CN101802354A - 用于净化颗粒过滤器的颗粒过滤器组件和方法 - Google Patents

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Abstract

用于内燃发动机的发动机排气系统，该发动机排气系统包括连接于发动机(30)的排气管道(14)，使至少一部分废气能够返回发动机的废气返回管道(32、33)。废气返回管道至少沿其长度的一部分形成有至少两个流路(48、49)。该发动机排气系统还包括设置在所述至少两个流路的每一个中的颗粒过滤器，以及至少一个冷焰汽化器(11)，其中燃料在预热空气中被部分氧化以形成冷焰气体。所述至少一个冷焰汽化器设置成与所有流路流体连通，使得冷焰气体能够流过颗粒过滤器，由此冷焰气体能够用于再生至少一个排气流路中的颗粒过滤器，同时废气能够流过其它一个或多个排气流路。还提供了用于净化颗粒过滤器的方法。

Description

用于净化颗粒过滤器的颗粒过滤器组件和方法
本发明涉及颗粒过滤器设备和发动机排气系统，其中通过使用冷焰气体来再生过滤器。本发明还涉及用于净化颗粒过滤器的方法和用于净化设置在废气返回系统中的颗粒过滤器的方法。本发明还涉及颗粒过滤器设备、发动机排气系统以及用于净化颗粒过滤器的方法的用途，其中废气源自压燃发动机。
冷焰是一种现象，其至今没有受到太多关注。在冷焰中燃料在预热空气中部分氧化并且温度恒定保持为大约450摄氏度，并且其独立于空气/燃料比和滞留时间。在冷焰过程中，仅有2-20％的燃料热值被释放，并且这种热量用于蒸发燃料，形成均质气相燃料。在研发工作中已经发现，该气体能够从反应器壁上去除碳沉积物。虽然这种原因还没有弄清楚，但是认为这是在冷焰气体，即部分氧化的气相燃料中存在的自由基造成的。
在美国专利US6793693中，可以找到冷焰气体现象的更全面的描述。
来自在过量空气条件下运行的压燃发动机(通常不够准确地称为柴油发动机)的排气主要包含颗粒物NOx、以及不完全燃烧产物(HC和CO)。可以使用发动机下游的过滤器来去除颗粒物。过一阵后，过滤器将会堵塞并需要再生，这通过在氧化条件下将废气温度增加到800摄氏度以上来进行，由此燃烧掉碳沉积物。为了允许连续操作，通常具有两个并联的过滤器和阀，该阀将大部分排气送至一个过滤器，而另一个过滤器同时被再生。
不完全燃烧产物(HC和CO)可以通过氧化催化剂来去除。
另一方面，如果废气是轻度还原性的(如在奥托发动机中那样)，NOx可以被催化去除。通常在压燃发动机中不是这样。
一种减少柴油发动机中NOx排放物的方法是将一些排气再循环回入发动机(EGR)。虽然这对通过清洁柴油燃料运行的较小柴油发动机有效，但对于通过重油燃料运行的较大发动机却不可行，因为其将在排气中产生会与润滑油混合的颗粒物并因此导致发动机过早磨损。在EGR回路中插入过滤器的尝试已经是不成功的，因为排气还包括在过滤器再生过程中(这时温度升高到600摄氏度以上)会熔化的盐和其它金属化合物并因此导致过滤器过早损坏。
因此，本发明的目的是改进颗粒过滤器的再生并因此将其用途延伸至通过重柴油燃料运行的柴油发动机。
这个目的通过限定在独立权利要求中的本发明来完成。本发明的进一步实施例限定在从属权利要求中。
提供了一种颗粒过滤器设备，包括设置在内燃发动机的废气管道中的颗粒过滤器，使得含有颗粒物质和烟灰的废气在通过颗粒过滤器时被净化。颗粒过滤器设备还包括冷焰汽化器，其中燃料在预热空气中被部分氧化以形成冷焰气体，冷焰汽化器设置成与排气管道流体连通，使得冷焰气体能够流过颗粒过滤器，由此去除已经累积在颗粒过滤器中的烟灰沉积物。
冷焰汽化器是标准的冷焰汽化器，其中燃料能够在预热空气中被部分氧化以提供具有自由基的完全汽化燃料。在冷焰汽化器中，空气和燃料以0.3-1.0的比例(1.0是化学计量空气/燃料比)混合，但只有小部分空气用于冷焰反应。
废气管道可以是管或具有任何截面形状的类似物，或者废气管道可以形成为在较大主体中的内部管道。
用于预热空气的装置可以是热交换器，其中，废气的热量加热空气。也可以使用其它预热装置例如电加热装置。
颗粒过滤器设备还设有一个或多个阀装置，其控制废气流过废气管道。当再生废气管道中的颗粒过滤器时，废气流因此能够被至少部分关闭。
此外，颗粒过滤器设备设有阀装置，其控制冷焰气体从冷焰汽化器流入废气管道并通过颗粒过滤器。
可以控制这些阀装置来以例如特定的时间间隔，或者当颗粒过滤器上的压力降达到预定水平(表示颗粒过滤器需要被再生)时，再生颗粒过滤器。
冷焰汽化器可以设置在废气流管道外面，并且如果需要则通过流体管线连接于废气管道。如果冷焰汽化器安装于废气管道，那么仅需要提供进入废气管道的开口，如果冷焰汽化器设置为与废气管道分开，则要提供流体管线来连接冷焰汽化器和废气管道。
在本发明的一个实施例中，冷焰汽化器也可以设置在废气管道内。在这种情况下无需流体管线，因为冷焰汽化器就可以将冷焰气体通过包含所述阀装置的开口释放进废气管道中。
此外，废气设备包括燃料源，设置成与冷焰汽化器流体连通。废气设备还包括空气源和用于预热空气的装置，空气源与冷焰汽化器流体连通。为了控制燃料和预热空气流入冷焰汽化器，废气净化设备包括一个或多个阀装置，用于控制燃料和预热空气流至所述冷焰汽化器。
还提供了用于内燃发动机的发动机排气系统，其中发动机排气系统包括连接于发动机的排气管道和使至少一部分废气能够返回发动机的废气返回管道。废气返回管道至少沿其长度的一部分形成有至少两个流路。该发动机排气系统还包括设置在所述至少两个流路的每一个中的颗粒过滤器，以及至少一个冷焰汽化器，其中燃料在预热空气中被部分氧化以形成冷焰气体。所述至少一个冷焰汽化器设置成与所有流路流体连通，使得冷焰气体能够流过任一颗粒过滤器。由此冷焰气体能够用于再生至少一个排气流路中的颗粒过滤器，同时废气能够流过其它(一个或多个)排气流路。
冷焰汽化器如上所述是标准的冷焰汽化器，其中燃料能够在预热空气中被部分氧化。在冷焰汽化器中，空气和燃料以0.3-1.0的比例(1.0是化学计量空气/燃料比)混合，但只有小部分空气用于冷焰反应。
废气管道可以是管或具有任何截面形状的类似物，或者废气管道可以形成为在较大主体中的内部管道。
用于预热空气的装置可以是热交换器，其中，废气的热量加热空气。也可以使用其它预热装置例如电加热装置。
可以通过为废气返回管道至少沿其长度的一部分设置一个或多个隔离物来形成所述流路，使得用于废气的两个或更多个分开的流路形成在排气管道部分中。这些隔离物可以是将废气返回管道分成两个或更多个流路的一个或多个板。或者，可以通过为废气返回管道设置至少两个分开的废气能够流过的管道来形成所述流路。
发动机排气系统优选设有一个或多个阀装置，其控制废气流过废气返回管道的所述流路。阀装置可以关闭用于废气流的一个或多个流路。发动机排气系统还优选设有一个或多个阀装置，用于控制冷焰气体从所述至少一个冷焰汽化器流至废气返回管道和所述流路中的颗粒过滤器。可以控制这些阀装置来以例如特定的时间间隔，或者当颗粒过滤器上的压力降达到预定水平(表示颗粒过滤器需要被再生)时，再生颗粒过滤器。
冷焰汽化器可以设置在废气管道的外面，并且如果需要则通过流体管线连接于废气管道。如果冷焰汽化器安装于废气管道，那么仅需要提供进入废气管道的开口，如果冷焰汽化器设置为与废气管道分开，则要提供流体管线来连接冷焰汽化器和废气管道。
在本发明的一个实施例中，所述至少一个冷焰汽化器也可以设置在废气管道内。在这种情况下无需流体管线，因为冷焰汽化器就可以将冷焰气体通过包含所述阀装置的开口释放进废气管道中。
发动机排气系统还包括燃料源，设置成与所述至少一个冷焰汽化器流体连通。优选还设有阀装置来控制燃料流至所述至少一个冷焰汽化器。
发动机排气系统还包括空气源和，如上所述，用于预热空气的加热装置，空气源设置成与所述至少一个冷焰汽化器流体连通。优选还设有阀装置来控制预热空气流至所述至少一个冷焰汽化器。
还提供了用于净化具有源自废气的颗粒物质和烟灰沉积物的颗粒过滤器的方法，该过滤器设置在排气管道内，所述方法包括步骤：提供冷焰气体，并使冷焰气体流过颗粒过滤器，由此从颗粒过滤器去除烟灰。
如上所述，可以在冷焰汽化器中通过部分氧化预热空气中的燃料来提供冷焰气体。显然，冷焰汽化器设置成与排气管道流体连通。在冷焰汽化器中，空气和燃料以0.3-1.0(1.0同样是化学计量空气/燃料比)的比例混合，但只有小部分空气用于冷焰反应。
此外，该方法还包括步骤：提供一个或多个阀装置，用于控制冷焰气体从冷焰汽化器流入排气管道。
该方法还包括步骤：提供燃料源、空气源和用于预热空气的加热装置，燃料源设置成与冷焰汽化器流体连通，空气源设置成与冷焰汽化器流体连通。
优选该方法还包括步骤：提供一个或多个阀装置，用于控制燃料和预热空气流至冷焰汽化器。
还提供了用于净化设置在内燃发动机的废气返回系统中的颗粒过滤器的方法，废气返回系统包括废气返回管道，废气返回管道至少沿其长度的一部分形成有至少两个流路，所述至少两个流路分别设有用于去除废气中的颗粒物质和烟灰的颗粒过滤器，其中所述方法包括步骤：
提供冷焰气体，
使冷焰气体流过废气返回管道的至少一个流路中的颗粒过滤器，由此通过去除沉积的烟灰而再生颗粒过滤器。
可以在至少一个冷焰汽化器中通过部分氧化预热空气中的燃料来提供冷焰气体，其中冷焰汽化器设置成与废气返回管道的所有流路流体连通。在冷焰汽化器中，空气和燃料以0.3-1.0(1.0同样是化学计量空气/燃料比)的比例混合，但只有小部分空气用于冷焰反应。
该方法还包括步骤：提供一个或多个阀装置，用于单独控制冷焰气体从冷焰汽化器流入废气管道的每个流路。
该方法还包括步骤：提供燃料源、空气源和用于预热空气的加热装置，燃料源设置成与冷焰汽化器流体连通，空气源设置成与冷焰汽化器流体连通。
该方法还包括步骤：提供一个或多个阀装置，用于控制燃料和预热空气流至冷焰汽化器。
为了在废气通过NOx捕集器之前从废气中去除颗粒物质，该方法还包括步骤：将NOx捕集器在排气管道部分的每个流路中设置在相应颗粒过滤器的下游。
该方法还包括步骤：将氧化催化剂设置在颗粒过滤器和NOx捕集器下游的排气管道部分中。氧化催化剂可以设置在废气返回管道的每个流路中，使得颗粒过滤器、NOx捕集器以及氧化催化剂形成在单个单元中。或者，氧化催化剂可以单独设置在远方下游处，其中排气在单个流路中流动。
还提供了颗粒过滤器设备的用途，其中废气源自通过柴油或重油燃料运行的压燃发动机。
还提供了发动机排气系统的用途，其中废气源自通过柴油或重油燃料运行的压燃发动机。
还提供了用于净化颗粒过滤器的方法的用途，其中废气源自通过柴油或重油燃料运行的压燃发动机。
还提供了用于净化颗粒过滤器的方法的用途，其中废气源自通过柴油或重油燃料运行的压燃发动机。
以上仅提及了通过冷焰汽化器来制备冷焰气体。冷焰只是一种方法来获得部分氧化的燃料气体，还有多种具有相同性质的其它部分氧化的燃料气体。本发明因此不应视作被限制于仅仅冷焰气体，而是应当包括具有与冷焰气体相同或类似性质的其它部分氧化的燃料气体。
下面参照附图详细公开本发明的实施例。其中：
图1示出了本发明的一个实施例，其中颗粒过滤器设置在排气管道中。
图2A示出了本发明的一个实施例，其中颗粒过滤器设置在EGR回路中。
图2B是通过图2A中的颗粒过滤器的A-A截面视图。
图3示出了本发明的另一个实施例，其中颗粒过滤器设置在EGR回路中。
图1示意性示出了本发明的实施例。箭头20所示的废气流动在废气管道14中。阀装置18用于控制废气流过废气管道。远方下游处设置有颗粒过滤器10，用于净化废气中的颗粒物质。颗粒过滤器需要定期再生，根据本发明，其可以通过提供冷焰气体并使冷焰气体流过颗粒过滤器直至颗粒过滤器被再生来执行。在图1中，通过冷焰汽化器11来制备冷焰气体。燃料源12，例如柴油或重油燃料，通过流体管线26连接于冷焰汽化器。阀装置19用于控制燃料流至冷焰汽化器11。还设有可以包括进气口15和空气过滤器(未示出)的空气源13。空气源13连接于通过流体管线25连接于冷焰汽化器。阀装置16控制空气从空气源13流至冷焰汽化器11。
优选还设有加热装置(未示出)，用于在空气被供至冷焰汽化器11之前预热空气。通过正确调节阀装置16、19，可以获得所需燃料空气比。
就在颗粒过滤器10的上游，冷焰气体通过流体管线27被供至废气管道。阀装置17用于控制冷焰气体从冷焰汽化器11流至废气管道14和废气管道14。
当需要再生颗粒过滤器11时，这可以通过过滤器上增加的压力降(表示需要进行净化)而觉察，优选关闭阀装置18并打开阀装置17，使冷焰气体流过颗粒过滤器10，由此再生颗粒过滤器10。
在图2A-B和图3A-B中示出了本发明的两个类似实施例。示出了用于内燃发动机30，优选为压燃发动机的发动机排气系统。此外设有箭头21指示的排气所流过的废气管道14。为了降低来自发动机30的排气中的NOx含量，设置有EGR回路(废气返回回路)。
在图2A中示出的EGR回路具有废气返回管道32、33。废气返回管道包括延伸在排气管道14和颗粒过滤器部分22之间的流体管线32以及延伸在颗粒过滤器部分22和发动机30之间的流体管线33。如图2B所示，排气返回管道32、33至少沿其长度的一部分被分成至少两个流路48、49。颗粒过滤器部分的这段长度优选对应于颗粒过滤器10的长度。如图2B所示，通过隔离物34形成所述流路。
颗粒过滤器10设置在每个流路48、49中，阀装置(未示出)或其它装置用于控制废气流过流路48、49。
还以相同方式设有冷焰汽化器11，冷焰汽化器11具有燃料源12和空气源13，如上所述。就在颗粒过滤器部分10之前，冷焰汽化器11中产生的冷焰气体被供至流体管线32。当打开阀装置17时，冷焰气体可以流过流路48、49中的两个或一个。
当需要再生颗粒过滤器部分22中的颗粒过滤器10之一时，阀装置或其它装置关闭其中设置有准备被再生的颗粒过滤器10的用于流过废气的流路32、33。打开阀装置17并使冷焰气体流过准备被再生的颗粒过滤器10。当颗粒过滤器被再生时，可以切换阀的位置以使废气流过刚被再生的颗粒过滤器，同时冷焰气体被引导通过需要被再生的过滤器。当例如颗粒过滤器上的压力降下降至特定值时，可以认为颗粒过滤器被再生。
采用这种方式，当再生过滤器时无需关闭EGR回路。图2B所示颗粒过滤器部分22被分成具有颗粒过滤器10的两个流路48、49，但如果认为有必要的话，显然可以设有两个以上的流路。
图3A和3B所示实施例类似于图2A和2B所示实施例。对于相同的部件使用了相同的标记，因此下面仅会描述两个实施例之间的不同部件。
两个实施例之间的不同是：在图3A和图3B所示实施例中，通过两个分开的流体管线，而不是通过单个排气管道的隔离物(图2A实施例中的颗粒过滤器部分)，来形成所述流路。
在EGR回路40中，废气在两个(图示)并联流体管线38、39中流动。在两个流体管线38和39中的每一个中设有颗粒过滤器10和用于控制废气流过这两个流体管线38、39的阀装置。通过阀装置17来控制来自冷焰汽化器11的冷焰气体。当需要再生颗粒过滤器时，调节阀装置以使冷焰气体流过一个颗粒过滤器10，由此将其再生，同时废气被引导通过另一个颗粒过滤器10。在已经再生第一颗粒过滤器之后，切换阀装置的位置以使废气流过刚被再生的颗粒过滤器，同时使冷焰气体流过仍然需要被再生的颗粒过滤器。
对于图2A和2B中所示的实施例，如果需要，也可以设有两个以上的流路38、39。

Claims (31)

1.颗粒过滤器设备，包括设置在内燃发动机的废气管道中的颗粒过滤器，其中含有颗粒物质和烟灰的废气在通过颗粒过滤器时被净化，其特征在于，颗粒过滤器设备还包括冷焰汽化器，其中燃料在预热空气中被部分氧化以形成冷焰气体，冷焰汽化器设置成与排气管道流体连通，使得冷焰气体能够流过颗粒过滤器，由此去除已经累积在颗粒过滤器中的烟灰沉积物。
2.根据权利要求1的颗粒过滤器设备，其特征在于，颗粒过滤器设备设有一个或多个阀装置，其控制废气流过废气管道。
3.根据权利要求1或2的颗粒过滤器设备，其特征在于，颗粒过滤器设备设有阀装置，其控制冷焰气体从冷焰汽化器流入废气管道并通过颗粒过滤器。
4.根据权利要求1-3之一的颗粒过滤器设备，其特征在于，冷焰汽化器设置在废气流管道外面，并且如果需要则通过流体管线连接于废气管道。
5.根据权利要求1-3之一的颗粒过滤器设备，其特征在于，冷焰汽化器设置在废气管道内。
6.根据权利要求1-5之一的颗粒过滤器设备，其特征在于，废气设备包括燃料源，设置成与冷焰汽化器流体连通。
7.根据权利要求1-6之一的颗粒过滤器设备，其特征在于，废气设备包括空气源和用于预热空气的装置，空气源与冷焰汽化器流体连通。
8.根据权利要求6或7的颗粒过滤器设备，其特征在于，废气净化设备包括一个或多个阀装置，用于控制燃料和预热空气流入冷焰汽化器。
9.用于内燃发动机的发动机排气系统，该发动机排气系统包括连接于发动机的排气管道，使至少一部分废气能够返回发动机的废气返回管道，废气返回管道至少沿其长度的一部分形成有至少两个流路，该发动机排气系统还包括设置在所述至少两个流路的每一个中的颗粒过滤器，其特征在于，该发动机排气系统还包括至少一个冷焰汽化器，其中燃料在预热空气中被部分氧化以形成冷焰气体，所述至少一个冷焰汽化器设置成与所有流路流体连通，使得冷焰气体能够流过颗粒过滤器，由此冷焰气体能够用于再生至少一个排气流路中的颗粒过滤器，同时废气能够流过其它一个或多个排气流路。
10.根据权利要求9的发动机排气系统，其特征在于，通过为废气返回管道至少沿其长度的一部分设置一个或多个隔离物来形成所述流路，使得用于废气的两个或更多个分开的流路形成在排气管道部分中。
11.根据权利要求9的发动机排气系统，其特征在于，通过为废气返回管道设置至少两个分开的废气能够流过的管道来形成所述流路。
12.根据权利要求9-11之一的发动机排气系统，其特征在于，发动机排气系统设有一个或多个阀装置，其控制废气流过废气返回管道的所述流路。
13.根据权利要求9-12之一的发动机排气系统，其特征在于，发动机排气系统设有一个或多个阀装置，用于控制冷焰气体从所述至少一个冷焰汽化器流至废气返回管道和所述流路中的颗粒过滤器。
14.根据权利要求9-13之一的发动机排气系统，其特征在于，所述至少一个冷焰汽化器设置在废气返回管道的所述流路的外面，并且如果需要则通过流体管线连接于所述流路。
15.根据权利要求9-13之一的发动机排气系统，其特征在于，所述至少一个冷焰汽化器设置在废气返回管道的所述流路内。
16.根据权利要求9-15之一的发动机排气系统，其特征在于，发动机排气系统包括燃料源和阀装置，燃料源设置成与所述至少一个冷焰汽化器流体连通，阀装置用于控制燃料流至所述至少一个冷焰汽化器。
17.根据权利要求9-16之一的发动机排气系统，其特征在于，发动机排气系统包括空气源和用于预热空气的加热装置以及阀装置，空气源设置成与所述至少一个冷焰汽化器流体连通，阀装置用于控制预热空气流至所述至少一个冷焰汽化器。
18.用于净化具有源自废气的颗粒物质和烟灰沉积物的颗粒过滤器的方法，该过滤器设置在排气管道内，其特征在于，所述方法包括步骤：提供冷焰气体，并使冷焰气体流过颗粒过滤器，由此从颗粒过滤器去除烟灰。
19.根据权利要求18的方法，其特征在于，提供一个或多个阀装置，用于控制冷焰气体从冷焰汽化器流入排气管道，冷焰汽化器中的燃料在预热空气中被部分氧化以形成冷焰气体。
20.根据权利要求19的方法，其特征在于，提供燃料源、空气源和用于预热空气的加热装置，燃料源设置成与冷焰汽化器流体连通，空气源设置成与冷焰汽化器流体连通。
21.根据权利要求20的方法，其特征在于，提供一个或多个阀装置，用于控制燃料和预热空气流至冷焰汽化器。
22.用于净化设置在内燃发动机的废气返回系统中的颗粒过滤器的方法，废气返回系统包括废气返回管道，废气返回管道至少沿其长度的一部分形成有至少两个流路，所述至少两个流路分别设有用于去除废气中的颗粒物质和烟灰的颗粒过滤器，
其特征在于，所述方法包括步骤：
提供冷焰气体，
使冷焰气体流过废气返回管道的至少一个流路中的颗粒过滤器，由此通过去除沉积的烟灰而再生颗粒过滤器。
23.根据权利要求22的方法，其特征在于，提供一个或多个阀装置，用于单独控制冷焰气体从冷焰汽化器流入废气管道的每个流路，冷焰汽化器中的燃料在预热空气中被部分氧化。
24.根据权利要求23的方法，其特征在于，提供燃料源、空气源和用于预热空气的加热装置，燃料源设置成与冷焰汽化器流体连通，空气源设置成与冷焰汽化器流体连通。
25.根据权利要求24的方法，其特征在于，提供一个或多个阀装置，用于控制燃料和预热空气流至冷焰汽化器。
26.根据权利要求22-25之一的方法，其特征在于，将NOx捕集器在排气管道部分的每个流路中设置在相应颗粒过滤器的下游。
27.根据权利要求22-26之一的方法，其特征在于，将氧化催化剂设置在颗粒过滤器和NOx捕集器下游的排气管道部分中。
28.根据权利要求1-8之一的颗粒过滤器设备的用途，其中废气源自通过柴油或重油燃料运行的压燃发动机。
29.根据权利要求9-17之一的发动机排气系统的用途，其中废气源自通过柴油或重油燃料运行的压燃发动机。
30.根据权利要求18-21之一的用于净化颗粒过滤器的方法的用途，其中废气源自通过柴油或重油燃料运行的压燃发动机。
31.根据权利要求22-27之一的用于净化颗粒过滤器的方法的用途，其中废气源自通过柴油或重油燃料运行的压燃发动机。
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