CN105179049A - 基于微波加热再生技术的双腔体式柴油机尾气颗粒捕集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微波加热再生技术的双腔体式柴油机尾气颗粒捕集器。尾气磁控切换阀的输入端接汽车尾气，空气磁控切换阀的输入端接二次空气，尾气磁控切换阀的输出端和空气磁控切换阀的输出端均分为两路分别连接到第一、第二微波谐振腔，第一、第二微波谐振腔的中部均设有过滤体，过滤体将微波谐振腔分为前部腔和后部腔，第一、第二微波谐振腔的前部腔分别设有结构相同的第一、第二微波发生器。本发明利用微波加热燃烧和双腔体式方式解决颗粒捕集器的再生问题，实现低功耗高效再生，提高再生过程中的捕集效率和使用寿命，使得颗粒捕集装置能在较低再生成本下长期高效的运行，从而达到减少颗粒物排放的效果。

Description

基于微波加热再生技术的双腔体式柴油机尾气颗粒捕集器

技术领域

本发明涉及一种柴油机尾气处理装置，特别是涉及一种基于微波加热再生技术的双腔体式柴油机尾气颗粒捕集器，可用于重型柴油车尾气中的颗粒捕集。

背景技术

颗粒物(PM)为大气污染物的主要成分之一，而机动车是主要的PM排放源之一。据中国环保部《2013年机动车污染物防治年报》。全国机动车颗粒物(PM)排放量为59.4万吨。其中，汽车排放56.7万吨，占95.5％。柴油机的排放物中主要包括NOx，HC，CO和微粒物，其中NOx和微粒物的排放量较高，污染较严重。NOx的排放量与汽油机相当，但微粒排放量则是汽油机的30-60倍。截至2013年底，我国重型柴油货车保有量仅占机动车总保有量的2.11％，但排放的颗粒物占比却达60.7％。可见柴油机尾气颗粒物排放日益严重。

现有的柴油机颗粒物机外处理方式主要以颗粒捕集器为主，若加装颗粒捕集器却不提供配套再生装置，随着碳烟微粒在过滤体中的沉积，过滤体逐渐被堵塞，使柴油机排气系统阻力增大，排气背压增高。当排气背压超过一定值后，柴油机的性能开始明显恶化。因此要定期清除沉积在陶瓷过滤体中的微粒，使排气阻力降低到正常工作水平，即实现过滤体的再生。这也是颗粒捕集器能否推广使用的关键难点。

现行的再生技术主要有喷油助燃技术、电加热再生技术、反吹再生技术等，而各项再生技术都有着各自的局限性。造成该装置使用寿命短，效率低，如表1所示：

表1现有颗粒捕集器再生方法分析

因此，现有颗粒捕集器的主要问题有：再生困难，使用寿命短，捕集效率差，这也是颗粒捕集器在现阶段无法广泛推广的原因。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于微波加热再生技术的双腔体式柴油机尾气颗粒捕集器，利用微波加热燃烧的方式解决颗粒捕集器的再生问题，能量利用率达98.7％，再生效率达97.2％，实现低功耗高效再生；通过双腔体式设计提高再生过程中的捕集效率和使用寿命，使得颗粒捕集装置能在较低再生成本下长期高效的运行，从而达到减少颗粒物排放的效果。

本发明的技术方案是：

本发明包括双腔体壁流式陶瓷过滤器模块、微波加热再生模块和二次空气补给模块，二次空气补给模块接入二次空气，二次空气补给模块输出端与汽车尾气一起经管路连接双腔体壁流式陶瓷过滤器模块，双腔体壁流式陶瓷过滤器模块设有微波加热再生模块。

所述的二次空气补给模块包括带有空气磁控切换阀的二次空气输入管路，双腔体壁流式陶瓷过滤器模块包括两个微波谐振腔，微波加热再生模块包括微波发生器；尾气磁控切换阀的输入端接汽车尾气，空气磁控切换阀的输入端接二次空气，尾气磁控切换阀的输出端和空气磁控切换阀的输出端均分为两路分别连接到第一微波谐振腔和第二微波谐振腔，第一微波谐振腔和第二微波谐振腔的中部均设有过滤体，过滤体将微波谐振腔分为前部腔和后部腔，第一微波谐振腔和第二微波谐振腔的前部腔分别设有结构相同的第一微波发生器和第二微波发生器；汽车尾气经尾气磁控切换阀从两路管路中选择一路进入微波谐振腔，二次空气经空气磁控切换阀从两路管路中选择与汽车尾气相反的一路进入微波谐振腔。

所述的第一微波发生器或者第二微波发生器包括包括高压电容、高压变压器、功率调节器、开关继电器、过热保护器、磁控管以及用于散热的风扇电机，市电依次经功率调节器、过热保护器、开关继电器、高压变压器连接磁控管，高压变压器连接有高压电容，单片机连接开关继电器进行通断控制，过热保护器安装在磁控管的表面用于防止温度过热，磁控管伸入到微波谐振腔的前部腔中。

所述的过滤体采用壁流式堇青石过滤体。

所述伸入到微波谐振腔的前部腔内的磁控管上装有用于防尘的石英保护罩。

所述的磁控管与微波谐振腔连接安装处设有微波隔热环。

所述的第一微波谐振腔和第二微波谐振腔两端的端口处均设有微波截止板。

随着柴油机尾气中的颗粒物不断被颗粒捕集器捕集，过滤体前后压差逐渐增大。当压力传感器检测到前后压差到达三倍时，控制系统启动装置。车载电源通过逆变器以达到微波发生装置的供电要求，磁控管发出微波，颗粒捕集器中的碳烟被加热燃烧，由于再生腔内氧气不足，碳烟不完全燃烧生成CO，造成二次污染，为此本发明加入了二次空气补充装置，通过气泵向再生腔内补充适量的空气。此外，考虑到通入二次空气以及微波加热过程会对排气背压造成影响，从而影响发动机的运行。

本发明采用双腔式结构，即当一个颗粒捕集器进行再生时，通过切换阀将尾气排入另一个颗粒捕集器，两个腔体交替运行，交替再生，避免再生过程中对发动机的不良影响，以及旁通阀排出的未处理尾气对环境的影响。

柴油机尾气颗粒物中，干碳烟为最主要成分，占75％左右；有机可溶成分占20％-23％。以及极少量硫系阴离子，氢系阴离子，金属。随着国内燃油品质的不断提升，硫系阴离子和金属的含量将进一步降低。其中，碳烟的损耗角较大，容易被微波加热，其燃点为550℃左右，燃油燃点为427℃，润滑油燃点为200℃，均能通过微波加热使其达到燃点并燃尽。

本发明的有益效果是：

①加热速度快(相同功率下为用时仅为电加热的七分之一以下)，能量利用率高(达98.7％)，可实现即时自动控制，能耗低。

②再生过程中，过滤体内部的温度梯度小，因而减小了热应力引起过滤体破坏的可能性，再生窗口显著加宽，再生过程易于控制，对过滤体使用寿命的延长、有效再生十分有利的。

③两个腔体交替使用，交替再生，可以保证尾气中的颗粒物时刻被捕集。从而提高捕集效率。

④再生过程中通入合适的二次空气，帮助颗粒捕集高效再生，且减少再生过程中二次污染物的排放。

⑤使用本装置每百公里增加耗油量约为0.01L。柴油车满载行驶的耗油量约为每百公里20L，使用本装置相当于油耗增加了0.05％，具有较好的经济性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明安装位置的结构示意图。

图3是本发明工作流程原理示意图。

图4是本发明微波谐振腔的示意图。

图5是本发明微波谐振腔的爆炸结构正视图。

图6是本发明微波发生器安装在微波谐振腔上的爆炸结构侧视图。

图7是本发明过滤体相关过滤效果和再生效率的结果示意图。

图中：1、尾气磁控切换阀，2、空气磁控切换阀，3、第一微波发生器，4、第一微波谐振腔，5、第二微波发生器，6、第二微波谐振腔，7、安装位置，8、石英保护罩，9、微波隔热环，10、微波截止板，11、过滤体，12、微波。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的安装位置7如图2所示，安装在汽车排气管尾部。如图1所示，本发明包括双腔体壁流式陶瓷过滤器模块、微波加热再生模块和二次空气补给模块，二次空气补给模块接入二次空气，二次空气补给模块输出端与汽车尾气一起经管路连接双腔体壁流式陶瓷过滤器模块，双腔体壁流式陶瓷过滤器模块设有微波加热再生模块。

二次空气补给模块包括带有空气磁控切换阀2的二次空气输入管路，双腔体壁流式陶瓷过滤器模块包括两个微波谐振腔，微波加热再生模块包括微波发生器；尾气磁控切换阀1的输入端接汽车尾气，空气磁控切换阀2的输入端接二次空气，尾气磁控切换阀1的输出端和空气磁控切换阀2的输出端均分为两路分别连接到第一微波谐振腔4和第二微波谐振腔6，如图4～图6所示，第一微波谐振腔4和第二微波谐振腔6的中部均设有过滤体11，过滤体11将微波谐振腔分为前部腔和后部腔，前部腔作为输入端连接尾气磁控切换阀1的输出端和空气磁控切换阀2的输出端，后部腔作为输出端，第一微波谐振腔4和第二微波谐振腔6的前部腔分别设有结构相同的第一微波发生器3和第二微波发生器5；汽车尾气经尾气磁控切换阀1从两路管路中选择一路进入微波谐振腔，二次空气经空气磁控切换阀2从两路管路中选择与汽车尾气相反的一路进入微波谐振腔。通过尾气磁控切换阀1和空气磁控切换阀2的控制如图3所示，当汽车尾气进入第一微波谐振腔4时，二次空气进入第二微波谐振腔6；相反地，当汽车尾气进入第二微波谐振腔6时，二次空气进入第一微波谐振腔4。

第一微波发生器3或者第二微波发生器5包括包括高压电容、高压变压器、功率调节器、开关继电器、过热保护器、磁控管以及用于散热的风扇电机，市电依次经功率调节器、过热保护器、开关继电器、高压变压器连接磁控管，高压变压器连接有高压电容，单片机连接开关继电器进行通断控制，过热保护器安装在磁控管的表面用于防止温度过热，磁控管伸入到微波谐振腔的前部腔中。

本发明的双腔体壁流式陶瓷过滤体模块：采用双腔式再生腔体，当其中一个捕集器前后压差过大影响发动机性能时，通过切换阀将尾气通入另一只腔体，再对原有腔体进行微波加热。

本发明的微波加热再生模块：采用微波加热再生的方式，可以实现就地生热内外同热，不需要传热过程，瞬时可达到高温。微波12在过滤体内形成空间分布的热源，对沉积在过滤体上的对微波12具有极强吸收能力的微粒进行加热，使碳烟微粒吸热燃烧。

本发明的二次空气补给模块：由于颗粒燃烧需要消耗大量氧气，往往会使得颗粒物中的碳烟不完全燃烧生成CO等二次污染气体，从而在再生过程中增大对环境的危害。同时，由于颗粒捕集器内的颗粒物无法充分燃烧，缺氧状态也会对再生效率造成影响。

本发明加入了二次空气补给模块，在颗粒捕集器前段安装一个小型气泵，并通过切换阀控制其开闭。通过实验确定在不同工况、不同温度条件下通入二次空气的最佳流量，在再生过程中通入合适的二次空气，帮助颗粒捕集高效再生，且减少再生过程中二次污染物的排放。

本发明的实施例如下：

具体实施中，本发明优选的过滤体采用壁流式堇青石过滤体。堇青石对微波基本呈透明状态，过滤体中沉积的微粒是微波选择加热的主要对象。由于过滤体本身不吸收微波，随着再生的进行，前端微粒燃烧，微波加热区域逐渐向后推移，这样就可以基本保证整个过滤体上沉积的微粒都能得到很好的加热。

如图5所示，本发明中，为了解决解决尾气污染磁控管问题，伸入到微波谐振腔的前部腔内的磁控管上装有石英保护罩8，将磁控管与高温排气相隔离的作用，防止高温排气对磁控管造成损害，使磁控管无法正常工作。一方面磁控管输出窗与载体外壳空腔隔离，另一方面，由于石英材质的损耗角极小，微波可以无损耗的通过石英玻璃罩，尾气中附着在石英罩上的碳粒，在微波作用下自动燃烧。为了解决磁控管受热温度过高问题，磁控管与微波谐振腔连接安装处设有微波隔热环9，由于该环为金属材质，可保证不会造成微波泄漏；重要的是，将此环置于腔体平台和磁控管之间，可在二者之间形成空气冷却层，减少从腔体向磁控管的热量传递，从而更好地保护磁控管；为了解决微波防泄漏问题，第一微波谐振腔4和第二微波谐振腔6两端的端口处均设有微波截止板10一方面保证微波只在圆柱形腔内谐振，不向外辐射；另一方面不妨碍尾气顺利通过过滤装置。微波防泄漏检测结果见附件七。

由于双腔式结构的工作过程是两个单腔式结构的循环，其捕集及再生特点与单腔体相同，实验过程中实施例选用了单腔体模型测得相关数据。

1、过滤体捕集效率测定

实验过程中使用发动机型号为三环290F风冷系列柴油机，排气量为1.145L，标定功率为12KW。过滤体选用深圳速美公司生产的壁流式蜂窝陶瓷过滤体，尺寸为Φ144152.2mm，堆密度为1.1kg/L，孔容为0.52ml/g。

采用盛世牌SV-5Y型不透光式烟度仪测量颗粒捕集器入口和出口的尾气烟度。保持柴油机在2400r/min，90％负荷工况下运行，待工况稳定后，测得进出口的烟度值并计算过滤效率。

表2过滤体捕集效率测量实验结果

实验结论：由上表可以得出，过滤体捕集效率可达90.47％且较稳定。

2、过滤体再生效率测定

微波再生装置连接到柴油机的排气管，使用CYG1200系列通用型压阻式差压变送器检测过滤体前后的背压变化，背压达到设定值6.4kpa时开始再生。此时切换流道通入流量为0.6kg/min的二次空气。再生过程中通过测定再生前后的过滤体质量变化来计算再生效率及再生所需时间。

如图7中，左右侧的黑色曲线分别表示过滤体初次捕集的背压变化和初次再生的碳烟质量变化，左右侧的红色曲线分别表明经过再生40次后的过滤体再次进行捕集的背压变化和碳烟质量变化，说明过滤体经过再生后过滤效果基本不变，且再生效率较高且随使用次数增多变化很小。

本装置中，微波发生器功率为700W，预计运行过程中每3.6小时再生一次，加热十分钟即可完成再生。实验设计转速对应车速为100km/h，故可以计算得微波加热所耗电量为0.035kwh/百公里。现有柴油机效率为40％左右，可计算得使用本装置每百公里增加耗油量约为0.01L。柴油车满载行驶的耗油量约为每百公里20L，使用本装置相当于油耗增加了0.05％，具有较好的经济性。本发明装置设计使用寿命为150000公里，单套制作成本约为2175元，若批量生产，预计可将成本降为1500元左右，相比现有国四柴油货车每辆2万元左右的环保改造成本，价格较低，便于推广。

通过结果测定发现，本发明能在全车耗油量增加0.05％左右的低能耗条件下，实现机外90.47％的微粒捕集效率。若在全国472.5万辆国三及其之前的标准的柴油车上加装本装置，可实现每年减排PM的37.12万吨，可使机动车颗粒物排放总量下降60.7％，可见具有突出显著的节能技术效果。

Claims (7)

1.一种基于微波加热再生技术的双腔体式柴油机尾气颗粒捕集器，其特征在于：包括双腔体壁流式陶瓷过滤器模块、微波加热再生模块和二次空气补给模块，二次空气补给模块接入二次空气，二次空气补给模块输出端与汽车尾气一起经管路连接双腔体壁流式陶瓷过滤器模块，双腔体壁流式陶瓷过滤器模块设有微波加热再生模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于微波加热再生技术的双腔体式柴油机尾气颗粒捕集器，其特征在于：所述的二次空气补给模块包括带有空气磁控切换阀(2)的二次空气输入管路，双腔体壁流式陶瓷过滤器模块包括两个微波谐振腔，微波加热再生模块包括微波发生器；尾气磁控切换阀(1)的输入端接汽车尾气，空气磁控切换阀(2)的输入端接二次空气，尾气磁控切换阀(1)的输出端和空气磁控切换阀(2)的输出端均分为两路分别连接到第一微波谐振腔(4)和第二微波谐振腔(6)，第一微波谐振腔(4)和第二微波谐振腔(6)的中部均设有过滤体(11)，过滤体(11)将微波谐振腔分为前部腔和后部腔，第一微波谐振腔(4)和第二微波谐振腔(6)的前部腔分别设有结构相同的第一微波发生器(3)和第二微波发生器(5)；汽车尾气经尾气磁控切换阀(1)从两路管路中选择一路进入微波谐振腔，二次空气经空气磁控切换阀(2)从两路管路中选择与汽车尾气相反的一路进入微波谐振腔。

3.根据权利要求2所述的一种基于微波加热再生技术的双腔体式柴油机尾气颗粒捕集器，其特征在于：所述的第一微波发生器(3)或者第二微波发生器(5)包括包括高压电容、高压变压器、功率调节器、开关继电器、过热保护器、磁控管以及用于散热的风扇电机，市电依次经功率调节器、过热保护器、开关继电器、高压变压器连接磁控管，高压变压器连接有高压电容，单片机连接开关继电器进行通断控制，过热保护器安装在磁控管的表面用于防止温度过热，磁控管伸入到微波谐振腔的前部腔中。

4.根据权利要求2所述的一种基于微波加热再生技术的双腔体式柴油机尾气颗粒捕集器，其特征在于：所述的过滤体采用壁流式堇青石过滤体。

5.根据权利要求3所述的一种基于微波加热再生技术的双腔体式柴油机尾气颗粒捕集器，其特征在于：所述伸入到微波谐振腔的前部腔内的磁控管上装有用于防尘的石英保护罩(8)。

6.根据权利要求3所述的一种基于微波加热再生技术的双腔体式柴油机尾气颗粒捕集器，其特征在于：所述的磁控管与微波谐振腔连接安装处设有微波隔热环(9)。

7.根据权利要求3所述的一种基于微波加热再生技术的双腔体式柴油机尾气颗粒捕集器，其特征在于：所述的第一微波谐振腔(4)和第二微波谐振腔(6)两端的端口处均设有微波截止板(10)。