CN106593583A - 一种折叠型滤芯的颗粒物捕集器 - Google Patents

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Abstract

一种折叠型滤芯的颗粒物捕集器，包括入口段、滤芯段和出口段；三部分通过螺栓连接，密封件封装隔绝排气泄漏；排气从颗粒物捕集器的入口管流入，经过扩张管到达滤芯，气体通过滤芯过滤后在收缩管收缩，然后从颗粒物捕集器的出口管排出。入口段是颗粒物捕集器的进口，由入口管（1）和扩张连接管（2）组成。出口段颗粒物捕集器的出气口，由出口管（9）和收缩连接管（8）组成。滤芯段是颗粒物捕集器的核心，由顶板（3）、底板（4）、折叠滤芯（5）和插板（6）组成。顶板、底板和四块插板构成颗粒物捕集器的方形壳体（7）。折叠滤芯通过支撑板穿插固定。本发明的折叠滤芯结构简单、制造方便，可以实现低压降、高过滤效率。

Description

一种折叠型滤芯的颗粒物捕集器
技术领域
本发明涉及一种折叠型滤芯的颗粒物捕集器，特别涉及一种应用于缸内直喷汽油机，对压降和可靠性有严格要求的尾气颗粒物捕集装置，属于机动车尾气后处理技术领域。
背景技术
汽油车缸内直喷技术在提升燃油经济性方面有着明显的优势，但同时缸内直喷技术也存在一些负面效应，其在低负荷、冷启动和工况转换的状况下排气颗粒物的质量浓度和数量浓度都高于其它进气方式的汽油机。研究表明：缸内直喷汽油车（Gasoline DirectInjection，GDI）固体颗粒物的排放浓度甚至比安装颗粒物捕集器的柴油车高两个数量级；GDI汽油车排放颗粒物已超过京V规定的缸内直喷汽油车4.5mg/km的排放标准。面对日益严格的排放标准，研究缸内直喷汽油车颗粒物排放控制原理及装置具有重要意义。
三效催化净化器（Three Way Catalysts，TWC）作为一种后处理技术装置用于处理排气中的碳氢化合物和一氧化碳以及氮氧化物，但TWC一般不具备对颗粒物的净化功能，因此，一种解决办法是在TWC后面加装排气颗粒物捕集器（Gasoline Particulate Filter，GPF），对缸内直喷汽油车排气的颗粒物进行过滤。
目前已经开发出了壁流式GPF产品，壁流式GPF拥有间隔封堵孔道的结构，过滤材料采用堇青石、碳化硅等陶瓷过滤材料。但陶瓷材料机械强度低、不耐冲击，而金属纤维毡有比陶瓷材料更好的强度、韧性和导热性，使用寿命也更长；并且金属纤维毡具有壁薄、孔隙率大和较高的过滤精度等特点。
发明内容
本发明的目的是，为了克服现有技术中，陶瓷过滤材料属性的不足，一体化成型结构造成的性能浪费的缺陷，公开一种折叠型滤芯的颗粒物捕集器。
实现本发明的技术方案如下：一种折叠型滤芯的颗粒物捕集器，包括入口段、滤芯段和出口段；三部分通过螺栓连接，密封件封装隔绝排气泄漏。
入口段是颗粒物捕集器的进口，由入口管和扩张连接管组成；入口管是一段圆筒形管道，扩张连接管为方管结构，入口管连接扩张连接管的一端；扩张连接管的另一端连接壳体。入口管和扩张连接管采用不锈钢材料，它们之间的连接采用焊接结构。
出口段颗粒物捕集器的出气口，由出口管和收缩连接管组成；出口管是一段圆筒形管道，收缩连接管为方管结构，出口管连接收缩连接管的一端；收缩连接管的另一端连接壳体。出口管和收缩连接管采用不锈钢材料，它们之间的连接采用焊接结构。
所述滤芯段是颗粒物捕集器的核心，由顶板、底板、折叠滤芯和插板组成；顶板、底板和四块插板构成颗粒物捕集器的方形壳体；侧面前后各两块插板将滤芯夹住固定在壳体内，折叠滤芯通过支撑板穿插固定，顶板和底板盖住支撑板的空隙部分，通过支撑板边缘的榫卯连接固定，顶板、底板和四块插板对滤芯封装，形成的外层壳体起到支撑和保护滤芯的作用，连接位置处都添加密封石棉件。折叠滤芯设计为折叠三角形结构，大大增加了捕集颗粒物的面积，插板为梳状结构，插板的梳槽与滤芯的折边相吻合。
所述滤芯前端设计成三角形结构以减小气体流动的局部压力损失，多层折叠可增大的气体接触的总过滤面积；滤芯高度h为100~300mm，滤芯长度l为100~400mm，滤芯宽度d为100~200 mm，滤芯层数n为5~30层，层间距b为5~60mm，每层夹角θ为2arccot(2l/b)，每层过滤层有2个过滤面，总过滤经2n个过滤面，总过滤面积为2n个过滤面的面积之和。
根据实际工况条件，可以调整滤芯层数达到与实际工况相匹配的过滤面积要求。
排气从颗粒物捕集器的入口管流入，经过扩张管到达滤芯，气体通过滤芯过滤后在收缩管收缩，然后从颗粒物捕集器的出口管排出。
本发明中滤芯采用的金属纤维毡材料，折叠型的滤芯结构使排气自然通过金属纤维毡微孔孔道流过，气体流过微孔时，大于微孔直径的颗粒物通过筛滤方式被过滤，小于微孔直径的颗粒物通过吸附等方式停留在过滤介质微孔内部。
金属纤维毡材料具有透气度大、孔隙度高、纳污能力强、可折叠、过滤面积大、重量轻、易于清洗、再用性强等特点，尤其适于高温，由于缸内直喷汽油机车排气颗粒物数量和质量都较大，排气温度高，金属纤维毡的滤芯特别适合于此种情况。当排气中的颗粒物流动到纤维毡壁面时，粒径较大的直接被拦截下，粒径小的进入到纤维毡壁面内，经过碰撞、拦截等捕集机理，达到过滤颗粒物的效果。当捕集器捕捉一定量颗粒物以后，捕集机理转变成深滤床过滤。在深滤床过滤过程中，过滤效率很大程度上依赖于微孔的大小、形状和气孔率。当碳烟微粒积累到一定厚度时，便会在捕集器微孔表面形成颗粒沉积层这将会大大地加强捕集器的净化效率。当颗粒沉积层过厚时，则会使排气背压升高，此时需要对滤芯进行更换或再生处理。
所述入口管、扩张连接管、出口管和收缩连接管的大小口直径可以根据使用条件加工调整直径，以配合排气管和滤芯壳体的尺寸。
所述折叠滤芯的层数是可变的，层数的改变不仅影响过滤面积，对过滤效率、最大过滤能力有影响，以及滤芯产生的压降。层数的变化需要可根据实际工况进行调整。
本发明的有益效果是：本发明不同于传统通过一体式成型的滤芯，替换滤芯方便，滤芯利用率高，提高了经济性；本发明可以根据工况，调整折叠滤芯的层数，可以实现低压降、高过滤效率；本发明的折叠滤芯结构简单、制造方便，滤芯采用金属纤维毡的材料，材料制备简单；本发明无须改变现有排气系统安装结构，适用范围广，对体积、热冲击和可靠性有严格要求的机载设备来说具有理论意义和实用价值。
附图说明
图1为所述颗粒物捕集器的等轴测分解示意图；
图2为所述颗粒物捕集器的等轴测1/4剖切面图；
图3为所述颗粒物捕集器的轴向剖面示意图；
图4为所述颗粒物捕集器的滤芯部分示意图；
图5为所述颗粒物捕集器的滤芯部分分解示意图；
图中，1为入口管；2为扩张连接管；3为顶板；4为底板；5为折叠滤芯；6为支撑板；7为壳体；8为收缩连接管；9为出口管；h为滤芯高度；l为滤芯长度；n为滤芯层数；b为层间距；d为滤芯宽度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作具体说明。
本发明实施例的结构如图1和图2、图3、图4、图5所示。
本实施例一种折叠型滤芯的颗粒物捕集器它包括入口段、滤芯段、出口段三个部分，三部分通过螺栓连接，密封件封装隔绝排气泄漏。
入口段主要起到连接和扩张作用，由入口管和扩张管组成。出口段主要起到连接排气管道作用，由出口管和收缩管组成。
过滤段由滤芯和两侧插板构成，侧面前后插板将滤芯夹住固定，顶板和底板对滤芯封装，外层壳体起到支撑和保护滤芯的作用，连接位置处都添加密封石棉件。过滤段的滤芯设计为折叠三角形结构，滤芯前端设计成三角形结构以减小气体流动的局部压力损失，多层折叠可增大的气体接触的总过滤面积。滤芯尺寸参数如图3、5所示，
滤芯高度为h=100mm，滤芯长度为l=130mm，滤芯宽度d=100mm，滤芯层数为n=9，层高为b=10mm，每层夹角θ＝2arccot(2l/b)。
cot(θ/2)=2l/b=26，θ＝4.5º；每层过滤层有2个过滤面，所以共有2n个过滤面，总过滤面积为2n个过滤面的面积之和。根据实际工况条件，可以调整滤芯层数达到与实际工况相匹配的过滤面积要求。
如图3所示，排气从入口管流入，经过扩张管到达滤芯，气体通过滤芯过滤后在收缩管收缩，然后从出口管排出。
本实施例中滤芯采用的金属纤维毡材料具有透气度大、孔隙度高、纳污能力强、可折叠、过滤面积大、重量轻、易于清洗、再用性强等特点，尤其适于高温，由于缸内直喷汽油机车排气颗粒物数量和质量都较大，排气温度高，金属纤维毡的滤芯特别适合于此种情况。当排气中的颗粒物流动到纤维毡壁面时，粒径较大的直接被拦截下，粒径小的进入到纤维毡壁面内，经过碰撞、拦截等捕集机理，达到过滤颗粒物的效果。当捕集器捕捉一定量颗粒物以后，捕集机理转变成深滤床过滤。在深滤床过滤过程中，过滤效率很大程度上依赖于微孔的大小、形状和气孔率。当碳烟微粒积累到一定厚度时，便会在捕集器微孔表面形成颗粒沉积层这将会大大地加强捕集器的净化效率。当颗粒沉积层过厚时，则会使排气背压升高，此时需要对滤芯进行更换或再生处理。
另外发动机的转速、排气流速、负载、温度等对金属纤维毡的过滤性能影响较大，不同工况下，要选择不同的组合方式才能发挥金属纤维毡的最佳过滤性能。而可调节的折叠型结构设计，对于不同类型发动机有广泛的适用性。
本实施例一种折叠型滤芯的颗粒物捕集器，综合考虑了金属纤维毡的材料特性以及结构外形尺寸的设计要求，拥有较大的过滤表面积、容纳颗粒物能力，耐高温冲击，折叠型结构设计有较小的压力损失，适用性广泛，而且该捕集器结构外形尺寸小，设计简单，易拆卸，易于生产加工。

Claims (7)

1.一种折叠型滤芯的颗粒物捕集器，其特征在于，所述颗粒物捕集器包括入口段、滤芯段和出口段；三部分通过螺栓连接，密封件封装隔绝排气泄漏；排气从颗粒物捕集器的入口管流入，经过扩张管到达滤芯，气体通过滤芯过滤后在收缩管收缩，然后从颗粒物捕集器的出口管排出；
所述滤芯段是颗粒物捕集器的核心，由顶板、底板、折叠滤芯和插板组成；顶板、底板和四块插板构成颗粒物捕集器的方形壳体；侧面前后各两块插板将滤芯夹住固定在壳体内，折叠滤芯通过支撑板穿插固定，顶板和底板盖住支撑板的空隙部分，通过支撑板边缘的榫卯连接固定；顶板、底板和四块插板对滤芯封装，形成的外层壳体起到支撑和保护滤芯的作用，连接位置处都添加密封石棉件；折叠滤芯设计为折叠三角形结构，大大增加了捕集颗粒物的面积，插板为板式梳状结构，插板的梳槽与滤芯的折边相吻合。
2.根据权利要求1所述一种折叠型滤芯的颗粒物捕集器，其特征在于，所述滤芯前端设计成三角形结构以减小气体流动的局部压力损失，多层折叠可增大的气体接触的总过滤面积；滤芯高度h为100~300mm，滤芯长度l为100~400mm，滤芯宽度d为100~200 mm，滤芯层数n为5~30层，层间距b为5~60mm，每层夹角θ＝2arccot(2l/b)，每层过滤层有2个过滤面，总过滤经2n个过滤面，总过滤面积为2n个过滤面的面积之和。
3.根据权利要求1所述一种折叠型滤芯的颗粒物捕集器，其特征在于，所述滤芯采用金属纤维毡材料；折叠型的滤芯结构使排气自然通过金属纤维毡微孔孔道流过，气体流过微孔时，大于微孔直径的颗粒物通过筛滤方式被过滤，小于微孔直径的颗粒物通过吸附等方式停留在过滤介质微孔内部。
4.根据权利要求1所述一种折叠型滤芯的颗粒物捕集器，其特征在于，所述入口段是颗粒物捕集器的进口，由入口管和扩张连接管组成；入口管是一段圆筒形管道，扩张连接管为方管结构，入口管连接扩张连接管的一端；扩张连接管的另一端连接壳体。
5.根据权利要求1所述一种折叠型滤芯的颗粒物捕集器，其特征在于，所述出口段颗粒物捕集器的出气口，由出口管和收缩连接管组成；出口管是一段圆筒形管道，收缩连接管为方管结构，出口管连接收缩连接管的一端；收缩连接管的另一端连接壳体。
6.根据权利要求1所述一种折叠型滤芯的颗粒物捕集器，其特征在于，所述入口管和扩张连接管采用不锈钢材料，它们之间的连接采用焊接结构；所述出口管和收缩连接管采用不锈钢材料，它们之间的连接采用焊接结构。
7.根据权利要求1所述一种折叠型滤芯的颗粒物捕集器，其特征在于，所述入口管、扩张连接管、出口管和收缩连接管的大小口直径可以根据使用条件加工调整，以配合排气管和滤芯壳体的尺寸。
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