CN1097145C - 柴油机排气颗粒收集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于在电控下的收集柴油机中排气中颗粒10，10，…的柴油机排气颗粒收集装置。该装置具有一针形电极8，一收集电极11及一高压电源。该针形电极8具有一个针尖8a，该针尖8a借助于在其周围形成的电晕放电而使粒子10，10，…荷电，该收集电极11用于由静电力收集该些荷电粒子；该高压电源13用于将规定的高压施加在该针形电极8和收集电极11之间，并与该针形电极8和该收集电极11电连接。

Description

柴油机排气颗粒收集装置
本发明涉及电控柴油机排气颗粒收集装置。
众所周知，柴油机的排气含有大量碳粒(即所谓的黑烟)。这些碳粒从排气通道排入大气中，并在空气中飘浮长时间后，最终以碳粒形式落在地上，路面上及衣服等物品上。然而，渐渐变得清楚的是：由于碳对其它物质具有强烈的吸附作用，因此诸如致癌物之类的各种化学物质在该碳粒在空中飘浮之同时，吸附在该碳粒上，并且这些碳粒由人吸入其体内后会引起呼吸系统之病变或癌症。因此用于诸如卡车和公共汽车之类的车辆中的这种柴油机现在已成为污染环境空气的污染源，已成为一个严重的社会问题。
因此，为了防止环境空气被柴油机黑烟污染，正如日本实用新型申请号61-55114和61-84851中所述，其中已建议了一黑烟收集装置，该装置中；一由金属纤维和/或一蜂窝形元件或类似件构成的黑烟净化过滤器布置于装在一车辆上的柴油机的排气道中。然而，这种黑烟净化过滤器具有这样的缺点，即当使用时间过长时，它们将由收集的黑烟堵塞住，并且压力损失增加。
作为消除这种缺点的一种手段，已提出了一种如日本专利申请H2-75716中所述的不易堵塞的静电柴油颗粒过滤器。图15为该公开专利中所述的静电柴油颗粒过滤器之结构的轴向剖视图。如该略图所述，该静电柴油颗粒过滤器由一大致管状流动腔1，一电晕电极2，一圆筒形绝缘电极3及一电压源4构成，该电晕电极2由一极细的线性体(如钨丝)沿该流动腔并在该流动腔内轴向延伸而成，该圆筒形绝缘电极3对着该电晕电极2设置；该电压源4的高压作用于该电晕电极2和绝缘电极3之间。利用这种结构，当一排气流5流入流动腔1中时，包含于废气流5中的碳粒6由电晕放电而充电，并因此由静电力作用而朝绝缘电极3偏转，从而在此将它们收集。因此，其黑烟量已被减少的净化排气流7从该柴油和碳粒过滤器中排出。
然而，利用这样一种常规的静电柴油机颗粒过滤器，由于电场密度沿该电晕电极线扩散，因此即使采用高压，电晕放电也不能连续发生或者只能在轻微程度上产生；所以，导致产生严重的实用困难，即用于收集黑烟等的排气颗粒收集能力不稳定且极小。此外，由于电晕电极是极细的线性体，如钨丝，因此当它装在一辆在运行期间易于产生不停的振动及冲击的车辆中时，所存在的不方便之处在于该线性体将经常断开。
根据上述观点，因此本发明的目的在于提供一种柴油机排气颗粒收集装置，该装置具有突出的排气粒子捕获能力，并且即使在严酷的条件下，如当装在一车辆中时也能耐用。
根据本发明第一方面的内容，其提供了一种用于在电控下收集柴油机排气中的颗粒物的柴油机排气颗粒收集装置，其包括：一针形电极，一个通过静电力收集充电粒子的收集电极；及一高压源；该针形电极具有一针尖，该针尖借助于在其周围形成一电晕放电而使各粒子充电，该高压源将规定的高压加到该针形电极和收集电极之间，该高压源与该针形电极和收集电极电连接。
根据本发明另一方面内容，其提供一种用于在电控下收集柴油机排气中颗粒物的柴油机排气颗粒收集装置，其包括：一针形电极；一用于由静电力收集各充电粒子的收集电极；一个将偏转力作用于所述充电粒子上使之朝所述收集电极偏转的偏转电极及高压源，所述针形电极具有一个针尖，该针尖借助于在其周围形成一电晕放电而使各粒子充电，该高压源适用于在该针形电极和收集电极之间及偏转电极和收集电极之间施加规定的高压。
在前述内容中，较好的是采用一种这样的模式，即其中在该针形电极的针尖指着该排气通道的上游侧时，该针形电极和偏转电极的电极连接器，是通过在前端设置凸伸杆形偏转电极而形成。
此外，较好的是也可采用一种这样的模式，即其中由一收集电极的电极板限定排气通道通过的单个或多个隧道，并且该电极组件在该针形电极和杆形偏转电极之间设置于每个上述隧道中。
此外，较好的是还可采用一种这样的模式，即其中由上述收集电极的电极板限定而成大量隧道，其按矩阵形式设置，并且由一针形电极和偏转电极构成的电极组件设置于该些隧道中。
此外，较好的是还可采用一种这样的模式，即其中由上述收集电极的电极板限定而成大量隧道，其按点矩阵形式设置；并且设有一个或多个收集单元，在该单元中，由一针形电极和一偏转电极构成的电极组件设置于每个隧道形通道中；还设有一个在接收条件下固定这些收集单元并装备有排气流进口和出口的装置罩。
该收集单元可按可自由拆卸的方式在接收条件下固定于该装置罩中。
较好的是还可采用一种这样的模式，即其中，一收集单元构成一凹形电极子单元，其中由该收集电极的电极板限定而成的大量隧道按点阵形式设置一个由一组由一针形电极和一偏转电极构成的电极组件构成的凸形电极子单元分别相应于该些隧道设置；并且该凹形电极子单元和该凸形电极子单元彼此可自由地并可拆卸地配合。
较好的是还可将该收集单元的截面区域的面积(该面积实质性地构成了该排气通道)设置成至少为柴油机废气道截面的两倍。
此外，例如当正极性的高压作用于该针形电极上以致在该针尖周围形成电晕放电而生成正离子之同时，该收集电极接地。
此外，为了将排气流速在该针形电极附近平滑地渐渐减下来而设置减速装置是极有效的。
另外，该柴油机的一种理想应用模式是装于车辆中。
图1是表示本发明之电控柴油机排气颗粒收集装置的一个实施例的工作原理及基本结构的解释性示意图；
图2是表示该废气颗粒收集装置的结构处于分解形式的分解视图；
图3是该排气颗粒收集装置的电路布置图；
图4是构成该废气颗粒收集装置的主要部件的收集单元的轴向剖视图；
图5是表示分解成各子单元的该收集单元轴向剖视图；
图6是表示从该收集单元前端看(排气流的上游侧)的透视图；
图7是图6之局部放大细节图；
图8是从该收集单元尾端(排气流的下游侧)看的透视图；
图9是表示本发明之电控柴油机排气颗粒收集装置的第二实施例的结构的分解透视图；
图10是表示该排气颗粒收集装置的结构的轴向剖视示意图；
图11是一个表示结合于该排气颗粒收集装置中的挡板结构图，(a)是背向视图而(b)是侧面视图；
图12是表示本发明的电控柴油机排气颗粒收集装置的第三实施例的结构的轴向剖视图；
图13是表示一结合于该排气颗粒收集装置中的挡板结构图，(a)是背面视图而(b)是侧面视图；
图14是表示本发明的电控柴油机排气颗粒收集装置的第四实施例的结构的轴向剖视图；
图15是表示常规的静电柴油机颗粒过滤器的轴向剖视图。
参照附图以下对本发明各种实用模式进行描述。
[A]第一实施例
图1是表示本发明的电控柴油机排气颗粒收集装置的一实施例的工作原理及基本结构的解释性示意图，图2是表示该排气颗粒收集装置处于分解形式的分解透视图；图3是该排气颗粒收集装置的电路布置图；图4是构成该排气颗粒收集装置的主要部件的收集单元的轴向剖视图；图5是表示该收集单元分解成各子单元的轴向剖视图；图6是表示从前端(该排气流上游侧)看该收集单元的透视图；图7是图6的局部放大的细节图；图8是从该收集装置尾端(该排气流下游侧)看的透视图。
该示例的排气颗粒收集装置涉及一排气净化装置，其中排气中的碳粒(黑烟)由一针形放电统进行静电收集，并且该针形放电系统装于柴油机的排气道中，该柴油机装于诸如卡车或公共汽车之类的车辆上。首先参照图1对该示例的基本结构及工作原理进行描述。
如图1所示，该实施例的排气颗粒收集装置主要由一针电极8，一用于由静电力收集该些荷电碳粒10a，10，…的收集电极11，一个用于将偏转一个高压直流电源13组成，该针形电极8由在该针尖8a周围产生的电晕放电9而使各碳粒(黑烟)10充电；该高压直流电源13将规定的直流高压(在该示例中为5-6KV)施加于针形电极8和收集电极11之间及偏转电极12和收集电极11之间。针形电极8的针尖8a(其由镍基的)指着该柴油机的排气道的上游侧，并且通常与该公共轴线重合；在该示例中，该针尖可由焊接或锻造等固定到一截面大约为10平方毫米长度为5至6厘米的空心方杆形偏转电极12的头部上。按该方式，形成了一同轴布置的针形电极8和偏转电极12的电极组件。
对收集电极11来说，设有排气通道的隧道形电极(大约20平方毫米，长度为5至6厘米)由将四个平板形金属板组装起来而形成，一个由针形电极8和偏转电极12构成的电极阻件通常与该隧道的轴线同轴设置于该收集电极11的隧道中。此外，高压直流电源13由一直流-直流转换电路构成，将从车载蓄电池14中供给的24V直流电压提高到5至6KV直流电压并将该电压输出。正极性的直流输出终端连接到电极组件(偏转电极12)上，而负极性输出端接地。收集终端11本身也接地。
在上述结构中，当发动机按钮开关(点火开关)15接通时，发动机启动，同时24V直流电压从蓄电池14供到高压直流电源13上。当该高压直流电源13接收到24伏直流电压时，它产生5至6KV的高压，该电压然后输出到该电极组件(针形电极8和偏转电极12彼此电位相等)上，从而，针形电极8和偏转电极12变成是高电位的。然而，在具体情况中，由于该针形电极8的针尖8a处的电场密度浓，因此绕该针尖8a可按稳定的方式进行电晕放电。结果是，当相对较低电离能的气体分子(诸如柴油机废气中剩余的氧分子)通过该点时，它们被电离，变成等离子体离子，这些等离子体离子吸附到碳粒10上，使该些粒子本身带正离子电荷。按这种方式，那些充电并接近收集电极11的碳粒10a被吸附到为负电位的收集电极11的各电极板上。相比较地，那些远离该收集电极11的电极板的荷电碳粒10a，10a，…首先由偏转电极12的正电位(相斥)作用而在收集电极11的方向偏转。当它们接近收集电极11时就被吸附在该负电位的收集电极11的电极板上。结果是，小到大约0.01μm的极细粒子及大到大约10μm的较大碳粒10，10，…均可被有效地收集。
接着参照附图2至8描述该示例的排气颗粒收集装置的详细结构。
该示例之废气颗粒收集装置如略图所示由两个前后盒形收集单元16，16构成，该盒形收集单元16由大量的针形电极8，8，…，偏转电极12，12，…及收集电极11，11，…与高压直  电源13一起构成，并具有装载并保持这些件的一装置罩17。
如图2所示，在该装置罩17上表面上装载一对用于将该示例的排气粒子收集装置支承并固定于车体18上的安装附件19，19；在该罩17的角部形成一通孔以便让导线20，20通过并连接到高压直流电源13的输入端上。如图3所示，在装置罩17的前表面上，设有一个与法兰21配合的管形排气进口22，并通过法兰21，24连接到消声器(未示出)的排气道23下游上，因此，柴油机流出的排气流入装置罩17内部。在装置罩17的后端面上，设有一管形排气出口26，因此去除黑烟的排气27排入外界环境中。此外，在该装置罩17的一侧表面上设有一可转动的盖28，从而该收集单元16，16可拆卸或插入。在装置罩17的内部，设有一对由两底板导轨29，29和两顶板导轨30，30构成的导轨，该底板导轨29，29相对前端面平行设置而该顶板导轨30，30设置于对着各自底板29，29的位置，该些导轨相互间按规定距离隔开；其结构为该收集单元16，16以这样的方式沿向前/向后方向插入该罩17的内部并排列地保持于其中，即该些收集单元16，16在配装到底板导轨29，29和相应的顶板导轨30，30上的条件下由向前滑入该罩之内部而可自由地装卸。应注意到：尽管图3中未示出，但在收集单元16，16插入并保持于装置罩17中的条件下，从排气进口22流入装置罩17中的排气25在排入外界环境中前，必须不可避免地连续流过收集单元16，16。
如图5所示，每个收集单元16由凸形电极子单元31和凹形电极子单元32按狭缝连接结构构成，该两子单元31，32都是盒形的并且如图4，6及7所示是绝缘的，其中插装由针形电极8，8及偏转电极12，12，…构成的电极组件，该针形电极8，8处于每个收集电极11，11，…的隧道内，大量的针形电极是按点阵形式设置。将一组金属板11a，11b，…以相互正交的条件沿垂直和水平方向相互隔开大约20mm装配在一起，并设置于一个在前后都有孔的方形金属框架33上以构成各组件，该些组件结合起来构成一凹形电极子单元32，其中大约20平方毫米长5至6厘米的大量的隧道形收集电极11，11，…以点阵形式布置。
此外，一凸形电极子单元31由这样的一些电极组件(标号与收集电极11，11，…相同)构成，即其中针形电极8，8，…在偏转电极12，12，…之顶端凸伸而出，其针尖8a，8a，…朝着排气进口22，该些针形电极以点阵方式一一对应地布置于相应的收集电极11，11，…的位置处。这些电极组件由金属连接件34，34支承并固定并在垂直及水平方向组装成一个相互连在一起的单元。这些连接件34，34通过导线20，20连接到高压直流电源13的高压侧的输出终端上，因此相同电位的高压作用于所有这些针形电极8，8，…及偏转电极12，12，…上。连接件34，34，…通过硬树脂电绝缘件36，36，…或类似物固定并支承在其前后都具有孔的方形支承金属框架35上。
在该金属支承框架35的前表面上，固定有一方形金属框架37，为了进行狭缝连接，在该框架37前后表面还设有多个孔；借助于将凹形电极子单元32的金属框架33沿狭缝装于该按狭缝连接的金属框架37中，可将该凹形电极子单元32以可自由拆卸地方式装于该金属支承框架内。按这种方式，所有按点阵形式布置的收集电极11，11，…都通过金属框架33，狭缝连接的金属框架37及金属支承框架35与装置罩17保持电接触。因此，由于该装置罩17固定地装于车身18上时是接地的，从而收集电极11，11，…也都是接地的。此外，由于绝缘件36。36，…插装在电极组件(针形电极8，8，…和偏转电极12，12，…)和收集电极11，11，…之间，因此这些件彼此都是绝缘。应注意到，在该示例中，在各收集单元16，16中，构成排气25的流道的收集电极11和偏转电极12之间的间隙的总的截面积最好设定为至少是柴油机排气通道25的截面积的两倍。
在上述结构中，如图3所示，当发动机按钮开关(点火开关)15接通时，发动机启动，同时24伏直流电压从蓄电池14供给高压直流电源13。当高压直流电源13接收到供给的24伏直流电压时，它产生5-6KV的高压，并将其输出给前后收集单元16，16。大量的按点阵方式布置的针形电极8，8，…及偏转电极12，12，…因此都带有高的电位；然而，在具体使用中，由于在针形电极8，8，…的针尖8a，8a，…处的电场密，因此可在针尖8a，8a，…之周围以稳定方式进行连续的电晕放电9，9，…。
结果是，当柴油机的排气25流过各自的针尖8a，8a，…时，诸如废气中剩余的氧之类的极低电离能的气体分子被电离，成为正离子，这些离子吸附于碳粒10，10，…上，从而使碳粒本身带有正离子电荷。在这些因此而荷电的碳粒10a，10a，…中，那些最接近相应的收集电极11，11，…的粒子被吸附到负极性的收集电极11，11，…的电极板上。相对照，那些远离收集电极11，11，…的电极板的荷电碳粒10a，10a，…首先由偏转电极12的正电位(相斥)作用向收集电极11，11，…的方向偏转，并当它们接近收集电极11，11，…时被吸附在该负电位的收集电极11，11，…的电极板上。应注意到：装置罩17之截面积(在此处从柴油机中排出的排气25通过废气进口22流入该装置罩17中)设定为足够地大，比柴油机的排气道的垂直截面积大，所以排气流速降低。结果是在排气被排到外界环境中前，其黑烟被有效地吸附于收集电极11，11，…上。因此，在上述结构中，由于各个成套的收集电极11，11，…，针形电极8，8，…及偏转电极12，12，…是按点阵形式布置的，并且设置为两级，即前级和后级，因此在前后两处并在很宽的范围内形成了连续稳定的电晕放电幕。结果是碳粒10，10，…可按可靠的方式收集。因此可获得连续的且稳定的电晕放电9，9，…并且还因为主体部分的直径较大，即使在诸如装在车辆中那样严酷的环境下也可获得突出的黑烟收集能力及耐用性。
[B]第二实施例
图9是表示本发明电控柴油机排气颗粒收集装置的第二实施例的结构的分解透视图；图10是表示该排气颗粒收集装置的结构的轴向剖视图；以及图11是表示结合于该排气颗粒收集装置中的挡板的结构图，(a)是背面视图而(b)是侧面视图。
该示例的排气颗粒收集装置与第一实施例所述的示例的主要区别在于：用于降低排气25的流速的挡板38插装在排气进口22和前级收集单元16之间。
由于提供了这一挡板38，排气25流速可进一步降低，从而进一步增加收集黑烟气可靠性。
[C]第三实施例
图12是表示本发明之电控柴油机排气颗粒收集装置的第三实施例的结构的轴向剖视图；图13是表示一挡板结合于该排气颗粒收集装置中的结构图，(a)为背面视图而(b)为侧面视图。
在该示例中，采用一挡板38a取代第二实施例的挡板38，该挡板在其中心附近沿径向之方式形成有大量的小孔39，39，…。
借助于该示例之结构通常可获得与上述第二实施例所述的同样的效果。此外，根据流体动力学，该示例的这种布置可希望获得这样的优点，即可防止在该板的背面处易于形成的微涡流。应注意到各小孔39，39，…并不是一定要沿径向分布，也可按不规则形式分布。
[D]第四实施例
图14是表示本发明之电控柴油机排气颗粒收集装置的第四实施例的结构之轴向剖视图。
在该示例的排气颗粒收集装置中，除上述第三实施例所述的结构外，例如为了降低流速，一由耐火材料如不锈钢构成的辅助网40直接设置于挡板38a下游。利用该示例之结构，除了将一些黑烟吸附于该减速辅助网40上外，主要的是大大降低排气流25的速度，从而与第二实施例情况下之结构比该实施例2结构能可靠地并更进一步地增加黑烟的收集效率。
尽管参照附图已对本发明之各实施例作出了详细说明，但本发明之具体结构并不仅限于这些实施例所述结构，不脱离本发明之本质而进行的多种设计修改等也都包含在本发明中。
例如，针形电极8，收集电极11及偏转电极12的形状及数量可根据需要修改，并且收集单元16的数量可根据要求增加或减少。此外，尽管，在上述各实施例中，所描述的情况是该排气颗粒收集装置装在该消声器的下游，但并不限制要这样，它也可装在该消声器的上游。此外，可采用导电陶瓷而不是金属材料作为该收集电极11的结构材料。

Claims (5)

1.一种电控的柴油机排气颗粒收集装置，该排气颗粒收集装置设置于柴油机的排气通道，通过电气控制而收集排气中的颗粒，其特征在于：
具有在针尖周围产生电晕放电，以使所述粒子带电的多个针形电极；
以静电力收集带电的所述粒子的多个收集电极；
在带电的所述粒子上产生朝向所述各收集电极的偏转力的多个偏转电极；
在相互对应的所述针形电极和所述收集电极之间，及所述偏转电极和所述收集电极之间，施加规定的直流高电压的直流高压电源；
一个或多个收集单元；
具有所述排气的流入口及流出口的装置罩；并且
所述针形电极和所述偏转电极通过在杆形的所述各偏转电极的前端部分，对应的所述针形电极，以针尖朝向所述排气通道的上游侧的状态结合，作为多个电极组件而构成；
多个所述收集电极，通过将多个极板按点阵形式组装，作为排气通过的多个隧道而构成；
在所述各收集单元内，所述多个电极组件和所述收集电极，在构成所述各收集电极的所述各隧道内，以对应的所述电极组件插入配置的状态装载，
而且所述收集单元可折卸地装载并设置于所述装置罩中。
2.如权利要求1所述的电控柴油机排气颗粒收集装置，其特征在于所述收集单元包括一凹形电极子单元和一凸形电极子单元，该凹形电极子单元包括一组构成所述收集电极并按点阵形式布置的所述隧道，所述凸形电极子单元包括由针形电极和偏转电极构成的若干所述电极组件，各个电极组件分别对应于各所述隧道，并且其中所述凹形电极子单元和所述凸形电极子单元按可自由拆卸的状态以狭缝连接方式连接在一起。
3.如权利要求1所述的电控柴油机排气颗粒收集装置，其特征在于所述收集单元的横截面积之中，实质的排气通道的区域的面积设定为该柴油机之所述排气道的横截面积的至少两倍大。
4.如权利要求1所述的电控柴油机排气颗粒收集装置，其特征在于用于在所述装置箱体内，设置有使在所述针形电极附近的排气流速平滑地降低的减速装置。
5.如权利要求1所述的电控柴油机排气颗粒收集装置，其特征在于所述柴油机为一车装柴油机。
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