CN101680322A

CN101680322A - 用于处理柴油废气微粒物质的系统和方法

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Publication number: CN101680322A
Application number: CN200880017509A
Authority: CN
Inventors: 里法特·卡梅尔
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-05-25
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2028-05-23
Also published as: EG25439A; TR200908850T1; JP2010528228A; HK1141572A1; KR20100039278A; MX2009012336A; US20100111790A1; CO6241179A2; WO2008153775A2; US7976801B2; AU2008263189A1; WO2008153775A3; CN101680322B; EP2171225A2; CA2687056A1; BRPI0812002A2

Abstract

一种微粒转换器，其用于收集和焚化来自柴油发动机废气的微粒物质，所述微粒转换器包括：废气通路，其从所述柴油发动机延伸穿过所述微粒转换器。所述微粒转换器进一步包括壳体以及至少一个位于所述壳体中的过滤芯。电焚化系统可以电连接到脉冲电源以焚化收集在所述过滤芯中的煤烟。柴油氧化催化器(DOC)可以设置在所述废气通路中以产生充足的NO₂以辅助焚化。可以设置至少一个用于控制废气温度的废气冷却设备。反馈控制系统可以基于所述DPC的压降、所述DPC前方的温度和发动机RPM来控制废气温度。

Description

用于处理柴油废气微粒物质的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年5月25日提交的美国临时申请No.60/940,123、2007年12月21日提交的美国临时申请No.61/015,875以及2007年12月21日提交的美国临时申请No.61/015,883的权益。上述申请的发明内容通过引用而并入本文中。

技术领域

本发明总体上涉及用于柴油发动机和天然气发动机的后处理设备。更具体地，本发明涉及微粒物质在复合金属丝网过滤芯中的附聚、滞留以及焚化。更具体地，本发明还涉及通过可靠且受控的过程进行焚化。

背景技术

柴油发动机废气的微粒捕集器已经被广泛地接受，并且用于微粒排放以与道路柴油发动机的各种政府规定相符合。在柴油发动机中装备微粒捕集器也公知用于微粒物质以及细小的微粒物质方面--当前为例如PM 10和PM 2.5标准的USEPA规定--以改善环境空气质量。微粒捕集器能够实现微粒的显著减少，其能够达到90％至95％的减少。传统的微粒捕集器(例如直通式捕集器和金属丝网微粒捕集器)必须被进行处理以燃烧掉积聚的微粒物质并使设备恢复到初始状态。再生是燃烧积聚的煤烟并且使陶瓷或金属丝网的过滤器恢复到初始状态以开始另一煤烟加载循环等的过程。

共同受让的美国专利No.7,266,943描述了称为焚化过程的再生过程的替代方式。在此通过参引的方式将美国专利No.7,266,943的全文结合入本文中。虽然已经证明美国专利No.7,266,943对于微粒物质焚化的教示是成功的，但是该技术仍需要继续改进。

发明内容

复合金属丝网介质收集、附聚并且释放大尺寸的附聚微粒，这些微粒过滤在滞留网上而形成煤烟结块。滞留网连接到脉冲直流电源，并在达到特定煤烟积块密度(累积)--其由滞留网和上游接地网之间的电阻表示--时电源接通。通过在复合金属丝网介质前方结合入传统的柴油氧化催化器，或者通过在复合金属丝网前方一体形成催化网，部分的NO转化成NO₂。当引发了对焚化的需要时，焚化过程开始并继续。

此处所用的焚化定义为用于根据需要地氧化所收集的煤烟的缓慢过程。应当有足够的煤烟滞留在复合金属丝网介质上以确保高的微粒还原效率。所产生的氧化热被废气稀释，由此废气中没有明显的或可检测到的温度增加。另一方面，再生是这样的一个过程：其中所有积聚在过滤介质上的煤烟都被燃烧并且通常伴随着达到700℃或更高的显著的温度升高。

本发明涉及一种用于焚化来自于柴油废气的附聚微粒物质的有效的、高效的并且可靠的方法。焚化器的设计依赖于将附聚的煤烟物质捕集在例如密纹网(Dutch-screen)的滞留网上，从而在上游侧形成结块。密纹网附接到脉冲直流电源，而配合网是接地的。通过插入呈线或网形式的陶瓷基的隔离装置，这两个网之间的间隙保持恒定。间隙中的空间保持为最小的微粒尺寸。大小在约0.010至约0.025英寸(0.25至0.50毫米)量级之间的间隙间隔是有利的，优选为小范围的间隙，因为减小了待焚化的微粒尺寸。已经发现，来自12伏-48伏或更高的电源的脉冲直流电流加上适量的NO₂、高于200℃的废气温度、以及嵌在焚化器间隙中的贱金属催化剂的组合对于焚化煤烟是有效的。当废气温度升高到300至375℃的范围时，焚化过程加速，且煤烟快速焚化。但是本文所定义的焚化仍然是比再生过程慢得多的过程。结果，不会观察到焚化副产物中的明显温度升高，且焚化网(密纹网)处的最大局部温度低于500℃。这主要是由于贱金属催化剂、NO₂氧化模式导致煤烟点燃温度较低以及由于废气冷却了由焚化产生的热量。一旦结块的尺寸由于煤烟氧化而降低，则焚化器电阻的增加使得供电停止，直到另一煤烟层重新形成以进行新的循环。

本发明的另一特征是氧化催化剂与微粒转换器为一体。这通过将贵金属涂层网结合在复合金属丝网介质的上游侧来实现。这种网包括一些围绕设备芯部的绕层，以允许废气和贵金属部位之间的大量碰撞和相互作用。但是，在某些发动机操作状态下，这种网的存在可产生某些火花或者过热区，其将点燃捕集在复合金属丝网中的煤烟。虽然这种事件是低概率事件，但是其可破坏金属丝网介质。因此，用作火花熄灭器的密纹不锈钢网绕在贵金属网周围，以防止煤烟点燃的可能。

由于采用了贵金属催化剂，一些SO₂被转变成硫酸盐(微粒)，并且部分的一氧化氮(NO)转变成二氧化氮(NO₂)。硫酸盐和NO₂是不希望的污染物。但是，由于系统设置，低废气速度与厚料层结构的结合允许废气的长停留时间、从而与捕集煤烟相互作用(从陶瓷壁到微粒捕集器估计平均100次)。有效效应是硫酸盐实际上还原到二氧化硫(SO₂)、复合金属丝网中的一些煤烟被焚化、以及实际上从NO₂转变至NO和氮。金属丝网中NO₂和煤烟之间的大量相互作用也可导致NO₂中的O₂全部释放，导致NO_x还原，其取决于温度估计达到10-15％。有效效应是不期望的硫酸盐和二氧化氮污染的排放程度提高。根据一个特别的方面，本发明提供一种用于收集和焚化微粒物质以清洁柴油发动机的废气的系统。此系统包括柴油微粒转换器(DPC)，所述转换器具有壳体和至少一个位于壳体中的过滤芯。废气通路从柴油发动机延伸穿过DPC。柴油氧化催化器(DOC)设置于废气通路中。设置至少一个废气冷却设备以用于控制废气温度。反馈控制系统基于如下因素控制废气温度，所述因素包括DPC的压降、DPC前方的温度和发动机RPM。

根据另一特别的方面，本发明提供了一种微粒物质的NO₂焚化以清洁柴油发动机的废气的方法。本方法包括提供柴油微粒转换器(DPC)，所述转换器具有壳体和至少一个位于壳体中的过滤芯。使柴油发动机废气沿着从柴油发动机延伸穿过DPC的废气通路行进，并由置于废气通路中的柴油氧化催化器(DOC)处理。反馈控制系统根据DPC的压降、DPC前方的温度和发动机RPM通过选择性地控制废气冷却设备来控制废气温度。根据另一特别的方面，本发明提供一种柴油微粒转换器，其用于焚化来自柴油发动机废气的微粒物质，所述柴油微粒转换器限定了从柴油发动机延伸穿过DPC的废气通路，并且包括壳体、至少一个位于壳体中的过滤芯以及电焚化系统，所述电焚化系统适于电连接至脉冲电源以用于焚化收集在过滤芯中的煤烟。

根据另一特别的方面，本发明提供一种电焚化微粒物质以清洁柴油发动机的废气的方法。本方法包括提供具有壳体和至少一个位于壳体中的过滤芯的柴油微粒转换器(DPC)，以及使柴油发动机废气沿着从柴油发动机延伸穿过DPC的废气通路。附聚的煤烟被收集在至少一个过滤芯中。附聚的煤烟通过电连接到脉冲电源的电焚化系统焚化。

附图说明

本文的附图仅用于说明的目的，绝非意图限制本发明的范围。

图1是根据本发明用于焚化柴油发动机废气的微粒物质的微粒转换器的纵向截面图，所示微粒转换器包括单个过滤芯。

图2是沿图1的线2-2剖取的截面图。

图3是本发明微粒转换器的焚化器的一部分的详细截面图。

图4是用于本发明微粒转换器的直流供电系统的控制设置的示意图。

图5是用于本发明微粒转换器的脉冲直流电源的操作循环的示意图，该微粒转换器包括多个过滤芯。

图6是与图1类似的纵向截面图，其示出根据本发明的包括多个过滤芯的微粒转换器。

图7是沿图6的线7-7剖取的截面图。

图8是示出在典型的柴油发动机操作循环中发生有效焚化的概率的示意图。

图9是示出在300℃-330℃焚化时的典型结果以及背压随时间相应降低的示意图。

图10是用于柴油发动机的废气后处理系统的示意图，该系统示出柴油微粒与柴油发动机可操作地互联。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并非意在限制本发明、应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记用以表示相同的或相应的部件和特征。本文的说明和任意的具体示例虽然描述了本发明的实施方式，但是它们仅是为了说明的目的而并非意在限制本发明的范围。此外，对于具有所描述的特征的多个实施方式的描述并非意在排除具有其它特征的其它实施方式或结合有所述特征的不同组合的其它实施方式。

总体地参见附图--其中附图标记在所有视图中表示相同或相应的部件，根据本发明构造的、所述系统的柴油微粒转换器(DPC)总体上用附图标记10示出和标示。本发明的微粒转换器10可用于具有大量的亚微米或纳米尺寸微粒的内燃发动机--例如柴油发动机、压缩天燃气发动机或液化天然气发动机。微粒转换器10可包括至少一个过滤芯12。例如，图1示出了具有单个过滤芯12的微粒转换器10。图6示出了具有多个过滤芯12的微粒转换器10。

A.过滤芯

特别参照图1和图2，示出微粒转换器10的过滤芯12安装在壳体14中，并且通常可将进入的废气均匀地分配到由管状构件26限定的过滤芯的内芯。就本发明来说，应当理解壳体14以及过滤芯12在壳体14内的安装是常规的，因而在此不再另外描述。

图1示出过滤芯12与电源16可操作地互联。该系统可包括废气通路中的柴油氧化催化器(DOC)。如图所示，过滤芯12可结合有DOC。另外，过滤芯12通常可包括火花熄灭网20、复合金属丝网附聚器22以及电焚化器24。DOC与发动机废气温度分布配合以产生充足的NO₂，用于焚化复合金属丝网附聚器22、焚化器间隙45以及滞留网42上游侧的煤烟结块上的煤烟。

过滤芯12可包括限定入口28和出口30的大致管状构件26。例如来自柴油发动机的未处理废气沿箭头A的方向通过入口28引入过滤芯12。过滤芯12可与流量分配器32互联。流量分配器32可安装在构件26中并且操作以引导未处理废气均匀地径向流动。流量分配器32可具有大致锥形或柱形的形状。

管状构件26沿其长度方向的主要部分上可设置有孔以便于废气沿径向流动。这种布置使得废气流速降低，可通过适当地选择有效的过滤芯穿孔长度来调节废气流速。

如可能在图2中过滤芯12的截面图中最具体地示出的，柴油氧化催化器可以是过滤芯12的一体部件，并且可构造成一层或多层过滤网18。一种适当的过滤网18在本领域中公知为密纹网。但是也可使用其它网。在本说明书的其余部分中，应当理解，在本发明的范围内，对密纹网的任意引用均可替代以本领域所公知的其它网材料。

径向多层的密纹网18可包括开口，设置开口的大小以将煤烟结块的积聚限制到最小、并形成弯曲的流动路径以阻止和冷却高温的燃料粒以防止过滤芯12中的自燃。虽然可使用任意数量的径向设置的层，但是在特定实施方式中，密纹网的层数可包括2到5个绕层。网18可涂敷有铂以加强气体和网的催化部位之间的碰撞和交换。所述网还可具有例如铝的基面涂层以增大催化表面积。替代地，贵金属催化剂可以通过电镀直接地施加到金属网上。因此催化密纹网18用作柴油氧化催化器。但是，其一体地形成在同一过滤芯结构中。另外，网可通过烧结、铜焊或制造为限定出一个刚性的金属丝网基体。

用刚性的金属丝网基体(编织的金属丝或切削的金属丝)制造的DOC进一步增强了催化反应并且改善了性能。传统的DOC由金属或陶瓷直流通道构成，其能够达到每平方英寸200个通道或更多。这种小尺寸的流动通道将废气流从湍流转换成层流状态。对于废气和催化部位之间的反应而言，层流状态不是有效的。另一方面，刚性金属丝网基体加强了湍流并且增加了局部湍流。这可增加催化作用、降低贵金属的施加量并且改善催化性能。

催化网18可有利地通过减去零件以及在一些应用中解决空间限制来降低成本。根据废气温度，网18进一步提供了HC和CO还原，以及将NO缓速地转化为NO₂。一体形成该网的最不利的影响涉及降低废气的温度以防止过滤芯中的煤烟自燃，这降低了催化活性的效率。但是，降低峰值温度可延长催化剂的寿命。

过滤芯12可另外包括呈中间网20形式的第二径向层。中间网可在密纹网18之后插入以用作火花熄灭器。火花熄灭网20可与热稳定器互换地使用。网20可选择成具有宽的开口以使煤烟积聚最小化并具有弯曲的流动通路以用于冷却由催化反应产生的任何过热区的目的。在某种程度上，火花熄灭器20可用作贵金属网18和复合金属丝网或金属丝网附聚器22之间的缓冲器，以明显降低煤烟自燃的可能性。复合金属丝网介质22可位于火花熄灭器20之后。在这方面，过滤芯12包括呈金属丝网附聚器22形式的第三径向层。

过滤芯12可另外包括径向地位于金属丝网介质22外侧的接地网36。接地网22可限定较大的开口。例如接地网36可包括卷绕复合金属丝网22的40×40平纹网。一个或多个绕层是可接受的。网36可允许附聚的微粒通过但又为捕集在焚化器24中的煤烟提供足够的接地电接触。

过滤芯12可另外包括陶瓷基隔离器40，其后是密纹网42。焚化器24可由接地网36、隔离器40和密纹网42限定。贱金属催化剂44可也嵌入焚化器24内。陶瓷隔离器40的功能是通过建立固定间隙45来提供最外面的密纹网42和接地网40之间的电绝缘。陶瓷隔离器40可采用陶瓷线或陶瓷网的形式，并且应当提供宽的开口区域以允许在焚化器间隙45中形成煤烟结块。焚化器间隙45可定义为网36和网42之间的径向距离。

间隙45的尺寸可选择成尽量小。在这个方面，最小的尺寸受到可能导致电流短路的制造尺寸公差的限制。最小间隙尺寸可大约为0.01英寸(0.25毫米)，尽管如果达到了更严格的制造公差则可使用更小的间隙。虽然增大的间隙可能是不期望的，但是高达大约0.02英寸(0.5毫米)或更大的尺寸间隙在一些应用中可能是可接受的。

密纹网42可选择成具有小的开口。在这个方面，这些开口可为大约70微米的开口，以有效地捕获附聚的微粒并形成结块。来自复合金属丝网介质22的附聚煤烟微粒的尺寸可达到100微米或更大。能够在密纹网的上游侧容易地捕获这些大微粒。反复的试验证明煤烟积块的积聚厚度达到超过0.5毫米。焚化器中低的废气速度有助于积块的形成。可选择导致不同废气速度的道路或越野发动机操作循环以确保绝大多数时间内焚化器间隙中附聚的煤烟的正确捕获以形成煤烟结块。始终保持最小的结块厚度是希望的，因为其起到导致高的煤烟过滤效率的过滤器的作用。

随着煤烟结块的继续积聚，其厚度增大，直到煤烟积块填满焚化器间隙。虽然煤烟沉积并不完全均匀，但是煤烟积块的密度随煤烟积聚而增加。一旦煤烟积块接触接地网36，则会在两个配合网之间形成电阻。取决于煤烟的填塞密度，电阻随着两个配合网之间的煤烟电接触的增加而降低。例如，在十八英寸长和三英寸的焚化器直径的过滤芯12上的电阻达到一或二欧姆。另外，发现所测得的相同煤烟积块的电阻随着废气温度增加而明显地减小，因此增大电流，导致更快的焚化。金属丝网附聚器22、焚化器间隙和滞留网42配合以限定用于收集长时停留的煤烟的厚料层。

有助于煤烟积块焚化的主要因素是施加到密纹网的电源和接电网导致煤烟缓慢燃烧。使用直流和交流电源两者进行试验，发现交流电源对开始和继续焚化过程更为有效。发现对于小的焚化器间隙和高于200℃的温度而言低电压是有效的。主要目标是使电源以普遍用于大多数汽车情形的12伏-48伏直流电为基础。这导致脉冲电源的发展。但是更高的电源电压也是可接受的，尽管超过60伏的电压可能是破坏性的，从而可能是不希望的。

图6和7示出根据本发明的另一种微粒转换器10。图6和7的实施方式与前述实施方式的不同之处在于其结合有多个过滤芯12。类似的附图标记用以表示实施方式之间的类似元件。如图所示，微粒转换器10可包括三个过滤芯12。但是应当理解，在本发明的范围内可使用更多或更少数量的过滤芯12。对于大的柴油发动机--例如柴油发电机、机车和海上设备等，过滤芯的数量根据需要可以很大。

B.电源

转到图3和4，用于微粒转换器10的电源可是直流电源16。直流电源16可以是12伏到48伏的直流电源。直流电源16可供给到断路器50。断路器50可以是可变频率和占空比断路器50，其输出供给到大电流输出装置52。所述断路器频率和占空比被转换为以干湿煤烟比表示的煤烟组成。大电流输出装置52可电连接到焚化器密纹网42。

微粒转换器10可另外包括用于控制焚化电力的施加的被动控制系统或装置60。控制装置16可包括用于连续地监测焚化器24电阻的控制逻辑。当焚化器电源切断时，另一包括大小为400至500欧姆量级的电阻的电路可与焚化器电路或等效的被动装置串联接合。此电路可用12伏直流电源供电，并且功率消耗可非常小(例如接近0.1瓦特)。焚化器24电压的测量表示焚化器的电阻。高的焚化器电压表示高的焚化器电阻，反之亦然。当焚化器24电阻降到低于预定值或设定阈值时，大电流输出装置52可触发以接合焚化器24。施加脉冲直流电，并且高达大约30至40安培的电流可涌到焚化器24，焚化煤烟积块。供电循环可持续预选的时间长度。预选的时间长度可以是小的，例如约5分钟。在循环结束时，重新测量焚化器24的电阻，并且当其低于设定的阈值时，立即开始另一供电循环，直到煤烟被焚化--其通过焚化器24的电阻增大到高于阈值来表示。尽管阈值取决于焚化器表面积，但典型的电阻是0.5至1.0欧姆。大的表面积具有低的阈值，反之亦然。应当注意，煤烟结块一直保持，只有导致断路阈值的较小厚度被焚化。

电源可升级以用于多个过滤芯的情形--其在大的柴油发动机中是典型的。图5示出用于多滤芯微粒转换器10(如图6和7中所示)的供电循环。电源可以预定的时间(例如10分钟)按顺序接合过滤芯12，然后测量一个过滤芯12处的电阻并且继续以启动新的供电循环或否。

C.焚化过程和操作

在此所限定的焚化过程是一个缓慢的过程，其中所收集和存储在复合金属丝网22、焚化器间隙45内和滞留网42上游侧上的煤烟都可氧化成无害物质，主要地是CO₂和H₂O。由于煤烟氧化放出的热量被废气稀释。存在四个有助于焚化过程顺利完成的因素。这些因素可包括：1)适中的废气温度；2)产生充足的NO₂；3)在焚化器间隙中采用贱金属催化剂；以及4)脉冲直流辅助电源。所述四个因素的组合可有助于在柴油发动机的几乎所有驱动/操作循环中都在统计上获得实现有效焚化的高概率。有效效应是实现所收集和所焚化的煤烟之间的平衡。过量煤烟收集或过量煤烟焚化这两种情况都是不期望的。应当理解，本发明可用于多种不包括所有这四种因素的系统。在低达200℃的温度时，发生焚化但是焚化速度低得多。在接近350℃的温度时，完全的焚化通过存在贱金属催化剂和NO₂实现。当废气温度接近350℃时，不需要电焚化，并且因此电源断路器自动切断。在一些于转换器入口处常常具有350℃的废气温度读数的应用中，这可有效地将燃料消耗降低到一个低的程度--估计为0.1％。

虽然电源可提供充分的热量以维持焚化，但是低的废气温度(例如大约100℃)使得焚化非常慢并且不充分。这种长时间的--例如30至50小时--发动机操作情况的发生概率很低。在实际生活中，由于长时间的低废气温度引起的有效焚化不足可导致过滤芯背压的增加。如果这种情况进一步延长，则焚化器上大的煤烟微粒通过焚化器密纹网被自动释放到大气中，从而释放一部分过高的背压。这些释放的微粒的尺寸大，并且落在PM 10和PM 2.5的限定范围之外，这样，它们不构成所定义的微粒污染。另外，在这种低概率事件下微粒转换器不会干扰发动机操作，也不会如在大多数微粒过滤介质的情况中那样导致堵塞。

与直通式捕集器相比，复合金属丝网介质22和焚化器24的微粒存储量是很大的。这使得与陶瓷捕集器相比，过分不正常的发动机操作情况--例如长时间空转或低发动机载荷--对发动机性能的影响较不严重。一旦发动机载荷增加且废气温度达到300℃到375℃，则改正到正常的背压。

应当注意，呈脉冲直流形式的电量消耗专门地用于加热煤烟，并且在存在O₂和NO₂的情况下，其使得焚化机制有效。但是，可能会遭遇电热损失，因为1)废气流冷却效应以及2)焚化器局部的电阻相对较高，所导致的电流是低的、并且进而焚化变慢。通过持续地监测焚化器电阻，当达到焚化概率时脉冲电源自动地接通。这将电量消耗限制到非常低的程度，在大多数汽车情形下，估计的燃料消耗为约0.1％。当在转换器入口处废气温度达到300℃、最大高达375℃时--这在大多数汽车情形中是很常见的，用NO₂来氧化煤烟就足以连续地清洁所积聚的煤烟而无需电力辅助。来自柴油发动机的NO₂通常是总NO_X的大约10％。特定DOC的增加可以将NO₂的比例增大到30-50％，这取决于温度。假设在10-20％的时间中会出现这种300-375℃的温度，这很典型。在低于300℃的驱动循环中，随着需求升高，电源将自动地辅助焚化。

贱金属催化剂以金属丝或网的形式利用，并可利用例如铁、铜、钒、钙、镁等单种元素或其化合物。催化剂可呈绕线的形式，或者呈绕在陶瓷线或网(未图示)上游的网的形式。贱金属催化剂的选择是其能够在这种操作环境中迅速地氧化。因此，催化剂网的厚度应当非常小以使焚化器间隙的总厚度保持较小。此标准使得金属催化剂的厚度最优选为约0.005英寸(0.1毫米)。贱金属催化剂对于降低煤烟点燃温度是有效的，从而极大的延长了有效焚化的范围。

转到图10的示意图，示出的是用于根据本发明构造的柴油发动机的后处理系统100。示出系统100与柴油发动机102可操作地互联。柴油发动机102可是任意类型的，但特别地可包括具有高废气温度分布的柴油发动机。

柴油发动机废气可通过冷却管103引入到系统100。辐射冷却管103可设计成将最大温度限制到一个中等的程度。在这个方面，约700℃-750℃的废气温度可降低到例如大约400℃。

经历瞬态操作模式的发动机--例如汽车的情形--可结合具有高热惯性的热稳定器。在这个方面，热稳定器104可设置用于调平废气温度波动。这种稳定器可由具有足够重量的烧结编织金属丝构成以提供高的热惯性、高的透过性以减小压降，以及提供良好的导热性以减小温度波动。编织的金属丝能够以加热和冷却两种方式快速地与废气交换热量。结果，波动和瞬态的废气温度峰值和谷值变平并平均化。这导致对焚化更有利的废气温度分布，因为峰值温度可导致焚化不受控而低温则不能提供焚化。在本文没有另外说明的情况下，热稳定器104将被理解为传统的热稳定器。

系统100可包括至少一个冷却设备，该冷却设备选自：用于将环境空气注入废气中的鼓风机、用于将水注入废气中的泵、以及通过调整空气风扇操作的废气/外界空气热交换器。在这个方面，可设置鼓风机105以将外部冷空气注入到柴油氧化催化器107的前方。鼓风机105可用下述方式控制以在阈值之上在转换器中保持较高的煤烟滞留并且避免自发焚化。简言之，根据需要，在需要煤烟积聚循环时，鼓风机105可由电控模块106致动。如下面将描述的，鼓风机105可根据柴油微粒转换器110的压力以及转换器110的进气温度由电控模块106控制。

一些柴油发动机的特征在于具有高温废气分布，其在与高度活性的柴油氧化催化器(DOC)耦联时能够提供高效、持续但间歇的焚化。例如，某些氧化催化剂能够在150℃至175℃的废气温度时提供25％的NO到NO₂的转化效率。这种转化效率能够提供足够的焚化。在更高的废气温度时，转换率更高并且焚化率更高。过度的焚化可导致聚积效率的降低。因此，期望提供控制焚化过程的装置以确保对于操作于瞬态及稳态条件下的发动机而言煤烟聚积效率和相关的背压保持在最优的状态下。

如所述的，系统100可包括用于控制废气温度的反馈控制系统。反馈控制系统可包括基于在给定的发动机RPM以及转换器入口温度下将背压保持在最优水平的闭环控制逻辑。在这个方面，反馈控制系统可基于包括DPC的压降、DPC前方的温度和发动机RPM等的因素来控制废气温度。反馈控制系统可以操作以监测废气温度并响应于预定的条件提供冷却。在给定发动机操作条件--例如转换器前方的温度和发动机RPM--下测量到的压降需要与特定的压降相关联并且与参考压降数据相比较。这种参考压降数据可提供于特定温度和发动机RPM下的查阅表中。为了评估的目的，将特定的压降与参考条件下的等效压降相比较。

最优转换器条件是以最佳的煤烟减少效率和合理的压降为基础的，这可通过映射来建立。废气冷却控制的几种替代方案也是可接受的。例如，注入例如外界空气或水等的冷流体可以是有效的。替代地，通过提供废气对流冷却的调整空气风扇来操作的废气/外界空气热交换器也是有效的。

ECU(电子控制单元)106可响应于第一信号操作，以控制用于引入冷却空气的鼓风机105。第一信号可响应于预定压力而产生。通过差动压力传感器109在柴油微粒转换器110的两侧测量这个压力。柴油微粒转换器可与上述的类似。如果背压低于目标压力，则柴油微粒转换器允许煤烟积聚。这通过启动冷却模式来限制焚化而实现。另一方面，如果背压高于目标压力，则通过停止冷却模式来允许焚化，直到背压达到目标背压。相关联的背压与目标背压的波动达到10-20％是允许的。这样，这种控制过程类似于加热系统中的恒温控制功能。

目标控制功能通过允许焚化发生或将焚化抑制/限制到最小来实现。这通过将废气冷却到最低水平以使得煤烟积聚来实现。替代地，可增加废气温度以提供最大的焚化。一种有效、简单的方法是用鼓风机105将外界空气在DOC 107前方注入到废气中。可调整所注入的空气以获得最大的效率。当使用热稳定器时，鼓风机的响应时间变得较不重要，因为废气温度的波动减小。注入空气的量占废气的一小部分，例如通常小于10％。

系统100可包括用于测量DPC 110前方的废气温度的安全特征，以确保在任意发动机操作条件下的最高废气温度都不超过特定的导致不受控焚化的阈值。在这个方面，监测转换器前方的温度，并将之与预设的温度相比较。信号可通过位于DPC 110入口处的温度传感器108响应于预定的入口温度来产生。当废气温度高时，效果可能导致加速的或者不受控焚化(相当于不受控的再生)。当这种温度条件出现时，不论转换器110的背压如何，总是通过鼓风机注入最大的空气以降低温度，直到转换器110前方的废气温度达到安全阈值。

在操作中，可通过监测DPC的压降、监测DPC前方的温度信号和发动机RPM来操作反馈控制系统以提供有效的焚化。反馈控制系统可计算在给定发动机操作条件下的具体压降并且将其与阈值数据比较。例如，阈值数据可从查阅表中获得。在这个方面，当监测的具体压降低于预定的具体压降时、以及当监测的温度高于预定的温度阈值时，反馈控制系统可以操作以控制废气冷却功能，以便保持转换器最优性能。

在多个示例中，本发明提供了一种DPC，其为一种被动设备，没有主动部件、传感器和电子部件。整个系统的操作可完全独立于发动机操作。该系统对亚微米和纳米微粒可具有达到95至99％的非常高的附聚效率。这些附聚微粒的大部分被焚化成无害的副产物。如同本领域类似设备的情形，一些微粒逸出到尾管。在它们的尺寸对于PM 10标准而言超过10微米、对于PM 2.5标准而言超过2.5微米的情况下，这种微粒的尺寸是大的，并且不构成微粒污染。结果，转换器具有两组微粒减少效率，即测量效率(基于总逸出微粒)和认可效率(减去较大微粒的重量而测量)。

在此描述的系统可进一步包括将离开DPC的废气流体连接到柴油发动机的废气再循环(EGR)系统、以及一个阀，以选择性地将废气从DPC转向EGR系统，其中注入到发动机进气口中的废气已被低温冷却并且基本上清除了任意易逸出的微粒。增加这种系统称作低压EGR系统。与高压EGR系统相比，这种系统提供非常好的性能，因为低压EGR系统提供在注入发动机进气口之前对气体的清洁和低温冷却，而高压系统则不能实现这些功能。EGR系统可基本上类似于美国专利No.7,266,943中所述的ERG系统。通过参引的方式将美国专利No.7,266,943并入，如同该专利完全叙述于本文中一样。

虽然已经在说明书中描述了具体的示例并示于附图中，但是本领域的技术人员应当理解可作出多种改变，并且可使用等同元件来代替其元件而不背离由权利要求限定的本发明的范围。另外，在此可清楚地想到各示例之间的特征、元件和/或功能的混合和配合，使得本领域的技术人员将通过本发明了解到一个示例的特征、元件和/或功能可适当地结合到另一个示例中，除非上文另外地说明。此外，可作出许多改型以使具体的情况或材料适于本发明而不背离本发明的实质性范围。因此，本发明不被附图中所示、说明书所述、作为目前想到的执行本发明的最佳实施方式的具体示例所限制，相反地，本发明的范围将包括任意落在上文的描述或任意所附的权利要求的范围内的实施方式。

Claims

1.一种系统，其用于收集和焚化微粒物质以清洁柴油发动机的废气，所述系统包括：

柴油微粒转换器(DPC)，其具有壳体以及至少一个位于所述壳体中的过滤芯；

柴油氧化催化器(DOC)，其位于废气通路中；

至少一个废气冷却设备，其用于控制废气温度；以及

反馈控制系统，其用于根据所述DPC的压降、所述DPC前方的温度和发动机RPM来调节和控制废气温度。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述过滤芯包括：

至少一个第一径向金属丝网层，其厚度为约0.2英寸到约0.5英寸、限定复合金属丝网附聚器；以及

至少一个滞留网，其绕所述金属丝网附聚器的外部径向地构造以捕集和保持附聚的煤烟。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述过滤芯包括金属丝网附聚器和多个滞留网，且其中所述DOC与发动机废气温度分布配合而产生足够的NO₂，用于焚化复合金属丝网附聚器和滞留网上的煤烟。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述DOC由烧结的金属丝网基体构造，以提供废气的低压降、高混合和湍流条件，从而能够施加少量的贵金属。

5.如权利要求2所述的系统，其中所述复合金属丝网附聚器和所述滞留网配合以提供厚料层，用于使所收集的煤烟具有长的停留时间。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述反馈控制系统操作以监测废气温度并响应于预定条件提供冷却，所述系统还包括至少一个冷却设备，所述冷却设备选自：用于将环境空气注入废气通路中的鼓风机、用于将水注入废气通路中的泵、以及通过调整空气风扇操作的废气/外界空气热交换器。

7.如权利要求1所述的系统，进一步包括位于废气通路中处于所述DOC前方的热稳定器，以将温度降到低于400℃并增加NO₂的焚化频率。

8.如权利要求7所述的系统，其中所述热稳定器包括具有高导热性、高热惯性和高透过性的金属丝网。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述金属丝网是刚性金属丝网基体。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述过滤芯包括：

至少一个包括所述DOC的第一径向层；

至少一个限定火花熄灭网的第二径向层；

至少一个限定复合金属丝网附聚器的第三径向层；以及

至少一个滞留网，其绕所述金属丝网附聚器的外部径向地构造以捕集附聚的煤烟。

11.如权利要求6所述的系统，其中所述反馈控制系统操作以通过监测所述DPC的压降信号、监测所述DPC前方的温度信号和发动机RPM、计算在给定发动机操作状态下的具体压降以及将所述具体压降与阈值数据作比较来提供有效的焚化。

12.如权利要求6所述的系统，其中所述反馈控制系统操作以响应于下述条件中的至少一个来控制废气冷却功能：

当监测到的具体压降低于预定的具体压降时；以及

当监测到的温度高于预定的温度阈值时。

13.如权利要求1所述的系统，其中所述微粒转换器是被动设备，没有位于发动机废气系统附近的主动部件、传感器和电子部件。

14.如权利要求1所述的系统，其中所述系统的操作完全独立于发动机的操作。

15.如权利要求1所述的系统，其中所述系统对亚微米和纳米微粒具有非常高的附聚效率，使得从所述系统逸出的微粒尺寸是大的，从而所述微粒在它们的尺寸对于PM 10标准而言超过10微米、以及对于PM 2.5标准而言超过2.5微米的情况下不构成微粒污染。

16.如权利要求1所述的系统，进一步包括将离开所述微粒转换器的废气流体连接到柴油发动机的废气再循环(EGR)系统以及阀，以选择性地将废气从所述微粒转换器转向EGR系统，其中注入到发动机进气口中的废气已被低温冷却并且基本上清除了任意易逸出的杂质。

17.如权利要求5所述的系统，其中所述厚料层产生充分的接触和长的停留时间以允许NO₂转变成N₂和CO₂，从而使NO_x的排放降低10-15％。

18.一种微粒物质的NO₂焚化以清洁柴油发动机的废气的方法，所述方法包括：

提供柴油微粒转换器(DPC)，所述转换器具有壳体和至少一个位于所述壳体中的过滤芯；

使柴油发动机废气沿着从所述柴油发动机延伸穿过所述DPC的废气通路行进；

利用置于所述废气通路中的柴油氧化催化器(DOC)处理柴油发动机废气；并且

利用反馈控制系统根据所述DPC的压降、所述DPC前方的温度和发动机RPM通过选择性地控制废气冷却设备来控制废气温度。

19.如权利要求18所述的方法，进一步包括将附聚的煤烟捕集在所述过滤芯中。

20.如权利要求19所述的方法，进一步包括利用所述DOC与发动机废气温度分布的配合而产生充足的NO₂，以焚化附聚的煤烟。

21.如权利要求18所述的方法，其中利用所述反馈控制系统控制废气温度的步骤包括监测废气温度并响应于预定条件而提供冷却。

22.如权利要求18所述的方法，进一步包括提供冷却设备，所述冷却设备选自包括如下装置的装置组：用于将环境空气注入所述废气通路中的鼓风机、用于将水注入所述废气通路中的泵、以及通过调整空气风扇而操作的废气/外界空气热交换器。

23.如权利要求18所述的方法，其中利用所述反馈控制系统控制废气温度包括监测所述DPC的压降、监测所述DPC前方的温度和发动机RPM。

24.如权利要求23所述的方法，其中利用所述反馈控制系统控制废气温度包括计算在给定发动机操作条件下的具体压降并且将该具体压降与阈值数据比较。

25.如权利要求18所述的方法，其中利用所述反馈控制系统控制废气温度包括响应于低于预定具体压降的压降以及高于预定温度阈值的温度而对废气冷却进行控制。

26.如权利要求18所述的方法，进一步包括在所述废气通路中所述DOC的前方提供热稳定器，以降低废气的温度并增大NO₂的焚化频率。

27.如权利要求27所述的方法，进一步包括利用所述过滤芯的金属丝网的至少一个径向层来限定金属丝网附聚器。

28.如权利要求27所述的方法，进一步包括利用至少一个滞留网捕集和滞留附聚的煤烟，所述至少一个滞留网径向围绕所述金属丝网附聚器。

29.一种柴油微粒转换器(DPC)，其用于收集和焚化来自柴油发动机废气的微粒物质，所述DPC包括：

废气通路，其从柴油发动机延伸穿过所述DPC；

壳体；

至少一个过滤芯，其位于所述壳体中；以及

电焚化器，其适于电连接到脉冲电源以焚化收集在所述过滤芯中的煤烟。

30.如权利要求29所述的DPC，进一步包括位于所述废气通路中的柴油氧化催化器(DOC)。

31.如权利要求30所述的DPC，其中所述DOC由烧结的金属丝网基体构造，以提供废气的低压降、高混合和湍流条件，从而能够施加少量的贵金属。

32.如权利要求29所述的DPC，其中所述过滤芯包括至少一个径向的复合金属丝网层，所述复合金属丝网层的厚度为约0.2英寸至约0.5英寸、限定附聚器。

33.如权利要求29所述的DPC，其中所述电焚化器包括两个径向包绕所述复合金属丝网附聚器的不锈钢密纹网。

34.如权利要求33所述的DPC，其中所述过滤芯进一步包括火花熄灭网，所述火花熄灭网由多层大口径的密纹网构成，所述多层密纹网设置为所述过滤芯的上游一体内部部件。

35.如权利要求33所述的DPC，其中所述过滤芯进一步包括呈网状的氧化催化器，其用作所述过滤芯的位于火花熄灭网之后的内部部件。

36.如权利要求29所述的DPC，其中所述电焚化器包括：

电接地的内侧大口径密纹网；

连接到脉冲电源的外侧小口径密纹网；

贱金属催化剂网；以及

陶瓷隔离器，其位于所述内侧网和所述外侧网之间以提供约0.010英寸到约0.025英寸的电绝缘间隙。

37.如权利要求36所述的DPC，进一步包括电源，用于提供通过捕集于所述焚化器间隙内的煤烟的脉冲电能以进行焚化。

38.如权利要求36所述的DPC，其中所述贱金属催化器选自缠绕金属丝和平网之一。

39.如权利要求36所述的DPC，其中所述外侧网限定多个直径为70微米或更小的开口以用作滤器，从而保持住呈结块形式的附聚煤烟微粒，并允许过量煤烟的压力释放从而防止废气通路的堵塞。

40.如权利要求29所述的DPC，进一步包括用于监测所述焚化器的在焚化器电源线和车辆底盘之间的电阻的被动控制逻辑；所述被动控制逻辑响应于约为1欧姆的阈值电阻而可操作地致动所述焚化器约10分钟的时间长度。

41.如权利要求29所述的DPC，其中所述电焚化器的脉冲电源在12伏特至48伏特直流电的范围内，并且以约100赫兹至约10,000赫兹的频率、以及约10％至约30％的低占空比施加。

42.如权利要求30所述的DPC，其中所述DOC产生附加的NO₂以帮助捕获于所述复合金属丝网和所述电焚化器上的煤烟的焚化。

43.如权利要求29所述的DPC，进一步包括热稳定器，所述热稳定器位于所述DOC前方的废气通路中，用于将废气温度降到低于400℃以及增加NO₂的焚化频率；所述热稳定器由具有高导热性、高热惯性和高透过性的烧结金属丝网基体构成。

44.如权利要求29所述的DPC，进一步包括低压的废气再循环系统(EGR)，所述废气再循环系统将离开所述DPC的废气通过阀流体连接到所述柴油发动机的进气口，以选择性地将废气从所述DPC转向所述发动机，其中所述EGR流被低温冷却并且基本上清除了任意易逸出的污染物。

45.如权利要求29所述的DPC，其中所述过滤芯包括：

至少一个径向层，其限定复合金属丝网附聚器；以及

电焚化器，其径向地包绕所述金属丝网附聚器。

46.如权利要求29所述的DPC，进一步包括设置为所述过滤芯的一体内部部件的火花熄灭网。

47.如权利要求29所述的DPC，进一步包括作为所述过滤芯的一体内部部件的氧化催化剂网。

48.如权利要求36所述的DPC，其中所述火花熄灭网由多层带有开口的密纹网构成，所述开口的尺寸用以将煤烟积聚限制到最小，并构造有弯曲的流动路径以捕获和冷却高温的燃料粒以防止过滤芯中的自燃。

49.如权利要求29所述的DPC，其中所述焚化器包括：

内侧接地网；

外侧网；

贱金属催化器；以及

陶瓷隔离器，其位于所述内侧网和所述外侧网之间以形成两者之间的间隙，所述间隙能够由所收集的煤烟导电地桥接。

50.如权利要求49所述的DPC，其中所述陶瓷隔离器限定约0.010英寸至约0.025英寸的固定间隙。

51.如权利要求49所述的DPC，其中所述陶瓷隔离器中的间隙尺寸限制了由煤烟结块焚化导致的高温，从而提供用于控制焚化期间煤烟燃烧温度的被动装置。

52.如权利要求50所述的DPC，其中所述脉冲电源提供经过所述固定间隙的脉冲电能以用于焚化。

53.如权利要求49所述的DPC，其中所述贱金属催化器工作而降低煤烟点燃温度。

54.如权利要求49所述的DPC，其中所述外侧网限定多个直径为约70微米或更小的开口，其用作滤器而以结块形式收集附聚煤烟微粒。

55.如权利要求54所述的DPC，其中煤烟结块燃烧的副产物在约0.025英寸(大致为所述外侧网的厚度)内直接释放到所述过滤芯的外部，从而防止在所述过滤芯中的热量/温度积聚，并且因此在焚化期间保持所述外侧网的冷却。

56.如权利要求29所述的DPC，进一步包括被动控制装置，用于监测所述焚化器的电阻并响应于预定的阈值电阻致动所述焚化器。

57.如权利要求29所述的DPC，其中电焚化系统具有被动逻辑以持续地监测焚化器电阻。

58.如权利要求29所述的DPC，其中所述复合金属丝网附聚器和所述外侧网配合以提供具有长停留时间的厚料层。

59.如权利要求29所述的DPC，其中所述DPC对于亚微微米和纳米微粒具有非常高的附聚效率，使得从所述系统逸出的微粒的尺寸是大的，从而在微粒的尺寸对于PM 10标准而言超过10微米、以及对于PM 2.5标准而言超过2.5微米的情况下，微粒不构成微粒污染。

60.如权利要求29所述的DPC，进一步包括将离开所述微粒转换器的废气流体连接到所述柴油发动机的废气再循环系统(EGR)和阀，以选择性地将废气从所述微粒转换器转向所述EGR系统，其中注入到进气口的废气被冷却并且基本上清除了任意易逸出的污染物。

61.如权利要求47所述的系统，其中所述厚料层形成充分的接触和长的停留时间以允许NO₂转变成N₂和CO₂，从而使NO_x的排放降低10-15％的量级。

62.一种电焚化微粒物质以清洁柴油发动机的废气的方法，所述方法包括：

将附聚的煤烟收集在所述至少一个过滤芯中；并且

利用电连接到脉冲电源的电焚化系统焚化附聚的煤烟。

63.如权利要求62所述的方法，进一步包括利用置于所述废气通路中的DOC处理废气。

64.如权利要求62所述的方法，其中所述至少一个过滤芯包括焚化器，所述焚化器具有内侧接地网、外侧网、贱金属催化剂、以及陶瓷隔离器，所述陶瓷隔离器位于所述内侧网和所述外侧网之间以形成两者之间的间隙，所述间隙能够由所收集的附聚的煤烟电桥接。

65.如权利要求64所述的方法，进一步包括提供经过所述间隙的脉冲电能以用于焚化。