CN1396983A - 微粒过滤方法及使用该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能有效地过滤由燃烧室排出的废气中所含的微粒的装置和方法。该微粒过滤装置包括一设置在用于排放燃烧室产生的微粒的排气通道的预定位置上的过滤部件，该过滤部件具有预定的体积并用于过滤微粒；以及一支撑部件，通过该支撑部件使过滤部件具有一预定的形状。

Description

微粒过滤方法及使用该方法的装置

技术领域

本发明涉及一种以有效的方式过滤由包括柴油发动机在内的燃烧室产生的微粒的方法及使用该方法的微粒过滤装置。

本发明涉及对韩国第10-1999-0044185号专利申请(题为“减少微粒的方法及使用该方法的装置”)的改进，该项申请的申请人与本发明相同。

背景技术

近来，相对汽油发动机而言具有高热效率的柴油发动机得到较广泛的应用。附带地，从柴油发动机排出的微粒也引起了严重的环境污染。当供给发动机的空气量少于能使从安装在柴油发动机上的喷嘴喷射出的燃料成分充分燃烧的量，或者燃料成分与空气未能很好混合时，柴油发动机就会排出微粒。因此，为了从根本上减少微粒的产生量，人们已经进行了各种改进高压燃料喷射、发动机改造及燃烧类型方面的研究。

另一方面，为了防止已经产生的微粒排出到外界，已有一种常用的方法及装置，其中，一微粒过滤装置设置在排气通道中，用于在微粒流出到外界之前对其进行过滤处理。迄今为止，按常规方式开发的微粒过滤装置通常使用陶瓷过滤器或金属纤维过滤器。就是说，将陶瓷过滤器嵌入排气通道中以过滤微粒，而且如果在经过一段预定时间后，压差超过一预定值，启动一电加热器或燃烧器，使陶瓷过滤器中过滤的微粒被燃烧，从而使陶瓷过滤器再生。另外，人们还开发出用高压等离子体燃烧微粒的方法和用催化剂来减少微粒的装置。各种类型使用陶瓷过滤器的微粒过滤装置见诸于美国专利第4,264,346、4,329,162、4,662,911、4,451,441、5,497,620、及4,852,349号中。

然而，常规发展的使用陶瓷过滤器的微粒过滤装置及方法存在着下列问题：

首先，大多数陶瓷过滤器的微孔尺寸约为10μm或更小，而陶瓷过滤器的厚度大约在1mm至5mm范围内。从而陶瓷过滤器采用的是表面过滤方法，其中过滤是在过滤器的表面进行的。因此，陶瓷过滤器在初始阶段及小体积尺寸过滤时呈现出高过滤效率。然而，随着过滤的进行，可通过过滤器的通道尺寸变小，施加于过滤器上的压力迅速增加。如果压力值在经过一段预定时间后超过一个预定值，过滤的微粒将被电加热器或燃烧器燃烧，从而使陶瓷过滤器能再生。

其次，在进行陶瓷过滤器再生的情况下，在直接面对电加热器的高温部或燃烧器火焰的外露部分与未外露部分之间的巨大温差，将导致过滤器产生裂缝。为完全地再生陶瓷过滤器，整个陶瓷过滤器须升到相当高的温度。然而，在这种情况下，存在着难以均匀地加热陶瓷过滤器及需要巨大容量电容的缺陷。此外，在燃烧过滤的微粒时，会产生不希望的氧化氮。

第三，在陶瓷过滤器不能完全再生的情况下，陶瓷过滤器的通道基本上被再生时产生的细小微粒阻塞，导致排气通道的过重负荷。因而，陶瓷过滤器产生裂缝或破裂。结果，微粒过滤装置过滤的微粒量比实际预期更小。由此导致陶瓷过滤器再生的频繁发生，从而使微粒过滤装置难以有效地工作。

最后，为再生陶瓷过滤器，须提供电加热器或燃烧器，使得该装置结构复杂、使用寿命短。

发明概述

本发明的一个目的在于提供一种微粒过滤装置及方法，其中，微粒能被有效地过滤，并可长期使用而不需要再生。

根据本发明的一个方面，提供了一种微粒过滤装置，该装置包括设于用于排出燃烧室产生的微粒的排气通道上预定位置处的过滤部件，该过滤部件具有预定的体积，并且微粒在该过滤部件中被过滤；以及用于支撑该过滤部件以使该过滤部件具有一预定的形状的支撑部件。

过滤部件为微孔型的过滤介质，该过滤介质优选地由大量的通常为圆形或椭圆形的球体构成。过滤介质最好至少由陶瓷、金属、或沙子组合物中的一种构成。在球体表面上涂有催化剂以过滤微粒并同时处理其它排出的污染物。

另一方面，球体平均直径优选在100μm至1500μm范围内。过滤部件的体积与入口表面积的比率为20mm或更大，或者过滤部件的平均微孔百分比为25％至40％。过滤介质由许多具有不同尺寸的球体组成，各尺寸在所规定的范围内。

根据本发明的另一实施例，提供了一种具有一个过滤部件的微粒过滤装置，该过滤部件由具有不同尺寸球体的大量过滤介质组合而成。

此时，微孔百分比最好从前级过滤介质向后级过滤介质逐渐减少。同样，球体的尺寸最好也从前级过滤介质向后级过滤介质逐渐减小。

根据本发明的又一实施例，提供了一种设置在排气通道的预定位置上的微粒过滤装置，其设置方式为可附接和可拆卸式的。

在本发明的优选实施例中，过滤部件进一步包括多根加热线，以便对过滤部件内部过滤的微粒进行燃烧。

根据本发明的另一方面，提供了一种包括如下步骤的微粒过滤方法：在预定体积内过滤微粒，在该体积内微孔型过滤介质集中形成一个过滤层；以及通过该过滤层排出废气。同时，该微粒过滤方法进一步包括对过滤层加热的步骤以再生过滤层。

附图简要说明

本发明的进一步目的与优点通过下面配合附图的详细说明将完全明了，其中：

图1为根据本发明第一实施例微粒过滤装置的一个剖面示意图；

图2为图1实施例的一种改型；

图3为根据本发明第二实施例微粒过滤装置的一个剖面示意图；

图4为根据本发明第三实施例微粒过滤装置的一个剖面示意图；

图5为图4的详细透视图；

图6为图5实施例的一种改型；

图7为根据本发明第四实施例微粒过滤装置的一个剖面示意图；

图8和9为表示本发明的微粒过滤装置性能的曲线图；

图10为表示在单级过滤部件情况下过滤效率的曲线图；及

图11为表示在多级过滤部件情况下过滤效率的曲线图。

发明优选实施例

下面，将参考附图给出本发明的优选实施例。

首先参见图1，将说明根据本发明第一优选实施例的微粒过滤装置的整体结构。

一个产生废气的燃烧室1与排气通道3相连，该排气通道将废气排出到外界。且一个微粒过滤装置10设置在排气通道3的一个预定位置上，用于过滤废气中所含的微粒。优选地，在微粒过滤装置10所在的排气通道3上的部分3a的通道尺寸大于其它部分的尺寸。另外，微粒过滤装置10直接安装在消声器(图中未示)上。

微粒过滤装置10由用于过滤微粒的过滤部件12和用于容纳并支撑过滤部件12的支撑部件14构成。在此种情况下，过滤部件12具有规定的体积，微粒在其中被过滤。换句话说，过滤部件12由微孔型的过滤介质构成。并且，支撑部件14上具有网眼形状，以容纳微孔型过滤介质，保持过滤部件12具有预定形状并使流体能够通过。在过滤介质的内部，提供了有多根由电加热的加热线16。最好是每根加热线都设有陶瓷或金属材料制的保护套18，用于防止每一加热线16直接与球体接触。

微孔型过滤介质由多个球体排列而成，各球体由陶瓷或金属材料制成。各球体的尺寸根据可过滤微粒的尺寸与数量确定。

如图2所示，根据本发明第一实施例的微粒过滤装置10的整体形状并不限于通常的圆柱形，而可以是各种形状。这是因为本发明的过滤部件12是由微孔型过滤介质构成的，过滤介质对过滤部件的形状没有任何影响。微粒过滤装置10的整体形状取决于支撑部件14的形状。

工作时，由燃烧室1产生的废气排出到排气通道3，废气通过微粒过滤装置10流过排气通道3。废气通过支撑部件14的一边，然后通过由多个球体构成的过滤部件12。此时，废气中所含的微粒在整个过滤部件体12中被过滤，而其余气体通过支撑部件14的另一边排出到微粒过滤装置10外。另一方面，当微粒被连续过滤时，废气压力增加，如果废气的压力超过了一个预定的压力值，加热线16通电。从而，加热线16、相应的保护套18及过滤介质依次被加热，其温度升高。由于温度升高，过滤下来的微粒被焚烧掉。

另一方面，本发明优选实施例描述的球体可由陶瓷或金属材料制成，但也可以由其它的材料制成。换言之，球体可以由陶瓷、金属、或沙子、或其组合物来构成。球体的表面上涂有催化剂，用于在过滤微粒的同时处理其它排出的污染物。

在微粒是通过其扩散及相互之间的惯性碰撞过滤的情况下，过滤效率受作为过滤介质的球体的尺寸的影响，而很少受球体材料的影响。然而，在陶瓷球体情况下，由于外部震动或剧烈的温度变化会导致球体破裂，各球体破裂产生的小碎块会在过滤部件12的内部形成阻塞。因此，金属球体好于陶瓷球体。可以使用金属材料铁。这是因为废气中所含的微小碳粒和氧会在铁球的表层上形成稳定的氧化物。所以，使用能够消除裂缝与锈蚀的低价铁球是适宜的。

在构成过滤介质的球体的尺寸分布越大，也即，在球体相互间具有各种不同的尺寸时，过滤效率增加。因此最好是将各种不同尺寸的球体混合排列在一起。在这种情况下，可以使用加工成各种尺寸的陶瓷或金属球体，但优选使用沙子排列。这是因为沙子即使在未处理的状态下也呈现出很大范围的颗粒尺寸分布并可直接使用，无须任何单独的加工处理。同样，在使用金属球体时，当为了焚烧已过滤微粒而加热球体时，烧结也是无法避免的，结果金属球体相互粘着。然而，在使用沙子的情况下，可基本上阻止烧结现象。此外，在使用电加热器加热时，沙子呈现出比金属球体要低的热传导性，使得加热器周围的温度升高，从而确保焚烧更易进行。

另一方面，各球体通常为圆形或椭圆形，但也可以是当球体集中在一起时具有预定微孔百分比的适当尺寸的形状。同样，球体也在表面上形成许多凹/凸面。

各球体的合适尺寸根据过滤效率和微粒过滤装置10的压力损失来确定。图8和图9为表示本发明微粒过滤装置性能的曲线图。在这些实验中，假定柴油发动机的排气量为4,000cc，每分种转数为2,500rpm，废气温度为450K，以及微粒尺寸为1μm或更小。在上述条件下，测出根据球体尺寸和装置的厚度得到的微粒过滤装置10的过滤效率和压力损失。从测试结果中，可以看出在过滤效率约为70％或更高，而压力损失约为3kPa或更少时，微粒过滤装置10呈现出良好的性能。当假设过滤部件12的体积为V而其入口表面积为A时，最理想的是，过滤部件12的平均厚度V/A为20mm或更大，而球体平均直径在100μm至1500μm范围内。进而，过滤部件12的平均微孔百分比在25％至40％范围内是适宜的。由上可见，将具有一定预定范围内各种不同尺寸的球体混合排列是较为理想的。

另一方面，如图3所示，过滤介质优选地以多级12a和12b的形式来设置。这是因为过滤部件12每单位长度的过滤量与球体尺寸成反比，相反，压力损失与过滤量的平方成正比。换言之，如图10所示，在用单级过滤介质过滤微粒的情况下，过滤的微粒几乎都分布在过滤介质的入口部，从而引起过多的压力损失。如果压力损失的增加能够最小化，理想的是微粒在整个过滤介质上均匀地过滤。结果，过滤介质必须以多级12a和12b的形式布置。更理想的是，包含在每一过滤介质中的球体的尺寸从吸收废气方向朝排出废气的方向逐步减小。包含在各过滤介质中的球体可以由各种不同的材料制成，或者各级上的过滤介质具有不同的厚度，使可过滤的微粒尺寸与过滤量可以调节。

如上所述，如果球体的尺寸逐步减小，根据球体的传送长度和尺寸的过滤量的变化相互抵消。如图11所示，在过滤介质的前级上，球体尺寸大而过滤效率低，但压力损失低。相反，在过滤介质的后级上，球体尺寸小而过滤效率高，但压力损失高。因此，过滤部件12呈现出均匀的微粒过滤量分布以及理想的压力损失。

另一方面，包含在从燃烧室1产生的高温废气中的微粒呈现出高附着性(即，热迁移)，这是由于作为过滤介质的球体温度较低，而微粒与球体间的温差较大。因此微粒集中并附着在过滤部件12的入口部周围，直到微粒过滤装置10的温度等于出燃烧室1后废气的初始温度，以致压力剧烈增加。此时，这样的压力增加当然可以避免。从而，理想的是过滤部件12为多级过滤介质12a和12b。换言之，在前级12a上的过滤介质由过滤效率相对较低的大尺寸球体构成，而后级12b上的过滤介质由小尺寸球体构成，从而有效地防止了不希望的压力增加。

参见图4，将说明根据本发明的第三优选实施例的微粒过滤装置。

在本发明第三实施例中，其工作原理与前述的第一、第二实施例相同。但是，在本发明第三实施例中，微粒过滤装置100是以可附接和可拆卸的方式设置在排气通道3的预定位置上的。因而，微粒过滤装置100可以长时间使用，无须再生而且其生产成本相对较低。具体而言，本发明的微粒过滤装置100能够防止剧烈的压力增加，因此能长时间地过滤微粒。从而，根据本发明的第三实施例，过滤器以这样一种方式设计制造，即能够置换循环使用，无须任何再生。

如图4所示，一可开合的盖体4设于排气通道3上，使用盖体4使微粒过滤装置100可以附接和拆卸。然而，上述构造在本发明技术构思下可以进行修改。对本领域技术人员来说，以可附接和可拆卸的方式安装微粒过滤装置的方法是显而易见的，在此不再赘述。

参见图5，将详细说明以可附接和可拆卸方式设置的微粒过滤装置100。

与上述实施例方式相类似，微粒过滤装置100由具有预定体积并包括微孔型过滤介质的过滤部件116以及用于保护并支撑微孔型过滤介质的支撑部件110构成。支撑部件110在前后表面114上为网眼型的，使废气能流进流出。侧面112是封闭的。当然，由于微粒过滤装置100设置在排气通道3的预定位置上，支撑部件110的侧面112可以为网眼形状。

另一方面，图6示出了基本上为圆柱形的微粒过滤装置100a。如上面所提到的，微粒过滤装置的形状可以随意地制成与支撑部件110相一致的其它所希望的形状。

同样，如图7所示，在支撑部件110内部设置有多个彼此分隔开的网眼形的隔板200，从而提供多级过滤介质。

根据本发明第四实施例装置的工作原理与根据本发明上述其它实施例装置相同，为简明起见此处省略其说明。

工业应用性

如前面所述，根据本发明优选实施例的微粒过滤装置具有如下优点：

首先，本发明的装置能够防止现有微粒过滤装置所承受的急剧的压力增加，使微粒过滤能长时间地进行。过滤器设计制造成可置换循环使用的形式，无须任何再生。

第二，无须安装再生装置与再生控制装置，使本发明装置的安装与维护成本降低，而可靠性高。

第三，本发明的装置使用微孔型过滤介质，使其形状可随意设计。此外，所用微孔型过滤介质的尺寸与布置可以适当地调节，从而设定过滤微粒的量和过滤的位置。

最后，本发明的装置消除了现有微粒过滤装置中由于不均匀加热而造成的陶瓷过滤器的破裂，从而无须安装诸如辅助燃烧室之类的辅助装置。

Claims (16)

1.一种微粒过滤装置，包括：

    设于排气通道上预定位置处的过滤部件，由燃烧室产生的

微粒通过所述通道排出，所述过滤部件具有预定的体积，并且

微粒在所述过滤部件中被过滤；以及

    用于支撑所述过滤部件的支撑部件，使所述过滤部件具有

一预定的形状。

2.根据权利要求1所述的微粒过滤装置，其中所述过滤部件为微孔型过滤介质。

3.根据权利要求2所述的微粒过滤装置，其中所述过滤介质由多个通常为圆形或椭圆形的球体构成。

4.根据权利要求3所述的微粒过滤装置，其中所述过滤介质由陶瓷、金属、和沙子的组合物中的至少一种构成。

5.根据权利要求4所述的微粒过滤装置，其中所述的每个球体的表面上涂有催化剂，用于过滤微粒，同时处理其它排出的污染物。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的微粒过滤装置，其中所述的每个球体的平均直径在100μm至1500μm范围内，所述过滤部件的体积与入口表面积的比率为20mm或更大。

7.根据权利要求2至5中任一项所述的微粒过滤装置，其中所述过滤部件的平均微孔百分比在25％至40％范围内。

8.根据权利要求2至5中任一项所述的微粒过滤装置，其中所述过滤介质由许多具有不同尺寸的球体构成，所述尺寸在规定的范围内。

9.根据权利要求2至5中任一项所述的微粒过滤装置，其中所述过滤部件由具有不同尺寸球体的大量过滤介质组合而成。

10.根据权利要求9所述的微粒过滤装置，其中所述过滤介质的微孔百分比从前级过滤介质向后级过滤介质逐渐减少。

11.根据权利要求10所述的微粒过滤装置，其中各所述球体的尺寸从前级过滤介质向后级过滤介质逐渐减小。

12.根据权利要求2至5中任一项所述的微粒过滤装置，其中所述微粒过滤装置以可附接和可拆卸的方式设置在所述排气通道上的预定位置处。

13.根据权利要求2至5中任一项所述的微粒过滤装置，其中所述过滤部件进一步包括多根加热线。

14.根据权利要求13所述的微粒过滤装置，其中所述的每一加热线的外表面上都设有保护套。

15.一种微粒过滤方法，包括以下步骤：

    在一预定体积内过滤微粒，在该体积内微孔型过滤介质集

中以形成过滤层；及

    使废气通过所述过滤层。

16.根据权利要求15所述的微粒过滤方法，进一步包括加热所述过滤层从而使所述过滤层再生的步骤。

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