CN1727652A - 具有颗粒过滤器的废气处理系统 - Google Patents

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Abstract

一用于动力源的废气处理系统具有一空气吸气系统和一排气系统。排气系统包括一第一颗粒过滤器和一与第一颗粒过滤器串连设置的第二颗粒过滤器。废气处理系统还具有一再循环系统，其构造成从第一颗粒过滤器和一第二颗粒过滤器之间抽取废气流的至少一部分，并引导该废气流的至少一部分到空气吸气系统。

Description

具有颗粒过滤器的废气处理系统
技术领域
本发明一般地涉及一废气处理系统，具体来说，涉及一具有颗粒过滤器的废气处理系统。
背景技术
包括柴油发动机、汽油发动机、天然气发动机，以及本技术领域内已知的其它发动机的内燃机可以排出复杂的污染空气的混合物。空气污染物可由气体化合物组成，它们可包括氮的氧化物(NOx)，以及固体颗粒物质，这些物质可包括被称之为烟灰的未燃烧的碳颗粒。
由于人们越来越关注环境问题，废气的排放标准已变得更加严格，从发动机排放到大气中的气体化合物的量可根据发动机的类型、发动机的规格和/或发动机的级别进行规定。被发动机制造商已采用而符合这些发动机排放规定的一种方法是废气再循环系统(EGR)。EGR系统将废气副产物再循环到内燃机的进气空气供应中。引导到发动机气缸内的废气降低了气缸内的氧浓度，它又降低了气缸内最大燃烧温度。降低的最大燃烧温度可减缓燃烧过程的化学反应并减少NOx的形成。
在许多EGR的应用中，废气直接从废气集管通过—EGR阀转向。然而，再循环废气内的颗粒物质可对内燃机和EGR系统的性能和寿命造成不利影响。如2003年3月3日发表的授予Bailey的美国专利No.6,526,753(‘753专利)中所揭示的，一过滤器可用来从反馈到进气空气流内用作再循环的废气中去除颗粒物质。具体来说，‘753专利揭示一种废气再生器/颗粒收集系统，其包括一第一颗粒过滤器和一第二颗粒过滤器。再生器阀在第一位置和第二位置之间操作，在第一位置时，一EGR入口端口流体连通地将废气流的一部分连接到第一颗粒过滤器，在第二位置时，EGR入口端口流体连通地将废气流的部分连接到第二颗粒过滤器。在进入到进气集管前或在进入的过程中，供应过滤过的EGR气体用于与压缩空气混合。
尽管‘753专利的废气再生器/颗粒收集系统可保护发动机免遭有害颗粒物质作用，但其整合可以是复杂和困难。例如，因为‘753专利的废气再生器/颗粒收集系统必须在第一和第二颗粒过滤器之间变化废气流以避免阻塞，所以会要求有附加的管道、阀门和控制的方案。这些附加部件带有间距的连接要求将部件安装和容纳在发动机室内，这可增加废气再生器/颗粒收集系统的成本，并增加将废气再生器/颗粒收集系统翻新到旧的车辆上的难度。此外，不流过‘753专利的废气再生器/颗粒收集系统的废气的部分可完全地未过滤和未处理。
所揭示的废气处理系统涉及到克服上述诸多问题中的一个或多个问题。
发明内容
在一个方面，本发明针对一用于动力源的废气处理系统，它包括一空气吸气系统和一排气系统。排气系统包括一第一颗粒过滤器和一与第一颗粒过滤器串连设置的第二颗粒过滤器。废气处理系统还包括一再循环系统，其构造成从第一颗粒过滤器和一第二颗粒过滤器之间抽取废气流的至少一部分，并引导该废气流的至少一部分到空气吸气系统。
在另一方面，本发明针对一用于动力源的废气处理系统，它包括一具有至少一个压缩机的空气吸气系统。废气处理系统也包括一具有一颗粒过滤器和至少一个连接到至少一个压缩机的涡轮机的排气系统。至少一个涡轮机设置在颗粒过滤器的下游。废气处理系统还包括一再循环系统，其构造成从至少一个涡轮机的下游抽取废气流的至少一部分，并引导该废气流的至少一部分到位于至少一个压缩机的上游的空气吸气系统。
在还有的另一方面，本发明涉及一操作一废气处理系统的方法。该方法包括引导空气进入到动力源，并引导废气离开动力源。该方法还包括用第一颗粒过滤器过滤掉夹带在废气流内的颗粒，引导废气流的第一部分从第一颗粒过滤器的下游进入到动力源内，引导废气流的第二部分从第一颗粒过滤器的下游进入到第二颗粒过滤器内，用第二颗粒过滤器过滤掉废气流内的颗粒。
附图的简要说明
图1是一具有一根据揭示的示范实施例的废气处理系统的发动机的示意图。
具体实施方式
图1示出一具有一示范的废气处理系统12的动力源10。动力源10可包括一发动机，例如，柴油发动机、汽油发动机、天然气发动机，或本技术领域内的技术人员已知的任何其它发动机。动力源10也可包括诸如加热炉之类的其它的动力源或在本技术领域内已知的任何其它动力源。废气处理系统12可包括一空气吸气系统14、一排气系统16，以及一再循环系统18。
空气吸气系统14可构造成吸入流入到动力源10的燃烧室(未示出)内的空气。空气吸气系统14可包括一吸气阀20和一压缩机22。可以构思其它附加的部件纳入到空气吸气系统14内，例如，一个或多个空气冷却器、附加的阀门、一个或多个空气清洁器、一个或多个废气门、一控制系统，以及本技术领域内已知的其它部件。
吸气阀20可以通过一流体通道24流体连通地连接到压缩机22，并构造成控制进入动力源10内的大气流。吸气阀20可以是一短管阀、一帘阀、一蝶阀、一止回阀、一膜阀、一闸阀、一梭阀、一球阀、一球形阀，或本技术领域内已知的其它阀。吸气阀20可以是电磁驱动、液压驱动、气动驱动，或任何其它方式驱动。吸气阀20可以与控制器(未示出)连通，以响应于一个或多个预定的条件有选择地驱动。
压缩机22可构造成将流入动力源10内的空气压缩到预定的压力。压缩机22可通过一流体通道26流体连通地连接到动力源10。压缩机22可包括一固定几何型的压缩机、一可变几何型的压缩机，或本技术领域内已知的任何其它类型的压缩机。可构思包括一个以上的压缩机22，其以并联或串联的关系布置。还可构思如果要求的是非加压的空气吸入系统，则可省略压缩机22。
排气系统16可构造成引导废气流出动力源10。排气系统16可包括一第一颗粒过滤器28、一涡轮机30，以及一第二颗粒过滤器32。可以构思将附加的排放控制装置包括在排气系统16内。
第一颗粒过滤器28可通过一流体通道34连接到动力源10，通过一流体通道36连接到涡轮机30。第一颗粒过滤器28可包括导电的粗筛网元件，它们已在压力下烧结在一起。筛网元件可包括一铁基的材料，例如，Fecrally。可以考虑筛网元件也可由不是Fecrally的导电材料形成，例如，诸如Inconel或Hastelloy之类的镍基材料，或本技术领域内已知的其它材料。还可以考虑第一颗粒过滤器28可包括非导电的粗筛网元件，例如，由陶瓷材料或高温聚合物形成的多孔元件。
第一颗粒过滤器28可包括粗的筛网元件来减小动力源10内的回流限制，这会不利地影响动力源10的特性。第一颗粒过滤器28的网格的规格可以是使第一颗粒过滤器28的颗粒收集率达到约40％或不到。也可构思第一颗粒过滤器28变化为具有大于40％的颗粒收集率。
第一颗粒过滤器28可包括一催化剂来催化被第一颗粒过滤器28捕获的颗粒物质(其可降低颗粒物质的点燃温度)，以及一用来再生被第一颗粒过滤器28捕获的颗粒物质的装置，或者包括催化剂和再生装置两者。因为包括在第一颗粒过滤器28内的催化剂直接流体连通地连接到动力源10，所以，催化剂可以经历高温，该高温支持碳氢化合物(HC)、二氧化碳(CO)，和/或颗粒物质的减少。催化剂可包括一碱金属氧化物、一熔化盐，和/或与HC、CO和/或颗粒物质催化反应地作用的贵金属。用来再生的装置可包括一粉末燃料的燃烧炉、一电阻加热器、一发动机控制方案，或本技术领域内已知的任何其它用于再生的装置。
涡轮机30可连接到压缩机22并构造成驱动压缩机22。尤其是，当退出动力源10的热废气膨胀作用在涡轮机30的叶片(未示出)上时，涡轮机30会发生转动和驱动连接的压缩机22。可以考虑一个以上涡轮机30包括在排气系统16内，并以并联或串联的关系布置。还可构思省略涡轮机30，用机械的、液压的、电气的或本技术领域内已知的其它方式由动力源10驱动压缩机22。
与第一颗粒过滤器28相比，第二颗粒过滤器32可设置在涡轮机30的下游。具体来说，第二颗粒过滤器32可通过一流体通道38流体连通地连接到涡轮机30。类似于第一颗粒过滤器28，第二颗粒过滤器32可包括导电的筛网元件，它们已在压力下烧结在一起。筛网元件可包括一铁基的材料，例如，Fecrally。可以考虑筛网元件也可由不是Fecrally的导电材料形成，例如，诸如Inconel或Hastelloy之类的镍基材料，或本技术领域内已知的其它材料。还可以考虑第二颗粒过滤器32可包括非导电的筛网元件，例如，由陶瓷材料或高温聚合物形成的多孔元件。
第二颗粒过滤器32可包括筛网元件，其网格的规格小于第一颗粒过滤器28的筛网元件。第二颗粒过滤器32的网格的规格可以是使第二颗粒过滤器32的颗粒收集率达到约80％或以上。也可构思第二颗粒过滤器32变化为具有小于80％的颗粒收集率。
类似于第一颗粒过滤器28，第二颗粒过滤器32可包括一催化剂，其可降低由第二颗粒过滤器32捕获的颗粒物质的点燃温度，以及一用来再生被第二颗粒过滤器32捕获的颗粒物质的装置，或者包括催化剂和再生装置两者。催化剂可支持碳氢化合物(HC)、二氧化碳(CO)，和/或颗粒物质的减少。例如，催化剂可包括一碱金属氧化物、一熔化盐，和/或贵金属。用来再生的装置可包括一粉末燃料的燃烧炉、一电阻加热器、一发动机控制方案，或本技术领域内已知的任何其它用于再生的装置。
再循环系统18可构造成再引导动力源10的废气流的一部分从排气系统16进入到空气吸气系统14内。再循环系统18可包括一入口端口40、一再循环颗粒过滤器42、一冷却器44、一再循环阀46，以及一排气端口48。
入口端口40可连接到排气系统16并构造成接受来自动力源10的至少一部分的废气流。具体来说，入口端口40可以设置在过滤器28和涡轮机30的下游和第二颗粒过滤器32的上游。可以构思入口端口40位于排气系统16内的任何地方。
再循环颗粒过滤器42可以通过一流体通道50连接到入口端口40，并构造成从引导通过入口端口40的废气流的部分中去除颗粒。类似于第一和第二颗粒过滤器28、32，再循环颗粒过滤器42可包括导电的粗筛网元件，它们已在压力下烧结在一起。筛网元件可包括一铁基的材料，例如，Fecrally。可以考虑筛网元件也可由不是Fecrally的导电材料形成，例如，诸如Inconel或Hastelloy之类的镍基材料，或本技术领域内已知的其它材料。还可以考虑再循环颗粒过滤器42可包括非导电的粗筛网元件，例如，由陶瓷材料或高温聚合物形成的多孔元件。
类似于第一和第二颗粒过滤器28、32，再循环颗粒过滤器42可包括一催化剂，其可降低由再循环颗粒过滤器42捕获的颗粒物质的点燃温度，以及一用来再生被再循环颗粒过滤器42捕获的颗粒物质的装置，或者包括催化剂和再生装置两者。催化剂可支持碳氢化合物(HC)、二氧化碳(CO)，和/或颗粒物质的减少。例如，催化剂可包括一碱金属氧化物、一熔化盐，和/或贵金属。用来再生的装置可包括一粉末燃料的燃烧炉、一电阻加热器、一发动机控制方案，或本技术领域内已知的任何其它用于再生的装置。如果要求的话，也可考虑省略再循环颗粒过滤器42。
冷却器44可通过一流体通道52流体连通地连接到再循环颗粒过滤器42，并构造成冷却流过入口端口40的废气的部分。冷却器44可包括一液体-空气的热交换器、一空气-空气的热交换器，或本技术领域内已知的用于冷却废气流的任何其它类型的热交换器。如果要求的话，也可考虑省略冷却器44。
再循环阀46可通过一流体通道54流体连通地连接到冷却器44，并构造成控制通过再循环系统18的废气流。再循环阀46可以是一短管阀、一帘阀、一蝶阀、一止回阀、一膜阀、一闸阀、一梭阀、一球阀、一球形阀，或本技术领域内已知的任何其它阀。再循环阀46可以是电磁驱动、液压驱动、气动驱动，或任何其它方式驱动。再循环阀46可以与控制器(未示出)连通，以响应于一个或多个预定的条件有选择地驱动。
再循环阀46的流动特征可以联系到吸气阀20的流动特征。具体来说，再循环阀46和吸气阀20可以都受控制，以使通过再循环阀46的进入空气吸气系统14的废气量相关于通过吸气阀20的进入空气吸气系统14的空气流量。例如，当通过再循环阀46的废气量增加时，通过吸气阀20的空气流量会成比例地减少。同样地，当通过再循环阀46的废气量减少时，通过吸气阀20的空气流量会成比例地增加。
排气端口48可通过一流体通道56流体连通地连接到再循环阀46，并构造成引导被再循环阀46控制的废气流进入到空气吸气系统14内。具体来说，排气端口48可以连接到位于压缩机22上游的空气吸气系统14，其中，压缩机22从排气端口48抽取废气流。
工业应用
所揭示的废气处理系统可以应用于任何燃烧型的装置，例如，一发动机、一加热炉，或本技术领域内已知的任何其它的装置，其中，要求减少颗粒的气体再循环到一空气吸气系统内。废气处理系统12可以是简单的、成本低而紧凑的解决方案，其用来减少排放到环境中的废气量，同时，保护燃烧型装置免遭有害颗粒物质和/或由颗粒物质造成的性能的减弱。现将解释废气处理系统12的操作。
大气中的空气可通过吸气阀20抽取到空气吸气系统14内，并进入到压缩机22，在进入到动力源10的燃烧室之前加压到一预定的水平。在进入燃烧室之前或之后，燃料可与加压空气混合。然后，该燃料-空气混合物被动力源10燃烧，以产生机械功、包含气体化合物和固体颗粒物质的废气流。废气流可通过流体通道34从动力源10引导通过第一颗粒过滤器28，那里，夹带在废气中的一部分颗粒物质可从废气流中过滤掉。因为第一颗粒过滤器28包括粗筛网元件，它可去除由动力源10产生的总的颗粒物质的约40％或不到，由于第一颗粒过滤器28增加的回压可以减到最小。
当颗粒物质沉积在第一颗粒过滤器28的粗的筛网元件上时，颗粒物质可被动地和/或主动地再生。当被动地再生时，沉积在粗的筛网元件上的颗粒物质可与包括在第一颗粒过滤器28内的催化剂发生化学反应，从而降低颗粒物质的点燃温度。因为第一颗粒过滤器28位于直接在动力源10的废气流的下游，所以，进入第一颗粒过滤器28的废气流的温度可以足够高，与催化剂相结合可便于被动地进行再生。当主动地再生时，热量可施加到沉积在粗的筛网元件上的颗粒物质，以将颗粒物质的温度提高到捕获的颗粒物质的点燃温度。被动的和主动的再生的组合可包括用催化剂方法降低颗粒物质的点燃温度和施加热量到筛网元件上。
除了废气流内的颗粒物质之外，HC和CO也可部分地在第一颗粒过滤器28内催化。高温的废气立即引导到第一颗粒过滤器28的催化剂，这可提供充分的催化条件。
从第一颗粒过滤器28流出的部分过滤的废气流结合热废气的膨胀一起，可造成涡轮机30转动，由此，转动压缩机22和压缩入口的空气。在退出涡轮机30之后，废气流可分成两个流动，一再引导到空气吸气系统14内的第一流动，以及一引导到第二颗粒过滤器32的第二流动。
当废气流过再循环系统18的入口端口40时，它可被再循环过滤器42过滤，而在连通到冷却器44之前去除附加的颗粒物质。当颗粒物质沉积在再循环颗粒过滤器42的筛网元件上时，它可被动地和/或主动地进行再生。
从再循环颗粒过滤器42流出的颗粒减少的废气流可被冷却器44冷却到一预定的温度，然后，导向通过再循环阀46，以便通过压缩机22抽回到空气吸气系统14内。再循环的废气流然后可与进入燃烧室的空气混合。如上所述，导向燃烧室的废气减小了其中氧的浓度，它又降低气缸内最大燃烧温度。降低的最大燃烧温度减缓了燃烧过程的化学反应，由此，减少氮氧化物的形成。这样，由动力源10产生的气体污染可得以降低，不会经历因引入到动力源10内的过度的颗粒物质造成的有害影响和特性的降低。
从再循环系统18流出的冷却的和颗粒减少的废气对于入口空气的比，可用再循环阀46和吸气阀20进行控制。如上所述，再循环阀46和吸气阀20的流动位置可以互相关联。当通过吸气阀20流入动力源10内的入口空气增加时，流入动力源10内的冷却的颗粒减少的废气流减少。同样地，当通过吸气阀20流入动力源10内的入口空气减少时，流入动力源10内的冷却的颗粒减少的废气流增加。
当第二废气流离开涡轮机30时，它可被第二颗粒过滤器32过滤以去除附加的颗粒物质。类似于第一颗粒过滤器28和再循环颗粒过滤器42，第二颗粒过滤器32也可被动地和/或主动地进行再生，以减少排放到大气中的HC、CO和/或颗粒物质。
本技术领域内的技术人员将会认识到对于所揭示的废气处理系统可以作出各种修改和变化。考虑到本说明书和所揭示的废气处理系统的实践，本技术领域内的技术人员将会明白到其它的实施例。应该认识到本说明书和实例只是示例而已，其真正的范围由附后的权利要求书和其等价物予以指明。

Claims (5)

1.一用于动力源的废气处理系统，包括：
一空气吸气系统；
一排气系统，包括：
一第一颗粒过滤器；以及
一与第一颗粒过滤器串连设置的第二颗粒过滤器；以及
一再循环系统，构造成从第一颗粒过滤器和一第二颗粒过滤器之间抽取废气流的至少一部分，并引导该废气流的至少一部分到空气吸气系统。
2.如权利要求1所述的废气处理系统，其特征在于，再循环系统还包括一再循环颗粒过滤器，构造成从废气流的至少一部分中去除颗粒。
3.一操作一用于动力源的废气处理系统的方法，该方法包括：
引导空气进入到动力源；
引导废气流离开动力源；
用第一颗粒过滤器过滤掉夹带在废气流内的颗粒；
引导废气流的第一部分从第一颗粒过滤器的下游进入到动力源内；
引导废气流的第二部分从第一颗粒过滤器的下游进入到第二颗粒过滤器内；以及
用第二颗粒过滤器过滤掉废气流内的颗粒。
4.一用于动力源的废气处理系统，包括：
一包括至少一个压缩机的空气吸气系统；
一排气系统，包括：
一颗粒过滤器；以及
至少一个连接到至少一个压缩机并设置在颗粒过滤器下游的涡轮机；以及
一再循环系统，构造成从至少一个涡轮机的下游抽取废气流的至少一部分，并引导该废气流的至少一部分到至少一个压缩机的上游的空气吸气系统。
5.一动力系统，包括：
一可操作而产生一废气流的动力源；
一构造成引导一空气流进入动力源内的空气吸气系统，该空气吸气系统包括：
一吸气阀，构造成调节进入到动力源内的空气流；以及
至少一个压缩机，构造成对空气流加压；
一排气系统，包括：
一具有一粗筛网的第一颗粒过滤器；
一与第一颗粒过滤器串联设置的第二颗粒过滤器，具有比第一颗粒过滤器大的颗粒捕获效率，第一和第二颗粒过滤器中的至少一个包括一催化剂；以及
至少一个连接到至少一个压缩机上、并设置在第一颗粒过滤器的下游的涡轮机；以及
一再循环系统，构造成从第一颗粒过滤器和至少一个涡轮机的下游的第二颗粒过滤器之间抽取废气流的至少一部分，并引导该废气流的至少一部分到至少一个压缩机的上游的空气吸气系统，再循环系统包括一再循环阀，再循环阀构造成调节废气流的至少一部分的流动，其中，再循环阀的流动特性与吸气阀的流动特性相关。
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