CN109469533B - 一种控制微纳米级颗粒数量的可变电压凝并装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制微纳米级颗粒数量的可变电压凝并装置，包括颗粒荷电筒、颗粒凝并筒、法拉第筒和颗粒捕集器，所述颗粒荷电筒的前端与排气相连接，后端与颗粒凝并筒相连接，颗粒凝并筒后端与法拉第筒连接后再与颗粒捕集器相连。本发明利用荷电凝并技术，通过双极高压荷电加凝并手段，实现排气颗粒凝结，粒径增大的同时实现颗粒数量浓度降低，进一步提升颗粒捕集器的捕集效率，降低颗粒质量排放；本发明将颗粒表面电荷测量与高压电场控制连接在一起，实现对荷电电压的最合适范围控制，降低高压电源能耗；本发明中双温度传感器与双质量流量计，可以探讨荷电电压以及排气温度对颗粒的荷电凝并影响，以及对颗粒捕集器效率的研究。

Description

一种控制微纳米级颗粒数量的可变电压凝并装置

技术领域

本发明涉及柴油机排气后处理技术领域，具体为一种控制压燃式内燃机尾气中微纳米级颗粒数量的可变电压凝并装置。

背景技术

现代柴油机具有热效率高、动力性强和运行可靠等方面的优点，在车辆与工程机械等方面应用广泛，但其排放的微纳米级颗粒物给大气环境与人类健康带来极大危害。现代柴油机通过改善柴油机缸内燃烧与添加后处理装置来降低颗粒排放，如改善燃油喷射系统与缸内燃烧优化，同时耦合颗粒捕集器来降低柴油机颗粒物排放，但DPF针对小粒径颗粒的捕集效率很低，尤其是柴油机国六法规中提出了对排气颗粒数量浓度的限制，使得对小粒径颗粒的处理更加重要。

荷电凝并技术(Electrical Charge Agglomeration，ECA)作为一种有效促进微纳米颗粒物去除的方法，一直以来被国内外研究人员重视。ECA是通过外加电场对颗粒物进行荷电，增加带电颗粒物在电场中的碰撞机率，从而促进微细颗粒物碰撞凝聚成较大颗粒物，实现颗粒物数量浓度降低。荷电凝并的效果与众多因素有关，比如颗粒物的浓度，粒径和流速。此外，外加交变电场可有效促进双极荷电颗粒凝并，颗粒携带电荷越多其效果越明显。ECA可以将不容易处理的细颗粒物转变为经过碰撞“长大”为大粒径较为容易处理的颗粒物，再利用常规的后处理方法对颗粒物进行捕集去除。

发明内容

本发明基于荷电凝并技术，通过对柴油机排气中颗粒进行正负极性荷电，提升颗粒凝并效率，从而实现降低颗粒数量浓度的目标。在凝并后端增加法拉第筒对电荷进行测量，与前端高压电源连接形成对电压闭环控制。实现本发明的技术方案如下：

一种控制微纳米级颗粒数量的可变电压凝并装置，包括颗粒荷电筒、颗粒凝并筒、法拉第筒和颗粒捕集器，所述颗粒荷电筒的前端与排气相连接，后端与颗粒凝并筒相连接，颗粒凝并筒后端与法拉第筒连接后再与颗粒捕集器相连。

更进一步地，所述颗粒荷电筒的前端通过第一质量流量计与排气相连接，所述颗粒捕集器后端设置有第二质量流量计。

更进一步地，还包括排气温控系统，所述排气温控系统包括前温度传感器、后温度传感器、继电器，第一质量流量计出气端安装有前温度传感器，前温度传感器后端连接颗粒荷电筒，颗粒荷电筒外包裹陶瓷加热器，继电器一端连接前温度传感器与后温度传感器，另一端连接陶瓷加热器，继电器控制电路开合。

更进一步地，所述颗粒荷电筒包括高压电源、外筒与放电极线，所述外筒上连接有接地线，所述放电极线的一端连接高压电源，另一端悬置于空气中，放电极线穿过外筒，其主体部分处于外筒中。

更进一步地，所述放电极线包括中心电极和垂直电极，所述垂直电极相间隔沿中心电极的延伸方向布置若干个，呈鱼刺状分布。

更进一步地，所述放电极线与外筒接触处，采用陶瓷管进行绝缘。

更进一步地，所述陶瓷管内注入耐高温绝缘胶，所述放电极线穿过陶瓷管，陶瓷管底部加工有凹槽，所述放电极线在凹槽处弯折。

更进一步地，所述法拉第筒包括相互绝缘的金属外筒与金属内筒，所述金属外筒与前端的颗粒凝并筒连接，并连接接地导线，金属内筒通过屏蔽线与数字电荷仪连接。

更进一步地，所述金属内筒上装有石墨收集体，所述石墨收集体与排气中电子反应产生激励电流，并与数字电荷仪连接，将测量信号输出给电压控制器，电压控制器连接前端高压电源，控制高压电源输出电压。

综上可见，本发明的可变电压凝并装置包括恒温控制、荷电凝并装置以及荷电量检测装置三个部分：

为了避免空气中水蒸气冷凝成液态水，影响颗粒荷电筒荷电效果，需要采用温度控制系统：

温度控制系统由圈形陶瓷加热器，继电器，温度传感器和传感器采样头组成，陶瓷加热器由圈形陶瓷加热片，螺旋形电阻丝穿过耐高温陶瓷瓷砖构成，外加金属外壳，金属外壳与加热器间加入陶瓷纤维形成绝缘与隔热层，形成高温度高功率密度加热装置。

温度传感器处于颗粒荷电凝并器前后两端，分别连接温控表头，保证前后端温度降低控制在20℃内，两端温度均控制在200℃以上。

本设计装置中荷电凝并器包括颗粒荷电筒与颗粒凝并筒。颗粒荷电筒由高压电源，不锈钢外圆筒和放电极线组成，不锈钢外圆筒组成双极荷电筒壳体，双极荷电筒将柴油机尾气一分为二，电极分为正电极与负电极，依靠放电极线对排气颗粒进行高压放电。

采用高压电源转换设备将220V交流电压转换为预先设置好的直流高压，通过特制的电缆实现对输出电压的远程控制，电源内部所带的多圈电位器可精确控制输出电压的大小，其变化范围在0V到±30kV区间范围内连续可调。高压电源面板上具有电压和电流液晶显示仪表、高压开关按钮和高压指示灯，可连接控制器实现自动控制。高压电源输出端进行绝缘鳄鱼夹处理，与紫铜电极连接处使用绝缘胶布缠好。

颗粒荷电筒外壳为不锈钢圆筒(内径110mm)，构成线筒式的电晕放电装置主体，颗粒荷电筒上连接地线作为接地极。放电极线与金属荷电筒接触处，采用直径为2m，壁厚为1.5mm陶瓷管，电极线从中穿过，并向陶瓷管中注入耐高温绝缘胶，将金属荷电筒管壁上加工出两个6mm小孔，孔与孔距离290mm，将携带陶瓷管电极一并穿过金属筒壁上小孔放入筒内，陶瓷管与金属筒壁间采用耐高温绝缘胶，保证电极与金属筒之间的高度绝缘。

颗粒荷电筒内固定有一根有效长度290mm、直径1.7mm的紫铜电极与高压直流电源相连安装于圆筒中心位置。在中心电极线上另焊接上4根长度为50mm电极，均匀垂直呈排状分布于中心电极线上。

电极一端连接高压电源装置输出端，电极另一端悬空，电极中最大电流为1mA，荷电凝并装置最大功率为20W，拥有很小能耗。分别设定高压电源输出±20kV高电压，电极与高压电源连通后，会在排气管内会形成一定强度的电场，负极排气管内颗粒会携带较多负电荷，正极排气管内颗粒则会携带较多正电荷。在荷电凝并筒中两股排气合并，在内燃机排压作用下加速异极性颗粒的凝并。

颗粒荷电量检测系统由法拉第筒，数字电荷表和自动控制器组成。法拉第筒是测量电荷量的装置，主要由相互绝缘的金属外筒与金属内筒构成，通过信号线与数字电荷表连接，可以精确测量出10^-6C的电荷量。

法拉第筒内外筒绝缘层采用20mm厚绝缘橡胶组成，可耐300℃以上高温，法拉第筒外壁与颗粒凝并筒焊接一起，并在后端增加接地导线。法拉第内筒上附有石墨收集体，当带有电子颗粒进入法拉第筒后，电子与收集体反应产生激励电流，转化成电流信号并输出给数字电荷表。

数字电荷表由高输入阻抗运放、大规模集成电路以及静电电容器元件组成。数字电荷表输入端与法拉第筒相连，仪器芯线与法拉第筒内筒相连，仪器地线与法拉第筒外筒相连，保证数字电荷表良好接地。

数字电荷表测量经过荷电凝并后排气颗粒，数字电荷表输出端与自动控制器连接，自动控制器根据数字电荷表显示的极性自动调节前端荷电电压，增大异极性荷电电压，使得颗粒荷电区颗粒附上与颗粒凝并筒内相反极性电荷，中和后端法拉第筒内颗粒所带电荷，实现前端颗粒荷电区处于最合理电压区间。

荷电凝并装置后端装有压燃式内燃机颗粒捕集器，颗粒捕集器内部采用陶瓷体壁流式设计，颗粒捕集器后端装配质量流量计。

本发明的有益效果：

1.本发明利用荷电凝并技术，通过双极高压荷电加凝并手段，实现排气颗粒凝结，粒径增大的同时实现颗粒数量浓度降低，进一步提升颗粒捕集器的捕集效率，降低颗粒质量排放。

2.本发明将颗粒表面电荷测量与高压电场控制连接在一起，实现对荷电电压的最合适范围控制，降低高压电源能耗。

3.本发明中双温度传感器与双质量流量计，可以探讨荷电电压以及排气温度对颗粒的荷电凝并影响，以及对颗粒捕集器效率的研究。

附图说明

图1是本发明压燃式内燃机尾气中微纳米级颗粒数量的可变电压凝并装置的示意图。

图2是本发明的颗粒荷电量测量系统示意图。

图3是本发明实施颗粒荷电凝并器剖面图。

图4是本发明实施颗粒荷电凝并器内部结构图。

图中标记为：

1-第一质量流量计，2-前温度传感器，3-传感器采样头，4-陶瓷加热器，5-高压电源，6-颗粒荷电筒，7-继电器，8-颗粒凝并筒，9-法拉第筒，10-自动控制器，11-后温度传感器，12-数字电荷仪，13-颗粒捕集器，14-第二质量流量计，401-电源接头,402-圈形陶瓷加热片,403-陶瓷纤维，601-放电极线，602-陶瓷管，603-耐高温绝缘胶，604-不锈钢外圆筒，605-垂直电极，606-凹槽，607-金属法兰，901-金属外筒，902-金属内筒，903-玻璃纤维，904-绝缘橡胶，905-石墨收集体，906-金属卡箍。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明进一步说明。

如图1所示，控制微纳米级颗粒数量的可变电压凝并装置包括：质量流量计(包括第一质量流量计1和第二质量流量计14)，温度传感器(包括前温度传感器2和后温度传感器11)，陶瓷加热器4，颗粒荷电筒6与颗粒凝并筒8，高压电源5，法拉第筒9，数字电荷仪12，自动控制器10以及颗粒捕集器13。

前端的第一质量流量计1连接内燃机排气端，用于测量初始排气质量流量，颗粒在双极颗粒荷电筒6内荷电后会部分被吸附在金属筒壁上，第一质量流量计1与后端的第二质量流量计14一起测量经本装置后排气质量流量变化。

前温度传感器2处于第一质量流量计1后端、颗粒荷电筒6前端，测量进入荷电区域排气温度，后温度传感器11测量荷电后排气温度，前后端两次温度测量可以较精确评估出颗粒荷电筒6内排气温度。为了降低排气的相对湿度，需将温度控制在一定温度之上。试验表明在高于200℃时，荷电效果最明显。若低于200℃，陶瓷加热器4开始工作，保证温度稳定运行在200℃之上。

第一质量流量计1后端连接颗粒荷电筒6，排气管道分为两部分。分别为正/负极荷电区，两个颗粒荷电筒6外部分别包裹一个陶瓷加热装置，陶瓷加热器4主要靠前温度传感器2输出信号，温度低于200℃时，继电器7工作，接通陶瓷加热电路，陶瓷加热器4开始工作加热，当排温高于200℃或者加热后气体温度达到200℃时，继电器7关闭使得加热电路断开。此控制方法可以有效节约电能，实现温控系统的自动启动与停止。

双极颗粒荷电筒6内部分别安装一根长度290mm，直径1.7mm紫铜放电极线601，分别通过正负两不同电极进行荷电。绝缘陶瓷管602用来固定放电极线并与高压电源5相连接，不锈钢外圆筒604、绝缘陶瓷管602与放电极线601之间用耐高温绝缘胶603密封固定，高压电极线与接地极之间保持高度的绝缘效果。

高压电极初始电压分别设置为±20kV，双极颗粒荷电筒6高电势的放电极线601和零电势的不锈钢外圆筒604接地极之间形成放电电场，将颗粒荷上不同极性电荷后排气颗粒经过颗粒凝并筒8，在排气压力作用下进行碰撞凝并，实现排气颗粒粒径变大。经过凝并后颗粒会有少部分仍然带有电荷，通过法拉第筒9与数字电荷仪12测出凝并后颗粒携带电量情况。

法拉第筒9是测量荷电量的装置，其原理是：当内杯有带电颗粒进入时，由静电感应现象，法拉第杯外杯内表面和内杯外表面会带有等量的异极性电荷且产生微弱的电流，经数字电荷仪转换成电压信号进行放大记录。测出内外杯之间的电位差U和电容C，即可得到进入内杯中荷电物质总荷电量：Q＝CU。

颗粒凝并筒8与法拉第筒外筒901连接，保证金属外筒良好接地，金属外筒901与金属内筒902之间采用20mm厚绝缘橡胶904处理，金属内筒902通过屏蔽线与数字电荷仪12连接。

数字电荷仪12与自动控制器10连接，数字电荷仪12测量结果输出信号给自动控制器10，自动控制器10根据信号对高压电源进行提升电压或降低电压处理，实现荷电电压多工况自动控制。

具体表现为：当数字电荷仪12显示为负电荷时，此时自动控制器10增大正极荷电电压，提升正极电压荷电强度，直到数字电荷仪12电荷量绝对值趋于零；当正极电压增加到达25kV时，若数字电荷仪12仍显示负电荷，选择降低负极电压。保证在调节电压时，正负极电压处于20±5kV之间。当数字电荷仪12显示为正电荷时，操作与上述相反，此处不再赘述。

法拉第筒9后端与压燃式内燃机颗粒捕集器13连接，通过颗粒捕集器13将凝并后较大颗粒捕集，颗粒捕集器后端附加一质量流量计14，与前端流量计共同测量，评价颗粒捕集器捕集效率。

本发明装置工作原理：

内燃机排气通过质量流量仪1和温度传感器2流入颗粒凝并筒6，两个高压电源5初始设定电压为±20kV,放电极线601与不锈钢外圆筒604之间形成强烈电场，当排气中颗粒经过两个电场时，颗粒会被荷上相反极性的电荷。带有异性电荷颗粒流入颗粒凝并筒8时，颗粒受到库仑力作用发生碰撞凝并。颗粒表面正负电荷相互吸引，排气颗粒粒径变大。采用颗粒荷电量检测系统对凝并后颗粒进行残余电荷测量，并将残余电荷量值通过自动控制器反馈给高压电源5，对高压电源5输出电压进行动态调整，实现颗粒荷电的多工况电压自动调节控制，进一步降低本套装置的能源消耗。

综上所述，本发明基于荷电凝并机理设计一种控制压燃式内燃机排气中微纳米级颗粒数量的可变电压凝并装置，通过该装置实现降低压燃式内燃机排气颗粒物数量浓度，进一步减少排放的功能。

荷电凝并技术是通过外加电场对颗粒物进行荷电，增加带电颗粒物在电场中的碰撞机率，从而促进微细颗粒物碰撞凝聚成较大颗粒物，实现颗粒物数量浓度降低。可变电压凝并装置包括三个部分，温度控制系统、颗粒荷电凝并器与颗粒荷电量检测系统。温度控制系统包括温度传感器，继电器和陶瓷加热器；荷电凝并器分为正极荷电区、负极荷电区和颗粒凝并区；颗粒荷电量检测系统包括法拉第筒，数字电荷仪和自动控制器。荷电凝并装置依靠荷电电极对排气进行高压放电，荷电电极上高压使得颗粒荷电筒内存在大量正负极性电荷，排气颗粒物经过两个荷电区时会被分别荷上浓度很高的正负电荷。当排气颗粒在荷电区携带上不同极性电荷后，经过凝并区时颗粒受到库仑力作用发生碰撞凝并。颗粒表面正负电荷相互吸引，进一步提高颗粒的凝聚效率，实现增大排气颗粒粒径的目的。之后再匹配柴油机后处理如颗粒捕集器，可以显著提高小颗粒物的捕集效率。通过后端颗粒荷电量检测系统中电压控制器对高压电源输出电压进行调整，实现更经济的可变电压凝并效果。

尽管已经示出和描述了本发明优选的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，应当理解，在不脱离本发明的实质内容与原理的前提下，对这些实施例进行种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种控制微纳米级颗粒数量的可变电压凝并装置，其特征在于，包括颗粒荷电筒(6)、颗粒凝并筒(8)、法拉第筒(9)和颗粒捕集器(13)，所述颗粒荷电筒(6)的前端与排气相连接，后端与颗粒凝并筒(8)相连接，颗粒凝并筒(8)后端与法拉第筒(9)连接后再与颗粒捕集器(13)相连；

所述法拉第筒(9)包括相互绝缘的金属外筒(901)与金属内筒(902)，所述金属外筒(901)与前端的颗粒凝并筒(8)连接，并连接接地导线，金属内筒(902)通过屏蔽线与数字电荷仪(12)连接；

所述金属内筒(902)上装有石墨收集体(905)，所述石墨收集体(905)与排气中电子反应产生激励电流，并与数字电荷仪(12)连接，将测量信号输出给电压控制器(10)，电压控制器(10)连接前端高压电源(5)，控制高压电源(5)输出电压。

2.根据权利要求1所述的控制微纳米级颗粒数量的可变电压凝并装置，其特征在于，所述颗粒荷电筒(6)的前端通过第一质量流量计(1)与排气相连接，所述颗粒捕集器(13)后端设置有第二质量流量计(14)。

3.根据权利要求1所述的控制微纳米级颗粒数量的可变电压凝并装置，其特征在于，还包括排气温控系统，所述排气温控系统包括前温度传感器(2)、后温度传感器(11)、继电器(7)，第一质量流量计(1)出气端安装有前温度传感器(2)，前温度传感器(2)后端连接颗粒荷电筒(6)，颗粒荷电筒(6)外包裹陶瓷加热器(4)，继电器(7)一端连接前温度传感器(2)与后温度传感器(11)，另一端连接陶瓷加热器(4)，继电器(7)控制电路开合。

4.根据权利要求1所述的控制微纳米级颗粒数量的可变电压凝并装置，其特征在于，所述颗粒荷电筒(6)包括高压电源(5)、外筒与放电极线(601)，所述外筒上连接有接地线，所述放电极线(601)的一端连接高压电源(5)，另一端悬置于空气中，放电极线(601)穿过外筒，其主体部分处于外筒中。

5.根据权利要求4所述的控制微纳米级颗粒数量的可变电压凝并装置，其特征在于，所述颗粒荷电筒(6)为双极颗粒荷电筒。

6.根据权利要求4所述的控制微纳米级颗粒数量的可变电压凝并装置，其特征在于，所述放电极线(601)包括中心电极和垂直电极(605)，所述垂直电极(605)相间隔沿中心电极的延伸方向布置若干个，呈鱼刺状分布。

7.根据权利要求4所述的控制微纳米级颗粒数量的可变电压凝并装置，其特征在于，所述放电极线(601)与外筒接触处，采用陶瓷管(602)进行绝缘。

8.根据权利要求7所述的控制微纳米级颗粒数量的可变电压凝并装置，其特征在于，所述陶瓷管(602)内注入耐高温绝缘胶(603)，所述放电极线(601)穿过陶瓷管(602)，陶瓷管底部加工有凹槽(606)，所述放电极线(601)在凹槽(606)处弯折。

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