克、La2O3 6克、BaO 12克，混合后加水500克，球磨3小时得到涂层浆料；
②将电直热发热体和泡沫陶瓷主过滤器在浆料中浸渍，以压缩空气吹去多余浆料，然后置于120℃空气气氛中干燥20分钟，冷却后再次浸渍料浆。如此重复多次，直至使涂层含量达到120g/(L载体)，最后于450℃焙烧5小时，涂层制备完毕；
③取H2PtCl6 10克，加水500克配制成混合溶液，然后将带有活性涂层的电直热发热体和泡沫陶瓷主过滤器在溶液中真空浸渍12分钟，之后将浸渍后的样品在烘箱中烘干，烘箱温度120℃，时间30分钟；烘干后的样品在氢气气氛中500℃还原2小时，可得到以Pt催化剂活性组元的电直热发热体和泡沫陶瓷主过滤器。
实施例10
与实施例9不同之处在于：
取K4V2O7而非H2PtCl6 100克，加水500克配制成混合溶液，然后将带有活性涂层的电直热发热体和泡沫陶瓷主过滤器在溶液中真空浸渍12分钟，之后将浸渍后的样品在烘箱中烘干，烘箱温度120℃，时间100分钟即可得到以K4V2O7为催化剂活性组元的电直热发热体和泡沫陶瓷主过滤器。
实施例11
与实施例7不同之处在于：
在测试前将柴油车碳烟过滤-电直热再生装置安装于柴油发动机排气通路的指定位置，保持发动机转速为2160rpm、扭矩为188Nm、功率为42.5kW运行5小时，使柴油车碳烟过滤-电直热再生装置充分积聚碳烟，然后接通电直热加热电路，进行电直热再生。再生后再进行同实施例1的柴油机13工况测试。
实施例12
与实施例8不同之处在于：
在测试前将柴油车碳烟过滤-电直热再生装置安装于柴油发动机排气通路的指定位置，保持发动机转速为2160rpm、扭矩为188Nm、功率为42.5kW运行5小时，使柴油车碳烟过滤-电直热再生装置充分积聚碳烟，然后接通电直热加热电路，进行电直热再生。再生后再进行同实施例1的柴油机13工况测试。
相关比较例1
采用市售的2.5升的蜂窝陶瓷柴油车碳烟过滤器在与实施例相同的发动机上进行柴油机13工况测试。
相关比较例2
与相关比较例1不同之处在于：
在测试前将蜂窝陶瓷柴油车碳烟过滤器安装于柴油发动机排气通路的指定位置，保持发动机转速为2160rpm、扭矩为188Nm、功率为42.5kW运行5小时，然后再进行工况测试。
实施例及相关比较例的结果见表1。表1中实验1～12为实施例，比较例1和比较例2为相关比较例。将各实施例与比较例的结果与柴油车EU-II标准相比较，可以发现在采用蜂窝陶瓷柴油车碳烟过滤器的情况下，碳烟过滤效果勉强达到EU-II标准规定的限值，而在经过5小时过滤运行之后，由于无法再生，该套系统的各项净化过滤指标全面下降，不能达到EU-II标准的要求。而实施例1～6的颗粒比排放只有比较例1的60％左右，NOx比排放数值与比较例相比也要低一些，仅CO和HC的比排放结果偏高，能满足EU-II标准限值的要求。实施例7～12的综合净化过滤效果又要优于实施例1～6和相关比较例1～2，能满足EU-II标准的要求，并拥有较高的富余量。表明柴油车碳烟过滤-电直热再生装置不但具有良好的净化过滤性能，并且能够有效再生，具有较长的使用寿命。
表1
| 实验编号 | 主过滤器结构 | 再生方式 | 装置状态 | 催化活性组元 | 比排放结果(g/kW.h) | |||
| CO | THC | NOx | 颗粒 | |||||
| 1 | 壁流式 | 集中加热 | 再生前 | - | 0.6184 | 0.1748 | 6.8140 | 0.0728 |
| 2 | 壁流式 | 集中加热 | 再生后 | - | 0.6172 | 0.1831 | 6.7295 | 0.0792 |
| 3 | 壁流式 | 分散加热 | 再生前 | - | 0.5809 | 0.1829 | 6.9010 | 0.0752 |
| 4 | 壁流式 | 分散加热 | 再生后 | - | 0.5976 | 0.1897 | 6.7421 | 0.0842 |
| 5 | “王”字形 | 集中加热 | 再生前 | - | 0.6020 | 0.1643 | 6.9181 | 0.0828 |
| 6 | “王”字形 | 集中加热 | 再生后 | - | 0.6162 | 0.1748 | 6.9512 | 0.0861 |
| 7 | “锯齿”形 | 集中加热 | 再生前 | - | 0.6301 | 0.1819 | 6.8472 | 0.0870 |
| 8 | “锯齿”形 | 集中加热 | 再生后 | - | 0.6287 | 0.1791 | 6.7814 | 0.0914 |
| 9 | 壁流式 | 集中加热 | 再生前 | Pt | 0.2986 | 0.1194 | 6.2653 | 0.0795 |
| 10 | 壁流式 | 集中加热 | 再生后 | Pt | 0.3210 | 0.1206 | 6.1216 | 0.0812 |
| 11 | 壁流式 | 集中加热 | 再生前 | K4V2O7 | 0.4582 | 0.1543 | 6.5160 | 0.0726 |
| 12 | 壁流式 | 集中加热 | 再生后 | K4V2O7 | 0.4262 | 0.1442 | 6.7410 | 0.0714 |
| 比较例1 | 蜂窝陶瓷 | - | 无再生 | Pt | 0.3016 | 0.1185 | 6.8512 | 0.1457 |
| 比较例2 | 蜂窝陶瓷 | - | 5小时后 | Pt | 0.5474 | 0.1457 | 6.4655 | 0.2410 |
| EU-II标准限值 | 4.0 | 1.1 | 7.0 | 0.15 | ||||
Claims (10)
1、一种柴油车碳烟过滤-电直热再生装置，包括电控部分、碳化硅泡沫陶瓷主过滤器(9)，碳化硅泡沫陶瓷主过滤器(9)安装于与柴油发动机排气管相连的净化器封装外壳(8)内，其特征在于：还包括碳化硅泡沫陶瓷主过滤器电直热发热体(12)，电直热发热体(12)在主过滤器(9)的上游，其中电直热发热体(12)与碳化硅泡沫陶瓷主过滤器(9)一起安装于与柴油发动机排气管相连的净化器封装外壳(8)内，电直热发热体由泡沫陶瓷电直热单元构成，泡沫陶瓷电直热单元由导电碳化硅泡沫陶瓷载体(17)、安装于导电碳化硅泡沫陶瓷载体(17)两端的石墨电极基座(15、16)、与二个石墨电极基座(15、16)分别相连的金属电极(10、11)构成，电控部分的电源通过金属电极(10、11)与导电碳化硅泡沫陶瓷载体(17)构成回路，为导电碳化硅泡沫陶瓷载体(17)供电；电控部分与电直热发热体(12)的电极相连。
2、按照权利要求1所述柴油车碳烟过滤-电直热再生装置，其特征在于：所述泡沫陶瓷主过滤器由多个过滤器单元构成，各过滤器单元均采用碳化硅泡沫陶瓷为原料，泡沫陶瓷主过滤器的内部结构为壁流式或相互啮合的“王”字形或“锯齿”形结构。
3、按照权利要求1所述柴油车碳烟过滤-电直热再生装置，其特征在于：所述电直热发热体(12)为一个或至少二个泡沫陶瓷电直热单元组成，当发热体由二个或二个以上单元构成时，各单元之间为并联关系，通过所述金属电极之间焊接的方式连成一个整体，电直热发热体(12)的体积控制在50～400ml之间，厚度控制在10～50mm范围内；所述电直热发热体采用导电碳化硅泡沫陶瓷作为发热体。
4、按照权利要求1所述柴油车碳烟过滤-电直热再生装置，其特征在于：所述电直热发热体采用集中式加热结构或分散式加热结构。
5、按照权利要求1所述柴油车碳烟过滤-电直热再生装置，其特征在于：所述电直热发热体和泡沫陶瓷主过滤器以碳化硅泡沫陶瓷为载体，在其上制备活性氧化铝涂层，并担载催化剂，每升泡沫陶瓷的涂层含量在80～130g之间，涂层中各物质的重量比为：Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO＝(55～80)∶(25～35)∶(1～5)∶(2～10)；负载催化剂以Pt、Pd或K4V2O7作为活性组元，负载Pt或Pd，Pt或Pd含量为1～5g/L载体；负载K4V2O7，K4V2O7含量为10～50g/L载体。
6、按照权利要求1所述柴油车碳烟过滤-电直热再生装置，其特征在于：所述电控部分由控制单元(4)和功率组件(5)组成，所述控制单元(4)由电源处理单元供电，控制单元(4)包括频率信号处理单元、水温信号处理单元、压力信号处理单元、主控电路，其中：频率信号处理单元以单稳态触发器(U1)为核心，输入端接汽车转速传感器产生的频率信号，其输出信号接至主控电路的一个输入端；水温信号处理单元以第一三极管(T1)为核心，其基极接汽车水温传感器产生的水温信号，集电极至主控电路的另一个输入端；压力信号处理单元采用压力传感器(14)，压力传感器接收的压力信号接至主控电路的另一个输入端；所述主控电路由第一～三比较器(U3、U4、U8)、第一与非门电路(U5)、定时器(U6)、第二与非门电路(U7)组成，第一～三比较器(U3、U4、U8)分别为频率信号处理单元处理的线性电压信号、水温信号处理单元的放大电压信号、压力信号，第一～二比较器(U3、U4)输出端分别将频率信号处理单元处理的线性电压信号、水温信号处理单元的放大电压信号经第一与非门电路(U5)、第二与非门电路(U7)、第二三极管(T2)与定时器(U6)相连，压力传感器(14)输出端将压力信号经第二与非门电路(U7)与定时器(U6)相连，定时器(U6)输出端接至功率组件(5)；所述功率组件(5)为二级推动结构，其输出端与负载(R1)的电极相连；另外，功率组件(5)的第一接触器(J1)的输出端与主控电路的第二比较器(U4)的输出端相连，并作为第一与非门电路(U5)的输入信号。
7、按照权利要求6所述柴油车碳烟过滤-电直热再生装置，其特征在于：所述功率组件(5)由第三三极管(T3)、第一接触器(J1)和第二接触器(J2)组成，其中第三三极管(T3)输入信号为定时器(U6)输出端信号，其发射极接有二级接触器，最后一级接触器接所述负载(R1)；其集电级和二级接触器均与12V相连；所述负载(R1)为所述电直热发热体(12)。
8、按照权利要求6所述柴油车碳烟过滤-电直热再生装置，其特征在于：所述电源处理单元采用三端稳压模块(U2)给主控电路提供9V电源，三端稳压模块(U2)输入端经车锁开关(K)接12V。
9、按照权利要求1所述柴油车碳烟过滤-电直热再生装置，其特征在于：所述碳化硅泡沫陶瓷按重量分数计，其成份由90％～98％的碳化硅和10％～2％的硅组成；所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络；构成多边形封闭环单元的陶瓷筋的相对致密度≥99％，平均晶粒尺寸在50nm～10μm。
10、按照权利要求1或5所述柴油车碳烟过滤-电直热再生装置，其特征在于：在所述电直热发热体和泡沫陶瓷主过滤器上制备催化剂的具体过程如下：
a、将碳化硅泡沫陶瓷在浓度为2～5M的NaOH或KOH溶液中浸泡5～10分钟，去除杂质，之后用水清洗，再于100～150℃空气气氛中1～4小时烘干；
b、取γ-Al2O3 110～160份、CeO2 50～70份、La2O3 2～10份、BaO 4～20份，混合后加水500份，球磨2～4小时得到涂层浆料；
c、将泡沫陶瓷在浆料中浸渍2～5分钟，以压缩空气吹去多余浆料，然后置于100～150℃空气气氛中干燥20～30分钟，冷却后再次浸渍料浆，如此重复多次，直至使涂层含量达到80～130g/L载体，最后于450～500℃焙烧4～5小时，涂层制备完毕；
d、以Pt为催化活性组分时，则取H2PtCl6 10～15份，加水500份配制成混合溶液，然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10～15分钟，之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱温度100～150℃，时间20～30分钟；烘干后的样品在氢气气氛中450～500℃还原2～4小时，得到以碳化硅泡沫陶瓷为载体、以Pt为催化活性组分的具有催化功能的所述电直热发热体或泡沫陶瓷主过滤器；
e、以Pd为催化活性组分时，则取PdCl2 5～20份，加水500份配制成混合溶液，然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10～15分钟，之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱温度100～150℃，时间20～30分钟；烘干后的样品在氢气气氛中450～500℃还原2～4小时，得到以碳化硅泡沫陶瓷为载体、以Pd为催化活性组分的具有催化功能的所述电直热发热体或泡沫陶瓷主过滤器；
f、以K4V2O7为催化活性组分时，则取K4V2O720～100份，加水500份配制成混合溶液，然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10～15分钟，之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱温度100～150℃，时间60～120分钟，得到以碳化硅泡沫陶瓷为载体、以K4V2O7为催化活性组分的具有催化功能的所述电直热发热体或泡沫陶瓷主过滤器。
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