CN103670606B - 分隔型逆向喷气再生式柴油机排气颗粒捕集器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种分隔型逆向喷气再生式柴油机排气颗粒捕集器装置。本发明包括主过滤系统，再生过滤系统，喷气系统以及控制系统。主过滤系统由两个入口阀门、一个入口扩张管、一个主过滤体、一个出口收缩管、两个喷气电磁阀门、两个出口阀门、一个隔板以及一个主出口管组成。再生过滤系统位于主过滤系统下方，由两个再生入口阀门、一个再生入口管、一个再生过滤体、一个再生出口管和一个再生出口阀门组成。喷气系统由气泵、储气罐组成。控制系统主要由两个压力传感器和控制器组成。本发明通过分隔过滤体，可以提高柴油机颗粒捕集器过滤体的耐久性，并减少再生阶段的排放。

Description

分隔型逆向喷气再生式柴油机排气颗粒捕集器装置

技术领域

本发明涉及一种柴油机排气颗粒捕集器装置，具体涉及一种分隔型逆向喷气再生式柴油机排气颗粒捕集器装置。

背景技术

可吸入颗粒物是大气污染的重要组成，可吸入颗粒物能长时间悬浮在大气中，容易沉积在肺中，甚至进入血液，对人体危害极大。据调查，北京空气中20％可吸入颗粒物来源于机动车排放，而事实上，相比于汽油机，柴油机微粒(PM)排放量是汽油机的30-80倍。因此，改善柴油机排放是解决空气中可吸入颗粒物的污染问题的重要途径。

为了满足日益严格的排放法规，进一步解决柴油机颗粒物排放问题需要两条技术路线：一是机内净化方案；二是机外后处理方案。其中，柴油机颗粒捕集器(Dieselparticlefilter,DPF)是机外后处理方案中最有效地途径。柴油机颗粒捕集器借助惯性碰撞、截留、扩散和重力沉降等方法使排气颗粒从气流中分离出来。柴油机颗粒捕集器的过滤机理有很多，如静电吸附法、过滤捕集法、离心分离法等。其中使用最多的是过滤捕集法中的壁流式蜂窝陶瓷捕集器，通过前后交替封堵，使排气从中穿过，并将颗粒留在捕集器内。柴油机颗粒捕集器的技术核心包含两个方面：过滤体材料与过滤体再生技术。

柴油机颗粒捕集器过滤体材料有很多，当下过滤效率好，使用多、成本低、技术最成熟的是堇青石蜂窝陶瓷过滤体，但堇青石导热性差，再生过程容易其高温老化。为此，碳化硅蜂窝陶瓷过滤体被认为是解决方案，但成本相对较高。与此同时，金属基的泡沫合金过滤体导热性好，适合进行加热再生，但成本同样较高。

柴油机颗粒捕集器经过一段时间过滤之后，排气颗粒经过深层过滤，会进入滤饼层稳定工作阶段，但随着滤饼层的加厚，捕集器的排气背压会逐渐升高，导致排气管路压降损失，恶化柴油机工况。为此需要使用各种再生技术清除累积在过滤体上的颗粒物。当下主要再生方法主要分被动再生和主动再生两种。被动再生技术中的连续再生，如在CRT、CCRT技术，与DOC相结合，在欧洲得到广泛应用。但连续再生技术所用催化剂抗硫老化性能较差，不适宜我国目前油品状态。主动再生技术，如电加热再生和喷油再生等技术会大大增加能耗，并有可能造成二次污染。

以上再生方法存在一个共同问题就是再生过程无法清除不可燃的颗粒物。事实上，排气颗粒物中有6％是硫酸盐或其他燃油、润滑油添加剂所形成的金属离子氧化物，这些被称为“灰烬”的物质无法通过加热和催化过程消除，只能定期通过人工方法(压缩空气、高压水)清除。灰烬在颗粒捕集器中滞留会造成柴油车燃油经济性恶化，欧洲实验表明，连续再生捕集器使用8万公里之后，由于灰烬物质堵塞，造成平均油耗上升了大约12％。我国柴油含硫量比欧洲高的多，因此排气颗粒物中硫酸盐含量更高，油耗上升会更快。

柴油机颗粒捕集器主动再生技术中还有一种方法叫做逆向喷气再生技术。该技术早在上个世纪90年代就被日本提出。该技术将PM燃烧与过滤体分离，当需要再生时，高压压缩空气从过滤体出口高速喷入，方向与排气相反，沉积PM从过滤体表面清除，进入专门收集器，再通过电加热或者其他燃烧装置将PM烧掉。这种方法可以清除不可燃灰烬，同时可以避免过滤体加热再生所造成的高温老化。但传统设计思路结构复杂，而且逆向喷气压力对该系统再生效率影响最大，因此所要求的喷气气源压力大，另外，喷气口偏置造成喷气不均匀，也导致再生效率不高。综上种种原因，该思路并没有得到广泛应用。国内清华大学、天津大学、吉林大学、北京交通大学、军事交通学院等机构近几年进行了相关研究。但所开发出逆向喷气再生系统仍然存在问题：单过滤体的逆向喷气系统再生过程中，未经处理的排气会被直接排往大气，而这个过程要持续15-30分钟，造成污染；双过滤体的逆向喷气系统将颗粒物反吹回汽缸燃烧，这样会恶化缸内环境，对柴油机工作造成负面影响。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种分隔型逆向喷气再生式柴油机排气颗粒捕集器装置。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

本发明包括主过滤系统，再生过滤系统，喷气系统以及控制系统。

所述的主过滤系统由两个入口阀门、一个入口扩张管、一个主过滤体、一个出口收缩管、两个喷气电磁阀门、两个出口阀门、一个隔板以及一个主出口管组成；入口扩张管的小口端并排设置两个入口阀门，入口扩张管的大口端接主过滤体的一端，主过滤体的另一端接出口收缩管的大口端，出口收缩管的小口端接两个出口阀门的一侧，两个出口阀门的另一侧接主出口管；所述的出口收缩管上还设有两个喷气电磁阀门；一个隔板将整个主过滤系统的入口扩张管、主过滤体以及出口收缩管分成相互之间封闭的两部分，其中主过滤体材料为堇青石蜂窝陶瓷。

所述的再生过滤系统位于主过滤系统下方，由两个再生入口阀门、一个再生入口管、一个再生过滤体、一个再生出口管和一个再生出口阀门组成，再生入口管通过两个再生入口阀门接主过滤系统的入口扩张管，再生出口管通过一个再生出口阀门接主过滤系统的主出口管，再生入口管与再生出口管之间设置一个再生过滤体，所述的再生过滤体连接电加热器，可以进行加热再生，其中再生过滤体材料为泡沫合金。

所述的喷气系统由气泵、储气罐组成，气泵的出气口连接储气罐的入气口，储气罐的出气口，接主过滤系统的两个喷气电磁阀。

所述的控制系统主要由两个压力传感器和控制器组成。两个压力传感器分别位于整个装置的上游和下游管道，两个压力传感器信号输出给控制器，控制器还控制着主过滤系统的所有阀门、再生过滤系统的所有阀门和电加热器以及喷气系统的气泵。

本发明的有益效果：

1.将主过滤体、进口扩张管以及出口收缩管通过隔板分隔成两部分。分隔布置的优势在于，当主过滤体其中一部分再生的情况下，另一部分仍然可以正常工作。与单过滤体逆向喷气再生方案相比，分隔布置方案有效避免了再生过程中所造成的污染；与双过滤体逆向喷气再生方案相比，分隔布置方案只使用一个过滤体，大大降低了成本，缩小了捕集器的体积。

2.安装了一个再生过滤体，并用再生入口管道接通主过滤体入口扩张管，用再生出口管接通主出口管。这样的布置方案使得再生过程中夹杂主过滤体上脱落的颗粒物的气流在再生过滤体上得到有效过滤，并在再生过滤体上进行电加热再生。与此同时，由于再生出口管接通主出口管，可以利用由于主过滤体另一部分正常工作产生的高速气流所形成的主出口管低压区，该区域所形成的负压对再生过滤体管道内的气流形成吸力，可以降低再生喷气压力，有效降低逆向喷气系统对喷气压力的高要求。同时降低了再生过程中的排放问题。与双过滤体方案将逆向喷气产生的脱落颗粒物反吹回汽缸相比，本设计思路不会恶化柴油机工况。

3.更好的利用过滤体材料。主过滤体使用成本低的堇青石蜂窝陶瓷材料，由于再生加热过程并不在主过滤体上进行，因此不会导致堇青石蜂窝陶瓷材料的热老化，大大提高了主过滤体的耐久性；再生过滤体使用导热性更好的泡沫合金材料，该材料虽然成本更高，但再生过滤体相对体积较小，用料较少，与此同时，拆换变得较为容易，清理灰烬十分方便。

4.采用入口高出口低的设计方案。这样的设计形式有利于再生入口和喷气入口更接近主过滤体轴心线，使得喷气脱落颗粒物更容易进入再生入口管道，也使喷气更加均匀，可以增加逆向喷气再生效率。

附图说明

图1a和图1b是该装置的三维外形结构图。

图2是该装置的俯视图。

图3是该装置以图2从右到左为观察方向的侧视图。

图4是该装置如图2和图3中A-A剖面图。

图5是一个示意图，表示本发明所构成的系统各部分组成以及与相连的其他装置的关系。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明涉及一种分隔型逆向喷气再生式柴油机排气颗粒捕集器装置。该装置前端通过管道连接柴油机的排气出口，后端通过管道连接着其它后处理装置。整个装置包括四个部分：主过滤系统，再生过滤系统，喷气系统以及控制系统。

主过滤系统由两个入口阀门、一个入口扩张管、一个主过滤体、一个出口收缩管、两个喷气电磁阀门、两个出口阀门以及一个主出口管组成，另外，还有一个隔板将整个主过滤系统的入口扩张管、主过滤体以及出口收缩管分成相互之间封闭的两部分。其中主过滤体材料为堇青石蜂窝陶瓷，出口收缩管由隔板10分开的两部分各装有一个喷气电磁阀。

再生过滤系统由两个再生入口阀门、一个再生入口管、一个再生过滤体、一个再生出口管和一个再生出口阀门组成。其中，再生入口管接通主过滤系统的入口扩张管，再生出口管接通主过滤系统的再生出口管。此外，再生过滤体连接电加热器，可以进行加热再生。

喷气系统由气泵、储气罐组成。其中，储气罐接通主过滤系统的两个喷气电磁阀，气泵连通大气。

控制系统主要由两个压力传感器和控制器组成。其中，两个压力传感器分别位于柴油机颗粒捕集器的上游和下游管道，控制器连接着两个压力传感器，除此之外还连接并控制着主过滤系统的所有阀门，再生过滤系统的所有阀门和电加热器，以及喷气系统的气泵。

如图1a、图1b、图2、图3、图4和图5所示，正常工作情况下，柴油机30排出的尾气经过入口阀门01和入口阀门02进入柴油机颗粒捕集器31，并经过入口扩张管11和12进入主过滤体13和14两部分进行过滤，之后进入出口收缩管15和16，再经过出口阀门07和08进入主出口管17，最终离开柴油机颗粒捕集器31进入其它后处理装置32(如DOC、SCR等)进行下一步尾气处理。在此期间，位于柴油机颗粒捕集器31上游的压力传感器41和位于柴油机颗粒捕集器31下游的压力传感器42不断检测该位置的排气压力，经过控制器40计算得到压降损失。

当压降损失达到预先设置的阀值时，装置开启再生模式。由控制器40控制所有阀门的开闭，并轮流对主过滤体13和14进行逆向喷气再生。

当装置进入再生模式时，首先对主过滤体13进行逆向喷气再生。此时，入口阀门01、出口阀门07关闭，再生入口阀门03、再生出口阀门09开启，贮存在储气罐52中的压缩空气经由控制器40控制不断开启和关闭的喷气电磁阀门05(此刻喷气电磁阀门06始终关闭)形成脉冲气流，经过出口收缩管15(此刻对于逆向喷气而言具有扩张管作用)，进入主过滤体13，反向冲刷主过滤体13，并形成震动，使主过滤体13深层的颗粒物回到表面，并随着表面已经形成滤饼层的颗粒物破碎、脱落，一起经过入口扩张管11、再生入口阀门03和再生入口管20进入到再生过滤体21，经过再生过滤体21过滤，经过再生出口管22和再生出口阀门09进入到主出口管17，随出口阀门08排出的来自主过滤体14的排气进入其它后处理装置32。

再生过程的时间由控制器40控制。当主过滤体13的再生过程结束后，入口阀门01、出口阀门07开启，再生入口阀门03、再生出口阀门09关闭，喷气阀门05处于常闭状态，之后，控制器40会控制主过滤体14进行再生。主过滤体14的再生过程与主过滤体13再生过程在原理上完全相同，因此不再赘述。当主过滤体13和14两部分再生过程均结束之后，喷气电磁阀门05和06处于常闭状态，入口阀门01和02、出口阀门07和08均打开，再生入口阀门03和04均关闭，主过滤体13和14均正常工作。

之后，控制器40控制电加热器23对再生过滤体21进行电加热，使再生过滤体21上累积的颗粒物燃烧殆尽，关闭电加热器60，之后关闭再生出口阀门09。控制器40控制气泵51从大气环境50中抽取空气，并贮存到储气罐52中，使储气罐气压回复到再生过程开始之前的状态。整个装置的再生过程全部结束。

Claims (1)

1.分隔型逆向喷气再生式柴油机排气颗粒捕集器装置，其特征在于：包括主过滤系统，再生过滤系统，喷气系统以及控制系统；

所述的主过滤系统由两个入口阀门、一个入口扩张管、一个主过滤体、一个出口收缩管、两个喷气电磁阀门、两个出口阀门、一个隔板以及一个主出口管组成；入口扩张管的小口端并排设置两个入口阀门，入口扩张管的大口端接主过滤体的一端，主过滤体的另一端接出口收缩管的大口端，出口收缩管的小口端接两个出口阀门的一侧，两个出口阀门的另一侧接主出口管；所述的出口收缩管上还设有两个喷气电磁阀门；一个隔板将整个主过滤系统的入口扩张管、主过滤体以及出口收缩管分成相互之间封闭的两部分，其中主过滤体材料为堇青石蜂窝陶瓷；

所述的再生过滤系统位于主过滤系统下方，由两个再生入口阀门、一个再生入口管、一个再生过滤体、一个再生出口管和一个再生出口阀门组成，再生入口管通过两个再生入口阀门接主过滤系统的入口扩张管，再生出口管通过一个再生出口阀门接主过滤系统的主出口管，再生入口管与再生出口管之间设置一个再生过滤体，所述的再生过滤体连接电加热器，可以进行加热再生，其中再生过滤体材料为泡沫合金；

所述的喷气系统由气泵、储气罐组成，气泵的出气口连接储气罐的入气口，储气罐的出气口，接主过滤系统的两个喷气电磁阀；

所述的控制系统主要由两个压力传感器和控制器组成；两个压力传感器分别位于整个装置的上游和下游管道，两个压力传感器信号输出给控制器，控制器还控制着主过滤系统的所有阀门、再生过滤系统的所有阀门和电加热器以及喷气系统的气泵。