CN109915234B - 一种分段式电加热主动再生均匀气流柴油机颗粒物捕集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分段式电加热主动再生均匀气流柴油机颗粒物捕集器，包括：导流圆台总成、前锥形进气管、主体、后锥形排气管、电源、电子控制单元。排气流经过导流圆台总成得到均匀的气流进入三段式DPF，其中的颗粒物被DPF内部的多孔介质吸附，通过电子控制单元ECU控制锥形进气管内电热丝的加热功率，从而实现在恰当时机的DPF的再生。整体结构可以使排气流进入DPF更均匀，碳烟颗粒在DPF内部的沉积也更均匀，以及三段式的设计，防止DPF在再生的过程中因热应力集中而开裂，同时方便清洗，延长了DPF再生间隔里程，提高了DPF的使用寿命。

Description

一种分段式电加热主动再生均匀气流柴油机颗粒物捕集器

技术领域

本发明属于汽车环保技术领域，涉及一种柴油机颗粒物捕集器。

背景技术

柴油机颗粒物捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)具有交替封堵的多空介质结构，能够捕捉绝大部分的颗粒物质，当温度升高到一定程度时，吸附在多孔介质内部的颗粒物会在催化剂的作用下进行氧化反应而燃烧掉，生成对环境无害的二氧化碳和水，因此DPF可以连续不断地吸附尾气中的颗粒物而不会被颗粒物堵塞，这个氧化的过程又叫做DPF的再生。但是，沉积在DPF内部的除了颗粒物还有灰分，灰分不会氧化，因此会随着DPF的使用时间的增加而增加，因此，需要定期拆卸DPF清除其中的灰分以延长其使用寿命。

DPF内部碳烟沉积的均匀性对DPF的再生过程影响很大，如果碳烟沉积不均匀，碳烟沉积多的地方发热量大，碳烟沉积少的地方发热量小，不均匀的受热可能会使DPF局部产生裂痕，造成DPF损坏。而气流均匀性是影响碳烟沉积均匀性的重要因素，一般来讲，排气流越均匀，碳烟在多孔介质上的吸附沉积也会越均匀。另外，在径向上，碳烟的沉积普遍呈现两边多中间少的趋势。常见的DPF结构会使从排气管排出的气流流经DPF时在径向上会产生一个速度分布不均，这种不均匀会严重影响DPF的性能。

一般来讲，发动机的排气温度在大部分发动机工作时间内无法达到再生所需要的温度，因此需要额外的热源来加热，否则会使DPF的过滤效率降低。另一方面，不同载体材料的DPF在耐腐蚀性、耐热性能以及经济成本上会有较大的差异，采用同一种材料难以协调沿径向DPF因碳烟沉积不均匀而发热不均匀从而使DPF容易局部开裂的难题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的DPF中因气流分布不均匀、碳烟沉积不均匀而导致的局部热应力过大而使DPF局部断裂失效的问题，提供了一种分段式电加热主动再生均匀气流柴油机颗粒物捕集器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种分段式电加热主动再生均匀气流柴油机颗粒物捕集器，包括：导流圆台总成、前锥形进气管、主体、后锥形排气管、电源、电子控制单元。所述主体固定在由前锥形进气管和后锥形排气管螺纹旋接形成的内部空间中，导流圆台总成固定在前锥形进气管内。所述导流圆台总成包括外置翅片、电热丝以及薄壁金属圆台，外置翅片沿薄壁金属圆台的大径端和小径端以度角沿圆周布置，电热丝紧密缠绕于薄壁金属圆台外侧大径端和小径端的外置翅片之间。所述前锥形进气管包括锥形进气管主体，锥形进气管主体的圆台形膨胀端靠近大径端处对称地布置有进气管温差螺纹座和进气管压差螺纹座，进气管温差螺纹座上安装温度传感器，进气管压差螺纹座上安装压力传感器。所述主体包括依次连接的第一碳化硅载体、前置硅酸铝纤维垫片、堇青石载体、后置硅酸铝纤维垫片、第二碳化硅载体。所述后锥形排气管包括锥形排气管主体，锥形排气管主体上固定排气管温差螺纹座和排气管压差螺纹座，管温差螺纹座上安装温度传感器，排气管压差螺纹座上安装压力传感器。锥形进气管主体上安装的温度传感器、压力传感器和锥形排气管主体上安装的温度传感器、压力传感器均与电子控制单元相连，将温度与压力的数据传入电子控制单元。电子控制单元与电源相连，控制电源的通断电以及电流的大小。电源为电子控制单元和电热丝供电。

进一步地，薄壁金属圆台的中轴线与前锥形进气管的中轴线完全重合，薄壁金属圆台小径端与前锥形进气管小径端的内径之比为0.577～0.707，薄壁金属圆台大径端与前锥形进气管大径端的内径之比为0.577～0.707。

进一步地，所述薄壁金属圆台小径端与前锥形进气管小径端的内径之比优选为0.707，薄壁金属圆台大径端与前锥形进气管大径端的内径之比优选为0.707。

进一步地，所述锥形进气管主体大径端内径与小径端内径的直径比为1.2～1.5。

进一步地，所述第一碳化硅载体、堇青石载体与第二碳化硅载体的长度比例为1:1～3:1～2。

进一步地，所述第一碳化硅载体、堇青石载体与第二碳化硅载体的长度比例优选为1:2:1。

进一步地，在所述堇青石载体两个圆面边缘分别设有两个凸起的定位销，同一面上的两个定位销之间的夹角为30～150°，在第一碳化硅载体、前置硅酸铝纤维垫片、后置硅酸铝纤维垫片以及第二碳化硅载体上均设置有对应的定位销孔，实现主体的安装；所述第一碳化硅载体、前置硅酸铝纤维垫片、堇青石载体、后置硅酸铝纤维垫片、第二碳化硅载体的中轴线均重合，通道相配合。

进一步地，当前锥形进气管2上的温度传感器检测的温度T₁和后锥形排气管上的温度传感器检测的温度T₂的最高温度低于550℃时，电子控制单元控制电源通电，且电子控制单元通过下式控制电源释放的电流大小，从而控制电热丝的加热功率：I＝k(P₂-P₁)，其中，k为比例系数，P₁为前锥形进气管上的压力传感器检测的压力，P₂为后锥形排气管上的压力传感器检测的压力。当前锥形进气管上的温度传感器检测的温度T₁和后锥形排气管上的温度传感器检测的温度T₂的最低温度高于650℃时，电子控制单元控制电源断电。

进一步地，k优选为0.001。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明在传统DPF锥形管膨胀段设置了导流圆盘以及加热电热丝，改善排气流均匀性的同时也能将即将进入DPF的排气流均匀地加热。设置分段式地DPF，对于发热量较大的DPF两端，采用耐高温、导热性能好的碳化硅材料，对于发热量相对较低的中间段DPF，采用相对较为经济的堇青石材料，从而在很大程度上避免DPF局部受热而产生裂痕，也方便拆卸清洗。

附图说明

图1为本发明实施例一种分段式电加热主动再生均匀气流DPF系统的结构示意图；

图2为本发明实施例导流圆台总成结构示意图；

图3为本发明实施例前锥形进气管2结构示意图；

图4为本发明实施例分段式DPF主体结构示意图；

图5为本发明实施例DPF后锥形排气管结构示意图；

图中，导流圆台总成1、前锥形进气管2、主体3、后锥形排气管4、电源5、电子控制单元6、金属波纹垫片7、外置翅片101、电热丝102、薄壁金属圆台103、锥形进气管主体203、进气管温差螺纹座201、进气管压差螺纹座202、第一碳化硅载体301、前置硅酸铝纤维垫片302、堇青石载体303、后置硅酸铝纤维垫片304、第二碳化硅载体305、锥形排气管主体401、排气管温差螺纹座402、排气管压差螺纹座403。

具体实施方式

以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为是对本发明技术方案的限制。

参见图1，本实施例中的一种分段式电加热主动再生均匀气流柴油机颗粒物捕集器，包括：导流圆台总成1、前锥形进气管2、主体3、后锥形排气管4、电源5、电子控制单元(ECU)6以及金属波纹垫片7。所述主体3固定在由前锥形进气管2和后锥形排气管4螺纹旋接形成的内部空间中，导流圆台总成1固定在前锥形进气管2内。

发动机排出的带有黑烟颗粒物的尾气通过前锥形进气管2的小径端进入，经过导流圆台总成1的分流作用，将气流分为两部分，分别在导流圆台总成1的内外两侧，在前锥形进气管2的大径段重新汇集在一起，导流圆台总成1起到打破气流惯性，增加进入到主体3的气流均匀性的作用。气流流经主体3的过程中，碳烟颗粒被DPF载体中的多孔介质(堇青石、碳化硅)吸附，过滤后的尾气进入到后锥形排气管4，从其大径端经收缩段进入小径端后排出。

参见图2，所述导流圆台总成1包括外置翅片101、电热丝102以及薄壁金属圆台103。外置翅片101沿薄壁金属圆台103的大径端和小径端以45度角沿圆周布置，外置翅片为薄形翅片，从而最大程度上不阻碍薄壁金属圆台103外侧气体的流动，同时也能起到限定位置的作用。电热丝102紧密缠绕于薄壁金属圆台103外侧大径端和小径端的外置翅片101之间，均匀地给薄壁金属圆台103内外的气流加热，控制气流温度为550～650℃，便于DPF的再生。薄壁金属圆台103的中轴线与前锥形进气管22的中轴线完全重合，薄壁金属圆台103小径端与前锥形进气管22小径端的内径之比为0.577～0.707，优选0.707，薄壁金属圆台103大径端与前锥形进气管22大径端的内径之比为0.577～0.707，优选0.707。

参见图3，所述前锥形进气管2包括锥形进气管主体203、进气管温差螺纹座201和进气管压差螺纹座202。所述锥形进气管主体203大径端内径与小径端内径的直径比为1.2～1.5，以确保气流均匀性。锥形进气管主体203大径端外圆柱面上有外螺纹，与后锥形排气管4大径端的内螺纹相配合，同时锥形进气管主体203的大径端能够给主体3轴向定位的作用。所述锥形进气管主体203的圆台形膨胀端靠近大径端处对称地布置有进气管温差螺纹座201和进气管压差螺纹座202，用于安装温度传感器和压力传感器，从而检测尾气进入DPF前的温度与压力。

参见图4，所述主体3包括前置的第一碳化硅载体301、中间的堇青石载体303、后置的第二碳化硅载体305、前置硅酸铝纤维垫片302和后置硅酸铝纤维垫片304。所述第一碳化硅载体301、堇青石载体303与第二碳化硅载体305的长度比例为1:1～3:1～2，优选1:2:1，在控制经济成本的基础上尽量避免DPF的热损坏，同时也方便了DPF整个的拆卸和清洗。设置前置硅酸铝纤维垫片302和后置硅酸铝纤维垫片304是为了起连接和密封作用。在所述堇青石载体303两个圆面边缘分别设有两个凸起的定位销，同一面上的两个定位销之间的夹角为30～150°，采用一面双销确定主体3各个部分的装配位置。在第一碳化硅载体301、前置硅酸铝纤维垫片302、后置硅酸铝纤维垫片304以及第二碳化硅载体305上均设置有对应的定位销孔，实现主体3的安装，第一碳化硅载体301、前置硅酸铝纤维垫片302、堇青石载体303、后置硅酸铝纤维垫片304、第二碳化硅载体305的通道相配合，防止主体3各部件的相对圆周转动。所述第一碳化硅载体301、堇青石载体303、第二碳化硅载体305、前置硅酸铝纤维垫片302和后置硅酸铝纤维垫片304的中轴线均重合。

参见图5，所述后锥形排气管4包括锥形排气管主体401、排气管温差螺纹座402和排气管压差螺纹座403。锥形排气管主体401大径端处有内螺纹，与锥形进气管主体203大径端外圆柱面上的外螺纹相配合。锥形排气管主体401大径端内部设置有轴肩，便于主体3在轴向的定位，在轴肩与主体3之间设置有金属波纹垫片7，用于承受部分DPF径向受热形变。排气管温差螺纹座402和排气管压差螺纹座403固定在锥形排气管主体401上，分别用于安装温度传感器与压力传感器，从而检测尾气流出DPF后的温度与压力。

锥形进气管主体203上安装的温度传感器、压力传感器和锥形排气管主体401上安装的温度传感器、压力传感器均与电子控制单元6相连，将温度与压力的数据传入电子控制单元6。电子控制单元6与电源5相连，控制电源5的通断电以及电流的大小。电源5为电子控制单元6和电热丝102供电。当前锥形进气管2上的温度传感器检测的温度T₁和后锥形排气管4上的温度传感器检测的温度T₂的最高温度低于550℃时，电子控制单元6控制电源5通电，且电子控制单元6通过下式控制电源5释放的电流大小，从而控制电热丝102的加热功率：I＝k(P₂-P₁)，其中，k为比例系数，可为0.001；P₁为前锥形进气管2上的压力传感器检测的压力，P₂为后锥形排气管4上的压力传感器检测的压力。当前锥形进气管2上的温度传感器检测的温度T₁和后锥形排气管4上的温度传感器检测的温度T₂的最低温度高于650℃时，电子控制单元6控制电源5断电，从而实现对DPF再生过程的闭环控制。

Claims (8)

1.一种分段式电加热主动再生均匀气流柴油机颗粒物捕集器，其特征在于，包括：导流圆台总成(1)、前锥形进气管(2)、主体(3)、后锥形排气管(4)、电源(5)、电子控制单元(6)；所述主体(3)固定在由前锥形进气管(2)和后锥形排气管(4)螺纹旋接形成的内部空间中，导流圆台总成(1)固定在前锥形进气管(2)内；所述导流圆台总成(1)包括外置翅片(101)、电热丝(102)以及薄壁金属圆台(103)，外置翅片(101)沿薄壁金属圆台(103)的大径端和小径端沿圆周布置，且相邻翅片间隔45度，电热丝(102)紧密缠绕于薄壁金属圆台(103)外侧大径端和小径端的外置翅片(101)之间；所述前锥形进气管(2)包括锥形进气管主体(203)，锥形进气管主体(203)的圆台形膨胀端靠近大径端处布置有进气管温差螺纹座(201)和进气管压差螺纹座(202)，且两者相对于锥形进气管主体(203)的中心轴中心对称，进气管温差螺纹座(201)上安装温度传感器，进气管压差螺纹座(202)上安装压力传感器；所述主体(3)包括依次连接的第一碳化硅载体(301)、前置硅酸铝纤维垫片(302)、堇青石载体(303)、后置硅酸铝纤维垫片(304)、第二碳化硅载体(305)；所述后锥形排气管(4)包括锥形排气管主体(401)，锥形排气管主体(401)上固定排气管温差螺纹座(402)和排气管压差螺纹座(403)，排气管温差螺纹座(402)上安装温度传感器，排气管压差螺纹座(403)上安装压力传感器；锥形进气管主体(203)上安装的温度传感器、压力传感器和锥形排气管主体(401)上安装的温度传感器、压力传感器均与电子控制单元(6)相连，将温度与压力的数据传入电子控制单元(6)；电子控制单元(6)与电源(5)相连，控制电源(5)的通断电以及电流的大小；电源(5)为电子控制单元(6)和电热丝(102)供电；

在所述堇青石载体(303)两个圆面边缘分别设有两个凸起的定位销，同一面上的两个定位销之间的夹角为30～150°，在第一碳化硅载体(301)、前置硅酸铝纤维垫片(302)、后置硅酸铝纤维垫片(304)以及第二碳化硅载体(305)上均设置有对应的定位销孔，实现主体(3)的安装；所述第一碳化硅载体(301)、前置硅酸铝纤维垫片(302)、堇青石载体(303)、后置硅酸铝纤维垫片(304)、第二碳化硅载体(305)的中轴线均重合，通道相配合。

2.根据权利要求1所述分段式电加热主动再生均匀气流柴油机颗粒物捕集器，其特征在于，薄壁金属圆台(103)的中轴线与前锥形进气管(2)的中轴线完全重合，薄壁金属圆台(103)小径端与前锥形进气管(2)小径端的内径之比为0.577～0.707，薄壁金属圆台(103)大径端与前锥形进气管(2)大径端的内径之比为0.577～0.707。

3.根据权利要求2所述分段式电加热主动再生均匀气流柴油机颗粒物捕集器，其特征在于，所述薄壁金属圆台(103)小径端与前锥形进气管(2)小径端的内径之比为0.707，薄壁金属圆台(103)大径端与前锥形进气管(2)大径端的内径之比为0.707。

4.根据权利要求1所述分段式电加热主动再生均匀气流柴油机颗粒物捕集器，其特征在于，所述锥形进气管主体(203)大径端内径与小径端内径的直径比为1.2～1.5。

5.根据权利要求1所述分段式电加热主动再生均匀气流柴油机颗粒物捕集器，其特征在于，所述第一碳化硅载体(301)、堇青石载体(303)与第二碳化硅载体(305)的长度比例为1:(1～3):(1～2)。

6.根据权利要求5所述分段式电加热主动再生均匀气流柴油机颗粒物捕集器，其特征在于，所述第一碳化硅载体(301)、堇青石载体(303)与第二碳化硅载体(305)的长度比例为1:2:1。

7.根据权利要求1所述分段式电加热主动再生均匀气流柴油机颗粒物捕集器，其特征在于，当前锥形进气管(2)上的温度传感器检测的温度T₁和后锥形排气管(4)上的温度传感器检测的温度T₂的最高温度低于550℃时，电子控制单元(6)控制电源(5)通电，且电子控制单元(6)通过下式控制电源(5)释放的电流大小，从而控制电热丝(102)的加热功率：I＝k(P₂-P₁)，其中，k为比例系数，P₁为前锥形进气管(2)上的压力传感器检测的压力，P₂为后锥形排气管(4)上的压力传感器检测的压力；当前锥形进气管(2)上的温度传感器检测的温度T₁和后锥形排气管(4)上的温度传感器检测的温度T₂的最低温度高于650℃时，电子控制单元(6)控制电源(5)断电。

8.根据权利要求7所述分段式电加热主动再生均匀气流柴油机颗粒物捕集器，其特征在于，k为0.001。

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