CN1609419A - 废气净化系统 - Google Patents

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Abstract

一种废气净化系统，包括捕获反应器(10)，用于利用静电力捕获来自发动机中废气中的颗粒物，设置在该捕获反应器(10)出口侧上的主排气路径(15)和副排气路径(16)，设置在所述副排气路径(16)中的PM过滤器(20)，用于过滤和处理所述废气，和流径控制阀(17)，用于选择性地把所述捕获反应器(10)的出口侧连接到所述主排气路径(15)或所述副排气路径(16)。

Description

废气净化系统
技术领域
本发明涉及一种内燃机中使用的废气净化系统，用于净化废气。
背景技术
作为一种从内燃机中排出废气的净化技术，传统地提出过一种废气净化系统(一种等离子反应器)，利用在一副对置电极上施加高压所产生的等离子。例如，日本特许公开专利申请2001-295629公开了一种在废气流径中设置的过滤型装置，该装置通过在一副构成电极的金属网之间夹入纤维过滤器而形成。根据该装置，废气中被纤维过滤器过滤的颗粒物(PM)被通过在两个电极间施加高压而产生的等离子能转化为原子团，其中HC变为H2O和CO2，一部分PM燃烧焚化。这种过滤型装置的缺点是，当废气经过过滤器时，由于废气阻力而导致压力损失增加。
另一方面，如在日本特许公开专利申请2002-21541中所公开的，提出了一种直线流型或静电吸引型废气净化系统，包括用于捕获颗粒物的筒状外圆周面电极和沿其轴线延伸的中心电极，其中用于净化所通过废气的等离子是通过在这两个电极间施加高压产生的。在该装置中，在所述废气中的PM由于该中心电极的放电而带电，吸引到带电的外圆周面电极上而具有相反极性，并沉积在其上。在两个电极之间施加高压时所产生的热量和化学反应将沉积的PM焚化。通过在该中心电极和外圆周面电极间形成的等离子，废气中的HC，CO和NOx与氧发生反应变为无害的N2，CO2，H2O或其它。与上述过滤型装置相比，该静电吸引型装置具有的优点是，因废气压力引起的压力损失减少了。
然而，根据该静电吸引型装置，存在的一个问题是，当所沉积的PM增加时，易产生不完全燃烧的PM，并且特别地，当在该外圆周面电极中设置一种蜂窝吸引结构体时，由于蜂窝横截面(开口区域)的减小，燃烧处理后残余的灰导致压力损失增加，使处理性能下降。由于各种颗粒通过HC，H2O或其它成分的交互边界效应，被吸引PM的颗粒直径随着沉积过程而增加，因此存在的风险是，PM在被高压处理和在该装置的下游被排放前，可能会从吸引表面剥落掉。
发明内容
本发明的目的是提供一种装置，其能约束未被处理的PM的排放，以减少静电型装置的缺点。
为达此目的，本发明提供一种废气净化系统，包括第一处理装置，用于利用静电力吸引来自发动机废气中的颗粒物，设置在所述第一处理装置出口侧上的主排气路径和副排气路径，设置在所述副排气路径中的第二处理装置，用于过滤和处理所述废气，和流径控制阀，用于选择性地将所述第一处理装置的出口侧连接到所述主排气路径或所述副排气路径。
本发明的废气净化系统优选地还包括控制装置，用于控制所述第一处理装置、第二处理装置和所述流径控制阀，其特征在于，当满足预定条件时，所述控制装置操作，从而停止所述第一处理装置产生的吸引，并通过所述流径控制阀的动作，选择性地将所述第一处理装置的出口侧连接到所述副排气路径。
优选地，所述预定条件是，所述发动机的转速低于预定值；或者废气的流速低于预定值；或者承载所述发动机的车辆处于减速阶段。
进一步优选的是，所述第二处理装置包括过滤器，和位于所述过滤器上游侧上的等离子发生器。
本发明还提供一种废气净化的方法，包括如下步骤：操作所述第一处理装置来停止吸引，和通过所述流径控制阀的动作可选择地将所述第一处理装置的出口侧连接到所述副排气路径。能够在另一个发生之前操作步骤或连接步骤中的任一个，还能够在同一时间开始执行两个步骤。
本发明的上述和其它目的，效果，特征和优点，通过以下结合附图描述实施例将变得更为明显。
附图说明
图1是示意地表示根据本发明废气净化系统实施例的横截面视图；
图2是说明该废气净化系统的控制系统一个例子的方框图；和
图3是说明根据本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的实施例。该废气净化系统的实施例适用于汽车，装入发动机(未示出)的排气通道中，用于净化从该发动机燃烧室排出的废气。
如图1所示，该废气净化系统1包括捕获反应器10，其构成静电吸引型等离子反应器，和PM过滤器20，其构成过滤型过滤器。副排气路径16以分路方式被连接到设置于该捕获反应器10的出口侧上的主排气路径15的中点，PM过滤器设置在主排气路径15的中点。该副排气路径16的终端被连接到该主排气路径15。
该捕获反应器10利用静电力吸引和处理从该发动机中排出的废气中的颗粒物。该捕获反应器10包括大体为圆柱形的容器11，大体为圆柱形的外圆柱面电极12，该电极被设置在该容器11内，设置在该外圆柱面电极12内的大体为圆柱形的蜂窝结构体13，和细杆形中心电极14，其插入该蜂窝结构体13而设置在该外圆周面电极12的纵向轴向上。
该外圆周面电极12和该中心电极14适当地由具有足够导电性、热稳定性和防腐特性的金属材料制成，例如不锈钢，并且该外圆周面电极12可由板、箔、线网或其冲孔薄板制成。该中心电极14的上游部分暴露出来而没有被该外圆周面电极12包围，以便废气中的PM在该区域被充电。在这点上，在该中心电极上游端附近，可以设置分支状的凸出部分，以利于放电。
该蜂窝结构体13是一种公知的蜂窝过滤器，由烧结的多孔金刚砂制成。在该蜂窝结构体13中，在轴线方向规则地设有具有大体方形截面的大量蜂房，其中各蜂房由薄的蜂房壁相互分隔。各蜂房的前后端是开口的，以便于该容器内的上游侧和下游侧彼此互通。在该蜂房壁的表面上具有金属元素氧化催化剂和金属氧化物，例如铂族(例如，Pt)，钒，铜，镁或铝。
该PM过滤器20主要由蜂窝过滤器构成，该蜂窝过滤器由烧结的多孔金刚砂制成，其中形成在该轴线方向具有大体方形横截面的大量蜂房被堵塞，使彼此相邻的各对蜂房中的一个在其前端被堵塞而另一个在其后端被堵塞。这样，从该PM过滤器20前端侧供应的废气从在其前端开口的蜂房进入PM过滤器20，穿过蜂房壁，并通过与前者相邻的后端开口的蜂房被排到该PM过滤器20的下游，在此期间颗粒尺寸大于蜂窝壁孔径的PM被该PM过滤器20捕获。
在该PM过滤器20的前端和上游侧，具有等离子发生器30。该等离子发生器30运行，通过与施加高压相伴随的放电，使该PM过滤器20中或附近停留的废气原子团化，并产生O3和NO2。该等离子发生器30包括通常为圆柱形的容器31，设置在该容器31内大体为圆柱形的外圆周面电极32，以及设置在该外圆周面电极32的纵向轴线上的细杆形中心电极34。
该外圆周面电极32和该中心电极34适当地由具有足够电导性、热稳定性和防腐特性的金属材料制成，例如不锈钢，并且该外圆周面电极12可以由板、箔、线网或其冲孔薄板制成。
在该捕获反应器10的上游连接有前管18，并在其中部设有减速阀19，用于当汽车在减速阶段，例如在发动机制动期间阻塞该管。在该主排气路径15和副排气路径16之间的分支点，具有一流径控制阀17，用于打开和关闭主排气路径15。该制动阀19和该流径控制阀17中的每一个都是蝶形阀。
当该流径控制阀17阻塞该主排气路径15时，从该捕获反应器10排出的废气流入副排气路径16。另一方面，当该流径控制阀17打开该主排气路径15时，则废气流入该主排气路径15和副排气路径16。在此情况下，由于该PM过滤器20的流动阻力大，所以废气主要流入该主排气路径15。
在图2中，高压直流电源电路51和高压脉冲电源电路52用于对该捕获反应器10和该等离子发生器30施加高电压，它们分别包括转换电路、变压器、整流二极管或其它。该高压直流电源电路51和高压脉冲电源电路52连接着用于向其供电的直流电源(未示出)，例如车载蓄电池。
电子控制装置(后称为ECU)60用于控制整个系统，其包括CPU、ROM、RAM、输入和输出部分、非易失性存储器等。分别设置在该捕获反应器10上游侧和该PM过滤器20下游侧的温度/压力传感器61，62，以及设置在主排气路径15中位于路径15和16的交汇点下游的PM数量传感器63，都连接到该ECU 60的输入端口。另外，发动机转速传感器64、节流阀开启度传感器65、A/F(空气/燃油比)传感器66，设置在入口侧的空气流量计67，设置在入口支管中的入口压力传感器68，设置在废气支管中的O2传感器69，或者其它部件，都连接到ECU 60的输入部分。在该ECU 60中，如后所述，在这些传感器发出的检测信号的基础上计算和处理表示内燃机状况的值。
除上述高压直流电源电路51和高压脉冲电源电路52之外，驱动螺线管53的制动阀和驱动螺线管54的流径控制阀也连接到ECU 60的输出部分。
预先将后面描述的各种功能和参考值与控制程序一起存储在ECU60的ROM中。ECU 60根据预定的控制程序工作，并基于各传感器的检测值计算废气的流速。在该废气流速的基础上，ECU 60计算和发出驱动脉冲信号(门信号)、电压指示信号或其它信号，该驱动脉冲信号用于驱动高压直流电源电路51和高压脉冲电源电路52的转换电路。在电源电路51和52中，来自该直流电源的直流电压被转换器转化为交流电压，被二极管整流后被变压器升压。输出电压被施加到该捕获反应器10和等离子发生器30。
下面将描述这种结构的实施例的操作。在图3流程图中表示的处理程序在ECU 60中以恒定的时间间隔Δt被重复执行。首先，在初始化存储器后，输入各传感器检测的值(S30)(即，来自温度/压力传感器61、62的废气温度和压力；来自PM数量传感器63的PM流速；来自发动机旋转传感器64的发动机转速，来自节流阀开启度传感器65的节流阀开启度，来自A/F传感器66的空气/燃油比，来自空气流量计67的废气流速，来自入口压力传感器68的入口压力，以及来自O2传感器69的氧气浓度)。
然后，基于该温度/压力传感器61，62之间的废气压力差计算在该捕获反应器10中沉积的PM量，并与预定的参考值(S31)比较。再者，将发动机的转速与预定参考值比较(S33)。如果该PM沉积量少于该参考值和/或发动机转速高于该参考值，该流径控制阀17就被开启(S32)来选择主排气路径15。
如果PM沉积量高于参考值且发动机转速低于参考值，则关闭流径控制阀(S34)来选择副排气路径16。另外，关闭对该捕获反应器10的电源供应(S35)，使捕获反应器10停止对PM的吸引，到此时已粘附到该捕获反应器10的蜂窝结构体13上的PM被废气流向下游输送和排放。被排放的PM流经副排气路径16，被PM过滤器20过滤而沉积在其上。
下一步，将等离子发生器30的前述操作完成的累计选择时间与预定的参考值比较(S36)。该累计选择时间被定义为副排气路径16被流径控制阀所选择的时间段。该时间由软件计时器预先测量，并存储在ECU 60的非易失存储器中。另外，将温度/压力传感器61检测的废气温度与预定的参考值(S37)比较。如果该累计选择时间大于该预定参考值且废气温度高于预定值，则驱动该高压脉冲电源电路，使该等离子发生器30工作预定的时间间隔Δt(S38)。通过该等离子发生器30的工作，废气由于等离子的能量成原子团状态，其中HC变为H2O和CO2，C变为CO2，同时部分PM燃烧成灰。
如上所述，根据该实施例，由于该静电吸引型捕获器10的出口侧被有选择地连接到主排气路径15或副排气路径16，通过选择副排气路径16和使用过滤型的PM过滤器20，就可能过滤废气，并防止未被处理的PM排放到外面。
根据该实施例，通过停止该捕获器10对PM的吸引，并且当满足预定条件时由流径控制阀17将捕获过滤器10的出口侧连接到副排气路径16，所有这些都在ECU 60的控制之下，因而能够从该静电吸引型捕获反应器10剥离PM，从而使该捕获反应器10得以恢复并限制PM的排放。
尽管随着废气在该过滤型PM过滤器20中流速变大，该PM过滤器20的压力损失增加，根据该实施例能够使该PM过滤器20产生的压力损失的影响最小化，因为当发动机转速小于预定值时，对捕获反应器10进行性能恢复。
在这点上，根据该实施例，当该捕获反应器10在发动机转速小于预定值的状态下恢复性能时，也可以采用其它不是发动机转速的物理量来表示车辆的条件。例如，当废气流速小于预定值时，可使该捕获反应器10恢复。在此情况下，该废气流速不仅可以直接从空气流量计67获得，而且可以基于由入口压力传感器68测得的发动机入口支管内的入口压力获得。
另外，当发动机处于减速阶段时可以执行该捕获反应器10的恢复。在此情况下，该恢复操作与以下控制结合，这些控制是关闭减速阀19，司机同时执行减速操作，例如加速踏板的关闭操作(发动机制动)和/或刹车踏板的开启操作，于是可以进一步将由于使用PM过滤器20产生的压力损失最小化。
另外，上述实施例中，尽管将捕获反应器10前后之间的废气压力差或该PM过滤器20的累计选择时间作为估计PM在该捕获反应器10或PM过滤器20内的沉积量的参数，但也可选择性地使用其它参数来估计PM，例如象A/F传感器测得的空气/燃油比或它们的综合。
另外，尽管在上述实施例中，尽管向捕获反应器10施加高压直流电而向等离子发生器30施加脉冲电压，但也可使用可选择的电压波形来获得本发明的希望效果。
另外，尽管在上述实施例中步骤S34和S35是基本上同时进行的，但在本发明中在另一个之前执行操作步骤或连接步骤中的任一个。
此外，该第一处理装置也可采用除上述圆柱形电极与杆形电极组合之外的其它形式；例如，外圆周面电极可以具有多边形的横截面，可以使用多个圆柱形电极和多个杆形电极的组合，也可使用多个分离的相互对置的平板电极的组合。另外，该第二处理装置可以采用其它任意形式，例如一对金属网或夹有纤维过滤器的可吸入电极。
本发明已结合优选实施例得以详细描述，对本领域普通金属人员来说，从前述描述可以做出改进和改变而不脱离本发明的宽泛范围，是显而易见的，所以，权利要求显然意欲覆盖这样的落入本发明实质范围内的改进和改变。

Claims (7)

1、一种废气净化系统，包括：
第一处理装置，用于利用静电力吸引来自发动机废气中的颗粒物，
设置在所述第一处理装置出口侧上的主排气路径和副排气路径，
设置在所述副排气路径中的第二处理装置，用于过滤和处理所述废气，和
流径控制阀，用于选择性地将所述第一处理装置的出口侧连接到所述主排气路径或所述副排气路径。
2、如权利要求1所述的废气净化系统，还包括控制装置，用于控制所述第一处理装置、第二处理装置和所述流径控制阀，其特征在于，当满足预定条件时，所述控制装置操作，从而停止所述第一处理装置产生的吸引，并通过所述流径控制阀的动作，选择性地将所述第一处理装置的出口侧连接到所述副排气路径。
3、如权利要求2所述的废气净化系统，其特征在于，所述预定条件是，所述发动机的转速低于预定值。
4、如权利要求2所述的废气净化系统，其特征在于，所述预定条件是，废气的流速低于预定值。
5、如权利要求2所述的废气净化系统，其特征在于，所述预定条件是，承载所述发动机的车辆处于减速阶段。
6、如权利要求1所述的废气净化系统，其特征在于，所述第二处理装置包括：
过滤器，和
位于所述过滤器上游侧上的等离子发生器。
7、一种使用权利要求1所述废气净化系统的废气净化方法，包括如下步骤：
操作所述第一处理装置来停止吸引，和
通过所述流径控制阀的动作可选择地将所述第一处理装置的出口侧连接到所述副排气路径。
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