CN108204262A - 用于柴油发动机排气净化处理的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于柴油发动机排气净化处理的系统。所述系统包括：壳体、进油管和进气管、设置在壳体内的燃烧部和颗粒过滤器。所述颗粒过滤器与所述壳体的出口端连接，其中设置有用于过滤来自所述排气中的碳烟颗粒的蜂窝状陶瓷结构。所述蜂窝状陶瓷结构具有混合孔结构，由位于中央的第一蜂窝陶瓷部和位于所述第一蜂窝陶瓷部周围的一个或更多个第二蜂窝陶瓷部构成，所述第一蜂窝陶瓷部为具有对称孔结构或非对称孔结构的蜂窝陶瓷，具有第一热容量值，壁厚大于或等于0.28毫米；所述第二蜂窝陶瓷部为具有非对称孔结构的蜂窝陶瓷，具有第二热容量值，其壁厚小于0.28毫米，其中所述第一热容量值大于所述第二热容量值。

Description

用于柴油发动机排气净化处理的系统
技术领域
本发明涉及柴油车排气后处理领域。具体地，本发明涉及用于使柴油车的排气升温、过滤并且对所使用的微粒过滤器进行再生的排气处理系统。
背景技术
柴油发动机是靠燃烧柴油获取能量释放的发动机。柴油机用的燃料是柴油，它的粘度比汽油大，不容易蒸发，而其自燃温度却比汽油低。柴油发动机的优点是扭矩大、经济性能好，因此，广泛应用于大型柴油设备上，尤其适合于载货汽车的使用，例如大功率高速柴油机主要配套重型汽车、大型客车、工程机械、船舶、发电机组等。
但是，由于工作压力大，柴油机要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度，所以柴油机比较笨重，体积较大；柴油机的喷油泵与喷嘴制造精度要求高，所以成本较高；另外，柴油机工作粗暴，振动噪声大；柴油不易蒸发，冬季冷车时起动困难。由于上述特点，以前柴油发动机一般用于大、中型载重货车上。另外，由于柴油发动机比较笨重，升功率指标不如汽油机(转速较低)，噪声、振动较高，炭烟与颗粒(PM)排放比较严重，所以一直以来很少受到轿车的青睐。特别是小型高速柴油发动机的新发展，一批先进的技术，例如电控直喷、共轨、涡轮增压、中冷等技术得以在小型柴油发动机上应用，使原来柴油发动机存在的缺点得到了较好的解决，而柴油机在节能与CO2排放方面的优势，则是包括汽油机在内的所有热力发动机无法取代的，成为“绿色发动机”。
不过，由于柴油车的碳烟与颗粒排放比较严重，所以柴油车的应用受到了比较大的限制。柴油发动机排放污染物控制的重点是PM。要减少柴油机微粒排放来满足排放标准和法规的要求，除采用机内净化外还必须同时采用后处理装置，而微粒过滤器(DPF)是目前提出的控制微粒排放的最有效、最具发展前景的后处理技术之一。
微粒过滤器能够减少柴油发动机所产生的烟灰达90％以上。捕捉到的微粒物质随后通过再生清除。所谓过滤器的再生是指在DPF长期工作中，捕捉器里的颗粒物逐渐增加会引起发动机背压升高，导致发动机性能下降，所以要定期除去沉积的颗粒物，恢复DPF的过滤性能。捕捉器的再生有主动再生和被动再生两种方法：主动再生指的是利用外界能量来提高捕捉器内的温度，使微粒着火燃烧。当捕捉器中的温度达到550℃时，沉积的颗粒物就会氧化燃烧，如果温度达不到550℃，过多的沉积物就会堵塞捕捉器，这时就需要利用外加能源(例如电加热器、燃烧器或发动机操作条件的改变)来提高DPF内的温度，使颗粒物氧化燃烧。被动再生指的是利用燃油添加剂或者催化剂来降低微粒的着火温度，使微粒能在正常的柴油机排气温度下着火燃烧。添加剂(如铈、铁和锶)要以一定的比例加到燃油中，添加剂过多会影响DOC的寿命，但是如果过少，就会导致再生延迟或再生温度升高。
2013年5月15日公开的中国专利申请CN103104321A提出了一种柴油发动机排气后处理升温装置及升温方法。在该申请中，使用低温升温器来提升进入DPF的废气的温度，使得累积在DPF中的碳颗粒燃烧，从而使DPF再生。然而，在该申请中燃油的雾化并不充分，因此所形成的燃油-空气混合物的燃点较高，导致所需的点火棒温度较高。另外，由于在该申请中的点火棒同时起预热和点火的作用，因此需要长时间保持高温，导致点火棒容易损坏，需要经常更换；并且由于点火棒设置在外护套内部，难以单独更换，从而带来成本增加以及维护不方便等问题。另外，在汽车行使的环境温度较低(例如，我国的东北部地区，室外温度通常达到零下20-30度)的情况下，由于对燃油和空气的预热不充分，导致低温升温器经常不能顺利点燃，即点火失败，进而导致DPF再生失败。同时，这样的点火失败还产生二次污染。
另外，目前应用于DPF的材料包括氧化物与非氧化物，氧化物材料的典型代表为堇青石、钛酸铝、莫来石、三氧化二铝等，非氧化物材料主要是碳化硅和氮化硅。最理想的DPF材料应该具备低的热膨胀系数和高的导热系数，同时机械强度高、耐灰分腐蚀、耐疲劳和热冲击。碳化硅不但机械强度高，高温热稳定性好，而且导热性能非常好，其劣势是具有较高的热膨胀系数，因此在连续的DPF再生高温过程中，容易产生热应力，使DPF壁面形成裂缝，导致DPF失效。具有分割式结构并通过具备高强度和低弹性模量的陶瓷粘合剂组合而成的碳化硅DPF能有效地减少在其再生时产生的拉伸应力和压缩应力。
由于DPF再生时有热重叠显现，所以最高温度及最高温度梯度往往发生在DPF后端的中央位置处。由于这种热重叠效应，目前常规使用的整体式DPF或分割式DPF在温度较高的情况下容易产生局部的热应力，从而导致DPF破裂，尤其是DPF后端的中央容易产生裂纹或甚至裂缝。
因此，在本领域中仍然需要一种在保持良好的储灰容量的同时具有提高的热稳定性的蜂窝状陶瓷结构以及包括这的蜂窝状陶瓷结构(即颗粒过滤器)的、能够在低温(例如零下10℃或更低的温度)下仍然能够正常工作的柴油车排气净化处理系统。
发明内容
鉴于前述问题，为了克服现有的DPF不能在降低不可控再生时后端的温度的同时保持小体积、大的储灰容量的问题，本发明提供了一种具有混合孔结构的蜂窝状DPF结构，该结构通过优化孔结构，使得其背压降低，同时储灰容量基本上保持不变。具体地，该蜂窝状结构具有两种孔结构，其中壁厚比较厚的条状蜂窝部设置在中间，壁厚比较薄的条状蜂窝部设置在壁厚较厚的条状蜂窝部的外围。这种混合孔结构设计能使DPF同时兼顾各种优良的特性如良好的热稳定性和储灰性能，并且能有效降低再生时的最高温度，尤其是DPF后端中央部分的最高温度。
作为另一目的，本发明提出一种用于柴油发动机的排气处理系统，所述排气处理系统能够在各种复杂工况、尤其是在低温条件下使柴油和引入的新鲜空气迅速升温、点火，从而将废气快速升温至微粒过滤器再生所需的温度，使得累积在微粒过滤器中的碳颗粒能够在较短的时间内通过燃烧快速清除，实现实时在线再生的目的。同时，由于采用了油罐式的燃油预热部来对燃油进行预热，缩短了预热棒的工作时间，防止预热棒长期处于高温状态，从而延长预热棒的使用寿命。另外，由于在点燃之前对空气和燃油进行多重预热，能够提高燃油-空气混合物的温度，进而提高点燃的稳定性，使低温升温器内的燃烧更为充分，降低了二次污染的风险，提高了燃油的经济性。
在本发明的一个方面中，提供一种用于柴油发动机排气净化处理的系统，所述系统包括：壳体，所述壳体的入口端与柴油发动机的排气管连接，用于引入来自所述排气管的排气；进油管和进气管，所述进油管和进气管固定在所述壳体上，分别用于导入燃油和空气；燃烧部，用于燃烧来自进油管的燃油以使所述排气升温，其设置在所述壳体的出口端附近；和颗粒过滤器，所述颗粒过滤器与所述壳体的出口端连接，其中设置有用于过滤来自所述排气中的碳烟颗粒的蜂窝状陶瓷结构，其中所述蜂窝状陶瓷结构具有混合孔结构，由位于中央的第一蜂窝陶瓷部和位于所述第一蜂窝陶瓷部周围的一个或更多个第二蜂窝陶瓷部构成，所述第一蜂窝陶瓷部为具有对称孔结构或非对称孔结构的蜂窝陶瓷，具有第一热容量值，壁厚大于或等于0.28毫米；所述第二蜂窝陶瓷部为具有非对称孔结构的蜂窝陶瓷，具有第二热容量值，其壁厚小于0.28毫米，其中所述第一热容量值大于所述第二热容量值。
根据前述方面的系统，所述第一蜂窝陶瓷部和所述第二蜂窝陶瓷部由选自碳化硅、重结晶碳化硅或堇青石中的一种或两种材料制成。
根据前述方面的系统，所述第一蜂窝陶瓷部的体积与所述蜂窝状陶瓷结构的总体积比为0.10至0.3，优选为0.15至0.3，更优选为0.15至0.25。通过控制该比例，能够在为蜂窝状陶瓷结构提供改进的、足够的热稳定性的情况下同时提供充分大的过滤面积/体积，从而在热稳定性和过滤面积实现良好的平衡。
根据前述方面的系统，所述第一热容量值为1000-1200J/L*K，优选为1020-1100J/L*K，更优选为1020-1050J/L*K，所述第二热容量值为600-900J/L*K，优选为600-800J/L*K，更优选为650-700J/L*K。
根据前述方面的系统，所述第一蜂窝陶瓷部的壁厚为0.28-0.4mm，例如为0.30、0.32、0.34、0.36或0.38mm，所述第二蜂窝陶瓷部的壁厚为0.15-0.28mm，例如为0.17、0.19、0.21、0.23、0.25或0.27mm。
根据前述方面的系统，所述第一蜂窝陶瓷部和第二蜂窝陶瓷部均具有方形或矩形横截面；或者所述第一蜂窝陶瓷部具有圆形横截面，所述第二蜂窝陶瓷部具有环形或扇形横截面。
根据前述方面的系统，所述进油管和/所述进气管位于所述外壳体内的一部分设置成螺旋盘管、弯曲管、多分支岐管的形状，并且所述一部分设置在燃烧产生的火焰喷出的路径上，沿排气方向位于所述燃烧部的前端。
根据前述方面的系统，所述燃烧部包括点火部和燃烧室，其中所述点火部由电火花塞或高温陶瓷点火棒制成，通过陶瓷基座固定在所述壳体上；所述燃烧室固定在所述陶瓷基座上，用于使通过所述进油管引入的燃油和通过所述进气管引入的空气在其内部点燃并充分燃烧，其中所述燃烧室的侧壁或底部具有一个或更多个用于引入排气的开口或槽口。
根据前述方面的系统，在所述进油管上还设置有燃油预热器，所述燃油预热器为电加热式预热器，例如油罐式电加热预热器，其中通过耐受高温的电加热棒对从所述进油管引入所述油罐中的燃油进行预热，之后将经预热的燃油或经气化的燃油喷雾馈送至所述燃烧室。
根据前述方面的系统，在所述燃烧部和所述颗粒过滤器之间还设置有氧化型催化器。
由于根据本发明的新型蜂窝状陶瓷结构兼具提高的热稳定性和良好的排气过滤性能，所以能够用于过滤汽车发动机排气中的碳烟颗粒，并且在累积了一定量的碳烟颗粒之后通过燃烧将其除去。这样的新型蜂窝状陶瓷结构降低了在高温再生条件下产生裂纹或裂缝的风险。
另外，通过增加DPF中间区域的热熔，可以有效地降低DPF再生时在其后端的温度及温度梯度，进而避免DPF产生裂缝造成其过滤效率下降或甚至失效。
与背景技术相比，本发明所提供的技术方案具有以上描述的诸多优点，例如燃油-空气混合物的充分雾化、燃点降低、稳定点燃、充分燃烧、降低排气背压、颗粒捕集器内的局部温度降低等，这些优点使得本发明所提供的排气处理系统能够在极端的工况、尤其是在低于零度的温度下使排气温度升高，从而实现微粒过滤器的再生；并且显著降低了颗粒过滤器的局部温度，从而降低了颗粒过滤器因热应力而出现裂纹/裂缝的风险，延长了颗粒过滤器的使用寿命。这解决了本领域长久以来一直没有能够解决的微粒过滤器再生难题，从而为柴油车的广泛应用打下坚实的基础。
附图说明
以下将参考附图来描述本发明。应当理解，附图仅仅是用来以举例的方式解释和说明本发明的原理，而无意于将本发明限制于附图中所显示的具体方案。在附图中：
图1是根据本发明一个实施方案的用于柴油发动机的排气处理系统的示意图；
图2是根据本发明一个实施方案的排气处理系统的低温升温器的示意图；
图3是根据本发明一个实施方案的低温升温器的燃油预热部的示意图；
图4是根据本发明一个实施方案的燃烧室部件的示意图；
图5是根据本发明一个实施方案的雾化室及油气混合部的结构示意图；
图6是根据本发明一个实施方案的扰流器的结构示意图；
图7A是根据本发明一个实施方案的弯曲管状进气管的结构示意图；
图7B是根据本发明另一实施方案的带支路的歧管状进气管的结构示意图。
图8是根据本发明一个实施方案的壁流式蜂窝陶瓷过滤器的工作原理示意图；
图9是根据本发明一个实施方案的氧化型催化器的工作原理示意图。
图10是常规使用的具有均一孔结构的蜂窝状陶瓷结构和具有非对称孔结构的蜂窝状陶瓷结构的示意图；
图11是根据本发明的具有混合孔结构的蜂窝状陶瓷结构的示意图，其中1区代表第一蜂窝陶瓷部，2区代表第二蜂窝陶瓷部；
图12是根据常规使用的具有均一孔结构的分割式蜂窝状陶瓷结构和根据本发明的具有混合孔结构的蜂窝状陶瓷结构在高温下的各部分温度分布图；
图中：100-排气处理系统；101-排气入口管；102-低温升温器；103-扰流器；104-氧化型催化器；105-微粒过滤器；106-排气出口管；107-温度传感器；108-压力传感器；201-外壳体；202-燃油预热部；203-进气管；204-进油管；205-点火部；206-燃烧室；207-雾化室；208-法兰；301-储油内套；302-储油外套；303-预热塞；304-预热塞座；401-燃烧室直管；402-第一燃烧室锥管；403-圆孔；404-第二燃烧室锥管；502-喷嘴座；503-喷嘴芯；504-喇叭形导管；505-空气挡板；601-扰流器壳体；602-扰流器法兰；603-均压板；604-混合板。
具体实施方式
以下将参考附图详细描述根据本发明的具有混合孔结构的蜂窝状陶瓷结构。然而，本领域的普通技术人员会理解，以下给出的各个实施例仅仅是为了使本领域的普通技术人员能够更好地理解本发明，而没有任何限制的目的。本发明的范围是由权利要求书限定的。
实施例1：一种用于柴油发动机的排气处理系统100
图1显示出根据本发明一个实施方案的排气处理系统100的示意图。该排气处理系统100安装在柴油发动机的排气管下游，用于对来自排气管的排气进行处理，以除去其中的氮氧化物以及绝大部分颗粒物质，例如95％以上的颗粒物质。与目前大多数使用仅喷入燃油促进燃烧来使DPF再生的常规处理系统不同，根据本发明的排气处理系统100通过引燃燃油-空气混合物并利用燃烧产生的热量来升高柴油发动机排气的温度，从而实现各种工况、尤其是在苛刻环境下的DPF可靠燃烧和再生，甚至是在根据本发明的排气处理系统100被用于极端温度的工况下也是如此。
参考图1，排气处理系统100包括与柴油发动机的排气管连接的排气入口101、与排气入口连接的低温升温器102、与低温升温器102连接的扰流器103、与扰流器103连接的氧化型催化器104、与氧化型催化器104连接的微粒过滤器105以及与微粒过滤器105连接的排气出口106。当然，在图1示出的排气处理装置100中，也可以不使用扰流器103和氧化型催化器104。使用扰流器103的目的是促进排气的充分混合和升温，但是其不是必须的。增加氧化型催化器104，可以利用其中涂覆的催化剂使NO氧化成NO2，以及除去部分可溶性有机物，进一步提升排气的温度。然而，氧化型催化器104也不是必须的，在低温升温器102的升温效果良好的情况下，可以使排气温度直接升高至DPF再生所需的温度，从而将累积在DPF中的碳颗粒完全、彻底地清除。
在一个实施方案中，这些部件的外壳都是由钢制件制成，优选由不锈钢材料制成。这样能够使这些部件的表面保持光亮，减少灰尘的堆积和腐蚀作用。在另一实施方案中，这些部件之间通过法兰连接。这样，有利于这些部件的安装、拆卸和更换。当然，这些部件也可以通过本领域的普通技术人员熟知的其它连接方式连接，例如焊接等。
排气入口管101与柴油发动机的排气管口(未示出)连接，用于接纳排气。在一个优选的实施方案中，排气入口管101呈直径渐变的锥体形状，即其与排气管连接的一端的直径小于与低温升温器102连接的一端的直径，如图1中示出的。这样，当排气进入低温升温器102时，压力和流速均变小，使得排气在低温升温器102中与其中产生的热气流有较长的接触时间，从而使排气能够被更充分地加热。这样的布置还降低了低温升温器102对排气的阻力。下面将参考图2-5详细描述图1所示排气处理系统100的其余部件。
该排气处理系统100的一个重要部件是低温升温器102。在一个实例中，低温升温器102接收并且燃烧来自进油管204的燃料和来自进气管203的新鲜空气。该燃料可以是来自发动机的燃料，例如柴油。或者，该燃料也可以是单独提供的液体或气体燃料，例如丙烷、乙醇等。
低温升温器102可以被放置为与来自发动机排气管的排气具有热传递关系。例如，低温升温器102可以被直接连接在排气流动的路径中，以用于将流入外壳中的排气加热到提升设置在其下游的氧化型催化器104(DOC)的效率且允许下游进一步设置的微粒过滤器105(DPF)再生的相对高温。作为一个替代方案，低温升温器102还可以用于在发动机启动之前预热排放系统，以便在发动机启动时提高排放系统的效率，从而减少冷启动排放。
参考图2，低温升温器102可以包括：圆筒形的外壳体201，所述外壳体201的入口端与柴油车发动机的排气管口连接；固定在所述外壳体201侧壁上的进油管204和进气管203；靠近所述外壳体201的入口端设置的燃油预热部202，其中所述燃油预热部202由储油外套302、设置在所述储油外套302中的储油内套301、设置在所述储油内套301中的预热塞和与所述储油内套301连通的出油管构成，所述进油管204的出口端在所述储油内套301的侧壁上部与所述储油内套301连通；靠近所述外壳体201的出口端设置的点火部205，所述点火部205固定在所述外壳体201的侧壁上；和燃烧室206，所述燃烧室206与所述点火部205的下端连接并且通过所述点火部205固定在所述燃烧室206的侧壁上，其中位于所述点火部205前部的点火端伸入所述燃烧室206中。下面对低温升温器102的各个部件进行详细描述。
外壳体201为钢制壳体，用于容纳来自发动机排气管的排气。例如，外壳体201由不锈钢如SUS409材料制成。外壳体201通过法兰等连接装置与发动机排气管的管口连接。当然，也可以通过本领域的普通技术人员熟知的其它连接技术连接。在图2所示的实施例中，外壳体201的右侧端为入口端，其与柴油发动机的排气管(未示出)的管口连接，以便于来自发动机的排气流入其中。当然，在图2中所示出的方向仅仅是示例性的，排气入口端和出口端的位置或方向可以交换。另外，在实际的安装情况下，排气入口端和排气出口端也可以呈竖直方向排列，例如排气入口端在上方，排气出口端在下方，这取决于根据本发明的低温升温器102在柴油车上的安装方位。
在一个实施方案中，尽管没有示出，外壳体201与排气管口连接的连接部呈内直径渐变的锥体形状，使得外壳体201的直管部分的内直径大于所述排气管口的内直径。这样，通过相比排气管增加外壳体201的内直径，能够降低排气的流速，有利于排气的加热。另外，这样设置的一个优点在于还能够在一定程度上降低低温升温器102、尤其是其各个部件的布置所增加的排气背压。
进油管204用于从外部引入燃油，例如柴油、丙烷、或高浓度酒精等，用于在低温升温器102100中燃烧产生热气流，以加热来自发动机排气管的排气。进油管204可以由塑料管或钢管制成。不过，考虑到排气管内的高温，优选进油管204由不锈钢管制成，这样可以耐受高温，同时防止进油管204被排气腐蚀。另外，为了防止排气中的硫腐蚀进油管204，进油管204上还可以涂覆耐腐蚀涂层。
在一些情况下，由于柴油车辆经常需要在比较苛刻的环境条件(例如我国东北部的低温天气(甚至到零下30度左右))下工作，导致燃油的温度过低而不易点燃，所以在一些实施方案中，进油管204位于外壳体201内的一部分被设置成弯曲管形状、带支路的歧管形状或螺旋盘管形状，并且该部分布置在燃烧室206末端内侧或外侧，位于火焰喷出的路径上。这样，当低温升温器102开始点火之后，在该部分进油管204中流动的燃油可以被燃烧所产生的热气流加热，使得燃油的温度被进一步提升。
在一个示例性实施方案中，进油管204可以设置成第一进油管部分、第二进油管部分和第三进油管部分。第一进油管部分和第三进油管部分均为直管，沿着外壳体201的内侧壁布置。第二进油管部分为螺旋盘管的形式，设置在燃烧室206末端内侧或者外侧，位于火焰喷出的路径上。这样，当低温升温器102着火燃烧之后，所喷出的热气流能够对弯曲的第二进油管部分进行加热，从而提高进油的温度，有利于进一步的燃烧。
下面将参考图3描述根据本发明一个实施方案的燃油预热部202。燃油预热部202用于对燃油进行预热，从而使燃油在低温升温器102被点火之前就能达到比较高的温度，提高了点火的稳定性。这样，确保了根据本发明的低温升温器102能够在苛刻的环境条件下也能顺利、可靠地点燃。
如前所述，燃油预热部202由储油外套302、设置在储油外套302中的储油内套301、设置在储油内套301中的预热塞和与所述储油内套301连通的出油管构成。储油外套302和储油内套301均由钢管制成。例如，两者都用不锈钢材料制成。储油外套302起保温隔热的作用。储油内套301用于储存燃油。储油外套302和储油内套301之间具有间隙，用于起保温隔热的作用。作为一个优选方案，储油外套302和储油内套301之间是真空的，以增强保温隔热的作用。在一个实施方案中，燃油预热部202的出油管与燃烧室206连通，以向燃烧室206输入经预热的燃油。
如图3所示，储油外套302和储油内套301与预热塞座连接，并且通过其固定在外壳体201的侧壁上。预热塞座中央的圆筒形部分伸入储油内套301中，使得配合在该圆筒形部分中的预热塞能够伸入储油内套301中，对燃油进行预热。预热塞可以由氮化硅棒体和陶瓷压模而成，可输出高达1100度的高温来保证预热工作，且可以在1300度高温情况下正常工作。氮化硅棒体内设置有耐高温的钨丝或钼丝做导电体。作为另一替代方案，预热塞由氮化硼棒体和陶瓷压模而成，氮化硼棒体内设置有耐高温的钨丝或钼丝作为导电体。预热塞座由SUS310S材质制成，可耐1200度以上的高温，实时保护预热塞的使用性能，延长其使用寿命。
在使用过程中，当预热塞通过端部连接的镍制导线加电时，预热塞开始发热，并且将产生的热量传递给预热塞座的中间圆筒形部分，进而将热量传递给圆筒形部分周围的燃油，从而使燃油的温度提高。由于燃油的不停流动，使得经加热的燃油经燃油预热部202下端的出油管离开储油内套301，新的燃油通过进油管204补充进来，实现了燃油的循环和流动加热。同时，由于燃油不停带走圆筒形部分的热量，因此内置的预热塞不会因为温度过高而被损坏，延长了预热塞的使用寿命，降低了预热塞的更换成本。
低温升温器102的一个重要部件是点火部205，用于引燃来自出油管的燃油或经喷嘴口雾化喷出的燃油-空气混合物。点火部205可以为本领域中常用的电火花塞，例如汽油机点火系统中常用的电火花塞。然而，作为优选方案，点火部205使用陶瓷点火塞。陶瓷点火塞由氮化硅点火针或氮化硼点火针(其中内置有电发热丝)和陶瓷压模而成。电发热丝优选为钨丝，或者优选为钼丝。陶瓷点火塞可输出1100度的高温来保证引燃工作，且可以在1300度高温情况下正常工作。陶瓷点火塞的安装座由SUS310S材质制作，可耐1200度高温，实时保护陶瓷点火塞的使用性能，延长其使用寿命。
低温升温器102还设置有燃烧室206，位于陶瓷点火塞前部的点火端伸入燃烧室206中，以引燃来自燃油预热部202的燃油与空气的混合物。参考图1，燃烧室206由燃烧室直管、第一燃烧室锥管和第二燃烧室锥管形成。燃烧室直管的侧壁与陶瓷点火塞的安装部连接并通过其固定在外壳体201上，第一燃烧室锥管的直径较大一端与燃烧室直管的一端连接，另一端与燃油预热部202的出油管连通，以引入燃油-空气混合物；第二燃烧室锥管与燃烧室直管的另一端连接，形成火焰喷出口。作为一个替代方案，第一燃烧室锥管的直径较大一端与燃烧室直管的一端连接，另一端与雾化室207连接，使得燃油-空气喷雾经雾化室207雾化之后才被送至燃烧室206。燃烧室206的各组件在图4中详细示出。
在第一混合室锥管上还以相等的间距设置有多个圆孔303，用于安装引入排气的排气引入管(未示出)。在一个实施方案中，排气引入管为喇叭形的不锈钢管，其直径较大的喇叭口端位于第一混合室锥管外部，用于引入排气。在另一实施方案中，排气引入管是倾斜设置的，其中排气引入管的中心线相对于燃烧室206的中心线或者外壳体201的中心线形成夹角，例如，该夹角为30至60度，例如为35度、40度、45度、50度、55度，优选为45度。这样的倾斜设置有利于将部分发动机排气送入混合室中与燃烧产生的热气流均匀混合，以便被充分加热。另外，这样的倾斜设置不会大幅增加排气阻力。
作为一个优选方案，在燃烧室206和燃油预热部202之间还设置有雾化室207。雾化室207的一端与燃油预热部202的出油管连接，用于引入经预热的燃油；另一端与燃烧室206连通，用于将燃油-空气混合物输入燃烧室206中。雾化室207可以由圆筒形钢管制成，例如由SUS304制成，通过焊接等本领域熟知的方式与燃烧室206连接。下面将参考图5详细描述根据本发明一个实施方案的雾化室207。
在图5中，在雾化室207与出油管连接的一端设置有油气混合部。油气混合部包括与雾化室207的侧壁连接喷嘴座和与出油管连通的喷嘴芯。喷嘴芯的前端直径较小部分配合至喷嘴座的内部，两者之间形成一定的间隙空间，用作燃油或燃油-空气混合物的流动通路。在喷嘴芯前端直径较小部分的侧壁圆周上等距分布有若干个通孔，用作喷油口，使来自出油管的燃油流入间隙空间中。在一个实施方案中，喷嘴芯的前端部分形成为圆锥体形状，以有利于燃油的流动。在该实施方案中，喷嘴座的与该圆锥体形状对准的部分中设置有喷雾口，用于使来自间隙空间的燃油-空气混合物雾化喷出到雾化室207的内腔中。
在一个优选实施方案中，进气管203与雾化室207的喷嘴座连接，并且该进气管203具有设置在喷嘴座内的第一出气口和第二出气口。第一出气口通向喷嘴座的内腔，与喷雾口连通，以将部分新鲜空气引入喷嘴座的内腔中并与所引入的燃油相互混合，然后经喷雾口雾化喷出；第二出气口通向雾化室207，与燃烧室206连通，以将部分新鲜空气送入燃烧室206中，起助燃作用。
作为一个优选方案，在雾化室207内还设置有喇叭形导管。参考图5，喇叭形导管与油气混合部的喷嘴座连接，包括圆筒形导管和由所述圆筒形导管伸出的数根导管条。这些导管条的末端向外扩张，形成喇叭状。这样的喇叭形导管能够引导燃油-空气喷雾的流动，使其均匀扰动，实现充分助燃的效果。在一个实例中，喇叭形导管由圆筒形不锈钢制件制成，其前端部分被均匀切割掉数个部分，从而形成导管条，然后使该导管条的末端扩张，形成扩大的开口形状。
作为进一步的优选方案，在雾化室207和喇叭形导管之间还设置有环形的空气挡板，在空气挡板中等距设置有多个通气孔。例如，该空气挡板由不锈钢冲压件制成，在其环形部分中等距冲压出多个通气孔，例如5个、7个或9个通气孔，使得来自进气管203的空气由通气孔中流入，降低所引入的新鲜空气的流速，对新鲜空气进行导流和分散，从而有利于其与燃油-空气混合物混合，以实现充分燃烧。
为了使排气和经燃烧产生的热气流均匀混合，在一个实施方案中，在燃烧室206的前端设置有导流风叶或扰流器103。导流风叶或扰流器103通过法兰等本领域技术人员熟知的方式与低温升温器102的外壳体201连接。
在一个实施方案中，导流风叶由多个不锈钢制风叶构成，呈顺时针方向设置或呈逆时针方向设置，用于对来自燃烧室206的气体进行顺时针或逆时针整流，起到均匀分散热气流的作用，从而避免火焰和热气流对微粒过滤器105的小块区域进行集中加热，解决了微粒过滤器105假象再生所导致的频繁再生的问题。
扰流器103的一个示例性实施方案示于图6中。优选地，扰流器103包括壳体、设置在壳体两端的法兰以及设置在壳体内部的多个均压板和多个混合板，均压板和混合板沿着壳体的圆周内壁均匀地设置；均压板和混合板与壳体的轴线方向成60°～80°斜向设置，与壳体的内壁成60°～80°顺着混合气体的气流方向设置。在一个实施方案中，壳体由不锈钢壳体制成，均压板和混合板也由不锈钢冲压板制成。在另一实施方案中，均压板和混合板制成半水滴的形状。
均压板和混合板通过焊接等本领域的普通技术人员熟知的方式固定在不锈钢壳体的内壁上，其与壳体的轴线方向和壳体的内壁均成60°角。设置扰流器103的目的是使经燃烧产生的热气流和来自排气管的排气充分混合，从而实现排气的均匀加热以及DPF的均衡再生。这降低了因加热不均而导致的DPF破裂。
进气管203可以为不锈钢制成的导管，与燃烧室206连通，用于将新鲜空气引入燃烧室206中。作为一个优选方案，进气管203具有两个出气口，其中第一出气口通向喷嘴座的内腔，与喷雾口连通。第二出气口通向雾化室207，与燃烧室206连通。这样，经进气管203引入的部分新鲜空气与燃油相混合，之后经雾化喷出。另一部分新鲜空气被送至燃烧室206，起助燃的作用。
作为另一实例，为了能够对空气进行预热，进气管203设计如下：进气管203位于外壳体201内的一部分布置成弯曲管形状、带支路的歧管形状或螺旋形盘管形状，并且该部分位于燃烧室206出口端的内侧外侧，位于火焰喷出的路径上。在一个实施方案中，弯曲管形状为U形、半圆形或之字形的形状。当然，弯曲管还可以为本领域普通人员熟知的其它形状。
在一个具体实施方案中，进气管203设置成第一进气管部分、第二进气管部分和第三进气管部分，其中第一进气管部分和第三进气管部分均为直管，分别沿外壳体201的内侧壁长度方向布置；第二进气管部分为弯曲管、带支路的歧管或螺旋盘管的形式，设置在燃烧室206末端内侧或外侧，位于火焰喷出的路径上。这样的进气管203设计使得气体在流经第二进气管部分时能够被火焰产生的热气流预热，从而提高其进气温度，有利于点燃和稳定燃烧。作为优选方案，第二进气管部分可以为U形弯管、半圆形弯管、蛇形弯管、螺旋形弯管或带支路的歧管的形式，这样可以增加进气管203与热气流的接触面积，延长进气受热的时间。这样的设置对于低温升温器102以及包括这种低温升温器102的排气净化系统在温度比较苛刻的地区如我国东北地区的应用非常有利。如果不采用这样的设置，来自进气管203的新鲜空气温度过低，会导致点火失败，增加产生二次污染的风险。这样的进气管203的一个实例在图7A中示出，其中第二进气管203部分设置成U形形状。设置有带支路歧管的另一个进气管203实例在图7B中示出，其中新鲜空气流经歧管分成3个流路在火焰喷出路径中流动，从而大幅增加与热气流接触的面积，起到良好的空气预热效果。
在一个实施方案中，为了增强低温升温器102的保温作用，在外壳体201内还设置有内壳体。内壳体的出口端扩大并与外壳体201的出口端对齐，内壳体的入口端扩大成喇叭口形状，位于外壳体201的出口端和点火部205之间，其边缘固定在所述外壳体201的内壁上。在外壳体201和内壳体直接设置有间隙空间，起保温和绝热的作用。优选地，该间隙空间内为真空，以进一步增强保温和绝热的作用。
如前所述，实施例1中的低温升温器102能够在苛刻的环境条件如低温环境下稳定起燃、稳定燃烧，因此，该低温升温器102也能够在这样的条件下稳定起燃、稳定燃烧并使来自发动机排气管的排气稳定、均匀地升温，达到后续设置的排气处理器所需的温度条件。
作为排气处理系统100的核心部件之一，微粒过滤器105即DPF可以采用目前本领域常用的壁流式蜂窝陶瓷过滤器，例如由堇青石、碳化硅、或重结晶碳化硅制成的壁流式蜂窝陶瓷过滤器。壁流式蜂窝过滤器的优点在能除去排气中绝大部分的颗粒物质，例如95％以上的颗粒物质，从而使其排放达到目前最高的排放颗粒物要求。壁流式蜂窝陶瓷过滤器的工作原理在图8中示出。参考图8，颗粒物被截留在经交替堵孔的蜂窝过滤器中，在累积至一定的量之后通过燃烧除去，从而实现过滤器的再生。
在一个实施方案中，尤其优选的是使用由重结晶碳化硅制成的壁流式蜂窝陶瓷过滤器，例如“黄帝”牌重结晶碳化硅蜂窝陶瓷壁流式微粒过滤器(DPF)。该过滤利用交互堵塞的蜂窝通道之间的多孔间壁来捕获柴油机废气中的微粒，具有极强的捕获碳烟超细纳米微粒的能力。同时，该过滤器的过滤面积大，压降较低，结构紧凑，具有优异的耐高温、耐腐蚀性能和导热性能，机械强度大，抗热震性强，使用寿命长。
该过滤器的主要参数在下表1中示出：
表1：由重结晶碳化硅制备的壁流式蜂窝陶瓷过滤器的主要参数：
技术特性 单位
SiC含量 ％ >99
每平方英寸蜂房格数量 cpsi 200～300
蜂房格边长 mm 1.20～1.45
蜂房壁厚 mm 0.30～0.35
孔隙率 ％ 42～60
中位孔径 μm 9～20
抗压强度 MPa >13～18
热膨胀率(40～800℃) 10-6 4.30～4.40
导热率(500℃时) W/mK >14
捕获率 ％ >98～99
蜂窝体体积密度 Kg/L ～0.80
过滤面积 m2/L ～0.75
渗透率 m2 ＜5.0×10－12
抗热震参数(ΔT) ℃ 250
该过滤器经天津索克汽车试验有限公司，按照国际认可的VERT试验规范进行了检验，压降特性符合要求，微粒重量分析过滤效率的平均值达到96.50％，并获得中国环境保护产品认证机构认证。
优选地，在低温升温器(或扰流器)和微粒过滤器之间还设置有氧化型催化器，即本领域中熟知的DOC。设置DOC的目的是用于去除排气中的碳氢化合物和部分颗粒物。例如，DOC可以为目前柴油发动机中通常使用的那些DOC。
车用柴油机使用的氧化型催化器以铂(Pt)、钯(Pd)等贵金属作为催化剂，主要降低微粒排放中的可溶性有机成分(SOF)的含量从而降低PM的排放。同时可以有效减少排气中的HC、CO。氧化催化器可以除去90％的SOF，从而使PM排放减少40％～50％。其对HC和CO的处理效率可以分别达到88％、68％。催化氧化技术对脱除柴油机排放微粒中的SOF具有良好的效果，即在柴油机排气系统增设催化转化器，SOF在铂、铑和钯等贵金属催化剂或稀土催化剂等的作用下发生氧化反应转化为CO2和H2O而除去，通常其脱除效率可达80％。同时还可除去排气中的HC和CO等有害物质。
DOC的转化原理在图9中示出。例如，在柴油发动机的排气中含有CO、HC、SOF、PAH等物质，在经DOC氧化转化之后，得到的产物主要CO2和H2O，从而使排气被部分净化。
下面将参考实施例2-4详细描述根据本发明的具有混合孔结构的蜂窝状陶瓷结构。
目前，常用的蜂窝状陶瓷过滤器或颗粒过滤器通常采用具有均一的孔结构的蜂窝状结构，例如整体式的蜂窝状结构或者拼接式的蜂窝状结构，如图10中显示的。这样的蜂窝状结构具有结构简单、制造方法简便等优点，由于温度重叠效应，DPF在不可控再生的过程中容易在中后部形成高温区域，产生热应力，使得DPF壁面容易形成裂缝，导致DPF失效。
与此相比，为了克服现有DPF不能在兼顾降低不可控再生时后端的温度、同时保持小体积、大的储灰容量的缺陷，本发明提供了一种具有混合孔结构的蜂窝状陶瓷结构。下面将参考实施例来对其进行详细描述和说明。
实施例2：制备具有均一孔结构的分割式蜂窝状陶瓷结构(对比例)
根据中国专利申请CN200610106777.1中记载的成形方法制备长条状的重结晶碳化硅蜂窝状陶瓷结构，然后利用粘结剂将多条蜂窝状陶瓷结构粘结成分割式蜂窝状陶瓷结构，并用作对比例。该蜂窝状陶瓷结构的壁厚为0.25mm，目数为300目。利用激光测量方法测得其热容量值为668J/L*K。
实施例3：制备具有混合孔结构的蜂窝状陶瓷结构(本发明)
根据中国专利申请CN200610106777.1中记载的成形方法制备长条状的重结晶碳化硅蜂窝状陶瓷结构，然后利用粘结剂将多条蜂窝状陶瓷结构粘结起来，用作根据本发明的第一蜂窝陶瓷部。第一蜂窝陶瓷部具有两种规格，即第一蜂窝陶瓷部A和第一蜂窝陶瓷部B，以分别用于后续的实验。
第一蜂窝陶瓷部A的壁厚为0.30mm，目数为200目。过滤面积为7451平方厘米每升。第一蜂窝陶瓷部A占蜂窝状陶瓷结构的总体积的15％，具有对称的孔结构。利用激光测量方法测得其热容量值为1025J/L*K。
第一蜂窝陶瓷部B的壁厚为0.35mm，目数为200目。过滤面积为7451平方厘米每升。第一蜂窝陶瓷部B占蜂窝状陶瓷结构的总体积的15％，具有对称的孔结构。利用激光测量方法测得其热容量值为1165J/L*K。
根据Kazuki Nakamura等人(“New Asymmetric Plugging Layout of DieselParticulate Filters for the Pressure Drop Reduction”,SAE:2014-01-1512)提供的方法制备数个条状的具有非对称孔结构的碳化硅蜂窝状陶瓷结构，并用作根据本发明的第一蜂窝陶瓷部C。所述第一蜂窝陶瓷部C的目数为300目，壁厚为0.30mm，过滤面积高达15400平方厘米每升。利用激光测量方法测得其热容量值为1108J/L*K。
根据Kazuki Nakamura等人(“New Asymmetric Plugging Layout of DieselParticulate Filters for the Pressure Drop Reduction”,SAE:2014-01-1512)提供的方法制备数个条状的具有非对称孔结构的碳化硅蜂窝状陶瓷结构，并用作根据本发明的第二蜂窝陶瓷部D。所述第二蜂窝陶瓷部的目数为300目，壁厚为0.25mm，过滤面积高达15400平方厘米每升。利用激光测量方法测得其热容量值为726J/L*K。
利用陶瓷粘结剂将第一蜂窝陶瓷部A、B或C分别和第二蜂窝陶瓷部D粘结在一起形成完整的蜂窝状陶瓷结构A、B或C，其中第一蜂窝陶瓷部A、B或C位于中央，第二蜂窝陶瓷部D分布在第一蜂窝陶瓷部的周围，并且其中第一蜂窝陶瓷部A、B和C占整个蜂窝陶瓷结构的总体积的15％。
实施例4：测试对比例和根据本发明的蜂窝状陶瓷结构在高温下的各区域温度分布
在根据本发明的实施例中，由于第一蜂窝陶瓷部占整个蜂窝陶瓷结构的比例比较低，例如为15％左右，因此其对整个蜂窝陶瓷结构的过滤面积的影响比较小，基本上可以被忽略。也就是说，根据本发明的蜂窝状陶瓷结构与完全采用第二蜂窝陶瓷部的具有非对称孔结构的蜂窝陶瓷结构的过滤面积是相当的，因此它们的碳负载/储灰能力也是大致相当的。
分别将对比例的蜂窝状陶瓷结构和根据本发明的包括蜂窝状陶瓷部A、B和C的蜂窝陶瓷结构封装在钢制外壳体中，然后置于柴油发动机台架的排气排放管后面，进行碳负载实验，直至蜂窝状陶瓷结构中的碳烟负载到5.5g/L。然后，利用安装在排气排放路径中的低温升温器(参见中国专利申请CN103104319A)对负载碳的蜂窝状陶瓷结构进行再生，同时利用安装在蜂窝状陶瓷结构周围的温度传感器和压力传感器记录测试过程中的温度和压力。其中根据本发明的蜂窝状陶瓷结构和根据对比例的蜂窝状陶瓷结构的各区域温度分布图示于图12中。在该实验中，经测量，根据本发明的具有混合孔结构的蜂窝状陶瓷结构在再生过程中的最大温度为860度，最大温度梯度为32度每厘米。与此相比，在再生过程中，常规使用的具有均一孔结构的蜂窝状陶瓷结构的最大温度为1020度，最大温度梯度为116度每厘米。
由图12可见，在对比例中，具有均一孔结构的蜂窝陶瓷结构在出口端(中后部)的中心处的温度比较高(深色区域)，与此相比，具有混合孔结构的本发明蜂窝状陶瓷结构的出口端(中后部)的中心处的温度相对较低(浅色区域)。由此可见，通过使用本发明的具有混合孔结构的蜂窝陶瓷结构，大幅降低了其中后部区域的温度，从而能够有效降低蜂窝陶瓷结构因温度过高而导致的产生裂纹或裂缝的风险。另外，在中心温度较高的情况下，由于本发明将具有较大的壁厚和较高热容量值的蜂窝陶瓷部置于中心处，使得其能够耐受较高的温度，从而也有利于降低产生裂纹或裂缝的风险。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施方案，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等都落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于柴油发动机排气净化处理的系统，所述系统包括：
壳体，所述壳体的入口端与柴油发动机的排气管连接，用于引入来自所述排气管的排气；
进油管和进气管，所述进油管和进气管固定在所述壳体上，分别用于导入燃油和空气；
燃烧部，用于燃烧来自进油管的燃油以使所述排气升温，其设置在所述壳体的出口端附近；和
颗粒过滤器，所述颗粒过滤器与所述壳体的出口端连接，其中设置有用于过滤来自所述排气中的碳烟颗粒的蜂窝状陶瓷结构，
其中所述蜂窝状陶瓷结构具有混合孔结构，由位于中央的第一蜂窝陶瓷部和位于所述第一蜂窝陶瓷部周围的一个或更多个第二蜂窝陶瓷部构成，所述第一蜂窝陶瓷部为具有对称孔结构或非对称孔结构的蜂窝陶瓷，具有第一热容量值，壁厚大于或等于0.28毫米；所述第二蜂窝陶瓷部为具有非对称孔结构的蜂窝陶瓷，具有第二热容量值，其壁厚小于0.28毫米，其中所述第一热容量值大于所述第二热容量值。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一蜂窝陶瓷部和所述第二蜂窝陶瓷部由选自碳化硅、重结晶碳化硅或堇青石中的一种或两种材料制成。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一蜂窝陶瓷部的体积与所述蜂窝状陶瓷结构的总体积比为0.10至0.3，优选为0.15至0.3，更优选为0.15至0.25。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述第一热容量值为1000-1200J/L*K，优选为1020-1100J/L*K，更优选为1020-1050J/L*K，所述第二热容量值为600-900J/L*K，优选为600-800J/L*K，更优选为650-700J/L*K。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述第一蜂窝陶瓷部的壁厚为0.28-0.4mm，例如为0.30、0.32、0.34、0.36或0.38mm，所述第二蜂窝陶瓷部的壁厚为0.15-0.28mm，例如为0.17、0.19、0.21、0.23、0.25或0.27mm。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述第一蜂窝陶瓷部和第二蜂窝陶瓷部均具有方形或矩形横截面；或者所述第一蜂窝陶瓷部具有圆形横截面，所述第二蜂窝陶瓷部具有环形或扇形横截面。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述进油管和/所述进气管位于所述外壳体内的一部分设置成螺旋盘管、弯曲管、多分支岐管的形状，并且所述一部分设置在燃烧产生的火焰喷出的路径上，沿排气方向位于所述燃烧部的前端。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述燃烧部包括点火部和燃烧室，其中所述点火部由电火花塞或高温陶瓷点火棒制成，通过陶瓷基座固定在所述壳体上；所述燃烧室固定在所述陶瓷基座上，用于使通过所述进油管引入的燃油和通过所述进气管引入的空气在其内部点燃并充分燃烧，其中所述燃烧室的侧壁或底部具有一个或更多个用于引入排气的开口或槽口。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中在所述进油管上还设置有燃油预热器，所述燃油预热器为电加热式预热器，例如油罐式电加热预热器，其中通过耐受高温的电加热棒对从所述进油管引入所述油罐中的燃油进行预热，之后将经预热的燃油或经气化的燃油喷雾馈送至所述燃烧室。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中在所述燃烧部和所述颗粒过滤器之间还设置有氧化型催化器。
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