CN111412036A - 一种发动机排气微粒捕集与微粒再生的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发动机排气微粒捕集与微粒再生的方法，包括主过滤器滤芯、副过滤器滤芯、主微波发生器、副微波发生器、压力传感器、温度传感器、二次空气补给器、通道启闭阀门，所述方法分为四个步骤，对应三种工作状态：捕集器正常工作状态、颗粒再生与颗粒捕集同步工作状态、副捕集器再生工作状态。通过两套过滤系统的切换、通道启闭阀门的设计和二次空气补给，根据背压测量信号进行控制等方法，克服现有发动机排气微粒捕集器存在微粒捕集与再生过程一般不能同步进行的缺陷，可实现在微粒捕集的同时，能同步完成微粒再生，并具有微粒捕集与消声降噪的功能。该方法具有捕集器结构紧凑、捕集效率高、操作方便、过程安全有效等优点。

Description

一种发动机排气微粒捕集与微粒再生的方法
技术领域
本发明主要涉及柴油机排气中微粒的捕集及再生处理，具体涉及一种能将柴油机排气微粒捕集与消声降噪功能相结合，并能实现在微粒捕集同时，可同步完成微粒再生过程的实施方法，属于柴油机排气后处理技术领域。
背景技术
柴油机微粒排放严重地污染环境并危害人类健康，其净化技术一直是机动车排放控制技术领域研究的热点。微粒捕集器是目前公认的最有效的柴油机微粒后处理技术。当排气流经微粒捕集器时，微粒被滤芯捕集，但随着捕集过程的进行捕集器易被烟尘堵塞，造成柴油机排气阻力增加和动力性及经济性恶化，因此必须及时将捕集的微粒通过氧化燃烧方法以完成再生，目前微粒捕集器的一个技术难题就是再生技术问题。微波加热再生是主动再生技术的一种，对微粒加热具有选择性和均匀性，该方法能量利用率和再生效率均较高，但现有应用方法存在再生与微粒捕集难以同步进行或两者互相影响致使效果不佳等问题。如季永青等的实用新型专利(CN 205370692 U)“一种微波加热再生型柴油机颗粒捕集器”虽“采用微波加热技术，针对过滤部中的堵塞微粒进行高温加热，使得堵塞微粒充分燃烧细化进而排出”，但因微粒捕集与再生采用同一系统，再生过程中气流流速过高，外部热量被气流带走，可能会产生微粒不能起燃现象；同时因过滤体径向方向上热量不易传递，边缘颗粒更难起燃，所以存在微粒捕集与过滤体再生同时进行效果不佳问题；又如另一方法是微粒再生时，排气通过转换阀在旁通管和微粒捕集器之间切换，例如吁璇的“柴油机喷油助燃再生微粒捕集器的设计与数值研究”，通过喷油助燃进行微粒的再生，该方法的缺陷是经旁通管的排气存在微粒直接排放问题，也未解决微粒捕集与再生同步进行的问题。
发明内容
本发明是克服现有发动机排气微粒捕集器存在微粒捕集与再生一般不能同步进行的缺陷，可实现在微粒捕集的同时，同步完成微粒的再生过程的方法，该方法还具有微粒捕集与消声降噪功能有效的组合。
根据本发明提供的一种发动机排气微粒捕集与微粒再生的方法，其特征在于，包括捕集器外壳，所述捕集器外壳左侧固定连接捕集器左侧壁板，所述捕集器外壳右侧固定连接有捕集器右侧壁板，所述捕集器左侧壁板上连接有排气进口管，所述排气进口管右端端部连接有通道启闭阀门，同时右端端部又与一喇叭形通道的左端相连接，所述喇叭型通道右端与副过滤器滤芯相连接，所述排气进口管又穿过多孔隔板，并在捕集器外壳内这部分管段上，均匀开有进口管管壁小孔；所述捕集器外壳内上部偏左连接有主过滤器壳体，所述主过滤器壳体内布置有主过滤器滤芯，所述滤芯采用多孔陶瓷。
所述捕集器左侧壁板上连接有主微波发生器，所述捕集器右侧壁板上连接有副微波发生器；所述捕集器外壳的左侧下部连接有二次空气补给器，所述捕集器外壳的上部从左向右依次连接有主过滤器进口压力传感器、温度传感器和排气出口端压力传感器；所述喇叭形通道壁面上连接有副滤芯前压力传感器。
一种排气微粒捕集与再生同步处理的方法，其特征在于所述方法的具体步骤为：
步骤一：排气经排气进口管高速流入后，通道启闭阀门处于关闭位置，排气不能进入副过滤器滤芯；只能从排气进口管管壁小孔分别流入左侧腔体和中间腔体；流入中间腔体排气也通过多孔隔板进入左侧腔体，排气在左侧腔体中汇集后从主过滤器进口流入，携带颗粒被主过滤器滤芯拦截并被捕集，净化后排气从主过滤器出口经排气出口管排出。
步骤二：随捕集颗粒逐渐增多，排气背压不断增加，当背压增加到特定限值，微粒捕集器再生程序启动，受ECU控制，主过滤器滤芯再生程序启动，主微波发生器开始工作，向左侧腔体内发射微波，同时二次空气补给器补给二次空气；同步地，通道启闭阀门顺时针转过约90°转动到打开位置，可使排气流通通道切换，排气从排气进口管右端流经喇叭型通道进入副过滤器滤芯，气流携带颗粒被副过滤器滤芯捕集。
步骤三：主过滤器滤芯内微粒不断氧化燃烧被去除，主过滤器滤芯获得再生，当达到经试验确定出的主过滤器滤芯内颗粒再生需要时间，ECU发出信号，切断主微波发生器微波发射和二次空气补给器空气供给，同步地，通道启闭阀门逆时针转过约90°转动到关闭位置，关闭排气与副过滤器滤芯之间的流通通路，使排气流通通道切换到经过主过滤器滤芯，捕集器恢复到正常工作状态；
步骤四：副过滤器滤芯经过多次颗粒再生与颗粒捕集同步工作状态，副过滤器滤芯内捕集颗粒逐渐增多使排气阻力不断增加，当副滤芯前压力传感器与排气出口端压力传感器差值所确定排气背压达到限定值，ECU启动副微波发生器发射微波进入右侧腔体，使副过滤器滤芯内颗粒进入再生过程。
所述方法又分为三种工作状态：捕集器正常工作状态、颗粒再生与颗粒捕集同步工作状态、副捕集器再生工作状态。上述步骤一对应的是捕集器的正常工作状态；步骤二对应的是颗粒再生与颗粒捕集同步工作状态；步骤四对应的是副捕集器再生工作状态。
所述温度传感器起安全保护作用，当检测到捕集器室内温度过高时，通过ECU控制主微波发生器或副微波发生器的急停。
本实施例提供的一种发动机排气微粒捕集与微粒再生的方法，具有如下有益效果：
1.实现了捕集器三种工作状态的切换及控制的准确与有效。本发明通过设置两套过滤系统和通道启闭阀门的设计，根据排气背压测定值和温度测定值，准确有效地在捕集器正常工作状态、颗粒再生与颗粒捕集同步工作状态、副捕集器再生工作状态三种工作状态之间进行切换，保证了装置连续稳定运行，而且装置具有的颗粒捕集功能与再生功能得到了有效结合。
2.实现了微粒捕集与颗粒再生的同步。传统的微粒捕集器一般不能同时进行微粒捕集及再生，本方法当主过滤器发生堵塞需要再生时，通过切换使排气经过副过滤器，较好解决了上述问题。而且两套捕集系统的设计与切换，具有结构紧凑、操作方便的优点。且过滤体内温度梯度小，再生过程安全有效。
3.实现了微粒捕集与消声降噪功能的有效组合。本发明在实现了微粒捕集与再生功能的同时，利用排气进口管具有的穿孔管消声结构、多孔特性的过滤体具有的消声功能、多孔隔板和喇叭形通道设计，能有效消除低、中频噪声，装置的一体化设计优化了排气后处理整体系统，使装置拥有降低排放与消声降噪的双重功能。
附图说明
图1示出了本发明实施例提供的一种发动机排气微粒捕集与微粒再生的方法的结构示意图。
图2为示出了图1中的A-A位置剖切后得到的一种发动机排气微粒捕集与微粒再生的方法的横截面示意图。
图3为一种发动机排气微粒捕集与微粒再生的方法中ECU接受信号进行控制的原理图。
图中各标号表示：
1排气进口管 2捕集器左侧壁板 3主过滤器进口通道 4主微波发生器
5石英玻璃罩 6主过滤器进口 7主过滤器进口压力传感器 8捕集器端板
9左侧腔体 10主过滤器滤芯 11多孔隔板 12中间腔体 13主过滤器壳体
14进口通道堵头 15排气出口端压力传感器 16温度传感器 17主过滤器出口
18排气出口管 19右侧腔体 20副微波发生器 21捕集器右侧壁板
22副过滤器滤芯 23喇叭形通道 24通道启闭阀门 25二次空气补给器
26进口管管壁小孔 27出口通道堵头 28主过滤器出口通道 29右支撑板
30捕集器外壳 31副滤芯前压力传感器
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的详细说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
一种发动机排气微粒捕集与微粒再生的方法，该方法的实施利用了如下装置，该装置如图1、图2和图3所示，用于柴油机排气系统中，安装在废气流过包括排气系统和环境之间的开口的排气系统对应的尾管之前。优选地，该装置是装配状态下水平排列设置，包括捕集器外壳30，所述捕集器外壳左侧固定连接捕集器左侧壁板2，右侧固定连接有捕集器右侧壁板21，所述捕集器左侧壁板2连接有横截面为圆形的排气进口管1，所述捕集器右侧壁板连接有横截面为圆形的排气出口管18，装置内上部偏左连接有作为微粒捕集用的主过滤器壳体13，主过滤器壳体的横截面为圆形，主过滤器壳体内布置有主过滤器滤芯10，滤芯材料采用多孔陶瓷；装置内下部偏右连接有副过滤器滤芯22，副过滤器滤芯的横截面为圆形，，副过滤器滤芯材料采用具有多孔结构的泡沫陶瓷体作为滤芯。装置内部有多孔隔板11、右支撑板29；捕集器外壳30为矩形截面。
所述主过滤器壳体13固定连接到多孔隔板11和右支撑板29上；主过滤器滤芯10的两端分别安装在捕集器端板8上，所述滤芯由若干正方形气流通道组成。通道之间由一定厚度的多孔陶瓷过滤材料分隔，相邻气流通道分别为主滤芯进口通道3和主滤芯出口通道28，进口通道在右侧被进口通道堵头14堵住，出口通道在左侧被出口通道堵头27堵住。排气进口管1右端端部连接有通道启闭阀门24，所述通道启闭阀门24具有打开和关闭两个位置，通道启闭阀门24位于打开位置，可使排气进口管的排气进入副过滤器滤芯22；通道启闭阀门处于关闭位置，可使排气进口管的排气不能进入副过滤器滤芯22；通道启闭阀门的具体位置接受ECU控制。所述排气进口管1右端还与一喇叭形通道23的左端相连接，喇叭形通道左端截面积较小；喇叭型通道的右端与副过滤器滤芯22相连接。
所述主过滤器进口压力传感器7连接在捕集器外壳30上，并位于左侧腔体9的上部，用于测量排气在进入主过滤器前排气的压力，所述排气出口端压力传感器15连接在捕集器外壳上，并位于右侧腔体19的上部，用于测量排气出口管前排气的压力。所述副滤芯前压力传感器31连接在喇叭形通道23壁面上，用于测量排气在进入副过滤器滤芯前排气的压力。
所述主微波发生器4连接在捕集器左侧壁板2上，石英玻璃罩5具有防尘作用，用于保护主微波发生器内的磁控管。所述二次空气补给器25连接在捕集器外壳上，并位于左侧腔体9的下部位置，用于微粒再生时所需空气的补充；所述温度传感器16连接在捕集器外壳上，并位于右侧腔体19的上部，用于检测微粒再生时的捕集器室内温度。当检测到捕集器室内温度过高时，可通过ECU控制主微波发生器4或副微波发生器20的急停，避免再生温度过高可能对捕集器的损坏。
捕集器左侧壁板2、多孔隔板11和捕集器外壳30之间形成的密闭空间为左侧腔体9；多孔隔板11、右支撑板29和捕集器外壳30之间形成的密闭空间为中间腔体12；右支撑板29、捕集器右侧壁板21和捕集器外壳30之间形成的密闭空间为右侧腔体19。
一种发动机排气微粒捕集与微粒再生的方法，具体运行实施分为三种工作状态：捕集器正常工作状态、颗粒再生与颗粒捕集同步工作状态、副捕集器再生工作状态。所述排气进口管在捕集器内部这部分管段上，均匀开有进口管管壁小孔26，小孔直径为8mm。通常状态下通道启闭阀门24处于关闭状态，封堵排气出口。排气从进口管高速流入后，经排气进口管管壁小孔26流入左侧腔体9和中间腔体12；流入中间腔体排气通过多孔隔板11也进入左侧腔体，排气汇集后通过位于左侧腔体的主过滤器进口6，分别流入间隔排列的各主过滤器进口通道3，穿过通道之间的多孔陶瓷过滤层，携带颗粒被捕集，净化后排气从相邻的主过滤器出口通道28经主过滤器出口17向右流动，通过排气出口管18再经尾管排向大气，这是正常工作状态。
所述装置连接有ECU控制系统，ECU控制系统的接口分别连接到主过滤器进口压力传感器7、排气出口端压力传感器15、副滤芯前压力传感器31、主微波发生器4、副微波发生器20、二次空气补给器25、温度传感器16、通道启闭阀门24；用于接收主过滤器进口压力传感器7、排气出口端压力传感器15反馈的压力信号作为输入信号，并根据两者差值计算排气背压值。当排气背压增加到设定特定限值时，主过滤器滤芯10再生程序将启动，主微波发生器4开始工作向左侧腔体9内发射微波，同时从二次空气补给器25补给二次空气；主过滤器内微粒进行再生，随着滤芯内微粒不断被氧化燃烧而去除，再生过程结束；同步地，受ECU控制的通道启闭阀门24打开，排气可从排气进口管右端流出，通过所述喇叭型通道23进入副过滤器滤芯22，可使微粒再生与微粒捕集同步进行。这是颗粒再生与颗粒捕集同步工作状态。
所述副微波发生器20连接在捕集器右侧壁板21上，用于根据副滤芯前压力传感器31与排气出口端压力传感器15差值判断出，副过滤器滤芯22内捕集颗粒增多到需要再生时，启动副微波发生器20发射微波进入右侧腔体19，使副过滤器内颗粒完成再生过程。这是副捕集器再生工作状态。
以上实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种发动机排气微粒捕集与微粒再生的方法，其特征在于，包括捕集器外壳(30)，所述捕集器外壳左侧固定连接捕集器左侧壁板(2)，所述捕集器外壳右侧固定连接有捕集器右侧壁板(21)，所述捕集器左侧壁板上连接有排气进口管(1)，所述排气进口管右端端部连接有通道启闭阀门(24)，同时右端端部又与一喇叭形通道(23)的左端相连接，所述喇叭型通道右端与副过滤器滤芯(22)相连接，所述排气进口管又穿过多孔隔板(11)，并在捕集器外壳内这部分管段上，均匀开有进口管管壁小孔(26)；所述捕集器外壳内上部偏左连接有主过滤器壳体(13)，所述主过滤器壳体内布置有主过滤器滤芯(10)，所述滤芯采用多孔陶瓷。
2.根据权利要求1所述的一种发动机排气微粒捕集与微粒再生的方法，其特征是，所述捕集器左侧壁板(2)上连接有主微波发生器(4)，所述捕集器右侧壁板上连接有副微波发生器(20)；所述捕集器外壳的左侧下部连接有二次空气补给器(25)，所述捕集器外壳(30)的上部从左向右依次连接有主过滤器进口压力传感器(7)、温度传感器(16)和排气出口端压力传感器(15)；所述喇叭形通道(23)壁面上连接有副滤芯前压力传感器(31)。
3.根据权利要求1所述的一种发动机排气微粒捕集与微粒再生的方法，其特征在于所述方法的具体步骤为：
步骤一：排气经排气进口管高速流入后，通道启闭阀门(24)处于关闭位置，排气不能进入副过滤器滤芯(22)；只能从进口管管壁小孔(26)分别流入左侧腔体(9)和中间腔体(12)；流入中间腔体排气也通过多孔隔板(11)进入左侧腔体，排气在左侧腔体中汇集后从主过滤器进口(6)流入，携带颗粒被主过滤器滤芯(10)拦截并被捕集，净化后排气从主过滤器出口(17)经排气出口管(18)排出；
步骤二：随捕集颗粒逐渐增多，排气背压不断增加，当背压增加到特定限值，微粒捕集器再生程序启动，受ECU控制，主过滤器滤芯(10)再生程序启动，主微波发生器(4)开始工作，向左侧腔体(9)内发射微波，同时二次空气补给器(25)补给二次空气；同步地，通道启闭阀门(24)顺时针转过约90°转动到打开位置，可使排气流通通道切换，排气从排气进口管右端流经喇叭型通道(23)进入副过滤器滤芯(22)，气流携带颗粒被副过滤器滤芯捕集；
步骤三：主过滤器滤芯(10)内微粒不断氧化燃烧被去除，主过滤器滤芯获得再生，当达到经试验确定出的主过滤器滤芯内颗粒再生需要时间，ECU发出信号，切断主微波发生器(4)微波发射和二次空气补给器(25)空气供给，同步地，通道启闭阀门(24)逆时针转过约90°转动到关闭位置，关闭排气与副过滤器滤芯(22)之间的流通通路，使排气流通通道切换到经过主过滤器滤芯，捕集器恢复到正常工作状态；
步骤四：副过滤器滤芯(22)经过多次颗粒再生与颗粒捕集同步工作状态，副过滤器滤芯内捕集颗粒逐渐增多使排气阻力不断增加，当副滤芯前压力传感器(31)与排气出口端压力传感器(15)差值所确定排气背压达到限定值，ECU启动副微波发生器(20)发射微波进入右侧腔体(19)，使副过滤器滤芯内颗粒进入再生过程。
4.根据权利要求3所述的一种发动机排气微粒捕集与微粒再生的方法，其特征在于，所述方法又分为三种工作状态：捕集器正常工作状态、颗粒再生与颗粒捕集同步工作状态、副捕集器再生工作状态；步骤一对应的是捕集器的正常工作状态；步骤二对应的是颗粒再生与颗粒捕集同步工作状态；步骤四对应的是副捕集器再生工作状态。
5.根据权利要求1所述的一种发动机排气微粒捕集与微粒再生的方法，其特征在于，温度传感器(16)起安全保护作用，当检测到捕集器室内温度过高时，通过ECU控制主微波发生器(4)或副微波发生器(20)的急停。
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