CN101881204B - 用来减少柴油机废气的污染物的方法 - Google Patents

Abstract

一种用来减少柴油机废气的污染物的方法，该方法包括这些步骤：把废气冷却到低于硫酸盐冷凝温度的温度；使废气中的颗粒进行结块；收集和分离废气中的结块颗粒。

Description

用来减少柴油机废气的污染物的方法

本申请是申请日为2003年7月24日、申请号为03817603.3、发明名称为“用来减少柴油机排气的污染物的排气后处理系统及其方法”的发明专利申请的分案申请。该母案申请要求2002年7月25日提交的美国临时申请60/398473和2003年3月12日提交的美国临时申请60/454046的优选权。

技术领域

本发明总的来讲涉及一种柴油机。更加具体地说，本发明涉及一种用来俘获和除去或者消除柴油机排气污染物如颗粒物质、不稳定的有机化合物(VOCs)、毫微级颗粒数、NOx、HC、CO和SO₂的后处理系统。

背景技术

在世界范围内，政府管理机构十分关注柴油机的颗粒排放。对它们健康影响的重要调查表明：对人类健康的有害影响比原来认识到的要严重得多。柴油机排气的污染物的大部分毒性通过VOC化合物和毫微级颗粒形成和个数的现象来产生。尽管VOCs化合物和毫微级颗粒数不能被控制，但是可以采用一些方法来把它们排出到大气的量限制到最小程度上，这将是未来政府的管理主题。氧化氮是形成烟雾和酸雨的原凶，二氧化硫是形成酸雨的主要因素。

发动机技术在过去十年来大大地提高了。与1988年的0.60gm/bhp.hr相比，现代柴油机可以实现0.1gm/bhp.hr的排放。尽管现代柴油机明显比老式柴油机要干净，但是仍然还有净化废气的需求，直到接近0排放为止。目前，USEPA和CARB法规的目的是，从重型卡车车辆模式年2007开始，使颗粒排放下降到0.01 gm/bhp.hr，及使NOx排放下降到0.2gm/bhp.hr。从今天来看，它是非常困难的，如果可能的话，那么只有使用发动机技术来实现这种目标排放。那就使得排气后处理被选择为最有效的替换物以符合这些法规的规定。

用来俘获柴油机颗粒物质并且降低NOx的后处理技术在最近的25年来受到明显的重视。大多数的技术聚中在把颗粒物质俘获在过滤介质如堇青石陶瓷壁流过滤器、缠绕在穿孔管上的陶瓷纤维和金属纤维过滤介质上。这些装置通常公知为颗粒捕捉器。

尽管颗粒捕捉器已证明是效率可达80-95％的有效过滤介质，但是它需要从过滤介质中去掉所聚集起来的碳烟颗粒，以使它返回到初始条件下，从而进行另一个过滤循环。所需要的这个导致产生了现在公知为“再生过程”的这些。尽管根据燃烧所聚集起来的碳烟颗粒的再生过程的原理简单，但是它们在颗粒应用中仍然不可靠。在这方面，再生过程和颗粒捕捉器在实际的社会应用中具有许多限制。例如，当过滤器负载到达阈值时一定得开始再生，其中，超过该阈值时，过滤介质上的压力降开始快速提高并且影响了发动机性能的工作。从统计的观点来看，当需要它时，柴油机卡车工作期间的排气温度不够高以开始再生过程。采用一些方法来有利于进行再生如“强制再生”，在这种强制再生中，采用外部的热源把过滤介质的温度提高到超过碳烟颗粒的点火温度以开始燃烧。此外，贵金属和或贱金属催化剂以喷涂在过滤介质上的形式提出或者作为添加剂加入到柴油中。催化剂可以使碳烟颗粒的点火温度从620摄氏度下降到320摄氏度，这将提高这样的可能性：在发动机工作期间，借助依赖废气温度分布、尤其是高发动机负荷时的废气温度分布来实现再生。依赖催化剂以实现再生产生了其它问题：催化剂受到柴油中的硫化合物的中毒。这导致加入极少的硫柴油以确保催化剂的耐久工作性能。尽管在实际生活应用中成功再生的可能性近年来得到了提高，但是再生问题没有完全消除。在最后的分析中，具有精心制作的逻辑的、复杂的、昂贵的硬件被配置到处于刺耳排气环境中的工作中，这加剧了其它问题如工作的可靠性和使用寿命。

与颗粒捕捉器中的再生过程有关的、最关键的限制涉及工作的可靠性，这是一个关键的因素，尤其是移动应用中更是如此。柴油机车辆不随着路面行驶循环的一个模式。当然，一些柴油机驱动的车辆延长了怠速情况，同时其它的工作在阻塞的交通区域中。所有这些因素使得废气温度分布得太低，以致不能实现被动系统中的再生。即使在具有催化剂的情况下这也可以发生。其结果是，在工作期间，产生了不许可的问题。尽管这些问题典型地通过“强制再性”来得到调整，但是相关的活动元件如废气中的燃料喷射、阀、微型处理器、热电偶和类似装置已证明产生了大面积的维修并且在刺耳的废气环境中可靠性较差。在排气系统中的或者附近的元件把高振动负荷减轻到30g′s，并且也减轻了热振动负荷。柴油机废气环境中的活动元件的可靠性被证明是较差的。

使用寿命至今是另一个主要考验：根据EPA，颗粒捕捉器系统需要实现450,000英里的使用寿命，并且无维护间隔为150,000英里。大多数的活动元件和系统由于不许可的振动负荷、热振动应用和其它相关的因素而缺少能力来满足这种使用寿命的要求。

NOx控制技术多种多样。重要的控制技术包括：稀燃催化剂；等离子体辅助的催化剂；吸附剂；选择性催化还原剂；和废气再循环。

几乎所有这些公知技术可以有效地减少NOx排放25％-90％。但是，每种技术具有一些类似于颗粒捕捉器的问题。至今，废气再循环是容易处理这些问题的、最有前途的技术。在柴油机中，EGR问题包括：(1)碳烟颗粒污染了废气，这就在发动机的进气系统中产生了一些问题；(2)较高的废气温度影响了发动机性能；及(3)没有足够大的压力差来驱动所需要的废气流到达发动机进气中以保持合适的循环。这些问题阻碍了EGR技术在柴油机应用中的使用。这些改进导致柴油机的新EGR理论的发展，如果高压和低压方法及它们的结合。公知的EGR系统比较复杂并且采用了大量硬件，该硬件也潜在地使得使用寿命较差、可靠性较差并且燃料消耗较大。

总之，尽管具有改进，但是再生和EGR适应的这些问题仍然困惑着研究者。尤其地，使碳烟颗粒俘获在过滤介质中已证明是非常困难的、令人困惑的任务，而不会完全解决移动和固定柴油机应用中的保证接受。完全需要提高有关的技术。

发明内容

本发明涉及颗粒捕捉器的领域并且用不同的方案取代了目前公知的技术，以解决前面问题。本发明的方法是以使精细的碳烟颗粒结块成大尺寸大小的颗粒为基础的，而这些大颗粒容易与废气流分离。两个方法可以用来实现结块颗粒的分离。这些是离心式分离，并且通过反向脉冲喷射来除去结块碳烟颗粒。分离的颗粒可以收集和压紧成固体小球并且在商业上进行出售。此外，分离出的颗粒在控制的环境中可以连续地进行焚化，这可以消除突然的温度升高和热点，因此提高了可靠性和使用寿命。本发明教导的使用将简化和加强了EGR系统，这就解决了柴油机应用中的主要EGR问题。该系统使它自己适宜于以相配的高水平来控制未调节的排放，如减少毫微级颗粒数，完全消除有害空气污染(VOCs)，降低颗粒转换器中的压力降，及分离出柴油机废气中的NOx和硫的化合物。

本发明是以下面这些为基础的：利用各种公知的物理现象和性能通过总系统方法来从柴油机废气中除去控制的和未控制的污染物。公知的废气颗粒捕捉器是以提供过滤作用为基础的。本发明的主产品是颗粒转换器。对于固定式发动机具有吸收力的本发明的第一方法是以下面为基础的：用结块过程来取代过滤方法。使颗粒结块器全部充满碳烟颗粒，将导致进入颗粒物质完全结块，即进入结块器的所有颗粒收集和结合成更大尺寸大小的形式，从而随后在下游端除去它们。一旦结块器装载有碳烟颗粒，那么俘获进入颗粒的效率大大地提高了，对于更加精细的颗粒尺寸大小来讲甚至更高。这导致公知毫微级颗粒俘获效率达到最高。在结块器的下游侧吹去的颗粒是破裂的枝晶(dendrite)，因此它们的尺寸大小较大。根据工作情况和枝晶是否干燥或者是湿的，枝晶颗粒尺寸大小的范围为1-100微米，而进入的颗粒范围为从毫微尺寸大小到1微米，并且平均为0.1微米。使颗粒尺寸大小处于1-100微米的范围内，可以产生新的机会来分离它们，并且最后通过焚化或者简单地收集来处理它们。在每种情况下，如今天所知道的一样，再生过程完全可以用更加可靠的替换物来取代。与公知的过滤技术相比，分离的颗粒受到压缩以形成烟小球是更加有效的、更加可靠的方法。焚化过程当然也是被动的、连续的并且也是非常可靠的、寿命长的，并且它解决了再生过程中的公知问题。

用结块和分离过程来取代再生过程，可以产生新的机会来减少污染物。例如，把废气温度降低到尽可能地低，这与公知颗粒捕捉器的方法相反，从而在减少排放时提供了许多优点，这是前面所不能实现的。例如，但不是限制性的，这些优点包括：(1)降低废气温度可以减小废气流速并且粘度，从而导致压力降减小一个3.1的系数；(2)较低的废气温度迫使VOC的重馏分成分冷凝成毫微级尺寸大小的颗粒，这些颗粒可以以非常高的效率来俘获并且从尾管中消除它们；(3)降低废气温度迫使更多的毫微级尺寸大小的颗粒冷凝和俘获在颗粒转换器中，而不是发生在尾管之后；(4)加入铂催化剂而不是柴油氧化催化剂，可以把SO₂氧化成硫酸盐毫微级颗粒，这些颗粒可以与碳烟颗粒收集在一起，从而消除了来自尾管中的硫化合物的排出物；(5)这些活性铂催化剂也把50-70％的NO氧化成NO₂。如果废气被冷却到200°F或者更低，那么绝大部分NO₂可以通过水来吸收，因此以有效而简单的方式减少了NOx的排放；(6)颗粒转换器的性能不依赖于废气温度分布，这不是其它公知技术的情况。在阅读下面提出的本发明的这些细节的情况下，这些优点和额外优点对于本领域的普通技术人员来讲变得更加清楚了。

把作为本发明基础的该颗粒结块和分离转换器、其它辅助装置和改进装置发展成系统设计，这种设计的目的是减少从柴油机废气中所排出的、所有公知的污染物。在移动式应用中，焚化的废气副产品被除去了颗粒物质，因此可以重新直接到达发动机进气中以作为废气再循环(EGR)的干净排气。EGR提供了减少NOx的功能。可以通过尾管处的转向阀来进一步调节废气再循环流。

在废气流到达沉降室而不是焚化炉的情况下，在发动机工作期间该室收集碳烟颗粒，直到它被装满了为止，典型地这发生在3-6个月的期间。当该室被装满时，在日常维护过程如更换机油期间它被卸载。在维护修理站中，颗粒被到烟鼓中，并且处理成压缩小球。这可以通过插上排气尾管来实现，并且允许怠速时的废气流把聚集起来的碳烟颗粒(扫气流)扫到烟鼓中。把室排空到烟鼓中的过程需要大约5分钟。一个烟鼓可以为10个到数百个移动式发动机服务。在固定应用、航船应用或者多发动机应用中，及在空间保证安装烟鼓的地方，扫气流直接处理到烟鼓中而不需要烟室。此外，沉降室可以用收集烟的袋子来取代。

本发明的系统可以高效地减少PM、NOx、有毒物(VOCs)、毫微级颗粒数、SO₂、HC和CO。此外，简单的、被动的粒转换器的属性及系统的主要平衡是解决公知后处理技术的使用寿命、可靠性及其它安全性的、最有前途的方法。

本发明的另一个实施例对于小型柴油机应用如卡车和SUVs是有吸引力的。在几乎所有的这些应用中，后处理硬件的尺寸大小是关键性的，尤其在移动式应用改进中更是如此。此外，发动机工作在瞬间模式上，由于加入了紊流、涡流作用及改变了离心式分离器的离心加速而不允许离心式分离器在最佳条件下合适地起作用。这个实施例包括一个成一体的硬件而没有离心式分离器。结块过程用类似的结块过滤过程来取代。硬件安装了合成金属丝网，该金属丝网采用了金属丝网介质，该介质通过过滤筛网来增加。类似的结块-过滤介质是深式过滤器(deep filter)，该过滤器按照结块原理来进行工作，接着进行一级或者多级过滤。介质不是用来起着全结块器的作用。因此，当颗粒收集效率开始变坏(借助介质上的压力降的提高来进行测量)，不得不采用一些方法来净化介质。这导致采用反向脉冲喷射来除去储存在介质中的大量烟。位于上游侧上的、结块的、吹去的碳烟颗粒落到壳体的底部中。为了防止结块的碳烟颗粒搅动及防止它们又重新装载到金属丝网介质上，因此可以采用穿孔的片来分离收集起来的碳烟颗粒，该碳烟颗粒由于重力和振动作用而降落到穿孔片下方，从而与主废气流分离开。位于穿孔片和合成金属丝网之间的空间全部专用于主排气流的流动。

类似的结块-过滤介质实施例可以是矩形，但不局限于此，其中该矩形的高度适合于地下安装在移动源如卡车和公共汽车上。另一方面，这个实施例可以采用圆柱形装置的形状，该装置也适合于垂直地安装某些卡车和公共汽车上。在每个实施例中，安装金属丝网介质的室的数目可以是一个、两个或者更多个。提高安装金属丝网的室的数目，可以减少压力降，可以提高碳烟颗粒的保存能力，并且可以提高碳烟颗粒俘获效率。

通过下文所提供的详细描述，本发明的其它应用领域变得更加清楚。应该知道，详细描述和具体例子在示出了本发明的优选实施例的同时，仅是用来解释的，而不是用来限制本发明的范围。

附图说明

通过详细描述和附图可以更加完全地理解本发明，其中：

图1是用于固定应用中的、完全被动的颗粒转换器系统的示意图，它示出了根据本发明教导的废气流。

图2是颗粒转换器系统的示意图，它示出了废气流，其中重点在于根据本发明的教导来控制废气再循环。

图3是具有一个结块管和出口的颗粒转换器的纵向横剖视图，它示出了进气、结块和分离。

图3A是沿着图3的线A-A所截取的横剖视图。

图3B是沿着图3的线B-B所截取的横剖视图。

图3C是沿着图3的线C-C所截取的横剖视图。

图4是具有两级分离器和在缸体内形成一体的焚化炉的颗粒转换器的纵向横剖视图。

图4A是沿着图4的线A-A所截取的横剖视图。

图4B是沿着图4的线B-B所截取的横剖视图。

图4C是沿着图4的线C-C所截取的横剖视图。

图5A和图5B示出了成一体的焚化炉接合的筛网元件和进行中的焚化过程的详细横剖视图。

图6是具有多个结块管的颗粒转换器的纵向横剖视图。

图6A是沿着图6的线A-A所截取的横剖视图。

图6B是沿着图6的线B-B所截取的横剖视图。

图6C是沿着图6的线C-C所截取的横剖视图。

图7是具有多结块管和两级颗粒分离器的颗粒转换器的纵向横剖视图。

图7A是沿着图7的线A-A所截取的横剖视图。

图7B是沿着图7的线B-B所截取的横剖视图。

图7C是沿着图7的线C-C所截取的横剖视图。

图8是具有用于消声的多旁通孔的颗粒分离器中的螺旋钻的侧视图。

图9是横剖视图，它示出了窗口设计和暂时颗粒喷射和分离的原理。

图10是合成金属丝网结块器的横剖视图。

图11示出了作为离心式分离器内的流程和窗口孔的位置的函数的、2微米颗粒移动量的分析结果，位于两个连续的箭头之间的间隔等于降落循环旋转转(360度)所产生的移动量。该图表由3维流体机械分析来产生，并且用尺寸大小和涡流作用的碰撞突出了颗粒移动量。

图12示出了在离心式分离器内的5微米颗粒移动量和窗口孔的位置的分析结果。位于两个连续箭头之间的间隔等于由完整循环旋转圈(360°)所产生的移动量。

图13是碳烟颗粒收集室的平面视图。

图14是碳烟颗粒收集室的横剖视图。

图15是具有成一体的焚化炉的碳烟颗粒收集室的横剖视图。

图16是具有成一体的焚化炉的碳烟颗粒收集室的平面视图。

图17是具有反向脉冲喷射的碳烟颗粒处理鼓的纵向横剖视图。

图18是具有机械摇动器的碳烟颗粒处理鼓的改进横剖视图。

图19是用于移动式应用中的颗粒转换器和EGR系统的示意图。

图20是平的类似结块-过滤颗粒转换器和用于移动式应用中的EGR的示意图，它示出了根据本发明教导的排气流。

图21是用于移动式应用中的、平的结块-过滤颗粒转换器的示意图，它示出了废气流，其中重点在于不同的反向脉冲喷射方案和使用碳烟颗粒收集袋。

图22是用于移动式应用中的圆柱形类似结块/过滤颗粒转换器的横剖视图。

图23A和23B各自示出了位于打开和关闭位置上的滑动门机构。

图24A和24B是结块/过滤合成金属丝网介质和类似纤维和筛网过滤介质的横剖视图。

图25示出了被动的焚化炉装置与图20和22中的颗粒转换器结合在一起。

图26是用来在类似结块-过滤颗粒转换器中控制反向脉冲喷射的控制逻辑示意图。

图27示出了具有和没有过滤筛网的类似金属丝网介质的典型收集效率和背压特性。

图28是逻辑示意图，它示出了用来俘获、处理和消除VOCs、SO₂和NOx的原理。

具体实施方式

优选实施例的下面描述事实上仅是示例性的，而不是用来限制本发明、本发明的应用或者使用。

A系统的简短描述

首先参照附图中的图1，其中这些标号在所有的许多附图中表示相同或者相应的零件，附图1示出了用来减少来自发动机废气中的污染物的后处理系统。图1所示的系统可以用来对来自各种内燃机如柴油机、压缩和液态天然气发动机的废气进行后处理，其中这些内燃机工作在稀混合气的情况下，并且具有大量的颗粒物质。本发明系统可以设计成共同地消除/分离/除去废气中的所有污染物。这包括：颗粒物质和毫微尺寸大小的颗粒、挥发性的有机化合物、氧化氮、碳氢化合物、一氧化碳及二氧化硫。通过结合处理，释放到大气中的废气可以高效地除去所有所述的污染物，这可以使得这些高污染的发动机不污染环境。

继续参照图1，并且还参照图2-7，它们示出了用于固定柴油机应用中的本发明转换器系统的各种优选实施例。氧化催化剂10连接到发动机排气歧管中。催化剂10可以是柴油机氧化催化剂或者活性贵金属催化剂(如在汽油机应用中)。在催化转化器10之后是排气系统50，该排气系统50设计成在废气进入到颗粒转换器100之前最大可能地冷却废气。这种可能的冷却模式总体上可以分成表示传热的不同模式的三段：辐射段60，之后是空气对流段70、之后是液体对流段80。

用于固定应用中的颗粒转换器更加详细地示出在图3、4和6中。颗粒转换器主要包括：进气部分110；结块器120；离心分离器130；及出口部分140。出口部分140可以采用图4和5A和5B所示的焚化装置150。位于转换器端部处的换气气流通道通过管道连通到碳烟颗粒收集室170中。离开碳烟颗粒收集室170的清洁废气形成了废气回流(EGR)200以到达发动机的空气滤清器中。EGR系统可以采用轴流式增压泵241，以合适地测量EGR流量。收集在碳烟颗粒收集室170中的碳烟颗粒通过管道向外通到碳烟颗粒处理鼓室200中，从而回收球形的碳烟颗粒。

B氧化催化剂

本发明的氧化催化剂10被选择成具有能够充分地减少VOC化合物的轻馏分成分但是允许VOCs化合物的重馏分成分通过、冷凝在排气管中并且最后收集在颗粒转换器中。VOCs的冷凝过的馏分成分起着结合材料的作用，该结合材料形成了尺寸大小较大的成团颗粒，并且防止由于在气旋分离器所碰到的紊流或者涡流现象而产生分离。因此，对于本发明的目的而言，使用更小尺寸大小的柴油机氧化催化剂就足够了。柴油机氧化催化剂还在氧化碳氢化合物、一氧化碳时起作用，并且对于二氧化硫(SO₂)的氧化具有较小的作用。另一方面，活性贵金属催化剂对碳氢化合物、一氧化碳和VOCs的轻馏分成分的氧化产生很大的作用，并且高效地把SO₂氧化成硫酸盐化合物并且把NO氧化成NO₂。把SO₂氧化成硫酸盐在工业上广泛地公知为在柴油机废气应用中是非常不良的催化活性，因为它导致颗粒排放增加。另一方面，如果通过催化剂之后的废气温度冷却成小于硫酸盐冷凝温度，那么可以形成毫微级尺寸大小的硫酸盐颗粒，这些硫酸盐颗粒可以与碳烟颗粒一起收集在转换器中。碳烟颗粒和硫酸盐的混合物形成湿的褐色颗粒。在可以实现充分冷却的地方，该方法可以高效地除去SO₂污染物的废气。还应该注意到，NO以大约50-70％的效率氧化成NO₂。由于NO₂是活性的，因此在经过转换器之后，通过用水来净化废气，使它与硫酸盐化合物一起被吸收。

C.废气冷却系统

根据发动机应用和所得到的液态冷却介质如水，改变设计来冷却废气的装置。本发明的方法是以利用传热模式的性能为基础。当废气以高温离开氧化催化剂10时，使用辐射排气部分60。辐射部分60的特征在于，它具有较大的表面积或者较大的管子，表面加工具有最高的辐射特性如无光泽的黑色(matte black)。这个之后是空气/废气热交换部分70。该部分70依赖于由于车辆运动而通过排气管的外部空气的相对速度。排气管沿着轴向成波状从而使表面扩大了。也可以使用多个管子。所有管子需要受到风因素的影响。

最后部分是液态/废气热交换器80。该部分80依赖于使用流体如发动机冷却剂(它通常用在汽车中)或者水以提供所需要的冷却。应该注意的是，绝大多数的柴油机的废气温度在全负荷时大约达到900-1000°F。在至转换器的进口处的目标废气温度约为250°F至300°F在可以实现充分冷却的地方，如水并且NO₂需要净化，在通过转换器之后，废气温度需要进一步降低到大约150°F到200°F的范围。从一种发动机应用到另一种发动机应用，三种不同冷却机构的选择在较大的范围内进行改变。通常地，辐射部分60尤其提供了最大的冷却效果并且费用最小。根据应用，第二或者第三冷却机构可以一起使用或者独立地使用。

D.颗粒转换器，全结块

图3、4、6和7进一步示出了颗粒转换器100的优选实施例。借助使流动通道逐渐膨胀到空间(它供给结块器以使压力降最小化)中，转换器100的进气段101使进入流从圆形或者矩形管转向到位于壳体113和结块器102之间的空间中。

转换器100中的结块器部分102可以是图3和4所示的一个壳体，或者是图6和7所示的多管设计。在两个实施例中，需要较大表面积来提高结块效果。在图6和7的多管设计中，所有流动朝向离心分离器。在图3和4的单壳体结块器中，该流量在连续的基础上被供给和处理到离心式分离器中。在每个通道中被处理过的流量是总流量的一部分。

根据废气流从结块器到内部管104的运动通道和结块器的长度，可以选择通道中的流量。处理每个通道中的总流量的一部分是理想的，因为可以减少紊流和涡流作用。此外，通过离心作用来进行处理颗粒的过程被限制成使这些颗粒在结块器的内径上保持分离，同时清洁的排气流向内地移动到内芯管107中。

结块器由集成的金属丝网介质来形成，该介质具有可变的金属丝尺寸大小并且具有特别如图24A所示的填充密度。结块器102的上游侧由粗金属丝来形成，该金属丝具有较小的填充密度并且改进成更加精细的金属丝，这种精细的金属丝在图10所示的下游侧处具有较高的填充密度。这种选择标准能够在外层上俘获较大的颗粒，同时把较小的颗粒俘获在更加精细的组装金属丝上。这种方法能够实现最大颗粒俘获效率，甚至使碳烟颗粒分布在介质上，同时使压力降尽可能的小。此外，在结块器的上游侧具有敞开的孔，从而允许颗粒被俘获在结块器中并且防止碳烟颗粒层(块状物)形成在结块器的前边，这导致压力降增大。结块颗粒物质的处理示出在图10中。

结块器的厚度的大小为大约10mm到大约30mm，并且在大多数应用中平均大小为大约10mm到20mm。这种厚度随着在金属丝之间的空隙空间形成碳烟颗粒枝晶以较小的流动速度进行结合，可以导致高效地俘获来自柴油机废气中的亚微型或者毫微大小的颗粒，这具有从10⁴到10⁵的颗粒的减少范围。这大大地减少了排气有毒污染物的主要成分。

本发明的结块器与其它的公知碳烟颗粒过滤器技术如陶瓷壁流整体形成了鲜明的对比，这些公知装置的壁厚平均为0.1mm到0.3mm，从而使它们俘获亚微型和毫微级颗粒的效率较低。通过使废气冷却，使毫微颗粒俘获效率进一步得到提高。公知的是，在废气冷却过程期间，形成毫微颗粒的主要量，并且在废气冷却到环境温度时达到最大形成量。使废气从900°F-1000°F冷却到大约250°F-300°F，可以导致迫使大量的毫微颗粒在转换器之前进行冷凝。相信VOC的轻馏分成分主要通过氧化催化剂来消除，其中该VOC的轻馏分成分依赖于剩余毫微颗粒的进一步形成。在废气离开排气尾管之前，本发明的氧化催化剂、废气冷却和结块器的结合效果在工业上广泛地、大大地减少了毫微大小的颗粒个数。

E离心式分离器

本发明优选实施例的离心式分离器示出在图3、4和7中。图3的离心式分离器由一个螺旋钻105安装在共心的芯(管)111上来形成。来自结块器的废气以连续和均匀的方式供给通过离心式分离器的整个长度。共心的芯管设置有窗口109，这些窗口沿着流动通道等距离地隔开。这些窗口沿着螺旋钻的旋转方向以大约120度的角度隔开。为了开始旋转流动图形，在通到螺旋钻的入口处不采用窗口。加入结合挡板103，该挡板使流动逐渐形成螺旋运动。当通道内的流动形成时，粘合板沿着径向逐渐运动到内部芯管中。同样地，粘合板在外径上开始，并且向着内部芯螺旋地运动。需要螺旋钻旋转大约1.5转来形成整个旋转流动通道。在形成旋转流动通道的截面中没有采用窗口。第一窗口越过粘合板的端部120度，从而在邻近芯管的废气层中进行颗粒分离。之后，窗口设计以与来自结块器的进入流相同的速度来俘获废气流的干净层。这允许流动通道中的流动速度保持基本不变。选择离心式分离器的开始截面和第一窗口的位置，从而形成废气在进入窗口之前的旋转循环的数目。通常地，大约两个旋转循环就足以分离尺寸大小大约超过2微米的结块颗粒。更多的旋转循环导致废气更加干净。

图11和12示出了作为颗粒尺寸大小对旋转数的函数的、离心式分离器的典型颗粒分离(移动)。一个完整的循环圈(旋转360度)的颗粒移动用两个连续箭头之间的间隙来表示。显然，尺寸大小较大的颗粒沿着径向比较小的颗粒运动得更块。但是，两个现象在离心式分离器中对颗粒的径向移动产生了相反的作用：紊流和涡流作用。通过3维流体-机械分析来研究这两者，其中这种流体-机械分析采用了尺寸大小不同的颗粒的气溶胶模型。对于较小的颗粒而言，涡流作用是主要的，并且可以导致颗粒沿着与离心方向相反的方向进行移动，因此不能达到分离。但是，涡流只局限于这样的局部区域，该局部区域接近螺旋钻的两侧的这些，如图11和12所示。因此，选择窗口开度，从而使涡流区域保持干净，以避免污染的废气重新进入到窗口内。

在实验期间，通过实验可以观察到，尺寸大小较小的颗粒收集在芯管的外侧表面上，其中该颗粒没有完全结块成大约1.0微米或者更大，或者这些由于紊流或者涡流作用而可以折断成更小的颗粒。这种观察资料与离心作用的效果相反。假定这种较小的颗粒由于涡流作用而被输送到芯管中，并且通过颗粒收集的传播模式来收集。这些颗粒被认为是流动的，在芯管的表面上进行结块，然后，一旦它们的尺寸大小达到一定的阈值以保证沿着流动方向具有足够的拖拉，就开始沿着流动方向进行移动。尽管这些颗粒只构成总颗粒的一小部分，但是它们几乎完全可以被夹带到窗口流中，除非采用了一定的方法。

简单的颗粒喷射器117或者分离器安装在窗口107的前部，如图9所示。借助在窗口打开之前释放结块的颗粒，离心作用将使这些颗粒沿着径向移动一个足够的径向距离，以避免进入到为干净流所设计的窗口的空间中。由于颗粒具有惯性，因此这些颗粒形成了与进入窗口的流束分离开的流动通道。这种现象在气溶胶科学中称为非等动力现象。

在前进的基础上，干净的废气流进入窗口开口中。所收集起来的、芯管中的干净废气被释放到大气中。所有结块的颗粒保持分离并且连续地聚积在离心式分离器的外侧直径上或者附近。在离心式分离器的下游端处，一部分废气携带着所有分离的颗粒，并且到达出口或者电焚化炉中。这部分废气称为扫气流。出口机构示出在图3C、6C和7C的剖视图中。粘合螺旋板112用来帮助扫气流通过出口116而出来。

在电焚化炉117用作颗粒转换器的一体元件的地方，如图4所示，两个锥形筛网组件在它们的端部连接到内芯111和外壳体115上，同时两个配合端固定在一起。这种布置具有较大的表面积，而这种较大的表面积是使通过合成筛网组件的废气流速度较小所需要的。扫气流在两个锥形筛网组件之间分开。通过使锥形筛网组件(未示出)的数目加倍而使表面积加倍。

F焚化炉，优选实施例A

合成的筛网组件示出在图24A和24B中。这些筛网具有不同的功能。第一筛网120被选择成具有较大尺寸大小的金属丝和较宽的开口。筛网120的下游侧涂有电绝缘材料如陶瓷物质。筛网120连接到12或者24V的电源上。除了在与第一筛网120相配合的表面上施加电绝缘之外，第二筛网121与第一筛网120相同。第三筛网122是隔板筛网，并且选择成开口小于50微米。第四筛网123是金属丝较大的筛网，并且选择成提供三个第一筛网120、121和123的结构支撑。喷涂在第一和第二筛网120和121的配合侧部上的陶瓷提供了防止筛网金属短路的双保护。

当扫气流按照本发明的顺序穿过筛网组件时，结块碳烟颗粒收集在筛网122的外侧表面上，该筛网122起着隔板的作用。碳烟颗粒连续地沿着上游方向形成碳烟颗粒层，直到它到达第一筛网120为止。收集在第一和第二筛网120和121上的碳烟颗粒与两个筛网120和121的赤裸金属形成接触。由于碳烟颗粒的导电性较高，因此形成了电路并且电流流过碳烟颗粒层。碳烟颗粒在3到6秒内被加热到高温，并且由于在扫气流中具有氧，因此碳烟颗粒很快被焚化了。

为了改善焚化过程，因此第二和第三筛网121和122的赤裸金属可以涂有铂。借助降低碳烟颗粒的点火温度，贵金属涂层大大地改善了焚化过程。此外，尽管废气中的氧含量较低，但是铂涂层使焚化过程保持高效。焚化过程的副产品是CO、CO₂和蒸汽，它们全部都是无害气体并且可以通过第三筛网122。

灰的形成潜在地影响了焚化炉的功能，因为它逐渐形成在位于第一和第二筛网120和121之间的空间中。大多数的灰由于振动而被抖落了，并且落到焚化炉底部的腔中。通过使用背压脉动的常规维护过程可以除去阻塞筛网组件的剩余灰。

焚化过程只产生在局部区域中，在这些局部区域中，碳烟颗粒的形成到达了能够形成电路的点。这使得焚化过程是间歇的，并且有些连续。由于在合成筛网上具有非常小的流动速度、在筛网的较大面积上分布着碳烟颗粒、小量的碳烟颗粒被焚化、第一和第二筛网120和121具有热惰性，因此焚化过程被认为产生在控制的环境中。在焚化炉的上游侧和下游侧之间可以观察到，废气温度没有明显提高。此外，筛网121和122所选择的材料是不锈钢，该不锈钢在高温下具有较高的耐腐蚀性，并且具有较高的、防止碳和硫侵袭的耐化学物质的性质。具有较高的镍、铬和铝的、所选择的特级合金如商业等级公知为A级合金对于筛网材料而言就足够了。

离开采用焚化炉的转换器的扫气流弄干净了颗粒物质，并且可以用作废气再循环(EGR)，并且因此在经过空气滤清器元件之后通到发动机进气中。空气滤清器之后的真空压力是足够大的驱动力来形成扫气(EGR)流。这种系统布置完全是被动的。但是，EGR流较小并且不能控制，NO_X的减少量较小，15-20％的范围。此外，当发动机处于怠速情况下，没有EGR流形成，因为空气滤清器元件之后的负压非常小。

G.碳烟颗粒收集室

作为焚化炉的取代物的另一个优选实施例是采用碳烟颗粒收集室170，如图13和14所示。碳烟颗粒收集室170是一个简单的室，该室在底部171具有出口以供扫气流进入，并且在上侧具有第二出口173以供干净的废气出来。离开室的干净废气如前面所述那样变成了废气再循环气。

碳烟颗粒室具有由筛网174来分开的两个室。筛网174用作碳烟颗粒隔板。除了扫气流较小之外，把筛网174选择成具有较大的表面积并且具有小于大约50微米的间隙空间，这导致筛网上的流动速度非常小。这使得筛网174起着结块碳烟颗粒的隔板的作用。碳烟颗粒以层(块)的形状形成在筛网174的表面上。当多层碳烟颗粒连续地形成筛网的下侧上时，这些碳烟颗粒层由于车辆振动和冲击载荷而最后落到室的底部中。

采用具有弹簧和以它自己固有频率进行振动的钢球的系统，可以提高释放碳烟颗粒层的过程。振动系统通过负荷和发动机振动来进行激励。碳烟颗粒室可以设计来收集碳烟颗粒，根据发动机碳烟颗粒排放水平，该碳烟颗粒由卡车工作3到6个月所产生的碳烟颗粒。碳烟颗粒收集在该室的底半部中，最多到达筛网。室可以采用焚化炉。碳烟颗粒室焚化炉包括两排错开的不锈钢管，这些管子喷涂有铂，该炉设置在底部中。下排接地，较高的那排连接到12或者24V的电源上。桥接在接地管和电力管之间的间隙上的碳烟颗粒连续地被焚化。碳烟颗粒室中所采用的焚化炉是稳定的并且设计简单。焚化炉的副产品是无害气体，该无害气体循环到发动机进气中以作为EGR系统的一部分。

柴油机应用(在这里采用活性铂氧化催化剂)把SO₂氧化成硫酸盐化合物，并且碳烟颗粒收集应该取代焚化过程。由于硫酸盐化合物不能被焚化，因此这是方便的。硫酸盐化合物再循环到发动机中以作为EGR的一部分，这可以导致发动机的进气系统受到不良的损害。这就产生了一个这样的优选实施例：碳烟颗粒收集在碳烟颗粒室中，然后在碳烟颗粒处理鼓220中最后处理成碳烟颗粒球，从而作为商业上公知的碳黑来最后出售。借助把位于室170的底部处的第二出口178连接到碳烟颗粒处理鼓220中，使碳烟颗粒室170排空，暂时堵塞住卡车的尾管，并且在接近怠速情况下使发动机工作大约5分钟。发动机废气流把位于碳烟颗粒室170的底部处的、收集起来的碳烟颗粒清扫到碳烟颗粒鼓中。

H碳烟颗粒处理鼓

一些应用中(在这些应用中，有利于收集碳烟颗粒而不是焚化它)需要使用图17和18所示的碳烟颗粒处理鼓。鼓200的功能是在腔的底部处分离和收集碳烟颗粒，并且周期地压缩它，直到形成压缩过的固体球为止。把该球放到容器(塑料包)中进行运输，并且作为商品出卖到化学工业中以进行应用如进行打印。使硫酸盐和硫磺酸与碳烟颗粒收集在一起，并且这些球可以呈褐色。

碳烟颗粒鼓200具有进气流分配螺旋钻。两个或者四个共心锥形隔板筛网202安装到包围空间中。筛网202的后侧连接到出口歧管203上。出口歧管203连接到真空增压鼓风机204，该鼓风机用来产生足够大的真空度，以驱动通过鼓200的最小流动量。

当结块的碳烟颗粒收集在筛网202上时，形成了碳烟颗粒层，并且筛网202上的背压增大了。因此，需要机构来吹去碳烟颗粒层。可以采用两个优选实施例：图17所示的背压脉冲，或者图18所示的筛网抖动振动器。

背压脉冲由小型压缩机205来形成，该压缩机205把压缩后的空气输送到空气箱206中。空气箱206通到筛网202的后部，压缩空气通过控制阀207来释放。周期地驱动阀207，从而允许高压空气的脉冲流到筛网202的背侧，从而释放碳烟颗粒层。释放后的碳烟颗粒落到腔的底部中。采用弹簧加载式单向阀208来防止脉冲空气旁通。

在鼓200的芯部中，马达操纵的轴209驱动压紧器210向下从而把落下的碳烟颗粒压缩到圆柱形腔中，直到达到一定的校准负荷时为止。马达停止并且使压紧器返回到上部位置以准备第二个循环。在重复一些压紧循环之后，小球变大，直到它到达一定高度时为止。形成表示整个小球的电信号，另一个马达操纵的轴211使底部保持板213远离腔。在马达轴209工作的随后循环中，压紧器把小球驱动到底部平台214中。小球释放到袋212中以进行移动和运输。

两个马达轴的工作借助微型计算机(未示出)来进行控制，该计算机具有以表示步骤顺序的逻辑性。当它连接到碳烟颗粒收集室中时，驱动碳烟颗粒处理鼓控制。对于卡车应用而言，排空该室的过程平均需要5分钟。由于装载碳烟颗粒室需要卡车工作3到6个月，因此碳烟颗粒处理鼓可以为许多卡车服务，可以为10到数百个进行服务。

用来释放碳烟颗粒层的另一个优选实施例是机械脉冲器或者摇动器，如图18所示。机械摇动器218充分地从筛网202中去掉碳烟颗粒块。对于VOC含量较高且碳烟颗粒是湿的应用而言，反向脉冲喷射方法是理想的。另一方面，在VOC部分较小并且碳烟颗粒相对较干燥的地方，机械脉冲器/摇动器方法是优选的，因为它比较简单并且不贵。

I颗粒转换器-类似的结块/过滤

类似的结块(quasi agglomenation)/过滤颗粒转换器用于机动源的应用中。颗粒转换器具有一个或者多个室。图20示出了具有两个室的转换器，它示出了主要地下移动应用的优选实施例。在两室的结构中，进气流被分成两个室。每个流动段朝向合成金属丝网或者类似的合成绒和过滤筛网介质，如图24A和24B所示。合成钢丝绒(wool)介质的特征在于，它可以是结块器介质，该介质具有低压降并且具有较小的碳烟颗粒保存能力。另一方面，采用了具有合适尺寸大小开口的保存筛网，这增加了过滤功能。根据废气温度和VOC部分在碳烟颗粒中的比率，筛网使碳烟颗粒聚集在废气流的上游侧上。所聚集起来的碳烟颗粒可以形成块。这些现象提高了合成金属丝网介质的碳烟颗粒保存能力/碳烟颗粒收集效率；并且伴随着提高了压力降。

图19所示出的、弄平的类似结块/过滤转换器具有进气255，以使进入流转换和膨胀到室中。这些室借助分离板257来分开。每个室具有类似的结块/过滤介质258。从动的滑动门机械265示出在图23中。出口271收集干净的废气并且通过管子把它导出。无源的焚化炉280实施例B示出在图25中。

图19的类似结块/过滤介质可以形成在一层或者具有不同设计目的多层中。为了得到最高的碳烟颗粒保存能力和效率，因此上游层设计成俘获较大的颗粒。下游层设计成俘获较小的颗粒。这将使得整个介质中的烟负载几乎是均匀的，并且降低了与烟负载相对的、背压的形成。图24A和24B各自示出了三层钢丝绒及三层钢丝绒和筛网。

上游层的钢丝绒具有16-25微米的平均纤维直径(也称为平均液压纤维直径)并且具有3％-6％的填充密度(该填充密度定义为钢丝绒重量对相同体积的固态钢重量的百分比)。筛网具有50×50或者20×50的网眼数(网眼数定义为每英寸的开口数目)。后面的层具有更小的纤维直径、更高的填充密度和更高的、每英寸的网眼数如25-32um纤维直径、4％-8％的填充密度和75×75、100×100网眼或者40×100网眼。具有较高的VOC化合物百分比的碳烟颗粒需要较大的纤维尺寸大小、较小的填充密度和较小的筛网网眼数，以应付“胶粘效果”，该胶粘效果提高了压力降。

类似的结块/过滤颗粒转换器的另一优选实施例是图22所示的圆形结构。金属丝网介质的实施例是以圆柱形设计为基础的，在该圆柱形设计中，金属丝网是圆柱形的，分离器片是圆柱形，并且壳体也是圆柱形。转换器可以具有一个或者多个室。这个实施例在某些卡车应用如具有垂直消声器的这些中是理想的。图22示出了具有两个室的典型圆形结构。圆形实施例的所有元件和逻辑性基本上与平的实施例的这些相同。

J反向脉冲喷射系统

当合成金属丝网/钢丝绒介质在上游侧载有碳烟颗粒时，碳烟颗粒枝晶沿着流动流的方向进行移动。介质的下游层最后载有碳烟颗粒，并且超出了一定的阈值，碳烟颗粒开始吹散(作为结块颗粒)。其结果是，介质的碳烟颗粒收集效率形成降低，最后它具有非常小的值。

一旦碳烟颗粒开始吹散，那么反向脉冲喷射被驱动。一旦到达在转换器上的压力降阈值，那么就触发这种情况。借助使高压压缩空气在金属丝网的下游侧进行脉动，那么所收集起来的碳烟颗粒沿着进入的未处理的废气流的相反方向被吹掉。反向脉冲喷射设计成吹去足够量的碳烟颗粒，从而允许网介质卸去所聚集起来的碳烟颗粒量。所吹去的碳烟颗粒通过重力作用而放置到室的底部中。为了防止碳烟颗粒由于进入的废气而被搅动起来，因此穿孔的筛网可以插入到每个室的下部室中。碳烟颗粒通过筛网中的穿孔落下。废气通过筛网的顶部，同时装在筛网下部处的碳烟颗粒被收集起来，因为没有流动产生。理想的是，例如在怠速情况下或者在发动机关闭的情况下，压缩空气的脉冲产生在下部废气流中。使除去碳烟颗粒的效果最大化是理想的。废气流沿着与脉冲空气的方向相反的方向，因此废气流对脉冲喷射具有相反的效果。此外，为了使脉冲喷射的效果最大化，因此滑动门可以用在每个室的干净废气出口上。在脉冲期间，该门暂时关闭一秒到两秒，从而确保所有的脉冲空气通过金属丝网介质。

K脉冲喷射系统的控制逻辑

本发明的控制逻辑的主要方法是，当到达阈值时，去掉聚集在金属丝网介质上的碳烟颗粒，使介质产生脉冲，并且使它返回到初始条件下，以开始另一个装载循环。在实际生活中，在车辆工作期间，介质上的碳烟颗粒负载通过介质上的压力降测量来得到测量。但是，也可通过废气流来影响压力降。由于在车辆工作期间限制压力降是理想的，因此借助采用压力开关来采用以压力降测量为基础的简单逻辑。在到达阈值时，压力开关驱动电路。瞬间的高压力降不表示介质上的碳烟颗粒负载。但是，在循环的车辆工作期间，重复的高压力降可以用来测量介质中的阈值碳烟颗粒负载。当到达高压力降的阈值时，控制逻辑是以加入持续时间为基础的，并且当总时间积累到达预定值时，控制逻辑开始脉冲过程。高压力降的典型阈值为水的大约40-60英寸的范围。在该压力阈值或者大于该压力阈值的情况下，典型的积累时间的阈值为3到5分钟的范围。反向脉冲喷射的典型控制逻辑示出在图26中。

当满足与脉冲喷射循环开始有关的这些条件时，并且开始过程被驱动时，其它条件不得不满足。第一条件涉及发动机RPM。发动机RPM不得不接近怠速或者关闭发动机。由于脉冲过程小于一秒，因此瞬时满足小的RPM条件，一旦车辆停止，那么这就可以方便地实现。第二条件涉及重新填充压缩空气箱以使下一个室进行脉冲所需要的时间。根据车辆上的压缩空气源，时间间隔是两到10分钟。控制逻辑图示出在图26中。

L焚化炉-优选实施例B

特别适合于平的或者圆的实施例的焚化炉示出在图4中。焚化炉包括一系列的板，这些板相互电绝缘并且交替充电。这些板可以是实心板或者穿孔的板子。此外，理想的是，这些板由耐高温的不锈钢形成并且涂有高度活性的催化剂如铂。在使用焚化炉的地方，理想的是，平的转换器稍稍倾斜以利于碳烟颗粒在重力、废气脉冲和在路上所产生的摇动和振动负载的作用下移动到焚化炉中。一旦碳烟颗粒桥接在位于具有相反负荷的邻近板之间的间隙上，那么焚化炉被驱动。这就提高了电流的放电，这导致焚化碳烟颗粒更加快速。

焚化炉容积足够大以储存灰、焚化副产品。可以估计到，焚化炉需要周期性拆卸，并且除去灰。根据基本颗粒排放和驱动循环，这种清理间隔在任何地方可以是车辆行驶25,000到150,000里的范围内。

M废气再循环

本发明中的废气再循环(EGR)解决了主要问题，这些问题是柴油机应用中的EGR所通常遇到的。第一问题涉及这样的情况：在怠速和小负荷发动机工作条件下，EGR终端上的压力不够大，这减少了目标NOx减少量所需要的流量。这种条件在怠速和小发动机负载的条件下是流行的。安装高效轴流升压鼓风机241可以解决这个问题。鼓风机241输送所需要的流量，以得到理想的NOx减少量及在所有发动机工作条件下确保连续的扫气流。在调节到高发动机负荷条件时，鼓风机241由于EGR终端上的高压差而将使EGR流进行节流，从而几乎起着EGR控制阀的作用，并且因此实际上不消耗功率。在怠速和小发动机负荷条件下，它调节电力消耗。

通过简单的控制装置242来控制EGR流，该装置242具有以发动机RMP信号243和节流位置信号244为基础的逻辑。这种布置对于柴油机改进型应用是特别优选的。与OEM逻辑相比，EGR控制逻辑得以大大简化。本发明的EGR逻辑以最大NOx减少量和最小的燃料消耗为基础的，但是可以提高可视排放如颗粒、HC和CO。可视基本排放和颗粒的提高量通过转换器系统来减少。

用于类似结块/过滤转换器的EGR系统采用了转换器阀276。转换器阀的位置借助来自ECU的信号来控制，如图20所示。转换器阀的独特设计能够借助限制流动区域来把EGR流精确地输送到尾管中，因此提高压力，并且在EGR管内输送到发动机进气中。在进气过滤器之前，喷射EGR流。在漏出的结块颗粒进入到发动机进气系统之前，这种装置甚至进一步除去了该漏出的结块颗粒。

本发明的EGR方法解决了与EGR有关的主要公知问题，并且总结如下：(1)EGR流增大并且借助升压鼓风机来控制；(2)EGR流没有可以弄脏或者污染发动机进气系统的污染物；及(3)废气在进入颗粒转换器之前被冷却到低温。EGR返回线提供了额外的冷却。再循环回到发动机中的废气可以被认为亚冷却过(sub-cooled)的EGR解决了与容积效率和发动机性能有关的问题。

N水洗涤器

在可以得到水的地方，把水喷射到位于转换器后面的排气管中以俘获来自废气流中的活性NO₂气体。水洗涤器还可以俘获硫酸盐化合物。把碱加入到水中以提高NO₂的俘获效果。

O系统工作

在大多数的固定应用中，可以采用图1和2的系统。该系统包括小型柴油机氧化催化剂、冷却排气管和颗粒转换器。在发动机起动阶段期间，产生了暂时的浓烟并且氧化催化剂不是活性的，但是大量的VOC化合物相对较冷。换句话说，这些VOC化合物和颗粒冷凝成液态或者固态毫微颗粒的形状。这些颗粒高效地收集和结块在结块器中。在发动机预热期间冷却管子，可以提供较小的或者不明显的冷却效果。在小发动机负荷时，和在怠速情况期间，排气温度和流量较小。其结果是，循环分离器中的离心分离效果大大地减少了，这损害了颗粒的离心分离。但是，这种现象借助两个其它的下面现象来进行平衡：把碳烟颗粒保存在结块器中，和明显减小紊流和涡流作用。当废气流较小时，例如处于发动机怠速情况下，交织在金属丝网上的碳烟颗粒枝晶上的、空气动力的曳力大大地减少了。这将导致，在合成金属丝网介质中的碳烟颗粒移动减少，并且降低了结块工作模式改变到保存模式。在这种情况下，结块器起着过滤器的作用。紊流和涡流也减少了。实际效果仍然是使废气除去了颗粒和VOC化合物的物质。

当发动机预热并且发动机负荷提高时，废气温度和流量提高了。这种情况驱动了氧化催化剂，从而导致烧光了碳氢化合物、一氧化碳和少量的VOC化合物。冷却管提供了这样的功能：在随后的发动机工作条件下，把废气温度减少到250°F-300°F的目标低温。

使废气冷却到250°F-300°F可以使全负荷的废气流量减少40％。此外，借助把900-1000°F的废气冷却到300-250°F的范围，使废气粘性的减少量达到40％。实际效果是，与没有冷却管的转换器的相比，使颗粒转换器上的压力降减少一个高达3.1的系数。这个系数对于符合发动机最大允许背压技术规格而言极其重要，并且它导致燃料消耗降低。由于转换器可以提供消声功能，因此可以用转换器系统来取代消声器，在这两种情况下的背压是洗流。实际效果是，在用转换器来取代消声器的情况下，没有提高燃料消耗。

与其它公知过滤介质相比，金属丝网结块器在俘获亚微米颗粒时至今是最有效的介质。金属丝网介质中的颗粒俘获机构被分成三种模式：惰性撞击、拦截和扩散。第一两种收集模式对于小颗粒尺寸大小无效，但是一旦颗粒尺寸大小提高了，那么具有可观的单纤维率。柴油机废气的特征在于，具有非常小的颗粒，这些颗粒的平均大小为0.1微米，并且明显地具有大量的毫微尺寸大小的颗粒。颗粒的扩散收集模式形成为俘获柴油机碳烟颗粒的主要模式。小颗粒显示出相当大的随机扩散运动，这种运动称为布朗运动，这些颗粒与气体分子相碰撞，因此趋于偏离气体流线。最后，这些颗粒沉积在刚性表面如纤维表面，或者在与该刚性表面相碰撞时该碳烟颗粒沉积在纤维之间。表示小颗粒单纤维收集效率(扩散模式)和总收集效率的等式在下面以公式给出：

由于扩散(ζ_d)所产生的单纤维收集效率是：

ζ_d＝2.7Pe^-2/3[1+0.39K^-1/3.Pe^1/3.Kn]+0.624Pe^-1

在这里，Pe是佩克莱特数，它由下面公式给出：Pe＝Vd_f/D

在这里，V是气体线速度，d_f是有效纤维直径，及D是扩散系数或者颗粒扩散率，该扩散率通过下面公式来计算：

D＝C K_bT/3πμ_g d_p

在这里，C是Cunningham校正系数，K_b是Boltzman常数，T是绝对气体温度，μ_g是气体粘度，d_p是颗粒直径，及K_n是Knudsen数，该数由下面公式来计算出：

K_n＝2λ/d_f

在这里，λ＝气体分子的平均自由行程，d_f＝有效纤维直径。

纤维介质中的总收集效率由下面公式来给出：

${\mathrm{\ξ}}_t=1-{\mathrm{EXP}}^{-4{\mathrm{\ξ}}_d\mathrm{\αH}/\mathrm{\π}{d}_f}$

在这里，α是纤维填充密度，H是过滤器厚度。

上面公式只用于颗粒收集的扩散模式，该扩散模式是主要的模式。其它两个模式或者颗粒收集可以简单地不考虑，因为它们的影响较小，但是在考虑时，总的收集效率稍稍高一些。用颗粒尺寸大小的不同值来解出上面公式表明：当颗粒尺寸大小减小时，单个纤维效率呈指数倍增加。例如，尺寸大小为1.0微米的颗粒具有0.001的单个压紧纤维效率。尺寸大小为0.1微米的颗粒具有0.0007的单个纤维截留率和0.05的单个扩散纤维率。处于毫微范围的颗粒尺寸大小如0.02微米(20纳米)具有0.0001的单个纤维截留率，而单个颗粒扩散率为0.300。这些附图用于金属丝网介质的典型情况，其中α＝0.005，d_f＝10微米，V＝8cm/秒、T＝200度。

还应该注意的是，前面的公式用于绿色纤维介质(即没有碳烟颗粒枝晶形成)。一旦碳烟颗粒开始形成在纤维介质上，那么它起着具有非常小的纤维尺寸大小的另一纤维介质的作用，从而进一步提高了颗粒俘获效率。毫微级颗粒的俘获效率可以高达10⁵的大小级(即，只有一个颗粒通过纤维介质从10⁵的进入颗粒中漏出来，其中这些进入颗粒借助俘获的颗粒的数目来表示)。此外，在结块器设计中，金属丝尺寸大小较大，并且金属丝之间的扫气空间超过50微米。这个特征允许收集/俘获起来的枝晶进行移动，直到它们离开纤维介质为止。与金属纤维相比，通过实验数据，使位于纤维介质上的、俘获的碳烟颗粒枝晶的作用显示颗粒收集的主要模式。这就产生了绿色结块器的术语，它涉及到新纤维介质。

本领域普通技术人员可以知道，过滤器和结块器之间的主要差别是保存效率，该保存效率在过滤器应该较高，而在结块器中是0。在柴油机应用中，流动速度在怠速和全负荷之间明显发生变化。在怠速情况下，结块器由于流动速度较小而起着过滤介质的作用，并且聚集了大量的碳烟颗粒。在全负荷时，与进入的碳烟颗粒相比，结块器吹去了更多的结块碳烟颗粒枝晶。但是，在包括怠速、中等负荷和全负荷情况的广泛工作范围内，平均结块器保存(收集)率是零。在某位置上吹去碳烟颗粒的地方，在结块器中，这种情况是自我校正。在吹去碳烟颗粒的地方，更多的流量冲进到那个区域中，因此形成了更多的碳烟颗粒，直到通过介质的平衡来实现平衡条件为止。颗粒转换器中的背压在延长5小时的怠速情况下可以提高大约50％。当发动机速度在5到10秒内从800RPM提高到1100RPM时，背压降低了40％。这是过度形成碳烟颗粒的自校正模式。

结块的颗粒可以进入到电焚化炉中，在那里，在碳烟颗粒形成到达阈值即通到电路中的位置时，产生焚化。由于碳烟颗粒的导电性较高，因此冲流立即加热碳烟颗粒。在废气中具有氧并且铂涂在焚化炉栅格(screen)上时，在低温下很快地焚化碳烟颗粒，典型地在3-5秒内焚化碳烟颗粒。由于焚化在焚化炉栅格上是局部的和间歇的，因此焚化炉下游处的温度升高不明显。此外，由于有限量的碳烟颗粒在给定位置上进行焚化、在废气中具有有限的含氧量及栅格上的排气速度非常小，因此调节局部温度的升高，并且不会导致损害栅格。焚化的副产品是CO₂、H₂O和灰。灰由于振动和重力作用而落到焚化炉腔的底部中。由于该腔具有较大的尺寸大小，因此在腔需要进地清理之前可以储存行驶200,000到400,000英里的灰聚集量。但是，推荐的清理间隔为150,000到200,000英里。

离开焚化炉的废气没有颗粒物质并且是冷的。它们可以用作EGR来适度地减少NOx的排放。如果NOx的减少量越大就较好，那么使用增压泵来提高和控制EGR流。增压泵的控制逻辑考虑把扫气流保存在较小的发动机负荷中并且确保合适量的废气流进行再循环，从而最大量地减少NOx。为了使对燃料经济性影响最小化，因此在所有的发动机工作条件下控制EGR流。颗粒发动机排放的最小化没有EGR控制逻辑，因为后处理系统非常有效地处理了这些过量的排放。

在足够多的冷却水是可实现的静止、航船用和灌溉的柴油机的应用中有可能把NOx减少量提高到超过EGR所产生的减少量。在这种情况下，推荐使用活性铂氧化催化剂。该催化剂把SO₂氧化成硫酸盐，并且根据废气温度把50-70％的NO氧化成NO₂。只要废气冷却到低于硫酸盐冷凝温度以下的温度并且与转换器的颗粒收集在一起，那么硫酸盐与颗粒物质收集在一起。离开转换器的废气可以用水不冲洗，从而把废气温度减小到200-150°F。这允许通过水来俘获反应的NO₂气体。理想的是，把碱物质加入到水中。把NO₂溶解到水中，可以导致形成硝酸。硝酸的高度稀释部分对较大的水体没有明显影响，并且可以有利于灌溉应用。总之，硫酸和颗粒收集在碳烟颗粒室中，同时硝酸部分被排出并且溶解在水中而不是排出到空气中。

小型柴油机应用(它们进行瞬时的工作模式)需要适应减少的后处理硬件。重要因素是硬件的尺寸大小和复杂度。这就产生了采用类似结块/过滤介质的另一个实施例。该介质的特征在于，过滤效率较小，但是在聚集碳烟颗粒的第一层时，收集效率提高。过滤筛网的存在提高了收集效率，因为碳烟颗粒层收集在筛网的上游侧上。碳烟颗粒的收集效率在较长的时间内保持基本稳定，根据发动机排放，这个时间从8个工作小时改变到40个工作小时。之后，当合成介质浸透有碳烟颗粒时，碳烟颗粒开始被吹去，并且压力降连续提高。在一定的压力降阈值下，该介质需要复原或者重新产生到初始情况下，该情况等同于碳烟颗粒负载循环的开始，并且一些碳烟颗粒仍然留在合成介质中，以保持较高的碳烟颗粒收集效率。这导致可以采用反向脉冲喷射的技术。类似介质的典型收集效率和背压特性示出在图27中，这些特性示出了反向脉冲喷射的效果和新负载循环的开始。

反向脉冲喷射技术的最特别之处在于，它持续了一秒钟的若干分之几；当发动机关闭或者处于怠速情况下，它可以被驱动。这可以使反向脉冲喷射的效果最大化，因为它沿着废气流的相反方向进行流动。这样，废气流使得反向脉冲喷射的作用减弱了。一旦脉冲喷射被驱动，那么碳烟颗粒从介质中被吹到上游侧，并且介质被复原并且准备好碳烟颗粒过滤和收集的另一个循环。

在老的1985年的柴油机卡车上的类似结块/过滤转换器上所进行的实验表明，在“绿”转换器上，碳烟颗粒过滤效率为40％。在积累了大约400里之后，效率升高到90％。连续地工作额外500英里，在55mph下可以把背压提高到60英寸H₂O。然后通过压缩空气使该系统进行脉冲。之后，收集效率没有明显改变。还可以观察到，由于路况而在转换器上通过悬浮来产生振动，这种振动与作为英里数函数的、使压力降形成的速度降低有关。在检查该装置时，在合成介质和过滤筛网上可以观察到较大的块形成。前述碳烟颗粒块由于道路所产生的振动而从介质中脱落下来，这种振动可以降低背压。在行驶1000英里之后，可以从两个室的底部除去大约三磅的碳烟颗粒。

在焚化炉采用了转换器时，该转换器倾斜安装从而使焚化炉处于最低位置上以有助于碳烟颗粒移动到焚化炉腔中。具有焚化炉的这种转换器被希望是没有维护的装置，这种装置每过150,000-200,000英里才需要清理聚集起来的灰。

具有图21所示的碳烟颗粒收集袋272的转换器不必需要焚化炉。这些转换器也不必具有这样的反向脉冲喷射系统：该系统安装成转换器的一个组成部分。当然，该脉冲系统可以是固定的并且用来给多种车辆进行服务。反向脉冲空气系统通过排气尾管来驱动并且脉冲喷射在所有的转换器室中同时进行工作。袋的尺寸大小应该足以膨胀来容纳环境温度下的脉冲空气的体积。脉冲空气把收集在转换器底部中的碳烟颗粒扫到袋中。对于这种工作而言，在每个反向脉冲过程期间，碳烟颗粒被扫到袋中。当袋装有碳烟颗粒时，它可以用空袋来更换。可以估计到，根据基本排放，每隔6-30个月就更换袋。当这些车辆每周至少一次地安装在维护修理站时，这种系统布置对于机动卡车和公共汽车应用的改进是有吸收力的。

当然，本发明的描述仅仅是示例性的，因此没有脱离本发明要点的变形也落入本发明的范围内。这些变形不能被认为脱离了本发明的精神实质和范围。

Claims (15)

1.一种处理来自柴油机的废气的方法，该方法包括这些步骤：

把废气冷却到低于硫酸盐冷凝温度的温度；

使废气中的颗粒进行结块；

收集和分离废气中的结块颗粒。

2.如权利要求1所述的处理来自柴油机的废气的方法，其特征在于，将废气充分冷却以俘获挥发性有机物的重馏分成分、硫酸盐和NO₂成分。

3.如权利要求1所述的处理来自柴油机的废气的方法，其特征在于，收集结块颗粒的步骤包括这样的步骤：提供筛网装置作为用于收集结块颗粒的隔板。

4.如权利要求1所述的处理来自柴油机的废气的方法，还包括这样的步骤：提供碳烟颗粒收集室来收集结块颗粒。

5.如权利要求4所述的处理来自柴油机的废气的方法，还包括这样的步骤，在颗粒收集室内借助隔板筛网来隔离出第一室和第二室，第一室用来收集和保存被俘获的碳烟颗粒。

6.如权利要求1所述的处理来自柴油机的废气的方法，还包括这些步骤：

提供氧化催化剂；及

至少消除废气中的一部分挥发有机成分。

7.如权利要求1所述的处理来自柴油机的废气的方法，其特征在于，收集废气的结块颗粒的步骤包括这样的步骤：从废气中提取以硫酸盐形式存在的硫化合物。

8.如权利要求1所述的处理来自柴油机的废气的方法，还包括这些步骤：

把废气中的SO₂成分氧化成硫酸盐化合物；

冷凝硫酸盐化合物并且使它们进行结块；及

从废气中分离出被冷凝的、结块的硫酸盐成分。

9.如权利要求1所述的处理来自柴油机的废气的方法，其特征在于，冷却废气的步骤包括这样的步骤：通过辐射冷却来冷却废气。

10.如权利要求1所述的处理来自柴油机的废气的方法，其特征在于，冷却废气的步骤包括这样的步骤：通过对流冷却来冷却废气。

11.如权利要求10所述的处理来自柴油机的废气的方法，其特征在于，通过对流冷却来冷却废气的步骤包括这样的步骤：提供热交换器。

12.如权利要求1所述的处理来自柴油机的废气的方法，其特征在于，使颗粒物质结块包括利用带有用于将颗粒物质结块的结块器的柴油机颗粒转换器来使颗粒物质进行结块，该结块器具有用于收集碳烟颗粒的区域。

13.如权利要求12所述的处理来自柴油机的废气的方法，还包括利用空气脉冲系统给柴油机颗粒转换器提供脉冲空气。

14.如权利要求1所述的处理来自柴油机的废气的方法，还包括利用柴油机氧化催化剂至少消除污染物中的一部分挥发性有机物质。

15.如权利要求1所述的处理来自柴油机的废气的方法，还包括把废气的大部分NO转化成NO₂，冷却NO₂，通过水净化吸收NO₂，从而从废气中除去了绝大部分NOx。

Images